Файл: Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов.pdf

деформирование встречает наибольшее сопротивление. Пластическая деформация сопровождается также искажением атомной решетки и увеличением количества ее дефектов, в связи с чем возрастает со­ противление пластическому деформированию.

В случае медленного пластического деформирования металл иногда успевает восстанавливать свои исходные свойства благодаря рекристаллизации и «отдыху». Отсутствие упрочнения при медленном растяжении наблюдается у свинца при комнатной температуре.

жения пластической деформации. Поэтому при растяжении стальных образцов при температурах 20, 100, 200 и 300° С предел текучести сгт оказывается примерно одинаковым, а временное сопротивление ов повышается с ростом температуры испытания и лишь при нагреве

В этом случае нагрев способствует восстановлению их исходных свойств. Старение не обнаруживается и у алюминия, меди и неко­ торых сплавов, которые не дают мелкодисперсных выделений после наклепа.

55

§ 17-

Сопротивление сжатию

Равномерному сжатию свойственно линейное напряженное состояние с главными напряжениями = о 2 = = 0 > сг3. Деформируемость материалов при сжатии оказывается выше, чем при растяжении, поскольку при сжатии лишь поперечное расширение может вызвать отделение частиц материала друг от друга. О повышенной деформируемости материала в условиях сжатия свидетельствует более низкая жесткость напряженного состояния 1 = 0^ чем при растяжении ^71 = iy Поэтому неко­

торые материалы, будучи хрупкими при растяжении, обнаруживают пластичность и деформационнное упрочнение при сжа­ тии, а образцы из материалов высокой пластичности не разрушаются от сжатия даже при весьма больших деформациях. Испытание на сжатие целесообразно про­ водить для тех материалов, у которых при растяжении появляется хрупкость и низкая прочность, и поэтому они ис­ пользуются в деталях, работающих на сжатие. Такими материалами являются чугун, некоторые литые сплавы, кера­ мические, огнеупорные и строительные материалы.

Для испытания на сжатие приме­ няются цилиндрические или призмати­ ческие образцы с гладкими торцами, перпендикулярными их гео­

метрической оси. Отношение длины образцов к их диаметру или толщине находится в пределах 1—3. При тщательной центровке обеспечивается почти осесимметричное деформирование образцов. Однако по длине образцов деформация развивается неравномерно,

ипоперечное расширение оказывается больше в средней части, чем

уторцов. Вследствие этого круглый образец с развитием пластиче­ ской деформации принимает бочкообразную форму и сплющивается (рис. 34). Сдерживание поперечной деформации у торцов объяс­ няется силами трения. Влияние последних можно несколько осла­ бить смазкой торцов. Во избежание появления значительных сил

трения рекомендуется коническая поверхность торцов образца с внешним углом конуса а, тангенс которого был бы равен коэффи­ циенту трения (рис. 35), что, однако, усложняет испытание. В соот­ ветствии с большей и меньшей способностью материалов деформиро­ ваться пластически их диаграммы сжатия имеют различный вид

(рис. 36).

По опытным "'данным, пределы пропорциональности, а также пределы текучести как при растяжении, так и при сжатии оказы­ ваются одинаковыми для пластичных материалов. Это объясняют теории пластичности, согласно которым в случае одинаковых

56

нормальных напряжений растяжения и сжатия обобщенные на­ пряжения по формулам (9) или (10) оказываются равными. Продолжение пластического сжатия сопровождается значительным увеличением площади поперечного сечения образцов, что вместе с деформационным упрочнением обусловливает сильное повышение сопротивления сжатию. Поэтому испытание на сжатие образцов из высокопластичных материалов прекращается при нагрузке, не­

сколько меньшей предельной нагрузки

риспытательной машины (см. рис. 36,

кривую 1). Иногда испытание приходится прекращать из-за перекоса образца и из-за потери им устойчивости формы пластического сжатия.

Образцы из материалов ограниченной пластичности (литые бронзы, латуни, некоторые сплавы титана) после значительной пла­ стической деформации разрушаются. Иногда материал, будучи хрупким при растяжении (например, чугун), обнаруживает при сжатии остаточную деформацию и ведет себя в этих условиях как ограниченно пластичный материал. Разрушение материалов ограни­ ченной пластичности происходит по косым сечениям (рис. 37). Со­ гласно наибольшей нагрузке при сжатии Ртах (см. рис. 36, кривую 2), можно определить временное сопротивление раздавливанию как

Образцы из хрупких материалов, например из затвердевшей влажной смеси песка и цемента, при сжатии не обнаруживают пла­ стической деформации. В таком случае диаграмма сжатия имеет вид восходящей прямой линии (см. рис. 36, кривую 3), по которой можно взять наибольшую нагрузку и определить временное сопро­ тивление раздавливанию; последнее для хрупких материалов зна­ чительно выше временного сопротивления растяжению.

57

Иногда напряжения, свидетельствующие о сопротивлении пла­ стическому сжатию, рассматриваются совместно с аналогичными напряжениями пластического растяжения. В указанном случае це­ лесообразно пользоваться кривыми истинных напряжений. Фор­ мулы истинных напряжений и деформаций, установленные для растяжения, можно использовать при сжатии, если изменить знакф на противоположный.

Рис. 37. Разрушение материала ограниченной пла­ стичности от сжатия.

Приводим указанные формулы для случая сжатия:

Для одного и того же материала, обладающего пластичностью, кривые 5—е, построенные по экспериментальным данным растяжения и сжатия, могут совпадать на некотором протяжении.

Из-за встречающихся при эксперименте трудностей сопротивле­ ние материалов сжатию и их упрочнение в области глубокой пластич­ ности исследованы недостаточно. Есть основание полагать, что раз­ рушение, показанное на рис. 37, обусловлено наступлением дефор­ мационного разупрочнения по направлению наибольшего сдвига. Поэтому на диаграмме сжатия после наибольшей нагрузки появ­ ляется некоторый спад (см. рис. 36, кривую 2).

§ 18

Сопротивление срезу

Деформации среза испытывают материалы де­ талей, эксплуатируемых под большой поперечной нагрузкой (кре­ пежные изделия, например болты, заклепки, шпонки и другие, изготовляемые из пластичных материалов). Сопротивление срезу экспериментально исследуется на круглых шлифованных образцах диаметром от 10 до 25 мм. Двойной срез предпочтительнее простого по практическим соображениям. Схема испытания на двойной срез представлена на рис. 38, а. При испытании пластическая деформа­

58

ция, предшествующая разрушению, сосредоточивается в небольших областях объема образца, примыкающих к местам среза. Нагрузка на образец при деформировании сначала повышается и достигает значения Ртах. При этом наступает пластическое смещение средней части образца относительно крайних частей и площади, соединяю­ щие указанные части, уменьшаются по сравнению с первоначальной площадью поперечного сечения (рис. 38, б). На последнем этапе испытания нагрузка на образец снижается до конечного значения Рк,

при котором образец разрушается'путем среза. Диаграмма испытания на срез образца из стали представлена на рис. 39.

Несмотря на тесное прилегание образца к кольцевым вкладышам приспособления, кроме среза наблюдается некоторое смятие и изгиб образца. Для образцов из материалов высокой пластичности изгиб не влияет существенно на развитие среза. Но образцы из материалов ограниченной пластичности перед окончательным разрушением дают трещины от растягивающих напряжений, возникающих от изгиба.

В результате испытания на срез определяется наибольшая на­ грузка, которую способен выдержать образец без разрушения, и находится временное сопротивление срезу как среднее касательное напряжение по формуле

Для образцов из высокопластичных материалов временное сопро­ тивление срезу оказывается ниже временного сопротивления растя­ жению. Например, для заклепочной стали тв 0,75ов. Аналогичное соотношение принимается и для предельных и допускаемых напряже­ ний при расчете на срез стальных заклепок: [т] = 0,75 [а]. Это соотношение не соответствует строго теориям пластичности, так как вытекает из условных предельных напряжений, рассматриваемых

59

далеко за пределом текучести и при больших пластических деформа­

циях.

Деля конечную нагрузку Рк на фактическую площадь образца в момент среза FK, можно найти среднее истинное напряжение при срезе как

Согласно опытным данным, тк > тв.

Предполагается, что, при испытании на срез, области интенсив­ ного деформирования образца испытывают чистый сдвиг. Последнему соответствует сравнительно низкий параметр жесткости напряжен­ ного состояния ^ у 1 = 0,58 у Поскольку испытание на срез не воз­

буждает жесткого напряженного состояния, то при нем не выяв­ ляется, если сравнивать с осевым растяжением, каких-либо призна­ ков пониженной деформируемости и прочности исследуемого мате­ риала.

§ 19

Деформации и напряжения при кручении круглых стержней

Круглые стержни при кручении испытывают касательные напряжения, действующие в поперечных и продоль­ ных сечениях согласно закону парности. Чистому сдвигу соответ­

щее в поперечном сечении, если деформация упругая.

Согласно данным табл. 2, параметр жесткости чистого сдвига

т

осевое растяжение, способствует пластическому деформированию. Сравнение предельных напряжений кручения и осевого растяжения в области пластичности позволяет убеждаться в достоверности теорий пластичности.

В отличие от осевого растяжения, при кручении деформируемый стержень остается цилиндрическим до момента разрушения, без существенного изменения диаметра и длины. Признаком деформации служит изменение положения заранее нанесенной на образец обра­ зующей, которая при кручении принимает вид винтовой линии. При этом имеет место равномерная пластическая деформация по длине стержня. Однако по радиусу поперечного сечения деформация переменна; в центре сдвиг отсутствует, на поверхности стержня сдвиг и касательное напряжение оказываются наибольшими.

60