6.1. Работа стали при одноосном растяжении
Из курса «Сопротивления материалов» известно, если мы будем растягивать плоский образец из стали (рис. 6.1), то увидим, что сначала удлинение образца будут происходить пропорционально возрастанию нагрузки. На диаграмме это представлено отрезком 0-1. Далее, при возрастании нагрузки удлинение быстро нарастает – участок 1-2, а затем наблюдается только удлинение, без увеличения нагрузки – участок 2-3. Участок, где наблюдается рост деформаций, без увеличения нагрузки, называется площадкой текучести.
После образования площадки текучести при увеличении силы Р, металл снова начинает сопротивляться дальнейшему растяжению. Точка 4 соответствует наибольшей величине напряжений.
После момента, когда нагрузка достигает величины, соответствующей т.4, начинает образовываться местное сужение поперечного сечения, образуется, так называемая «шейка», которая постоянно утончается и, наконец, в точке 5 происходит разрыв образца.
Рассмотрим, что происходит со структурой стали в различные периоды работы на растяжение.
Более точно любая деформация происходит из-за изменения расстояний между атомами и искажений атомной решетки (рис. 3.1), но упрощенно можно рассмотреть процессы, происходящие в зернах феррита.
Как было отмечено выше, сталь состоит из зерен феррита в оболочке и с прослойками перлита (см. п. 3.2, рис.3.2). Феррит и перлит значительно различаются по прочности, упругости и пластичности, что и определяет работу стали под нагрузкой.
Рассматриваемую диаграмму работы стали удобнее изображать (рис. 6.2) в координатах:
- по оси ординат – напряжение;
- по оси абсцисс – относительное удлинение
Упругая работа стали – участок 0-1 (рис.6.2). При нагружении стального образца в пределах упругости, внутри зерен феррита происходят сдвиговые деформации, но упругость перлитных прослоек не дает зерну феррита свободно деформироваться (рис. 6.3, б). В упругой стадии работы деформации удлинения происходят только в результате упруго-возвратимого деформирования т.е.– после снятия нагрузки деформации исчезают, а размеры образца возвращаются к первоначальным (рис. 6.3, в, г).
Упруго-возвратимые деформации происходят до величины напряжений, называемых пределом пропорциональности – ?пц (т.1. рис. 6.2 и 6.4). Остаточных деформаций в зоне упругой работы стали нет.
На рис. 6.4 стрелками показано изменение напряжений при нагрузке до предела пропорциональности (стрелка вверх) и разгрузке (стрелка вниз).
Для малоуглеродистой стали предел пропорциональности примерно равен ?пц = 20 кН/см2. При напряжениях равных пределу пропорциональности величина временных (упругих) деформаций равна примерно ?упр= 0,02% (рис. 6.2).
В упругой области модуль упругости постоянен и равен Е = 20600 кН/см2 или 2,06х105 МПа.
Упруго-пластическая работа стали – участок 1-2 (рис. 6.2 и 6.5). При дальнейшем увеличении нагрузки пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается. В отдельных зернах феррита, в силу начальных несовершенств (дислокаций) или при больших размерах зерна, происходят большие сдвиги, которым уже не могут препятствовать оболочки и прослойки перлита. Деформации начинают расти быстрее, чем напряжения Модуль упругости на участке 1-2 постоянно меняется и уменьшается.
После снятия нагрузки (рис. 6.5 –стрелка вниз) упругая часть деформаций ?упр исчезает, а образовавшаяся необратимая пластическая деформация остается, образуя остаточные деформации ?ост. Последующее нагружение (рис. 6.5 - стрелка вверх) начинается с деформации ?ост. и график нагружения проходит параллельно отрезку 0-1, соответствующего упругой работе стали, нона расстоянии ?ост от него.
Площадка текучести – участок 2-3 (рис. 6.2). Последующее увеличение напряжений приводит к образованию сдвиговых деформаций, происходящих в большом количестве зерен феррита. Перлит не может препятствовать развитию этих сдвигов. Сдвиговые деформации, происходящие в зернах феррита, приводят к образованию линий сдвига (рис.5й,а) и образованию больших необратимых деформаций (рис.5й,б).
Металл в этот промежуток времени как бы течет, т.е. растут деформации без увеличения нагрузки. Во время течения металла на поверхности его образуются линии взаимного перемещения частиц металла - линии Людерса-Чернова.
Металл в этот промежуток времени как бы течет, т.е. развитие больших деформаций происходит без увеличения нагрузки. Начало площадки текучести ? 0,2%.
Протяженность площадки текучести составляет примерно 1,5-2%. Здесь также наблюдаются остаточные деформации. Причем упругая часть деформаций возвращается, а необратимая пластическая деформация остается, образуя остаточные деформации. Напряжение, соответствующее площадке текучести, называют – пределом текучести – ?т.
Образование площадки текучести присуще только сталям, содержащим около 0,1-0,3 % углерода. При меньшем содержании углерода получается недостаточно зерен перлита для сдерживания сдвиговых деформаций (рис.6й кривая 1).При большом содержании углерода или при большом содержании легирующих добавок зерен перлита получается много. Они полностью блокируют зерна феррита и не дают возможности развиваться по ним сдвигам (рис.6й кривая 2). Эти стали не имеют площадки текучести. Условный предел текучести у таких сталей устанавливают по остаточному удлинению 0,2 %.
В сталях повышенной и высокой прочности наличие легирующих элементов приводит к повышению прочности. Дело в том, что карбиды и нитриды легирующих элементов располагаются в теле зерен феррита и по их стыкам. Они создают дополнительное сопротивление сдвигу в зернах феррита и сдвигу всей структуры.
При этом повышается как предел текучести, так и временное сопротивление.
Зона самоупрочнения – участок 3-4. При дальнейшем нагружении развитие деформаций затрудняется более прочными и жесткими прослойками перлита. И для развития общих сдвиговых деформаций в металле необходимо преодолеть сопротивление перлита. Для этого необходимо увеличение напряжений.
Зону работы металла, где происходит вновь сопротивление внешним воздействиям, называют зоной самоупрочнения. В этой зоне металл работает как упруго-пластический. Точка 4 соответствует наибольшему напряжению, вызванному наибольшей нагрузкой. Его называют предел прочности или временное сопротивление разрушающим воздействиям – ?вр. Временное сопротивление малоуглеродистой стали возникает при деформации 15-20%.
В дальнейшем возникает местное сужение поперечного сечения, образуется так называемая «шейка» и наступает разрыв образца (линия 5-6 диаграммы).
Основные показатели, характеризующие свойства стали
- Предел текучести – ?т, – характеризующий начало развития больших пластических деформаций.
- Временное сопротивление – предел прочности – ?вр,– характеризующее предельную нагрузку, воспринимаемую материалом.
- Относительное удлинение – характеризующее пластические свойства материала.
Эти показатели обязательно приводят в сертификатах или в сопровождающей документации на каждую партию стали.
В целях упрощения расчетов конструкций без большой погрешности диаграмму работы сталей, имеющих площадку текучести, заменяют идеализированной диаграммой работы упругопластического материала. При этом принимают, что материал работает совершенно упруго до предела текучести и совершенно пластично после него (диаграмма Прандтля) (рис.8й)
