Механические свойства материалов. Диаграммы растяжения и сжатия

Таблица 3.3

	Предел текучести ат, МПа	Предел прочности
Наименование материала		при растяжении aJJ, МПа	при сжатии о^1в, МПа
Прокат стали марок: ВСтЗкп	185-235	360-	-365
ВСтЗпс	235-275	370-	-400
ВСтЗсп	235-270	370-	-400
09Г2 (марганцовистая)	295-370	430-	-500
10ХСНД (хромокремниевая)	390	530
12Г2СМФ (термически упрочненная легированная)	590	685
Титановый сплав ВТ4	550-650	700-	-850
Чугун серый марки СЧ	—	120-380	500-1500
Гранит	—	3	120-260
Кирпич	—	0,7-3,0	7-30
Бетон	—	0,4-2,6	2,8-43,8
Сосна, ель: вдоль волокон	_	80	40
поперек волокон	—	—	5
Текстолит ПТК	—	100	250
Оргстекло СТ-1	—	78	120
Стеклопластик С ВАМ 1:1	—	480-500	420

при растяжении и сжатии а_в для некоторых материалов, а также диапазоны изменения предела текучести а_т и предела прочности о_в прокатной стали некоторых марок, сплавов титана и др.
Существенное влияние на механические свойства материалов могут оказывать такие факторы, как изменение температуры, технологические условия обработки при высоких температурах, радиоактивное облучение, скорость нагружения и пр.
Влияние температуры. Приведенные выше свойства стали соответствуют температуре 20° С. В реальных условиях строительные и машиностроительные конструкции могут эксплуатироваться при воздействии высоких и низких температур.
Для большинства металлов с повышением температуры уменьшаются пределы пропорциональности а , текучести о_т, прочности а_в и модуль упругости Е, а характеристики пластичности (остаточная деформация 5 и остаточное сужение поперечного сечения vj/) увеличиваются. Коэффициент Пуассона v при этом также несколько увеличивается. В области отрицательных температур повышается хрупкость металлов и увеличиваются значения о , а_т, а_в. При этом пластические свойства понижаются.
Однако у углеродистых сталей эти закономерности изменяются. При повышении температуры до +300°С предел прочности несколько увеличивается, а при дальнейшем увеличении температуры интенсивно уменьшается. Предел текучести с повышением температуры имеет тенденцию к уменьшению.
Радиационное облучение. При эксплуатации атомных электростанций, синхрофазотронов и других сооружений конструкции находятся под воздействием ионизирующего облучения, которое приводит к изменению механических свойств материалов. Действие радиационного облучения на металлы аналогично понижению температуры, то есть повышает прочностные характеристики и уменьшает пластические свойства. При длительной работе бетонных сооружений под воздействием радиации происходит понижение их жесткостных свойств и уменьшение модуля упругости.
Влияние фактора времени. На проявление упругих и пластических свойств материалов влияет скорость приложения нагрузки. Например, для стали при быстром нагружении пластические свойства не успевают развиваться и на диаграмме растяжения отсутствует площадка текучести, а предел прочности увеличивается.
Существенное значение для некоторых материалов имеет длительность приложения нагрузки. При этом проявляется свойство ползучести, которое характеризуется нарастанием деформаций при постоянной нагрузке.

Рис. 3.25
У металлов свойства ползучести проявляются только при повышенных температурах. Например, для сталей — при Т> 400°С. Испытание стального образца при высокой температуре и постоянной нагрузке позволяет построить графики изменения деформаций во времени, называемые кривыми ползучести (кривая 1 на рис. 3.25).
Первый участок ОА соответствует упругим «мгновенным» деформациям, возникающим в момент приложения нагрузки. На практике период нагружения занимает какое-то время, однако по сравнению с рассматриваемыми длительными процессами этим временем можно пренебречь и считать нагружение мгновенным. Далее при постоянной нагрузке развиваются деформации ползучести сначала по кривой АВ, затем по прямой ВС и заканчиваются перед разрушением кривой CD.
В теории ползучести вводится понятие скорости ползучести, численное значение которой можно определить по тангенсу угла наклона касательной к кривой ползучести в некоторой точке:

Участок АВ соответствует неустановившейся ползучести, ВС — установившейся ползучести (u_n = const) и CD — прогрессирующей ползучести. Свойства ползучести учитываются в прочностных расчетах конструкций. Необходимо, чтобы наибольшая деформация ползучести в период эксплуатации не превышала допустимой. Примером конструкций, работающих при высоких температурах и напряжениях, являются металлические паропроводы, у которых диаметр со временем увеличивается и может произойти разрыв стенок.
Другим строительным материалом, обладающим свойством ползучести, является бетон. Ползучесть бетона проявляется при нормальной температуре. Со временем деформации ползучести бетона затухают (кривая 2 на рис. 3.25). Период затухания деформаций ползучести бетона очень длительный и может продолжаться до нескольких лет.
Остановимся еще на одном явлении — релаксации напряжений, которая характеризуется уменьшением напряжений при постоянной деформации. Например, она наблюдается в болтовых соединениях, когда усилие затяжки и, следовательно, плотность соединения со временем уменьшаются. Релаксацию напряжений (усилий) можно проиллюстрировать простой схемой (рис. 3.26), на которой между двумя неподвижными плоскостями помещена пружина с динамометром, показывающим усилие растяжения. Если материал пружины обладает свойством релаксации, то показания на динамометре уменьшаются. Это можно изобразить графиком зависимости напряжений от времени — кривой релаксации (рис. 3.27). Начальное напряжение о₀ создается в короткий промежуток времени при некотором фиксированном перемещении 5 крюка динамометра до опоры. Затем напряжение (усилие) уменьшается сначала быстро, а затем с затуханием, приближаясь асимптотически к горизонтали на уровне конечного напряжения а_к. Тангенс угла наклона касательной к кривой релаксации в некоторой точке дает по абсолютной величине численное значение скорости релаксации: 

Рис. 3.26

Рис. 3.27
Явления ползучести и релаксации напряжений особенно заметно проявляются в различных полимерах, используемых в качестве конструкционных материалов при изготовлении деталей машин и элементов строительных конструкций.