Лекция 1-2 (Лекции 1-4), страница 2

Предел текучести _т – напряжение, при котором возникают пластические деформации на начальной стадии деформирования. Предел текучести представляет собой начальное напряжение текучести. Поскольку в начальный момент пластической деформации исходная площадь поперечного сечения изменяется незначительно, с достаточной точностью можно считать, что предел текучести является одинаковым на условной и истинной диаграммах.

Упрочнение (наклёп, нагартовка) – увеличение напряжения текучести материала при увеличении деформации. Получивший предварительное упрочнение материал обладает бόльшим пределом текучести, но меньшей пластичностью, чем неупрочнённый.

Кривая упрочнения – зависимость напряжения текучести материала от деформации. При испытаниях на растяжение или сжатие кривая упрочнения соответствует истинным диаграммам испытаний.

Предел прочности (временное сопротивление) _в – отношение наибольшей силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения. Т.е. предел прочности – это характеристика условной диаграммы растяжения. Важно заметить, что предел прочности в большинстве случаев не является напряжением, при котором разрушается материал. Если отнести силу, соответствующую моменту разрушения образца к действительной площади в месте разрушения, можно обнаружить, что напряжение разрушения значительно больше (для пластичных материалов примерно в два раза) предела прочности. Одинаковые пределы прочности двух разных материалов (рис. 1.4) вовсе не означают, что один материал столь же прочен, как и другой. Равенство этих пределов означает лишь то, что наибольшая сила, соответствующая моменту начала образования шейки, была для обоих материалов одинаковой, но с учётом того, что материал 2 получил в данный момент деформацию ₂, существенно превышающую ₁, ясно, что он имел значительно меньшую истинную площадь поперечного сечения, т.е. в момент образования шейки выдерживал значительно большее напряжение, чем материал 1. Кроме того, при сжатии предел прочности можно с достаточной объективностью определять лишь у весьма хрупких материалов, разрушение которых происходит в начальный момент, т.е. без заметного изменения площади поперечного сечения. Таким образом, в целом предел прочности является весьма условной величиной, которая вошла в практику для сравнительной оценки прочностных свойств материала лишь в силу удобства и простоты определения. В достаточно точных научных расчётах, использующих формулы механики деформируемого твёрдого тела, предел прочности не используется, а его применение всегда означает очень упрощённый учёт прочностных свойств материала. Но в упрощённом понимании прочность характеризуют именно пределы прочности и текучести (применение предела текучести для характеристики прочности обусловлено тем, что в большинстве конструкций пластические деформации являются недопустимыми).

Разновидностью статических нагрузок являются периодически изменяющиеся во времени или циклические нагрузки, приводящие к усталостному разрушению. Способность материалов сопротивляться разрушению под действием циклических нагрузок называется усталостной прочностью или выносливостью. Характеристикой усталостной прочности при наиболее опасном симметричном цикле является предел выносливости _–1 – напряжение, при котором материал выдерживает либо неограниченное число циклов, либо регламентированное число циклов (обычно 10⁸ циклов).

При статических нагрузках, особенно, в условиях высоких температур, наблюдается явление ползучести, проявляющееся в самопроизвольном изменении с течением времени деформаций и напряжений в статически нагруженной детали. Предел ползучести _пл – напряжение, при котором деформация ползучести материала за заданный промежуток времени достигает заданной величины. Заданный промежуток времени обычно принимают равным сроку службы изделия, а деформацию ползучести выбирают из условий нормальной эксплуатации изделия.

Жёсткость материала в пределах упругости характеризуется входящим в закон Гука модулем упругости E. Чем больше модуль упругости, тем жёстче материал, т.е. тем меньше он деформируется при той же самой величине напряжения. Например, если державку режущей пластины токарного резца вместо стали выполнить из латуни, то она может быть не менее прочной (по величине предела прочности или текучести многие латуни не уступают сталям). Однако с учётом того, что модуль упругости латуни (E=1,210⁵ МПа) почти в два раза меньше модуля упругости стали (E=210⁵ МПа), резец с латунной державкой тех же размеров будет прогибаться под действием сил резания вдвое больше, чем стальной, что значительно ухудшит точность обработки. Таким образом, в данном случае латунь устраивает нас по прочности, но не устраивает по жёсткости.

Пластичность характеризуется относительным удлинением при разрыве

, (1.1)

где l₀ и l – начальная и конечная длины образца, и относительным сужением при разрыве

, (1.2)

где S₀ и S – начальная и минимальная после разрыва площади поперечного сечения образца.

Величина  существенно зависит от отношения длины образца l₀ к его диаметру d₀. Поэтому в справочниках указывается, на каком образце определялась величина . Например, ₅ означает, что удлинение было определено на пятикратном образце, а ₁₀ – на десятикратном. Величина  практически не зависит от указанного отношения и поэтому характеризует пластичность более точно.

Нагружение, приводящее к появлению значительных массовых сил, определяемых произведением массы рассматриваемого объема на его ускорение, называется динамическим (частным случаем динамического нагружения является, например, перегрузка космонавта и элементов ракеты при движении её с ускорением, а также ударное нагружение). Массовые силы считаются значительными, если они соизмеримы с прочими силами, действующими на рассматриваемое тело. Нагружение называется скоростным, если пластические деформации не успевают произойти полностью за время изменения нагрузки, т.е. если скорость протекания пластических деформаций является недостаточной для их полного завершения в процессе изменения нагрузки. В этом случае эксперименты показывают значительное влияние увеличения скорости деформирования на механические характеристики материала. Например, при ударном растяжении (одновременно являющимся и динамическим, и скоростным) предел текучести повышается на 20-70%, а предел прочности – на 10-30% по сравнению со статическим растяжением. Пластичность с ростом скорости нагружения резко убывает, и даже у пластичных материалов начинает наблюдаться склонность к хрупкому разрушению. Поскольку для построения диаграммы ударного растяжения требуются очень сложные специальные машины, обычно применяют упрощённый способ оценки свойств материала в условиях ударной нагрузки, называемый испытанием на ударную вязкость а_н, под которой понимается отношение работы, затраченной на разрушение образца с надрезом специальным маятниковым копром (рис. 1.5), к площади прямоугольного поперечного сечения образца в месте надреза. Чем больше ударная вязкость, тем лучше материал сопротивляется удару (тем лучше, например, броня танка сопротивляется пробиванию снарядом или, скажем, наковальня, не трескаясь, выдерживает удары молота).

Так как изготовление и испытание образцов на растяжение или сжатие не только достаточно трудоёмко и требует много времени, но, к тому же, вынуждает портить заготовки или изделия, из которых вырезают эти образцы, то на практике часто прибегают к простой и быстрой сравнительной оценке прочностных свойств материала с помощью пробы на твёрдость, обычно не требующей порчи исследуемых объектов.

Твёрдость – способность материала сопротивляться вдавливанию в него постороннего тела. При измерении твёрдости специальные наконечники вдавливают в материал и судят о твёрдости по обмеру полученного отпечатка. Значение твёрдости и её размерность для одного и того же материала зависят от метода измерения. Наибольшее распространение получили метод Бринелля (твёрдость обозначают НВ), в котором в испытываемую поверхность вдавливается высокопрочный стальной шарик (рис. 1.6-а), обычно используемый для более твёрдых материалов метод Роквелла (три шкалы, используемые в порядке возрастания твёрдости: HRB, HRС, HRА), в котором вдавливается алмазный конус (рис. 1.6-б), и применяемый для материалов малой толщины и тонких поверхностных слоёв высокой твёрдости метод Виккерса (HV), в котором вдавливается четырёхгранная алмазная пирамида с квадратным основанием (рис. 1.6-в). Специальные экспериментальные таблицы, графики или зависимости позволяют по значениям твёрдости приближённо определить предел прочности или предел текучести материала.