Прочность, упругость, пластичность, усталость

Прочность, упругость и пластичность определяются при испы­тании металлов на растяжение. Для проведения испытания изготовляют образцы плос­кой (из листового материала) или круглой формы. В образце наибо­лее важны два размера: диаметр d испытуемой части и расчетная длина l₀. По результатам испытаний машина записывает диаграмму растяжения. По оси абсцисс в определенном масштабе указывается удлинение образца (в миллиметрах), по оси ординат — приложенная к нему нагрузка.

Для получения сравнимых результатов введено понятие нор­мальное напряжение.

Нормальным напряжением называется нагрузка на единицу площади поперечного сечения образца. Нормальное напряжение обозначается греческой буквой а Если нагрузка Р выражена в ньютонах, а площадь поперечного сечения F в квадратных мил­лиметрах, то пользуясь диаграммой растяжения, можно опреде­лить показатели механических свойств металлов (Па):

.

Точка А соответствует максимальной нагрузке, которую выдерживает образец, не теряя своих упругих свойств. Если к образцу приложить такую или меньшую нагрузку, а затем ее снять, то никакого остаточного удлинения он не получит. Отно­шением нагрузки (в точке А) к площади поперечного сечения образца определяется предел упругости σ (σ_е) в паскалях, т. е. максимальное напряжение, до которого металл сохраняет свои упругие свойства. Выше точки А удлинение начинает расти быстрее усилия, поэтому кривая на диаграмме изгибается (точка В), склоня­ясь к горизонтальной линии. У некоторых материалов учас­ток от точки Б до точки Г имеет явно выраженную горизонталь­ную линию и называется площадкой текучести. Напряжение, соответствующее площадке текучести, нанимается пределом те­кучести. Предел текучести измеряется в паскалях.

Рисунок 2.2 - Диаграмма растяжении стального образца

В точке Б образец получает заметное остаточное удлинение.

Отношением нагрузки (в точке Г) к площади поперечного се­чения образца определяется предел текучести. Если на диаграм­ме растяжения нет ярко выраженной площадки текучести, то пре­делом текучести условно считают то напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2 % его первоначаль­ной длины. При расчете деталей машин на прочность конструк­тор чаще всего исходит из значения предела текучести. При дальнейшем увеличении растягивающего усилия (выше значения предела текучести) образец будет все больше удлиняться, при этом диаметр его будет уменьшаться. Когда усилие достигнет наиболь­шего значения, в образце образуется шейка, т. е. в каком-то месте по длине образца диаметр его уменьшится больше, чем в других местах.

В месте, где появится шейка, образец будет наиболее тонким, в дальнейшем здесь и произойдет разрыв его на две части.

Отношением наибольшей нагрузки (в точке Д), которую вы­держал образец до разрыва, к первоначальной площади его попе­речного сечения определяется предел прочности.

Предел проч­ности - напряжение, отвечающее максимальной нагруз­ке, которую выдержал образец во время испытания. Предел проч­ности обозначается G_в и выражается в паскалях.

Важная характеристика материалов — удельная прочность, ко­торая определяется отношением предела прочности к удельному весу металла. Эта характеристика имеет большое значение при выборе материала, когда необходимо уменьшить массу машины.

Показателями пластичности, характеризующими способность металла деформироваться не разрушаясь, являются относитель­ное удлинение и относительное сужение. Для получения этих по­казателей обе половинки разорванного образца плотно прижима­ют друг к другу и измеряют длину рабочей части l_к , а также диаметр образца d_к в том месте, где произошел разрыв. Относи­тельное удлинение обозначают греческой буквой δ и измеряют в процентах, его определяют по формуле:

где l₀— первоначальная расчетная длина; l_к — расчетная длина после испытания.

Относительное сужение поперечного сечения образца (р, так­же измеряемое в процентах, находят по формуле:

где F₀— площадь поперечного сечения образца до испытания; мм²; F_к — площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке), мм².

Чем больше относительное удлинение и относительное суже­ние поперечного сечения образца, тем более пластичен металл. Техническое железо при растяжении до разрыва удлиняется в 1,5 раза, у серого чугуна относительное удлинение и относи­тельное сужение близки к нулю.

Для большинства деталей машин и конструкций используют относительно плас­тичные материалы, так как они не подвержены опасности вне­запного разрушения.

При испытании на растяжение одного образца можно устано­вить шесть характеристик металла: предел упругости (σ_е), предел текучести (σ_т), предел прочности (σ_в), относительное удлинение (δ), относительное сужение (φ) и модуль упругости (Е).Эти характе­ристики дают разностороннее представление о механических свой­ствах металла.

Жаропрочность

В процессе работы многие детали машин нагреваются до высо­ких температур, достигающих 1000 °С и более.

Жаропрочность — способность материалов сохранять необходимую прочность при высоких тем­пературах.

Характеристики, которые определяют при обычных испыта­ниях, не дают представления о возможности использования ма­териалов при высоких температурах. Это объяс­няется двумя причинами. Во-первых, с повышением температу­ры числовые значения предела прочности и предела текучести понижаются.

Рисунок 2.5 - Зависимость преде­ла прочности и текучести от температуры

Во-вторых, при повышенных температурах большое значение имеет длительность ис­пытания. Дело в том, что у металлов и сплавов, работающих длительное время под нагрузкой при высоких температурах, наблюдается явление ползучести, т. е. не­прерывная пластическая деформация под действием постоянной нагрузки (металл «ползет»).

При работе под нагрузкой в ус­ловиях комнатной температуры ползучесть у большинства металлов отсутствует.

Жаропрочность металлов и сплавов характеризуют три пока­зателя: предел кратковременной прочности, предел длительной прочности и предел ползучести.

Предел кратковременной прочности (σ_в) определяют, как и при обычных испытаниях, но с нагревом образца до заданной темпе­ратуры. Эта характеристика служит для расчета на прочность деталей, работающих непродолжительное время (секун­ды, минуты) при высоких температурах.

Длительную прочность устанавливают для деталей, работающих при высоких темпера­турах.

Предел длительной прочности - напряжение, вызывающее разрушение образца при данной температуре через конкретный промежуток времени. Например, предел длительной прочности = 250 МПa (25 кгс/ мм² ) означает, что при тем­пературе 600 °С напряжение 250 МПа (25 кгс/мм²) вызывает раз­рушение образца через 100 ч. Для деталей, работающих при вы­соких температурах в течение очень длительного времени, уста­навливают предел ползучести. Для этого проводят соответствую­щие испытания, записывая диаграмму ползучести.

Диаграмма ползучести состоит из трех участков, адекватных трем стадиям ползучести. На участке I ползучесть протекает с по­степенно уменьшающейся скоростью (кривая постепенно стано­вится пологой). Здесь металл больше упрочняется от наклепа вслед­ствие растяжения, чем разупрочняется от действия высокой тем­пературы.

На участке II (прямая линия) ползучесть происходит с постоянной скоростью — разупрочнение уравновешивается упрочне­нием.

На участке III (кривая кру­то поднимается вверх) разупрочне­ние начинает преобладать над уп­рочнением, ползучесть происхо­дит со все более увеличивающейся скоростью, что приводит к разру­шению металла. При высокой тем­пературе детали машин долж­ны работать в условиях, соответ­ствующих участку II. Длительность работы на участке II может быть разной: от 1000 ч (41,7 дня) до 100 тыс. ч (около 11,4 года). За это время металл не должен удлиниться более чем на а %. Величину а задают разной: от 0,1 до 1 %.

Рисунок 2.6 - Диаграмма ползучести

Таким образом, пределом ползучести называется напряжение, которое за конкретный промежуток времени при данной темпе­ратуре вызывает заданное удлинение (например, 1 %). При рас­чете предела ползучести необходимо знать температуру испыта­ния, деформацию, нагрузку и время ее действия. Например, пре­дел ползучести составляет =200 МПа (20 кгс/мм²). Это оз­начает, что для удлинения образца на 1 % за 1000 ч при температуре 600 °С предел ползучести должен быть равен 200 МПа (20 кгс/мм²). Если увеличить напряжение, то суммарная деформация возрас­тет (будет выше 1 %