Растяжение упруго пластического материала
Основным опытом для определения механических характеристик конструкционных материалов является опыт на растяжение призматического образца центрально приложенной силой, направленной по продольной оси; при этом в средней части образца реализуется однородное напряженное состояние.
Форма, размеры образца и методика проведения испытаний определяются соответствующими стандартами, например, ГОСТ 34643—81, ГОСТ 1497-73. По результатам испытаний строится зависимость σ=f (ε) между напряжениями σ=F/A и деформациями ε=Δl/l , которая называется диаграммой деформирования.
Опыты на растяжение образцов выявляют некоторые общие свойства конструкционных материалов—свойства упругости и пластичности. Рассмотрим типичные кривые деформирования при растяжении образцов из материала сталь 30 и сталь 40Х.
Характерные диаграммы растяжения
Если напряжения не превышают предела пропорциональности (первая точка на диаграмме), и зависимость между напряжениями и деформациями линейна, то она описывается законом Гука σ=εЕ , где Е — модуль продольной упругости материала. Размерность модуля упругости — Н/м2 (Паскаль). Значение модуля упругости Е на кривой деформирования численно равно тангенсу угла наклона линейного участка: Е = tgβ. Таким образом, величину Е можно рассматривать как характеристику упругого сопротивления или как характеристику интенсивности — нарастания напряжения с увеличением деформации.
Физический смысл коэффициента Е определяется как напряжение, необходимое для увеличения длины образца в два раза. Такое толкование довольно искусственно, поскольку величина упругого удлинения у большинства твердых тел редко достигает даже 1%.
Напряжения, являющиеся верхней границей проявления чисто упругих деформаций, соответствуют точке 2 диаграммы и называются пределом упругости σупр .
Точка 3 диаграммы характерна тем, что при достижении напряжениями величины σ = σт ( σт — предел текучести), дальнейшее удлинение образца (для малоуглеродистых сталей) происходит практически без увеличения нагрузки. Это явление носит название текучести, а участок диаграммы, расположенный непосредственно правее точки 3, называется площадкой текучести. При этом полированная поверхность образца мутнеет, докрывается ортогональной сеткой линий (линии Чернова—Людерса), расположенных под углом 45o к продольной оси образца—по направлению плоскостей действия максимальных касательных напряжений.
У многих конструкционных материалов площадка текучести не выражена столь явно, как у малоуглеродистых сталей. Для таких материалов вводится понятие условного предела текучести σs; это напряжение, которому соответствует остаточная (пластическая) деформация, равная s %. Обычно принимается s = 0,2%. Поэтому условный предел текучести часто обозначается как σ0,2.
После площадки текучести для дальнейшего увеличения деформации необходимо увеличение растягивающей силы. Материал снова проявляет способность сопротивляться деформации; участок за площадкой текучести (до точки 4) называется участком упрочнения. Точка 4 соответствует максимальной нагрузке, выдерживаемой образцом. Соответствующее напряжение называется временным сопротивлением σв (или пределом прочности σпч ).
Дальнейшая деформация образца происходит без увеличения или даже с уменьшением нагрузки вплоть до разрушения (точка 5). Точке 4 на диаграмме соответствует начало локального уменьшения размеров поперечного сечения образца, где, в основном, сосредоточивается вся последующая пластическая деформация.
Диаграмма, приведенная на рисунке выше, является диаграммой условных напряжений, условность состоит в том, что все силы относились к первоначальной площади поперечного сечения образца; в действительности же при растяжении площадь поперечного сечения образца уменьшается. Если учитывать текущее значение площади поперечного сечения при определении напряжений, то получим диаграмму истинных напряжений.
Диаграмма истинных напряжений
Если в некоторый момент нагружения (точка А на рисунке «Характерные диаграммы растяжения») прекратить нагружение и снять нагрузку, то разгрузка образца пойдет по линии АВ, параллельной линейному участку диаграммы 0—1. При этом полная деформация в точке А равна:
ε =ε(е) + ε(р)
где ε(е) = σ/Е — упругая деформация, ε(р)— пластическая (остаточная деформация). Уравнение это справедливо для любой точки диаграммы.
Эффект Баушингера. После того как материал испытал воздействие осевого усилия одного знака (например, растяжение) в области пластических деформаций (σ>σт), сопротивляемость этого материала пластической деформации при действии сил другого знака (сжатие) понижается. Это явление носит название эффекта Баушингера.
При растяжении образца происходит не только увеличение его длины, но и уменьшение размеров поперечного сечения, т. е. в упругой области деформация в поперечном направлении ε’ = -με, где ε— деформация в продольном направлении, μ— коэффициент Пуассона. Для изотропных материалов значения коэффициента Пуассона находятся в пределах от 0 до 0,5 .
Характеристиками пластичности материала являются относительное удлинение δ и относительное сужение ψ при разрыве:
,где l0, А0 — длина рабочей части образца и площадь поперечного сечения до деформации; lк — длина рабочей части образца после разрыва; АК — конечная площадь поперечного сечения в шейке образца после разрыва.
По величине относительного удлинения δ при разрыве проводится разделение состояния материалов на пластичное и хрупкое. Материалы, имеющие к моменту разрушения достаточно большие значения δ>10%, относят к пластическим материалам;к хрупким относят материалы с относительным удлинением δ<3%.
Оценка пластических свойств материала может быть проведена по такой характеристике, как ударная вязкость, равная отношению работы, затрачиваемой на ударное разрушение образца [Дж или H·м] к площади поперечного сечения образца в месте концентратора, [м2 или см2].
Работа деформации W при разрушении образца может быть определена по диаграмме растяжения σ=f (ε). Так, если первоначальная длина образца l0, то работа деформации, совершаемая силой F на перемещении и:
где uк — перемещение в момент, предшествующий разрушению. Тогда по зависимости σ= F/A0=f (ε) и ε=u/l0, находим
где W1— площадь диаграммы деформирования (работа деформации на единицу объема материала).
Для сталей ударная вязкость 50—100 Н·м/см2. Материалы с ударной вязкостью менее 30 Н· м/см2относят к числу хрупких.
Некоторые пластичные материалы в районе площадки текучести обнаруживают особенность (например, титан), называемую «зубом текучести»; для таких материалов вводится понятие верхнего и нижнего предела текучести.
Экспериментальное изучение свойств материалов при сжатии проводится на коротких образцах с тем, чтобы исключить возможность искривления образца. Для пластичных материалов характер диаграммы σ=f (ε при сжатии примерно до возникновения текучести такой же, как и при растяжении. В процессе деформации сжатия образец укорачивается; при этом размеры поперечного сечения увеличиваются. Из-за трения между опорными плитами нагружающего устройства и торцевыми поверхностями образца он принимает бочкообразную форму. Для ряда пластичных материалов обнаружить напряжение, аналогичное временному сопротивлению при растяжении, не удается, так как образец сплющивается.
Хрупкие материалы проявляют значительно лучшую способность сопротивляться деформациям сжатия, чем деформациям растяжения; для них разрушающее напряжение при сжатии превышает предел прочности при растяжении в несколько раз. Разрушение хрупких материалов при сжатии происходит за счет образования трещин.
Источник
КАТЕГОРИИ:
Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)
Различают условные и истинные диаграммы растяжения-сжатия материалов в координатах σ – ε. При построении уcловных диаграмм изменение площади поперечного сечения Ао в процессе нагружения силой F не учитывается (т. е. условно принимается, что , где do – начальный диаметр образца). При построении истинных диаграмм учитывается изменение площади поперечного сечения А в процессе нагружения силой F. Основное применение в настоящее время имеют условные диаграммы деформирования материалов.
Типовая условная диаграмма растяжения низкоуглеродистых сталей (с содержанием углерода 0,09…0,25%) приведена на рисунке 27,а. В начальной стадии нагружения до точки 1 (на участке 0-1) диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональную зависимость между напряжением σ (нагрузкой F) и деформацией ε (удлинением Δl), т. е. свидетельствует о справедливости закона Гука. Наибольшая нагрузка Fпц, при которой эта пропорциональность не нарушается используется для определения предела пропорциональности стали – одной из ее основных механических характеристик:
.
Таким образом, – предел пропорциональности материала – это наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией. При напряжении остаточная деформация после разгрузки достигает 0,05%. Для широко применяемой в строительных и машиностроительных конструкциях стали марки Ст3 предел пропорциональности .
а) б)
σ σ
5 5
σв σв
σ4 4 6 σпц= σ4 4 6
σт 2 3
σпц 1
0 ε 0 ε
ε4ост ε4упр
ε4
— при растяжении
(%) — при сжатии
— истинная диаграмма
Рисунок 27. Условные диаграммы растяжения (сжатия) низкоуглеродистых сталей:
при однократном нагружении до разрушения а); при повторном
нагружении после разгрузки от напряжения σ4 б)
Зона 0-1 называется зоной упругости, по характеристикам которой определяют значение модуля упругости материала при продольных (линейных) деформациях Е (, где α – угол наклона линии 0-1 к оси ε диаграммы).
После σпц деформации образца начинают расти быстрее, чем напряжение, и диаграмма становится криволинейной. Чуть выше точки 1 находится точка (на рисунке 27, не показана), соответствующая пределу упругости материала σу – такому наибольшему напряжению, при
котором в материале после разгрузки практически не обнаруживаются признаки остаточной (пластической) деформации. У большинства металлов значения σпц и σу незначительно отличаются друг от друга. Обычно принимают, что они практически совпадают. Для стали марки Ст3 σу = 205÷210 МПа.
Дальнейшее увеличение нагрузки (напряжения) приводит к тому, что наступает момент (точка 2), когда деформации продолжают расти практически без увеличения нагрузки (напряжения), диаграмма на участке 2-3 становится почти горизонтальной. Материал образца как бы «течет». Участок 2-3 часто называют площадкой текучести материала. Наименьшее напряжение, при котором образец материала деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки Fт, приводящей к текучести, называется физическим пределом текучестистали:
.
Предел текучести является одной из важнейших механических характеристик материала, на основе которой оценивается прочность элементов конструкций. Для стали Ст3
У сталей повышенной и высокой прочности (а также у бронзы, дюралюминия и др.) площадка текучести при испытаниях практически не обнаруживается, поэтому для таких сталей определяется условный предел текучести – это такое напряжение, при котором после разгрузки остаточная деформация образца составляет 0,2%.
В процессе текучести материала происходят изменения его внутренней структуры, приводящие к упрочнению и материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма за точкой 3 поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем на участке 0-1. Точка 5 диаграммы соответствует максимальной силе Fтах и максимальному условному напряжению , называемому временным сопротивлением или пределом прочности материала:
.
При напряжении в каком-либо месте рабочего участка образца появляется резкое местное сужение (шейка), площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, затем падает усилие и условное напряжение. Таким образом, временное сопротивление (предел прочности) материала – это наибольшее статическое напряжение при растяжении, соответствующее началу разрушения тела. Для стали марки Ст3 = 370÷470 МПа.
Зона 3-5 диаграммы называется зоной упрочнения материала. Точка 6 соответствует моменту разрыва образца. Сила, соответствующая точке 6, называется разрушающей Fразр, а напряжение
– истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), где – минимальная площадь поперечного сечения шейки при разрыве.
Зона 5-6 называется зоной местной текучести. У стали Ст3
Помимо рассмотренных характеристик прочности при испытаниях определяют также характеристики пластичности материалов:
— относительное удлинение после разрыва% – это отношение приращения длины образца после разрыва к ее первоначальной длине lo, определяемое по формуле
,
где l6 – длина образца после разрыва (измеряется после стыковки двух частей разорванного образца);
— относительное сужение после разрыва, определяемое по формуле
,
где – начальная площадь поперечного сечения образца до испытаний;
– минимальная площадь поперечного сечения шейки при разрыве.
К примеру, у стали марки Ст3 значения относительных характеристик пластичности следующие: % = 25÷27%, Ψ% = 60÷70%.
Механические характеристики прочности (, , ) и относительные показатели пластичности (%, Ψ%) материалов, применяемых в различных конструкциях и устройствах, приводятся в общих (см., например, [19]) и специализированных инженерных справочниках.
Если образец нагрузить до любого напряжения σ в пределах от 0 до предела пропорциональности σпц (см. зону 0-1 на рисунке 27,а), а затем снять нагрузку (разгрузить), то деформация ε, соответствующая такому σ, после разгрузки полностью исчезнет: материал в этой зоне напряжений работает чисто упруго, внутренние упругие силы в материале полностью вернут образец к первоначальной длине lo.
Если же образец нагрузить до некоторого напряжения σ4 с относительной деформацией ε4 (см. рисунок 27,а) за пределом текучести материала, а затем разгрузить, то процесс разгрузки будет идти от точки 4 по наклонной линии со стрелкой, параллельной первоначальному упругому участку 0-1 диаграммы. При этом после полной разгрузки деформация ε4 полностью не исчезает, а распределяется на две составляющих – упругую ε4упр и остаточную (или пластическую) ε4ост деформации. Образец получит остаточную деформацию (его длина будет уже больше первоначальной длины lo). Материал теряет значительную часть своего ресурса пластичности, его механические характеристики изменяются. Если такой образец снова нагрузить, то диаграмма деформирования его уже будет иной – см. рисунок 27,б: упругий участок 0-4, параллельный 0-1, станет длиннее (соответственно увеличивается значение предела пропорциональности), линия повторной нагрузки проходит через ту же точку диаграммы, с которой начался процесс предыдущей разгрузки; при дальнейшем нагружении после точки 4 кривая деформирования продолжается так, если бы не было промежуточной разгрузки. Таким образом, у материала образца после предварительного деформирования за предел текучести улучшились упругие свойства (возросли предел пропорциональности и предел упругости), но ухудшились пластические
свойства (уменьшается остаточное удлинение после разрыва и соответственно повышается хрупкость). Описанное явление изменения упругих характеристик материала в результате предварительного пластического деформирования называют наклёпом,широко используемым в инженерной практике (например, материал проволок стальных канатов грузоподъемных машин подвергают предварительной вытяжке для уменьшения остаточных удлинений, которые могут возникать при эксплуатации канатов; аналогичной обработке подвергают некоторые виды арматуры железобетонных конструкций и др.).
Диаграммы растяжения сталей повышенной и высокой прочности (средне- и высокоуглеродистых, низколегированных, легированных) не имеют явно выраженной площадки текучести, их общая конфигурация подобна диаграмме, изображенной на рисунке 27,б. Там же показана остаточная деформация , которая получается при установлении условного предела текучести таких сталей.
На рисунке 27,а штрих-пунктирной линией показана также истинная диаграмма деформирования низкоуглеродистых сталей, при построении которой учитывается изменение (уменьшение) площади поперечного сечения А образца при растяжении, т. к. уменьшается его диаметр. Такие диаграммы применяются, преимущественно, в различных теоретических исследованиях. В инженерной практике, как указывалось выше, в основном используются характеристики, полученные из условных диаграмм деформирования.
Дата добавления: 2014-01-11; Просмотров: 1161; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Рекомендуемые страницы:
Читайте также:
Источник
Диаграммы нагружения и разгружения образцов.
Закон повторного нагружения
        Диаграмма растяжения образца позволяет оценить поведение материала образца в упругой и упруго-пластической стадиях деформирования, определить механические характеристики материала.
        Для получения численно сопоставимых между собой механических характеристик материалов диаграммы растяжения образцов перестраивают в диаграммы растяжения материалов, т.е. в зависимость между напряжением   и деформацией  , которые определяют по формулам
     ,
где - сила, действующая на образец,
     
 - начальная площадь поперечного сечения и начальная длина расчетной части образца.
        Диаграмма растяжения материала, полученная при этих условиях (без учета изменения размеров расчетной части образца), называется условной диаграммой растяжения материала в отличие от действительной диаграммы растяжения, которую получают с учетом изменений размеров образца.
        Диаграмма растяжения материала зависит от его структуры, условий испытаний (температуры, скорости деформирования).
   
        Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали при однократном нагружении до разрушения. Конечная точка диаграммы соответствует разрушению.
        На начальном участке диаграммы между силой   и удлинением   соблюдается прямая пропорциональная зависимость — образец подчиняется
закону Гука. В точке А диаграммы закон Гука нарушается: зависимость между силой и удлинением становится нелинейной. На диаграмме наблюдается горизонтальный участок (участок БВ), называемый площадкой текучести. В этой стадии испытания образец удлиняется (деформируется) практически при постоянной силе. Это явление называется текучестью, при этом образец деформируется равномерно и по всей длине рабочей части. В точке В площадка текучести заканчивается и начинается участок упрочнения. В конечной точке Д этого участка достигается максимальная сила, которую может выдержать образец.
        При нагружении до предела пропорциональности (точка Г диаграммы) и при дальнешем уменьшении нагрузки образец разгружается по линейному закону, который совпадает с законом первичного нагружения. В этом заключается «закон разгрузки». При нагружении образца в пределах действия закона Гука законы нагружения и последующего разгружения совпадают. При полной разгрузке образца его размеры и форма возвращаются к первоначальной кривой однократного нагружения.
        Напряженное состояние образца до точки Д — одноосное.
        Далее начинается участок разрушения или участок местной текучести. Он характеризуется местным утонением образца и появлянием шейки.
        На конечном участке ДЕ (после возникновения шейки) происходит локализация деформаций в шейке, в остальной части образца они практически не увеличиваются. Деформация в шейке неоднородная, имеет существенный градиент вдоль оси образца. Напряженное состояние на этом участке становится неоднородным, кроме того, оно изменяется качественно — становится трехосным.
Диаметр шейки уменьшается по мере деформирования образца, и образец разрывается по наименьшему сечению шейки.
        Если при испытании на растяжение нагружение приостановить, например, в точке Г диаграммы и осуществить разгружение образца, то окажется, что диаграмма разгружения и диаграмма предыдущего нагружения не совпадают. Линия разгружения в этом случае — прямая, параллельная начальному линейному участку диаграммы растяжения образца. Такой характер деформирования образца при его разгружении называется законом разгружения.
При повторном нагружении диаграмма до точки Г совпадает с линией разгружения, а затем будет совпадать с диаграммой растяжения образца при однократном нагружении.
Такой характер деформирования называется законом повторного нагружения и заключается в пропорциональной зависимости силы и удлинения, которая сохраняется до значения силы, достигнутой при первичном нагружении.
         При разгружении образца в пределах участка ОА законы нагружения, разгружения и повторного нагружения совпадают.
Источник