Механические характеристики пластичности и кратковременной прочности

Записанный с помощью специального устройства на испытательной машине график изменения удлинения образца в зависимости от приложенного усилия чаще называют диаграммой растяжения (рис. 2.4.1,а),.

Для того, чтобы можно было сравнивать результаты образцов различных размеров, диаграмму растяжения перестраивают в другой системе координат (рис. 2.4.1,б). Здесь по оси ординат откладывают значение нормального напряжения σ в поперечном сечении, а по оси абсцисс – относительное удлинение ε. Эту диаграмму называют также условной диаграммой растяжения, так как напряжения и относительные удлинения вычисляются соответственно по отношению к начальной площади сечения и начальной длине образца.

Рисунок 2.4.1

На рис. 2.4.1, б изображена типичная условная диаграмма растяжения образца пластичного материала, например, углеродистой стали. С ростом деформаций от нуля происходит увеличение напряжения в согласии с законом Гука. Соответствующий участок диаграммы 0А представляет собой отрезок прямой. Наибольшее напряжение, при котором еще соблюдается закон Гука, называется пределом пропорциональности и обозначается σ_пр.

С дальнейшим ростом деформаций зависимость σ = σ (ε) становится нелинейной, см. диаграмму выше точки А.

Участок ВС диаграммы соответствует явлению текучести, когда образец деформируется практически при неизменном усилии. Этот участок диаграммы принято называть площадкой текучести. Соответствующее напряжение называется пределом текучести и обозначается σ_у (индекс у от уiеId (англ.) — текучесть). Например, для горячекатаной прутковой (диаметром до 80 мм) стала 45 без термической обработки нормативное значение σ_у должно быть не менее 360 МПа.

Несколько удлинившись при постоянном значении усилия образец снова демонстрирует способность упрочняться, когда усилие F растет с увеличением деформации ∆l. На этой стадии деформирования образца график зависимости F = F (∆l) представляет собой гладкую кривую, см. рис. 2.4.1, а. Рано или поздно сила F достигнет своего наибольшего значения, см. точку D на диаграмме. Соответствующее максимальное напряжение при испытании обозначается σ_u (индекс u от ultimate (англ.) - предельный) и называется пределом прочности или временным сопротивлением. Например, для упомянутой стали 45 (без термической обработки в прутках диаметром до 80 мм) нормативное значение σ_u должно быть не менее 610 МПа.

Участок DЕ диаграммы растяжения отвечает процессу неравномерного деформирования растягиваемого стержневого образца. Происходит образование местного утонения образца, на нем образуется так называемая шейка, рис. 2.4.2

Рисунок 2.4.2

По мере удлинения образца его сужение в области шейки прогрессирует, благодаря чему уменьшается как сила F, так и напряжение σ.

Точка Е на диаграмме соответствует окончательному разрушению образца. Отношение разрушающей нагрузки к наименьшей площади поперечного сечения образца в области шейки назовем напряжение разрушения с обозначением через σ_δ.

Величины σ_пр ; σ_у; σ_u и σ_δ принято называть механическими характеристиками кратковременной прочности материала.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить (см. точку Е на рис. 2.4.1, б), то в процессе разгрузки график зависимости между напряжением σ и деформацией ε изобразится отрезком прямой КК₁. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения практически накладывается на прямую КК₁ и далее на кривую КDЕ, как будто промежуточной разгрузки и не было, рис. 2.4.1, 6. Опыт показывает, что прямая КК₁ параллельна прямой ОА первоначального нагружения. Последнее означает, что модуль упругости Е при нагрузке и при разгрузке имеет одно и то же значение.

При разгрузке относительная деформация ε полностью не исчезает. Она уменьшается на упругую часть ε_е полной деформации ε. На рис. 2.4.1, б отрезок КК₁ соответствует деформации ε_е. Отрезок 0К₁ соответствует остаточной (в данном случае пластической) относительной деформации ε_r . Индексы е и r от еlаstik и rest (англ.) — упругий и остаток. Таким образом, имеем:

ε = ε_е + ε_r.

Если образец нагружается с соблюдением условия σ≤σ_пр, то при разгрузке оказывается, что ε_r = 0 и ε = ε_е, т. е. деформация была чисто упругой.

Для многих материалов диаграмма растяжения не имеет явно выраженной площадки текучести. В этом случае вместо предела текучести принимается так называемый условный предел текучести, равный напряжению, отвечающему допуску на остаточную деформацию ε_r =0,002 или 0,2%, рис. 2.4.3. Условный предел текучести обозначается через σ_О2

Рисунок 2.4.3

Описанные здесь законы разгрузки и повторной нагрузки представляют собой весьма упрощенную модель этого явления. Не вдаваясь в подробности более сложных моделей, укажем лишь на следующий экспериментальный факт. Если разгрузку образца произвести с напряжения, находящегося в интервале от σ_пр до σ_у то может оказаться, что остаточная деформация ε_r практически равна нулю. Наибольшее напряжение, разгрузка от которого все еще не сопровождается появлением остаточных деформаций, называется пределом упругости с обозначением через σ_е (или σ_у в русской технической литературе). Относительная остаточная деформация к моменту разрушения обозначается через δ и определяется по диаграмме растяжения с помощью вычерчивания линии условной разгрузки ЕЕ₁, параллельной линии ОА первоначальной нагрузки.

Кроме понятия относительного удлинения ε вводят понятие относительного сужения с обозначением через ψ:

ψ (2.4.3)

где А — текущая площадь поперечного сечения.

Определяют также относительное остаточное сужение к моменту разрыва:

(2.4.5)

где А_δ — наименьшая площадь поперечного сечения шейхи в момент разрыва.

Величины δ и ψ_δ получили названия механических характеристик пластичности, т.е. свойства материала получать значительные остаточные деформации без разрушения. К примеру, для сталей 45 и 08 имеем значения δ, превышающие 0,16 и 0,33, и значения ψ_δ превосходящие 0,40 и 0,60 соответственно. Таким обаразом, сталь 08 более пластична, нежели сталь 45.

Процесс разрушения начинается в малой области, расположенной на оси образца в плоскости с наименьшей площадью поперечного сечения шейки, см точку А на рис. 2.4.2 Отсюда во все стороны распространяется круговой фронт трещины. Сформировавшаяся трещина представляет собой дискообразную полость, отмеченную цифрой 1 на рис. 2.4.2 Процесс разрушения заканчивается характерным срезом по конической поверхности, помеченной цифрой 2 на рис. 2.4.2 Образующая конуса наклонена к продольной оси под углом, близким к π/4.

Испытания на сжатие производятся на коротких образцах, расположенных между параллельными плитами испытательной машины. Для пластичного материала, например, углеродистой стали, диаграмма сжатия имеет вид кривой, показанной на рис. 2.4.4, а.

Рисунок 2.4.4

Здесь, как и при растяжения, обнаруживается площадка текучести. Установлено, что значения пределов текучести при растяжении и сжатии практически равны.

С дальнейшим ростом деформации имеет место уже знакомый процесс упрочнения материала, которому отвечает возрастающий график зависимости F = F (∆l). В отличие от диаграммы растяжения здесь нет спадающей ветви диаграммы. Происходит это потому, что площадь поперечного сечения сжатого образца все время увеличивается.

Если рассматривать силы, приложенные к торцу образца со стороны плиты, то они направлены радиально от периферии к центру. Такая система сил трения несколько препятствует радиальным деформациям торцевых областей образца наружу, благодаря чему последний приобретает характерную бочкообразную форму, рис. 2.4.4, б.

Образцы высоко пластичных материалов осаживаются в лепешку практически не разрушаясь. Поэтому для таких материалов не вводят понятие предела прочности при сжатии. К высоко пластичным материалам можно отнести многие технически чистые металлы: железо, алюминий, медь, никель, золото и т. д. Хорошей пластичностью обладают также многие сплавы металлов, в том числе различные марки стали.