Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали

Механические характеристики материалов, т.е. величины, характеризующие их прочность, пластичность, упругость и твердость, а также упругие постоянные Е и , необходимые конструктору для выбора материалов и расчетов проектируемых деталей, определяют механическими испытаниями стандартных образцов из исследуемого материала.

Рассмотрим диаграмму, полученную в процессе наиболее распространенного и важного механического испытания, а именно при статическом нагружении. Испытания на растяжение низкоуглеродистой стали (например стали Ст. З, рис. 2.2).

Рис. 2.2.

В процессе этого испытания специальное устройство испытательной машины автоматически вычерчивает диаграмму, выражающую зависимость между растягивающей силой и абсолютным удлинением, в координатах (F, ). Для изучения механических свойств материала независимо от размеров образца применяется диаграмма в координатах «напряжение – относительное удлинение» Эти диаграммы отличаются друг от друга лишь масштабами.

Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали, представлена на рис. 2.3, она имеет следующие характерные точки:

Точка А соответствует пределу пропорциональности.

Пределом пропорциональности называется то наибольшее напряжение, до которого деформации растут пропорционально нагрузке, т. е. справедлив закон Гука (для стали Ст. З 200 МПа).

Точка А практически соответствует и другому пределу, который называется пределом упругости.

Пределом упругости называется то наибольшее напряжение, до которого деформации практически остаются упругими.

Точка С соответствует пределу текучести.

Пределом текучести называется такое напряжение, при котором в образце появляется заметное удлинение без увеличения нагрузки (для стали Ст.3 ).

Предел текучести является основной механической характеристикой при оценке прочности пластичных материалов.

Точка В соответствует временному сопротивлению или пределу прочности.

Временным сопротивлением называется условное напряжение, равное отношению максимальной силы, которую выдерживает образец, к первоначальной площади его поперечного сечения (для стали Ст.З ).

При достижении временного сопротивления на растягиваемом образце образуется местное сужение – шейка, т. е. начинается разрушение образца.

В определении временного сопротивления говорится об условном напряжении, так как в сечениях шейки напряжения будут больше.

Предел прочности является основной механической характеристикой при оценке прочности хрупких материалов.

Точка М соответствует напряжению, возникающему в наименьшем поперечном сечении шейки в момент разрыва. Это напряжение можно назвать напряжением разрыва.

С помощью диаграммы растяжения в координатах определяем модуль упругости первого рода:

,

где - масштаб напряжений; - масштаб относительных удлинений; – угол, который составляет с осью абсцисс прямую линию диаграммы до предела пропорциональности.

Для большинства углеродистых сталей предел пропорциональности можно приблизительно считать равным половине временного сопротивления.

F

B

K

T

C

A

M

Рис. 2.3.

Деформация образца за пределом упругости состоит из упругой и остаточной, причем упругая часть деформации подчиняется закону Гука и за пределом пропорциональности (рис. 2.3). Если нагрузку снять, то образец укоротится в соответствии с прямой TK диаграммы; при повторном нагружении того же образца его деформация будет соответствовать диаграмме KTBM. Таким образом, при повторном растяженииобразца, ранее нагруженного выше предела упругости, механические свойства материала меняются, а именно: повышается прочность (предел упругости и пропорциональности) и уменьшается пластичность. Это явление называется наклёпом.

Степень пластичности материала может быть охарактеризована (в процентах) остаточным относительным удлинением и остаточным относительным сужением шейки образца после разрыва:

где - первоначальная длина образца; - длина образца после разрыва; - первоначальная площадь поперечного сечения образца; - площадь наименьшего поперечного сечения шейки образца после разрыва.

Чем больше и тем пластичнее материал. Материалы, обладающие очень малой пластичностью, называют хрупкими. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести, у них при разрушении не образуется шейка.

Диаграмма сжатия стали, до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, причем результаты испытаний сталей на растяжение и сжатие равноценны.

Результаты испытаний на растяжение и сжатие чугуна значительно отличаются друг от друга; предел прочности при растяжении в 3,5 раз ниже, чем при сжатии. Иными словами, чугун значительно хуже работает на растяжение, чем на сжатие.

Отметим, что ярко выраженную площадку текучести имеют, только диаграммы растяжения низкоуглеродистой стали и некоторых сплавов цветных металлов.

Для пластичных материалов, диаграммы растяжения, которых не имеют ярко выраженной площадки текучести (средне и высокоуглеродистые, легированные стали) или совсем ее не имеют (медь, дюралюминий), вводится понятие условного предела текучести - напряжения, при котором относительное остаточное удлинение образца равно 0,2 %.

Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие условно, так как в зависимости от характера действующей нагрузки хрупкий материал может получить пластические свойства, и наоборот, пластичный материал приобретает свойства хрупкого. Так, например, деталь из пластичного материала при низкой температуре или при ударной нагрузке разрушается без образования шейки, как хрупкая.