Механические свойства материалов и их характеристики. Лекция № 5

1.

Дисциплина «Прикладная механика»
Раздел «Механика материалов»
Лекция № 5
Механические свойства
материалов и их
характеристики

2.

Вопросы:
1. Статические испытания материалов на
растяжение
2. Диаграмма испытаний, характерные точки
и участки на диаграмме
3. Основные механические характеристики
прочности материалов
4. Предельные и допускаемые напряжения
материалов

3.

Механические свойства материалов – это способность
материалов
сопротивляться
деформирующему
и
разрушающему воздействию внешних сил в сочетании со
способностью
при
этом
упруго
и
пластически
деформироваться.
Свойства материалов, характеризующие их прочность и
способность сопротивляться деформациям и выраженные
количественной оценкой, называются механическими
характеристиками материалов.
Расчеты на прочность, жесткость и устойчивость деталей
машин невозможно осуществить, если неизвестны числовые
характеристики
механических
свойств
применяемых
материалов, которые могут быть определены только
экспериментальным путем.

4.

1. Статические испытания материалов на
растяжение
Механические свойства материалов изучаются путем
испытания на специальных машинах брусьев простейшей
формы, называемых образцами. В последнее время большое
внимание уделяется исследованию свойств материалов при
повышенных температурах.
Испытания
проводятся
при
статических
или
динамических нагрузках при различных видах деформаций:
растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб.
При статических нагрузках достоверные механические
характеристики материала получаются при его испытаниях на
растяжение, которые выполняются на стандартных круглых
или плоских образцах, изготовленных из испытуемого
материала.
Для этих целей используют десятикратные образцы, у
которых отношение l/d0 = 10. Размеры нормального
десятикратного круглого образца приведены ниже (рис. 1).

5.

Рисунок 1 – Схема стандартного круглого образца
для испытания на растяжение

6.

Для плоского десятикратного образца длина рабочей части
определяется по формуле l0 = 11,3 А0 , отношение b0/h0
рекомендуется принимать равным 3. Плоский образец
изображен на рис. 2.
Рисунок 2 – Схема плоского образца для испытания на растяжение
С целью экономии материала применяются пятикратные и
пропорциональные образцы, размеры которых в 2, 3, 4 и т. д.
раза меньше размеров нормального десятикратного образца.

7.

2. Диаграмма испытаний, характерные точки
и участки на диаграмме
В процессе испытания образец вставляется в захваты
испытательной машины (УММ-50) и растягивается статически
до разрушения (рис. 3, а). В процессе испытаний машина
вычерчивает на миллиметровой бумаге диаграмму растяжения
(F – ∆l), очертания которой зависят от свойств испытываемого
материала. Для малоуглеродистой стали диаграмма (F – ∆l)
изображена на рис. 3, б.

8.

а)
б)
Рисунок 3 – К вопросу о растяжении образца:
а – схема статического растяжения образца в испытательной машине;
б – диаграмма (F – ∆l) при испытании образца на растяжение

9.

На диаграмме (F – ∆l) можно выделить следующие характерные
участки:
– OA – участок пропорциональности, на котором абсолютное
удлинение образца пропорционально приложенной нагрузке;
– ОАВ – участок упругости, на котором деформации образца
являются упругими и будут полностью исчезать после снятия
нагрузки;
– ВСD – участок текучести с площадкой текучести СD, на
которой происходит удлинение образца при постоянной нагрузке.
Такой процесс деформирования материала называется текучестью;
– DЕ – участок упрочнения;
– ЕF – участок, на котором образец удлиняется и незначительно
уменьшается в поперечных размерах по всей длине до некоторого
значения Ау.
При дальнейшем растяжении в слабом месте образца происходит
интенсивный рост деформаций, что приводит к локальному его
сужению в виде шейки с площадью Аш. Согласно диаграмме в момент
разрыва образца Fр < Fmах.

10.

Если нагрузку довести до некоторого значения F > Fу (точка
М на диаграмме), а затем разгрузить образец, то процесс
деформирования образца изобразится на диаграмме линией
MNOA (рис. 3, б).
При повторном нагружении образца диаграмма растяжения
изобразится линией NMEF. Произойдет повышение упругих
свойств материала за счет предварительного пластического
деформирования. Такое явление в технике называется наклепом,
который часто используется для упрочнения материалов.
В машиностроении наклепом часто пользуются для
упрочнения рабочих поверхностей деталей путем дробеструйной
обработки, а также обкаткой роликами под давлением.
Таким образом, анализ диаграммы испытаний показывает,
что полная деформация за пределом упругости состоит из двух
частей: упругой ∆lу и пластической ∆lт:
∆l = ∆lу + ∆lт.
(1)

11.

3. Основные механические характеристики
прочности материалов
Для оценки прочности элементов конструкции, необходимо
установить
распределение
усилий
образца
F,
которые
распределяются по сечению непрерывно и характеризуются
интенсивностью.
Мера интенсивности действующих усилий, распределенных по
площади сечения элемента конструкции называется напряжением.
Таким образом, под напряжением понимается усилие, приходящееся
на единицу площади сечения.
Наибольшие условные напряжения на характерных участках
диаграммы называются механическими характеристиками
прочности материала.

12.

Предел пропорциональности σп – наибольшее напряжение
его линейной зависимости от деформации.
Fпц
пц
A0
(2.1)
Несколько выше точки предела пропорциональности
находится точка, соответствующая пределу упругости σу, т. е.
наибольшее напряжение, при котором в материале еще нет остаточных деформаций.
у
Fу
A0
(2.2)

13.

За пределом упругости возникают заметные остаточные
деформации и материал переходит в область пластичности –
наступает явление текучести материала. Напряжение полного
перехода материала к пластической деформации определяется
пределом текучести.
Fт
т
A0
(2.3)
Предел текучести является одной из основных механических
характеристик материала.
Предел прочности σв – напряжение, соответствующее
наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом.
Fв
в
A0
(2.4)

14.

Предел разрушения образца σр: р
Fр
A0
.
(2.5)
Fпц, Fу, Fт, Fв, Fр – соответствующие усилия нагружения
образца, принимаемые по диаграмме (F – ∆l) ;
A0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца.

15.

Важными механическими свойствами материалов также
являются
пластичность и вязкость.
Пластичность – способность материала выдерживать большие остаточные
деформации без разрушения.
Вязкость – свойство материала оказывать сопротивление в процессе
деформации за счет сил трения, возникающих при перемещении элементарных
частиц относительно друг друга.
Основные характеристики пластичности и вязкости:
у
Δl0
100 %
l0
с
А0 Аш
100 % - относительное сужение образца в процессе испытания;
А0
- относительное остаточное удлинение образца в момент разрыва;
а = SОАDEF = ∙ в∙εу – удельная работа деформации, затраченная на разрушение образца;
η
SОАDЕF
– коэффициент полноты диаграммы, для малоуглеродистых сталей
SOAF ' L
( = 0,82…0,85).
Все материалы можно условно разделить:
– на пластичные, если εу > 5 %;
– на хрупкие, если εс < 5 %.

16.

4. Предельные и допускаемые напряжения
материалов
Фактические нагрузки, действующие на элементы конструкций,
и свойства материалов, из которых они изготовлены, могут
значительно отличаться от тех, которые принимаются для расчета.
При этом факторы, снижающие прочность элемента
(перегрузки, неоднородность материалов и т.д.), носят чаще всего
случайный характер и предварительно не могут быть учтены.
Так как элементы и конструкции в целом должны безопасно
работать и при неблагоприятных условиях (перегрузки,
неоднородность материалов и т.д.), то необходимо принять
определенные меры предосторожности. С этой целью напряжения,
обеспечивающие безотказную работу конструкции или любого
другого сооружения, должны быть ниже тех предельных
напряжений, при которых может произойти разрушение или
возникнуть пластические деформации.

17.

Напряжения, при которых образец из данного материала разрушается или
при которых развиваются значительные пластические деформации,
называются предельными. Эти напряжения зависят от свойств материала и
вида деформации.
Для пластичных материалов предельным напряжением считают предел
текучести, т.к. возникающие пластические деформации не исчезают после
снятия нагрузки:
σпред = σт
(3)
Для хрупких материалов, где пластические деформации отсутствуют, а
разрушение возникает по хрупкому типу (шейки не образуется), за предельное
напряжение принимают предел прочности:
σпред = σв
(4)
Для пластично-хрупких материалов предельным напряжением считают
напряжение, соответствующее максимальной деформации 0,2 % (σ0,2):
σпред = σ0,2
(5)

18.

В табл. 1 приведены пределы прочности некоторых
материалов при испытании их на растяжение и сжатие.
Таблица 1 – Предельные напряжения (предел прочности) некоторых материалов
растяжение
сжатие
Предел текучести σт МПа
Сталь 10
340
340
210
31
40 Х
1000
1000
800
10
Чугун серый
140-180
600-1000
-
-
Латунь Л 68
320-660
-
91-660
55,3
Бронза БрОФ 10
-
250
-
11
Дюралюминий Д1
210-420
210-420
110-240
15-18
Текстолит
60-110
130-150
-
-
Капрон
35-700
60-80
-
-
Сосна вдоль волокон
-
40
-
-
Сосна поперек волокон
-
5
-
-
Бетон
-
7-50
-
-
Кирпич
-
8-30
-
-
Материал
Предел прочности σв, МПа
Относительное
удлинение, %

19.

Максимальное напряжение, при котором материал должен
нормально работать и величина которого регламентируется
техническими условиями, называется допускаемым.
Допускаемые напряжения получают по предельным с учетом
запаса прочности:
σ пред
,
(6)
σ
n
где [σ] – допускаемое напряжение; [n] – допускаемый
коэффициент запаса прочности.
Примечание: в квадратных скобках принято обозначать
допускаемое значение величины.
Допускаемый коэффициент запаса прочности зависит от
качества материала, условий работы детали, назначения детали,
точности обработки и расчета и т.д.
Он может колебаться от 1,25 для простых деталей до 12,5
для сложных деталей, работающих при переменных нагрузках в
условиях ударов и вибраций.

20.

Допускаемые напряжения – величины нормируемые и их
используют в расчетах конструкций. В табл. 2 приведены
ориентировочные значения основных допускаемых напряжений
для материалов, испытывающих растяжение и сжатие при
статическом нагружении.
Таблица 2 – Ориентировочные значения основных допускаемых напряжений
на растяжение и сжатие
Материал
Чугун серый в отливках
Допускаемое напряжение, МПа на
растяжение
сжатие
28-80
120-150
Сталь Ст2
140
Сталь Ст3
160
Сталь Ст3 в мостах
60-250
Сталь машиностроительная (конструкционная) легированная
100-400 и выше
Сосна вдоль волокон
7-10
10-12
Сосна поперек волокон
-
1,5-2,0
Дуб вдоль волокон
9-13
13-15
Дуб поперек волокон
-
2,0-3,5
Каменная кладка
до 0,3
0,4-4,0
Кирпичная кладка
до 0,2
0,6-2,5
Бетон
0,1-0,7
1-9