Построение диаграммы растяжения-сжатия является основной задачей испытаний на растяжение-сжатие. Для этих испытаний используются цилиндрические образцы; полученные диаграммы являются зависимостью между силой, действующей на образец, и его удлинением. На рис. 1 показана типичная для углеродистой стали диаграмма испытания образца в координатах P, Dl. Кривая условно может быть разделена на четыре зоны.
Зона ОА носит название зоны упругости. Здесь материал подчиняется закону Гука и
Удлинения Dl на участке ОА очень малы, и прямая ОА, будучи вычерченной в масштабе, совпадала бы в пределах ширины линии с осью ординат. Величина силы, для которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.
Зона АВ называется зоной общей текучести, а. участок АВ диаграммы — площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается, и диаграмма растяжения образца имеет вид кривых, показанных на рис. 2. Кривая 1 типична для алюминия и отожженной меди, кривая 2 — для высококачественных легированных сталей.
Зона ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более медленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться так называемая шейка — местное сужение образца (рис.3). По мере растяжения образца утонение шейки прогрессирует. Когда относительное уменьшение площади сечения сравняется с относительным возрастанием напряжения, сила Р достигнет максимума (точка С). В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.
Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить (точка К рис. 4), то в процессе, разгрузки зависимость между силой Р и удлинением Dl изобразится прямой КL (рис. 4). Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой ОА.
При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок LM). Отрезок OL представляет собой остаточное удлинение. Его называют также пластическим удлинением, а соответствующую ему деформацию — пластической деформацией. Таким образом,
Соответственно
Если образец был нагружен в пределах участка ОА и затем разгружен, то удлинение будет чисто упругим, и Dlост = 0.
При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой LK и далее — кривой KCD (рис.4), как будто промежуточной разгрузки и не было.
Если взять два одинаковых образца, изготовленных из одного и того же материала, причем один из образцов до испытания нагружению не подвергается, а другой — был предварительно нагружен силами, вызвавшими в образце остаточные деформации.
Испытывая первый образец, мы получим диаграмму растяжения OABCD, показанную на рис. 5, а. При испытании второго образца отсчет удлинения будет производиться от ненагруженного состояния, и остаточное удлинение OL учтено не будет. В результате получим укороченную диаграмму LKCD (рис. 5, б). Отрезок МК соответствует силе предварительного нагружения. Таким образом, вид диаграммы для одного и того же материала зависит от степени начального нагружения (вытяжки), а само нагружение выступает теперь уже в роли некоторой предварительной технологической операции. Весьма существенным является то, что отрезок LK (рис. 5,б) оказывается больше отрезка ОА. Следовательно, в результате предварительной вытяжки материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки.
Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования носит название наклепа, или нагартовки, и широко используется в технике.
Например, для придания упругих свойств листовой меди или латуни, ее в холодном состоянии прокатывают на валках. Цепи, тросы, ремни часто подвергают предварительной вытяжке силами, превышающими рабочие, с тем, чтобы избежать остаточных удлинений в дальнейшем. В некоторых случаях явление наклепа оказывается нежелательным, как, например, в процессе штамповки многих тонкостенных деталей. В этом случае для того, чтобы избежать разрыва листа, вытяжку производят в несколько ступеней. Перед очередной операцией вытяжки деталь подвергается отжигу, в результате которого наклеп снимается.
Для того, чтобы оценить свойства не образца, а материала, перестраивается диаграмма растяжения P = f (Dl) в координатах s и e. Для этого уменьшим в F раз ординаты и в l раз абсциссы, где F и l — соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины постоянны, то диаграмма s = f (e) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала.
Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределов пропорциональности (sn).
Величина предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую. Степень отклонения кривой s = f (e) от прямой s = Еe определяют по величине угла, который составляет касательная к диаграмме с осью s. В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/E. Обычно считают, что если величина de/ds оказалась на 50% больше чем 1/Е, то предел пропорциональности достигнут.
Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости (sу) --- наибольшего напряжения, до которого материал не получает остаточных деформаций.
Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точности, которые накладываются на производимые замеры. Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости, принимают в пределах eост= (1ё5) 10-5, т. е. 0,001 ё 0,005%. Соответственно этому допуску предел упругости обозначается через s0.001 или s0.005
Следующей характеристикой является предел текучести --- напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация eост = 0,002 или 0,2% (рис. 6). В некоторых случаях устанавливается предел eост =0,5%.
Условный предел текучести обозначается через s0.2 и s0.5 зависимости от принятой величины допуска .на остаточную деформацию. Индекс 0,2 обычно в обозначениях предела текучести опускается. Если необходимо отличить предел текучести на растяжение от предела текучести на сжатие, то в обозначение вводится соответственно дополнительный индекс «р» или «с». Таким образом, для предела текучести получаем обозначения sтр и sст.
Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.
Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через sвр ( сжатие — sвс).
sвр не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к начальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в данный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение в наиболее узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем sвр. Таким образом, предел прочности также является условной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.
При испытании на растяжение определяется еще одна характеристика материала — удлинение при разрыве d%.
Удлинение при разрыве представляет собой величину средней остаточной деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине образца. Определение d%. производится следующим образом.
Перед испытанием на поверхность образца наносится ряд рисок, делящих рабочую часть образца на равные части. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва (рис. 7). Далее, по имеющимся на поверхности рискам от сечения разрыва вправо и влево откладываются отрезки, имевшие до испытания длину 5d (рис. 7). Таким образом определяется среднее удлинение на стандартной длине l0 = 10d. В некоторых случаях за l0 принимается длина, равная 5d.
Удлинение при разрыве будет следующим:
Возникающие деформации распределены по длине образца неравномерно. Если произвести обмер отрезков, расположенных между соседними рисками, можно построить эпюру остаточных удлинений, показанную на рис. 7. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется обычно истинным удлинением при разрыве.
Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения площади F и местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжения (кривая OC'D' на рис. 8).
Пластичность и хрупкость. Твердость Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение d при разрыве. Чем больше d, тем более пластичным считается материал. Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т. е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2—5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения (рис. 9).
Страницы: 1, 2
