Предел текучести стали при сжатии и растяжении
Макеты страниц
Построение диаграммы деформирования при сжатии связано с рядом трудностей.
Первая из них состоит в том, что при сжатии стержня может наступить потеря устойчивости (искривление оси стержня). Проблема устойчивости стержней будет изучаться в дальнейшем, а сейчас отметим, что для устранения потери устойчивости надо применять образцы с малым отношением . Однако по мере уменьшения этого отношения возрастает влияние на результаты опытов сил трения, возникающих между опорными поверхностями.
На рис. 4.4, а показаны образцы для испытаний на сжатие. Наиболее простой способ — передача усилия через плоские торцы. Образец должен быть обработан достаточно точно, с тем чтобы получить равномерное распределение напряжений сжатия по торцам. Для уменьшения влияния сил трения торцы смазываются консистентными смазками (вазелином, парафином и т. п.). Другой способ компенсации сил трения состоит в применении полбгих конических поверхностей на торцах (рис. 4.4, б).
Для проведения последовательных испытаний на растяжение и сжатие используются трубчатые образцы (рис. 4.4, в), причем усилие на тело образца передается с помощью резьбы.
Рис. 4.4. Образцы материалов для испытания на сжатие
Основная область применения испытаний на сжатие — исследование прочности и деформации хрупких материалов, так как они используются в первую очередь для элементов конструкций, работающих на сжатие. Испытание на сжатие широко применяется для исследования строительных материалов (бетона, кирпича, камня и т. п.). В качестве образцов обычно применяют кубики размером ребра 30—40 мм.
Для хрупких материалов разрушение происходит при деформации всего несколько процентов, и основное значение имеет предел прочности на сжатие. На рис. 4.5 приведены два типа разрушения строительных материалов при сжатии. В нервом случае (рис. 4.5, а) (на торцах образца действуют силы трения) разрушение связано с действием касательных напряжений. Во втором случае (рис. 4.5, б) (силы трения по торцам малы) образуются продольные трещины, вызываемые деформацией растяжения в поперечном направлении. Следует отметить, что для хрупких материалов прочность на сжатие во много раз больше прочности на растяжение.
Рис. 4.5. Разрушение хрупких строительных материалов при сжатии: а — торцы образца не смазаны; б — торцы смазаны парафином
При испытании на сжатие пластичных материалов происходит увеличение поперечных сечений («расплющивание») образца (рис. 4.6). Четко определяется предел текучести, который для большинства пластичных конструкционных материалов оказывается таким же, как и при растяжении. Последнее объясняется тем, что ответственными за появление пластических деформаций являются касательные напряжения, которые при действии растягивающих и сжимающих усилий различаются только знаком.
Рис. 4.6. Расплющивание пластичных материалов при сжатии
Предел прочности при сжатии пластичных материалов при одноосном сжатии не выявляется. При всестороннем сжатии материалы выдерживают очень высокие давления, причем обычно хрупкие материалы (мрамор и др.) становятся пластичными.
Можно считать, что пластичные материалы выдерживают очень большие сжимающие напряжения, а разрушение может наступить в результате наличия в наклонных площадках — касательных напряжений.
Источник
Прочность металлических конструкций – один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.
Предел прочности стали
Предел прочности
Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.
Каким образом производится испытание на прочность
Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.
Испытание на разрыв
Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.
Виды пределов прочности
Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.
Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.
Различают следующие виды предела прочности при:
- сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
- изгибе — влияет на гибкость деталей;
- кручении – показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
- растяжении.
Виды испытаний прочности материалов
Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.
Предел прочности стали
На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.
Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.
На значение параметра влияют:
- химический состав сплава;
- термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.
Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.
Условный предел текучести
Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σт. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.
На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.
Общие сведения и характеристики сталей
С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали. Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.
Влияние содержание углерода на свойства сталей
По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.
Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.
Влияние углерода на механические свойства стали
Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.
Добавки марганца и кремния
Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.
Влияние кремния на свойства сталей
Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.
При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.
Влияние легирующих добавок на свойства стали
В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.
Азот и кислород в сплаве
Эти самые распространенные в земной атмосфере газы вредно влияют на прочностные свойства. Образуемые ими соединения в виде включений в кристаллическую структуру существенно снижают прочностные параметры и пластичность.
Легирующие добавки в составе сплавов
Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:
- Хром. Применяется для повышения прокаливаемости и твердости. Доля – 0,8-0,2%.
- Бор. Улучшает хладноломкость и радиационную стойкость. Доля – 0,003%.
- Титан. Добавляется для улучшения структуры Cr-Mn сплавов. Доля – 0,1%.
- Молибден. Повышает прочностные характеристики и коррозионную стойкость, снижает хрупкость. Доля – 0,15-0,45%.
- Ванадий. Улучшает прочностные параметры и упругость. Доля – 0,1-0,3%.
- Никель. Способствует росту прочностных характеристик и прокаливаемости, однако при этом ведет к увеличению хрупкости. Этот эффект компенсируют одновременным добавлением молибдена.
Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.
Источник
Испытание на растяжение
Испытание на растяжение производится на образцах двух типов:
цилиндрических и плоских.
Цилиндрические образцы могут быть нормальные (с расчетной
длиной lрасч=10d) и
укороченные (с lрасч=5d).
Для плоских образцов при вычислении расчетной длины образца используется
диаметр круга, равновеликого поперечному сечению рабочей части образца.
В процессе растяжения, реализуемого на специальных
испытательных машинах, автоматически записывается диаграмма испытания в
координатах сила – удлинение (рабочая, или индикаторная диаграмма). Для
малоуглеродистой стали эта диаграмма выглядит следующим образом:
Рассмотрим основные участки диаграммы.
OB – участок упругости.
После нагружения в пределах этого участка образец
возвращается в исходное состояние. Такая деформация, полностью исчезающая после
разгрузки, называется упругой. Механизм упругой деформации – изменение
расстояния между атомами.
BC – участок общей текучести (площадка текучести).
На этом участке на поверхности образца появляется сетка линий,
направленных под углом приблизительно 45° к оси растяжения – линии
Чернова-Людерса. Эти линии свидетельствуют о появлении нового механизма
деформации, заключающегося в сдвиге атомных слоев друг относительно друга.
Из-за этих сдвигов после разгрузки образец не возвращается в исходное
состояние, приобретая остаточную, или пластическую, деформацию. Пластическая
деформация сопровождается нагревом образца, изменением его электропроводности и
магнитных свойств, а также акустическим излучением.
CD – участок упрочнения.
Пластическая деформация изменяет внутреннюю структуру
материала, в результате чего образец снова проявляет сопротивление
деформированию, и растягивающая сила повышается.
DK – участок местной текучести.
Точка D диаграммы соответствует появлению на образце
локального сужения – шейки. Дальнейшая деформация локализуется в этой области,
и за счет уменьшения площади поперечного сечения необходимая для растяжения
сила снижается. Точка K соответствует разделению образца на части. Разрыв
происходит в самом тонком месте шейки.
Чтобы исключить влияние геометрических размеров образца,
рабочая диаграмма перестраивается в условную (в координатах напряжение –
деформация:
Полученная диаграмма называется условной потому, что при
вычислении напряжения и деформации сила и удлинение относятся не к
действительным, а к начальным значениям соответственно площади поперечного
сечения и длины образца.
На условной диаграмме выделяют следующие характерные точки:
sпц
– предел пропорциональности: максимальное напряжение, до которого справедлив
закон Гука (т.е. наблюдается прямая пропорциональная зависимость между
напряжением и деформацией);
sу
– предел упругости: максимальное напряжение, до которого в материале не
возникает пластических деформаций;
sт
– предел текучести: напряжение, при котором наблюдается рост деформации при
постоянном напряжении;
sв
– предел прочности (или временное сопротивление разрыву): максимальное
напряжение, которое может выдержать образец без разрушения.
В момент разрыва истинное напряжение, отнесенное к
действительной площади сечения, существенно выше предела прочности.
За пределами участка упругости в любой точке диаграммы
полная деформация εполн состоит из упругой εупр
и пластической εпл составляющих:
Если прекратить нагружение в точке G и снять нагрузку, то
разгрузка произойдет по закону Гука, т.е. по линии, параллельной участку
упругости (отрезок GO1). Таким образом, отрезок OO1
определяет величину остаточной деформации образца, а отрезок O1O2 – величину
упругой деформации на момент разрыва.
Механические характеристики материалов
Механические характеристики материалов, определяемые при
растяжении, можно разделить на три группы.
1. Характеристики упругих свойств.
Модуль упругости первого рода (модуль Юнга).
Модуль Юнга характеризует жесткость материала (физический
смысл) и равен тангенсу угла наклона участка упругости OB условной диаграммы к
оси абсцисс E = tga
(геометрический смысл). Для основных марок стали E = 2·105 МПа, для
меди E = 1,2·105 МПа, для алюминия E = 0,7·105 МПа.
Коэффициент Пуассона.
Удлинению стержня при растяжении в продольном направлении
сопутствует сжатие в поперечном направлении:
При этом относительная линейная деформация определяется как
,
а относительная поперечная
деформация –
.
За коэффициент Пуассона принимают модуль отношения
поперечной деформации к продольной:
.
Коэффициент Пуассона изменяется от 0 (для пробки) до 0,5
(для резины). Для основных марок стали .
Иногда к характеристикам упругости относят также предел
пропорциональности sпц и
предел упругости sу.
2. Характеристики прочности:
– предел текучести sт,
– предел прочности sв.
Если диаграмма растяжения не имеет площадки текучести, то
определяют условный предел текучести s0,2
– напряжение, соответствующее величине остаточной деформации 0,2%.
Для некоторых материалов величину условного предела
текучести определяют при остаточной деформации 0,5% (s0,5). Используется также понятие условного предела
упругости s0,001 или s0,005 – напряжение,
соответствующее величине остаточной деформации 0,001 или 0,005%.
3. Характеристики пластичности.
Относительное остаточное удлинение при разрыве:
,
где l0 – начальная
длина образца (до испытания), lк – конечная длина образца
(после разрушения).
Относительное остаточное удлинение при разрыве можно
определить непосредственно по диаграмме растяжения, проведя из точки разрыва
линию, параллельную участку упругости, до пересечения с осью абсцисс (отрезок
OL):
Относительное остаточное сужение при разрыве:
,
где A0 и Aш –
площадь поперечного сечения рабочей части соответственно до и после испытания
(в месте образования шейки).
Испытание на сжатие
При испытании на сжатие металлов используются цилиндрические
образцы с отношением высоты к диаметру 1…3:
Для строительных материалов используются кубические образцы
с длиной грани 100 или 150 мм.
Испытание на сжатие используется редко в силу того, что
между плитами испытательной машины и торцевыми поверхностями образца возникает
сила трения, нарушающая одноосное напряженно-деформированное состояние, в
результате чего определяемые характеристики прочности не могут использоваться в
расчетах на прочность. Для устранения силы трения используются следующие
приемы:
- нанесение парафинового слоя на
торцевые поверхности образца; - использование плиты
специальной конструкции.
Угол конуса рассчитывают таким, чтобы расклинивающая сила
компенсировала силу трения.
Пластичные и хрупкие материалы
По величине относительного остаточного удлинения при разрыве
принято различать:
— пластичные материалы – способные получать без
разрушения большие остаточные деформации (d > 10%);
— хрупкие материалы – способные разрушаться без
образования заметных остаточных деформаций (d < 5%).
При испытаниях на растяжение:
1 –
пластичный материал;
2 –
хрупкий материал.
Пластичные и хрупкие материалы отличаются также по характеру
разрушения. Пластичные материалы перед разрывом образуют заметную шейку, а
разрушение происходит под углом примерно 45° к оси растяжения (последнее хорошо
видно на плоских образцах). Хрупкие материалы разрушаются по плоскости,
нормальной оси растяжения, практически без образования шейки.
Сравним результаты испытаний на растяжение и сжатие для
пластичных материалов:
1 –
растяжение;
2 –
сжатие.
Считается, что для пластичных материалов пределы текучести
при растяжении и сжатии равны друг другу: sтр»sтс.
Другой особенностью испытания на сжатие пластичных
материалов является то, что их не удается довести до разрушения, т.к. они
сплющиваются в тонкий диск. По этим причинам пластичные материалы на сжатие
практически не испытывают.
Для хрупких материалов диаграммы испытаний на растяжение и
сжатие подобны друг другу:
1 –
растяжение;
2 –
сжатие.
Хрупкие материалы при испытании на сжатие разрушаются, при
этом оказывается, что предел прочности при растяжении меньше, чем при сжатии: sвр<sвс.
Существует также группа материалов, которые способны при
растяжении воспринимать большие нагрузки, чем при сжатии. Это в основном
волокнистые материалы, а из металлов – магний.
Для волокнистых материалов характерна анизотропия
механических свойств. Например, при испытаниях на сжатие дерева:
1 –
дерево вдоль волокон;
2 –
дерево поперек волокон.
Наклеп. Эффект Баушингера. Гистерезис
Если нагрузить образец до точки G, а затем произвести
разгрузку, то при повторном нагружении диаграмма растяжения пойдет по пути O1GK:
Явление повышения прочностных свойств материала (sпц, sу и sт)
и снижения пластических (d) в
результате предварительного нагружения выше предела текучести называется
наклепом (или деформационным упрочнением). Если после такого нагружения
выдержать образец в течение 100 и более часов, то при этом повышается и предел
прочности. Это явление называется естественным старением.
Наклеп может быть частично или полностью устранен
термической обработкой.
При сжатии нагружение выше предела текучести, так же, как и
при растяжении, вызывает явление наклепа. Однако наклеп, вызванный растяжением,
снижает sпц и sт при сжатии. Это явление
называется эффектом Баушингера.
Если рассмотреть диаграмму растяжения при большом разрешении
по оси деформаций, то станет заметно, что линии разгрузки GO1 и
нагрузки O1G образуют петлю – петлю гистерезиса:
Явление гистерезиса можно определить как необратимую потерю
энергии деформации в результате несовпадения кривой нагружения с кривой
разгрузки. При свободных колебаниях гистерезис является причиной постепенного
затухания колебательного процесса.
При анализе диаграмм растяжения и сжатия явлением
гистерезиса пренебрегают.
Источник