Реферат: Испытание материалов на растяжение и сжатие

Зона BD называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом у образца повышается температура, изменяются электропроводность и магнитные свойства.

Образование пластической деформация в отдельных кристаллах образца происходит уже в начальной (упругой) стадии испытания. Однако эти деформации настоль­ко малы, что не обнаруживаются обычными приборами для измерения малых деформаций. С увеличением на­грузки пластическая деформация начинает накапливаться в микрообъемах образца, а с наступлением текучести эти очаги пластической деформации, сливаясь, захватывают уже макрообъемы образца металла. Необратимо деформированные области образца оказывают повышенное со­противление дальнейшему деформированию (материал упрочняется), и поэтому пластические деформации начи­нают развиваться в зонах, еще не подверженных этим деформациям. В дальнейшем пластическая деформация, переходя от одной зоны к другой, распространяется на весь объем рабочей части образца. Особенно наглядно фронт распространения пластической деформации вдоль образца можно наблюдать при испытании плоских полированных образцов. На поверхности таких образцов в момент возникновения очагов пластической деформа­ции появляются темные наклонные полосы, которые, как правило, с осью образца составляют углы, приблизитель­но равные 45° (линии Людерса — Чернова). Эти линии представляют собой микроскопические неровности, воз­никающие вследствие необратимых сдвигов, происходя­щих в кристаллах под действием наибольших касатель­ных напряжений.

Описанные явления вызывают изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной. Образец приобретает способность восприни­мать возрастающее усилие до значения F_max — точка Е на диаграмме. Усилие F_max используется для вычисления временного сопротивления:

σ_в = F_max /А₀

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением.

Для стали марки Ст3 временное сопротивление σ_в = 370…470 МПа.

Зона DE называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраня­ется, а поперечные сечения изменяются незначительно и также равномерно.

При максимальном усилии или несколько меньшем его на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения — шейка (а иногда и две). Дальнейшая деформация происходят в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжа­ет быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответст­вующая точи К, называется разрушающей F_К , а напря­жения — истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), которые равны

S_K =F_K /A_K ,

где А_K — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Зона ЕК называется зоной местной текучести. Истинные напряжения в момент разрыва (в шейке) в образце из стали Ст3 достигают 900…1000 МПа.

Заметим, что иногда временное сопротивление называют пределом прочности. Строго говоря, такое допусти­мо только в том случае, когда разрыв образца проис­ходит без образования шейки. Это имеет место с хрупкими материалами, например с чугуном. Тогда наиболь­шая нагрузка практически совпадает с моментом раз­рушения и предел прочности оказывается почти равным истинному напряжению при разрыве. У пластичных материалов, например у стали марки Ст3, наибольшее значение нагрузка не соответ­ствует ее значению при разрушении образца и за характеристику прочности (условную) принимается временное сопротивление.

Интересен механизм разрушения образца из низкоуглеродистой стали. Образец разрушается, как правило, с образованием «чашечки» на одной его части и «кону­са» — на другой. Этот излом называют чашечным или изломом «чашечка — конус».

Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.

Относительное удлинение после разрыва δ(%) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:

δ = ((l_K -l₀ )/l₀ )100%

Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение δ уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает от­носительно меньше места, чем в коротких образцах.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва ψ (%), представля­ющее собой отношение уменьшения площади попереч­ного сечения образца в месте разрыва к начальной пло­щади поперечного сечения образца:

ψ=((A₀ -A_K )/A₀ )100%

Иногда при вычислении значения ψ для цилиндрических образцов пользуются формулой:

ψ=(((d₀ )² -d_K )² )/(d₀ )² )100%

Для стали марки Ст3 характеристики пластичности следующие: δ = 25…27% (при испытании коротких образ­цов); ψ=60…70%.

Если образец после нагрузки, соответствующей пре­делу текучести (рис. 3), разгрузить, то процесс разгруз­ки будет изображен линией МО₁ , почти параллельной первоначальному упругому участку диаграммы.

Рис. 3

Удлине­ние, полученное образцом до начала разгружения, при разгрузке полностью не исчезает. Оно становится меньше на удлинение Δl_уп упругой части (отрезок О₁ О₂ ). Остаточ­ное удлинение Δl_ост (отрезок ОO₁ ) называется также пла­стическим удлинением . Следовательно, за пределом уп­ругости полное удлинение образца состоит из двух ча­стей — упругой и пластической:

Δl = Δl_уп + Δ l_ост ,

а до предела упругости — только из чисто упругой: Δl_ост = 0 .

Если после разгрузки образца его тут же снова нагру­зить, то процесс повторного нагружения изобразится ли­нией О₁ М , которая почти совпадает с линией МО₁ , описы­вающей процесс нагрузки. При этом линия нагрузки проходит через ту же точку диаграммы, с которой начал­ся процесс разгрузки. Обе линии (разгрузки и нагрузки) образуют петлю — петлю гистерезиса . После полно­го цикла образец возвращается к своему первоначаль­ному состоянию; это явление носит название упругого гистерезиса. Площадь петли гистерезиса соответствует потерям механической энергии за один цикл, которые весьма малы. Эти потери вызываются так называемым внутренним (молекулярным) трением. Силы трения сове­ршают необратимую работу, что приводит к диссипации (рассеянию) механической энергии в виде тепловой энер­гии.

При дальнейшем нагружении (после точки М) кривая продолжается так, как будто не было промежуточной разгрузки. Следовательно, у образца после предварительного деформирования улучшились упругие свойства.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирова­ния называется наклепом.

Наклеп наблюдается не у всех материалов и даже не у всех металлов, таких, например, как свинец, олово и др. Оно широко используется в технике (цепи и канаты подъем­ных машин, некоторые виды арматуры железобетонных конструкций, цилиндры гидравлических прессов, турбин­ные диски и другие элементы машин и механизмов).

Условная и истинная диаграммы.

Диаграмма растяже­ния F=f( Δ l) (рис. 2) характеризует свойства образ­ца, так как зависит от его размеров. Для оценки механи­ческих свойств материала диаграмму растяжения пере­страивают в координатах «напряжение—деформация»; все ординаты делят на первоначальную площадь попе­речного сечения А₀ , а все абсциссы — на первоначальную длину рабочей части l₀ . В результате получаем диаграмму напряжений σ =f( ε) (рис. 4), которая имеет тот же вид, что и диаграмма F=f( Δ l), так как А₀ и l₀ постоянны.

Рис. 4

Эта диаграмма является условной, поскольку при ее постро­ении не учитывается изменение значений А₀ и l₀ в процессе испытания. Поэтому определенные ранее пределы пропорциональности и текучести и временное сопротивление являются условными. Истинные же напряжения в каждый момент нагружения будут больше условных.

Условные диаграммы напря­жении используются на практике для определения меха­нических характеристик материалов, а также для опреде­ления модуля упругости Е: E=tg α = σ/ ε , т. е. значение модуля упругости есть тан­генс угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс.

Диаграмма низколегированной стали.