Заказать
задачу

Характеристики материалов

Для изучения механических характеристик материалов, которые дают возможность судить о свойствах этих материалов, проводятся лабораторные испытания на специальных образцах, вырезанных из материала или детали и обработанных соответствующим образом на станках. Самые распространенные типы образцов показаны на рисунке

Специальные испытательные машины, которые осуществляют растяжение или сжатие, дают возможность испытать образец вплоть до его разрушения и установить в процессе испытания нсвязь между деформациями и силами, которые прикладываются. Этот звсвязь регистрируется с помощью диаграммного прибора, который есть на большинстве испытательных машинах. На этом приборе по одной оси в увеличенном масштабе откладываются абсолютные деформации, а во второй силы. Такая диаграмма называется диаграммой растяжения для каждого материала является характерным и отражает его свойства.

 

Для достаточно распространенной мкоторой малоуглеродистой стали, например, сталь 3, которая имеет хорошие пластические свойства, диаграмма растяжения показана на рис.1. Характерной особенностью является наличие площадки текучести горизонтального участка, свойственной для пластических материалов. Из этой диаграммы путем обработки получают так называемую диаграмму напряжений не звсвязанное с размерами образца. Для этого значения силовых координат диаграммы растяжения делят на начальную площадь сечения образца, а координаты деформаций на начальную длину расчетной части образца. Диаграмма, таким образом, имеет относительные координаты. Характерными началами типичной для мкоторой стали диаграммы напряжение есть точки, координаты которых дают механические характеристики материала: предел пропорциональности , предел упругости , предел текучести , предел прочности (или временное сопротивление) и разрывное напряжение

        

Предел пропорциональности напряжение, выше которых закон Гука уже не действителен, то есть связь между напряжениями и деформациями не является линейной. Участок ниже предела пропорциональности является прямолинейной (соответствует закону Гука $\sigma  = E\varepsilon $). Тангенс угла наклона этого участка равен модулю упругости материала $tg\alpha  = E$.

Предел упругости напряжение, при котором относительные остаточные деформации отсутствуют, или очень малы, их величина устанавливается техническими условиями, например . Предел упругости мало отличается от предела пропорциональности.

Предел текучести напряжение, при котором деформации резко возрастают при практически неизменной нагрузке. При этом в результате интенсивного сдвига кристаллов металл «течет». С появлением текучести материала на диаграмме сявляется горизонтальный участок площадка текучести. Деформации на этой площадке в 10-20 раз превышают деформации в пределах закона Гука и составляют $\varepsilon  = 0,01 - 0,02$.

Предел прочности (временное сопротивление) напряжение, что соответствует максимальному значению силы, прилагаемой к образцу. При достижении напряжений в испытательном образце сявляется местное сужение (шейка). Ее появление свидетельствует о начале разрушения образца.

Разрывное напряжение напряжение, которое соответствует усилию в момент разрыва.

 

Перечисленные механические характеристики материала величины условны, поскольку при их определении не учитывается уменьшение площади сечения образца в процессе испытания. Несмотря на это, именно условная диаграмма напряжений используется для сопоставления механических характеристик различных материалов.

Если построить диаграмму, в которой будет учтено уменьшение сечения в процессе испытания, то получим действительную диаграмму напряжений материала. Наибольшее напряжение в такой диаграмме будет в момент разрыва образца, поскольку во время образования шейки площадь сечения существенно уменьшается.

Кроме характеристик прочности, большое практическое значение имеют характеристики пластичности, которые определяются, исходя из размеров образца после разрыва. Основными количественными характеристиками пластичности материала являются:

относительное остаточное удлинение при разрыве

$\delta  = \frac{{{l_1} - l}}{l} \cdot 100\% $;

относительное остаточное сужение сечения в месте разрыва (в шейке)

$\psi  = \frac{{A - {A_1}}}{A} \cdot 100\% $.

До основных механических характеристик относится также удельная работа, затрачена на разрыв $\omega $. Полная работа $W$, затраченные на разрыв образца, может быть определена из диаграммы растяжения (рис.). Затраченные на растяжение образца, на величину $d\Delta l$ работа $dW = F \cdot d\Delta l$, что равняется площади под частью диаграммы. Таким образом, полная работа $W$ численно равна площади под диаграммой растяжения. Удельная потенциальная энергия (потенциальная энергия, приходящаяся на единицу объема)

$a = \frac{W}{V} = \frac{W}{{A \cdot l}}$.

 

Испытания сталей на сжатие обычно не проводятся, но некоторые данные этих испытаний являются важными. При сжатии стальных цилиндрических образцов из малоуглеродистых сталей, диаграмма примерно такая же, как и при растяжении. Разница заключается в том, что при сжатии после достижения предела прочности образец резко увеличивает площадь сечения и превращается в диск, после чего дальнейшее испытание не имеет смысла.

Хрупкие материалы испытывают на сжатие согласно той роли, которая им отводится в конструкциях. Испытания хрупких материалов проводится на образцах в виде коротких цилиндров, призм или кубов. Характерная диаграмма сжатия хрупких материалов показана на рисунке. Хрупкие материалы разрушаются при весьма малых деформациях, площадка текучести отсутствует.

Диаграмма сжатия хрупких материалов

                          



>