Що таке межа пропорційності. Показники пружного та пластичного стану металів. Межі пропорційності, пружності та плинності. Добавки марганцю та кремнію.

На сьогоднішній день існує декілька методик випробування зразків матеріалів. При цьому одним із найпростіших і показових є випробування на розтяг (на розрив), що дозволяють визначити межу пропорційності, межу плинності, модуль пружності та інші важливі характеристики матеріалу. Оскільки найважливішою характеристикою напруженого стану матеріалу є деформація, визначення значення деформації при відомих розмірах зразка і діючих на зразок навантажень дозволяє встановити вищевказані характеристики матеріалу.

Тут може виникнути питання: чому не можна визначити спротив матеріалу? Справа в тому, що абсолютно пружні матеріали, що руйнуються тільки після подолання певної межі - опору, існують лише в теорії. Насправді більшість матеріалів мають як пружні так і пластичні властивості, що це за властивості, розглянемо нижче на прикладі металів.

Випробування металів на розтяг проводяться згідно з ГОСТ 1497-84. Для цього використовуються стандартні зразки. Методика випробувань виглядає приблизно так: до зразка прикладається статичне навантаження, визначається абсолютне подовження зразка Δlпотім навантаження збільшується на деяке крокове значення і знову визначається абсолютне подовження зразка і так далі. З отриманих даних будується графік залежності подовжень від навантаження. Цей графік називається діаграмою напруги.

Малюнок 318.1. Діаграма напруги для сталевого зразка.

На цій діаграмі ми бачимо 5 характерних точок:

1. Межа пропорційності Р п(точка А)

Нормальна напруга в поперечному перерізі зразка при досягненні межі пропорційності дорівнюватиме:

σ п = Р п /F o (318.2.1)

Межа пропорційності обмежує ділянку пружних деформацій на діаграмі. На цій ділянці деформації прямо пропорційні напругам, що виражається законом Гука:

Р п = kΔl (318.2.2)

де k - Коефіцієнт жорсткості:

k = EF/l (318.2.3)

де l – довжина зразка, F – площа перерізу, Е – модуль Юнга.

Модулі пружності

Головними характеристиками пружних властивостей матеріалів є модуль Юнг Е (модуль пружності першого роду, модуль пружності при розтягуванні), модуль пружності другого роду G (модуль пружності при зрушенні) і коефіцієнт Пуассон μ (коефіцієнт поперечної деформації).

Модуль Юнга Е показує ставлення нормальних напруг до відносних деформацій у межах пропорційності

Модуль Юнга також визначається дослідним шляхом при випробуванні стандартних зразків на розтяг. Так як нормальні напруги в матеріалі рівні силі, поділеної на початкову площу перерізу:

σ = Р/F про (318.3.1), (317.2)

а відносне подовження ε - відношенню абсолютної деформації до початкової довжини

ε пр = Δl/l o (318.3.2)

то модуль Юнга згідно із законом Гука можна виразити так

Е = σ/ε пр = Pl o /F o Δl = tg α (318.3.3)

Малюнок 318.2. Діаграми напруги деяких сплавів металів

Коефіцієнт Пуассона μ показує відношення поперечних деформацій до поздовжніх

Під впливом навантажень як збільшується довжина зразка, а й зменшується площа аналізованого поперечного перерізу (якщо припустити, що обсяг матеріалу області пружних деформацій залишається постійним, тобто збільшення довжини зразка призводить до зменшення площі перерізу). Для зразка, що має круглий переріз, Зміна площі перерізу можна виразити так:

ε поп = Δd/d o (318.3.4)

Тоді коефіцієнт Пуассона можна виразити наступним рівнянням:

μ = ε поп /ε пр (318.3.5)

Модуль зсуву G показує відношення дотичних напруг тдо кута зсуву

Модуль зсуву G може бути визначений досвідченим шляхом при випробуванні зразків кручення.

При кутових деформаціях перетин, що розглядається, переміщається не лінійно, а під деяким кутом - кутом зсуву γ до початкового перерізу. Так як дотичні напруги рівні силі, поділеної на площу в площині якої діє сила:

т= Р/F (318.3.6)

а тангенс кута нахилу можна виразити відношенням абсолютної деформації Δlдо відстані h від місця фіксації абсолютної деформації до точки, щодо якої здійснювався поворот:

tgγ = Δl/h (318.3.7)

то при малих значеннях кута зсуву модуль зсуву можна виразити наступним рівнянням:

G = т/γ = Ph/FΔl (318.3.8)

Модуль Юнга, модуль зсуву та коефіцієнт Пуассона пов'язані між собою таким відношенням:

Е = 2(1 + μ)G (318.3.9)

Значення постійних Е, G та µ наводяться у таблиці 318.1

Таблиця 318.1. Орієнтовні значення пружних характеристик деяких матеріалів

Примітка:Модулі пружності є постійними величинами, проте технології виготовлення різних будівельних матеріалівзмінюються і більш точні значення модулів пружності слід уточнювати за чинними в теперішній моментнормативним документам. Модулі пружності бетону залежать від класу бетону і тому не наводяться.

Пружні характеристики визначаються для різних матеріалів у межах пружних деформацій, обмежених на діаграмі напруги точкою А. Тим часом на діаграмі напруг можна виділити ще кілька точок:

2. Межа пружності Р у

Нормальна напруга в поперечному перерізі зразка при досягненні межі пружності дорівнюватиме:

σ у = Р у /F o (318.2.4)

Межа пружності обмежує ділянку на якій пластичні деформації, що з'являються, знаходяться в межах деякої малої величини, нормованої технічними умовами(наприклад 0,001%; ​​0,01% тощо). Іноді межа пружності позначається відповідно до допуску 0.001, 0.01 і т.д.

3. Межа плинності Р т

σ т = Р т / F o (318.2.5)

Обмежує ділянку діаграми де деформація збільшується без значного збільшення навантаження (стан плинності). При цьому по всьому об'єму зразка відбувається частковий розрив внутрішніх зв'язків, що призводить до значних пластичних деформацій. Матеріал зразка повністю не руйнується, але його початкові геометричні розміри зазнають незворотних змін. На відшліфованій поверхні зразків спостерігаються постаті плинності - лінії зрушень (відкриті професором В. Д. Черновим). Для різних металів кути нахилу цих ліній різні, але в межах 40-50 о. У цьому частина накопиченої потенційної енергії незворотно витрачається на частковий розрив внутрішніх зв'язків. При випробуванні на розтягнення прийнято розрізняти верхню і нижню межі плинності - відповідно найбільшу і найменшу з напруг, при яких зростає пластична (залишкова) деформація при майже постійній величині навантаження, що діє.

На діаграмах напруг відзначено нижню межу плинності. Саме ця межа для більшості матеріалів береться за нормативний опір матеріалу.

Деякі матеріали не мають вираженого майданчика плинності. Для них за умовну межу плинності 0.2 приймається напруга, при якому залишкове подовження зразка досягає значення ε 0,2%.

4. Межа міцності Р макс (тимчасовий опір)

Нормальна напруга в поперечному перерізі зразка при досягненні межі міцності дорівнюватиме:

σ = Р макс /F o (318.2.6)

Після подолання верхньої межі плинності (на діаграмах напруги не показаний) матеріал знову починає чинити опір навантаженням. За максимального зусилля Р макс починається повне руйнування внутрішніх зв'язків матеріалу. При цьому пластичні деформації концентруються в одному місці, утворюючи у зразку так звану шийку.

Напруга при максимальному навантаженні називається межею міцності або тимчасовим опором матеріалу.

У таблицях 318.2 - 318.5 наведено орієнтовні величини меж міцності для деяких матеріалів:

Таблиця 318.2Орієнтовні межі міцності на стиск (тимчасові опори) деяких будівельних матеріалів.

Примітка: Для металів та сплавів значення меж міцності слід визначати згідно нормативних документів. Значення тимчасових опорів деяких марок стали можна подивитися .

Таблиця 318.3. Орієнтовні межі міцності (тимчасові опори) для деяких пластмас

Таблиця 318.4. Орієнтовні межі міцності для деяких волокон

Таблиця 318.5. Орієнтовні межі міцності для деяких деревних порід

5. Руйнування матеріалу Р р

Якщо подивитися на діаграму напруги, то складається враження, що руйнування матеріалу настає при зменшенні навантаження. Таке враження створюється тому, що в результаті утворення "шийки" значно змінюється площа перерізу зразка в районі "шийки". Якщо побудувати діаграму напруг для зразка з маловуглецевої сталі в залежності від площі перерізу, що змінюється, то буде видно, що напруги в аналізованому перерізі збільшуються до деякої межі:

Малюнок 318.3. Діаграма напруг: 2 - по відношенню до початкової площі поперечного перерізу, 1 - по відношенню до площі перетину, що змінюється, в районі шийки.

Проте більш правильним є розгляд характеристик міцності матеріалу по відношенню до площі початкового перерізу, так як розрахунками на міцність зміна початкової геометричної форми рідко передбачається.

Однією з механічних характеристик металів є відносна зміна площі поперечного перерізу в районі шийки, що виражається у відсотках:

ψ = 100(F o - F)/F o (318.2.7)

де F o - Початкова площа поперечного перерізу зразка (площа поперечного перерізу до деформації), F - площа поперечного перерізу в районі "шийки". Чим більше значенняψ, тим паче яскраво виражені пластичні властивостіматеріалу. Чим менше значення ψ, тим більша крихкість матеріалу.

Якщо скласти розірвані частини зразка та виміряти його подовження, то з'ясується, що воно менше подовження на діаграмі (на довжину відрізка NL), оскільки після розриву пружні деформації зникають і залишаються лише пластичні. Розмір пластичної деформації (подовження) також є важливою характеристикою механічних властивостей матеріалу.

За межами пружності, аж до руйнування, повна деформація складається з пружної та пластичної складових. Якщо довести матеріал до напруги, що перевищують межу плинності (на рис. 318.1 деяка точка між межею плинності і межею міцності), і потім розвантажити його, то у зразку залишаться пластичні деформації, але при повторному завантаженні через деякий час межа пружності стане вищою, оскільки в даному випадкузміна геометричної форми зразка в результаті пластичних деформацій стає як би результатом дії внутрішніх зв'язків, а геометрична форма, що змінилася, стає початковою. Цей процес завантаження та розвантаження матеріалу можна повторювати кілька разів, при цьому властивості міцності матеріалу будуть збільшуватися:

Малюнок 318.4. Діаграма напруги при наклепі (похилі прямі відповідають розвантаженням і повторним завантаженням)

Така зміна властивостей міцності матеріалу, що отримується шляхом повторюваних статичних завантажень, називається наклепом. Проте при підвищенні міцності металу шляхом наклепу зменшуються його пластичні властивості, а крихкість збільшується, тому корисним зазвичай вважається відносно невелика наклеп.

Робота деформації

Міцність матеріалу тим вища, що більші внутрішні сили взаємодії частинок матеріалу. Тому величина опору подовженню, віднесена до одиниці обсягу матеріалу, може бути характеристикою його міцності. У цьому випадку межа міцності не є вичерпною характеристикою властивостей міцності даного матеріалу, так як він характеризує тільки поперечні перерізи. При розриві руйнуються взаємозв'язки по всій площі перетину, а при зрушеннях, що відбуваються за будь-якої пластичної деформації, руйнуються лише місцеві взаємозв'язки. На руйнування цих зв'язків витрачається певна робота внутрішніх сил взаємодії, яка дорівнює роботі зовнішніх сил, що витрачається на переміщення:

А = РΔl/2 (318.4.1)

де 1/2 - результат статичної дії навантаження, що зростає від 0 до Р в момент її застосування (середнє значення (0 + Р)/2)

При пружній деформації робота сил визначається площею трикутника ОАВ (див. рис. 318.1). Повна робота, витрачена на деформацію зразка та його руйнування:

А = ηР макс Δl макс (318.4.2)

де - коефіцієнт повноти діаграми, рівний відношенню площі всієї діаграми, обмеженої кривою АМ і прямими ОА, MN і ON, до площі прямокутника зі сторонами 0Р макс (по осі Р) і Δl макс (пунктир на рис. 318.1). При цьому треба відняти роботу, що визначається площею трикутника MNL (що відноситься до пружних деформацій).

Робота, що витрачається на пластичні деформації та руйнування зразка, є однією з важливих характеристик матеріалу, що визначають ступінь його крихкості.

Деформація стиснення

Деформації стиснення подібні до деформацій розтягування: спочатку відбуваються пружні деформації, до яких за межею пружності додаються пластичні. Характер деформації та руйнування при стисканні показаний на рис. 318.5:

Малюнок 318.5

а – для пластичних матеріалів; б – для крихких матеріалів; в – для дерева вздовж волокон, г – для дерева поперек волокон.

Випробування на стиск менш зручні визначення механічних властивостей пластичних матеріалів через труднощі фіксування моменту руйнації. Методи механічних випробуваньметалів регламентуються ГОСТ 25.503-97. При випробуванні на стиск форми зразка та його розміри можуть бути різними. Орієнтовні значення меж міцності різних матеріалів наведені у таблицях 318.2 - 318.5.

Якщо матеріал перебуває під навантаженням при постійній напрузі, то практично миттєвої пружної деформації поступово додається додаткова пружна деформація. При повному знятті навантаження пружна деформація зменшується напруг, що пропорційно зменшується, а додаткова пружна деформація зникає повільніше.

Додаткова пружна деформація, що утворилася при постійній напрузі, яка зникає не відразу після розвантаження, називається пружною післядією.

Вплив температури на зміну механічних властивостей матеріалів

Твердий стан – не єдиний агрегатний стан речовини. Тверді тіла існують лише у певному інтервалі температур та тисків. Підвищення температури призводить до фазового переходу з твердого стану рідке, а сам процес переходу називається плавленням. Температури плавлення, як та інші Фізичні характеристикиматеріалів, залежать від багатьох факторів і також визначаються досвідченим шляхом.

Таблиця 318.6. Температури плавлення деяких речовин

Примітка: У таблиці наведені температури плавлення при атмосферному тиску (крім гелію).

Пружні та міцнісні характеристики матеріалів, наведені в таблицях 318.1-318.5, визначаються, як правило, при температурі +20 про С. ГОСТом 25.503-97 допускається проводити випробування металевих зразків у діапазоні температур від +10 до +35 про С.

При зміні температури змінюється потенційна енергія тіла, отже, змінюється значення внутрішніх сил взаємодії. Тому механічні властивості матеріалів залежить не тільки від абсолютної величини температури, а й від тривалості її дії. Для більшості матеріалів при нагріванні характеристики міцності (σ п, σ т і σ в) зменшуються, при цьому пластичність матеріалу збільшується. При зниженні температури характеристики міцності збільшуються, але при цьому підвищується крихкість. При нагріванні зменшується модуль Юнг Е, а коефіцієнт Пуассона збільшується. При зниженні температури відбувається зворотний процес.

Малюнок 318.6. Вплив температури на механічні властивості вуглецевої сталі.

При нагріванні кольорових металів і сплавів з них міцність їх відразу падає і при температурі близької до 600 ° С практично втрачається. Виняток становить алюмотермічний хром, межа міцності якого зі збільшенням температури збільшується і при температурі, що дорівнює 1100° С досягає максимуму σ в1100 = 2σ в20 .

Характеристики пластичності міді, мідних сплавів та магнію зі зростанням температури зменшуються, а алюмінію – збільшуються. При нагріванні пластмас і гуми їхня межа міцності різко знижується, а при охолодженні ці матеріали стають дуже крихкими.

Вплив радіоактивного опромінення на зміну механічних властивостей

Радіоактивне опромінення по-різному впливає різні матеріали. Опромінення матеріалів неорганічного походження за своїм впливом на механічні характеристики та характеристики пластичності подібно до зниження температури: зі збільшенням дози радіоактивного опромінення збільшується межа міцності і особливо межа плинності, а характеристики пластичності знижуються.

Опромінення пластмас також призводить до збільшення крихкості, причому на межу міцності цих матеріалів опромінення надає різний вплив: на деяких пластмас воно майже не позначається (поліетилен), в інших викликає значне зниження межі міцності (катамен), а в третіх - підвищення межі міцності (селектрон).

Робота №1

ВИПРОБУВАННЯ МАЛОВУГЛЕРОДИСТОЇ СТАЛІ

НА РОЗТЯГ

Мета роботи

Ознайомитись зі стандартною методикою механічних випробувань конструкційних матеріалів на одновісне розтягування.

Провести випробування маловуглецевої сталі на одновісне розтягування та отримати діаграму розтягування.

Визначити по отриманій діаграмі характеристики міцності матеріалу зразка: межа пропорційності, межа плинності, межа міцності і напруга в момент розриву.

Визначити характеристики пластичності матеріалу зразка: відносне подовження та відносне звуження при розриві.

Короткі теоретичні відомості

Випробування на одновісне статичне розтягування - це найпоширеніший вид випробувань визначення механічних властивостей металів і сплавів. Статичнимназивається таке навантаження матеріалу, коли зовнішнє навантаження зростає настільки повільно, що силами інерції в частинах тіла, що деформуються і переміщаються, можна знехтувати. В іншому випадку навантаження називається динамічним.

Методи випробувань на розтяг стандартизовані.

Випробування за кімнатної температури регламентує ГОСТ 1497-84. У ньому сформульовано визначення характеристик, що встановлюються при випробуванні, дано типові форми та розміри зразків, наведено основні вимоги до випробувального обладнання, описано методики проведення випробувань та обробки отриманих експериментальних даних.

Зразки для випробувань

Для випробувань на розтяг часто використовують зразки з робочою циліндричною частиною. На рис.1 показаний такий стандартний зразок.

Основні розміри зразка:

Між розмірами зразка встановлені певні співвідношення. Робоча довжина l повинна становити від l0+0,5d0 до l0+2d0. Якщо А 0 - Початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка (не обов'язково циліндричного), то розрахункова довжина
(для коротких зразків) та
(Для довгих). Для циліндричних зразків ці умови перетворюються на співвідношення:
(п'ятиразові) та
(Десятикратні зразки) Діаметр робочої частини зразків повинен бути виготовлений з точністю 0,04 мм. Початкову розрахункову довжину на зразку відзначають неглибокими ризиками.

У даної лабораторної роботивипробування проводяться на машині УГ-20/2, що розвиває максимальне зусилля 200 кН. Машина має пристрій, що записує діаграму розтягування, тобто. графік залежності між силою F та абсолютним подовженням зразка l.

На рис.2 представлені типові діаграми розтягування різних матеріалів:

а)для більшості пластичних матеріалів з поступовим переходом з пружної області пластичну (сталь 45, сталь 20Х);

б)для деяких матеріалів (таких як маловуглецева сталь Cт3пс), які переходять з пружної області в пластичну з явно вираженим майданчиком плинності;

в)для крихких матеріалів (загартовані сталі, тверді сплави).

На діаграмі розтягування маловуглецевої сталі (рис.3) нанесені характерні точки, за ординатами яких розраховують характеристики міцності.

Межа пропорційності

За зусилля
(Т.А) визначають величину межі пропорційності

, (1)

напруги, при якому відступ від лінійної залежності між навантаженням та подовженням досягає такої величини, що тангенс кута, утвореного дотичною до кривої "навантаження - подовження" в точці А з віссю навантажень, збільшується на 50% від свого значення на лінійній ділянці діаграми. Приблизно величину
можна визначити як ординату точки, в якій починається розбіжність кривої розтягування та продовження лінійної ділянки OA.

Межа пружності

За зусилля (Т. в)розраховують межу пружності

Напруга, у якому залишкове подовження досягає заданої величини, зазвичай дорівнює 0,05%, іноді менше – до 0,005%. Відповідні цим значенням межі пружності позначаються:
і т.д. Межа пружності – це напруга, коли у матеріалі зразка з'являються перші ознаки пластичних деформацій.

Межа плинності

Зусилля (Т. З) визначає величину фізичної межі плинності

(2)

Напруги, при якому зразок деформується без помітного збільшення навантаження, що розтягує. Межа плинності встановлює межу між пружною та пластичною зонами деформування. Для матеріалів, які не мають на діаграмі майданчика плинності, визначають умовну межу плинності
- напруга, при якому залишкове подовження досягає 0,2% довжини ділянки зразка на його робочій частині. Як видно, ця характеристика відрізняється від межі пружності лише величиною допуску.

При подальшому збільшенні напруги відбувається зміцнення металу та опір деформації зростає. Тому за майданчиком плинності спостерігається підйом кривої розтягування (дільниця зміцнення). На цій ділянці діаграми зразок одержує значні залишкові подовження. Щоб у цьому, припиняють навантаження зразка у певний момент випробування (т.е. До). Повне подовження зразка на даний момент визначається відрізком ВІНна осі абсцис. Потім, поступово розвантажуючи зразок, помічають зменшення його довжини, при цьому процес розвантаження відбувається вздовж прямої КМ, паралельної початковій лінійній ділянці діаграми ОА. Відрізок МНпредставляє пружне подовження, а відрізок ОМ- Залишкове (пластичний) подовження зразка. Пружне подовження підпорядковується закону Гука у будь-якій стадії деформування. При повторному навантаженні на діаграмі цей процес піде вздовж цієї прямої МК, але у зворотному напрямку, а після т. Довін продовжиться вздовж єдиної кривої ділянки деформаційного зміцнення КD.

До точки D робоча частина зразка залишається циліндричною, а її деформування відбувається рівномірно по всьому об'єму. У т. D, що відповідає найбільшому значенню навантаження
, в якійсь частині зразка з'являється місцеве утонення - шия.

Зупинимося тепер на фізичній сутності процесу деформування металів та сплавів. Усі метали та сплави мають кристалічну будову. Якщо деформація, викликана зовнішніми силами, зникає при припиненні дії зовнішніх сил і тіло повністю відновлює свої форми та розміри, то яку деформацію називають пружною. При пружній деформації величина зміщення атомів кристалічних ґрат із положення рівноваги не перевищує відстані між сусідніми атомами.

У металах процес пластичної деформації переважно здійснюється за рахунок ковзання. Ковзання являє собою паралельне зміщення тонких шарів монокристалу щодо суміжних. В даний час значного поширення набула теорія, що пояснює процес ковзання переміщенням у площині ковзання окремих недосконалостей просторових ґрат, так званих дислокацій.

Дислокації у великій кількості утворюються і при пластичному деформуванні металу. На рис.4 показана найпростіша схема утворення пластичної деформації зсуву монокристалу за рахунок появи та переміщення так званої крайової дислокації. Дефекти кристалічних ґрат є не тільки точковими (вакансії, зайві атоми), а також лінійними, це порушення правильної будови атомів на значні відстані в одному напрямку.

Реальний металевий сплав є полікристалом, що складається з безлічі хаотично орієнтованих монокристалів. При пластичному деформуванні в них у різних напрямках (у різних площинах ковзання) одночасно переміщається величезна кількість дислокацій (у відпаленому металі на 1 см 2 10 8 дислокацій). Таким чином, пластичні деформації металів відбуваються за рахунок зсувних мікродеформацій, спричинених рухом дислокацій. Слід зазначити, що металевий зв'язок є найслабшим із усіх хімічних зв'язків, що полегшує процес переміщення дислокацій. Все сказане вище і пояснює таку характерну властивість металів як пластичність.

Пластичність - це здатність матеріалу сприймати значні пластичні деформації без руйнування. Протилежна властивість крихкість - це здатність руйнуватися при незначних пластичних деформаціях.При зрушенні обсяг матеріалу не змінюється (змінюється лише його форма). Звідси випливає важливий висновок: при пластичному деформуванні металів та сплавів їх обсяг не змінюється.Цей факт добре підтверджується експериментами.

Для переміщення дислокацій необхідно виконувати роботу. Це і є та робота, яку потрібно витратити, щоби пластично деформувати зразок. Таким чином, робота пластичного деформування металів витрачається переміщення дислокацій.Вона, зрештою, практично вся перетворюється на теплову енергію. Ось чому при швидкому пластичному деформуванні зразок може сильно розігрітися.

Якщо дислокація своєму шляху зустрічає перешкода, то його подолання потрібно здійснювати додаткову роботу пластичного деформування. Такими перешкодами для дислокації є межі мікрокристалів, різні включення в кристалічній решітці та інші дислокації. При пластичному деформуванні число дислокацій (перешкод) зростає, отже зростає і опір металу пластичному деформуванню, цей процес називається зміцнення (наклеп), в наклепаному металі число дислокацій 10 12 на 1 см 2 . Ось чому практично всі метали та їх сплави на діаграмі деформування мають ділянку деформаційного зміцнення. При деформаційному зміцненні пластичність металу зменшується, а крихкість відповідно зростає. Одночасно збільшується його твердість.

Межа міцності

Межа міцності (часто звана тимчасовим опором) розраховується за формулою:

. (3)

При подальшому розтягуванні зразка деформується тільки область шийки, яка поступово утонюється, а для її деформування необхідно прикладати меншу і меншу силу. Цьому процесу відповідає спадна частина діаграми DE.У точці Евідбувається розрив зразка у найтоншому місці шийки. Слід зазначити, що хоча сила дільниці DEі падає, але справжнє напруженняу найтоншому місці шийки зразка росте. Справді, воно одно
, де А- площа найменшого поперечного перерізу шийки, яка зменшується швидше за силу, що і призводить до зростання істинної напруги.

Таким чином, умовна напруга
відрізняється від істинного через відмінність та А. Однак для
ця відмінність зневажливо мало через трохи пружних деформацій. У крихких матеріалів також трохи відрізняється від істинної напруги в момент розриву зразка, т.к. їхнє руйнування відбувається при малих деформаціях. У пластичних матеріалів має умовний характер, т.к. їх руйнування або початок шийкоутворення відбуваються при значних пластичних деформаціях і відповідна напруга помітно відрізняється від межі міцності.

Розглянемо основні показники показниками пластичності матеріалу.

Відносне подовження зразка після розриву - Відношення збільшення розрахункової довжини зразка
до початкової довжини , Виражене в %:

(4)

Відносне звуження зразка після розриву - відношення різниці початкової та мінімальною
(у місці розриву шийки) площ поперечного перерізу до початкової , Виражене в %:

(5)

Для визначення
вимірюється мінімальний діаметр шийки
у місці розриву зразка.

Випробувальна машина

Машина УГ-20/2 відноситься до класу універсальних випробувальних машин і дозволяє проводити випробування на розтяг, стиснення та вигин, з максимальним зусиллям 20 т (200 кН). Її схема показано на рис.5.

Машина складається з двох агрегатів: власне машини та маятникового силовимірювального пристрою. Основна машина є дві рами – нерухому 1 і рухливу 2.

Нерухома рама складається з масивної плити-основи, в якій змонтований черв'ячний механізм з приводом від електромотора та ходовий гвинт для швидкого переміщення нижнього захвату, двох вертикальних колон і верхньої поперечені. Зверху на ній встановлений силовий гідроциліндр 3, що створює необхідне зусилля. Він несе на собі рухому раму 2, що складається з верхньої поперечки, поршні гідроциліндра, що покоїться, двох вертикальних штанг і масивної нижньої поперечки (траверси). Остання забезпечена такими пристроями для встановлення та закріплення зразків: знизу – захоплення для кріплення зразків 4 при випробуванні на розрив; зверху - майданчик для установки зразків при випробуванні на стиск і дві розсувні опори, на які встановлюються зразки, що згинаються. При випробуваннях нижнє захоплення не рухається.

Принцип роботи машини наступний: за допомогою насоса 5 гідроциліндр 3 нагнітається масло, завдяки чому його поршень рухається вгору, а разом з ним і рухома рама 2 разом з верхнім захопленням, в якому закріплений кінець зразка, що розтягується. Якщо зразок встановлений зверху траверси, то він навантажується навантаженням, що стискає або згинає.

Маятниковий силовимірник призначений для вимірювання зусилля, що створюється в зразку. Принцип його наступний. У цьому агрегаті є свій невеликий гідроциліндр 6. Його камера з'єднана з камерою силового гідроциліндра 3 трубкою гідроприводу 7.

Таким чином, тиск, що створюється насосом в пресі штовхає вниз поршень гідроциліндра 6 c силою . Оскільки у двох циліндрах тиск однаковий, то сила пропорційна розтягуючій силі
. Поршень штовхає рамку 8, пов'язану шарнірно з горизонтальним важелем ВАмаятника 9. При цьому маятник відхиляється і його вага створює момент Мщодо шарніру А,який за умовою рівноваги цього важеля повинен урівноважити момент від сили :
. При малих відхиленнях маятника момент Мпропорційний горизонтальному зсуву маятника .

Зубчаста рейка 10 з'єднана з маятником і її усунення буде пропорційно . З усього вищесказаного випливає, що в даному маятниковому механізмі зсув рейки 10 буде прямо пропорційно величині зусилля F.На рейці закріплений пишучий інструмент. Рейка також обертає стрілку силовимірювача 11.

Тросик 12 з'єднує рухається траверсу з барабаном самописця, отже, кут повороту барабана пропорційний до абсолютного подовження зразка.Таким чином, даний самописець у певному масштабі записує діаграму розтягування випробуваного зразка.

Змінюючи масу вантажу маятника, змінюють коефіцієнт пропорційності між силою
і величиною усунення рейки. Тим самим змінюють масштаб (шкали) силовимірювального стрілочного пристрою та масштаб діаграми розтягування по силовій осі.

Порядок виконання роботи:

4. Обробити діаграму розтягування:

а) визначити масштаб діаграми зусилля

,

де
- Довжина ділянки діаграми, що відповідає максимальному зусиллю;

б) визначити масштаб діаграми щодо абсолютного подовження

,

де
- Довжина ділянки діаграми, що відповідає залишковому абсолютному подовженню розрахункової частини зразка. При визначенні
необхідно враховувати, що розвантаження зразка відбувається згідно із законом Гука (рис.3);

в) Визначити характерні точки діаграми. З урахуванням масштабу визначити
.

міцності матеріалу:
.

6. За залежностями (4), (5) обчислити відносне

подовження та звуження зразка при розриві.

7. Визначити зусилля у момент розриву та розрахувати

справжнє напруження в шийці зразка в момент розриву

. Порівняти межу міцності та справжню напругу при розриві. Усі експериментальні та розрахункові дані занести до таблиці.

Експериментальні та розрахункові дані
Матеріал
Початковий діаметр , мм
Діаметр у місці розриву шийки , мм
Початкова розрахункова довжина , мм
Кінцева розрахункова довжина , мм
Навантаження під час розриву , т, кН
Максимальне навантаження , т, кН
Навантаження при межі плинності , т, кН
Навантаження при межі пропорційності , т, кН
Справжня напруга в шийці при розриві , МПа
Межа міцності (тимчасова опір) , МПа
Межа плинності , МПа
Межа пропорційності , МПа
Відносне подовження при розриві , %
Відносне звуження при розриві , %

8. На основі певних характеристик міцності

та пластичності побудувати умовну діаграму розтягування у координатах “умовна напруга – відносна деформація”. Для цього обчислюється відносне подовження розрахункової частини зразка

,

де
- Розмір діаграми по осі
, що відповідає поточній деформації.

Ескізи вихідного та зруйнованого зразків із зазначенням розмірів.

Діаграма розтягування в координатах ”F-l” із зазначеними характерними точками.

Розрахунки параметрів та таблиця з експериментальними та розрахунковими даними.

Умовна діаграма розтягування у координатах ” - ” із зазначенням характерних точок.

Контрольні питання

Як визначається розрахункова довжина зразка?

Який вигляд мають типові діаграми розтягування різних матеріалів?

Що називається межею пропорційності матеріалу та як він визначається?

Що називається межею пружності матеріалу та як він визначається?

Що називається фізичною та умовною межею плинності і як вони визначаються?

Яка ділянка на діаграмі розтягування називається ділянкою зміцнення та чому?

Як відбувається розвантаження пластично деформованого зразка та подальше його повторне навантаження?

Що називається межею міцності (тимчасовим опором) та як він визначається?

З яких частин складається поточне повне подовження зразка?

Як визначаються характеристики пластичності матеріалу?

Як обчислюються масштаби діаграми по осях F та l?

У яких координатах будується умовна діаграма розтягування?

Як працює випробувальна машина УГ-20/2?

Який принцип роботи силовимірювального механізму?

Чому межа міцності пластичних матеріалів може суттєво відрізнятися від справжньої напруги у зразку?

Який механізм пластичних деформацій у металах?

У чому полягає причина деформаційного зміцнення металів?

Як при деформаційному зміцненні змінюються пластичність, крихкість та твердість металів та їх сплавів?

Які переваги та недоліки випробування на розтяг?

Основними механічними властивостями є міцність, пружність,, . Знаючи механічні властивості, конструктор обґрунтовано вибирає відповідний матеріал, що забезпечує надійність та довговічність конструкцій за їх мінімальної маси. Механічні властивості визначають поведінку матеріалу при деформації та руйнуванні від дії зовнішніх навантажень.

Залежно та умовами навантаження механічні властивості можуть визначатися при:

1. Статичному навантаженні– навантаження на зразок зростає повільно та плавно.
2. Динамічне навантаження- Навантаження зростає з великою швидкістюмає ударний характер.
3. Повторно, змінному чи циклічному навантаженні- Навантаження в процесі випробування багаторазово змінюється за величиною або за величиною та напрямом.

Для отримання порівняних результатів зразки та методика проведення механічних випробувань регламентовані ГОСТами.

Механічні властивості металів, сталей та сплавів. Міцність.

Міцність– здатність матеріалу чинити опір деформаціям та руйнуванню.

Випробування проводяться на спеціальних машинах, які записують діаграму розтягування, що виражає залежність подовження зразка Δ l(мм) від чинного навантаження Р, тобто Δ l = f(P). Але для отримання даних за механічними властивостями перебудовують залежність відносного подовження Δ lвід напруги?

Діаграма розтягування матеріалу

Рис 1: а – абсолютнаб - відносна;в – схема визначення умовної межі плинності

Проаналізуємо процеси, що відбуваються у матеріалі зразка зі збільшенням навантаження: ділянка оана діаграмі відповідає пружній деформації матеріалу, коли дотримується закону Гука. Напруга, що відповідає пружній граничній деформації в точці а, називається межею пропорційності.

Механічні властивості металів, сталей та сплавів. Межа пропорційності.

Межа пропорційності (σ пц) – максимальна напруга, до якої зберігається лінійна залежність між деформацією та напругою.

При напругах вище за межу пропорційності відбувається рівномірна пластична деформація (подовження або звуження перерізу). Кожній напрузі відповідає залишкове подовження, яке отримуємо проведенням з відповідної точки діаграми розтягування паралельної лінії оа.

Оскільки практично неможливо встановити точку переходу в непружний стан, то встановлюють умовна межа пружності, - максимальна напруга, до якої зразок отримує лише пружну деформацію. Вважають напругу, у якому залишкова деформація дуже мала (0,005…0,05%). У позначенні вказується значення залишкової деформації (0.05).

Механічні властивості металів, сталей та сплавів. Межа плинності.

Межа плинності характеризує опір матеріалу невеликим пластичним деформаціям. Залежно від природи матеріалу використовують фізичну чи умовну межу плинності.

Фізична межа плинності σ m– це напруга, у якому відбувається збільшення деформації при постійному навантаженні (наявність горизонтального майданчика на діаграмі розтягування). Використовується для дуже пластичних матеріалів.

Але основна частина металів та сплавів не має майданчика плинності.

Умовна межа плинностіσ 0.2– це напруга, що викликає залишкову деформацію δ = 0.20%.

Фізична або умовна межа плинності є важливими розрахунковими характеристиками матеріалу. Діючі деталі напруги повинні бути нижче межі плинності. Рівномірна по всьому обсягу продовжується до межі міцності. У точці ву найслабшому місці починає утворюватися шийка – сильна місцева втома зразка.

Механічні властивості металів, сталей та сплавів. Межа міцності.

Межа міцності σ в – напруга, що відповідає максимальному навантаженню, яке витримує зразок до руйнування (тимчасовий опір розриву).

Освіта шийки притаманно пластичних матеріалів, які мають діаграму розтягування з максимумом. Межа міцності характеризує міцність як опору значної рівномірної пластичної деформації. За точкою, внаслідок розвитку шийки, навантаження падає і в точці З відбувається руйнування.

Справжній опір руйнуванню - це максимальна напруга, яка витримує матеріал у момент, що передує руйнуванню зразка (рисунок 2).

Справжнє опір руйнуванню значно більше межі міцності, оскільки воно визначається щодо кінцевої площі поперечного перерізу зразка.

Справжня діаграма розтягування

Рис. 2

F до - Кінцева площа поперечного перерізу зразка.

Справжня напруга S i визначає як відношення навантаження до площі поперечного перерізу в даний момент часу.

При випробуванні на розтягнення визначаються характеристики пластичності.

Механічні властивості металів, сталей та сплавів. Пластичність.

Пластичність – здатність матеріалу до пластичної деформації, тобто здатність набувати залишкову зміну форми та розмірів без порушення суцільності. Цю властивість використовують при обробці металів тиском.

Характеристики:

• відносне подовження :

l про і l до – початкова та кінцева довжина зразка;

МЕЖ ПРОПОРЦІОНАЛЬНОСТІ

механіч. хар-ка матеріалів: напруга, при якому відступ від лінійної залежності між напругами і деформаціями досягає деякого визначення. значення, що встановлюється техніч. умовами (напр., збільшення тангенсу кута, образів, що стосується кривої деформації з віссю напруги, на 10, 25, 50% свого первонач. значення). Позначається б бдж. П. п. обмежує область справедливості Гука закону.При практич. розрахунках на міцність П. п. приймається рівним межі плинності.Див рис.

До статей Межа пропорційності, Межа міцності, Межа плинності, Межа пружності. Діаграма умовних напруг, отриманих при розтягуванні зразка із пластичного металу: б - напруга; е - відносне подовження; б пц - межа пропорційності; (Ту - межа пружності; (Тт - межа плинності; О, - межа міцності (тимчасовий опір)

Великий енциклопедичний політехнічний словник. 2004 .

Дивитись що таке "МЕЖ ПРОПОРЦІОНАЛЬНОСТІ" в інших словниках:

Межа пропорційності - – механічна характеристикаматеріалів: напруга, при якому відступ від лінійної залежності між напругою і деформаціями досягає певного значення, що встановлюється технічними умовами. Межа пропорційності. Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів

Найбільша напруга, до якої дотримується закон пропорційності між напругою та деформацією при змінному навантаженні. Самойлов К. І. Морський словник. М. Л.: Державне Військово-морське Видавництво НКВМФ Союзу РСР, 1941 … Морський словник

межа пропорційності- механічна напруга, при навантаженні до якої деформації зростають пропорційно напругам (виконується закон Гука). Одиниця виміру Па [Система неруйнівного контролю. Види (методи) та технологія неруйнівного контролю. Терміни та… … Довідник технічного перекладача

Proportional limit Межа пропорційності. Максимальна напруга в металі, при якому не порушується прямо пропорційна залежність між напругою та деформацією. Див також Hooke s law Закон Гука та Elastic limit Межа пружності.… … Словник металургійних термінів

межа пропорційності- умовна напруга, що відповідає точці переходу від лінійної ділянки кривої «напруга деформація» до криволінійної (від пружної до пластичної деформації). Дивись також: Межа фізичної межі плинності. Енциклопедичний словник з металургії

- () максимальна величина напруги, при якому ще виконується закон Гука, тобто деформація тіла прямо пропорційна прикладеному навантаженню (силі). Слід зазначити, що у багатьох матеріалах навантаження до межі пружності викликає… Вікіпедія

Найбільша напруга при випробуваннях на одновісне розтягування (стиснення), до якого зберігається пряма пропорційність між напругами та деформаціями і при якому відступ від лінійної залежності між ними досягає того малого значення. Будівельний словник

МЕЖ ПРОПОРЦІОНАЛЬНОСТІ- умовна напруга, що відповідає точці переходу від лінійної ділянки кривої "напруга деформація" до криволінійної (від пружної до пластичної деформації). Металургійний словник

Межа пропорційності s пц- Напруга, при якій відступ від лінійної залежності між зусиллям та подовженням досягає такої величини, що тангенс кута нахилу, утвореного дотичною до кривої «зусилля подовження» у точці Рпц з віссю зусиль збільшується на 50 % від…

Межа пропорційності при крученні- 2. Межа пропорційності при крученні дотична напруга в периферійних точках поперечного перерізу зразка, обчислена за формулою для пружного кручення, при якому відхилення від лінійної залежності між навантаженням та кутом закручування. Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

2. Межа пружності

3. Межа плинності

4. Межа міцності або тимчасовий опір

5. Напруга в момент розриву

Малюнок. 2.3 – Вид циліндричного зразка після руйнування (а) та зміна зони зразка поблизу місця розриву (б)

Щоб діаграма відображала лише властивості матеріалу (незалежно від розмірів зразка), її перебудовують у відносних координатах (напруга-деформація).

Ординати довільної i-тійточки такої діаграми (рис. 2.4) отримують розподілом значень сили, що розтягує (рис. 2.2) на початкову площу поперечного перерізу зразка (), а абсциси – розподілом абсолютного подовження робочої частини зразка на початкову її довжину (). Зокрема, для характерних точок діаграми ординати обчислюють за формулами (2.3)…(2.7).

Отриману діаграму називають умовною діаграмою напруг (Рис. 2.4).

Умовність діаграми полягає в способі визначення напруги не по поточній площі поперечного перерізу, що змінюється в процесі випробувань, а по початковій - .Діаграма напруг зберігає всі особливості. Характерна напруга діаграми називається граничною і відображає властивості міцності випробуваного матеріалу. (Формули 2.3 ... 2.7). Зауважимо, що межа плинності металу, що навчається в цьому випадку, відповідає новому фізичному стану металу і тому називається фізичною межею плинності.

Малюнок. 2.4 - Діаграма напруг

З діаграми напруги (рис. 2.4) видно, що

тобто модуль пружності при розтягуванні Ечисельно дорівнює тангенсу кута нахилу початкової прямолінійної ділянки діаграми напруги до осі абсцис. У цьому – геометричний зміст модуля пружності при розтягуванні.

Якщо відносити зусилля, що діють на зразок у кожний момент часу навантаження, до справжнього значення поперечного перерізу у відповідний момент часу, то ми отримаємо діаграму справжньої напруги, що часто позначається буквою S(Рис. 2.5, суцільна лінія). Оскільки ділянці діаграми 0-1-2-3-4 діаметр зразка зменшується незначно (шийка ще утворилася), то справжня діаграма, не більше цієї ділянки, практично збігається з умовною діаграмою (пунктирна крива), проходячи трохи вище.

Малюнок. 2.5 - Діаграма справжньої напруги

Побудова решти ділянки істинної діаграми напруги (ділянка 4-5 на рис. 2.5) викликає необхідність вимірювання діаметра зразка в процесі випробування на розтягування, що не завжди можливо. Існує наближений спосіб побудови цієї ділянки діаграми, що базується на визначенні координат точки 5() істинної діаграми (рис. 2.5), що відповідає моменту розриву зразка. Спочатку визначається справжнє напруження розриву

де - зусилля на зразку в момент його розриву;

- Площа поперечного перерізу в шийці зразка в момент розриву.

Друга координата точки – відносна деформація включає дві складові – справжню пластичну – та пружну – . Значення може бути визначено за умови рівності обсягів матеріалу поблизу місця розриву зразка до і після випробування (рис. 2.3). Так до випробування обсяг матеріалу зразка одиничної довжини дорівнюватиме, а після розриву. Тут подовження зразка одиничної довжини поблизу місця розриву. Оскільки справжня деформація тут, а , то. Пружну склад--ляючу знаходимо за законом Гука: . Тоді абсцис точки 5 дорівнюватиме . Проводячи плавну криву між точками 4 та 5, отримаємо повний вигляд істинної діаграми.

Для матеріалів, діаграма розтягування яких на початковій ділянці не має різко вираженого майданчика плинності (див. рис. 2.6), межу плинності умовно визначають як напругу, при якій залишкова деформація становить величину, встановлену ГОСТом або технічними умовами. За ГОСТ 1497-84 ця величина залишкової деформації становить 0,2% виміряної довжини зразка, а умовна межа плинності позначається символом – .

При випробуванні зразків на розтягнення, крім характеристик міцності, визначають також характеристики пластичності, до яких відноситься відносне подовження зразка після розриву , що визначається як відношення збільшення довжини зразка після розриву до його початкової довжини:

і відносне звуження , що розраховується за формулою

% (2.10)

У цих формулах – початкова розрахункова довжина та площа поперечного перерізу зразка, – відповідно довжина розрахункової частини та мінімальна площа поперечного перерізу зразка після розриву.

Замість відносної деформації у деяких випадках використовують так звану логарифмічну деформацію. Так як у міру розтягування довжини зразка змінюється, то збільшення довжини dlвідносять не до , а до поточного значення . Якщо проінтегрувати збільшення подовжень при зміні довжини від до , то отримаємо логарифмічну чи справжню деформацію металу

тоді - Деформація при розриві (тобто . = k) буде

.

Слід врахувати, що пластична деформація у зразку за його довжиною протікає нерівномірно.

Залежно від природи металу їх умовно поділяють на пластичні (відпалена мідь, свинець) пластичні (низьковуглецеві сталі), тендітні ( сірий чавун), дуже тендітні (білий чавун, кераміка).

Швидкість програми навантаження V деформвпливає на вигляд діаграми та характеристики матеріалу. σ Т і σ в зростає із підвищенням швидкості навантаження. Деформації, що відповідають межі міцності та точці руйнування зменшуються.

Звичайні машини забезпечують швидкість деформації

10 -2 …10 -5 1/сек.

Зі зниженням температури Т ісп у перлітних сталей збільшується σ Т і зменшується.

Аустенітні сталі, Alі Тисплави слабше реагують зниження Т.

Зі зростанням температури спостерігається зміна деформацій у часі при постійних напругах, тобто. протікає повзучість, причому ніж > σ , тим< .

Зазвичай буває три стадії повзучості. Для машинобудування найбільший інтерес представляє ІІ стадія, де έ = const (стадія повзучості, що встановилася).

Для порівняння опору повзучості різних металів запроваджено умовна характеристика – межа повзучості.

Межею повзучості σ пл називається напруга, у якому пластична деформація за заданий проміжок часу сягає величини, встановленої технічними умовами.

Поруч із поняттям “повзучості” відоме ще поняття “релаксація напруг”.

Процес релаксації напруги протікає при постійних деформаціях.

Зразок, що знаходиться під постійним навантаженням за високого Тможе зруйнуватися або з утворенням шийки (в'язке інтеркристалічне руйнування), або без неї (крихке транскристалічне руйнування). Перше характерно для нижчих Тта високих σ .

Міцність матеріалу при високих Тоцінюється межею тривалої міцності.

Межею тривалої міцності(σ дп)називається відношення навантаження, при якому розтягнутий зразок через певний проміжок часу руйнується до початкової площі поперечного перерізу.

При проектуванні зварних виробів, що працюють за підвищених Т, орієнтуються на такі величини при призначенні [ σ ]:

а) за Т 260 про З на межу міцності σ в ;

б) за Т 420 про З для вуглецевих сталей Т < 470 о С для стали 12Х1МФ, Т< 550 о С для 1Х18Н10Т – на σ Т ;

в) при вищих Тна межу тривалої міцності σ дп .

Крім перерахованих методів випробувань при статичних навантаженнях виробляють ще випробування на вигин, кручення, зріз, стиск, зминання, стійкість, твердість.