Исследование зависимостей между механическими характеристиками материалов

Исследование зависимостей между механическими характеристиками материалов

1. Введение

Современные техника предъявляет высокие требования к конструкционным материалам. Поэтому в настоящее время в технических науках всё возрастающее значение приобретает развитие методов испытаний материалов, получение и изучение их механических характеристик, целенаправленные изменения этих характеристик.

В науке известны различные зависимости, связывающие определённые характеристики материалов. Эти зависимости обусловлены физическими свойствами материалов, но коэффициенты, входящие в эти формулы, определяются экспериментально. Знание этих зависимостей позволяет существенно ускорить и удешевить процесс определения механических характеристик материалов, потому что одни характеристики можно определить при испытаниях материалов, а другие просто вычислить.

Работы в этой области – непочатый край, и именно в этой научной нише мы провели наше небольшое исследование. Причём основное внимание в работе было уделено оценке точности полученных результатов.

2. Испытание стальных образцов на растяжение и ударную вязкость

Механические характеристики определяются при различных видах испытаний. Основной вид испытаний, из которого определяется большинство характеристик, - испытание на растяжение.

Мы испытали 16 образцов из разных марок стали (каких, мы ещё не знали; по результатам испытаний были определены марки стали). Образец для испытаний изображён на рис. 1.

Рис. 1. Образец для испытаний

Испытания проводились на лабораторной машине P-5. Для каждого образца строилась диаграмма растяжения “” (рис. 2), где F –растягивающая сила, - удлинение рабочей части (₀) образца.

Рис. 2. Диаграмма растяжения и вид образца из малоуглеродистой стали в момент разрушения.

1

Из этой диаграммы определились следующие характеристики:

а) Предел текучести - (1)

F_Т - сила, соответствующая площадке текучести; A₀ - первоначальная площадь поперечного сечения образца. Следует заметить, что физический предел текучести имеет место только у малоуглеродистых сталей, имеющих непрочные перлитовые прослойки, которые разрушаются, когда напряжение достигает предела текучести. При этом образец заметно удлиняется без роста усилия и его макропрочность сохраняется (образец способен воспринимать нагрузку)

б) Предел прочности. - (2)

Предел прочности - это напряжение, соответствующее максимальной нагрузке F_max. В момент достижения F_max образуется шейка - местное сужение (в наиболее слабом месте), и дальнейшая деформация образца происходит только уже в области шейки.

в) - (3)

относительное остаточное удлинение образца в момент разрушения.

г) - (4)

относительное остаточное сужение поперечного сечения образца

д) - (5)

удельная работа деформации – величина, равная площади, ограниченной диаграммой растяжения W (рис. 2), делённой на объём рабочей части образца V.

и - прочностные характеристики материала; и характеризуют пластические свойства материала, т. е. на сколько материал деформируется в момент разрушения; - энергетическая характеристика материала.

После испытания образцов на растяжение мы на большей части образца нанесли небольшой надрез и испытывали её на маятниковом копре на ударную вязкость (рис. 3).

Р

2

ис. 3. Схема испытания на ударную вязкость.

Ударная вязкость характеризует работу разрушения единицы площади образца и рассчитывается по формуле

а_уд = - (6)

где - первоначальная занесённая энергия в бойке; - оставшаяся энергия; A – площадь поверхности разрушения (в месте надреза).

Первые пять характеристик: характеризуют свойства материала при статических нагрузках (статические характеристики). а_уд – динамическая характеристика материала.

Результаты испытаний представлены в таблице (рис. 4).

По полученным характеристикам мы определили наиболее вероятные марки сталей испытанных образцов. Оказалось, что 4 образца были изготовлены из малоуглеродистой стали ст. 3; один образец из среднеуглеродистой стали ст. 45 и 11 образцов из легированной стали 50Г.