Предмет и задачи курса, его место среди других дисциплин

ОПЫТНОЕ  ИЗУЧЕНИЕ  МЕХАНИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ  МАТЕРИАЛОВ

При  проектировании  и  расчетах деталей  машин  и  элементов  сооружений  на  прочность,  жесткость  и  устойчивость  необходимо  знать  свойства  материалов.

 Основные  свойства  конструкционных  материалов  выявляются  в  процессе  опытов  с  образцами,  выполненными  из  этих  материалов.  Поэтому  материалы  испытывают  на  растяжение,  сжатие,  сдвиг,  кручение,  изгиб  и  твердость  (классификация  по  видам  деформации).  Количественные  характеристики  свойств  материалов,  устанавливаемые  в  результате  этих  механических  испытаний  называют  механическими  характеристиками.

По  характеру  приложения  внешних  сил  испытания  разделяются  на  статические,  динамические  (ударной  нагрузкой)  и  испытания  на  выносливость  (нагрузкой,  вызывающей  напряжения,  переменные  во  времени).

1. Опытное  изучение  свойств  материалов  при  одноосном 

растяжении.

Одним  из  основных  видов  испытаний  материалов  является  статическое  испытание  на  одноосное  растяжение.  Из  испытуемого  материала  изготавливают  специальные  образцы.  Чаще  всего  их  делают  цилиндрическими;  из  листового  материала  обычно  изготавливают  призматические  образцы.

  В  цилиндрических   образцах   должно  быть  выдержано  соотношение  между  расчетной  длиной   образца      и   диаметром  :  у  длинных    образцов   ;  у  коротких  —   .

В качестве  основных  применяют  образцы  с  диаметром    мм;  при  этом  расчетная  длина   мм.  Стандартные  призматические  образцы  прямоугольного  поперечного  сечения  имеют  ширину,  втрое  большую  толщины,  а  расчетную  длину  ,  где   —  площадь  поперечного  сечения.

Испытания  образцов  проводятся  на  разрывных  или  универсальных  испытательных  машинах  с  механическим  или  гидравлическим  силообразованием.  Испытательная  машина  снабжена  диаграммным  аппаратом,  который  в  процессе  испытания  вычерчивает  график  зависимости  между  осевой  силой  ,  растягивающей  образец,  и  соответствующим  удлинением  образца  .  По  этим  данным  строят  диаграмму  растяжения.

2. Диаграмма  растяжения  стали  марки  сталь  3.

Рассмотрим  характерные  участки  и  точки  диаграммы  растяжения  малоуглеродистой  стали,  а  также  соответствующие  им  стадии  деформирования  образца (рис. 40).

Рис. 40.

От  начала  нагружения  до  определенного  значения  растягивающей  силы  имеет  место  прямая  пропорциональная  зависимость  между  силой  и  удлинением  образца.  Эта  зависимость  выражается  на  диаграмме  прямой   .  На  этой  стадии  растяжения  справедлив  закон  Гука.  Обозначим  силу,  при  которой  закон  пропорциональности  прекращает  свое  действие,  через  .  Этому  значению  силы  на  диаграмме  соответствует  точка .  Напряжение,  вызванное  силой   ,  называется  пределом  пропорциональности  и  вычисляется  по  формуле:  .

Пределом  пропорциональности    называется  напряжение,  после  которого  нарушается  закон   Гука.   Для  стали  3  = 200 МПа.

Деформация  называется  упругой,  если  она  полностью  исчезает  после  разгрузки. Постепенно  повышая  нагрузку,  будем  проводить  полную  разгрузку  образца.  Пока  сила   не достигнет  определенной  величины,  вызванные  ею  деформации  будут  исчезать  при  разгрузке.  Процесс  разгружения  при  этом  изобразится  той  же  линией,  что  и  нагружение.  Обозначим  через    наибольшее  значение  силы,  при  котором  образец  еще  не  дает  при  разгрузке  остаточной  деформации.  Этому  значению  на  диаграмме  соответствует  точка  ,  а  упругой  стадии  растяжения  образца  —  участок  .

Наибольшее  напряжение,  до  которого  остаточная  деформация  образца  не  обнаруживается  при  разгрузке,  называется   пределом  упругости   .  Обычно  за  предел  упругости  принимают  напряжение,  при  котором  остаточная  деформация  достигает  0,001 — 0,005 %.  При  этом  предел  упругости  обозначается  через   или  .  Для  стали 3   =  210  МПа.

Далее  кривая  плавно  поднимается  до  точки   ,  где  наблюдается  переход  к  горизонтальному  участку  ,  называемому  площадкой  текучести.  На  этой  стадии  удлинение  образца  растет  при  постоянном  значении  растягивающей  силы,  обозначаемой  .  Такой  процесс деформации  называется  текучестью  материала. 

Пределом  текучести  называется  наименьшее  напряжение,  при  котором  деформация  образца  происходит  при  постоянном  растягивающем  усилии,  .  Для  стали  3   240  МПа. 

После  стадии  текучести  материал  вновь  приобретает  способность  увеличивать  сопротивление  дальнейшей  деформации.  Этому  процессу  соответствует  восходящий  участок  диаграммы,  называемый  участком  упрочнения.  Точка  соответствует  наибольшему  усилию   ,  которое  может  воспринять  образец. 

Напряжение,  соответствующее  максимальной  силе  ,  называется  временным сопротивлением  или  пределом прочности . Для  стали  3  400   МПа.

После  достижения  усилия деформация  происходит  на  небольшой  длине  образца.  Это  ведет  к  образованию  местного  сужения  в  виде  шейки  и  к  падению  силы   ,  не смотря  на  то,  что  напряжение  в  сечении  шейки  непрерывно  растет. 

Обозначив  через    величину  растягивающей  силы  в  момент  разрыва,  получим   .

Если  в  процессе  растяжения  дойти  до  некоторой  точки  ,  напряжение  для  которой  выше  предела  упругости,  а  затем  начать  разгрузку,  то  линия  разгрузки  будет  выражаться  прямой ,  параллельной  начальному  участку  диаграммы   .  При  полном  снятии  нагрузки  в  образце  сохраняется  остаточная  деформация  .  Полная  деформация  испытываемого  образца  состоит  из  двух  частей:

 ,

  —  упругая  деформация,  исчезающая  после  снятия  нагрузки;

  —  остаточная  деформация.

После  испытания  образца  определяют  относительное  остаточное  удлинение  при  разрыве 

и  относительное  остаточное  сужение  в  шейке

 ,

где     и     длина  образца  и  площадь  поперечного  сечения  в  шейке  после  разрыва.  Величины     и    являются  характеристиками  пластичности  материала. Для  стали  3  =21 — 27 %;   = 60 — 70 %.

Разделив  нагрузку  на  начальную  площадь  поперечного  сечения  ,  а  абсолютное  удлинение    на  расчетную  длину  образца  ,  получим  так  называемую  диаграмму  напряжений  в  координатах  (рис. 41),  вид  которой  совпадает  с  диаграммой  растяжения.  Из  диаграммы  видно,  что  ,  где  —  модуль  продольной  упругости   (модуль  упругости  первого  рода).

Рис. 41.

Если  в  ходе  испытания  измерять  поперечную  деформацию    и  следить  за изменением  отношения   ,  то  можно  обнаружить, что  в  зоне  малых  упругих  деформаций  это  отношение  останется  практически  постоянным.  Величину    называют  коэффициентом  поперечной  деформации  или  коэффициентом  Пуассона.  Величины и   характеризуют  упругие  свойства  материалов,  поэтому  их  называют  упругими  постоянными.  Для  стали 3    МПа;  .

Нисходящий  участок  диаграммы  напряжений  носит  условный  характер,  поскольку  площадь  поперечного  сечения  образца  непрерывно  уменьшается  после  образования  шейки.  Деля  величину  силы  на  действительную  площадь  поперечного  сечения  образца  ,  можно  построить  истинную диаграмму  напряжений.  Истинное  сопротивление  в  момент  разрыва  определяется       .

3. Разгрузка  и  повторное  нагружение.  Наклеп.

Если  в  процессе  растяжения  дойти  до  некоторой  точки   на  диаграмме,  а  затем  начать  разгрузку,  то  зависимость  между  напряжением  и  продольной  деформацией  будет  выражаться  прямой  ,  параллельной  упругому  участку  .  При  полном  снятии  нагрузки  в  образце сохраняется  остаточная  деформация   = .  Полная  деформация  испытываемого  образца  состоит  из  упругой  деформации    =  ,  исчезающей  при  разгрузке,  и  остаточной   = . 

 .

Если  затем  снова  начать  нагружение,  то  до  напряжения,  при  котором  начата  разгрузка  зависимость  между  напряжением  и  деформацией  будет  изображаться  прямой  ,  а  при  дальнейшем  увеличении  нагрузки  эта  зависимость  пойдет  по  прежней  кривой   ,  по  которой  она  шла  бы  без  разгрузки.  Таким  образом,  при  повторном  нагружении,  материал  ведет  себя  как  линейно  упругий  до  напряжения  .

Это  повышение  предела  пропорциональности,  вызванное  предварительным  нагружением  материала  за  предел  текучести,  называется  деформационным  упрочнением,  наклепом  или  нагартовкой.

4. Диаграммы  растяжения  других  конструкционных  материалов

Рассмотрим  диаграммы  растяжения  некоторых  других  конструкционных  материалов (рис. 42),  имеющих  широкое  распространение  в  машиностроении.

1 — диаграмма  растяжения  алюминиевого  сплава  Д-16;

2 — диаграмма    растяжения    низколегированной  стали;

Как  и  сталь 3,  эти  материалы  при  растяжении  получают  значительные  остаточные  деформации  и  разрушаются  с  образованием  шейки.  Однако  их  диаграммы  растяжения  не  имеют  ярко  выраженной  площадки  текучести.  Поэтому  в  этом  случае  вводят  понятие  условного предела  текучести,  за  который   принимают  напряжение,  при  котором  остаточная  деформация  составляет  0,2 %.  Условный  предел  текучести  обозначают  через  .

Рис. 42.

Рассмотрим  диаграмму  растяжения  серого  чугуна  СЧ 28 (рис. 43).  Чугун  является  хрупким  материалом  и  разрыв  образца  происходит  при  незначительном  удлинении  и  без  образования  шейки.  Диаграмма  не  имеет  начального  прямолинейного  участка.  Однако,  определяя  деформации  в  чугунных  деталях,  пользуются  законом  Гука:  .  Значение  модуля  упругости    находят  как  тангенс  угла  наклона  прямой,  проведенной  через  начальную  точку    диаграммы  и  точку ,  соответствующую  напряжению,  при  котором  определяют  деформацию.

Такой  модуль  называют  секущим.

.

5. Испытание  конструкционных  материалов  на  сжатие.

Испытание  материалов  на  сжатие  проводят  на  специальных  прессах  или  универсальных  испытательных  машинах.  Образцы  для  испытаний  на  сжатие  металлов  имеют  вид  коротких  цилиндров  с  отношением  высоты  к  диаметру  2/3. Образцы  из  бетона,  дерева,  цемента  и  т.п.  изготавливают  в  виде  куба  или  параллелепипеда  небольшой  высоты.

При  испытании  на  сжатие  для  пластичных  материалов  можно  определить  пределы  пропорциональности,  упругости  и  текучести,  а  для  хрупких  —  предел  прочности.  Предел  прочности  для  пластичных  материалов  не  определяют,  т.к.  образец  из  пластичного  материала  при  сжатии  не  разрушается,  а  сплющивается  в  диск  при  непрерывном  возрастании  сжимающей  силы.  Диаграмма  сжатия  пластичного  материала  (сталь)  показана  на  рис. 44. 

При  проведении  лабораторной  работы  испытание  прекращают  при  некоторой  нагрузке,  вызывающей  заметную  пластическую  осадку  образца.  Образец  принимает  бочкообразную  форму, что  связано  с  влиянием  сил  трения  на  торцах  образца. Эти  силы  трения  препятствуют  поперечным  перемещениям  частиц  материала  вблизи  торцов  образца. 

Образцы  из  хрупкого  материала  при  испытании  на  сжатие  доводят  до  разрушения,  определяя  разрушающую  нагрузку    и  предел  прочности  материала  при  сжатии:                                       .

Образцы из хрупкого материала при сжатии разрушаются при малых  остаточных деформациях с образованием наклонных или продольных трещин. В лабораторной  работе  проводится  испытание  на  сжатие  хрупкого  материала  — чугуна СЧ 28. Диаграмма сжатия представлена на рис. 45.

Большинство конструкционных  материалов работает на сжатие существенно  лучше, чем на растяжение, то есть для  таких  материалов . Чугунный образец  разрушается  с  образованием  трещины  под  углом    к  продольной  оси  образца,  то  есть по площадке, где действуют  максимальные  касательные  напряжения  .

Анизотропными  называют  материалы,  имеющие  различные  физико-механические  свойства  в  разных  направлениях.  Такие  материалы  испытывают  на  сжатие  в  характерных  направлениях  анизотропии.  В  лабораторной  работе  проводится  испытание  образцов  из  древесины,  являющейся  анизотропным  материалом.  Образцы  из  древесины  испытывают  в  двух  направлениях  —  вдоль  и  поперек  волокон.  При  сжатии  определяют  разрушающие  нагрузки  и  пределы  прочности  древесины  вдоль  и  поперек  волокон.  Диаграммы  сжатия  представлены  на  рис. 46.

Разрушение  деревянного  образца  при  сжатии  вдоль  волокон  происходит  с  обмятием  торцов  и  образованием  продольных  трещин.  При  этом  фиксируется  разрушающая  нагрузка  .  При  сжатии  поперек  волокон  образец  после  достижения  некоторой  нагрузки   спрессовывается  почти  без  увеличения       нагрузки,  которая  вновь  начинает    расти    только  после значительного  спрессовывания образца. За  разрушающую  нагрузку    при  испытании  поперек  волокон  условно  принимают  силу ,  вызывающую  сжатие  образца  на  1/3  его  начальной  высоты.  Прочность  дерева  при  сжатии  вдоль  волокон  примерно  в  8  —  10  раз  выше,  чем  при  сжатии  поперек  волокон.