Работа металла на растяжение
Если подвергнуть образец растяжению, последовательно увеличивая нагрузку Р, и производить при этом замеры получающихся удлинений ∆l, то можно построить опытную диаграмму растяжения, откладывая удлинение в функции нагрузки.
Для удобства сравнения эту диаграмму выражают в напряжениях и относительных удлинениях:
где σ — нормальное напряжение;
F — первоначальная площадь сечения образца; ε — относительное удлинение в процентах;
l0 — первоначальная длина образца.
Величина относительного удлинения зависит от длины и поперечного сечения образца и увеличивается с уменьшением отношения
. Поэтому для сохранения сравнимости результатов испытаний установлены два типа образцов — длинный и короткий — с соотношениями между длиной и площадью сечения1
Опытная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали марки Ст. 3 показана на фигуре.
Диаграмма растяжения стали марки Ст. 3
Вначале зависимость между напряжениями и относительными удлинениями определяется законом прямой линии, т. е. они пропорциональны между собой.
Это выражается линейным уравнением (зависимость Гука)
где Е — постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости при растяжении. Для стали Е = 2 100 000 кг/см2.
Пропорциональная зависимость между деформацией и напряжением имеет предел. То наибольшее напряжение в материале, при котором начинается отклонение от прямолинейной зависимости, называется пределом пропорциональности σпц.
Несколько выше этой точки лежит предел упругости σуп, соответствующий наибольшей деформации, которая полностью исчезает после разгрузки. Точное определение этой точки на кривой опытным путем затруднительно, поскольку она фиксируется моментом начала получения остаточных деформаций после снятия нагрузки, что означает переход материала в пластическую стадию.
Для малоуглеродистых сталей при нагружении выше предела пропорциональности кривая диаграммы растяжения отходит от прямой и, плавно поднимаясь, делает скачок (образуя характерный «зуб»), после чего с незначительными колебаниями идет параллельно горизонтальной оси. Образец удлиняется без приращения нагрузки, материал течет. То нормальное напряжение, практически постоянное, при котором происходит течение материала, называется пределом текучести σт.
Горизонтальный участок диаграммы, называемый площадкой текучести, для малоуглеродистых сталей находится в пределах относительных удлинений от ε = 0,2% до ε = 2,5%. Наличие у материала площадки текучести является положительным фактором в работе стальных конструкций.
В других сталях, не малоуглеродистых, переход в пластическую стадию происходит постепенно, без площадки текучести и без «зуба». Для них предел упругости и предел текучести, таким образом, принципиально не отличаются друг от друга. За предел текучести этих сталей принимается то напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2%.
При снятии нагрузки с образца, получившего пластическую деформацию, диаграмма разгрузки идет по прямой С — D параллельно упругой прямой нагрузки.
Когда относительное удлинение достигает определенной величины (ε ≈ 2,5% для Ст. 3), материал прекращает течь и становится опять способным к сопротивлению. Он как бы самоупрочняется. Однако зависимость между напряжениями и деформациями подчиняется уже криволинейному закону, с быстрым нарастанием деформаций, после чего в образце образуется шейка и, наконец, происходит полное разрушение его.
Предельная сопротивляемость материала, которая характеризует его прочность, определяется наибольшим напряжением в процессе разрушения. Это напряжение называется пределом прочности σпч (временным сопротивлением); оно условно; поскольку при построении диаграммы растяжения напряжения, относят к первоначальной площади сечения образца, не учитывая сужения и образования шейки.
Полное остаточное удлинение, замеренное после разрушения, является мерой пластичности стали.
Таким образом, важнейшими показателями механических свойств, характеризующими работу стали, являются: предел текучести, предел прочности и относительное удлинение. Эти показатели, так же как и химический состав, указываются в сертификатах, которые сопровождают каждую партию поставляемого металла.
Государственным стандартом на поставку строительной стали гарантируются следующие ее механические характеристики.
Таблица Показатели механических свойств строительных сталей
1 Н. А. Шапошников, Механические испытания металлов, Машгиз, 1951.
«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов
Источник
Под работой стали на сжатие понимают работу на сжатие коротких элементов, которые не могут потерять устойчивость, т. е. получить изгиб на длине.
Напряжение в сжатом элементе определяют так же, как и в растянутом
В зависимости от нагрузок сжатия или растяжения стали ведут себя по-разному. Это очень важно учитывать при разработке сварных конструкций. При растяжении образца силой образуется удлинение его. Увеличивая силу и замеряя удлинение, можно построить диаграмму работы стали на растяжение и сжатие в осях координат. Между напряжением и удлинением на первоначальном этапе испытания, т. е. в зоне пропорциональности, когда остаточное удлинение отсутствует, а после снятия нагрузки образец занимает прежнюю длину, имеется зависимость, называемая законом Гука.
Свойства стали при сжатии. Знание характера работы стали при сжатии позволяет грамотно решить вопросы надежности сварных конструкций с учетом коэффициента запаса прочности, который в принципе правильнее назвать коэффициентом незнания. Многие факторы влияют на работоспособность, прочность сварных конструкций, которые либо мало изучены, либо вообще невозможно определить, например, величину внутренних напряжений после сварки, или влияние отрицательных температур на сварку и качество. Под работой стали на сжатие понимают работу на сжатие коротких элементов, которые не могут потерять устойчивость, т. е. получить изгиб на длине.
Вначале сталь при сжатии ведет себя так же, как при растяжении тот же модуль упругости, совпадение пределов пропорциональности, упругости и текучести. В дальнейшем происходит раздвоение диаграмм: временное сопротивление сжатию получить у мягких малоуглеродистых сталей не удается, материал сплющивается, воспринимая все большую нагрузку. В последующем у мягких сталей появляются трещины по периметру образца, высокоуглеродистые хрупкие стали разрушаются по наклонным плоскостям. Ввиду того, что в упругой и упруго-пластической стадиях сталь ведет себя одинаково, соответствующие расчетные характеристики ее принимаются также одинаковыми. Повышенная несущая способность при сжатии в области самоупрочнения используется при работе стали на смятие (сжатие коротких элементов, которые не могут потерять устойчивость). Но в этом случае расчетное сопротивление принимается более высоким, чем при растяжении и сжатии.
При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, называемых линиями текучести (линиями Чернова-Людерса), направленных под углом 45° к линии действия растягивающих сил. Эти линии, заметные на глаз, представляют собой след пластических смещений слоев металла; направление их в основном совпадает с направлением наибольших касательных напряжений. Пластические смещения представляются как следствие массового накопления пластической деформации кристаллов феррита.При нагружении образца выше предела текучести, когда прорабатывается вся площадка текучести (т. е, преодолевается сдерживающее влияние всей перлитной прослойки), материал приобретает способность к дальнейшему сопротивлению, и диаграмма растяжения становится криволинейной, отражая равномерное развитие пластических деформаций во всей массе металла вплоть до момента разрушения. В изломе можно наблюдать мелкозернистую кристаллическую структуру.
Внимание!
Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к
профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные
корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему
учебному проекту
Узнать стоимость
Источник
Работа стали в значительной степени зависит от прочности и работы контактных поверхностей и прослоек между зернами. В отдельных зернах феррита пластические деформации начинаются весьма рано, значительно раньше, чем напряжения стали в целом достигают предела текучести (поэтому модуль упругости стали, строго говоря, не является постоянным). Однако эти деформации сдерживаются в своем развитии сопротивлениями контактных поверхностей (более прочных, чем сами зерна), прослоек между зернами и перлитовых включений. После достижения сталью предела пропорциональности число зерен, перешедших в пластическое состояние, становится настолько большим, что оно заметно сказывается на наклоне кривой диаграммы растяжения. На пределе текучести в малоуглеродистых (С»0,2%) и низколегированных сталях сопротивления не очень мощных перлитовых включений, прослоек и контактных поверхностей исчерпываются; энергия, накопленная в кристаллитах феррита от сдерживающего влияния межкристаллических сопротивлений, проявляется вовне, происходит общий сдвиг, появляется площадка текучести (рис.1). Таким образом, площадка текучести есть результат запаздывания пластических деформаций в зернах феррита вследствие сдерживающего влияния указанных факторов. По этой причине в мелкозернистых сталях площадка текучести оказывается более протяженной, а предел текучести более высоким, так как контактных сопротивлений на границах зерен в мелкозернистой стали больше, чем в крупнозернистых.
Площадка текучести появляется далеко не у всех сталей: в сталях, содержащих очень мало углерода (С<0,1°/о), площадка текучести обычно не появляется, так как ничтожные включения и прослойки не могут оказать сдерживающего влияния на зерна феррита; в сталях, достаточно углеродистых (0,3%) или высоколегированных, площадка текучести также не появляется, так как перлитовые включения в этих сталях достигают значительной величины (по размерам одного порядка с зернами феррита) и все время сдерживают деформации феррита,—сталь становится более жесткой при увеличении содержания углерода. Таким образом, площадка текучести является особенностью небольшой группы сталей, к которым относятся и строительные стали. Для сталей, не имеющих площадки текучести, за условный предел текучести принимают напряжение, отвечающее удлинению в 0,2%.
При пластической работе стали сдвиги проявляются по определенным направлениям, зависящим от направления силового воздействия и ориентации структуры феррита. Это особенно четко заметно при деформациях на площадке текучести при массовом развитии сдвигов, когда они проходят через несколько кристаллов, образуя целые полосы. Видимым проявлением этих полос являются линии Чернова—Людерса, по которым при нагружении при большом развитии пластических деформаций отскакивает окалина или слабо нанесенная краска. Эти полосы появляются на некотором расстоянии друг от друга и могут быть установлены прямыми наблюдениями и непосредственными измерениями. Между полосами сталь сохраняет свои упругие свойства; сохраняются упругие свойства стали также и по направлениям, не совпадающим с направлением сдвигов. Непосредственными опытами было доказано, что если после развития значительных пластических деформаций в одном направлении образец вновь подвергнуть нагружению того же знака, но в другом направлении, то сталь снова работает упруго при прежнем модуле упругости (рис. 7, а). Если новая нагрузка имеет знак, противоположный первой, сталь также снова становится работоспособной, но новый модуль упруго-пластических деформаций значительно ниже первоначального (рис. 7, б). Такие нагружения, когда нагрузки изменяются по разным законам, называются сложными; работа стали при сложном нагружении более благоприятна, чем при простом. Обычная работа конструкции отвечает сложному нагружению, поэтому указанное обстоятельство дает дополнительные запасы прочности. Однако теория, учитывающая развитие пластических деформаций при сложных нагружениях, еще не разработана.
Рис. 7. Работа стали при сложном нагружении:
а — при однозначных нагружениях; б — при разнозначных нагружениях
Поскольку причиной образования площадки текучести является энергия, накопленная в зернах феррита от запаздывания пластических деформаций, площадка имеет ограниченную протяженность и заканчивается, как только эта энергия будет исчерпана. После этого сталь снова восстанавливает сопротивление (область самоупрочнения), но работает как типично пластическое тело с весьма малым и переменным модулем деформаций. Для строительных сталей стадия самоупрочнения начинается при удлинении около 1 — 2%. По мере увеличения деформаций полосы сдвигов все более пронизывают металл, преодолевая оставшиеся сопротивления сдвигу. В результате различных сопротивлений направления сдвигов искривляются, и скорости сдвигов в разных точках тела становятся различными, что повышает сопротивления пластическим деформациям.
По мере нарастания деформаций связь между смещающимися частями кристаллитов уменьшается, модуль пластических деформаций снова начинает уменьшаться—достигается предел прочности, определяющий наибольшую нагрузку, которую может выдержать напряженный элемент. В дальнейшем равновесие между нагрузкой и внутренними напряжениями становится невозможным, что характеризуется нисходящей частью диаграммы растяжения (рис.1). Элемент вновь теряет сопротивление; внутренних напряжений уже недостаточно для восприятия нагрузки; пластические деформации концентрируются у мест будущего разрыва, образуется шейка; центральная часть сечения перенапрягается; резко растет разность скоростей деформаций в разных точках сечения, приводящая к разрыву по вогнутой поверхности (начиная с середины), как только смежные точки сечения разойдутся на величину, отвечающую нарушению атомных связей (рис. 8).
Рис. 8. Разрыв круглого стального стержня
Таким образом, разрушение (разрыв) является следствием:
а) касательных напряжений по поверхностям скольжения, обусловливающих пластические сдвиги;
б) нормальных напряжений, получающихся в результате неодинаковых скоростей деформаций смежных точек тела и приводящих к нарушению сплошности (разрыву), как только разность этих скоростей превзойдет предел, отвечающий возможности слитной деформации элемента.
В этом процессе вследствие уменьшения площади сечения элемента нормальные средние напряжения все время повышаются; если это не отмечается на диаграмме растяжения, то только потому, что, как известно, диаграмма растяжения не учитывает изменения площади сечения образца. Таким образом, предел прочности является условным напряжением, характеризующим не разрушающее напряжение, а наибольшую возможную для образца нагрузку.
Область пластической работы стали в стадии самоупрочнения очень велика; она в 200 раз больше области упругой работы и представляет собой огромный резерв прочности стальных конструкций, способствующий тому, что стальные конструкции почти никогда не разрушаются в результате вязкого пластического разрыва. Разрушение получается обычно после перехода стали в хрупкое состояние от дефектов конструкции, препятствующих развитию пластических деформаций. Средний модуль пластических деформаций очень невелик, он составляет обычно около 1 % от модуля упругости. Это дает возможность пренебрегать им и принимать его равным нулю, т. е. и к сталям, не имеющим площадки текучести, применять теорию идеального упругопластического тела (рис.9)
Рис. 9. Диаграмма растяжения идеального упругопластического материала
Источник
Лабораторная работа № 1
Цель работы – изучить поведение малоуглеродистой стали при растяжении и определить ее механические характеристики.
Основные сведения
Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.
Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.
В таких случаях, кроме металлографических исследований, определяются главные механические характеристики на образцах, взятых из зоны разрушения конструкции. Образцы изготавливаются по ГОСТ 1497-84 и могут иметь различные размеры и форму (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Образцы для испытания на растяжение
Между расчетной длиной образца lо и размерами поперечного сечения Ао (или dо для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:
В испытательных машинах усилие создается либо вручную — механическим приводом, либо гидравлическим приводом, что присуще машинам с большей мощностью.
В данной работе используется универсальная испытательная машина УММ-20 с гидравлическим приводом и максимальным усилием 200 кН, либо учебная универсальная испытательная машина МИ-40КУ (усилие до 40 кН).
Порядок выполнения и обработка результатов
Образец, устанавливаемый в захватах машины, после включения насоса, создающего давление в рабочем цилиндре, будет испытывать деформацию растяжения. В измерительном блоке машины есть шкала с рабочей стрелкой, по которой мы наблюдаем рост передаваемого усилия F.
Зависимость удлинения рабочей части образца от действия растягивающей силы во время испытания отображается на миллиметровке диаграммного аппарата в осях F-Δl (рис. 1.2).
В начале нагружения деформации линейно зависят от сил, потому участок I диаграммы называют участком пропорциональности. После точки В начинается так называемый участок текучести II.
На этой стадии стрелка силоизмерителя как бы спотыкается, приостанавливается, от точки В на диаграмме вычерчивается либо прямая, параллельная горизонтальной оси, либо слегка извилистая линия — деформации растут без увеличения нагрузки. Происходит перестройка структуры материала, устраняются нерегулярности в атомных решетках.
Далее самописец рисует участок самоупрочнения III. При дальнейшем увеличении нагрузки в образце происходят необратимые, большие деформации, в основном концентрирующиеся в зоне с макронарушениями в структуре – там образуется местное сужение — «шейка».
На участке IV фиксируется максимальная нагрузка, затем идет снижение усилия, ибо в зоне «шейки» сечение резко уменьшается, образец разрывается.
При нагружении на участке I в образце возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические — остаточные деформации.
Если в стадии самоупрочнения начать разгружать образец (например, от т. С), то самописец будет вычерчивать прямую СО1. На диаграмме фиксируются как упругие деформации Δlу (О1О2), так и остаточные Δlост (ОО1). Теперь образец будет обладать иными характеристиками.
Так, при новом нагружении этого образца будет вычерчиваться диаграмма О1CDЕ, и практически это будет уже другой материал. Эту операцию, называемую наклеп, широко используют, например, в арматурных цехах для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней.
Диаграмма растяжения (рис. 1.2) характеризует поведение конкретного образца, но отнюдь не обобщенные свойства материала. Для получения характеристик материала строится условная диаграмма напряжений, на которой откладываются относительные величины – напряжения σ=F/A0 и относительные деформации ε=Δl/l0 (рис. 1.3), где А0, l0 – начальные параметры образца.
Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали
Рис. 1.3. Условная диаграмма напряжений при растяжении
Условная диаграмма напряжений при растяжении позволяет определить следующие характеристики материала (рис. 1.3):
σпц – предел пропорциональности – напряжение, превышение которого приводит к отклонению от закона Гука. После наклепа σпц может быть увеличен на 50-80%;
σу – предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05%. Напряжение σу очень близко к σпц и обнаруживается при более тонких испытаниях. В данной работе σу не устанавливается;
σт – предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформаций при постоянной нагрузке.
Иногда явной площадки текучести на диаграмме не наблюдается, тогда определяется условный предел текучести, при котором остаточные деформации составляют ≈0,2% (рис. 1.4);
Рис. 1.4. Определение предела упругости и условного предела текучести
σпч (σв) – предел прочности (временное сопротивление) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке;
σр – напряжение разрыва. Определяется условное σур и истинное σир=Fр/Аш, где Аш – площадь сечения «шейки» в месте разрыва.
Определяются также характеристики пластичности – относительное остаточное удлинение
δ = (l1 – l0)∙100% / l0,
где l1 – расчетная длина образца после разрыва,
и относительное остаточное сужение
ψ = (А0 — Аш)∙100% / А0.
По диаграмме напряжений можно приближенно определить модуль упругости I рода
E=σпц/ε=tgα,
причем после операции наклепа σпц возрастает на 20-30%.
Работа, затраченная на разрушение образца W, графически изображается на рис. 1.2 площадью диаграммы OABDEO3. Приближенно эту площадь определяют по формуле:
W = 0,8∙Fmax∙Δlmax.
Удельная работа, затраченная на разрушение образца, говорит о мере сопротивляемости материала разрушению w = W/V, где V = A0∙l0 – объем рабочей части образца.
По полученным прочностным и деформационным характеристикам и справочным таблицам делается вывод по испытуемому материалу о соответствующей марке стали
Контрольные вопросы
- Изобразите диаграмму растяжения образца из малоуглеродистой стали (Ст.3). Покажите полные, упругие и остаточные абсолютные деформации при нагружении силой, большей, чем Fт.
- На каком участке образца происходят основные деформации удлинения? Как это наблюдается на образце? Какие нагрузки фиксируются в этот момент?
- Объясните, почему после образования шейки дальнейшее растяжение происходит при все уменьшающейся нагрузке?
- Перечислите механические характеристики, определяемые в результате испытаний материала на растяжение. Укажите характеристики прочности и пластичности.
- Дайте определение предела пропорциональности.
- Дайте определение предела упругости.
- Дайте определение предела текучести.
- Дайте определение предела прочности.
- Как определить предел текучести при отсутствии площадки текучести? Покажите, как это сделать, по конкретной диаграмме.
- Какие деформации называются упругими, какие остаточными? Укажите их на полученной в лабораторной работе диаграмме растяжения стали.
- Как определяется остаточная деформация после разрушения образца?
- Выделите на диаграмме растяжения образца из мягкой стали упругую часть его полного удлинения для момента действия максимальной силы.
- Какое явление называется наклепом? До какого предела можно довести предел пропорциональности материалов с помощью наклепа?
- Как определяется работа, затраченная на разрушение образца? О каком свойстве материала можно судить по удельной работе, затраченной на разрушение образца?
- Как определить марку стали и допускаемые напряжения для нее после проведения лабораторных испытаний?
- Чем отличается диаграмма истинных напряжений при растяжении от условной диаграммы?
- Можно ли определить модуль упругости материала по диаграмме напряжений?
- Как определить работу, затрачиваемую на деформации текучести лабораторного образца?
Испытание материалов на сжатие >
Краткая теория >
Примеры решения задач >
Источник