Основные механические характеристики материала: предел пропорциональности; предел упругости; предел текучести; предел прочности

Предел пропорциональностиσ_p = P_p/F₀ н/м^г (кГ/мм²), — напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, при которой тангенс угла, образуемого кривой «нагрузка—деформация» с осью нагрузок, увеличивается на 50% своего первоначального значения.

Предел текучести (физический) (σ_т, МПа) — . это наименьшее напряжение, при

котором материал деформируется (течет) без за­метного изменения нагрузки:

Условный предел текучести (σ_0,2, МПа) — это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца:

Предел упругости - механическая характеристика материала: напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторого значения, характеризуемого определенным допуском, устанавливаемым техническими условиями (например, 0,001; 0,005; 0,03%). Обозначается σ_У. Предел упругости ограничивает область упругих деформаций. При практических расчетах предел упругости принимается равным пределу текучести.

Пределом прочности при растяжении σ_в называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: σ_p = P_в /F₀ н/м² (кГ/мм²),

где Р_в — наибольшая нагрузка, предшествующая разрыву образца, в н (кГ);

F₀ — начальная (до разрыва) площадь поперечного сечения образца в м² (мм²).

Работа, затраченная на разрушение образца

Энергетические характеристики материала

Энергетическими характеристиками материала являются полная Р и удельная работа р, затраченная на разрушение образца. Полная работа графически изображается площадью диаграммы растяжения образца в координатах F - .Приближенно полную работу можно вычислить по формуле

,

где - наибольшая нагрузка на образец; ∆1-полная деформация образца; - коэффициент заполнения диаграммы, определяется экспериментально (для стали = 0,8).

Удельная работа, затраченная на разрыв образца, представляет собой работу, отнесенную к единице объема его рабочей части:

; где V = - объем рабочей части образца.

Чем большую работу надо затратить на разрыв образца, тем большую энергию в состоянии поглотить материал, не разрушаясь, и тем лучше он будет сопротивляться ударным и другим нагрузкам.

Показатели пластичности материала

Пластичность (от греческого пластикос – годный для лепки, податливый, пластичный) – свойство материала под действием нагрузки изменять (без разрушения) форму и размеры и сохранять их в измененном виде после ее снятия. Пластичность,  характеризующаяся остаточной деформацией,— свойство, противоположное упругости, которой соответствует упругая деформация Пластичность металлов зависит от условий деформирования (скорость нагружения, температура, давление и т.д.). Пластичность металлических конструкционных материалов широко используется в технике. Пластичность характеризует относительное удлинение σ и относительное сужение ψ (его называют поперечным сужением).

Для оценки величины пластичности материалов в твердом состоянии (преимущественно металлов) используют показатель относительного удлинения δ, % : δ = [(L₁ -L) / l]- 100, (здесь L и L₁ – длина образца соответственно первоначальная и после испытания).

Относительное сужение ψ, % - это характеристика пластичности металла, оцениваемая по относительному уменьшению площади поперечного сечения растягиваемого образца. Полное относительное сужение во многих случаях более точная характеристика пластичности, чем относительное удлинение: ψ =(f0-f1/f0)*100 где f0 — поперечное сечение образца до разрыва в мм; f1 — поперечное сечение образца в месте разрыва в мм.

Разгрузка и повторное нагружение. Упрочнение, наклеп

Если образец нагрузить до напряжений, больших σ_у, но меньших σ_в, например до точки K диаграммы (рисунок), а затем начать разгружать, то разгрузка будет происходить по прямой KL, параллельной начальному линейному участку диаграммы. После разгрузки деформация образца уменьшится, но полностью не исчезнет. Отрезок LM определяет величину исчезающей, т. е. упругой деформации ε_у, а отрезок OL - величину остаточной (пластической) деформации ε_пл. Прямолинейность линии разгрузки показывает, что упругая деформация подчиняется закону Гука и за пределами пропорциональности. Повторное нагружение образца уже не повторяет полностью прежнюю диаграмму, а происходит сначала по прямой разгрузки KL, и затем по кривой КС, которую имел бы этот образец без промежуточной разгрузки. Следовательно, после промежуточной разгрузки появился как бы новый материал с более высоким пределом пропорциональности, но меньшей пластичностью.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называется наклепом или нагартовкой. Наклеп возникает при вытяжке, холодной прокатке металла, в процессе штамповки и т. д. Часто наклеп играет положительную роль и применяется для упрочнения поверхностного слоя детали, повышения упругости свойств проволоки, канатов и т. п. В тех случаях, когда наклеп вреден, его устраняют отжигом.

Упругая и пластическая деформации, механизмы их образования

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под дейст­вием напряжений. Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений. При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на преж­ние места, и деформация исчезает.

Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется ли­нией ОА (рисунок {ддиаграмма зависимости деформации металла ε от действующих напряжений σ}).

Зависимость межу упругой деформацией ε и напряжением σ выража­ется законом Гука

σ = E х ε, где Е – модуль упругости.

Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рас­сматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле.

Пластической или остаточной называется деформация после прекра­щения действия вызвавших ее напряжений. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемеща­ется по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рисунок). В результате развития пластической деформации может произойти вяз­кое разрушение путем сдвига.

Понятие о последействии ( ползучесть, релаксация )

Опыты показывают, что деформация под нагрузкой проявляется не сразу, а в течение оп-ределенного периода времени. Если при напряжениях, прекратить нагружение и оставить образец на некоторое время под нагрузкой, то деформация будет расти, причем вначале быстрее, а затем медленнее. При разгрузке часть деформации, исчезнет почти мгновенно, другая часть деформации, исчезнет не сразу, а спустя некоторое время.

Это явление изменения упругих деформаций во времени носит название упругого последействия. Чем однороднее материал, тем меньше упругое последействие. Для тугоплавких материалов при обычных температурах оно настолько невелико, что его можно не учитывать. Наоборот, в материалах органического про- исхождения упругое последействие велико и с ним нельзя не считаться.

Изменение во времени пластических деформаций в нагруженной детали носит название пластического последействия.

Изменение во времени полных деформаций (то есть суммы упругих и пластических) носит название упругопластического последействия или ползучести. У металлов с низкой температурой плавления (например, цинка, свинца), а также у бетона ползучесть наблюдается уже при нормальных температурах. У стали заметная ползучесть проявляется при температурах, превышающих 300°C. Напряжение, при котором скорость пластической деформации при заданной температуре и постоянной нагрузке составляет определенную, наперед заданную величину, например 0,0001 % в час, называется пределом ползучести ^пз и является важной механической характеристикой.

Тесно связано с ползучестью другое явление, при котором упругие деформации тела со временем переходят в пластические. Результатом этого является изменение действующих напряжений при сохранении полной величины деформации. Такое явление называется релаксацией. Вследствие релаксации соединения, выполненные с натягом, при дли- тельной работе в условиях высоких температур ослабевают.