Первая часть
На сколько можно растянуть
Позвольте, скажет любознательный читатель, Д16Т значительно жёстче, чем Амг-3? Если последний можно легко согнуть, а вот с Д16Т уже надо помучиться. А стальной нож, более жёсткий, чем гвоздь.
Правильно. Д16Т жёстче Амг-3 … на 3%. А сталь 2кп, из которой делают, гвозди, имеет Е=198 ГПа против 204 у стали 60Г. Те же 3%. А у стали 20 (см.таб.1) упругость выше, чем у 60Г, но из нее не делают рессоры — почему?
Тогда что же происходит? Мы уже знаем, что нагрузку на стержень можно перевести в нормальные напряжения, которые уже не привязаны к размерам. Может дело в них?
И где нам взять эти напряжения? Может современные САЕ-системы помогут? Но они пишут:
Для таких исследования напряжений используют разрывные машины. Принцип их прост (рис.5).
В захваты (2) машины вставляется образец (1), представляющий собой цилиндр (рис.6).
На нем делаются две засечки, по которым контролируется растяжение образца. Машина регистрирует два параметра:
- растяжение образца;
- силу растяжения.
С помощью уравнения (3), мы можем силы привести к нормальным напряжениям. И построить диаграмму растяжения (рис. 7).
И что интересного нам это дает? Прежде всего, мы увидим, что напряжения могут расти не беспредельно. Вот, это уже ближе к практике. Рассмотрим диаграмму более пристально.
Мы видим, что на участке 0А образец растягивался линейно, т. е. по закону Гука. В принципе, в этой области и интересен материал для практических целей. Если после снятия нагрузки размер образца восстановится — то нагрузка была в пределе пропорциональности. Но «поймать» эту точку трудно. Поэтому на практике её не используют.
Давайте нагружать дальше. И мы увидим, что образец «потек», т. е. при более-менее постоянной нагрузке деформация растет. Напряжение, при котором значительно (непропорционально) возрастает деформация, именуется напряжением текучести и обозначается σТ. Но такой ярко выраженной ступеньки у многих материалов нет. Поэтому часто встречается другая величина σ0,2 — напряжение, при котором остаточное удлинение после снятия нагрузки составит не менее 0,2% и именуется пределом упругости или пределом текучести условным.
Сможем ли мы уже ответить на наш вопрос о Д16 и Амг-3? И о гвозде и ноже?
Как видим, Д16Т имеет предел текучести выше почти в пять раз. Вот поэтому и кажется нам, что он более жесткий, чем Амг-3. А на само деле, Амг-3 просто «потёк» раньше, мы-то теперь знаем.
Важно!: предел текучести, в отличии от модуля упругости, меняется при термической обработке.
Это хорошо видно с нашими сталями. Гвозди делают из низкоуглеродистой стальной проволоки общего назначения ГОСТ 3282-74, не обработанной термически. Марки стали, используемые для изготовления проволоки: Ст 1 КП, Ст 2 КП, Ст 3 КП, Ст3 ПС.
Для ножей применяют высокоуглеродистые стали, подвергаемые закалке, такие как 60Г. Видно, что разница пределов упругости в 7 раз, по сравнению с Ст3. Понятно теперь, почему из 20 стали не делают рессоры? Да потому как эта сталь упругая-то упругая, но в малом диапазоне удлинений. Так 60Г может «растянуться» на 7%, а 20 — на 1% (см. уравнение (7)).
Что нам говорит предел упругости, в чем его физический смысл? До этого напряжения наша конструкция обеспечивает несущие способности, восстанавливает свою форму после снятия нагрузки.
Но наш образец пока не разрушен. При дальнейшем нагружении (в зоне ГД) он еще сопротивляется нагрузке, но деформация растет значительно. К точке Д у образца начинает формироваться шейка (рис. 8 ). Она растет до тех пор, пока не разрушится.
Относительное удлинение образца после разрыва так и называется, пишется в процентах и обозначается греческой буквой «δ», читается «дельта»
Часто можно встретить обозначение : δ5 ,- которое указывает, что величина δ определялась на образце, расчетная длина которого в 5 раз превышала диаметр.
Мы можем теперь вычислить еще один важный показатель — относительное сужение после разрыва, которое тоже пишется в процентах обозначается греческой буквой ψ, читается "пси"
где S0 — площадь сечения образца до разрушения;
Sк - площадь образца в самом узком месте после разрушения.
В чём смысл этих величин? Я думаю, вы обращали внимание на то, что одни материалы можно согнуть в дугу, а другие лопаются? Первые материалы принято называть пластичными, а вторые — хрупкими. Принято считать, что:
- пластичные (δ≥10%);
- малопластичные (5%>δ>10%);
- хрупкие (δ≤5%).
Относительное сужение тоже характеризует пластичность. При малых величинах излом серый, матовый — явный признак хрупкости. При больших — чашеобразный, с хорошо видными "стенками", что говорит о пластичности материала.
Вернемся к нашим сталям.
Из. табл.4 хорошо видно, что сталь 60Г может быть и хрупкой и пластичной — это зависит от термообработки.
Что еще можно почерпнуть из этих характеристик? К примеру, при холодной ковке сталь 20 можно «ужать» на 67%, а сталь 60Г- только на 35%.
Хороший пример из чугунов. Так серый чугун СЧ 24 имеет остаточное удлинение 0,5%, а ковкий КЧ 37-12 — 12%.
Остаточные относительные удлинения и сужения важны при обработки деформацией. Становиться понятно, почему один и тот же материал при тех же деформациях то тянется, то трескается.
Опубликовано с разрешения автора Кузнецова Олега Михайловича