Основные механические характеристики материала

Построенная в результате испытания диаграмма (см. рис. 2.12) зависит не только от свойств материала, но также и от размеров самого образца. Поэтому ее называют диаграяшой испытания образца.

Для изучения свойств материала следует по возможности абстрагироваться от параметров образца. С этой целью строят диаграмму испытания материала, в которой вместо зависимости между действующей силой F и удлинением образца А/ рассматривают зависимость между нормальными напряжениями, а и линейными деформациями в:

Отметим, что при определении напряжений в поперечном сечении образца его площадь принимается постоянной и равной первоначальной площади А₀, а относительные продольные деформации е считаются равномерными в пределах рабочей длины /₀.

Построенная таким образом диаграмма испытания материала на растяжение (рис. 2.15) отличается от представленной на рис. 2.12 диаграммы испытания образца на растяжение только масштабами координатных осей.

Рис. 2.15. Диаграмма испытания материала на растяжения.

Отметим, что при определении напряжений и линейных деформаций нами не были учтены изменения поперечного сечения и неравномерность удлинений вдоль оси образца. Из-за этого представленную на рис. 2.15 диаграмму называют условной диаграммой материала при растяжении.

С учетом изменений площади сечения и удлинений вдоль оси образца строится истинная диаграмма материала при растяжении. Площадь сечения и длина образца значительно изменяются только при больших деформациях. Поэтому условная и истинная диаграммы материала существенно отличаются друг от друга только при больших деформациях, а на участке ОАО (см. рис. 2.15) обе диаграммы практически одинаковы. Примерный вид истинной диаграммы материала представлен пунктирной линией.

На диаграмме материала выделяют следующие величины, характеризующие прочностные свойства материала.

Максимальное напряжение ст_пц, до значения которого материал подчиняется закону Гука, называется пределом пропорциональности:

Вторая характерная точка В на диаграмме соответствует пределу упругости материала, т.с. такому максимальному напряжению, до которого деформация материала полностью упругая. После снятия нагрузки образец полностью восстанавливает начальную форму и размеры.

Максимальное напряжение a_v, до значения которого практически не обнаруживается остаточных деформаций, называется пределом упругости-.

Для многих материалов (например, малоуглеродистых сталей) пределы пропорциональности и упругости практически совпадают. Вместе с тем для отдельных сплавов, используемых в конструкциях приборных устройств, данные пределы различаются.

Пределом текучести материала называют напряжение а_т, при котором начинается интенсивный рост деформации при практически постоянной нагрузке:

Отношение максимального значения силы, которую может выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения называется пределом прочности:

Выше приведены качественные определения характерных пределов, которые могут носить субъективный характер. С целью исключить субъективную оценку при практических расчетах используются гак называемые технические пределы, которые приведены ниже:

• • условным (техническим) пределом упругости а₀₀₅ называется напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,05%;
• • условным (техническим) пределом текучести а₀₂ называется напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%.

Графический способ определения условного предела текучести показан на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Графический способ определения условного предела текучести.

Для таких технологических процессов, какими являются прокатка, ковка, протяжка и др., большое значение имеют пластические свойства материалов. При испытании на растяжение определяется характеристика пластичности материала, называемая относительным удлинением при разрыве:

где 1_Х — длина образца после разрыва; /₀ — длина образца до нагружения.

Для характеристики металла важно знать не только относительное удлинение, но и относительное сужение площади поперечного сечения, которое также позволяет характеризовать пластичность материала:

где А_х — площадь после разрыва в наиболее узком месте; А₀ — начальная площадь поперечного сечения образца.

Диаграммы растяжения различных материалов существенно отличаются друг от друга как по характеру, так и по величинам прочностных характеристик. На рис. 2.17 показаны диаграммы для чугуна (У) и медных сплавов (2).

Рис. 2.17. Диаграммы растяжения материала для чугуна (У) и медных сплавов (2).

Для диаграмм растяжения хрупких материалов (У), к которым следует отнести чугун, стали с высоким содержанием углерода, бетон, стекло, камень и др., характерны малые деформации. Вместе с тем даже при малых напряжениях диаграмма хрупкого материала обладает нелинейностью, т. е. закон Гука не выполняется. С целью упрощения расчета начальный участок диаграмм для таких материалов линеаризуют, т. е. заменяют прямой линией. Такое упрощение в ряде случаев дает относительно приемлемый результат с точки зрения точности, однако требует более тщательного осмысления полученных результатов.

Диаграмма (2) характерна для пластичных материалов: меди, цинка, олова, свинца и их сплавов с металлами. Зависимость между, а и г на значительном участке диаграммы является нелинейной. Участок текучести четко не выражен, поэтому для таких материалов используется условный предел текучести, соответствующий напряжениям, при которых остаточные деформации составляют 0,2%.

По-разному ведут себя хрупкие и пластичные материалы при испытаниях на сжатие. Для пластичных материалов диаграмма сжатия на участке OAD весьма схожа с диаграммой растяжения. Однако при дальнейшем сжатии за счет возрастания площади поперечного сечения на участке DS диаграммы существенно отличаются друг от друга. Важно отметить обстоятельство, что для пластичных материалов разрушение может вообще не произойти.

Для хрупкого материала диаграмма сжатия по виду практически не отличается от диаграммы растяжения. Однако важно отметить, что большинство конструкционных материалов (например, чугун) на сжатие работают лучше, чем на растяжение. Так, для чугуна условный предел прочности при сжатии примерно в три раза выше, чем предел прочности при растяжении.

Значения пределов текучести при растяжение а_ф и сжатии ст_тс, пределов прочности при растяжении а_1ф и сжатии <�т_вс, а также характеристика пластичности 5 для основных конструкционных материалов приведены в табл. 2.1.

Механические характеристики материалов.