Р ис. 9

По-разному ведут себя пластичные и хрупкие материалы и при испытании на сжатие. Как уже упоминалось, испытание на сжатие производится на коротких цилиндрических образцах. Для малоуглеродистой стали диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рис. 10. Здесь, как и для растяжения, обнаруживается площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем, од­нако, нагрузка не падает, как при растяжении, а резко возрастает. Происходит это в результате того, что площадь поперечного сечения сжатого образца увеличивается; сам образец вследствие трения на торцах принимает бочкообразную форму (рис. 11). Довести образец пластического материала до разрушения практически не удается. Испытуемый цилиндр сжимается в тонкий диск (см. рис. 11), и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии для такого рода материалов найден быть не может .

Рис. 10 Рис. 11

И наче ведут себя при испы­тании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения (см. рис. 9). Предел прочности хрупкого материала при сжатии определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с образованием тре­щин по наклонным или продольным плоскостям (рис. 12).

Рис. 12

С
опоставление предела прочности хрупких материалов при рас­тяжении _вр с пределом прочности при сжатии _вр показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочност­ными показателями при сжатии, нежели при растяжении. Величина отношения

для чугуна k колеблется в пределах 0,2  0,4. Для керамических материалов k = 0,1  0,2.

Для пластичных материалов сопоставление прочностных харак­теристик на растяжение и сжатие ведется по пределу текучести (_тр и _тс ). Принято считать, что _тр  _тс.

Существуют материалы, способные воспринимать при растяже­нии большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру, — дерево и некоторые типы пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые металлы, например магний. Деление материалов на пластичные и хрупкие яв­ляется условным не только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в показателе . В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пла­стичные — как хрупкие.

Очень большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения и температурное воздей­ствие. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузок — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать оста­точные деформации. Пластичные же материалы, такие, как мало­углеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.

Одной из основных технологических операций, позволяющих из­менять в нужном направлении свойства материала, является термо­обработка.Известно, например, что закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства. Для большинства широко применяемых в машиностроении материалов хорошо из­вестны те режимы термообработки, которые обеспечивают получе­ние необходимых механических характеристик материала.

Испытание образцов на растяжение и сжатие дает объективную оценку свойств материала. В производстве, однако, для оператив­ного контроля над качеством изготовляемых деталей этот метод испытания представляет в ряде случаев значительные неудобства. На­пример, при помощи испытания на растяжение и сжатие трудно контролировать правильность термообработки готовых изделий. Поэтому на практике большей частью прибегают к сравнитель­ной оценке свойств материала при помощи пробы на твердость.

Под твердостью понимается способность материала противодей­ствовать механическому проникновению в него посторонних тел. По­нятно, что такое определение твердости повторяет, по существу, опре­деление свойств прочности. В материале при вдавливании в него острого предмета возникают местные пластические деформации, со­провождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разру­шением. Поэтому показатель твердости связан с показателями проч­ности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения, ис­пытания.

Наиболее широкое распространение получили пробы по Бринелю и по Роквеллу. В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик диаметром 10 мм, во втором — алмазный острый наконечник. По обмеру полученного отпечатка судят о твердости материала. Испытательная лаборатория обычно располагает составленной путем экспериментов переводной табли­цей, при помощи которой можно приближенно по показателю твер­дости определить предел прочности материала. Таким образом, в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

Влияние температуры и фактора времени на механические характеристики материала

Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испы­таниям в так называемых нормальных условиях, но диапазон температур, в пределах которого реально работают кон­струкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нор­мальных условий. Есть конструкции, где материал находится под действием чрезвычайно высоких температур, как, например, в стен­ках камер воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низ­кими. Это—элементы холодильных установок и резервуары, содер­жащие жидкие газы.

В широких пределах изменяются также и скорости нагружения, и время действия внешних сил. Существуют нагрузки, весьма мед­ленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Есть нагрузки, действую­щие годами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что и зависимости от указанных обстоятельств механи­ческие свойства материалом будут проявляться по-разному. Обобщающий анализ свойств материала с учетом температуры и времени оказывается очень сложным и не укладывается и простые экспериментально полученные кривые, подобные диаграммам растя­жения. Функциональная зависимость между четырьмя параметрами , , температурой t° и временем t

f(,, t°, t)=0

не является однозначной и содержит в сложном виде дифференциальные и интегральные соотношения входящих в нее величин. Так как в общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривается в настоящее время применительно к частным классам задач. Деление на классы производится и основном по типу действующих внешних сил. Различают медленно изме­няющиеся, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки.

Основными являются медленно изменяющиеся, или статические нагрузки. Скорость изме­нения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Иначе говоря, работа внешних сил преобразуется только в упругую потенциальную энергию, а также в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела. Испытание материа­лов в так называемых нормальных условиях происходит под дейст­вием статических нагрузок

Е
сли вести испытания на растяжение при различных температу­рах образца, оставаясь в пределах «нормальных» скоростей деформации

то можно в определенном интервале получить зависимость механи­ческих характеристик от тем­пературы. Эта зависимость обусловлена температурным из­менением внутрикристаллических и межкристаллических свя­зей, а в некоторых случаях и структурными изменениями ма­териала.

Рис. 13

Н а рис. 13 показана зави­симость от температуры моду­ля упругости Е, предела теку­чести _тр, предела прочности _вр и удлинения при разрыве  для малоуглеродистой стали в интервале 0—500°С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах изменения температуры до 300°С практически не меняется. Более существенные измене­ния претерпевают величина _вр и, особенно, , причем имеет место, как говорят, «охрупчивание» стали — удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем уве­личении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.

Чем выше температура, тем труднее определить механические характеристики материала.

Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, но­сит название ползучести.

Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряже­нии. Это явление носит на­звание последействия. На­глядной иллюстрацией по­следействия может служить наблюдаемое увеличение раз­меров диска и лопаток га­зовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высо­ких температур. Это увели­чение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя.

Другим частным проявлением свойств ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной дефор­мации. Релаксацию можно наблюдать, в част­ности, на примере ослабления затяжки бол­товых соединений, работающих в условиях высоких

температур.

Рис. 14

В ид диаграмм релаксации, дающих зависимость напряжения от времени, представлен на рис. 14. Основными механическими характеристиками материала в усло­виях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.

Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.

Таким образом, предел длительной прочности зависит от задан­ного промежутка времени до момента разрушения. Последний выби­рается равным сроку службы детали и меняется в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной проч­ности. С увеличением времени он падает.

Пределом ползучести называется напряжение, при котором плас­тическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.

Как видим, для определения предела ползучести необходимо за­дать интервал времени (который определяется сроком службы де­тали) и интервал допустимых деформаций (который определяется условиями эксплуатации детали). Предел длительной прочности и предел ползучести сильно зави­сят от температуры. С увеличением температуры они уменьшаются.

Среди различных типов статических нагрузок особое место за­нимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок связываются с понятиями выносливости или усталости материала.