Исследование физических свойств материалов. Часть 4.1 Испытания на растяжение
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
Новосибирский государственный технический университет
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 64
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-7782-1970-0
Артикул: 631447.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- ВО - Магистратура
- 03.04.02: Физика
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ Часть 4.1 ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ Учебно-методическое пособие НОВОСИБИРСК 2012
УДК 620.172(075.8) Ш655 Рецензенты: А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. ИТ СО РАН, С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц. НГТУ Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки» и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для студентов II курса ФМА (направления 140400, 220700) Шишкин А.В. Ш 655 Исследование физических свойств материалов : учеб.-метод. пособие. - В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-Ч.4.1. Испытания на растяжение. - б4 с. ISBN 978-5-7782-1970-0 Рассмотрены теоретические основы испытаний на растяжение, факторы, влияющие на конструкционную прочность металлов и сплавов, способы испытания на растяжение для различных материалов. Описана работа на универсальной испытательной машине. Предназначено для подготовки бакалавров по направлениям 140400 -«Электроэнергетика и электротехника» и 220700-«Автоматизация технологических процессов и производств» для дневного и заочного отделений. ISBN 978-5-7782-1970-0 УДК 620.172(075.8) © Шишкин А.В., Дутова О.С., 2012 © Новосибирский государственный технический университет, 2012
ВВЕДЕНИЕ Цель пособия - помочь студентам в получении теоретических знаний и практических навыков по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» в части, касающейся механических свойств материалов. Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно и/или в совокупности с другими веществами. Материаловедение - это раздел научного знания, посвященный свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин и включает в себя теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов. Курс материаловедения и технологии конструкционных материалов служит следующей цели: познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике. Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Конструкционными материалами могут быть металлы и их сплавы (например стали), композиты (железобетон), оксиды и их сплавы (стекло), дерево (сосна), полимеры (плексиглас) и др. Инструментальные материалы служат для изготовления различного инструмента и должны обладать высокой твердостью, прочностью, износо- и теплостойкостью. Инструментальные материалы подразделяют на стали, твердые сплавы и сверхтвердые материалы (алмаз, нитрид бора со структурой алмаза). Инструментальные стали, в частности, предназначены для изготовления инструментов следующих 3
типов: режущих, измерительных и штампов холодного и горячего деформирования. Существуют также материалы различного специального назначения: триботехнические с высокими упругими свойствами; электротехнические, устойчивые к воздействию температуры и внешней среды; малой плотности и высокой удельной прочности; с особыми технологическими свойствами. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных внешних механических сил. Материал по-разному реагирует на различные внешние механические воздействия в зависимости от величины нагрузки, скорости и длительности ее приложения, формы образца и состояния его поверхности, температуры, вида напряженного или деформированного состояния. Чтобы наиболее полно охарактеризовать деформационные свойства материала, проводятся всевозможные механические испытания: статические, динамические, усталостные и т.п. Получаемые из этих испытаний свойства не являются фундаментальными и также зависят от вышеприведенных факторов. Поэтому, чтобы механические свойства, полученные для разных материалов, можно было сравнить, их проводят строго определенным образом в соответствии с разработанными стандартами. Основные виды механических испытаний: - статические, когда нагрузка прилагается к образцу сравнительно медленно и плавно возрастает (испытания на растяжение, кручение, изгиб, сжатие, ползучесть, длительную прочность, твердость); - динамические, при которых скорость перемещения захватов машины более 10 мм/мин или при приложении нагрузки ударом; - усталостные, в условиях повторно-переменного приложения нагрузки.
1. КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров и условий эксплуатации. Они испытывают различные типы нагрузок, работают при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Все это определяет требования к материалу, основными из которых являются эксплуатационные, технологические и экономические (рис. 1). Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Материал должен выполнять свое функциональное назначение, т.е. обладать определенными значениями механических и физических характеристик, которые должны сохраняться в допустимых пределах во весь период эксплуатации в рабочих средах и рабочем диапазоне температур и давлений. Комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации, называется конструкционной прочностью. Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют все возможные методы его обработки. От технологичности материала зависят производительность и качество изготовления деталей. Экономические требования выполняют функции обеспечения конкурентоспособности материала и изготавливаемых из него изделий. Стоимость материала должна быть как можно ниже при условии соблюдения эксплуатационных требований. Технологические и экономические требования приобретают особое значение при массовом производстве. Конструкционная прочность материала - комплексная характеристика, сочетающая конструкционные критерии прочности, надежности и долговечности. В качестве критериев прочности выбираются такие механические характеристики, получаемые при испытаниях, которые 5
наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации. Примеры критериев прочности - временное сопротивление ов; условный предел текучести п₀,₂; модуль упругости Е; предел выносливости с_ь Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение особо опасно из-за большой скорости протекания при напряжениях ниже расчетных и создания аварийных ситуаций. В условиях эксплуатации действуют факторы, увеличивающие Bwc. 1. Классификация факторов, влияющих на конструкционную прочность металлов и сплавов 6
опасность хрупкого разрушения: различные концентраторы напряжений (надрезы, трещины и микротрещины), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор). Примерами критериев надежности являются относительное удлинение после разрыва 8; относительное сужение после разрыва у; ударная вязкость КСТ, KCV, KCU; критический коэффициент интенсивности напряжения К₁c; температурный порог хладноломкости 1₅₀. Долговечность - свойство материалов сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины постепенного отказа разнообразны: усталость, изнашивание, ползучесть, коррозия, радиационное разбухание и др. Эти процессы при эксплуатации вызывают постепенное накопление необратимых изменений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения. Для большинства деталей машин долго вечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью). К критериям долговечности относятся, например: усталостная долговечность N, твердость НВ (HV, HRC), предел ползучести ^О^ддо, пРеДел длительной проч ности of⁰0oo. Повышение конструкционной прочности металлов и сплавов достигается металлургическими, технологическими и конструкционными методами. Металлургические методы позволяют управлять химическим и фазовым составом, что влияет также на кристаллическую решетку, зеренную и дефектную структуры металлического материала. Технологические методы позволяют регулировать распределение химических элементов, фаз и дефектов, определять размеры и форму зерен, создавать определенную дефектную структуру. Конструкционные методы обеспечивают равномерное распределение нагрузки по детали и между деталями. В общем случае на конструкционную прочность металлического материала влияет целый ряд факторов, представленных на рис. 1. 7
Таким образом, конструкционная прочность определяется как конструкционными и технологическими факторами, за которые несет ответственность изготовитель, так и условиями эксплуатации изделия, которые также должны отвечать техническим условиям. 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 2.1. ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ Воздействие приложенных внешних сил (нагрузок) вызывает деформацию - изменение формы и размеров тела. Деформация может вызываться как механическими воздействиями, так и тепловыми, магнитными, электрическими и др. При приложении растягивающей силы к образцу (рис. 2) его длина изменяется от величины £о до значения £*. В результате возникает абсолютное удлинение образца (абсолютная деформация) Д£ = £*- £о. Относительное удлинение, или деформация, определяется отношением абсолютного удлинения к длине образца. В процессе деформации длина образца изменяется. При определении относительной деформации удобно за длину образца принять ее начальную длину £о, тогда такая относительная деформация будет называться условной. Следует отличать условные относительные деформации 8 ОТ ИС-z>* d £ . тинных е: 8 = Д£ / £о; е — I — - In— - In(1 + 8). J £ £n v ’ £о £ £ о Следует иметь в виду, что 8 - величина не аддитивная: 8 Ф 8₁ + 8₂, а складывать можно только истинные относительные деформации: е = е 1 + е 2. Кроме деформации 8 в направлении растяжения (сжатия) происходит деформация в поперечном направлении 8'. Если деформация упругая, то отношение поперечной деформации к продольной постоянно: 8' = - V8, 8х = 8у = -V8z, где v - коэффициент Пуассона. 8
При деформации сдвига (рис. 3) в результате действия касательного напряжения т начальный прямой угол в точке А становится острым углом 0. Деформация сдвига у в точке А определяется как у = л /2 - 0, где л / 2 и 0 - углы в точке А до деформации и после нее соответственно. Так как деформация сдвига подобно деформации при растяжении (сжатии) обычно мала, то можно использовать приближение tgy ® у. В этом случае деформация сдвига у определяется по формуле у = = tg | — - 0| = 8ₖ ' ₖ, где 8ₖ и Iₖ определены на рис. 3. Рис. 2. Деформация растяжения (сжатия) Рис. 3. Деформация сдвига Под действием приложенных внешних сил Р в теле возникают внутренние силы, оказывающие сопротивление деформации. Мерой этих внутренних сил является механическое напряжение - внутренняя сила, приходящаяся на единицу площади данного сечения тела. Напряжения подразделяются на нормальные о, направленные по нормали к плоскости сечения образца, т. е. напряжения растяжения (положительные) или сжатия (отрицательные) (см. рис. 2), и касательные т, т. е. скалывающие или сдвиговые, напряжения (см. рис. 3), пер 9
Рис. 4. Нормальные и касательные напряжения при приложении силы Р к площадке F: N- вектор нормали к площадке пендикулярные к нормали, так как приложенная сила Р часто не перпендикулярна к плоскости выбранного сечения образца (рис. 4). Следует отличать истинные напряжения от условных. Истинные напряжения (нормальные S = PN/ F и касательные t = Pₓ/ F) определяют отнесением к фактическому значению площади сечения F, а условные (о = PN / Fо и т=Рх/ Fо ) - к начальному Fо. По причинам возникновения напряжения подразделяют на временные, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние- остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней силы. Остаточные напряжения могут быть тер мическими вследствие неоднородности расширения или сжатия поверхностных и внутренних слоев материала из-за неравномерности нагрева или охлаждения. Фазовые остаточные напряжения возникают в результате неоднородной деформации при фазовых превращениях. 2.2. УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ При приложении к твердому телу механической нагрузки вначале происходит упругая деформация, под которой понимают обратимые изменения формы и размеров, исчезающие после снятия нагрузки. При этом необратимая деформация может оказаться ничтожно малой, но ее наличие проявляется в так называемом упругом гистерезисе. Согласно элементарному закону Гука для изотропного тела в направлении приложения внешней силы упругая деформация линейно связана с напряжением: о = Ее, где Е - модуль Юнга (модуль упругости). Элементарный закон Гука для сдвиговой деформации при действии касательных напряжений т (см. рис. 3) имеет такой же простой вид: т = Gtg у, где G - модуль сдвига-, у - деформация сдвига. Связь между 10
Доступ онлайн
В корзину