Опытное изучение свойств материалов: назначение и виды испытаний. Повышение текучести при повторных нагружениях (стр. 2 из 2)

Чем пластичнее материал, тем больше δ. К числу весьма пластичных материалов относятся медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др.

Менее пластичными являются дюраль и бронза, а слабопластичными материалами — большинство легированных сталей.

Противоположным свойству пластичности является хрупкость, т. е. способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях. Для таких материалов величина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2—5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, камень, бетон, стекло, стеклопластики и др. Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура) и вида напряженного состояния хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие. Например, чугунный образец в условиях всестороннего сжатия ведет себя как пластичный материал, т.е. не разрушается даже при значительных деформациях. И наоборот, стальной образец с выточкой разрушится при сравнительно небольшой деформации.

Таким образом, правильнее говорить о пластичном и хрупком состояниях материала.

При растяжении образцов из хрупких материалов наблюдается ряд особенностей. Диаграмма растяжения чугуна показана на рис. 2.11. Из диаграммы видно, что отклонение от закона Гука начинается очень рано. Разрыв наступает внезапно при очень малых деформациях и без образования шейки, что характерно для всех хрупких материалов.

При испытании на растяжение хрупких материалов определяют, как правило, только предел прочности. Обычно при практических расчетах для хрупких материалов отклонение от закона Гука не учитывают, т. е. криволинейную диаграмму заменяют условной прямолинейной диаграммой (см. штриховую линию на рис. 2.11).

Для чугуна и других хрупких материалов заметное влияние на предел прочности при разрыве оказывают размеры образца. Это оценивается масштабным коэффициентом

, (3)

где

— предел прочности образца диаметром d;

— предел прочности образца диаметром d = 10 мм.

На рис. 2.12 представлены кривые зависимости εв от диаметра образца для следующих материалов: высокоуглеродистая и марганцовистая стали — /, легированная сталь — 2, модифицированный чугун — 3, серый чугун — 4.

Особенно существенно сказывается на величине εв рост абсолютных размеров образца для чугуна (кривые 3 и 4 на рис. 2.12).

Следует отметить, что в последние годы достигнуты значительные успехи в деле создания высокопрочных материалов.

Теоретическое значение предела прочности, вычисленное на основе учета взаимодействия атомов в кристалле, составляет приблизительно одну десятую часть от Е, т.е. для стали примерно 200 000 кГ/см2, что почти в 10 раз больше, чем предел прочности для существующих марок высокопрочных сталей.

К теоретической прочности можно приблизиться двумя путями.

Первый путь — это создание материалов, свободных от внутренних дефектов, имеющих идеальную кристаллическую решетку.

В настоящее время в лабораторных условиях уже получены нитевидные кристаллы («усы») железа и других металлов диаметром 1—2 мкм, в которых полностью отсутствуют внутренние дефекты.

Предел прочности таких «усов» из железа достигает 150 000 кГ/см2.

Другой путь, как это ни парадоксально, прямо противоположен и состоит в создании металлов, имеющих возможно больше нарушений правильной кристаллической структуры. Эти нарушения микроструктуры (дислокации) могут быть получены или сочетанием пластического деформирования металла (наклепа) с термообработкой, или путем нейтронного облучения. При этом из кристаллической решетки выбиваются атомы и в решетке создаются или свободные места — вакансии, или атомы без места — внедренные атомы. Эти нарушения микроструктуры делают металл более прочным, так как затрудняют передвижение внутри кристалла, подобно тому, как шероховатые поверхности двух брусков препятствуют их скольжению.

Если при нагружении образца не был превышен предел упругости, то при разгружении все деформации полностью исчезнут и при повторном нагружении этот образец будет себя вести так же, как и при первом нагружении.

Если же образец был нагружен до напряжения, большего предела упругости, например, до напряжения, соответствующего точке К диаграммы на рис. 2.8, то разгрузка пойдет по прямой KL, параллельной линии О А. Упругая часть деформации (отрезок LM) исчезнет, пластическая же часть деформации (отрезок 0L) останется.

Если материал нагружать снова, то диаграмма пойдет по прямой LKдо самой точки К. Остаточное удлинение при разрыве будет измеряться величиной отрезка LR, т. е. иметь меньшую величину, чем при первичном однократном нагружении до разрыва.

Следовательно, при повторных нагружениях образца, предварительно растянутого до возникновения в нем напряжений, больших предела текучести, предел пропорциональности повышается до того уровня, которого достигли напряжения при предшествующей нагрузке. Если между разгрузкой и повторным нагружением был перерыв, то предел пропорциональности повышается еще больше.

Следует отметить, что диаграмма LKEN, получаемая при повторном нагружении, не имеет площадки текучести, поэтому для образца, претерпевшего разгрузку и повторное нагружение, определяется условный предел текучести (σ0,2), который, очевидно, выше предела текучести при первичном нагружении. В указанном смысле можно говорить о повышении предела текучести при повторном нагружении.

Явление повышения предела пропорциональности и снижения пластичности материала при повторных нагружениях называется наклепом. Наклеп во многих случаях является нежелательным явлением, так как наклепанный металл становится более хрупким.

Однако в целом ряде других случаев наклеп полезен и его создают искусственно, например, в деталях, подвергающихся воздействию переменных нагрузок.

Литература

1 Феодосьев В.И. Сопротивление материалов 2002

2 Беляев Н.М. Сопротивление материалов.1999

3 Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем.1991

4 Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела.2004

5 Степин П.А. Сопротивление материалов.1990