Характерные типы диаграмм растяжения для пластичных и хрупких металлов

Обновлено: 01.07.2024

Хрупкие материалы (чугун, бетон, кирпич и др.) лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению и поэтому они применяются для изготовления материалов, работающих на сжатие (к примеру у бетона предел прочности на сжатие раз в 10 больше предела прочности на растяжение). В силу чего хрупкие материалы применяются в основном в сжатых элементах конструкций, поэтому основным видом испытаний хрупких материалов является испытание на сжатие. Поэтому для их расчета на прочность необходимо знать механические характеристики, получаемые при испытании на сжатие.

Для чугуна на диаграмме сжатия (рисунок) почти отсутствует прямолинейный участок, т.е. закон Гука выполняется лишь приближенно в начальной стадии нагружения. Разрушение происходит внезапно при максимальной нагрузке с появлением ряда наклонных трещин, расположенных приблизительно под углом 45о к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений. Следует заметить, что характер деформации и разрушения образца зависят от сил трения между торцами образца и опорными плитами испытательной машины. Путем периодической парафинной или графитовой смазки торцов можно устранить силы трения; при этом чугунный образец в течении всего испытания остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

При сжатии бетона (цементного раствора, камня), рост нагрузки сопровождается упругими деформациями вплоть до разрушения, что вообще свойственно для хрупких материалов. Характер разрушения образцов из бетона зависит от наличия сил трения между плитами машины и торцами образца. Сравнение механических характеристик бетона показывает, что предел прочности при сжатии в 10-20 раз превышает предел прочности при растяжении.

чугун Диаграмма зависимости при сжатии и растяжении

бетона: 3 – растяжение; 4 – сжатие.

Сравнительная характеристика свойств пластичных и хрупких материалов

По результатам испытаний на одноосное растяжение материалы принято делить на пластичные и хрупкие. К пластичным относятся материалы, разрушению которых предшествуют большие остаточные деформации, достигающие иногда 20. 25%. Хрупкими называют материалы, разрушающиеся при малых остаточных деформациях, не превышающих 2. 5%.

Пластичные и хрупкие материалы отличаются еще и характером разрушения при растяжении. Пластичные материалы проявляют большее сопротивление отрыву частиц, чем сдвигу их друг относительно друга, (и разрушаются главным образом, от сдвига частиц в плоскостях действия наибольших касательных напряжений. Именно вследствие сдвига частиц увеличивается длина образца из пластичного материала при его растяжении, а место разрушения в шейке имеет вид кратера, стенки которого наклонены к оси образца под углом 45° (рисунок). Дном этого кратера является поверхность первоначальной внутренней трещины, возникающей после образования шейки

Хрупкие материалы, наоборот, обладают большим сопротивлением сдвигу, чем отрыву, и разрушаются при растяжении внезапно от отрыва частиц материала по плоскости поперечного сечения (рисунок). Явления текучести, упрочнения и образования шейки на образцах из таких материалов перед разрывом не наблюдаются. Единственной прочностной характеристикой хрупких материалов является предел прочности σв

Деление материалов на хрупкие и пластичные является условным, так как свойства материалов зависят от температуры, скорости и вида нагружения. Один и тот же материал в одних условиях ведет себя как хрупкий, в других - как пластичный. Например, мрамор при одноосном растяжении разрушается как хрупкий материал, а при всестороннем сжатии проявляет пластические свойства. Поэтому правильнее говорить о пластичном и хрупком характере разрушения материала. Первое происходит при больших, а второе при сравнительно малых остаточных деформациях.

Диаграммы растяжения для пластичных и хрупких материалов

Для пластмасс и хрупких материалов В предыдущем абзаце рассматривается физическое описание явления растяжения образца из пластического материала, такого как низкоуглеродистая сталь. Для других типов материалов, дающих пластическую деформацию при растяжении, получается примерно такая же диаграмма напряжений,

как показано на рисунке. 21.56 экспериментальное исследование[гл.] Некоторые марки стали (специальные), меди, бронзы не имеют предела текучести.

Прямая часть диаграммы переходит непосредственно в криволинейную часть. Например, диаграмма Людмила Фирмаль

напряжений литой стали (a), бронзы (tf), никелевой стали (b) и марганцевой стали (d) показана на рисунке. 24. Если диаграмма растяжения представляет собой материал, который не имеет предела текучести, предел текучести считается обычным К / см * около 140ОБУТ > Тысяча. Шесть сотен.- Шесть сотен. Четыреста. Две сотни. Одна тысяча двести Отчет 0>У0 0,200 0,400 ″ 0,600 Фигура. Двадцать

пять Напряжение, когда остаточное удлинение образца достигает приблизительно той же величины, что и при наличии четко определенной точки текучести. Для этого значение остаточного удлинения обычно составляет 0,2%. Хрупкий материал характеризуется тем, что разрушение происходит уже при небольших деформациях. При растяжении образца обычно хрупкого материала,

такого как чугун, мы наблюдаем лишь незначительную деформацию вплоть до момента разрыва. Диаграммы растягивающих напряжений чугуна приведены на рисунке. 25. обратите внимание на то, что по сравнению с рисунком фигуры. 24 горизонтальная шкала сжатия диаграммы рисунок 57 Как правило, хрупкие материалы не сопротивляются росту-их прочность на растяжение невелика-примерно в 40 раз, и увеличивается вертикально Фигура. От 25 до 6 раз. По сравнению с прочностью на растяжение

пластмассы. Зависимость деформации от растягивающего напряжения хрупкого материала обычно недостаточна по закону крюка, и на рисунке вместо прямой части при малых напряжениях образуется слегка изогнутая линия. Таким образом, модуль упругости, равный касательной (§ 12) угла наклона относительно оси поперечной оси в контакте с диаграммой напряжений, фактически не может рассматриваться как постоянная величина такого материала. Из-за этих напряжений непосредственный модуль упругости из-за криволинейной выпуклости будет отличаться. Но

напряжение тока и co- Материал обычно функционирует в структурах, но отклонения от наблюдаемого закона крюка незначительны. Итак, в реальном расчете мы заменяем криволинейную часть рисунка соответствующим кодом(рис. 26) и постоянное рассмотрение модуля Е. Это связано с тем, что механические свойства хрупкого материала позволяют варьировать по отдельным образцам в более широком диапазоне, чем свойства пластического материала, можно определить взаимосвязь между напряжением и деформацией.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Диаграммы растяжения пластичных и хрупких материалов

Диаграмма низкоуглеродистой стали. Записанная с помощью специального устройства на испытательной машине диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали изображена на рис. 2.

В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией — справедливость закона Гука. Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена через F_пц и используется для вычисления предела пропорциональности:

где А₀ – первоначальная площадь поперечного сечения.

Пределом пропорциональности σ_пц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией. Для СтЗ предел пропорциональности приблизительно равен σ_пц =195. 200 МПа.

Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е.

После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости.

Пределом упругости σ_уп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.

Предел упругости характеризует начало перехода от упругой деформации к пластической.

У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают. Для стали СтЗ σ_уп = 205. 210 МПа.

При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок CD — площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка F_T, соответствующая точке D, используется при определении физического предела текучести:

Физическим пределом текучести σ_Т называется наименыиее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов. Для стали СтЗ σ_Т =220. 250 МПа.

Зона BD называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом у образца повышается температура, изменяются электропроводность и магнитные свойства.

Образование пластической деформации в отдельных кристаллах образца происходит уже в начальной стадии испытания. Однако эти деформации настолько малы, что не обнаруживаются обычными приборами для измерения малых деформаций. С увеличением нагрузки пластическая деформация начинает накапливаться в микрообъемах образца, а с наступлением текучести эти очаги пластической деформации, сливаясь, захватывают уже макрообъемы образца металла. Описанные явления вызывают изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной. Образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения F_max — точка Е на диаграмме. Усилие F_max используется для вычисления временного сопротивления:

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением.

Для стали марки СтЗ временное сопротивление σ_В =370. 470 МПа.

Зона DE называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечные сечения изменяются незначительно и также равномерно.

При максимальном усилии или несколько меньшем его на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения — шейка (а иногда и две). Дальнейшая деформация происходит в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точке К, называется разрушающей F_K, а напряжения — истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), которые равны

где А_К — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Зона ЕК называется зоной местной текучести. Истинные напряжения в момент разрыва (в шейке) в образце из стали СтЗ достигают 900. 1000 МПа.

Иногда временное сопротивление называют пределом прочности. Строго говоря, такое допустимо только в том случае, когда разрыв образца происходит без образования шейки. Это имеет место с хрупкими материалами, например с чугуном. Тогда наибольшая нагрузка практически совпадает с моментом разрушения и предел прочности оказывается почти равным истинному напряжению при разрыве (о диаграмме чугуна см. ниже). У пластичных материалов, например у стали марки СтЗ, наибольшее значение нагрузки не соответствует ее значению при разрушении образца и за характеристику прочности (условную) принимается временное сопротивление.

Интересен механизм разрушения образца из низкоуглеродистой стали. Образец разрушается, как правило, с образованием «чашечки» на одной его части и «конуса» — на другой (рис. 3). Этот излом называют чашечным или изломом «чашечка — конус».

Под действием растягивающих напряжений материал перемычек между порами разрушается, поры сливаются, в результате чего появляется центральная трещина в направлении, перпендикулярном оси растяжения. Образование трещины вблизи центра сечения, объясняется тем, что в этой области вследствие возникающего неоднородного напряженного состояния, при котором нормальное напряжение достигает на оси образца максимального значения, материал обладает пониженной способностью к пластической деформации. Это в значительной мере способствует началу разрушения образца, которое на данной стадии имеет хрупкий характер. Однако в остальной части вблизи поверхности материал продолжает растягиваться пластически.

Затем трещина начинает распространяться в обе стороны по направлению к поверхности, образуя дно будущей чашечки. Увеличение размеров трещины происходит за счет дальнейшего присоединения новых пустот в результате разрыва перемычек и ранее образовавшейся центральной зоны трещины.

Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.

Относительное удлинение после разрыва δ (%) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле

где l_K – расчетная длина образца; l_О – первоначальная длина образца.

Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение δ уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах. Кроме того, относительное удлинение зависит и от места расположения шейки (разрыва) на расчетной длине образца. При возникновении шейки в средней части образца местные деформации в области шейки могут свободно развиваться и относительное удлинение будет больше, чем в случае, когда шейка возникает ближе к головке образца, тогда местные деформации будут стеснены.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва ψ (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

где А_К – площадь сечения образца в месте разрыва; А_К – начальная площадь поперечного сечения образца.

Иногда при вычислении значения ψ для цилиндрических образцов пользуются формулой

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называется наклепом.

Наклеп наблюдается не у всех материалов и даже не у всех металлов, таких, например, как свинец, олово и др. Оно широко используется в технике. Иногда наклеп создают искусственно. Например, цепи и канаты подъемных машин подвергают предварительной вытяжке, чтобы устранить остаточные удлинения, которые могут возникнуть во время их работы.

Следует заметить, что после предварительной вытяжки металла в некотором направлении его механические свойства изменяются (металл наклёпывается) при работе на растяжение только в том же направлении; при работе на сжатие в этом же направлении его свойства почти не изменяются. Последнее обстоятельство имеет большое значение для материала, который подвергается действию переменных напряжений.

В некоторых случаях явление наклепа является нежелательным. Например, оно встречается во многих технологических процессах — прокатке стержней, резании листового материала, штамповке тонкостенных деталей, пробивании отверстий в листах под заклепки и т. п. Для устранения вредного влияния наклепа материал обычно отжигают или удаляют ту часть материала, которая получила наклеп.

Механизм образования деформации. Реальные технические металлы и их сплавы состоят из большого числа кристаллических зерен, или кристаллитов, ориентированных произвольным образом. Так называются кристаллы неправильной формы и неодинаковых размеров. Размеры кристаллитов могут сильно отличаться друг от друга: от 0,0005 до 2. 3 мм 2 . Форма, размеры и расположение зерен оказывают влияние на свойства металлов. Так, уменьшение размеров зерен приводит к увеличению прочности на разрыв, а также пластичности и вязкости.

Внутри кристалла находятся атомы металла, расположенные в определенном порядке. Они образуют более или менее правильную трехмерную кристаллическую решетку.

При отсутствии нагрузки атомы металла, находящиеся в узлах кристаллической решетки, колеблются относительно равновесных положений. Между атомами действуют либо силы притяжения, либо силы отталкивания. Сила взаимодействия между двумя соседними атомами складывается из этих сил. При расположении атомов на расстоянии r₀ сила взаимодействия между ними равна нулю и атомы находятся в равновесном положении. Любая попытка незначительного перемещения атомов из этого положения приводит к возникновению сил, стремящихся вернуть их в прежнее состояние. Когда все атомы перемещаются из своих прежних положений в эквивалентные узлы кристаллической решетки на одно межатомное расстояние начинается пластическое деформирование.

Можно сказать, что касательные напряжения, при которых начинается пластическая деформация, равны:

где G - модуль упругости при сдвиге.

В растянутом стержне наибольшие касательные напряжения, возникающие на площадках, наклоненных под углом 45° к оси стержня, равны:

Принимая

Основным механизмом пластического деформирования металлов является скольжение, т. е. смещение одной части кристаллической решетки относительно другой по плоскостям скольжения, ориентированным в кристалле определенным образом.

Сравнение диаграмм растяжения для различных материалов

Сравнение диаграмм растяжения Для разных материалов Рассмотрим диаграмму растяжения для других материалов. Для риса. 37 для сравнения приведена диаграмма для стали ст.3, ст.6, серого чугуна (Щ), алюминия (D16) и титановый (VT4) сплав. Сталь St.6 обладает

довольно высокой прочностью. Предел текучести высокопрочной стали обычно отсутствует или очень мал. Образец Neck Break Steel St.6 не произносится как Steel St.3. Оставшийся вариант Steel Holy Break. 6 (8 «11 4-13%) значительно меньше стальных центов. 3. На 39diagram растягивающемся чугуне нет прямого участка, он сгибается в начале. Строго говоря, чугун вообще не подчиняется закону Крюка.

заменяет кривую в месте напряжения, фактически используемую кодом. Диаграмма растяжения чугуна разрывается сразу после достижения предела прочности. Изменяется ли предел прочности при растяжении от 1200 до 3800 кП см для разных марок чугуна? ^ (120-4-380Mn / м2). Разрыв образца чугуна происходит без образования шейки с небольшой остаточной деформацией (около 0,5%). Тип поломки чугуна показан на рисунке. 34 дюйма В зависимости от

свойств прочности и пластичности, характера разрушения все материалы делятся на две группы: пластичные и ломкие. Материал (сталь, медь, алюминий и титановый сплав) имеет диаграмму растяжения (без предела текучести), аналогичную пробе образца из мягкой стали, и тому подобное Материалы X R u p K и e (бетон, кирпич) имеют диаграмму растяжения, сходную с диаграммой растяжения чугуна, и аналогичную морфологию разрушения.

Хрупкие материалы при определенных условиях приобретают пластические свойства, поэтому пластичность и хрупкость материала делятся на условные (например, большие по всему объему). T ; T a b l I C a2 Название материала бренда ° V В кг / мм2 и Mn / м2 в кг / мм2 и Mn / м2% Углеродистая сталь St. 2424 384-47 3804-470 234-21W e ……… Art.6 31 310 604-72 6004 -720 154-13 хромированная сталь. 20Х 65 650 80 800 12 Хром-кремний-марганцевая сталь. ……. 35HGSA140 1400 165 1650 10 чугунный серый …. ОПИСАНИЕ ШУНИТА В СПИСКАХ— — 124-38 1204

-380 — Изготовлен из анодированного алюминия. D16 33 330 454-50 4504-500 12 титановый сплав. BT4 704-80 700-800 804-90 8004-900 224-15 Сосна вдоль волокна — — — 8 80 — Текстовая подсветка ….. ……………………………. К — 10 100. 0,84-1,2 Стеклопластик. …………………… SV AM— — 264-48 2604-480 1,44-2 По этой причине пластика и хрупкое разрушение пластмасс и хрупких материалов, о которых не следует говорить более точно В углеродистой стали с увеличением процентного содержания углерода свойства прочности (at и AB) возрастают, а свойства пластичности (S и f) снижаются, что делает сталь более хрупкой.

Поскольку хрупкие материалы не противостоят действию динамических нагрузок, наиболее важной задачей Людмила Фирмаль

металлурга является производство стали с достаточно высокими пластическими свойствами и высокими прочностными свойствами. Это достигается путем введения в стали нескольких добавок, таких как медь, никель, хром, кобальт. Такая сталь называется легированием. За столом. Для некоторых материалов приведены две механические особенности.

Читайте также: