Что называется относительным удлинением и относительным сужением

Относительное удлинение и сужение после разрыва образца

Полное удлинение, полученное образцом после разрушения, умень-шится после разрыва, так как в его частях исчезнут упругие деформации. Относительным удлинением после разрыва δ называют отношение в про-центах прироста расчетной длины образца после разрыва к его начальной длине:

(2.6)

Относительное сужение образца после разрыва ψ определяется отно-шением абсолютного уменьшения площади поперечного сечения образца в процентах к начальной площади поперечного сечения:

(2.7)

Относительное удлинение δ и относительное сужение ψ характери- зуют пластичность материала и есть условными, так как удлинение и сужение относятся к первичной длине и к первичной площади образца. В действительности пластическая деформация развивается на непрерывно изменяющейся длине образца. Обозначив d увеличение длины образца в данный момент испытания, находим истинное (действительное) удлинение:

(2.8)

где δ = D / ₀.

При разложении правой части в ряд по степеням δ получим:

При малых изменениях δ условная и соответствующая ей действительная деформация практически совпадают. Так, при δ = 10% = 9,95%.

Подобным образом определяем действительное сужение:

(2.9)

Любое увеличение длины относительно исходной базы образца вы-зовет соответствующее уменьшение диаметра базы образца.

Необходимость определения соответствующей действительной де-формации вытекает из факта, что она в любой заданный момент времени зависит от длины базы образца _і в тот же момент времени. Таким обра-зом, фиксированное изменение длины D _і приводит к постоянно умень-шаемому увеличению деформации, так как длина базы образца _і в этот момент времени возрастает с каждым дополнительным увеличением D .

Кроме того, возможно определение действительной деформации стержня, если рассмотреть полное изменение его длины независимо от того, была ли эта деформация за счет одноразового растяжения или набором последовательных приложений нагрузки, то есть

где _общ – деформация при многоразовом прикладывании нагрузки.

Пример: растяжение стержня в два приема.

,

а при сложении действительных деформаций ( ₁ + ₂) полная относи-тельная деформация _полн будет равняться _общ:

Деформации безразмерные. Отношение абсолютной продольной деформации элемента к его начальной длине в направлении оси Х носит название относительной продольной деформацией:

. (2.10)

Отношение абсолютной поперечной деформации элемента к его начальному поперечному размеру носит название относительной попе-речной деформацией (рис.2.3):

(2.11)

Коэффициент Пуассона – абсолютное значение отношения отно-сительной поперечной деформации к относительной продольной деформа-ции при растяжении или сжатии на участке упругости, на котором дейст-вует закон Гука:

(2.12)

Рисунок 2.3 – Поперечные деформации стержня

Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) в пределах упругих деформаций:

μ_упр = _поп / _прод = (0,25. 0,30); _поп = –μ_{упр прод.}

Полная деформация состоит из упругой и пластической:

За пределом упругости увеличение продольных пластических дефор-маций вызовет поперечную деформацию с коэффициентом 0,5, в то время как увеличение упругих деформаций продолжает вызывать поперечные деформации с коэффициентом μ. За пределом упругости поперечная де-формация определяется по формуле

_поп = – (μ _прод +0,5 _пл). (2.14)

Так как коэффициент Пуассона за пределом упругости μ’ изменяет-ся по мере роста пластической деформации от μ до 0,5 (рис.2.4), то с рос-том пластической деформации отношение _пл / _полн стремится к едини- це, в то время как _упр / _полн стремится к нулю.

. (2.15)

Секущий модуль, являющийся по аналогии с модулем упругости от-ношением , обозначается (см.рис.2.4). По мере роста пластической деформации он уменьшается, так как уменьшается угол , образованный лучом ОА и осью .

Рисунок 2.4 – Диаграмма растяжения и графические зависимости коэффициента поперечной деформации от величины полной деформации

Закон неизменяемости объема металла при пластической деформации:

_хпл + _упл + _zпл = 0, (2.16)

где _{хпл, упл},_{, zпл} – соответствующие действительные пластичес-кие деформации в направлении координатных осей X,Y,Z.

Источник

Стандартные механические свойства материалов

Все металлы и сплавы, применяемые в различных областях техники, обладают определенными механическими свойствами, характеризующими их поведение под действием внешних сил. Количественно механические свойства определяются при испытании образцов, вырезанных из исследуемого материала.

По характеру изменения нагрузки, прикладываемой к образцу, механические испытания делят на;

– статические (постоянно действующая и медленно возрастающая нагрузка),

– динамические (быстро возрастающая нагрузка) и

– вибрационные (циклическая нагрузка).

Основные характеристики механических свойств металлов и сплавов

Испытание на растяжение

Рис 3.1. Образцы для испытания на растяжение:

I – плоские; II – круглые (а – до испытания,

б – после испытания)

Испытания на растяжение выполняются на специальных разрывных машинах (рис.3.2), которые имеют три основных узла: нагружения 1, измерения силы 2 и станину, на которой монтируются эти узлы. Большинство машин снабжено устройством для автоматической записи диаграммы растяжения – диаграммным аппаратом 3, записывающим кривую растяжения в координатах нагрузка – удлинение образца.

Рис.3.2. Внешний вид машины для испытания металлических образцов на растяжение: 1 – направляющие; 2 – линейка удлинений; 3 – круговая шкала; 4 –колонны; 5 – зажимные головки;6 – ручка; 7 – выключатель; 8 –ползун;

9 – маховик; 10 – шпиндель

Рис. 3.3. Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали

При испытании на растяжение определяют прочность, текучесть, упругость металла и его пластичность.

Прочность (временное сопротивление разрушению), оцениваемая пределом прочности – s_в (кгc/мм 2 = 9,8 МПа).

Текучесть, оцениваемая условным пределом текучести s_0,2 (кгc/мм 2 = 9,8 МПа) или s_т (кгc/мм 2 = 9,8 МПа), характеризует напряжение, при котором металл деформируется без увеличения нагрузки («течет»).

В зависимости от условий работы и ответственности конструкции ее расчет ведут по пределу прочности или пределу текучести, выбирая соответствующий запас прочности n или n₁:

Упругость, оцениваемая модулем упругости Е или пределом упругости – s_е (кгc/мм 2 ≈ 9.8 МПа), характеризует свойства металла возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.

Условный предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины (≤ 0,05% от первоначальной длины образца).

Предел упругости применяется при расчетах упругих звеньев машин (пружины, рессоры и т.д.).

Предел пропорциональности s_пц (кгc/мм 2 ≈ 10 МПа) – напряжение, которое материал выдерживает без отклонения от закона Гука. Часто используется условный предел пропорциональности близкий к пределу упругости.

Пластичность, оцениваемая относительным удлинением d % и поперечным сужением y %, характеризует способность металла к пластической деформации без разрушения.

Рассмотрим диаграмму растяжения пластичного сплава.

До точки а идет прямая линия, это значит, что удлинение пропорционально нагрузкам, прилагаемым к испытываемому образцу. Если нагрузку удалить, то образец сократиться до первоначального размера. Способность металла восстанавливать свою форму называется упругостью, а деформация – упругой. Максимальное напряжение, при котором в образце наблюдаются только упругие деформации, называется пределом упругости s_e. С пределом упругости близко совпадает предел пропорциональности s_пц, при котором остаточное удлинение достигает некоторого определенного значения, устанавливаемого техническими условиями. Предел пропорциональности вычисляется по формуле:

При дальнейшем повышении нагрузки прямолинейность нарушается, так как нарушается пропорциональность между удлинением и нагрузкой, появляются остаточные удлинения. В точке l₀ кривая переходит в горизонтальную линию, длина образца увеличивается без возрастания растягивающих усилий.

После горизонтального участка пластическая деформация повышает плотность дефектов кристаллического строения и прочность. Напряжение начинает увеличиваться до точки в, где достигает максимума и соответствует нагрузке предела прочности. Предел прочности определяется по формуле:

Для оценки пластичности металла определяют относительное удлинение d(дельта) и относительное сужение поперечного сечения y (пси).

Относительное сужение – это отношение изменения площади поперечного сечения образца при растяжении к его начальной площади, выраженное в процентах.

Нагрузка P_Т, соответствующая горизонтальному участку на кривой, называется нагрузкой предела текучести, а соответствующее напряжение – физическим пределом текучести. Если при растяжении образца не образуется горизонтальная площадка, то за нагрузку предела текучести принимают нагрузку, соответствующую остаточному удлинению 0,2% от расчетной длины образца и обозначают ее P_0,2. Соответствующие напряжения называют условным пределом текучести s_0,2.

Предел текучести физический – s_т и предел текучести условный – s_0,2 определяют по формулам:

_{, МПа}

_{, МПа}

Относительное удлинение определяется по формуле:

где l _к – расчетная длина образца после разрыва, мм ;

l _о – расчетная длина образца до испытания, мм.

Относительное сужение определяется по формуле:

y

где F_o – начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;

F_к – площадь образца в месте разрыва, мм 2

Значения относительного удлинения и поперечного сужения определяют способность металла противостоять хрупкому разрушению.

Источник

Механические свойства

Химические свойства.

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими пли окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.

Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение — величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация — изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза. В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497—73), Испытания, проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения. По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат — нагрузки, приложенные к образцу.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: s0,2=Р0,2/Fо.

Упругость— способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оце­нивают пределом пропорциональности s_пц и пределом упругости s_уп.

Передел пропорциональности s_пц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напря­жением и деформацией образца Р_пц/Fо

Пластичность, т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характери­зуется относительным удлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) δ — это отношение приращения (l_к—l₀) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине 1о, выраженное в процентах: δ=[(l_к-1₀)/1_о]100%.

Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством.

Ударная вязкость, т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м2) в месте надреза КС = W/F.

Для испытания (ГОСТ 9454—78)изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.

Циклическая вязкость — это способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имею­щий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.

Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t,который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D.

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.

Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.

Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013—59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1′,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная ве­личина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р₀ равна 100 Н.

При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку Р= Р₀+Р₁ = 1500 Н. Твердость отсчитыва­ют по шкале «С» и обозначают НRС.

Если при испытании берется стальной шарик иобщая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.

При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается НRА. Пример обозначения твердости по Роквеллу: НRС 50 — твердость 50 по шкале «С».

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999—75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четы­рехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения на­грузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу — НV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вер­шине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05—5 Н, а размер отпечатка 5—30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-З, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в ко­торых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть I излома с ровной (затертой), поверхностью образуется вследствие-трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая

Источник