2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяяоение, позволяющие по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава.

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497-84). Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рис. 62).

Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием йапряжений а, величина которых является условной , где — начальная площадь поперечного сечения. До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала (где — относительная

Рис. 62. Диаграмма растяжения металлов для условная (1) и истинных (2) напряжений (а) и диаграмма истинных напряжений (б): I - облаешь упругой деформации; II — облаоть пластической деформации; III - область развития трещав

деформация). Модуль упругости Е определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации. Физический смысл Е сводится к тому, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации, т. е. смещение атомов из положения равновесия в решетке. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Закон пропорциональности между напряжением и деформацией является справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших напряжениях в упругой области наблюдаются отклонения от закона пропорциональности. Это явление называют неупругостью. Оно проявляется в том, что деформация, оставаясь обратимой, отстает по фазе от действующего напряжения. В связи с этим при нагрузке-разгрузке на диаграмме растяжения вместо прямой линии получается петля гистерезиса, так как линии нагрузки и разгрузки не совпадают между собой Неупругость связана с движением точечных дефектов дислокации и атомов в приграничных объемах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности Обычно определяют условный предел пропорциональности, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением

достирает такой величины, что тангенс урла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50 % своего значения на линейном (упругом) участке.

Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практически вызывают только упругие (в микроскопическом смысле) деформации, поэтому нередко от отождествляют с условным пределом упругости. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05 % (или еще меньше) первоначальной длины образца:

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %, называют условным пределом текучести:

При испытании железа и других металлов с ОЦК решеткой при достижении определенного напряжения на кривой растяжения образуется площадка. Напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки, называется физическим пределом текучести:

Предел текучести является расчетной характеристикой, некоторая доля от определяет допустимую нагрузку, исключающую остаточную деформацию. По величине при нормальной температуре различают три класса материалов (табл. 1).

Если допустимые напряжения определяются величиной упругой деформации (жесткая конструкция), то в расчетах используется величина модуля упругости Е. В этом случае стремиться к получению высокого значения не следует. Величины от и характеризуют сопротивление малым деформациям.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла.

Таблица 1. (см. скан) Классификация сплавов по прочности

Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности:

У пластичных металлов, начиная напряжения деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент образец разрушается (точка С на рис. 62, а).

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение

и относительное сужение

где — длина образца, и — площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно. Отношение изменения длины к начальной длине определяет условное удлинение. Отношение в каждый данный момент изменения длины к длине в этот момент дает истинное удлинение:

Переход от проведен, исходя из предположения о постоянстве объема при деформировании. Повышение прочности обычно сопровождается снижением пластичности материала.

На рис. 62, б приведена диаграмма истинных напряжений, построенная в координатах Учитывая, что роль пластической деформации несравненно больше, чем упругой, считают, что участок диаграммы, соответствующий упругой деформации, совпадает с осью координат.

Истинное сопротивление отрыву (разрушению) определяется как отношение усилия в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва:

В случае хрупкого разрушения и определяет действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала (см. рис. 62, б). При вязком разрушении (когда образуется шейка)

Рис. 63. Схема испытания на изгиб

Рис. 64. Образец для определения вязкости разрушения

характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не разрушению. В конструкторских расчетах практически не используются, так как трудно представить конструкцию, работоспособность которой не нарушится при пластической деформации отдельных деталей или узлов.

Кривая 2 на рис. 62, а показывает, что в процессе растяжения металл испытывает деформационное упрочнение (наклеп).

Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент деформационного упрочнения

Характеристики материалов а также Е являются базовыми — они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входят в расчеты прочности и ресурса.

Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих материалов, хрупких при растяжении, применяют испытание на сжатие (ГОСТ 25.503-80). Эти материалы при растяжении разрушаются путем отрыва, при сжатии разрушаются срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатие.

Испытание на изгиб. Для хрупких материалов (чугун, инструментальные стали после поверхностного упрочнения и т. д.) широко применяют испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80). Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образец, лежащий на двух опорах (рис. 63). Предел прочности при изгибе подсчитывают по формуле

где — максимальный изгибающий момент; — для прямоугольного сечения образца — высота и ширина образца) и — для круглого сечения.

Испытание на вязкость разрушения. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины (трещиноподобные дефекты) или те же дефекты, возникающие в

процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся острой (опасной) трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождению.

В основе испытаний на вязкость разрушения лежат положения линейной механики разрушения. Разработанные . Ирвиным положения позволяют оценить влияние трещин и подобных им дефектов на сопротивление материала хрупкому разрушению. Базой для развития линейной механики разрушения послужили работы Гриффитса, который показал, что хрупкое разрушение связано с наличием в материале трещин, вызывающих локальную концентрацию напряжений, и происходит в результате самопроизвольного движения этих трещин, поддерживаемого энергией, накопленной в материале вследствие упругой деформации.

По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины: , где — безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; — номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, с — длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид:

Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения — достижение величиной К критического значения, т. е. Следовательно, если то разрушения не произойдет.

Параметр Ирвина определяют экспериментально. Чаще определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва — перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают и называют его вязкостью разрушения при плоской деформации.

Испытание на вязкость разрушения проводят по схеме внецентрального растяжения специальных образцов при изгибе. Для испытания применяют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односторонним острым надрезом (рис. 64). От надреза наводится на пульсаторе усталостная трещина. Образцы различных материалов должны иметь разные размеры. Должно соблюдаться требование, чтобы суммарная глубина надреза и толщина сечения образца были больше величины 2,5 Значение вычисляют при нагрузке

отвечающей началу нестабильного развития трещины (рис. 65). При испытании строят диаграмму нагрузка Р — смещение V (смещение берегов трещины, т. е. расстояния между точками по обе стороны от трещины вследствие ее раскрытия); по диаграмме находят (рис. 65) нагрузку и по ней рассчитывают коэффициент интенсивности напряжения , где — размеры образца

Рис. 65. Основные типы диаграммы нагрузка Р — смещение V

(см. рис. 64), а — безразмерная величина, учитывающая геометрию образца и отношение длины трещины с к ширине образца Коэффициент определяют по специальным таблицам.

Для определения проводят секущую с наклоном на меньше, чем наклон касательной О А. Если кривая не имеет скачка (рис. 65, I), то коэффициент рассчитывают по нагрузке определяемой точкой пересечения кривой с секущей На диаграммах рис. 65, II и III значение соответствует максимальной нагрузке.

Для проверки достоверности результатов испытаний на диаграмме проводят горизонтальную линию, соответствующую . Если то испытание признается удовлетворительным (рис. 65), в противном случае испытание повторяют на образцах других размеров.

Для определения подсчитывают величину Если она меньше толщины образца и суммарной глубины надреза, то . В противном случае проводят новое испытание на больших образцах.

Величина — вязкость разрушения — определяет способность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэтому нередко называют трещиностойкостью. Чем выше значение тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого материала.

Как видно из рис. 66, с увеличением возрастает размер допустимой трещины с при данном рабочем напряжении а. Например, при рабочем напряжении при допустима трещина размером а при более низком значении — меньшего размера с.

Критерий позволяет определить максимально допустимые напряжения в реальной конструкции при наличии трещины определенной длины или, наоборот, при данном рабочем напряжении допустимую длину трещины без хрупкого разрушения конструкции.

Вязкость разрушения как правило, тем ниже, чем выше предел текучести (рис. 67).

Для сплавов титана показано, что при отношении

0,24 критическая длина трещины измеряется в сантиметрах

Рис. 66. Схема зависимости критического размера с трещины от напряжений для разных значений

Рис. 67. Зависимость вязкости разрушения от для стали титановых (2) и алюминиевых (3) сплавов

и закритическое развитие ее исключено. При отношении критическая длина трещины снижается до см, а при — до нескольких микрометров. Поэтому для повышения конструктивной прочности нередко отказываются от высокопрочных материалов вследствие низкого значения их трещиностойкости и возможности хрупкого разрушения.

Критерии вязкости разрушения чаще используют для характеристик высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).

Для таких конструкций расчеты можно проводить с точностью до . В остальных случаях погрешность расчетов, без учета поправок может достигать

Величина является структурно чувствительной характеристикой металла.