Низкоуглеродистой стали

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

Большая заслуга в установлении единообразных во всем мире мето­дов испытания материалов принадлежит русскому профессору Н. А. Беле-любскому (1845—1922) — президенту Международного общества испы­тания материалов.

Вопросы проведения лабораторных испытаний материалов в настоя­щей книге не излагаются, с ними читатель может ознакомиться в специ­альных учебных пособиях.

В данном параграфе мы подробно рассмотрим диаграмму, получен­ную в процессе наиболее распространенного и важного механического испытания, а именно испытания на растяжение низкоуглеродистой стали (например, стали СтЗ) при статическом нагружении.

В процессе этого испытания специальное устройство испытательной машины автоматически вычерчивает диаграмму, выражающую зависи­мость между растягивающей силой и абсолютным удлинением, т. е. в координатах (F, l).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. 19.6. Эта диаграмма име­ет следующие характер­ные точки.

Точка А соответствует пределу пропорциональ­ности.

Пределом про-порциональности _пц называется то наибольшее напряжение, до которого деформации растут про­порционально нагрузке,

т. е. справедлив закон Гука (для стали СтЗ _пц 200 МПа).

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

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

Точка С соответствует пределу текучести.

Пределом текучести _т называется такое напряжение, при котором в образце появляется заметное удлинение без увеличения на­грузки (для стали СтЗ _т 240 МПа).

При достижении предела текучести поверхность образца становится матовой, так как на ней появляется сетка линий Людерса—Чернова, на­клоненных к оси под углом 45°. Эти линии впервые были описаны в 1859 г. немецким металлургом Людерсом и независимо от него в 1884 г. русским металлургом Д. К. Черновым (1839—1921), предложившим использовать их при экспериментальном изучении напряжений в сложных деталях.

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

Точка В соответствует временному сопротивлению или пределу прочности.

Временным сопротивлением а„ называется условное на­пряжение, равное отношению максимальной силы, которую выдерживает образец, к первоначальной площади его поперечного сечения (для стали СтЗ _В 400 МПа).

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.

Пределом прочности _пчназывается временное со­противление образца, разрушающегося без образования шейки. Предел прочности является основной механической характеристикой при оценке прочности хрупких материалов.

Точка D соответствует напряжению, возникающему в образце в мо­мент разрыва во всех поперечных сечениях, кроме сечений шейки.

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 напряжении; — масштаб относительных удлинении;

— угол, который составляет с осью абсцисс прямая линия диаграммы до предела пропорциональности.

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

Деформация образца за пределом упругости состоит из упругой и остаточной, причем упругая часть деформации подчиняется закону Гука и за пределом пропорциональности (см. рис. 19.6). Если нагрузку снять, то образец укоротится в соответствии с прямой TF диаграммы. При повторном нагружении того же образца его деформация будет соответст­вовать диаграмме FTBD.Таким образом, при повторном растяжении образца, ранее нагруженного выше предела упругости, механические свойства материала меняются, а именно: повышается прочность (предел упругости и пропорциональности) и уменьшается пластичность. Это явление называется наклёпом.

В некоторых случаях наклеп нежелателен (например, при пробивке отверстий под заклепки увеличивается возможность появления трещин возле отверстий), в других случаях наклеп создается специально (напри­мер, цепи подъемных машин, арматура железобетонных конструкций, провода, тросы подвергаются предварительной вытяжке за предел теку­чести). Проволока, полученная волочением, в результате наклепа имеет значительно большую прочность, чем точеный образец из того же мате­риала.

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

где l_o — первоначальная длина образца; l_р — длина образца после разры­ва; А_o— первоначальная площадь поперечного сечения образца; А_ш—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. На рис. 19.7 показан для сравнения вид диаграмм растяжения сталей с различным содержанием углерода; из рисунка видно, что с повышением процента содержания углерода увеличивается проч­ность стали и уменьшается ее пластичность.

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%. Условный предел текучести также обозначим _т (иногда его обозначают _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.