Материал: Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований
В результате проведения опыта на одноосное растяжение могут быть определены следующие механическиехарактеристикиматериалов.
Модуль упругости (модуль Юнга) E – характеристика материала, определяющая связь напряжений и деформаций в упругой области деформирования. Определяется как тангенс угла наклона α начального линейного участка диаграммы деформирования материала при одноосном напряженном состоянии
(рис. 1.14) [26].
Модуль Юнга рассчитывается по формулам:
E = |
∆ Pl0 |
, |
E = |
∆ σ |
, |
(1.58) |
|
∆ ε |
|||||
|
∆ lF0 |
|
|
|
||
где ∆ P , ∆ l , ∆ σ , ∆ ε – приращение нагрузки, удлинения, напряжения и деформации на упругом участке диаграммы растяжения и диаграммы деформирования соответственно, l0 и F0 – начальная длина и площадь сечения рабочей части образца.
Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряже-
ние, при котором наблюдается пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией. Определяется на начальном участке диаграммы деформирования (рис. 1.15) как значение напряжения, при котором тангенс угла β на диаграмме деформирования в 1,5 раза превышает тангенс угла α, относящегося к начальному линейному участку [23]. Из начала координат проводят прямую, совпадающую с начальным участком диаграммы деформирования. На произвольном уровне проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n
31
и начало координат проводят прямую On, параллельно ей проводят касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания прямой CD и диаграммы деформирования определяет искомое напряжение σпц.
Предел упругости σy – максимальное напряжение, до достижения которого деформации в материале остаются упругими, исчезающими после разгрузки. Определяется по начальному участку диаграммы деформирования (рис. 1.16) как значение напряжения, соответствующее величине пластической деформации материала 0,01 % [23]. Пластическая деформация находится в результате построения линии упругой разгрузки, параллельной начальному линейному участку диаграммы деформирования (см. рис. 1.16).
Рис. 1.15. Графическое |
Рис. 1.16. Графическое |
определение предела |
определение предела упругости |
пропорциональности |
|
Предел текучести σТ – напряжение, соответствующее площадке текучести (при ее наличии) на диаграмме деформирования (рис. 1.17).
32
Рис. 1.17. Графическое |
Рис. 1.18. Графическое |
определение предела |
определение условного |
текучести |
предела текучести |
Условный предел текучести σ0,2 – определяется в случае,
если на диаграмме деформирования материала нет выраженной площадки текучести. Определяется как значение напряжения, которое соответствует величине пластической деформации ма-
териала 0,2 % (рис. 1.18).
Предел прочности σв – максимальное значение напряжений, которое способен выдержать данный материал.
На рис. 1.19 точка А соответствует пределу прочности материала σв. Ниспадающий участок диаграммы АВ соответствует стадии закритического деформирования (разупрочнения) материала.
Относительное удлинение разрыва δ – это предель-
ное удлинение рабочей части образца при разрушении (остаточное) [3]. Определяется по формуле
Рис. 1.19. Графическое определение предела прочности
33
δ = |
lк − l0 |
100 % , |
(1.59) |
|
|||
|
l0 |
|
|
где lк – длина рабочей части образца при разрушении, l0 – начальная длина рабочей части образца.
Относительное сужение при разрыве ψ – это относи-
тельное изменение площади поперечного сечения рабочей части образца при разрыве. Определяется по формуле
ψ = |
F0 − Fк |
100 % , |
(1.60) |
|
|||
|
F0 |
|
|
где F0 – начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, Fк – наименьшая площадь поперечного сечения рабочей части образца при разрыве.
Из эксперимента на кручение тонкостенных трубчатых образцов определяются такие характеристики материалов, как мо-
дуль сдвига G, предел пропорциональности τпц , предел упругости τу , предел текучести τТ и предел прочности τв при сдвиге.
Приведенные характеристики определяются аналогично испытанию на растяжение по диаграмме деформирования в координатах касательное напряжение τ – угол сдвига γ .
Характеристики сопротивления материалов усталости определяются в результате проведения специальных испытаний [22]. Образцы подвергаются циклическому нагружению или деформированию различной интенсивности до появления усталостных трещин или до полного разрушения образцов. При усталостных испытаниях используются гладкие плоские или цилиндрические образцы, а также образцы с острыми надрезами различной конфигурации.
Интенсивность нагружения при испытаниях на усталость характеризуется параметрами: максимальным σmax , минимальным σmin , средним σт и амплитудным σa напряжением, а также коэффициентом асимметрии цикла R , определяемым по формуле
34
R = |
σmin |
. |
(1.61) |
|
|||
|
σmax |
|
|
Результаты усталостных |
испытаний |
часто представляют |
|
в виде зависимости σa = f (N ) , где N – число циклов до разрушения при амплитуде σa . Графическое представление этой зависимости называется кривой Веллера, по которой определяется ве-
личина, называемая пределом усталостной выносливости σR
при соответствующем значении коэффициента асимметрии цикла (например, при симметричном цикле растяжение-сжатие – σ−1 ). При этом или меньшем уровне амплитуды напряжений усталостного разрушения не происходит. Вид кривой усталости материала представлен на рис. 1.20.
Рис. 1.20. Вид кривой усталости (кривая Веллера)
Данная зависимость показывает, какое число циклов материал сопротивляется усталости при заданном уровне амплитудных напряжений.
Способность материала сопротивляться развитию трещин оценивается с использованием характеристик трещиностойкости, или вязкости разрушения [10, 12, 14]. Одним из основных критериев разрушения тел с трещинами является условие достижения коэффициента интенсивности напряжений K , характеризующего поле напряжений вблизи вершины трещины, своего
35