Если охарактеризовать понятие предела текучести кратко, то в сопротивлении материалов пределом текучести называют напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация. Предел текучести относится к характеристикам прочности .

Согласно , текучесть - это макропластическая деформация с весьма малым упрочнением dτ/dγ.

Физический предел текучести - это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту площадку (рисунок), σ Т =P Т /F 0 . Здесь 0 - это первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Предел текучести устанавливает границу между упругой и упруго-пластической зонами деформирования. Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации .

Условный предел текучести

Условный предел текучести (он же технический предел текучести). Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести , принимают условный предел текучести - напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определённого значения, установленного техническими условиями (большего, чем это установлено для предела упругости). Под условным пределом текучести обычно подразумевают такое напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%. Таким образом обычно условный предел текучести при растяжении обозначается σ 0,2 .

Выделяют также условный предел текучести при изгибе и условный предел текучести при кручении .

Предел текучести металла

Характеристика, данная выше, справедлива в первую очередь для предела текучести металла. Предел текучести металла измеряется в кг/мм 2 или Н/м 2 . На значение предела текучести металла влияют самые разные факторов, например: толщина образца, режим термообработки, наличие тех или иных примесей и легирующих элементов, микроструктура , тип и дефекты кристаллической решётки и др. Предел текучести металлов сильно меняется с изменением температуры.

Предел текучести стали

Предел текучести сталей в ГОСТах указывается с пометкой "не менее", единица измерения МПа. Приведём в качестве примера регламентируемые значения предела текучести σ Т некоторых распространённых сталей.

Для сортового проката базового исполнения (ГОСТ 1050-88, сталь конструкционная углеродистая качественная) диаметром или толщиной до 80 мм справедливы следующие значения предела текучести сталей:

• Предел текучести стали 20 (Ст20, 20) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 245 Н/мм 2 или 25 кгс/мм 2 .
• Предел текучести стали 30 (Ст30, 30) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 295 Н/мм 2 или 30 кгс/мм 2 .
• Предел текучести стали 45 (Ст45, 45) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 355 Н/мм 2 или 36 кгс/мм 2 .

Для этих же сталей, изготавливаемых по согласованию потребителя с изготовителем, ГОСТ 1050-88 предусматривает иные характеристики. В частности, нормированный предел текучести сталей, определяемый на образцах, вырезанных из термически обработанных стальных заготовок указанного в заказе размера, будет иметь следующие значения:

• Предел текучести стали 30 (Ст30, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм - не менее 400 Н/мм 2 или 41 кгс/мм 2 ; прокат размером от 16 до 40 мм - не менее 355 Н/мм 2 или 36 кгс/мм 2 ; прокат размером от 40 до 100 мм - не менее295 Н/мм 2 или 30 кгс/мм 2 .
• Предел текучести стали 45 (Ст45, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм - не менее 490 Н/мм 2 или 50 кгс/мм 2 ; прокат размером от 16 до 40 мм - не менее 430 Н/мм 2 или 44 кгс/мм 2 ; прокат размером от 40 до 100 мм - не менее 375 Н/мм 2 или 38 кгс/мм 2 .

*Механические свойства стали 30 распространяются на прокат размером до 63 мм.

Предел текучести стали 40Х (Ст 40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543-71): для проката размером 25 мм после термообработки (закалка+отпуск) - предел текучести стали 40Х не менее 785 Н/мм 2 или 80 кгс/мм 2 .

Предел текучести стали 09Г2С (ГОСТ 5520-79, лист, сталь 09Г2С конструкционная низколегированная для сварных конструкций, кремнемарганцовистая). Минимальное значение предела текучести стали 09Г2С для стального проката в зависимости от толщины листа меняется от 265 Н/мм 2 (27 кгс/мм 2) до 345 Н/мм 2 (35 кгс/мм 2). Для повышенных температур минимальное требуемое значение предела текучести стали 09Г2С составляет: для Т=250°C - 225 (23); для Т=300°C - 196 (20); Т=350°C - 176 (18); Т=400°C - 157 (16).

Предел текучести стали 3 . Сталь 3 (углеродистая сталь обыкновенного качества, ГОСТ 380-2005) изготавливается следующих марок: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп. Предел текучести стали 3 регламентируется отдельно для каждой марки. Так, например, требования к пределу текучести Ст3кп, в зависимости от толщины проката, меняются от 195-235 Н/мм 2 (не менее).

Текучесть расплава

Текучесть расплава металла - это способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Текучесть расплава для металлов и металлических сплавов - то же что и жидкотекучесть . (См. Литейные свойства сплавов).

Текучесть жидкости вообще и расплава в частности есть величина, обратная динамической вязкости. В Международной системе единиц (СИ) текучесть жидкости выражается в Па -1 *с -1 .

Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

1. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация: Учебник для вузов. - М.:*МИСИС*, 1997. - 527 с.
2. Жуковец И.И. Механические испытания металлов: Учеб. для сред. ПТУ. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 1986. - 199 с.: ил. - (Профтехобразование). - ББК 34.2/ Ж 86/ УДЖ 620.1
3. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
4. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. - М.: Металлургия, 1980. 296 с.
5. Белянкин Ф.П. Энергетический предел текучести металлов. // Сборник Института строительной механики АН УССР. №9, 1948.152

Разные материалы по-разному реагируют на приложенную к ним внешнюю силу, вызывающую изменение их формы и линейных размеров. Такое изменение называют пластической деформация. Если тело после прекращения воздействия самостоятельно восстанавливает первоначальную форму и линейные размеры — такая деформация называется упругой. Упругость, вязкость, прочность и твердость являются основными механическими характеристиками твердых и аморфных тел и обуславливают изменения, происходящие с физическим телом при деформации под действием внешнего усилия и ее предельном случае — разрушении. Предел текучести материала — это значение напряжения (или силы на единицу площади сечения), при котором начинается пластическая деформация.

Знание механических свойств материала чрезвычайно важно для конструктора, который использует их в своей работе. Он определяет максимальную нагрузку на ту или иную деталь или конструкцию в целом, при превышении которой начнется пластическая деформация, и конструкция потеряет с вою прочность, форму и может быть разрушена. Разрушение или серьезная деформация строительных конструкций или элементов транспортных систем может привести к масштабным разрушениям, материальным потерям и даже к человеческим жертвам.

Предел текучести — это максимальная нагрузка, которую можно приложить к конструкции без ее деформации и последующего разрушения. Чем выше его значения, тем большие нагрузки конструкция сможет выдержать.

На практике предел текучести металла определяет работоспособность самого материала и изделий, изготовленных из него, под предельными нагрузками. Люди всегда прогнозировали предельные нагрузки, которые могут выдержать возводимые ими строения или создаваемые механизмы. На ранних этапах развития индустрии это определялось опытным путем, и лишь в XIX веке было положено начало созданию теории сопротивления материалов. Вопрос надежности решался созданием многократного запаса по прочности, что вело к утяжелению и удорожанию конструкций. Сегодня необязательно создавать макет изделия определенного масштаба или в натуральную величину и проводить на нем опыты по разрушению под нагрузкой — компьютерные программы семейства CAE (инженерных расчетов) могут с точностью рассчитать прочностные параметры готового изделия и предсказать предельные значения нагрузок.

Величина предела текучести материала

С развитием атомной физики в XX веке появилась возможность рассчитать значение параметра теоретическим путем. Эту работы первым проделал Яков Френкель в 1924 году. Исходя из прочности межатомных связей, он путем сложных для того времени вычислений определил величину напряжения, достаточного для начала пластической деформации тел простой формы. Величина предела текучести материала будет равна

τ τ =G/2π. , где G - модуль сдвига, как раз и определяющий устойчивость связей между атомами.

Расчет величины предела текучести

Гениальное допущение, сделанное Френкелем при расчетах, заключалось в том, что процесс изменения формы материала рассматривался как приводимый в действие напряжениями сдвига. Для начала пластической деформации полагалось достаточным, чтобы одна половина тела сдвинулась относительно другой до такой степени, чтобы не смогла вернуться в начальное положение под действием сил упругости.

Френкель предположил, что испытываемый в мысленном эксперименте материал имеет кристаллическое или поликристаллическое строение, свойственно для большей части металлов, керамики и многих полимеров. Такое строение предполагает наличие пространственной решетки, в узлах которой в строго определенном порядке расположены атомы. Конфигурация этой решетки строго индивидуальны для каждого вещества, индивидуальны и межатомные расстояния и связывающие эти атомы силы. Таким образом, чтобы вызвать пластическую деформацию сдвига, потребуется разорвать все межатомные связи, проходящие через условную плоскость, разделяющую половины тела.

При некотором значении напряжения, равному пределу текучести, связи между атомами из разных половин тела разорвутся, и рады атомов сместятся друг относительно друга на одно межатомное расстояние без возможности вернуться в исходное положение. При продолжении воздействия такой микросдвиг будет продолжаться, пока все атомы одной половины тела не потеряют контакт с атомами другой половины

В макромире это вызовет пластическую деформацию, изменит форму тела и при продолжении воздействия приведет к его разрушению. На практике линия начала разрушений проходит не посередине физического тела, а находится в местах расположения неоднородностей материала.

Физический предел текучести

В теории прочности для каждого материала существует несколько значений этой важной характеристики. Физический предел текучести соответствует значению напряжения, при котором, не смотря на деформацию, удельная нагрузка не меняется вовсе или меняется несущественно. Иными словами, это значение напряжения, при котором физическое тело деформируется, «течет», без увеличения прилагаемого к образцу усилия

Большое число металлов и сплавов при испытаниях на разрыв демонстрируют диаграмму текучести с отсутствующей или слабо выраженной «площадкой текучести». Для таких материалов говорят о условном пределе текучести. Его трактуют как напряжение, при котором происходит деформация в переделах 0,2%.

К таким материалам относятся легированные и высокоуглеродистые стальные сплавы, бронза, дюралюминий и многие другие. Чем более пластичным является материал, тем выше для него показатель остаточных деформаций. Примером пластичных материалов могут служить медь, латунь, чистый алюминий и большинство низкоуглеродистых стальных сплавов.

Сталь, как самый популярный массовый конструкционный материал, находится под особо пристальным вниманием специалистов по расчету прочности конструкций и предельно допустимых нагрузок на них.

Стальные сооружения в ходе их эксплуатации подвергаются большим по величине и сложным по форме комбинированным нагрузкам на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Нагрузки могут быть динамическими, статическими и периодическими. Несмотря на сложнейшие условия использования, конструктор должен обеспечить у проектируемых им конструкций и механизмов долговечность, безотказность и высокую степень безопасности как для персонала, таки для окружающего населения.

Поэтому к стали и предъявляются повышенные требования по механическим свойствам. С точки зрения экономической эффективности, предприятие стремится снизить сечение и другие размеры производимой им продукции, чтобы снизить материалоемкость и вес и повысить, таким образом, эксплуатационные характеристики. На практике это требование должно быть сбалансировано с требования ми по безопасности и надежности, зафиксированными в стандартах и технических условиях.

Предел текучести для стали является ключевым параметрам в этих расчетах, поскольку он характеризует способность конструкции выдерживать напряжения без необратимых деформаций и разрушения.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Согласно физико-химическому принципу аддитивности, изменение физических свойств материалов определяется процентным содержанием углерода. Повышение его доли до 1,2% дает возможности увеличить прочность, твердость, предел текучести и пороговую хладоемкость сплава. Дальнейшее повышение доли углерода приводит к заметному снижению таких технических показателей, как способность к свариваемости и предельная деформация при штамповочных работах. Стали с низким содержанием углерода демонстрируют наилучшую свариваемость.

Азот и кислород в сплаве

Эти неметаллы из начала таблицы Менделеева являются вредными примесями и снижают механические и физические характеристики стали, такие, например, как порог вязкости, пластичность и хрупкость. Если кислород содержится в количестве свыше 0,03%- это ведет к ускорению старения сплава, а азот увеличивает ломкость материала. С другой стороны, содержание азота повышает прочность, снижая предел текучести.

Добавки марганца и кремния

Легирующая добавка в виде марганца применяется для раскисления сплава и компенсации отрицательного влияния вредных серосодержащих примесей. Ввиду своей близости по свойствам к железу существенного самостоятельного влияния на свойства сплава марганец не оказывает. Типовое содержание марганца – около 0,8%.

Кремний оказывает похожее воздействие, его добавляют в процессе раскисления в объемной доле, не превышающей 0,4%. Поскольку кремний существенно ухудшает такой технический показатель, как свариваемость стали. Для конструкционных сталей, предназначенных для соединения сваркой, его доля не должна превышать 0,25%. На свойства стальных сплавов кремний влияния не оказывает.

Примеси серы и фосфора

Сера является исключительно вредной примесью и отрицательно воздействует на многие физические свойства и технические характеристики.

Предельно допустимое содержание этого элемента в виде хрупких сульфитов– 0,06%

Сера ухудшает пластичность, предел текучести, ударную вязкость, износостойкость и коррозионную стойкость материалов.

Фосфор оказывает двоякое воздействие на физико-механические свойства сталей. С одной стороны, с повышением его содержания повышается предел текучести, однако с другой стороны, одновременно понижаются вязкость и текучесть. Обычно содержание фосфора находится в пределах от 0,025 до 0,044%. Особенно сильное отрицательное влияние фосфор оказывает при одновременном повышении объемных долей углерода.

Легирующие добавки в составе сплавов

Легирующими добавками называют вещества, намеренно введенные в состав сплав для целенаправленного изменения его свойств до нужных показателей. Такие сплавы называют легированными сталями. Лучших показателей можно добиться, добавляя одновременно несколько присадок в определенных пропорциях.

Распространенными присадками являются никель, ванадий, хром, молибден и другие. С помощью легирующих присадок улучшают значение предела текучести, прочности, вязкости, коррозионной стойкости и многих других физико-механических и химических параметров и свойств.

Текучесть расплава металла

Текучестью расплава металла называют его свойство полностью заполнять литейную форму, проникая в малейшие полости и детали рельефа. От этого зависит точность отливки и качество ее поверхности.

Свойство можно усилить, если поместить расплав под избыточное давление. Это физическое явление используется в установках литья под давлением. Такой метод позволяет существенно повысить производительность процесса литья, улучшить качество поверхности и однородность отливок.

Испытание образца для определения предела текучести

Чтобы провести стандартные испытания, используют цилиндрический образец диаметром 20 мм и высотой 10 мм, закрепляют его в испытательной установке и подвергают растягиванию. Расстояние между нанесенными на боковой поверхности образца метками называют расчетной длиной. В ходе измерений фиксируют зависимость относительного удлинения образца от величины растягивающего усилия.

Зависимость отображают в виде диаграммы условного растяжения. На первом этапе эксперимента рост силы вызывает пропорциональное увеличение длины образца. По достижении предела пропорциональности диаграмма из линейной превращается в криволинейную, теряется линейная зависимость между силой и удлинением. На этом участке диаграммы образец при снятии усилия еще может вернуться к исходным форме и габаритам.

Для большинства материалов значения предела пропорциональности и предела текучести настолько близки, что в практических применениях разницу между ними не учитывают.

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, , . Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. Статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.
2. Динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.
3. Повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Прочность.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца Δl (мм) от действующей нагрузки Р, то есть Δl = f(P) . Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения Δl от напряжения δ.

Диаграмма растяжения материала

Рис 1: а – абсолютная , б – относительная; в – схема определения условного предела текучести

Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки: участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а , называется пределом пропорциональности.

Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Предел пропорциональности.

Предел пропорциональности (σ пц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения). Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа .

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости , – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации (σ 0.05).

Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Предел текучести.

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести σ m – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести σ 0.2 – это напряжение вызывающее остаточную деформацию δ = 0.20%.

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести. Равномерная по всему объему продолжается до значения предела прочности. В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Предел прочности.

Предел прочности σ в – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом. Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рисунок 2).

Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.

Истинная диаграмма растяжения

Рис. 2

F к - конечная площадь поперечного сечения образца.

Истинные напряжения S i определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения в данный момент времени.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Пластичность.

Пластичность – способность материала к пластической деформации, то есть способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Характеристики:

• относительное удлинение :

l о и l к – начальная и конечная длина образца;

При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного се­чения F0 и рабочей (расчетной) длиной L0 строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка - удлинение образца (рис. 2.1). На диаграмме вы­деляют три участка: упругой деформации до нагрузки Р(упр); равномерной пластической деформации от Р(упр) до Р(макс) и сосредоточенной пластиче­ской деформации от Р(макс) до Р(критич). Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Р(пц). Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

На небольшом участке от Р(пц) до Р(упр) нарушается линейная зависи­мость между Р и (дельта)L из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Пластическое деформирование выше Р(упр) идет при возрастающей на­грузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упроч­нение металла при деформировании называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хо­тя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р(макс) до Р(критич). Это объясняется появлением в образце местного утонения - шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформа­ция. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется.

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непре­рывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением дей­ствующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что попе­речное сечение F0 образца остается неизменным. Напряжения (сигма)Упр, (сигма)Т и (сигма)B - стандартные характеристики прочности. Каждая получается деле­нием соответствующей нагрузки Р(урп), Р(Т) и Р(макс) на начальную площадь поперечного сечения F0.

Пределом упругости (сигма)Упр называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданного значения, установленного услови­ями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают (сигма)0.005, (сигма)0.02 и (сигма)0.05. Предел упругости - важная характеристика пружинных материа­лов, которые используют для упругих приборов и машин.

Условный предел текучести - это напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0,2%; его обозначают (сигма)0.2. Физиче­ский предел текучести (сигма)Т определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растя­жение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Вы­бранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение (сигма)0.2 несложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше (сигма)0.2 (обычно в 1,5 раза) или меньше (сигма)B (в 2,4 раза).

Для малопластичных материалов испытания на растяжения вызыва­ют значительные затруднения. Незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на из­гиб.

Механические свойства характеризуют сопротивление материала де­формации, разрушению или особенность его поведения в процессе разру­шения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу та­ких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стан­дартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели меха­нических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, кото­рые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами кон­кретного изделия и оценивают работоспособность материала в условиях эксплуатации.

2.2.1. Механические свойства, определяемые при статических нагрузках

Статические испытания предусматривают медленное и плавное на­растание нагрузки, прилагаемой к испытываемому образцу. По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испы­тания на растяжение (ГОСТ 1497-84), которые дают возможность опре­делить несколько важных показателей механических свойств.

Испытания на растяжение

При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного се­чения F 0 и рабочей (расчетной) длиной L0 строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка - удлинение образца (рис. 2.1). На диаграмме вы­деляют три участка: упругой деформации до нагрузки Р(упр); равномерной пластической деформации от Р(упр) до Р(макс) и сосредоточенной пластиче­ской деформации от Р(макс) до Р(критич). Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Р(пц). Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

На небольшом участке от Р(пц) до Р(упр) нарушается линейная зависи­мость между Р и (дельта)L из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Пластическое деформирование выше Р(упр) идет при возрастающей на­грузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упроч­нение металла при деформировании называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хо­тя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р(макс) до Р(критич). Это объясняется появлением в образце местного утонения - шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформа­ция. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется.

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непре­рывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением дей­ствующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что попе­речное сечение F 0 образца остается неизменным. Напряжения (сигма)Упр, (сигма)Т и (сигма)B - стандартные характеристики прочности. Каждая получается деле­нием соответствующей нагрузки Р(урп), Р(Т) и Р(макс) на начальную площадь поперечного сечения F 0.

Пределом упругости (сигма)Упр называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданного значения, установленного услови­ями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают (сигма)0.005, (сигма)0.02 и (сигма)0.05. Предел упругости - важная характеристика пружинных материа­лов, которые используют для упругих приборов и машин.

Условный предел текучести - это напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0,2%; его обозначают (сигма)0.2. Физиче­ский предел текучести (сигма)Т определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растя­жение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Вы­бранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение (сигма)0.2 несложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше (сигма)0.2 (обычно в 1,5 раза) или меньше (сигма)B (в 2,4 раза).

Для малопластичных материалов испытания на растяжения вызыва­ют значительные затруднения. Незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на из­гиб.

Испытания на изгиб

При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб - более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластич­ные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверх­ностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах боль­шой длины (l /h > 10) цилиндрической или прямоугольной формы, ко­торые устанавливают на две опоры. Используют две схемы на­гружения: сосредоточенной силой (этот способ применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Для пластичных материалов испытания на изгиб не применяют, так как образцы изгибаются без разрушения до соприкосновения обоих концов.

Испытания на твердость

Под твердостью понимается способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела - индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный нако­нечник в виде конуса или пирамиды. При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что она протека­ет в небольшом объеме и вызвана действием значительных касательных напряжений, так как вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию. По этой причине пластиче­скую деформацию испытывают не только пластичные, но хрупкие матери­алы! Таким образом, твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации. Такое же сопротивление оценивает и предел прочности, при определении которого возникает сосредоточенная дефор­мация в области шейки. Поэтому для целого ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны. От­меченная особенность, а также простота измерения позволяют считать испытания на твердость одним из наиболее распространенных видов ме­ханических испытаний. На практике широко применяют четыре метода измерения твердости.

Твердость по Бринеллю. При этом стандартном методе измерения твердости в поверхность образца вдавливают закален­ный стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000 Н до 30000 Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d . Диаметр лунки измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями.

На практике при измерении твердости расчет по указанной выше фор­муле не производят, а используют заранее составленные таблицы, указы­вающие значение НВ в зависимости от диаметра отпечатки и выбранной нагрузки. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Способ измерения по Бринеллю не является универсальным. Его ис­пользуют для материалов малой и средней твердости: сталей с твердо­стью < 450 НВ, цветных металлов с твердостью < 200 НВ и т.п.

Твердость по Виккерсу. При стандартном методе измерения твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливают четырехгранную ал­мазную пирамиду с углом при вершине 136 градусов. Отпечаток получа­ется в виде квадрата, диагональ которого измеряют по­сле снятия нагрузки.

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, име­ющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, использу­ют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.

Твердость по Роквеллу. Этот метод измерения твердости наиболее универсален и наименее трудоемок. Здесь не нужно измерять размеры отпечатка, так как число твердости отсчитывают не­посредственно по шкале твердомера. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный ко­нус с углом при вершине 120 градусов или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Нагрузку выбирают в зависимости от материала наконечника.

Микротвердость. Ми­кротвердость определяют вдавливанием в поверхность образца алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,05 - 5 Н) и измерением диагона­ли отпечатка. Методом определения микротвердости оце­нивают твердость отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев или тонких деталей.