Диаграмма условных напряжений

Механические характеристики материалов

Чтобы исключить влияние размеров и формы деталей, во-первых, испытания проводят на стандартных образцах ГОСТ 1497-84. Во-вторых, результаты пересчитывают на относительные величины: прикладываемую нагрузку – в механическое напряжение ; абсолютную деформацию – в относительную деформацию .

Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений (рис. 5). Такое название объясняется тем, что площадь образца в процессе испытания изменяется.

Рис. 5. Диаграмма условных напряжений малоуглеродистой стали

Предел пропорциональности . Значению нагрузки Р_пц, при которой нарушается линейная зависимость между нагрузкой Р и удлинением Dl (закон пропорциональности), на диаграмме соответствует точка А. Напряжение, вызванное нагрузкой Р_пц, называется пределом пропорциональности и вычисляется по формуле

. (1.1)

Таким образом, пределом пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука

s = Е e,

где Е – модуль нормальной упругости или модуль жесткости. Модуль E графически изображается тангенсом угла наклона прямолинейного участка к оси абсцисс диаграммы условных напряжений . Величина модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении состава, структуры или после термической обработки. Например, для стали E = (2,0¸2,2)×10⁵ МПа, для чугуна E = (0,75¸1,6) ×10⁵ МПа.

Предел упругости . Наибольшему значению нагрузки Р_уп, при которой образец еще не дает при разгрузке остаточной деформации, соответствует точка В. Упругой стадии растяжения образца – участок диаграммы ОВ.

Наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается, называется пределом упругости. Это напряжение вызывается силой Р_уп и определяется по формуле

. (1.2)

Предел упругости является характеристикой, не связанной с законом Гука. Точка В может располагаться как выше, так и ниже точки А. Эти точки, а следовательно и значения напряжений s_пц и s_упблизки и обычно различием между ними пренебрегают.

Предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформации без увеличения растягивающей нагрузки. Величина предела текучести вычисляется по формуле

. (1.3)

У большой части технических металлов и сплавов на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести. В этом случае предел текучести определяется с допуском 0,2 %, т.е. – условный предел текучести (s_0,2) – напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:

(1.4)

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, которую выдерживает образец

. (1.5)

Напряжение в момент отрыва образца. Обозначив через Р_к величину растягивающей нагрузки в момент разрыва, получим

. (1.6)

Определяемое таким образом напряжение при разрыве образца не может быть использовано в качестве характеристики механических свойств металлов и сплавов. Оно получено делением нагрузки в момент разрыва на первоначальную площадь поперечного сечения образца, а не на действительную его площадь при разрыве, которая значительно меньше начальной, вследствие образования шейки.

Механические характеристики s_пц, s_уп, s_ти s_в называются характеристиками прочности материалов. В практических расчетах оценка механических свойств преимущественно проводится по пределу текучести s_т и пределу прочности s_в. Например, для малоуглеродистой стали (0,2 % С), имеющей площадку текучести: s_т = 300 МПа, s_в = 450 МПа.

Кроме перечисленных выше характеристик прочности материала при испытании на растяжение определяют также относительное удлинение после разрыва d и относительное сужение после разрыва y:

(1.7)

(1.8)

где: l₀ – первоначальная расчетная,

l_k – конечная расчетная длина образца;

– начальная площадь поперечного сечения,

– площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва (рис. 4).

Механические характеристики d и y являются характеристиками пластичности материала: чем они больше, тем материал пластичнее. Для сталей, например, d = 8 ¸ 45% , y = 40 ¸ 65% .

Порядок проведения испытаний

Перед испытанием необходимо ознакомиться с устройством машины МИРИ-100К и правилами поведения в лаборатории (вводный инструктаж).

До испытания проводится измерение штангенциркулем размеров образца (см. рис. 1) по рабочей части l₀ и d₀ с погрешностью до 0,1 мм. Для этого проводится измерение длины рабочей зоны, отмеченной на образце накерненными точками и диаметра образца в трех сечениях расчетной зоны. За расчетный диаметр принимается среднее значение по выполненным трем замерам. Рассчитывается начальная площадь поперечного сечения F _о.

На рабочей части образца наносят метки на расстоянии 5 или 10 мм друг от друга. Благодаря меткам можно определить деформацию каждого 5 или 10-миллиметрового промежутка, так и всей рабочей длины образца.

Образец устанавливается в захваты испытательной машины и производится его растяжение.

1. Определение предела текучести и предела прочности. После проведения испытания по машинной диаграмме растяжения определяют нагрузку Р_т, соответствующую пределу текучести, и наибольшую разрушающую нагрузку P_max . Используя значения Р_т, P_max и площадь F₀ по формулам (1.3 и 1.4) определяют прочностные характеристики материала s_т и s_в.

2. Определение характеристик пластичности материала. После испытания части разорванного образца складывают и штангенциркулем измеряют конечную расчетную длину l_k . а также толщину в наиболее тонком месте шейки d_k. При разрыве образца в средней части расчетной длины измерение l_k производится между крайними рисками, как показано на рис. 8. Измерив l_k по формулам (1.7–1.8) определяют характеристики пластичности материала на растяжение d и y:

Рис. 8. Определение конечной расчетной длины при разрыве образца

в средней части

3. Определение предела пропорциональности. Условный предел пропорциональности находится тогда, когда по диаграмме трудно точно определить точку, до которой сохраняется линейная зависимость между прикладываемой нагрузкой и удлинением образца.

Величину нагрузки Р_пц можно с некоторым приближением определить графически на диаграмме растяжения (см. рис. 9,а). Отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением должно достигнуть такой величины, когда тангенс угла наклона кривой деформации с осью нагрузок увеличится на 50% своего значения на линейном упругом участке.

· Из начала координат проводят прямую OM, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения.

· Проводят прямую линию АВ, параллельную оси абсцисс.

· На прямой АВ откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk.

· Через точку n и начало координат проводят прямую О n. Тангенс угла наклона прямой О n к оси ординат (b) и будет на 50 % больше тангенса угла наклона прямолинейного участка диаграммы растяжения OM (a ).

· Параллельно линии О n проводят касательную линию CD к диаграмме растяжения.

· Точка касания К определяет нагрузку Р_пц.

· В соответствии с формулой (1.1) рассчитывают значение предела пропорциональности s_пц .

4. Определение условного предела текучести с допуском 0,2 %. Вследствие неполного контакта между головками образца и гнездами для них в траверсе, в начале диаграммы получается криволинейный участок, который следует исключить, продолжив прямолинейный участок диаграммы до пересечения с осью абсцисс в точке О (рис. 9,б).

· Вычисляют величину пластической деформации, которая составляет 0,2%, от начальной расчетной длины l₀.

· Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы и отрезок ОЕ = 0,002 l₀ (см. рис. 9,б) откладывают от точки О.

· Из точки Е проводят прямую, параллельную ОА. Точка пересечения прямой с диаграммой соответствует нагрузке Р_0,2.

· По формуле (1.6) рассчитывают значение условного предела текучести s_0,2.

5. Определение работы, затраченной на деформацию образца. Для оценки качества испытанного материала необходимо определить работу, затраченную на разрыв образца.

· Работу деформации в пределах упругости можно выразить через площадь диаграммы ОАА₁О (см. рис. 10).

· Работа, затраченная на образование пластической деформации, графически определяется площадью OACDК K ₁.

· Полная работа (А), затраченная при растяжении образца до его разрушения, численно равна площади диаграммы растяжения OACD KK₂O с учетом тех же масштабов сил и удлинений: 1 см² площади диаграммы соответствует работе деформации 1 кг×см.

Рис. 9. Начальные участка диаграммы растяжения:

а– для определения условного предела пропорциональности;

б– для определения условного предела текучести

· Удельная работа (а) – отношение полной работы А, затраченной на разрушение образца, к начальному объему средней цилиндрической части образца V

а = А / V

характеризует способность материала образца поглощать энергию разрыва, вязкость материала и сопротивляемость его динамическим воздействиям нагрузки.

Для упрощения расчетов, работу, затраченную на пластическое деформирование, определяют как площадь прямоугольника с основанием Dl _ост и высотой Р_max (см. рис. 3).

Рис. 10. Полная диаграмма растяжения

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 1548; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!