Механические характеристики материалов

Урок 3

Урок 4

Механические характеристики материалов, определяемые при растяжении, можно разделить на три группы.

Характеристики упругих свойств.

Модуль упругости первого рода (модуль Юнга).

Модуль Юнга характеризует жесткость материала (физический смысл) и равен тангенсу угла наклона

участка упругости OB(Рис. 2.6) условной диаграммы к оси абсцисс E = tgα (геометрический смысл).

Коэффициент Пуассона.

Удлинению стержня при растяжении в продольном направлении сопутствует сжатие в

поперечном направлении:

Коэффициент Пуассона изменяется от 0 (для пробки) до 0,5 (для резины). Для основных марок стали

μ = 0,25 ч 0,35 .

Иногда к характеристикам упругости относят также предел пропорциональности σпц (Рис. 2.6) и предел упругости σу (Рис. 2.6).

Характеристики прочности:

– предел текучести σт (Рис. 2.6),

– предел прочности σв (Рис. 2.6).

Если диаграмма растяжения не имеет площадки текучести, то определяют условный предел текучести σ0,2 – напряжение, соответствующее величине остаточной деформации 0,2%.

Рис. 2.8 – Предел текучести σ0,2

Для некоторых материалов величину условного предела текучести определяют при остаточной деформации 0,5% (σ0,5). Используется также понятие условного предела упругости σ0,001 или σ0,005 – напряжение, соответствующее величине остаточной деформации 0,001% или 0,005%.

Характеристики пластичности.

Относительное остаточное удлинение при разрыве:

(2.18)

где l0 – начальная длина образца (до испытания), lк – конечная длина образца (после разрушения).

Относительное остаточное удлинение при разрыве можно определить непосредственно по диаграмме растяжения, проведя из точки разрыва линию, параллельную участку упругости, до пересечения с осью абсцисс (отрезок OL):

Рис. 2.9 – Определение остаточного удлинения

Относительное остаточное сужение при разрыве:

(2.19)

где A0 и Aш – площадь поперечного сечения рабочей части соответственно до и после испытания (в месте образования шейки).

Испытание на сжатие

При испытании на сжатие металлов используются цилиндрические образцы с отношением высоты к диаметру 1…3:

Рис. 2.10 – Образец для испытаний на сжатие

Для строительных материалов используются кубические образцы с длиной грани 100 или 150 мм.

Испытание на сжатие используется редко в силу того, что между плитами испытательной машины

и торцевыми поверхностями образца возникает сила трения, нарушающая одноосное напряженно-деформированное состояние, в результате чего определяемые характеристики прочности не могут использоваться в расчетах на прочность.

По величине относительного остаточного удлинения при разрыве принято различать:

- пластичные материалы – способные получать без разрушения большие остаточные деформации (δ > 10%);

- хрупкие материалы – способные разрушаться без образования заметных остаточных деформаций (δ < 5%).

При испытаниях на растяжение:

Рис. 2.11 – Испытание пластичных и хрупких материалов

1 – пластичный материал;

2 – хрупкий материал.

Пластичные материалы перед разрывом образуют заметную шейку, а разрушение происходит под углом примерно 45° к оси растяжения (последнее хорошо видно на плоских образцах). Хрупкие материалы разрушаются по плоскости, нормальной оси растяжения, практически без образования шейки.

Для пластичных материалов пределы текучести при растяжении и сжатии равны друг другу: σтр≈σтс.

Для хрупких материалов предел прочности при растяжении меньше, чем при сжатии: σвр<σвс.

Существует группа материалов, которые способны при растяжении воспринимать большие нагрузки, чем при сжатии. Это в основном волокнистые материалы, а из металлов – магний. Такое явление называется анизотропией механических свойств, а металлы анизотропными.

Наклеп. Эффект Баушингера. Гистерезис

Если нагрузить образец до точки G(Рис. 2.12), а затем произвести разгрузку, то при повторном нагружении диаграмма растяжения пойдет по пути O1GK:

Рис. 2.12 – Явление наклепа

Явление повышения прочностных свойств материала (σпц, σу и σт) и снижения пластических (δ) в

результате предварительного нагружения выше предела текучести называется наклепом. (или деформационным упрочнением). Если после такого нагружения выдержать образец в течение 100 и более часов, то при этом повышается и предел прочности. Это явление называется естественным старением.

Наклеп может быть частично или полностью устранен термической обработкой.

При сжатии нагружение выше предела текучести, так же, как и при растяжении, вызывает явление наклепа. Однако наклеп, вызванный растяжением, снижает σпц и σт при сжатии. Это явление называется эффектом Баушингера.

Если рассмотреть диаграмму растяжения при большом разрешении по оси деформаций, то станет заметно, что линии разгрузки GO1 и нагрузки O1G образуют петлю – петлю гистерезиса:

Рис. 2.13 – Явление гистерезиса

Явление гистерезиса можно определить как необратимую потерю энергии деформации. При свободных колебаниях гистерезис является причиной постепенного затухания колебательного процесса. При анализе диаграмм растяжения и сжатия явлением гистерезиса пренебрегают.

Допускаемые напряжения

Детали машин и других конструкций должны удовлетворять условиям прочности и жесткости, т.е.

под действием приложенных нагрузок они не должны разрушаться и получать недопустимые деформации. В большинстве машиностроительных конструкций не допускаются, как правило, остаточные деформации.

Допускаемое напряжение рассчитывается по формуле

(2.20)

где, σ0— опасное напряжение, n — коэф. запаса прочности. Для пластичных материалов σ0 = σт и n = 1,5, хрупких σ0 = σВ, n = 3.

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов, из которых основными являются:

-состояние материала (хрупкое или пластичное);

-характер приложения нагрузки (статическая, динамическая или повторно-переменная);

-неоднородность материала;

-неточность задания величин внешних нагрузок;

-приближенность расчетных схем и некоторая приближенность расчетных формул;

-долговечность и значимость конструкции.