Механические свойства материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классификация механических свойств

Механические свойства классифицируются по физической природе получаемых характеристик.

1.1 Упругость

Упругость - свойство твёрдых тел сопротивляться изменению их объёма или формы под действием механич. напряжений ц самопроизвольно восстанавливать исходное состояние при прекращении внеш. воздействий. Характеризуется пределом упругости - макс, напряжением, после удаления к-рого форма и размеры образца полностью восстанавливаются; модулем упругости - коэф. пропорциональности, связывающим напряжение и упругую деформацию. Единств, характеристика M. с., дающая информацию о межатомном взаимодействии в кристаллич. решётке материала, - вторая производная энергии взаимодействия атомов (ионов) но расстоянию между ними.

В области упругости часто имеют место отклонения от упругих свойств, характеризуются релаксацией напряжения, последействием упругим, внутренним трением, дефектом модуля упругости.

1.2 Прочность

Прочность - сопротивление разрушению (разрыву) характеризуется напряжениями, соответствующими максимальным (до разрушения образца) значениям нагрузки (т. н. продел прочности или временное сопротивление).

Характер разрушения при всех видах испытаний (растяжении, сжатии, изгибе, кручении) как под действием нормальных (отрыв), так и сдвиговых (срез) напряжений бывает вязким или хрупким. Различие между вязким и хрупким разрушениями заключается в величине пластичности деформации, накопленной перед разрушением. Оба вида разрушения связаны с зарождением и развитием трещин. Оценка сопротивления разрушению при обычных статических испытаниях (предел прочности, временное сопротивление разрушению) часто недостаточна для определения пригодности материала как конструкционного, особенно при наличии надрезов, трещин и др. концентраторов напряжений. В этом случае применяют испытания на вязкость разрушения, при которых используют образцы с заранее созданными в них трещинами, и оценивают параметр (К), который называют коэффициентом интенсивности напряжений. Определяют этот коэффициент для плоского (K _с) или объёмного (A^-Ci) напряжённых состояний.

К прочностным свойствам относят также и сопротивление пластичности деформации. Обычно пластич. деформацию характеризуют напряжениями, необходимыми для достижения некоторой заданной величины остаточных деформаций. Так, предел текучести определяет напряжения, вызывающие при растяжении пластич. деформации 0,2%.

1.3 Пластичность

Пластичность - свойство твёрдых тел необратимо деформироваться под действием внеш. сил или напряжений. В качестве характеристик пластичности наиб, широко распространены удлинение (относит, изменение длины при растяжении) и относит, сужение в шейке - изменение поперечного сечения образца после прекращения равномерного удлинения (потери устойчивости) и образования шейки.

1.4 Ударная вязкость

Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Обычно оценивается работой до разрушения надрезанного образца при ударном изгибе, отнесенной к площади его сечения в месте надреза. Выражается в Дж/м?.

1.4 Жаропрочность

Жаропрочность - способность материалов работать длительное время не деформируясь и но разрушаясь при приложенных нагрузках и высоких температурах. Основными характеристиками жаропрочности являются предел ползучести и длительная прочность. Предел ползучести, т.е. величину напряжений, при которой скорость ползучести не превышает заданного значения, определяют для каждой температуры из зависимости скорости установившейся ползучести от напряжений. Аналогично этому, величину длит, прочности материала для заданной температуры определяют из зависимости времени до разрушения от напряжений. Напр., устанавливают напряжение (или нагрузку), при котором разрушение при заданной пост, темп-ре T происходит за 100 ч.

Важной характеристикой жаропрочности является также длит, пластичность, т.е. величина деформации, накапливаемая в течение ползучести до момента разрушения. Часто жаропрочность характеризуют просто временем до разрушения при заданных и постоянных напряжении и темп-ре. Во мн. случаях жаропрочность оценивают пределом прочности или др. подобными характеристиками при повышенной темп-ре. В этом случае говорят о жаропрочности.

1.5 Усталость

Усталость - процесс накопления повреждаемости в материалах под воздействием циклически изменяющихся напряжений, которые по своей величине не превышают предела упругости. Схема приложенных напряжений и характер их изменения во времени могут быть различными. Сопротивление усталости называют выносливостью. Для изучения усталости материала строят диаграммы зависимости числа циклов изменения напряжений от величины макс, напряжений цикла. При понижении s _макc до определенной величины эта зависимость либо начинает изменяться незначительно, либо остаётся постоянной. Уровень таких напряжений наз. пределом усталости. Изучают также зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды деформации.

1.6 Твердость

Весьма распространённой характеристикой механических свойств является твёрдость, которая представляет собой сопротивление материала вдавливанию. Несмотря на некоторую неопределённость физ. природы этого свойства, благодаря простоте измерения, лёгкости воспроизведения и высокой корреляции с прочностью твёрдость стала широко распространённой характеристикой M. с.

В технике распространение получили т.н. технол. пробы, показывающие способность конструкц. материалов к тем или иным деформациям: проба по Эриксену, показывающая способность материала к глубокой вытяжке; пластичность при кручении, гиб с перегибом - показатели пластичности материала и его податливости к отд. видам обработки давлением.

2. Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

2.1 Испытание на растяжение и характерные точки диаграммы

В большинстве случаев металлические материалы в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому статические испытания широко распространены и проводятся с использованием разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Испытания на одноосное растяжение - наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических металлов. Методы испытания на растяжение стандартизированы. Помимо основной рабочей части большинство образцов имеет головки различной конфигурации для крепления в захватах.

Механические свойства при растяжении могут быть разделены на две группы - прочностные и пластические. Прочностные свойства - это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению. Большинство стандартных прочностных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на диаграмме растяжения, в виде условных растягивающих напряжений. На практике механические свойства определяют по первичным кривым растяжения в координатах нагрузка - абсолютное удлинение, которые автоматически записываются на диаграммной ленте испытательной машины. Для поликристаллов различных металлов все многообразие этих кривых можно свести к трем типам.

В зависимости от типа диаграммы меняется набор характеристик, которые по ней можно рассчитать, а также их физический смысл. На рисунке 19 (диаграмма третьего типа) нанесены характерные точки, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики (у_i=Р_i/F₀). Как видно, на диаграммах других двух типов могут быть нанесены не все эти точки.

Усилие Р_пц определяет величину предела пропорциональности у_пц - напряжения, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука (у_пц=Р_пц/F₀).

Усилие Р_упр определяет величину условного предела упругости у_упр - напряжения, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05%. Иногда меньше - до 0,005%. Это напряжение, при котором появляются первые признаки микропластической деформации (у_упр=Р_упр/F₀).

Усилие Р_Т определяет величину физического предела текучести у_Т - напряжения, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,2%. Иногда 0,1%; 0,3% и больше. Это напряжение, при котором образец деформируется под действием практически неизменной растягивающей нагрузки (у_Т=Р_Т/F₀). Физический предел часто называют нижним в отличие от верхнего предела текучести, рассчитываемого по нагрузке, соответствующего вершине зуба текучести.

Усилие Р_в определяет величину предела прочности у_в - условного напряжения, характеризующего сопротивление максимальной равномерной деформации (у_в=Р_в/F₀).

механический растяжение материал изгиб

2.2 Испытание на сжатие. Схемы разрушения при сжатии

Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (б=2). Поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. В целом испытания на сжатие распространены гораздо меньше, чем на растяжение.

Одноосное сжатие можно рассматривать как растяжение с обратным знаком. В результате пластической деформации образец укорачивается и уширяется. Следовательно, можно определять относительное укорочение:

е=100%·(h₀-h_k)/h₀

и относительное уширение:

ц=100%·(F_k-F₀)/F₀,

где h₀ и h_k - начальная и конечная высота образца;

F₀ и F_к - начальная и конечная площади поперечного сечения.

Испытания на сжатие проводят на тех же машинах, на которых ведутся испытания на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например, шарового вкладыша в верхнем захвате.

По мере сжатия на торцевых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму, а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2 возникает схема объемного сжатия, а в точке 3 - разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния учесть крайне трудно и на практике ее игнорируют. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца. Для этого вводят смазки (вазелин, солидол); прокладки - (тефлон) - между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами. Используют образцы с коническими поверхностями на торцах. При этом угол конусности б подбирают так, чтобы tgб был равен коэффициенту трения. Помимо конусности, в образце делают отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса.

Но полностью устранить контактные силы трения не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие. Оптимальная для цилиндрических образцов величина отношения h₀/d₀ лежит в пределах 1…3.

Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины контактных сил трения. Если они велики, то наблюдается разрушение путем среза. Если они незначительны, то фиксируется разрушение отрывом.

Отсюда, учитывая правило постоянства объема образца в процессе пластической деформации, можно перестроить первичную диаграмму сжатия.

V= F₀h₀=Fh=const,

F=F₀h₀/h=F₀/1-е.

здесь F - площадь поперечного сечения образца.

F/F₀=1/1-е,

ц= F-F₀/F₀= (F/F₀) - 1=(1/1-е) - 1=е/1-е,

Отсюда видно, что при сжатии, в противоположность растяжению, S<у, так как F>F₀. Диаграммы истинных напряжений обычно строят в координатах S-е (рисунок 22, кривая 1), хотя в качестве меры деформации можно использовать истинное относительное сжатие:

е_сж=ln(h₀/h).

Истинное напряжение сжатия:

S=P/F=P (1-е)/F₀=у·(1-е)=у·(1/1+ш).

Важной особенностью при сжатии является увеличение площади сечения образца в процессе испытания. Это увеличивает скорость прироста нагрузки на первичных диаграммах сжатия.

Величина прочностных характеристик при сжатии, особенно предела прочности, значительно выше, чем при растяжении. Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий.

2.3 Испытание на изгиб. Диаграмма изгиба

Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкости по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластическое (например, у хладноломких о.ц.к.-металлов и интерметаллидов).

При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах: 1) нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами и 2) нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор. Первая схема нашла большее распространение из-за простоты. Следует учитывать, что вторая схема во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максимальный изгибающий момент возникает на определенном участке длины образца, а не в одном сечении как при использовании первой схемы.

В изгибаемом образце создается неоднородное напряженное состояние. Нижняя часть образца оказывается растянутой, верхняя - сжатой. Напряжения, связанные с величиной изгибающего момента, различны по длине и сечению образца.

Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок. Для изгиба используют прямоугольные или цилиндрические стержни. Для оценки характеристик конструктивной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения - 30?30 мм.

Испытания на изгиб можно проводить на любой испытательной машине, используемой для испытаний на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и деформируют изгибающим ножом, который крепят в верхнем захвате машины. Изгиб достигается путем опускания верхнего или подъема нижнего захвата. При этом может быть записана диаграмма изгиба в координатах нагрузка Р - стрела прогиба f. Для пластичного материала диаграмма изгиба выглядит, как на рисунке 23. Если материал хрупкий, то кривая обрывается в точке b.

Знание величины нагрузок Р_пц, Р_упр, Р_т, Р_в позволяет определять пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности при изгибе. Напряжения на стадии упругой деформации обычно рассчитывают по обычным формулам сопротивления материалов.

Условное нормальное напряжение в крайнем растянутом волокне

у=M/W,

где М - изгибающий момент. В случае нагружения сосредоточенной силой:

М=Рl/4;

W - момент сопротивления сечения. Для прямоугольного образца.

W=bh²/6,

а для цилиндрического

W=рd³/32.

Рабочей формулой для расчета упругих напряжений при изгибе образцов прямоугольного сечения является

у=3·Р·l/2·b·h²,

а для цилиндрических образцов

у=8·P·l/р·d³.

Эти формулы часто используют для расчета всех прочностных характеристик при изгибе. Но достаточно точные результаты получают только при определении пределов упругости и пропорциональности.

Графические методы определения прочностных свойств по диаграмме изгиба аналогичны применяемым при растяжении. Допуски и величину деформации при определении предела пропорциональности у_пц, предела упругости у_0,05, предела текучести у_0,2 задаются по величине стрелы прогиба, которая связана с относительным удлинением крайнего растянутого волокна в изогнутом образце. Для прямоугольного стержня:

f=l²·д/6·h.

Отсюда, при определении условного предела текучести допуск на остаточный прогиб f_0,2, соответствующий удлинению крайнего волокна на 0,2% будет

f_0,2=0,002·l²/b·h.

При испытаниях на изгиб достаточно пластичные материалы не разрушаются. Образец при этом загибается вплоть до параллельности его частей, расположенных по обе стороны от его ножа (рисунок 24, в). Материалы, которые разрушаются при изгибе, могут предварительно деформироваться на разную величину. Разрушение может произойти в любой точке диаграммы изгиба. У пластически деформирующихся образцов точка максимума b на диаграмме часто совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровождается резкими спадами нагрузки на правой ветви диаграммы изгиба.

В качестве характеристики пластичности при изгибе помимо f часто используют угол загиба в дополнительным до 180⁰ к углу изгиба б. Угол в возрастает по мере повышения деформационной способности материала, а угол б уменьшается.

В заводских условиях применяют технологические пробы, задача которых - оценить пластичность деформированных полуфабрикатов, отливок и изделий (листов, труб, проволоки). Критерием годности продукции может быть заданный угол загиба образцов в; появление первой трещины после загиба на угол в, равный или больше заданного; возможность загиба пластины до параллельности или соприкосновения сторон.

Существуют также пробы на перегиб листа, ленты и проволоки, в которых фиксируют заданное число перегибов либо количество перегибов, после которых появились трещины, либо образец разрушился.

2.4 Испытание на кручение

Кручение осуществляют двумя равными по величине и противоположно направленными крутящими моментами, которые прикладываются к концам образца в плоскостях, нормальных к его продольной оси. В рабочей части образца возникает разноименное плоское напряженное состояние с коэффициентом мягкости б=0,8 (большее, чем при растяжении). При испытании на кручение до разрушения можно довести любой материал.

Максимальные касательные напряжения при кручении действуют в плоскостях, перпендикулярных оси образца. Наибольшие нормальные напряжения действуют под углом 45⁰, причем S_max=t_max. Важным следствием неизменности напряженного состояния является постоянство рабочей длины и поперечного сечения образца во время испытания.

Методика испытаний образцов из любых материалов диаметром не менее 5 мм стандартизирована. Образцы должны иметь цилиндрическую рабочую часть и квадратные головки. Образец с диметром рабочей части 10 мм и длиной 50 или 100 мм принят за нормальный. Допускается использование геометрически подобных нормальному образцов, а также трубчатых.

Испытания на кручение проводятся на специальных машинах, которые должны обеспечивать надежную центровку образца, плавность нагружения и отсутствие изгибающих усилий, возможность достаточно точного задания и измерения величины крутящего момента. Используются машины с горизонтальным и вертикальным расположением образца. Максимальный крутящий момент меняется от 6 до 200000 кгс·м. Основные узлы этих машин - станина, привод, от которого вращается активный захват, силоизмеритель, диаграммный механизм, счетчик оборотов и угломер для определения угла закручивания образца.

В качестве меры деформации в процессе испытания фиксируется угол закручивания ц. Для точного измерения этого угла используют зеркальный прибор Мартенса или другой тензометр с большой точностью. Два зеркала крепятся на границах расчетной длины образца. Напротив каждого из зеркал устанавливают шкалы и зрительные трубы, с помощью которых фиксируют отраженные в зеркалах показания шкалы.

В процессе испытания каждый захват машины поворачивается на определенный угол (больший у активного захвата). Угол закручивания образца равен разности этих углов. Однако он включает паразитные деформации зажимов и головок образца. Для их исключения угол закручивания определяют по расчетной длине l₀, помещая зеркала на некотором расстоянии от головок:

ц=ц₁-ц₂.

В области малых углов

tg2ц₁?2ц₁=a₁-a₂/L,

tg2ц₂?2ц₂=b₁-b₂/L,

где a₁, a₂ - отсчеты по шкалам после закручивания; b₁-b₂ - начальные отсчеты.

Тогда угол закручивания

ц=ц₁-ц₂= (a₁-a₂) - (b₁-b₂)/2·L=Д/2·L.

Зная значения крутящего момента и угла закручивания, можно построить диаграмму кручения в координатах М_кр-ц. Эта диаграмма состоит из участка упругой (Op) и пластической деформации (рк). Из-за отсутствия значительного местного сужения ниспадающего участка на диаграмме кручения не бывает. Условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности, а также истинный предел прочности выражаются через касательные напряжения.

Истинный предел прочности определяют по формуле, учитывающей поправку на пластическую деформацию:

,

где М_кр - наибольший крутящий момент, предшествующий разрушению образца;

и - удельный угол закручивания перед разрушением (в радианах на 1 мм):

и=ц₁-ц₂/l₀.

Размещено на Allbest.ru