Характеристики прочности. 
Сопротивление материалов с использованием вычислительных комплексов

Рассмотрим основные участки на диаграмме (см. рис. 5.2) и дадим определения основных механических характеристик материала.

Участок ОЛ —зона пропорциональности, заканчивается точкой Л, соответствующей пределу пропорциональности, т. е. наибольшему напряжению, до которого материал подчиняется закону Гука: ^апц⁼^пцМ)' где ^_Пц ^— нагрузка, соответствующая окончанию прямой линии (точка А), А₀ = ml^ /4 — площадь поперечного сечения образца до деформации. Для стали СтЗ о_пц «200 МПа.

• • Точка В соответствует пределу упругости материала, т. е. максимальному напряжению, до которого в материале отсутствуют остаточные (пластические) деформации: о_у = F_y/A₀. Для стали СтЗ о_у = 210 МПа.
• • Участок CD — площадка текучести (горизонтальная), соответствует физическому пределу текучести, т. е. напряжению, при котором деформация растет без увеличения нагрузки: о_т= F₁/A_{). Для стали СтЗ о_т ~ 250 МПа.
• • Участок DK — зона упрочнения материала, заканчивается точкой А', соответствующей пределу прочности (временному сопротивлению) материала, т. е. напряжению, соответствующему максимальной нагрузке на образец: о_в = FJA§. Для стали СтЗ а_в ~ 250 МПа.
• • Участок КМ — зона местной деформации, Заканчивается точкой Л/, соответствующей сопротивлению разрыву, т. е. напряжению в момент разрыва образца: S_K = F_K/A_K, где А_к — площадь поперечного сечения образца в шейке в момент разрыва. Для стали СтЗ S_K ~ 800 МПа. На этом участке в образце образуется местное сужение (шейка) и почти вся деформация сосредоточена в шейке.

Предел пропорциональности а_пц и предел упругости о_у близки друг к другу, и обычно предел упругости в процессе испытаний не определяют.

Если в процессе испытания образец нагрузить выше предела текучести, а затем разгрузить, то линия разгрузки LO, на диаграмме (см.

рис. 5.2) пойдет параллельно начальному участку, т. е. при разгрузке имеет место чисто упругая деформация образца. При нагрузке деформация образца у пру го пластическая, при разгрузке — чисто упругая (упругая деформация снимается, пластическая остается).

При повторной нагрузке линии нагрузки и предыдущей разгрузки образуют петлю гистерезиса, площадь которой равна работе, затраченной на пластическую деформацию образца при повторном нагружении. Площадь петли гистерезиса мала по сравнению с площадью диаграммы, и внешне линии разгрузки и повторной нагрузки почти совпадают. Далее деформация образца продолжается так, как будто и не было промежуточной разгрузки. В результате при повторном нагружении у образца повысились характеристики прочности (предел пропорциональности, предел упругости), но уменьшился запас пластичности, т. е. материал стал более прочным, но менее пластичным.

Явление повышения прочности при предварительной упругопластической деформации называется наклепом. В технике его используют для повышения предела пропорциональности материала пружин, цепей, канатов и др. Однако иногда наклеп материала нежелателен, и после технологических операций обработки металлов резанием, ковки, штамповки деталь повергают отжигу для снятия наклепа.

Рис. 5.4. Определение условного предела текучести.

Площадка текучести имеется на диаграммах углеродистых сталей. На диаграммах легированных термообработанных сталей и большинства других материалов плошадки текучести нет. В этом случае определяют уеловный предел текучести — напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% первоначальной длины образца. Для определения условного предела текучести надо на оси деформаций (рис. 5.4) отложить в масштабе AL = 0,0021 и провести прямую OA_v параллельную начальному участку ОА. Ордината точки пересечения этой прямой с диаграммой деформирования есть нагрузка F_{0 2}> соответствующая условному пределу текучести: о₀₂ ⁼ Д^ля большинства материалов в справочниках в качестве предела текучести приводится именно условный предел текучести.

Следует отметить, что четыре характеристики: пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности характеризуют одно и то же свойство материала — сопротивление пластической деформации, но при различной допускаемой деформации — о_пц соответствует? * 0,005%, о_у — е ~ 0,01%, о_т —? * 0,2%, о_в —? * 10%. Лишь одна характеристика — сопротивление разрыву S_K — характеризует сопротивление материала разрушению.

Предел прочности соответствует предельной нагрузке при растяжении: когда в образце начинает образовываться шейка, площадь поперечного сечения уменьшается и несмотря на некоторое снижение нагрузки напряжения в шейке стремительно растут. В момент разрыва S_K * 2о_п. В реальных деталях машин и элементах конструкций шейка не образуется, и для них именно сопротивление разрыву характеризует предельные напряжения в момент разрушения. Значение сопротивления разрыву традиционно недооценивается.