Механические свойства конструкционных материалов

Основным механическим свойствам конструкционных материалов и сплавов, определяющим работоспособность конструкции и область их применения, относят: твердость, прочность, упругость, пластичность, вязкость, выносливость.

 

Твердость – сопротивление материала проникновению в него индентора, из другого более твердого материала.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению при воздействии внешних напряжений. Определяем усилие разрушения.

Упругость – способность материала восстанавливать свои размеры и форму при снятии внешних напряжений.

Пластичность – способность материала изменять форму и размеры при воздействии усилия.

Вязкость - это сопротивление материала динамическому, ударному воздействию нагрузки. В этом случае мы определяем работу разрушения.

Все вышеназванные свойства оцениваются количественными параметрами которые могут быть получены с использованием различных схем нагружения. Например, прочность можно оценить при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Соответствующие виды и способы испытаний оговорены в ГОСТах на каждый класс материалов.

 

 

Определение количественных характеристик механических свойств

 

Основными методами оценки свойств конструкционных сталей являются испытания на статическое растяжение, твердость, динамический изгиб иреже знакопеременные усталостные нагружения.

 

Испытания на статическое растяжение

 

Испытания на растяжение при комнатной температуре проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах. В зависимости от принципа действия нагружающего механизма испытательные машины подразделяют на механические и гидравлические.

Рис 3.1. Схема гидравлической разрывной машины

Основной характеристикой разрывной машины является развиваемое ею максимальное усилие. На рис. 3.1. показан принцип работы гидравлической машины.

Механические свойства обычно определяют по первичным кривым растяжения в координатах: нагрузка - Р, абсолютное удлинение - ∆ l, которые автоматически записываются на диаграммной ленте испытательной машины. Всё многообразие этих кривых при низких температурах в первом приближении можно свести к трем типам диаграмм растяжений (ДР). Рис. 3.1.

 

 

Рис. 3.2. Типы диаграмм растяжения

 

ДР I типа характерна для образцов, разрушающихся без заметной пластической деформации (хрупкие материалы). ДР II типа получается при растяжении образцов, равномерно деформирующихся вплоть до разрушения. Наконец, ДР III типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации.

 

 

Прочностные свойства

Прочностные свойства - это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению. Поскольку величина усилия Р не может рассматриваться как характеристика материала, в практике используется понятие механического напряжения ( ), представляющего собой усилие, отнесенное к площади поперечного сечения, которое однозначно определяет прочностные свойства материала:

(3.1.)

где P – усилие растяжения, F0 – начальное поперечное сечение образца перед испытанием.

Большинство стандартных прочностных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на ДР. На рис.3.3 дана диаграмма III типа на которой нанесены характерные точки, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики. Кривая ОАDС характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений . До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала (где — относительная деформация).

 

 

Рис. 3.3. Диаграмма растяжения металлов для условных напряжений в координатах , где l-область упругой деформации, ll- область пластической деформации, lll- область развития трещин.

 

Модуль упругости Е определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла, а все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорцио-нальности ( ). Обычно определяют условный предел пропорционально-сти, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50 % своего значения на линейном (упругом) участке.

Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практически вызывают только упругие (в микроскопическом смысле) деформации, поэтому нередко отождествляют с условным пределом упругости. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0, 05% (или еще меньше) первоначальной длины образца:

(3.2.)

 

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0, 2 %, назы-

вают условным пределом текучести:

(3.3.)

При испытании сплавов железа и других металлов с ОЦК-решеткой при достижении определенного напряжения на кривой растяжения образуется площадка. Напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки, называется физическим пределом текучести.

Условный предел текучести является расчетной характеристикой, которая определяет допустимую нагрузку, исключающую остаточную деформацию. По величине при нормальной температуре различают:

материалы низкой прочности ( 650MПа), средней прочности ( 650-1300МПа), и высокой прочности ( 1300-1400МПа).

 

Если допустимые напряжения определяются упругой деформацией (жесткая конструкция), то в расчетах по определению увеличения длины образца используется величина модуля упругости E. Величины и характеризуют образование малых деформаций.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности:

(3.4.)

 

У пластичных металлов начиная с напряжения деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения - так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент образец разрушается. (точка С на рис 3.2).

Истинное сопротивление разрушению Sк определяется как отношение усилия в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва:

 

(3.5.)

Где F_k – конечная площадь поперечного сечения образца перед разрушением.

 

В случае хрупкого разрушения SК и определяет действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала. При вязком разрушении (когда образуется шейка) и S_k характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не разрушению. В конструкторских расчетахB S_k практически не используются, так как пластическая деформация при предельных напряжениях может нарушить работоспособность деталей и узлов. Для расчёта допустимых нагрузок на деталь в конструкторских расчётах используют .

В процессе растяжения металл испытывает деформационные упрочнения (наклёп).

Характеристики , , , атакже Е являются базовыми — они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входят в расчеты прочности и ресурса.

 

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: