Объясните почему образец разрушается при нагрузке меньшей чем максимальная

Тема: Испытание материалов на растяжение и сжатие при статическом нагружении. Коэффициент запаса прочности.

1. Для создания современной конструкции необходимо рассчитать все её детали и узлы на прочность, жесткость, устойчивость. В расчетные формулы входят величины, зависящие от физико-механических характеристик материала деталей. Без знания механических свойств материалов невозможно сделать обоснованный выбор материалов рассчитываемой конструкции при определении ее размеров. Для определения этих характеристик проводятся испытания материалов в строгом соответствии с государственными стандартами. Стандарты [1 ¸ 5] определяют правила подготовки образцов, их форму и размеры, а стандарты [6 ¸24] – методики проведения испытаний.

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.

Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.

Наиболее чувствительными и точными являются машины с рычажно-маятниковыми силоизмерениями. Они отличаются надежностью силоизмерения и простотой конструкции.

Универсальная испытательная машина УММ-5 с максимальным усилием нагружения 49 кН снабжена рычажно-маятниковым силоизмерителем. Внешний вид испытательной машины УММ-5 и кинематическая схема ее силоизмерительного устройства показаны на рис.1. Машина имеет пять скоростей нагружения, м/с: 3,33-10-5; 6,67-10-5; 1,67-10-4; 3,33-10-4; 8,33-10-4 и одну скорость холостого хода, равную 1,67-10-3 м/с. Максимальное расстояние между захватами равно 0,8 м. Погрешность измерений равна ± 1% от величины измеряемой нагрузки.

Для создания усилия растяжения вращение от электродвигателя передается через червячную передачу 1 на впрессованную в червячное колесо гайку, в которую вворачивается винт 2, связанный с нижним захватом 3. Это усилие через образец 4, верхний захват 5 и систему рычагов 6 уравновешивается весом груза 10, расположенного на конце маятника 7. Маятник связан зубчатой реечной передачей со шкалой нагрузки 8, а также с диаграммным устройством 9. Это устройство через систему зубчатых передач и зубчатую реечную передачу также связано с нижним захватом 3, что позволяет автоматически записывать диаграмму растяжения – график зависимости абсолютного удлинения ∆ℓ от усилия растяжения F.

2) Диаграммы растяжения : машинная диаграмма растяжений и условная диаграмма растяжений

Точка А (1) соответствует пределу пропорциональности: после нее прямая линия ( прямая пропорциональность) заканчивается и переходит в кривую, т.е. участок диаграммы ОА –удлинение растет пропорционально нагрузке, подтверждается закон Гука

Точка В (2) соответствует пределу упругости материала: материал теряет упругие свойства-способность вернуться к исходным размерам

Точка С (3) является концом участка,на котором образец сильно деформируется без увеличения нагрузки.Это явление называют текучестью, т.е. текучесть – удлинение при постоянной нагрузке

Точка Е (4) соответствует максимальной нагрузке, в этот момент на образце образуется « шейка»-резкое уменьшение площади поперечного сечения. Напряжения в этой точке называют временным сопротивлением разрыву или условным пределом прочности. Участок СЕ-участок упрочнения

3).Основные характеристики прочности (механические характеристики):

Механические характеристики-это числовые характеристики позволяющие оценивать свойства

σпц-предел пропорциональности, наибольшее напряжение, до которого выполняется закон Гука

σт-предел текучести, наименьшее напряжение при котором деформация увеличивается без заметного увеличения нагрузки

σв- предел прочности или временное сопртивление, напряжение, соответствующее

максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца

4.Виды диаграмм растяжения

Различные материалы по-разному ведут себя под нагрузкой, характер деформаций и разрушения зависит от свойств материала.

По типу диаграмм растяжения материалы делят на три группы:

1. Пластичные материалы имеют площадку текучести на диаграмме

2. Хрупкие материалы, мало деформируются, разрушаются по хрупкому типу, на диаграмме нет площадки текучести

3. Пластично-хрупкие, не имеющие площадки текучести, но значительно деформирующиеся под нагрузкой. Их деформацию обычно ограничивают. Максимально возможная относительная деформация ε=0,2%. По величине максимально возможной деформации определяется соответствующее нормальное напряжение σ0,2, которое принимают за предельное

5) При проектировании элементов конструкций выбирают материал и определяют размеры элемента, надежно обеспечивающие его прочность.

Напряжения, при которых нарушается прочность элемента, называют предельными. Нарушением прочности считают не только разрушение элемента конструкции, но и появление хотя бы в одной зоне (точке) остаточных деформаций.

Заметные остаточные деформации в пластичных материалах появляются при напряжениях равных пределу текучести, отсюда следует, что для пластичных материалов предел текучести является предельным напряжением.

Хрупкие материалы разрушаются при малых пластических деформациях и для них предельным напряжением считают предел прочности

Источник

ПроСопромат.ру

Технический портал, посвященный Сопромату и истории его создания

Механические и пластические свойства материалов

При проектировании элементов конструкции и деталей машин необходимо знать механические и пластические свойства материалов. Для этого изготавливаются стандартные образцы, которые подвергаются разрушению в испытательной машине. Для испытания на растяжение рекомендуется применять цилиндрические и плоские образцы. Расчетная длина цилиндрических образцов должна быть равной ℓ₀=5d₀ или ℓ₀=10d₀. Образцы с расчетной длиной ℓ₀=5d₀ называются короткими, а образцы с ℓ₀=10d₀ – длинными. Применение коротких образцов предпочтительнее. В качестве основных применяют образцы диаметром d₀=10 мм. Образцы с меньшими (иногда большими) диаметрами или некруглого поперечного сечения называются пропорциональными. Расчетная длина ℓ₀ на образце отличается рисками.

Расчетную длину образца можно выразить через площадь поперечного сечения:

Таким образом, для коротких образцов:

для длинных образцов:

Эти соотношения используются для определения расчетной длины образцов прямоугольного поперечного сечения.

Соотношения между рабочей ℓ и расчетной ℓ₀ длинами принимают:

для цилиндрических образцов: от ℓ = ℓ₀ + 0,5d₀ до ℓ = ℓ₀ + 3d₀;

для плоских образцов толщиной 4 мм и больше:

Основной задачей испытания на растяжение является построение диаграммы растяжения, т. е. зависимости между силой, действующей на образец и его удлинением.

Испытательная машина сообщает образцу принудительное удлинение и регистрирует силу сопротивления образца, т. е. нагрузку, соответствующую этому удлинению. Результаты опыта записываются с помощью диаграммного аппарата на бумагу в виде диаграммы растяжения в координатах F – Δℓ. Типичная для малоуглеродистой стали диаграмма растяжения образца показана на рисунке.

Данную кривую условно можно разделить на четыре участка. Прямолинейный участок ОА называется участком упругости. Здесь материал образца испытывает только упругие деформации. Зависимость между нагрузкой на образец и его деформацией подчиняется закону Гука:

Удлинение Δℓ на участке ОА очень мало.

Участок ВК называется участком общей текучести, а отрезок ВК – площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести является характерным для малоуглеродистой стали.

Участок КС называется участком упрочнения. Здесь материал вновь обнаруживает способность повышать сопротивление при увеличении деформации. Область упрочнения материала на диаграмме растяжения простирается до точки С, ордината которой равна наибольшей нагрузке на образец F_max.

Начиная с точки С резко меняется характер деформации образца. При возрастании нагрузки на образец от 0 до F все участки образца удлинялись одинаково – образец испытывал равномерную деформацию. По достижении максимальной нагрузки деформация образца начинает сосредотачиваться в каком-то наиболее слабом месте по его длине. В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы (участок СД). Удлинение образца при этом носит местный характер. В этом месте образца интенсивно уменьшаются размеры поперечного сечения (образуется так называемая шейка) и увеличивается длина этого участка. Поэтому участок СД называется участком местной текучести. Точка Д на диаграмме соответствует разрушению образца.

Если испытуемый образец не доводить до разрушения, разгрузить (например, в точке Н), то в процессе разгрузки зависимость между силой Р и удлинением Δℓ изобразится прямой НМ, которая будет параллельна ОА. Длина разгруженного образца будет больше первоначальной на величину ОН. Отрезок ОМ представляет собой остаточное или пластическое удлинение. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой НМ и далее – кривой НСД, как будто промежуточной разгрузки и не было.

Основными механическими характеристиками являются:

Предел пропорциональности: σ_пц = F_пц / А₀

Предел текучести: σ_{т =} F_т / А₀

Предел прочности: σ_в = F_в / А₀

Характеристики пластичности:

относительное удлинение

относительное сужение

где А_ш – площадь сечения образца (шейки) в самом узком месте после разрушения.

Удельная работа деформации: а = F_в Δℓ / V,

где V – объем испытуемого образца,

Напомним, что максимальные напряжения σ_в не могут превышать 1200 МПа у конструкционных материалов.

Диаграмма сжатия пластичных материалов

Образцы из стали закладывают в испытательную машину и подвергают сжатию.

В первой стадии нагружения стального образца материал испытывает упругие деформации. Зависимость между прикладываемой силой и деформацией на диаграмме линейная. Через некоторое время после начала испытания материал достигает состояния текучести. Стрелка силометра при этом останавливается, и на диаграмме ординаты перестают расти. Образец деформируется при постоянной нагрузке. Нагрузку, соответствующую состоянию текучести F_Т материала записываем в журнал испытаний. При дальнейшем сжатии образца показания силометра вновь начинают возрастать. Образец непрерывно сжимается, поперечное сечение его увеличивается, и при отсутствии смазки по торцам образца он приобретает бочкообразную форму. Это объясняется тем, что между опорными плитами и торцами образца действует сила трения, которая не дает возможности частям образца, примыкающим к опорным плитам, двигаться в поперечном направлении. Смазкой торцов образца это явление можно ослабить.

Стальной образец довести до разрушения не удается. Испытание прекращается при нагрузке примерно в два раза больше предела текучести F_Т. Вид образцов до и после испытания показан на рисунке. Типичная диаграмма сжатия малоуглеродистой стали в координатах F – Δℓ показана на рис. справа.

Диаграмма растяжения и сжатия хрупких материалов

Методика испытания хрупких материалов такова, как и для испытания пластичных. Поэтому остановимся на основных отличиях в поведении хрупких материалов. На рисунке показана диаграмма сжатия (кривая 1) и растяжения (кривая 2).

У хрупких материалов всегда отсутствует площадка текучести, хотя многие материалы обладают определенными пластическими свойствами. Для этих материалов за опасное состояние принимается предел прочности. Следует всегда помнить, что предел прочности у хрупких материалов во много раз больше при сжатии. У чугуна эта величина достигает 3-4 раза. Что касается строительных материалов, то эта разница может достигать десятикратного размера.

Источник