Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали

Механические характеристики материалов, т. е. величины, характеризующие их прочность, пластичность, упругость, твердость, необходимые конструктору для выбора материалов и расчетов проектируемых деталей, определяют путем механических испытаний стандартных образцов, изготовленных из исследуемого материала.

Наиболее распространенным механическим испытанием является испытания на растяжение низкоуглеродистой стали) при статическом нагружении.

В процессе этого испытания специальное устройство испытательной машины автоматически вычерчивает диаграмму, выражающую зависимость между растягивающей силой и абсолютным удлинением. т. е. в координатах (). Для изучения механических свойств материала независимо от размеров образца применяется диаграмма в координатах «напряжение - относительное удлинение» (). Эти диаграммы отличаются друг от друга лишь масштабами.

Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали

Особые точки диаграммы растяжения обозначены точками 1,2,3,4,5.

Точка 1 соответствует пределу пропорциональности: удлинение растет пропорционально нагрузке, на этом участке выполняется закон Гука.
Точка 2 соответствует пределу упругости материала, материал теряет упругие свойства – способность вернуться к исходным размерам.
Точка 3 является концом участка, на котором образец сильно деформируется без увеличения нагрузки. Это явление называется текучестью.
Точка 4 соответствует максимальной нагрузке, в этот момент на образце образуется шейка – резкое уменьшение площади поперечного сечения.

Для определения механических характеристик материала рассчитываются величины, имеющие условный характер, усилия в каждой из точек делят на величину начальной площади поперечного сечения. Приведенная диаграмма растяжения не зависит от абсолютных размеров образца.

Эта диаграмма имеет следующие характерные точки и соответствующие им механические характеристики.

Точка 1 соответствует пределу пропорциональности.

Пределом пропорциональности называемся то наибольшее напряжение, до которого деформации растут пропорционально нагрузке, т. е. справедлив закон Гука.

Точка 2 практически соответствует и другому пределу, который называется пределом упругости.

Пределом упругости , называется то наибольшее напряжение, до которого деформации практически остаются упругими.

Точка 3 соответствует пределу текучести.

Пределом текучести называемся такое напряжение, при котором в образце появляемся заметное удлинение без увеличения нагрузки.

Предел текучести являемся основной механической характеристикой при оценке прочности пластичных материалов.

Точка 4 соответствует временному сопротивлению или пределу прочности.

Временным сопротивлением называется условное напряжение, равное отношению максимальной силы, которую выдерживает образец, к первоначальной площади его поперечного сечения

При достижении временного сопротивления на растягиваемом образце образуется местное сужение—шейка, т. е. начинается разрушение образца.

В определении временного сопротивления говорится об условном напряжении, так как в сечениях шейки напряжения будут больше.

Пределом прочности называется временное сопротивление образца, разрушающегося без образования шейки. Предел прочности является основной механической характеристикой при оценке прочности хрупких материалов.

Точка 5 соответствует напряжению, возникающему в образце в момент разрыва во всех поперечных сечениях, кроме сечений шейки.

Это напряжение можно назвать напряжением разрыва.

Основные характеристики прочности

Степень пластичности материала может быть охарактеризована (в процентах) остаточным относительным удлинением и остаточным относительным сужением шейки образца после разрыва: % ; ,

где - максимальное остаточное удлинение; — первоначальная площадь поперечного сечения образца; площадь наименьшего поперечного сечения шейки образца после разрыва.

Расчетная формула при растяжении и сжатии

В результате проведения механических испытаний устанавливают предельные напряжения, при которых происходит нарушение работы или разрушение деталей конструкции.

Предельным напряжением называют напряжение при которых в материалах возникает опасное состояние ( разрушение или опасная деформация ,т.е. происходит нарушение работы или разрушение деталей конструкции ).

Предельным напряжением при статической нагрузке для пластичных материалов является предел текучести, для хрупких - предел прочности. Для обеспечения прочности деталей необходимо, чтобы возникающие в них в процессе эксплуатации напряжения были меньше предельных.

Отношение предельного напряжения к напряжению, возникающему в процессе работы делали, называют коэффициентом запаса прочности и обозначают буквой S: ,где .

Очевидно, что недостаточный коэффициент запаса прочности не обеспечит надежности конструкции, а чрезмерный запас прочности приведет к перерасходу материала и утяжелению конструкции. Сечение, для которого коэффициент запаса прочности наименьший, называется опасным.

Минимально необходимый коэффициент запаса прочности называют допускаемым и обозначают [S]. Допускаемый коэффициент запаса прочности зависит от свойств, качества и однородности материала, точности представления о нагрузках, действующих па конструкцию, ответственности конструкции и многих других причин. Для пластичных материалов [S] = 1,2...2,5, для хрупких [S ] = 2...5, для древесины [S ] = 8... 12.

Отношение предельною напряжения к допускаемому коэффициенту запаса прочности называют допускаемым напряжением и обозначают []:

Условие прочности детали конструкции заключается в том, что наибольшее возникающее в ней напряжение (рабочее) не должно превышать допускаемого:

Условие прочности можно записать в ином виде: , т. е. расчетный коэффициент запаса прочности не должен быть меньше допускаемого.

Расчетная формула при растяжении и сжатии имеет вид

и читается следующим образом: нормальное напряжение в опасном сечении, вычисленное по формуле,не должно превышать допускаемое.

При расчете конструкций па прочность встречаются три вида задач, различающихся формой использования расчетной формулы:

проектный расчет, при котором определяются размеры опасного сечения по формуле ;
проверочный расчет, при котором определяется рабочее напряжение и сравнивается с допускаемым по формуле . Проверочный расчет выполняем по формуле:

Если брус не догружен на 15 % и перегружен на 5 %, то условие прочности выполняется.

определение допускаемой нагрузки ведется по формуле.

studfiles.net

Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали

На рис. 3.2 изображена диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (ст.3), записанная с помощью специального устройства на испытательной машине.

В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией – справедливость закона Гука. Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена через Pпц и используется для вычисления предела пропорциональности:

, (3.1)

где F0 – площадь поперечного сечения образца до испытания.

Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой, и деформацией. Для ст.3 предел пропорциональности приблизительно равен МПа.

Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е.

После достижения предела пропорциональности деформация начинает расти быстрее, чем нагрузка, я диаграмма становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости.

Пределом упругости называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.

Предел упругости существует независимо от закона прямой пропорциональности. Он характеризует начало перехода от упругой деформации к пластической.

У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг, от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают. Для стали ст.3 МПа.

При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок CD – площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка Рт, соответствующая точке D, используется при определении физического предела текучести:

(3.2)

Физическим пределом текучести называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов. Для стали ст.3 МПа.

Зона BD называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом у образца повышается температура, изменяются электропроводность и магнитные свойства.

Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной. Образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения Рmax - точка E на диаграмме. Усилие Рmax используется для вычисления временного сопротивления:

. (3.3)

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением.

Для стали марки ст.3 временное сопротивление МПа.

Зона DE называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечные сечения изменяются незначительно и также равномерно.

При максимальном усилии или несколько меньшем его на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения – шейка (а иногда и две). Дальнейшая деформация происходит в этой зове образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной, части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точке К, называется разрушающей Рк, а напряжения – истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), которые равны:

, (3.4)

где Fк - площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Зона ЕК называется зоной местной текучести, Истинные напряжения в момент разрыва (в шейке) в образце из стали ст.3 достигают 900... 1000 МПа.

Интересен механизм разрушения образца из низкоуглеродистой стали. Образец разрушается, как правило, с образованием «чашечки» на одной его части и «конуса» - на другой. Этот излом называют чашечным или изломом «чашечка - конус».

Помимо указанных характеристик прочности, после разрушения образца определяют характеристики пластичности.

Относительное удлинение после разрыва (%) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:

. (3.5)

Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах. Кроме того, относительное удлинение зависит и от места расположения шейки (разрыва) на расчетной длине образца. При возникновении шейки в средней части образца местные деформации в области шейки могут свободно развиваться и относительное удлинение будет больше, чем в случае, когда шейка возникает ближе к головке образца, тогда местные деформации будут стеснены.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

. (3.6)

Для стали марки ст.3 характеристики пластичности следующие: (при испытании коротких образцов); .

Дата добавления: 2016-09-26; просмотров: 4420; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Определение механических характеристик сталей при растяжении выполняют на специальных разрывных или универсальных машинах различных систем и грузоподъемности в зависимости от типа применяемого образца. Такие машины имеют манометры, дающие возможность фиксировать нагрузки в процессе испытания, а также диаграммные аппараты, позволяющие снимать график зависимости удлинения Δl образца от величины статической нагрузки Р.

Для испытания используют стандартные образцы прямоугольного (рис.3.11а) или круглого поперечного сечений (рис. 3.11б). Круглые цилиндрические образцы бывают длинные и короткие, размеры которых указаны на рис.3.11. Поверхность образцов должна имеет обработку высокого класса.

Для стандартных образцов соблюдаются определенные соотношения между его площадью поперечного сечения F0 , диаметром d и расчетной длиной l0:

и (3.13)

Для образцов прямоугольного поперечного сечения также должно выполняться второе условие (3.13) между расчетной длиной l0 и площадью поперечного сечения F0.

Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали зависимость между напряжениями и деформациями, полученная опытным путем. Можно получить после доведения стандартного образца до разрушения на разрывной машине.

На рис. 3.12а, б показаны такие диаграммы растяжения в системе осей Р~Δļ и перестроенная диаграмма растяжения в осях σ ~ε на основании равенств:

На этой диаграмме следует отметить ряд характерных участков.

Прямолинейный начальный участок диаграммы ОА. На этом участке справедлив закон Гука.

Модуль упругости E -тангенс угла наклона прямой предела пропорциональности к оси ε.

tg α = = Е (3.14)

Процесс деформирования образца обратим. Если разгрузить образец, то разгрузка пойдет по прямой АО.

Предел пропорциональности – максимальное напряжение, при котором справедлив закон Гука.

Предел пропорциональности находят из отношения нагрузки Рпц к первоначальной площади сечения образца F0, т.е.

(3.15)

Значение предела пропорциональности для малоуглеродистой стали σпц≈ 200÷210 МПа.

Рядом с точкой А находится точка В. В пределах участка АВ сталь ведет себя как не линейно упругий материал. Здесь нарушается пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями. Однако процессы нагружение - разгрузка – обратимы. Напряжение σу называется пределом упругости, и определить его можно так:

(3.16)

Предел упругости – это максимальное напряжение, при котором не обнаруживается признаков остаточной деформации.

Точки А и В находятся рядом, поэтому на практике считается, что предел упругости σу и предел пропорциональности σпц совпадают. Для предела упругости вводится понятие условного предела упругости (3.3). Согласно стандарту условный предел упругости равен значению напряжений σ при допуске на пластическую деформацию равную 0,05 %.

Далее следует отметить почти горизонтальный участок диаграммы ВС, который называется площадкой текучести. На полированной поверхности образца в этот момент испытания наблюдаются линии скольжения Людерса - Чернова, направленные под углом 45о и показанные на рис. 3.13. Линии скольжения впервые упоминаются в 1859 году немецким металлургом Людерсом. А потом независимо от него в 1884 году они были обнаружены русским металлургом Черновым, предложившим использовать их при экспериментальных исследованиях напряженного состояния в сложных элементах конструкций.

Эти линии возникают вследствие сдвигов за счет действия наибольших касательных напряжений τmax

Предел текучести – это напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки. Это напряжение вычисляется так:

(3.17)

Значение предела текучести для малоуглеродистой стали σт ≈240 МПа.

Конструкционные стали, как правило, не имеют площадки текучести. Поэтому для них вводится понятие об условном пределе текучести. За условный предел текучести (3.17) принимается такое значение напряжения, при котором остаточная деформация составляет 0,2% и обозначается через σ0,2.

После площадки текучести происходит дальнейший рост деформаций образца Δl, но при увеличении нагрузки Р, что отображено криволинейным участком СD. Если на этом участке образец нагрузить до некоторой точки К, а затем снять нагрузку, то последняя будет происходить по линии КК″, которая параллельна прямой начального участка ОА диаграммы. Полная деформация ε состоит из упругой εу и пластической, или остаточной εост. Материал в точке К будет находится в упруго пластическом состоянии. Если теперь из точки произвести повторное нагружение, то это будет происходить по кривой К″К, образуя петлю гистерезиса, заштрихованную на рис. 3.12. Площадь этой петли характеризует часть энергии, которая рассеивается за счет происходящих необратимых процессов (нагревание, изменение магнитных свойств и т.п.). Как видно при повторном нагружении повышается предел пропорциональности.

Наклеп – это повышение предела пропорциональности при нагружении образца выше площадки текучести.

Поэтому участок СD диаграммы растяжения называется участком упрочнения. При дальнейшем загружении после точки К деформирование образца будет происходить точно также как при отсутствии разгрузки, т.е. по той же кривой СD. В точке D нагрузка Р достигает наибольшего значения Рпч .

Временным сопротивлением или пределом прочности называется напряжение, соответствующее наибольшему значению нагрузки за весь процесс нагружения, который определяется по формуле:

(3.18)

Предел прочности для малоуглеродистой стали составляет σпч ≈ 400 МПа. При этом разрушение образца еще не происходит. В наиболее слабом его месте по длине образца начинает появляться и в дальнейшем развиваться местное сужение – шейка (рис.3.14а). В средней части сечения образца материал становится хрупким и за счет действия максимальных нормальных напряжений σmax появляется трещина. Ближе к его поверхности в материале сохраняются пластические свойства. Пластичный материал плохо сопротивляется сдвиговым воздействиям, обусловленными максимальными касательными напряжениями τmax, которые действуют на площадке под углом 450 к оси стержня. За счет развития шейки резко уменьшается площадь поперечного сечения образца. Сопротивление его растягивающей силе уменьшается, деформации растут при снижении нагрузки на участке Dm и при значении нагрузки Рразр происходит разрыв образца. Характер разрушения его показан на рис. 3.14 б.

Характеристики прочности материала - σпц, σу, σт, σпч .

Определяют по диаграмме растяжения σ~ε.

После обмера разорванного образца вычисляют характеристики пластичности. К ним относятся относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.

Относительное остаточное удлинение (3.15) величина, определяемая по формуле

(3.19):

(для стали Ст.3 δ≈ 21 – 24 %).

Относительное остаточное сужение (3.16) величина, определяемая по формуле:

, (3.20)

Fp – площадь сечения образца после испытания в наиболее узком месте шейки. Для стали Ст.3 значение ψ ≈ 62 – 70 %).

Характеристики пластичности материала - относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.

megaobuchalka.ru

Диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения показывает зависимость удлинения образца от продольной растягивающей силы.

Ее построение является промежуточным этапом в процессе определения механических характеристик материалов (в основном металлов).

Диаграмму растяжения материалов получают экспериментально, при испытаниях образцов на растяжение.

Для этого образцы стандартных размеров закрепляют в специальных испытательных машинах (например УММ-20 или МИ-40КУ) и растягивают до их полного разрушения (разрыва). При этом специальные приборы фиксируют зависимость абсолютного удлинения образца от прикладываемой к нему продольной растягивающей нагрузки и самописец вычерчивает кривую характерную для данного материала.

На рис. 1 показана диаграмма для малоуглеродистой стали. Она построена в системе координат F-Δl, где: F — продольная растягивающая сила, [Н]; Δl — абсолютное удлинение рабочей части образца, [мм]

Рис. 1 Диаграмма растяжения стального образца

Как видно из рисунка, диаграмма имеет четыре характерных участка: I — участок пропорциональности; II — участок текучести; III — участок самоупрочнения; IV — участок разрушения.

Построение диаграммы

Рассмотрим подробнее процесс построения диаграммы.

В самом начале испытания на растяжение, растягивающая сила F, а следовательно, и деформация Δl стержня равны нулю, поэтому диаграмма начинается из точки пересечения соответствующих осей (точка О).

На участке I до точки A диаграмма вычерчивается в виде прямой линии. Это говорит о том, что на данном отрезке диаграммы, деформации стержня Δl растут пропорционально увеличивающейся нагрузке F.

После прохождения точки А диаграмма резко меняет свое направление и на участке II начинающемся в точке B линия какое-то время идет практически параллельно оси Δl, то есть деформации стержня увеличиваются при практически одном и том же значении нагрузки.

В этот момент в металле образца начинают происходить необратимые изменения. Перестраивается кристаллическая решетка металла. При этом наблюдается эффект его самоупрочнения.

После повышения прочности материала образца, диаграмма снова «идет вверх» (участок III) и в точке D растягивающее усилие достигает максимального значения. В этот момент в рабочей части испытуемого образца появляется локальное утоньшение (рис. 2), так называемая «шейка», вызванное нарушениями структуры материала (образованием пустот, микротрещин и т.д.).

Рис. 2 Стальной образец с «шейкой»

Вследствие утоньшения, и следовательно, уменьшения площади поперечного сечения образца, растягиваещее усилие необходимое для его растяжения уменьшается, и кривая диаграммы «идет вниз».

В точке E происходит разрыв образца. Разрывается образец конечно же в сечении, где была образована «шейка»

Работа затраченная на разрыв образца W равна площади фигуры образованной диаграммой. Ее приближенно можно вычислить по формуле:

По диаграмме также можно определить величину упругих и остаточных деформаций в любой момент процесса испытания.

Для получения непосредственно механических характеристик металла образца диаграмму растяжения необходимо преобразовать в диаграмму напряжений.

Предел пропорциональности > Примеры решения задач > Лабораторные работы >

isopromat.ru