2.3. Механические характеристики материалов

1.

Факультет инженерный
Кафедра технологии и оборудования машиностроения
Механика материалов
Сотник Леонид Леонидович,
старший преподаватель
кафедры технологии и
Барановичи оборудования машиностроения
2021

2. СОДЕРЖАНИЕ

Механические характеристики материалов
СОДЕРЖАНИЕ
1. Диаграммы растяжения пластичных и хрупких
материалов.
2. Наклеп.
3. Диаграммы сжатия пластичных и хрупких материалов.
4. Влияние различных факторов на механические
свойства материалов.
5. Ползучесть, последействие, релаксация.
6. Длительная прочность.

3.

1. Диаграмма растяжения пластического
и хрупких материала
При проектировании конструкций, машин и механизмов необходимо знать
прочностные и деформационные свойства материалов. Их определяют
экспериментально на специальных испытательных машинах. Из всех прочих свойств
(твердость, сопротивляемость ударным нагрузкам, противодействие высоким или
низким температурам и т.п.) основными является сопротивление на растяжение и
сжатие, дающие наибольшую и важнейшую информацию о механических свойствах
металлов.
Испытание на растяжение – проводят на разрывных или универсальных
машинах, имеющих специальные захваты для передачи усилия.

4.

Диаграмма растяжения пластического материала
Используются стандартные образцы специальной формы
d=(5…10)мм-диаметр образца с круглым поперечным сечением;
d=10 мм – нормальный образец;
l0=10d – десятикратный образец;
l0=15d – пятнадцатикратный образец;
l0=5d – пятикратный образец.
Все машины снабжены устройством для
автоматической записи в определенном
масштабе диаграммы-графика зависимости
величины растягивающей силы от удлинения
образца.
Современные машины компьтеризированы
и имеют средства управления процессом
нагружения
по
различным
задаваемым
программам, вывода данных на экран и
сохранения их в файлах для последующей
обработки:

5.

Диаграмма растяжения пластического материала
Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
F,кН
E
М
С
Fт F
у
В
А
D
F вр
Fм
F пц
M1
O
lост
М2
lупрг
l пол
На диаграмме наблюдаются следующие стадии: пропорциональности (ОА),
упругости (АВ), малых пластических деформаций (ВС), текучести (СД),
упрочнения (ДЕ) и разрушения (ЕМ).
l,мм

6.

Диаграмма растяжения пластического материала
Диаграмма условных напряжений
МПа
E
М
С
т
у
В
А
вр
D
м
пц
M1
O
пол
,
М2
упр

7.

Диаграмма растяжения пластического материала
В начальной стадии нагружения на участке ОА зависимость между σ и носит
линейный характер, деформация прямо пропорциональна напряжению, т.е. следует
закону Гука.
При нагружении образца до точки В в нем не появляется остаточных деформаций.
Если его разгрузить, то он примет исходные размеры.
После точки В продолжается дальнейшее искривление диаграммы и в точке С она
переходит в горизонтальный участок - площадку текучести. Стрелка
силоизмерительного аппарата машины останавливается, т.е. образец удлиняется при
постоянной нагрузке.
После прекращения текучести сталь снова способна противостоять
деформированию − она как бы самоупрочняется. В стадии самоупрочнения материал
работает упруго-пластически. Зависимость между напряжением и деформациями
подчиняется, как на участке ДЕ, криволинейному закону, но с большим нарастанием
деформаций, т.е. диаграмма имеет более пологий характер.
Точка Е диаграммы соответствует наибольшему условному напряжению.
После достижения точки Е диаграммы эти деформации концентрируются в
наиболее слабом месте, где начинает образовываться шейка - местное значительное
сужение, которое быстро прогрессирует.
С образованием шейки нагрузка падает и в точке М происходит разрушение
образца.

8.

Диаграмма растяжения пластического материала
Механизм разрушения: в области шейки образуются мелкие продольные
трещины, которые затем сливаются в одну центральную трещину, перпендикулярную
оси растяжения, далее трещина распространяется к поверхности шейки,
разворачиваясь примерно на 450, и при выходе на поверхность образует коническую
часть излома.
В результате получается поверхность излома в виде “конуса” и “чашечки”. Стадия
образования конической поверхности показывает, что материал в вершине трещины
начинает разрушаться по механизму скольжения (по площадкам максимальных
касательных напряжений), характерному для хрупких материалов.

9.

Диаграмма растяжения пластического материала
Характеристики прочности
К характеристикам прочности относят: предел пропорциональности пц,
предел упругости у, предел текучести Т, временное сопротивление разрыву вр
(сжатию вс), предел прочности пч.
Пределом пропорциональности пц называется такое максимальное напряжение,
до которого наблюдается прямая зависимость между нагрузкой и деформацией:
пц =
Fпц
A0
Условным пределом пропорциональности 0,001 называется такое наименьшее
напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между напряжением и
деформацией достигают заданной величины - 0,001 %.
Пределом упругости упр называется такое максимальное напряжение, до
которого в материале не возникает остаточных деформаций:
упр =
Fупр
A0
Условным пределом упругости 0,05 называется такое наименьшее напряжение,
при котором в материале возникают остаточных деформаций равные заданной
величине - 0,05%.

10.

Диаграмма растяжения пластического материала
Характеристики прочности
Физическим пределом текучести Т называется такое минимальное
напряжение, при котором в образце возникают значительные остаточные деформации
и они продолжают увеличиваться при постоянном значении нагрузки:
Fт
т =
A0
Условным пределом текучести 0,2 называется наибольшее напряжение, при
котором остаточные деформации, возникающие в образце, не превышают какой-то
наперед заданной величины, обычно 0,2 %
Временным сопротивлением разрыву вр называется условное наибольшее
растягивающее напряжение, которое выдержит образец:
Fmax
вр =
A0
Пределом прочности пч называется максимальное напряжение, которое может
выдержать образец без явных признаков разрушения. Величина предела прочности
равна временному сопротивлению сжатию вс (разрыву вр ).

11.

Диаграмма растяжения пластического материала
Характеристики пластичности
К характеристикам пластичности относят относительное остаточное удлинение
и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения .
Относительным остаточным удлинением называется отношение остаточной
деформации lост образца к его первоначальной длине l0 выраженное в процентах:
l ост
lк − l0
=
100% =
100%
l0
l0
Относительным остаточным сужением называется отношение изменения
площади поперечного сечения образца в месте разрыва к первоначальной площади А0
поперечного сечения выраженное в процентах:
A0 − Aш
=
100%
A0
Пластические свойства материалов оцениваются величиной относительного
остаточного удлинения . Для оценки приняты следующие условия:
если <5 % материал считается хрупким;
если 5 % < < 10 % - хрупко—пластичным;
если > 10 % - пластичным.

12.

Диаграмма растяжения хрупкого материала
Отклонение от закона Гука начинается очень рано. Разрыв происходит при очень
малых деформациях и без образования шейки.
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 прямой и считают, что закон Гука применим на всем протяжении
диаграммы, т.е. до σв

13.

2. Наклеп
Если образец был нагружен до напряжения, большего предела упругости,
например, до точки К, то разгрузка произойдет по прямой КК1, параллельной линии
ОА. Упругая деформация для точки К исчезнет (отрезок К2К1), а останется остаточная
деформация (отрезок ОК1). При повторном нагружении образца диаграмма пойдет по
прямой КК1 и далее как у обычной диаграммы, т.е. точки Е и М.

14.

Наклеп
Явление повышения предела пропорциональности и снижения пластичности
материала при повторных нагружениях носит название наклепа (нагартовки).
Наклеп при растяжении элементов конструкций следует считать явлением
отрицательным вследствие снижения пластических свойств стали.
Наклеп при сжатии может быть полезным, как повышающий твердость и
сопротивляемость вибрационным воздействиям.

15.

3. Диаграмма сжатия пластического и
хрупкого материала
F
FТ
Fпц
O
B
A
l
Диаграмма низкоуглеродистой стали –
Начальный участок диаграммы является
прямолинейным ( до точки A) и совпадает с
аналогичным участком диаграммы растяжения. Это
свидетельствует о том, что модуль упругости у стали
можно принимать одинаковым при растяжении и
сжатии. Нелинейный участок до площадки текучести
также совпадает с подобным участком на диаграмме
растяжения. Значения предела пропорциональности
и предела текучести при растяжении и сжатии
практически одинаковы.
Площадка текучести при сжатии выражена
очень слабо и после нее кривая уходит все более
круто вверх вследствие развития значительных
пластических деформаций, приводящих к
увеличению площади поперечного сечения. Образец
сплющивается принимая бочкообразную форму. На
этом испытания заканчивают, т.к. образец разрушить
не удастся, не удается определить и предел
прочности.

16.

Диаграмма сжатия хрупкого материала
F
Fmax
l
Диаграмма чугуна – Начальный участок диаграммы
имеет почти линейную зависимость, на этом участке
форма и размеры образца меняются незначительно. При
приближении к максимальной нагрузке кривая становится
более пологой и образец принимает слегка бочкообразную
форму. При достижении нагрузкой наибольшего значения
появляются трещины под углом примерно 450 и наступает
разрушение по площадкам с наибольшими касательными
напряжениями (хрупкое разрушение).
Другие хрупкие материалы (камень, бетон) имеют
подобную диаграмму и такой характер разрушения.
Хрупкие материалы сопротивляются сжатию значительно
лучше, чем растяжению, например, предел прочности
серого чугуна на сжатие 560-900 МПа, а на растяжение –
120-190 МПа.

17.

Диаграмма сжатия деревянного образца
F
Fmax
A
B
O
l
Диаграмма
древесины
–
Древесина
–
анизотропный материал. Сопротивляемость при сжатии
зависит от расположения волокон относительно
направления
сжимающей силы. При сжатии вдоль
волокон на участке OA древесина работает почти упруго,
деформации растут пропорционально увеличению
сжимающей силы. Далее деформации начинают расти
более быстро, чем усилие, вследствие возникновения
При сжатии
поперек волокон
на участке
OB
пластических
деформаций
в отдельных
волокнах.
древесина
почти
деформации
растутв
Разрушениеработает
происходит
приупруго,
максимальной
нагрузке
пропорционально
сжимающейряда
силы.
Далее
результате потери увеличению
местной устойчивости
волокон,
деформации
начинают
расти
очень быстро продольных
при малом
сопровождаемой
сдвигом
с образованием
увеличении
силы,
вследствие
уплотнения
трещин.
(спрессовывания) отдельных волокон. При наличии
сучков и других пороков (трещин) образец может
разрушиться раскалыванием.
Разрушающая нагрузка определяется условно при
достижении деформации сжатия, при которой высота
образца уменьшается на треть исходной высоты .

18.

4. Влияние различных факторов
на механические свойства материалов
Для большинства материалов характеристики прочности (предел
прочности В, предел текучести Т и предел пропорциональности П ) при
повышении температуры уменьшаются, а при понижении - увеличиваются.
Характеристики же пластичности (относительное остаточное
удлинение δ и относительное остаточное сужение
ψ ), наоборот, с
повышением температуры увеличиваются, а с понижением - уменьшаются.
С ростом температуры уменьшается модуль упругости Е и увеличивается
коэффициент поперечной деформации μ, при снижении температуры
наблюдается обратное явление.
Термическая обработка стали в значительной степени меняет ее
механические свойства. Так при закалке предел прочности и предел
текучести возрастают в 2-3 раза, но при этом примерно на эту же величину
снижается пластичность.

19.

Влияние различных факторов
на механические свойства материалов
Механические характеристики материала зависят также от скорости
нагружения. Рассмотрим диаграммы растяжения стали Ст 3 при медленном
(линия 1) и быстром (линия 2) нагружении. При быстром агружении
несколько возрастает предел прочности. исчезает площадка текучести, резко
уменьшается пластичность материала (отрезок OL1 против OM1 ).

20.

Ползучесть, последействие, релаксация
Понятия о ползучести и релаксации
– Многие строительные конструкции при
эксплуатации деформируются при длительном действии постоянных нагрузок. Это
обуславливается способностью материалов деформироваться во времени при действии
постоянных нагрузок, называемой ползучестью.
Ползучесть присуща таким материалам, как кирпич, древесина, полимеры, камень, резина,
грунты и т.п. Металлы также обнаруживают ползучесть при высоких температурах, а цветные
металлы – и при обычной (комнатной) температуре. Ползучесть может возникать и при малых
нагрузках, которые при кратковременном действии вызывают только упругие деформации.
◼
D
ε
C
2
B
A
εп
ε(0)
0
Ползучесть, представленная кривой 2, характеризуется на
Результаты испытаний на ползучесть представляют графиками
первом
(AB)во времени
уменьшением
изменения участке
деформаций
(кривые скорости
ползучести). деформации,
В начальный
соответствующей
обжатию
локальных
зон,
на
втором
участке
(BC)
момент времени деформации имеют ненулевое значение ε(0), равное
стабилизацией
деформации
(установившаяся
упругой деформации скорости
или сумме упругой
и пластической
деформаций.
ползучесть).
хрупких
материалов нагрузки
в точке (или
C испытание
Считается, чтоДлявремя
предварительной
разгрузки)
пренебрежимо
мало
по сравнению
со временем
выдерживания
нагрузки,
заканчивается
хрупким
разрушением,
для пластичных
материалов
Характер
ползучести
зависит
от действующих
напряжений.
принять, что
деформации ε(0)локальных
и напряжение
появляются
–поэтому
вязкимможно
разрушением
с образованием
пластических
Например,
сталь
при различных
уровнях напряжений
может
как бы мгновенно.
деформаций
(третий
участок
на1,котором
возрастает
скорость
иметь
ползучести
какCD,
типа
так иползучести
типа
2 [1].анализируется
Прикривые
определении
характера
процесса
деформации).
скорость деформации, вычисляемая как производная по времени.
Интересно
заметить,
что монотонно
кривой типа
2 описывается
процесс
Если скорость
деформации
уменьшается
со временем,
то
накопления
повреждений,
в
том
числе
износа,
в
механике
деформация ползучести стремится к некоторому пределу (кривая 1). Это
разрушения,
диагностике
характерно, например,
прии материаловедении.
деформациях, связанных с уплотнением
1
ε∞
t
материала с течением времени под нагрузкой (осадка грунта под
фундаментом, бетон).

21.

6. Ползучесть, последействие, релаксация
Если деформации ползучести увеличиваются
пропорционально увеличению напряжений (бетон,
пластмасса при малых напряжениях), то ползучесть –
линейная, в противном случае (металл при высоких
температурах) –нелинейная.
ε
ε(0)
εп
ε(0)
0
ε∞
t
В некоторых материалах (бетон, пластмассы, каучук)
происходят длительные, медленно протекающие химические
или окислительные процессы, в результате которых материалы
теряют свои первоначальные свойства, так называемое
“старение”. В таких материалах деформации ползучести
конечно зависят от “возраста” материала.
При снятии нагрузки упругая часть деформаций материала исчезает, накопленная
деформация ползучести начинает уменьшаться, асимптотически стремясь к
некоторому пределу, подобно перевернутой кривой 1. Такое явление носит название
обратной ползучести. Если при неограниченном увеличении времени образец
полностью восстанавливает свои
первоначальные размеры, то это явление
называется упругим последействием.

22.

Ползучесть, последействие, релаксация
σ
σ∞
σ(0)
0
t
Релаксация напряжений
– Если образец
выдерживается в течении некоторого длительного времени в
состоянии, при котором деформация остается постоянной,
то напряжения в материале, имевшие в начальный момент
значение σ(0), снижаются асимптотически до некоторого
значения. Явление медленного уменьшения напряжений в
образце
при
постоянной
деформации
называется
релаксацией.
Таким образом, явление релаксации в некоторой степени обратное ползучести, но
природа этих двух явлений одна – энергия тепловых упругих колебаний атомов
добавляется к энергии, обеспечивающейся внешними силами, вызывающими
деформацию.
При свободной деформации под действием приложенных сил происходит
дополнительное движение дислокаций и деформация прирастает. Поскольку при
обыкновенной температуре эта энергия незначительна, то ползучесть происходит в
этом случае медленно.
При постоянной деформации поступление дополнительной энергии тепловых
колебаний атомов приводит к перераспределению дислокаций с частичным
восстановлением регулярности кристаллической решетки. При этом энергия
деформации уменьшается, что приводит к уменьшению напряжений, если деформация
остается постоянной.

23.

7. Длительная прочность
При анализе работы конструкций, материал которых обладает свойством
ползучести, приходится считаться с двумя факторами: с одной стороны, с
возможностью появления недопустимо больших деформаций и перемещений, с другой
— с возможностью разрушения через какой-то промежуток времени.
Для оценки длительной прочности материала
при ползучести используется понятие предела
длительной прочности.
Пределом длительной прочности называется
напряжение, вызывающее разрушение образца
после заданного срока непрерывного действия
этого напряжения при определенной температуре.
700
Обозначается например σ1000
— верхний индекс
дает температуру испытания, С, нижний —
заданную продолжительность испытания до
разрушения, ч. предел длительной прочности за
1000 ч испытания при температуре 700С.
Испытания на длительную прочность
заключаются в том, что образцы подвергают
различным напряжениям при определенной
температуре и узнают время до их разрушения.
Имея кривую длительной
прочности, можно определить
разрушающее напряжение по
заданной
продолжительности
службы детали при данной
температуре или, наоборот, по
напряжению определить срок
службы.

24. Список рекомендуемой литературы

Основная литература
1. Подскребко, М. Д. Сопротивление материалов: учебник / М.Д.Подскребко. – Минск : Выш. шк.,
2007. – 797 с.
2. Дарков, А. В. Сопротивление материалов: учебник / А. В. Дарков, Г. С. Шпиро. – М. : Высшая
школа, 1975. – 639 с.
3. Беляев, Н М. Сопротивление материалов: учебник / Н. М. Беляев.–М.: наука, 1976. – 607 с.
Дополнительная литература
1. Феодосьев, В. И. Сопротивление материалов: учебник / В. И. Феодосьев. М. : Наука, 1974. – 556 с.
2. Татур, Г. К. Общий курс сопротивления материалов: учебник / Г. К. Татур. Минск: выш. шк.,
1974. – 462 с.
3. Степин, П. А. Сопротивлдение материалов: учебник / П. А. Степин. – М. : Высшая школа.
1979. – 310 с.
4. Миролюбов, И. Н. Сопротивление материалов: пособие по решению задач / И. Н. Миролюбов и
др. – 6-е изд. – СПб. : лань, 2004. – 653 с.
Методические пособия
1. Новиков, В. И. Сопротивление материалов: учебно-методическое пособие для студентовзаочников механических специальностей технических вузов / В. И. Новиков, Г. С. Крылов. – Минск:
БГПА, 1994. – 131 с.
2. Летковский, Л. И. Сопротивление материалов: курс лекций / Л. И. Летковский. – Барановичи:
РИО БарГУ. 2007. – 216 с.
3. Гресс, П. В. Сопротивление материалов: руководство к решению задач / П. В. Гресс. – М. :
Высшая школа, 2004. – 158 с.
4. Летковский, Л. И. Механика материалов: пособие по решению задач / Л. И. Летковский. –
Барановичи: РИО БарГУ, 2008 – 118 с.