Текучесть на диаграмме растяжения материала

При проектировании строительных конструкций, машин и механизмов инженеру необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформационные свойства материалов. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в экспериментальных лабораториях на соответствующих испытательных машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных – испытания на твердость, сопротивляемость ударным и переменным нагрузкам, противодействие высоким температурам и т.д. Подробное описание всех видов механических испытаний и применяемых при этом машин и приборов приводится в специальной литературе. Мы же рассмотрим лишь испытания металлов на растяжение.

Наибольшую информацию о механических свойствах металлов можно получить из статических испытаний на растяжение. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТом.

Для испытания на растяжение применяют образцы специальной формы – цилиндрические (рис.26). Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l0, на которой определяется удлинение, и головки с переходным участком, форма и размеры которых зависят от способов их крепления в захватах машины. Различают длинные образцы с отношением l0/d0 = 10 и короткие — l0/d0=5. Размеры образцов делают стандартными для того, чтобы результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, были сравнимы.

Рис. 26

Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах. В зависимости от метода приложения нагрузки машины бывают с механическим или гидравлическим приводом. Они обычно выпускаются с вертикальным расположением образца. Передача усилия на образец осуществляется через захваты. Разрывная машина снабжена устройством для автоматической записи в определенном масштабе диаграммы растяжения, т.е. графика зависимости между растягивающей силой Р и удлинением образца Dl. На рис.27 представлена диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали.

В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией – справедливость закона Гука.

Рис. 27

Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена Рпц и используется для вычисления предела пропорциональности:

sпц=, (47)

где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца.

Пределом пропорциональности sпц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией.

Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е, как тангенс угла наклона этой прямой.

После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости:

sуп=. (48)

Пределом упругости sуп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.

У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают.

При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок СД – площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка Рт, соответствующая точке Д, используется при определении физического предела текучести:

sт=. (49)

Пределом текучести sт называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов.

Зона ВД называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом происходит изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной, образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения Рmax – точка Е на диаграмме. Это усилие используется для вычисления временного сопротивления или предела прочности:

sв=. (50)

Пределом прочности называется напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, достигнутой в ходе испытаний.

Зона ДЕ называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечное сечение изменяется незначительно, но также равномерно.

При максимальном или несколько меньшем усилии на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения – шейка. Дальнейшая деформация происходит в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точке К, называется разрушающей Рк, а напряжения – истинным сопротивлением разрыву:

Sк=, (51)

где Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Зона ЕК называется зоной местной текучести.

Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.

Относительное удлинение после разрыва d (%) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:

%. (52)

Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение d уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах. Кроме того, относительное удлинение зависит и от места расположения шейки (разрыва) на расчетной длине образца. При возникновении шейки в средней части образца местные деформации в области шейки могут свободно развиваться и относительное удлинение будет больше, чем в случае, когда шейка возникает ближе к головке образца, тогда местные деформации будут стеснены.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва y (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

%. (53)

Диаграмма растяжения характеризует свойства образца, так как зависит от его размеров. Для оценки механических свойств материала диаграмму растяжения перестраивают в координатах «напряжение-деформация»: все ординаты делят на первоначальную площадь поперечного сечения F0, а все абсциссы – на первоначальную длину рабочей части l0. В результате получаем диаграмму напряжений, которая имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, так как F0 и l0 постоянны. Эта диаграмма является условной, поскольку при ее построении не учитывается изменение значений F0 и l0 в процессе испытания.

Поэтому определенные ранее пределы пропорциональности, текучести и прочности являются условными. Истинные же напряжения в каждый момент нагружения будут больше условных. Заметное отклонение истинных напряжений от условных происходит после предела текучести, так как сужение сечения становится более значительным. Особенно сильно возрастает разница между напряжениями после образования шейки. Диаграмма напряжений, построенная с учетом сужения площади поперечного сечения и местного увеличения деформаций, называется диаграммой истинных напряжений.

Некоторые диаграммы растяжения не имеют ярко выраженной площадки текучести, например, для низколегированных сталей, сплавов алюминия (рис.28). В этих случаях вместо физического предела текучести определяют условный предел текучести s0,2 (точка Д) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от рабочей длины образца.

Рис. 28



Обратная связь

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как определить диапазон голоса — ваш вокал

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Как слышать голос Бога

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

На рис. 6. представлена диаграмма растяжения для малоуглеродистой стали.

Рис. 6. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Зона упругости (начальный участок ОА): линейная зависимость между и , выполняется закон Гука . Значение численно равно тангенсу угла наклона линейного участка ОА к оси : . Если в точке К, находящейся на участке ОА, прекратить нагружение образца и начать его разгрузку, то процесс разгрузки пойдет по линии КО. После выполнения этого процесса деформация полностью исчезнет, и восстановятся первоначальные размеры образца.

Упругая деформация – деформация, полностью исчезающая после снятия внешней нагрузки.

– предел пропорциональности – наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука. Эта величина определяется степенью отклонения кривой от прямой , т. е. тангенсом угла ( ), который составляет касательная к диаграмме с осью .

– предел упругости – наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных (пластических) деформаций (см. рис. 6). Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости, принимают в пределах , т. е. 0,001…0,005 %.

Зона общей текучести (площадка текучести) – участок АВ: возрастание удлинения образца практически без увеличения нагрузки (см. рис. 6).

Если в точке К, находящейся на участке АВ, прекратить нагружение образца и начать процесс разгрузки, то линия разгрузки имеет вид отрезка KL, параллельного начальному участку ОА (рис. 7). После разгрузки образца (в точке L) относительная деформация полностью не исчезает. Она уменьшается на величину упругой части деформации. Отрезок OL характеризует величину остаточной (пластической) деформации , а отрезок LM – величину упругой деформации , полностью исчезающей после разгрузки образца. Точка М получена опусканием перпендикуляра из точки К на ось .

Рис. 7. Нагружение до точки К, находящейся на площадке текучести АВ, и последующая разгрузка до точки L

Остаточная (пластическая) деформация – деформация, не исчезающая после снятия внешней нагрузки.

Таким образом, полная относительная продольная деформация образца складывается из двух частей:

где – упругая деформация, – остаточная (пластическая) деформация.

– предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки.

Наличие площадки текучести для многих металлов не является характерным. В качестве примера на рис. 8 показан общий вид диаграмм растяжения высококачественной легированной стали (кривая 2) и алюминия (кривая 1).

Рис. 8. Примеры диаграмм растяжения без площадки текучести:

1 – алюминий; 2 – высококачественная легированная сталь

Если на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, то определяют условный предел текучести – напряжение, при котором остаточная (пластическая) деформация , т. е. 0,2 % (рис. 9).

Рис. 9. Определение условного предела текучести

Зона упрочнения – участок ВС: удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но значительно более медленным, чем на упругом участке (см. рис. 6). Зависимость нелинейная.

Образование пластических деформаций связано со сдвигами в кристаллической решетке. Наглядное подтверждение этому дает наблюдение за поверхностью образца. В зонах общей текучести (если на диаграмме имеется площадка текучести) или упрочнения (если отсутствует площадка текучести), т. е. при возникновении заметных пластических деформаций, полированная поверхность образца становится матовой, поскольку покрывается системой тонких линий – полос скольжения (линий Чернова – Людерса) (рис. 10, а). Они имеют преимущественное направление под углом 450 к оси стержня и практически совпадают с плоскостями наибольших касательных напряжений.

Рис. 10. Возникновение пластических деформаций:

а – линии Чернова – Людерса; б – механизм удлинения

В пределах одного кристалла образование пластических деформаций происходит в результате смещения (сдвига) части кристалла по некоторой плоскости на целое число элементов кристаллической решетки.

Механизм удлинения показан на рис. 10, б упрощенно. Действительная картина более сложна, т. к. носит пространственный характер, и сдвиг происходит не только в одном семействе параллельных плоскостей, как это показано на рис. 10, б , а во всех семействах плоскостей, составляющих с осью стержня угол, близкий к .

Если в точке К, находящейся на участке ВС, прекратить нагружение образца и начать процесс разгрузки, то линия разгрузки имеет вид отрезка KL || ОА (рис. 11). После разгрузки образца (в точке L) относительная деформация полностью не исчезает. Она уменьшается на величину упругой части деформации. Отрезок OL характеризует величину остаточной (пластической) деформации , а отрезок LM – величину упругой деформации , полностью исчезающей после разгрузки образца. Точка М получена опусканием перпендикуляра из точки К на ось .

Рис. 11. Нагружение до точки К, находящейся в зоне упрочнения ВС, и последующая разгрузка до точки L

Предел прочности (временнóе сопротивление) – отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения. Точка С диаграммы соответствует (см. рис. 6).

При достижении в центре растягиваемого образца образуется шейка – местное уменьшение диаметра образца, т. е. намечается место будущего разрыва (рис. 12).

Рис. 12. Образование шейки на растягиваемом образце

Дальнейшее удлинение образца происходит только в зоне шейки, т. е. носит местный характер. Поэтому участок CD диаграммы называют зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению (разрыву) образца, – напряжение при разрушении (см. рис. 6).

В ходе опыта на растяжение был получен график зависимости удлинения от приложенной силы.

Позже были введены относительные величины, такие как напряжение и относительное удлинение. Благодаря этим величинам можно модифицировать исходный график из опыта так, что по нему сразу можно будет определить необходимые величины, безотносительно того, какую геометрию имел образец в опыте.

Однако сделать это можно двумя путями:

• Искать истинные напряжения и истинные относительные удлинения
• Для нахождения напряжений использовать только исходную площадь поперечного сечения; для нахождения относительного удлинения абсолютное удлинение делить на исходную длину недеформированного стержня

Несмотря на то, что первый способ является точным по своей сути, в инженерной практике используют упрощённый подход. Во-первых, для расчётов на прочность ищутся действующие и допускаемые напряжения и затем сравниваются. В случае применения истинной диаграммы для определения допускаемых напряжений, расчётчикам так же пришлось бы вычислять точные площади для определения истинных действующих напряжений, что является неоправданно трудоёмким процессом. Во-вторых, на интересующем линейном участке истинная и упрощённая инженерная диаграммы практически совпадают:

Выше показана диаграмма растяжения для некоторого стального образца: кривая В – истинная диаграмма, кривая A – инженерная диаграмма.

Если применить второй (упрощённый) способ к диаграммам из опыта, то характер кривых не изменится:

Всё это рассказывается потому, что в современной практике люди, делающие расчёты на прочность, при выборе допускаемых напряжений руководствуются НЕ диаграммой растяжения в целом, а лишь некоторыми характерными точками, снятыми с этой диаграммы.

Для каждого металлического материала в дальнейшем будем выделять две характерные точки на оси напряжений:

1. Напряжение, выше которого образец будет иметь заметные остаточные деформации
2. Напряжение, при котором образец воспринял наибольшую силу

Если взглянуть на график для стали, то можно заметить, что имеется такой участок, на котором начинает значительно расти удлинение, при этом сила практически не меняется. Материал как будто течёт. Назовём этот участок площадкой текучести, а соответствующее напряжение – пределом текучести. Явление текучести материала характерно для строительных сталей, бронзы, латуни. Обозначим это напряжение как σт:

На графике для алюминия такой площадки нет. Тем не менее введём некоторый условный предел, скажем, напряжение, при котором остаточная деформация равняется 0.002 мм/мм или 0.2%. Назовём его условным пределом текучести и обозначим как σ02. Условный предел текучести используется для титановых и алюминиевых сплавов:

Вторая характерная точка – это напряжение, при котором образец выдержал наибольшую силу. Согласно диаграмме растяжения, этому напряжению соответствует начало образования шейки в образце – локализованного уменьшения поперечного сечения. После этого предела сила начинает падать, потому образец продолжил удлиняться. Если же после этого предела растягивающая сила продолжит увеличиваться, то образец разрушится. Этот предел назовём пределом прочности или временным сопротивлением разрушению и будем обозначать σв или σпч:

Также иногда встречается и третья характерная точка – это напряжение, соответствующее окончанию начального линейного участка. Это напряжение называется пределом пропорциональности. Оно чуть меньше предела текучести и, строго говоря, пользоваться нужно именно им, а не пределом текучести. Однако для его определения нужны очень точные измерительные приборы. Потому общепринято пользоваться пределом текучести в качестве предела, выше которого будут значительные остаточные деформации.

Помимо характерных напряжений, имеется также и одна характерная деформация — это относительное удлинение при разрыве. Это отношение абсолютного удлинения образца при разрыве к исходной недеформированной длине. Эту величину чаще всего обозначают греческой буквой δ, её размерность либо мм/мм, либо в %. По этой величине можно судить о степени пластичности того или иного материала.

Примеры того, в каком виде расчётчик получает представления о механических свойствах материала:

Д16 (дюраль)
30ХГСА (легированная сталь)