Показатели упругого и пластического состояния металлов. Пределы пропорциональности, упругости и текучести. Прочностные характеристики при растяжении Примеси серы и фосфора
При выводе формулы Эйлера предполагалось, что напряжения центрального сжатия, возникающие в поперечных сечениях стержня от действия критической силы а кр = Р /F, не превышают предел пропорциональности материала о пц. Если это условие не выполняется, то при определении критической силы нельзя пользоваться законом Гука, в предположении справедливости которого получено исходное дифференциальное уравнение (13.2). Таким образом, условие применимости формулы Эйлера в общем случае имеет вид
Обозначим через А, значение гибкости, при котором а ко = о пи:
Тогда условие применимости формулы Эйлера (13.16) можно представить в виде
Величина определяемая по формуле (13.17), называется предельной гибкостью. Стержни, для которых выполняется условие (13.18), называются стержнями большой гибкости.
Как видно из формулы (13.17), предельная гибкость зависит от свойств материала: модуля упругости и предела пропорциональности. Так как для стали Е = 2,1 10 5 МПа, то А, зависит от величины о пц, то есть от марки стали. Например, у некоторых распространенных в строительных конструкциях сталей марки ВСтЗ величина о пц составляет 200н-210 МПа, и по формуле (13.17) получается Aj = 100. Таким образом, для сталей указанных марок условием применимости формулы Эйлера можно считать
Величина предельной гибкости для дерева может быть принята Aj = 70; для чугуна = 80.
Теоретическое определение критических нагрузок при напряжениях, превышающих предел пропорциональности материала, достаточно сложно. В то же время имеется большое число экспериментальных исследований устойчивости стержней, работающих за пределом пропорциональности материала. Эти исследования показали, что при а кр о пц наблюдается значительное расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями критических сил, вычисленных по формуле Эйлера. При этом формула Эйлера всегда дает завышенное значение критической силы.
На основании опытных данных различными авторами были предложены эмпирические формулы для вычисления критических напряжений за пределом пропорциональности материала. Наиболее простой является линейная зависимость, предложенная в начале XX века немецким ученым Л. Тетмайером и независимо от него профессором Петербургского института инженеров путей сообщения Ф.С. Ясинским:
где а и b - эмпирические коэффициенты, зависящие от свойств материала стержня и имеющие размерность напряжения.
Для стали марки ВСтЗ с пределом пропорциональности а пц = 200 МПа и пределом текучести а т = 240 МПа получено а = 310 МПа, b = 1,14 МПа.
Для некоторых материалов при Х используются нелинейные зависимости. Так, например, для дерева (сосна, ель, лиственница) при X
Для чугуна при X
Формулой Тетмайера - Ясинского (13.20) можно пользоваться при условии, что критические напряжения, вычисленные по этой формуле, не превосходят предел текучести о т для пластичного материала и предел прочности при сжатии о вс для хрупкого материала. Обозначив в формуле (13.20) через Х 2 то значение гибкости, при котором а = а для пластичного или о = а для хрупкого
кр т кр вс
материала, можно записать условие применимости формулы Тет- майера - Ясинского в виде
где Л, определяется по формуле (13.17).
Стержни, для которых выполняется условие (13.23), называются стержнями средней гибкости.
С учетом приведенных выше значений о т,йи1) для стали марки ВСтЗ по формуле (13.20) получим Х 2 ~ 60, и условие (13.23) примет следующий вид
Стержни, у которых X называются стержнями малой гибкости. Они могут разрушиться не в результате потери устойчивости, а в результате потери прочности при центральном сжатии. В таком случае для стержней малой гибкости из пластичного и хрупкого материалов следует соответственно принять
На рис. 13.8 изображен график зависимости критических напряжений от гибкости для стали марки ВСтЗ с пределом пропорциональности а пц = 200 МПа и пределом текучести а т = 240 МПа. При X > 100 график о АХ) представляется гиперболой Эйлера ЛВ,
при 60 X ВС, при 0 X 60 - горизонтальной прямой CD. Для значений X 100 гипербола Эйлера изображена пунктирной линией. Из этого графика видно, что для стержней средней и малой гибкости формула Эйлера дает сильно завышенные значения критических напряжений.
Для стержней из пластичного материала при критических напряжениях ст, X величи- ну ст можно также определить с помощью квадратичной зависи-
где A,j - предельная гибкость, определяемая по формуле (13.17). График приведенной зависимости изображен на рис. 13.8 кривой BC { D, которая незначительно отклоняется от ломанной BCD.
На сегодняшний день существует несколько методик испытания образцов материалов. При этом одним из самых простых и показательных являются испытания на растяжение (на разрыв), позволяющие определить предел пропорциональности, предел текучести, модуль упругости и другие важные характеристики материала. Так как важнейшей характеристикой напряженного состояния материала является деформация, то определение значения деформации при известных размерах образца и действующих на образец нагрузок позволяет установить вышеуказанные характеристики материала.
Тут может возникнуть вопрос: почему нельзя просто определить сопротивление материала? Дело в том, что абсолютно упругие материалы, разрушающиеся только после преодоления некоторого предела - сопротивления, существуют только в теории. В реальности большинство материалов обладают как упругими так и пластическими свойствами, что это за свойства, рассмотрим ниже на примере металлов.
Испытания металлов на растяжение проводятся согласно ГОСТ 1497-84. Для этого используются стандартные образцы. Методика испытаний выглядит приблизительно так: к образцу прикладывается статическая нагрузка, определяется абсолютное удлинение образца Δl , затем нагрузка увеличивается на некоторое шаговое значение и снова определяется абсолютное удлинение образца и так далее. На основании полученных данных строится график зависимости удлинений от нагрузки. Этот график называется диаграммой напряжений.
Рисунок 318.1 . Диаграмма напряжений для стального образца.
На данной диаграмме мы видим 5 характерных точек:
1. Предел пропорциональности Р п (точка А)
Нормальные напряжения в поперечном сечении образца при достижении предела пропорциональности будут равны:
σ п = Р п /F o (318.2.1)
Предел пропорциональности ограничивает участок упругих деформаций на диаграмме. На этом участке деформации прямо пропорциональны напряжениям, что выражается законом Гука:
Р п = kΔl (318.2.2)
где k - коэффициент жесткости:
k = EF/l (318.2.3)
где l - длина образца, F - площадь сечения, Е - модуль Юнга.
Модули упругости
Главными характеристиками упругих свойств материалов являются модуль Юнга Е (модуль упругости первого рода, модуль упругости при растяжении), модуль упругости второго рода G (модуль упругости при сдвиге) и коэффициент Пуассона μ (коэффициент поперечной деформации).
Модуль Юнга Е показывает отношение нормальных напряжений к относительным деформациям в пределах пропорциональности
Модуль Юнга также определяется опытным путем при испытании стандарт-ных образцов на растяжение. Так как нормальные напряжения в материале равны силе, деленной на начальную площадь сечения:
σ = Р/F о (318.3.1), (317.2)
а относительное удлинение ε - отношению абсолютной деформации к начальной длине
ε пр = Δl/l o (318.3.2)
то модуль Юнга согласно закону Гука можно выразить так
Е = σ/ε пр = Pl o /F o Δl = tgα (318.3.3)
Рисунок 318.2 . Диаграммы напряжений некоторых сплавов металлов
Коэффициент Пуассона μ показывает отношение поперечных деформаций к продольным
Под воздействием нагрузок не только увеличивается длина образца, но и уменьшается площадь рассматриваемого поперечного сечения (если предположить, что объем материала в области упругих деформаций остается постоянным, то значит увеличение длины образца приводит к уменьшению площади сечения). Для образца, имеющего круглое сечение, изменение площади сечения можно выразить так:
ε поп = Δd/d o (318.3.4)
Тогда коэффициент Пуассона можно выразить следующим уравнением:
μ = ε поп /ε пр (318.3.5)
Модуль сдвига G показывает отношение касательных напряжений т к углу сдвига
Модуль сдвига G может быть определен опытным путем при испытании образцов на кручение.
При угловых деформациях рассматриваемое сечение перемещается не линейно, а под некоторым углом - углом сдвига γ к начальному сечению. Так как касательные напряжения равны силе, деленной на площадь в плоскости которой действует сила:
т = Р/F (318.3.6)
а тангенс угла наклона можно выразить отношением абсолютной деформации Δl к расстоянию h от места фиксации абсолютной деформации до точки, относительно которой осуществлялся поворот:
tgγ = Δl/h (318.3.7)
то при малых значениях угла сдвига модуль сдвига можно выразить следующим уравнением:
G = т /γ = Ph/FΔl (318.3.8)
Модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона связаны между собой следующим отношением:
Е = 2(1 + μ)G (318.3.9)
Значения постоянных Е, G и µ приводятся в таблице 318.1
Таблица 318.1 . Ориентировочные значения упругих характеристик некоторых материалов
Примечание: Модули упругости являются постоянными величинами, однако технологии изготовления различных строительных материалов меняются и более точные значения модулей упругости следует уточнять по действующим в настоящий момент нормативным документам. Модули упругости бетона зависят от класса бетона и потому здесь не приводятся.
Упругие характеристики определяются для различных материалов в пределах упругих деформаций, ограниченных на диаграмме напряжений точкой А. Между тем на диаграмме напряжений можно выделить еще несколько точек:
2. Предел упругости Р у
Нормальные напряжения в поперечном сечении образца при достижении предела упругости будут равны:
σ у = Р у /F o (318.2.4)
Предел упругости ограничивает участок на котором появляющиеся пластические деформации находятся в пределах некоторой малой величины, нормированной техническими условиями (например 0,001%; 0,01% и т. д.). Иногда предел упругости обозначается соответственно допуску σ 0.001 , σ 0.01 и т.д.
3. Предел текучести Р т
σ т = Р т /F o (318.2.5)
Ограничивает участок диаграммы на котором деформация увеличивается без значительного увеличения нагрузки (состояние текучести). При этом по всему объему образца происходит частичный разрыв внутренних связей, что и проводит к значительным пластическим деформациям. Материал образца полностью не разрушается, но его начальные геометрические размеры претерпевают необратимые изменения. На отшлифованной поверхности образцов наблюдаются фигуры текучести - линии сдвигов (открытые профессором В. Д. Черновым). Для различных металлов углы наклона этих линий различны, но находятся в пределах 40-50 о. При этом часть накопленной потенциальной энергии необратимо расходуется на частичный разрыв внутренних связей. При испытании на растяжение принято различать верхний и нижний пределы текучести - соответственно наибольшее и наименьшее из напряжений, при которых возрастает пластическая (остаточная) деформация при почти постоянной величине действующей нагрузки.
На диаграммах напряжений отмечен нижний предел текучести. Именно этот предел для большинства материалов принимается за нормативное сопротивление материала.
Некоторые материалы не имеют выраженной площадки текучести. Для них за условный предел текучести σ 0.2 принимается напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает значения ε ≈0,2%.
4. Предел прочности Р макс (временное сопротивление)
Нормальные напряжения в поперечном сечении образца при достижении предела прочности будут равны:
σ в = Р макс /F o (318.2.6)
После преодоления верхнего предела текучести (на диаграммах напряжения не показан) материал снова начинает сопротивляться нагрузкам. При максимальном усилии Р макс начинается полное разрушение внутренних связей материала. При этом пластические деформации концентрируются в одном месте, образуя в образце так называемую шейку.
Напряжение при максимальной нагрузке называется пределом прочности или временным сопротивлением материала.
В таблицах 318.2 - 318.5 приведены ориентировочные величины пределов прочности для некоторых материалов:
Таблица 318.2 Ориентировочные пределы прочности на сжатие (временные сопротивления) некоторых строительных материалов.
Примечание : Для металлов и сплавов значение пределов прочности следует определять согласно нормативных документов. Значение временных сопротивлений для некоторых марок стали можно посмотреть .
Таблица 318.3 . Ориентировочные пределы прочности (временные сопротивления) для некоторых пластмасс
Таблица 318.4 . Ориентировочные пределы прочности для некоторых волокон
Таблица 318.5 . Ориентировочные пределы прочности для некоторых древесных пород
5. Разрушение материала Р р
Если посмотреть на диаграмму напряжений, то создается впечатление, что разрушение материала наступает при уменьшении нагрузки. Такое впечатление создается потому, что в результате образования "шейки" значительно изменяется площадь сечения образца в районе "шейки". Если построить диаграмму напряжений для образца из малоуглеродистой стали в зависимости от изменяющейся площади сечения, то будет видно, что напряжения в рассматриваемом сечении увеличиваются до некоторого предела:
Рисунок 318.3 . Диаграмма напряжений: 2 - по отношению к начальной площади поперечного сечения, 1 - по отношению к изменяющейся площади сечения в районе шейки.
Тем не менее более правильным является рассмотрение прочностных характеристик материала по отношению к площади первоначального сечения, так как расчетами на прочность изменение первоначальной геометрической формы редко предусматривается.
Одной из механических характеристик металлов является относительное изменение ψ площади поперечного сечения в районе шейки, выражаемое в процентах:
ψ = 100(F o - F)/F o (318.2.7)
где F o - начальная площадь поперечного сечения образца (площадь поперечного сечения до деформации), F - площадь поперечного сечения в районе "шейки". Чем больше значение ψ, тем более ярко выражены пластические свойства материала. Чем меньше значение ψ, тем больше хрупкость материала.
Если сложить разорванные части образца и измерить его удлинение, то выяснится, что оно меньше удлинения на диаграмме (на длину отрезка NL), так как после разрыва упругие деформации исчезают и остаются только пластические. Величина пластической деформации (удлинения) также является важной характеристикой механических свойств материала.
За пределами упругости, вплоть до разрушения, полная деформация состоит из упругой и пластической составляющих. Если довести материал до напряжений, превышающих предел текучести (на рис. 318.1 некоторая точка между пределом текучести и пределом прочности), и затем разгрузить его, то в образце останутся пластические деформации, но при повторном загружении через некоторое время предел упругости станет выше, так как в данном случае изменение геометрической формы образца в результате пластических деформаций становится как бы результатом действия внутренних связей, а изменившаяся геометрическая форма, становится начальной. Этот процесс загрузки и разгрузки материала можно повторять несколько раз, при этом прочностные свойства материала будут увеличиваться:
Рисунок 318.4 . Диаграмма напряжений при наклепе (наклонные прямые соответствуют разгрузкам и повторным загружениям)
Такое изменение прочностных свойств материала, получаемое путем повторяющихся статических загружений, называется наклепом. Тем не менее при повышении прочности металла путем наклепа уменьшаются его пластические свойства, а хрупкость увеличивается, поэтому полезным как правило считается относительно небольшой наклеп.
Работа деформации
Прочность материала тем выше, чем больше внутренние силы взаимодействия частиц материала. Поэтому величина сопротивления удлинению, отнесенная к единице объема материала, может служить характеристикой его прочности. В этом случае предел прочности не является исчерпывающей характеристикой прочностных свойств данного материала, так как он характеризует только поперечные сечения. При разрыве разрушаются взаимосвязи по всей площади сечения, а при сдвигах, которые происходят при всякой пластической деформации, разрушаются только местные взаимосвязи. На разрушение этих связей затрачивается определенная работа внутренних сил взаимодействия, которая равна работе внешних сил, затрачиваемой на перемещения:
А = РΔl/2 (318.4.1)
где 1/2 - результат статического действия нагрузки, возрастающей от 0 до Р в момент ее приложения (среднее значение (0 + Р)/2)
При упругой деформации работа сил определяется площадью треугольника ОАВ (см. рис. 318.1). Полная работа, затраченная на деформацию образца и его разрушение:
А = ηР макс Δl макс (318.4.2)
где η - коэффициент полноты диаграммы, равный отношению площади всей диаграммы, ограниченной кривой АМ и прямыми ОА, MN и ON, к площади прямоугольника со сторонами 0Р макс (по оси Р) и Δl макс (пунктир на рис. 318.1). При этом надо вычесть работу, определяемую площадью треугольника MNL (относящуюся к упругим деформациям).
Работа, затрачиваемая на пластические деформации и разрушение образца, является одной из важных характеристик материала, определяющих степень его хрупкости.
Деформация сжатия
Деформации сжатия подобны деформациям растяжения: сначала происходят упругие деформации, к которым за пределом упругости добавляются пластические. Характер деформации и разрушения при сжатии показан на рис. 318.5:
Рисунок 318.5
а - для пластических материалов; б - для хрупких материалов; в - для дерева вдоль волокон, г - для дерева поперек волокон.
Испытания на сжатие менее удобны для определения механических свойств пластических материалов из-за трудности фиксирования момента разрушения. Методы механических испытаний металлов регламентируются ГОСТ 25.503-97. При испытании на сжатие формы образца и его размеры могут быть различными. Ориентировочные значения пределов прочности для различных материалов приведены в таблицах 318.2 - 318.5.
Если материал находится под нагрузкой при постоянном напряжении, то к практически мгновенной упругой деформации постепенно прибавляется добавочная упругая деформация. При полном снятии нагрузки упругая деформация уменьшается пропорционально уменьшающимся напряжениям, а добавочная упругая деформация исчезает медленнее.
Образовавшаяся добавочная упругая деформация при постоянном напряжении, которая исчезает не сразу после разгрузки, называется упругим последействием.
Влияние температуры на изменение механических свойств материалов
Твердое состояние - не единственное агрегатное состояние вещества. Твердые тела существуют только в определенном интервале температур и давлений. Повышение температуры приводит к фазовому переходу из твердого состояния в жидкое, а сам процесс перехода называется плавлением. Температуры плавления, как и другие физические характеристики материалов, зависят от множества факторов и также определяются опытным путем.
Таблица 318.6 . Температуры плавления некоторых веществ
Примечание : В таблице приведены температуры плавления при атмосферном давлении (кроме гелия).
Упругие и прочностные характеристики материалов, приведенные в таблицах 318.1-318.5, определяются как правило при температуре +20 о С. ГОСТом 25.503-97 допускается проводить испытания металлических образцов в диапазоне температур от +10 до +35 о С.
При изменении температуры изменяется потенциальная энергия тела, а значит, изменяется и значение внутренних сил взаимодействия. Поэтому механические свойства материалов зависят не только от абсолютной величины температуры, но и от продолжительности ее действия. Для большинства материалов при нагреве прочностные характеристики (σ п, σ т и σ в) уменьшаются, при этом пластичность материала увеличивается. При снижении температуры прочностные характеристики увеличиваются, но при этом повышается хрупкость. При нагреве уменьшается модуль Юнга Е, а коэффициент Пуассона увеличивается. При снижении температуры происходит обратный процесс.
Рисунок 318.6 . Влияние температуры на механические характеристики углеродистой стали.
При нагревании цветных металлов и сплавов из них прочность их сразу падает и при температуре, близкой к 600° С, практически теряется. Исключение составляет алюмотермический хром, предел прочности которого с увеличением температуры увеличивается и при температуре равной 1100° С достигает максимума σ в1100 = 2σ в20 .
Характеристики пластичности меди, медных сплавов и магния с ростом температуры уменьшаются, а алюминия - увеличиваются. При нагреве пластмасс и резины их предел прочности резко снижается, а при охлаждении эти материалы становятся очень хрупкими.
Влияние радиоактивного облучения на изменение механических свойств
Радиоактивное облучение по-разному влияет на различные материалы. Облучение материалов неорганического происхождения по своему влиянию на механические характеристики и характеристики пластичности подобно понижению температуры: с увеличением дозы радиоактивного облучения увеличивается предел прочности и особенно предел текучести, а характеристики пластичности снижаются.
Облучение пластмасс также приводит к увеличению хрупкости, причем на предел прочности этих материалов облучение оказывает различное влияние: на некоторых пластмассах оно почти не сказывается (полиэтилен), у других вызывает значительное понижение предела прочности (катамен), а в третьих - повышение предела прочности (селектрон).
Модуль упругости первого рода (Е) - физическая константа материала, определяемая путем эксперимента и являющаяся коэффициентом пропорциональности между напряжениями и деформациями:
σ = εЕ.
Модуль упругости можно определять измерением образца тензометром (расчетный способ) или графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения.
Расчетный способ . Нагружают образец равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению, равному 70-80% от предполагаемого σ пц. Величина ступени нагружения должна составлять 5-10% от предполагаемого σ пц. По результатам испытаний определяют среднюю величину приращения удлинения образца ∆l cp на ступень нагружения ∆Р.
Графический способ . Записывают диаграмму нагружения образца в координатах "нагрузка (ордината) - деформация (абсцисса)". ∆Р и ∆l cp определяют по диаграмме на участке от нагрузки Р 0 до нагрузки, соответствующей напряжению равному 70-80% от предполагаемого σ пц.
Модуль упругости вычисляют по формуле
Стандарты регламентируют также определение относительного равномерного удлинения δ Р, конечной расчетной длины образца l K , относительного удлинения образца после разрыва δ, относительного сужения ψ.
Предел пропорциональности σ пц - наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, можно определять расчетным или графическим способами.
Расчетным способом определяют или с помощью зеркального прибора при последовательном нагружении образца. Нагружение ведут сначала крупными ступенями, а затем при напряжении 0,65-0,8 от определяемого σ пц - малыми ступенями. Р пц определяют при установленном отклонении деформации от закона пропорциональности, фиксируемом показаниями тензометра.
Графическим способом Р пц определяют по машинной диаграмме растяжения.
От начала координат (рис.2.7) проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения.
На произвольном уровне нагрузки проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n и начала координат проводят прямую On и параллельно ей проводят касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет искомую нагрузку Р пц.
Рис.2.7. Графические способы определения предела пропорциональности по диаграмме растяжения
Предел пропорциональности вычисляют по формуле
Предел упругости σ 0,05 - наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, величина предела упругости (как и σ пц) зависит от требований точности, которые налагаются на производимые измерения.
Расчетный способ . Образец нагружают до величины в два раза больше начальной Р 0 , и после выдержки в течение 5-7 с разгружают до Р 0 . Затем образец нагружают до величины, соответствующей 70-80% от предполагаемого σ 0,05. Дальнейшее нагружение проводят ступенями с выдержкой на каждой ступени 5-7 с и последующей разгрузкой до Р 0 с измерением остаточного удлинения. Испытания прекращают, если остаточное удлинение превысит установленный допуск. По результатам испытаний определяют нагрузку Р 0,05
Графический способ , σ 0,05 определяют по начальному участку диаграммы "нагрузка-деформация" (рис.2.8). Удлинения определяют на участке, равном базе измерителя деформации.
Для определения Р 0,05 вычисляют соответствующую величину остаточного удлинения с учетом базы измерителя деформации. Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси деформаций; отрезок полученной длины 0Е откладывают по оси абсцисс вправо от начала координат 0. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой 0А. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяют нагрузку Р 0,05 .
Предел упругости вычисляет по формуле
Рис.2.8. Определение предела упругости
Предел текучести физический σ т, верхний предел текучести σ тв и нижний предел текучести σ тн определяют по диаграмме растяжения.
Скорость относительной деформации на площадке текучести устанавливают в пределах 0,00025- 0,0025 с -1 . Если такая скорость на площадке текучести не может быть установлена, то до начала текучести устанавливают скорость нагружения от 1 до 30 МПа/с.
Допускается определять нагрузку Р т по явно выраженной остановке стрелки силоизмерителя машины, обусловленной удлинением образца без заметного увеличения нагрузки.
Пределы текучести вычисляют по формуле
В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести (или явно выраженный начальный переходный эффект), за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация σ ост = 0,002 или 0,2%.
Предел текучести условный σ 0,2 можно определить расчетным или графическим способом.
Расчетный способ. σ 0,2 определяют аналогично расчетному способу определения предела упругости σ 0,05 .
Графический способ . σ 0,2 - определяют аналогично графическому способу определения σ 0,05 , по точке пересечения с кривой растяжения прямой KL, параллельной начальному участку кривой и отстоящей от него по горизонтали на расстоянии 0К=0,2(1 о /100) в соответствии с принятым допуском (рис.2.9).
Рис. 2.9. Определение предела текучести σ 0,2 по диаграмме растяжения
Условный предел текучести можно определять графически по диаграмме, записанной на машине в масштабе, если масштаб ее диаграммного аппарата по оси деформаций не менее 50:1.
При определении σ 0,2 скорость нагружения должна быть от от 1 до 30 МПа/с. Предел текучести условный вычисляют по формуле
Временное сопротивление σ в (предел прочности). Для определения σв образец растягивают под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Р m ах соответствует временному сопротивлению.
Временное сопротивление вычисляется по формуле
Для пластичных материалов характеристикой сопротивления разрушению гладкого образца при растяжении служит истинное сопротивление разрушению – истинный предел прочности S k
где F k - площадь сечения в месте разрушения; P k -усилие в момент разрушения;
Характер разрушения определяют по виду излома образца (рис.2.10).
Область напряжений, при которых происходит только упругая деформация, ограничена пределом пропорциональности σ пц. В этой области в каждом зерне имеют место только упругие деформации, а для образца в целом выполняется закон Гука – деформация пропорциональна напряжению (отсюда и название предела).
С повышением напряжения в отдельных зернах возникают микропластические деформации. При таких нагрузках остаточные напряжения незначительные (0.001% - 0.01%).
Напряжение, при котором появляются остаточные деформации в указанных пределах, называется условным пределом упругости. В его обозначении индекс указывает на величину остаточной деформации (в процентах), для которой произведено определение предела упругости, например σ 0.01 .
Напряжение, при котором пластическая деформация имеет место уже во всех зернах, называется условным пределом текучести. Чаще всего он определяется при величине остаточной деформации 0.2% и обозначается σ 0.2 .
Формально, различие между пределами упругости и текучести связано с точностью определения «границы» между упругим и пластическим состоянием, что и отражает слово «условный». Очевидно, что σ пц <σ 0.01 <σ 0.2 . Однако значения этих пределов определяется разными процессами. Поэтому термообработка или обработка давлением по-разному влияют на их величину. Отметим, что именно предел пропорциональности или упругости определяет степень проявления неупругих свойств и величину предела усталости.
Отсутствие резкой границы между упругим и пластическим состоянием означает, что в интервале напряжений между σ пц и σ 0.2 происходят и упругие и пластические деформации.
Упругое состояние существует до тех пор, пока во всех зернах металла дислокации неподвижны.
Переход к пластическому состоянию наблюдается в таком интервале нагрузок, при которых движение дислокаций (и, следовательно, пластическая деформация) происходит только в отдельных кристаллических зернах, а в остальных продолжает реализовываться механизм упругой деформации.
Пластическое состояние реализуется, когда движение дислокаций происходит во всех зернах образца.
После перестройки дислокационной структуры (завершения пластической деформации) металл возвращается в упругое состояние, но с измененными упругими свойствами.
Приведенные обозначения пределов соответствуют одноосному растяжению, диаграмма которого приведена на рис. 7.6. Аналогичные по смыслу пределы определяют для сжатия, изгиба и кручения.
Рассмотренная диаграмма характерна для металлов, у которых переход от упругого состояния к пластическому очень плавный. Однако существуют металлы с ярко выраженным переходом в пластическое состояние. Диаграммы растяжения таких металлов имеют горизонтальный участок, и они характеризуются не условным, а физическим пределом текучести.
Самые важные параметры упругого состояния – предел упругости σ у и модули упругости.
Предел упругости определяет предельно допустимые эксплуатационные нагрузки, при которых металл испытывает только упругие или небольшие допустимые упругопластические деформации. Очень грубо (и в сторону завышения) границу упругости можно оценить по пределу текучести.
Модули упругости характеризуют сопротивление материала действию нагрузки в упругом состоянии. Модуль Юнга E определяет сопротивление нормальным напряжениям (растяжение, сжатие и изгиб), а модуль сдвига G - касательным напряжениям (кручение). Чем больше модули упругости, тем круче упругий участок на диаграмме деформации, тем меньше величина упругих деформаций при равных напряжениях и, следовательно, больше жесткость конструкции. Упругие деформации не могут быть больше величины σ у /Е.
Таким образом, модули упругости определяют предельно допустимые эксплуатационные деформации (с учетом величины предела упругости и жесткость изделий. Модули упругости измеряются в тех же единицах, что и напряжение (МПа или кгс/мм 2).
Конструкционные материалы должны сочетать высокие значения предела текучести (выдерживают большие нагрузки) и модулей упругости (обеспечивают большую жесткость). Модуль упругости Е имеет одинаковую величину при сжатии и растяжении. Однако пределы упругости при сжатии и растяжении могут отличаться. Поэтому при одинаковой жесткости, диапазоны упругости при сжатии и растяжении могут быть различны.
В упругом состоянии металл не испытывает макропластических деформаций, однако в его отдельных микроскопических объемах могут происходить локальные микропластические деформации. Они являются причиной, так называемых неупругих явлений, существенно влияющих на поведение металлов в упругом состоянии. При статических нагрузках проявляются гистерезис, упругое последействие и релаксация, а при динамических – внутреннее трение.
Релаксация – самопроизвольное уменьшение напряжений в изделии. Примером её проявления является ослабевание со временем натяжных соединений. Чем меньше релаксация, тем стабильнее действующие напряжения. Кроме этого релаксация приводит к появлению остаточной деформации после снятия нагрузки. Восприимчивость к этим явлениям характеризует релаксационная стойкость. Она оценивается как относительное изменение напряжения со временем. Чем она больше, тем меньше металл подвержен релаксации.
Внутреннее трение определяет необратимые потери энергии при переменных нагрузках. Потери энергии характеризуются декрементом затухания или коэффициентом внутреннего трения. Металлы с большим декрементом затухания эффективно гасят звук и вибрации, меньше подвержены резонансу (один из лучших демпфирующих металлов - серый чугун). Металлы с низким коэффициентом внутреннего трения, наоборот минимально влияют на распространение колебаний (например, колокольная бронза). В зависимости от назначения металл должен иметь высокое внутреннее трение (амортизаторы) или, наоборот, низкое (пружины измерительных приборов).
С повышением температуры упругие свойства металлов ухудшаются. Это проявляется в сужении упругой области (за счет уменьшения пределов упругости), усилении неупругих явлений и уменьшении модулей упругости.
Металлы, которые используются для изготовления упругих элементов, изделий со стабильными размерами должны иметь минимальные проявления неупругих свойств. Это требование лучше выполняется, когда предел упругости значительно превышает рабочее напряжение. Кроме этого важно соотношение пределов упругости и текучести. Чем больше отношение σ у / σ 0.2 , тем меньше проявление неупругих свойств. Когда говорят, что металл обладает хорошими упругими свойствами, обычно подразумевается не только высокий предел упругости, но и большое значение σ у / σ 0.2 .
ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ. При напряжениях, превышающих предел текучести σ 0.2 , металл переходит в пластическое состояние. Внешне это проявляется в снижении сопротивления действующей нагрузке и видимым изменением формы и размеров. После снятия нагрузки металл возвращается в упругое состояние, но остается деформированным на величину остаточных деформаций, которые могут намного превышать предельные упругие деформации. Изменение дислокационной структуры в процессе пластической деформации увеличивает предел текучести металла – происходит его деформационное упрочнение.
Обычно пластическую деформацию исследуют при одноосном растяжении образца. При этом определяются временное сопротивление σ в, относительное удлинение после разрыва δ и относительное сужение после разрыва ψ. Картина растяжения при напряжениях, превышающих предел текучести, сводится к двум вариантам, представленным на рисунке 7.6.
В первом случае наблюдается равномерное растяжение всего образца - происходит равномерная пластическая деформация, которая завершается разрывом образца при напряжении σ в. В этом случае σ в это условный предел прочности при растяжении, а δ и ψ определяют максимальную равномерную пластическую деформацию.
Во втором случае образец сначала растягивается равномерно, а после достижения напряжения σ в образуется местное сужение (шейка) и дальнейшее растяжение, вплоть до разрыва, сосредоточено в области шейки. В этом случае δ и ψ являются суммой равномерной и сосредоточенной деформаций. Поскольку «момент» определения временного сопротивления уже не совпадает с «моментом» разрыва образца, то σ в определяет не предельную прочность, а условное напряжение, при котором завершается равномерная деформация. Тем не менее, величину σ в часто называют условным пределом прочности независимо от наличия или отсутствии шейки.
В любом случае разница (σ в – σ 0.2) определяет интервал условных напряжений, в котором происходит равномерная пластическая деформация, а отношение σ 0.2 /σ В характеризует степень упрочнения. В отожженном металле σ 0.2 /σ В = 0,5 - 0,6, а после деформационного упрочнения (наклепа) оно увеличивается до 0,9 – 0,95.
Слово «условный» применительно к σ в означает, что оно меньше «истинного» напряжения S В действующего в образце. Дело в том, что напряжение σ определяется как отношение растягивающей силы к площади начального сечения образца (что удобно), а истинное напряжение S должно определяться по отношению к площади сечения в момент измерения (что сложнее). В процессе пластической деформации происходит утончение образца и по мере растяжения разница между условным и истинным напряжением увеличивается (особенно после образования шейки). Если строить диаграмму растяжения для истинных напряжений, то кривая растяжения будет проходить над кривой, нарисованной на рисунке и не будет иметь ниспадающего участка.
Металлы могут иметь одинаковое значение σ в, но, если у них разные диаграммы растяжения, разрушение образца будет происходить при разных истинных напряжениях S В (их истинная прочность будет различной).
Временное сопротивление σ в определяется при нагрузке, действующей в течение десятков секунд, поэтому часто называется пределом кратковременной прочности.
Пластическое деформирование исследуется также при сжатии, изгибе, кручении, диаграммы деформаций при этом подобны приведенной на рисунке. Но по многим причинам одноосное растяжение в большинстве случаев оказывается более предпочтительным. Наименее трудоёмко определение параметров одноосного растяжения σ в и δ, они всегда определяются при массовых заводских испытаниях, а их значения обязательно приводятся во всех справочниках.
Рис.7.7. Диаграмма одноосного растяжения стержня
Описание методики испытания металлов на растяжение (и определение всех терминов) приведены в ГОСТ 1497-73. Испытание на сжатие описано в ГОСТ 25.503-97, а на кручение - в ГОСТ3565-80.
ПЛАСТИЧНОСТЬ И ВЯЗКОСТЬ. Пластичность – это способность металла изменять форму без нарушения целостности (без трещин, надрывов и тем более разрушения). Она проявляется, когда упругое деформирование сменяется пластическим, т.е. при напряжениях больших предела текучести σ в.
Возможности пластического деформирования характеризует отношение σ 0.2 /σ в. При σ 0.2 /σ в = 0,5 – 0,6 металл допускает большие пластические деформации (δ и ψ составляют десятки процентов). Наоборот, при σ 0.2 /σ в = 0,95 – 0,98 металл ведет себя как хрупкий: область пластических деформаций практически отсутствует (δ и ψ составляют 1-3%).
Чаще всего пластические свойства оценивают по величине относительного удлинения при разрыве δ. Но эта величина определяется при статическом одноосном растяжении и поэтому не характеризует пластичность при других видах деформаций (изгиб, сжатие, кручение), больших скоростях деформирования (ковке, прокатке) и высоких температурах.
В качестве примера можно привести латуни Л63 и ЛС59-1, у которых практически одинаковые значения δ, но существенно разные пластические свойства. Надрезанный пруток из Л63 в месте разреза сгибается, а из ЛС59-1 обламывается при небольшом усилии. Проволока из Л63 легко расплющивается без образования трещин, а из ЛС59-1 растрескивается после нескольких ударов. Латунь ЛС59-1 легко поддается горячей прокатке, а Л63 прокатывается только в узком диапазоне температур, за пределами которого заготовка растрескивается.
Таким образом, пластичность зависит от температуры, скорости и способа деформации. На пластические свойства сильно влияют многие примеси, часто даже в очень малых концентрациях.
На практике для определения пластичности применяются технологические пробы, в которых используются такие способы деформирования, которые больше отвечают соответствующим технологическим процессам.
Распространена оценка пластичности по углу изгиба, количеству перегибов или скручиваний, которые выдерживает полуфабрикат без появления трещин и надрывов.
Испытание на выдавливание лунки из ленты (аналогия со штамповкой и глубокой вытяжкой) проводится до появления надрывов и трещин.
Хорошие пластические свойства важны при технологических процессах обработки металлов давлением. При нормальной же эксплуатации металл находится в упругом состоянии и его пластические свойства не проявляются. Поэтому ориентироваться на показатели пластичности при нормальной эксплуатации изделий на первый взгляд нет смысла.
Но если существует вероятность возникновения нагрузок, превышающих предел текучести, то желательно, чтобы материал был пластичен. Хрупкий металл разрушается сразу после превышения некоторого предела, а пластичный материал способен, не разрушаясь, поглотить достаточно избыточной энергии.
Понятия вязкости и пластичности часто отождествляют, но эти термины характеризуют разные свойства:
Пластичность - определяет способность деформироваться без разрушения, она оценивается в линейных, относительных или условных единицах.
Вязкость - определяет количество энергии, поглощаемой при пластической деформации, она измеряется с использованием единиц энергии.
Величина энергии, необходимой для разрушения материала, равна площади под кривой деформации на диаграмме «истинное напряжение – истинная деформация». Это означает, что она зависит и от максимально возможной деформации и от прочности металла. Способ определения энергоемкости при пластической деформации описан в ГОСТ 23.218-84.
ТВЕРДОСТЬ. Обобщенной характеристикой упругопластических свойств является твердость.
Твердость – это свойство поверхностного слоя материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела, при его сосредоточенном воздействии на поверхность материала. «Другое, более твердое тело» - это индентор (стальной шарик, алмазная пирамида или конус), вдавливаемый в испытываемый металл.
Напряжения, вызванные индентором, определяются его формой и силой вдавливания. В зависимости от величины этих напряжений в поверхностном слое металла происходят упругие, упругопластические или пластические деформации. В первом случае снятие нагрузки не оставляет следа на поверхности. Если напряжение превышает предел упругости металла, то после снятия нагрузки на поверхности остаётся отпечаток.
Чем меньше отпечаток, тем выше сопротивление вдавливанию и тем большей считается твердость. По величине сосредоточенного усилия, ещё не оставляющего отпечатка, можно определить твердость на пределе текучести.
Численное определение твердости производится по методикам Виккерса, Бринелля и Роквелла.
В методе Роквелла твердость измеряется в условных единицах HR, которые отражают степень упругого восстановления отпечатка после снятия нагрузки. Т.е. число твердости по Роквеллу определяет сопротивление упругим или малым пластическим деформациям. В зависимости от вида металла и его твердости используют разные шкалы. Чаще всего используется шкала С и число твердости HRC.
В единицах HRC часто формулируют требования к качеству поверхности стальных деталей после термообработки. Твердость HRC в наибольшей степени отражает уровень рабочих характеристик высокопрочных сталей, а с учетом простоты измерений по Роквеллу, очень широко применяется на практике. Подробно о методе Роквелла с описанием различных шкал и твердости разных классов материалов.
Твердость по Виккерсу и Бринеллю определяется как отношение усилия вдавливания к площади контакта индентора и металла при максимальном внедрении индентора. Т.е. числа твердости HV и HB имеют смысл среднего напряжения на поверхности невосстановленного отпечатка, измеряются в единицах напряжения (МПа или кгс/мм 2) и определяют сопротивление пластическим деформациям. Основное различие между этими методами связано с формой индентора.
Применение алмазной пирамиды в методе Виккерса (ГОСТ 2999-75, ГОСТ Р ИСО 6507-1) обеспечивает геометрическое подобие пирамидальных отпечатков при любой нагрузке - соотношение глубины и размера отпечатка при максимальном вдавливании не зависит от приложенного усилия. Это позволяет достаточно строго сравнивать твердость разных металлов, в том числе результаты, полученные при разных нагрузках.
Шаровые инденторы в методе Бринелля (ГОСТ 9012-59) не обеспечивают геометрического подобия сферических отпечатков. Это приводит к необходимости выбирать величину нагрузки в зависимости от диаметра шарового индентора и вида испытуемого материала по таблицам рекомендуемых параметров испытаний. Следствием этого является неоднозначность при сравнении чисел твердости HB для разных материалов.
Зависимость определяемой твердости от величины приложенной нагрузки (небольшая для метода Виккерса и очень сильная в методе Бринелля) требует обязательного указания условий испытания при записи числа твердости, хотя это правило часто не соблюдается.
Область воздействия индентора на металл сопоставима с размерами отпечатка, т.е. твердость, характеризует локальные свойства полуфабриката или изделия. Если поверхностный слой (плакированный или упрочненный) отличается по свойствам от основного металла, то измеряемые значения твердости будут зависеть от соотношения глубины отпечатка и толщины слоя – т.е. будут зависеть от метода и условий измерения. Результат измерения твердости может относиться или только к поверхностному слою или к основному металлу с учетом его поверхностного слоя.
При измерении твердости определяется результирующее сопротивление внедрению индентора в металл без учета отдельных структурных составляющих. Усреднение происходит, если размер отпечатка превосходит размер всех неоднородностей. Твердость отдельных фазовых составляющих (микротвердость) определяется по методу Виккерса при малых усилиях вдавливания.
Прямой взаимосвязи между разными шкалами твердости не существует, отсутствуют и обоснованные методы перевода чисел твердости из одной шкалы в другую. Имеющиеся таблицы, формально связывающие различные шкалы, построены по данным сравнительных измерений и справедливы только для конкретных категорий металлов. В таких таблицах числа твердости обычно сопоставляются с числами твердости HV. Это связано с тем, что метод Виккерса позволяет определять твердость любых материалов (в других методах диапазон измеряемой твердости ограничен) и обеспечивает геометрическое подобие отпечатков.
Также не существует прямой связи твердости с пределами текучести или прочности, хотя на практике часто используется соотношение σ в = k НВ. Значения коэффициента k определяются на основе сравнительных испытаний для конкретных классов металлов и варьируются от 0,15 до 0,5 в зависимости от вида металла и его состояния (отожженный, нагартованный и т.д.).
Изменения упругих и пластических свойств с изменением температуры, после термической обработки, нагартовки и т.д. проявляются в изменении твёрдости. Твердость измеряется быстрее, проще, допускает неразрушающий контроль. Поэтому изменение характеристик металла после различных видов обработки удобно контролировать именно по изменению твердости. Например, упрочнение, увеличивая σ 0.2 и σ 0.2 /σ в, увеличивает твердость, а отжиг её уменьшает.
В большинстве случаев твердость определяется при комнатной температуре при воздействии индентора менее минуты. Определяемая при этом твердость называется кратковременной твердостью. При высоких температурах, когда развивается явление ползучести (см. ниже), определяется длительная твердость - реакция металла на длительное воздействие индентора (обычно в течение часа). Длительная твердость всегда меньше кратковременной и это различие растет с увеличением температуры. Например, в меди кратковременная и длительная твердость при 400 о С составляет 35HV и 25HV , а при 700 о С - 9HV и 5HV соответственно.
Рассмотренные методы относятся к статическим: индентор внедряется медленно, а максимальная нагрузка действует достаточно долго для завершения процессов пластической деформации (10 – 180с). В динамических (ударных) методах воздействие индентора на металл кратковременно, поэтому и деформационные процессы протекают иначе. Различные варианты динамических методов используются в портативных твердомерах.
При столкновении с исследуемым материалом энергия индентора (бойка) расходуется на упругую и пластическую деформацию. Чем меньше энергии израсходовано на пластическую деформацию образца, тем выше должна быть его «динамическая» твердость, которая определяет сопротивление материала упругопластическому деформированию при ударе. Первичные данные пересчитываются в числа «статической» твердости (HR, HV, HB), которые и отображаются на приборе. Такой пересчет возможен только на основе сравнительных измерений для конкретных групп материалов.
Существуют также оценки твердости по сопротивлению абразивному изнашиванию или резанию, которые лучше отражают соответствующие технологические свойства материалов.
Из сказанного следует, что твердость не является первичным свойством материала, скорее это обобщенная характеристика, отражающая его упругопластические свойства. При этом, выбор метода и условий измерения может преимущественно характеризовать или его упругие или, наоборот, пластические свойства.
Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, , . Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:
- Статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.
- Динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.
- Повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.
Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.
Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Прочность.
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.
Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца Δl (мм) от действующей нагрузки Р, то есть Δl = f(P) . Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения Δl от напряжения δ.
Диаграмма растяжения материала
Рис 1: а – абсолютная , б – относительная; в – схема определения условного предела текучести
Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки: участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а , называется пределом пропорциональности.
Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Предел пропорциональности.
Предел пропорциональности (σ пц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.
При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения). Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа .
Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости , – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации (σ 0.05).
Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Предел текучести.
Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.
Физический предел текучести σ m – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.
Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.
Условный предел текучести σ 0.2 – это напряжение вызывающее остаточную деформацию δ = 0.20%.
Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести. Равномерная по всему объему продолжается до значения предела прочности. В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.
Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Предел прочности.
Предел прочности σ в – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).
Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом. Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.
Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рисунок 2).
Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.
Истинная диаграмма растяжения
Рис. 2
F к - конечная площадь поперечного сечения образца.
Истинные напряжения S i определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения в данный момент времени.
При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.
Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Пластичность.
Пластичность – способность материала к пластической деформации, то есть способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением.
Характеристики:
- относительное удлинение :
l о и l к – начальная и конечная длина образца;
