Фасонные резцы.

Эти резцы применяются для обработки тел вращения, имеющих на­ружные или внутренние фасонные поверхности. Обработка этими рез­цами обычно ведется на станках-автоматах и револьверных станках в условиях крупносерийного или массового типа производства. В качест­ве заготовок деталей чаще всего используют калиброванный прокат в виде прутка.

В сравнении с другими типами резцов фасонные резцы имеют сле­дующие преимущества:

  1. обеспечивают идентичность формы детали и высокую точность размеров, не зависящую от квалификации рабочего;
  2. обладают высокой производительностью за счет большой длины ак­тивной части режущей кромки;
  3. имеют большой запас на переточку;
  4. для них достаточно простой переточки по плоскости передней грани;
  5. не требуют больших затрат времени на наладку и настройку станка.

К числу недостатков фасонных резцов можно отнести:

  1. сложность изготовления и высокую стоимость;
  2. это резцы специальные, так как они пригодны для изготовления деталей только заданного профиля;
  3. большие радиальные нагрузки у резцов, работающих с радиальной подачей, вызывают вибрации и упругие деформации нежестких загото­вок, что требует снижения подачи и уменьшает производительность;
  4. кинематические передние и задние углы фасонных резцов в процессе резания меняются по длине режущих кромок в большом диапазоне, су­щественно отличаясь от оптимальных значений.

GamePark RU

Основные типы фасонных резцов: стержневые (рис. 1, а), круглые (рис. 1, б), призматические радиальные (рис. 1, в), тангенциальные (рис. 1, г). Из них наибольшее применение нашли круглые и призма­тические резцы, работающие с радиальной подачей.

Типы фасонных резцов
Рис. 1. Типы фасонных резцов:
а — стержневой; б — круглый; в — призматический; г — призматический тангенциальный

Стержневые резцы подобны призматическим, но имеют малый за­пас на переточку. Они применяются в основном для затылования фрез, а также для нарезания резьбы. Крепление этих резцов в суппорте станка подобно креплению токарных резцов.

Призматические тангенциальные резцы позволяют обрабатывать детали малой жесткости, но требуют специальных станков и поэтому на практике применяются очень редко. Их недостатком также является переменность передних и задних углов в процессе снятия припуска.

Сравнение круглых и призматических резцов, работающих с ради­альной подачей, показывает, что круглые резцы более технологичны и могут быть изготовлены с большей точностью. Однако они обладают меньшим запасом на переточку и меньшей жесткостью крепления, так как у насадных резцов диаметр оправки зависит от диаметра резца. По­следний рекомендуется брать не более 100 мм из-за ухудшения качества быстрорежущей стали, используемой для изготовления таких резцов. Призматические резцы имеют большую жесткость и крепятся с помощью ласточкина хвоста в державках стержневого типа, обладают боль­шим запасом на переточку и, как будет показано ниже, обеспечивают большую точность обработки.

Для обработки внутренних фасонных поверхностей используются только круглые фасонные резцы с креплением на станке с помощью хвостовика, выполненного за одно целое с резцом.

Особенностью фасонных резцов, работающих с радиальной пода­чей, является переменное значение передних и задних углов по длине режущей кромки.

У круглых резцов задний угол α создается за счет превышения цен­тра резца Ор над центром детали Од на величину h, а передний угол γ — за счет выреза по плоскости передней поверхности, отстоящей от цен­тра на величину H (рис. 2). При этом точки режущей кромки на на­ружной окружности резца (точки 1 и 3) лежат на линии оси центров станка:

sin а = h / R; sin(α + γ) = sin ψ = H / R,

где R — радиус наружной окружности резца.

Геометрические параметры круглых и призматических фасон­ных резцов с радиальной подачей
Рис. 2. Геометрические параметры круглых (справа) и призматических (слева) фасон­ных резцов с радиальной подачей

Print Bar

В других точках режущей кромки углы α и γ в сечении, перпенди­кулярном к оси резца, зависят от положения координатных плоскостей (основной и резания) и касательных к задней и передней поверхностям. При этом след основной плоскости проходит через режущую кромку и радиус, проведенный в точку режущей кромки из центра детали, а след плоскости резания проходит через вектор окружной скорости резания v. Касательная к задней поверхности в разных точках режущей кромки — это нормаль к радиусу, проведенному из центра резца Ор.

Из сказанного следует, что по мере приближения точки режущей кромки к центру резца происходит поворот координатных плоскостей по часовой стрелке и в любой i-й точке, отстоящей от вершины ближе к центру резца, задний угол αI > α, а γI < γ. Касательные к задней поверх­ности у круглых резцов также поворачиваются, но в противоположном направлении, т.е. против часовой стрелки. Для расчета переднего угла в любой i-й точке режущей кромки резца опустим перпендикуляр m из центра детали Од на продолжение передней поверхности резца и най­дем, что

m = r1sin γ = ri sin γi, т.е. sin γi = (ri/r1)sin γ,

где ri, r1 — радиусы точек профиля детали, задаваемые чертежом.

На рис. 2 с левой стороны показано положение призматического резца в процессе резания. При изготовлении этих резцов производится срез по передней грани под углом γ+α, а задний угол α в рабочем поло­жении создается путем поворота резца относительно детали. Приведен­ные выше формулы, полученные для круглого резца, справедливы и для призматического резца.

Задние углы (aN) на наклонных режущих кромках принято измерять в сечениях, нормальных к этим кромкам. Во избежание трения задних поверхностей с обработанной поверхностью заготовки они должны быть не менее 1…2°.

На примере призматического резца (рис. 3, а) с γ = 0 и прямоли­нейным фасонным профилем найдем, что на участке, параллельном оси детали,

tg α = x / A,

а на наклонном участке режущей кромки в нормальном сечении

tg aN = y / A

Так как y = x sin φ, где φ — угол между режущей кромкой и норма­лью к оси заготовки, то

tg aN = tg a sin φ.

Из уравнения следует, что при φ → 0 и α → 0 угол aN → 0 . Во избежание трения боковых задних поверхностей с обработанной по­верхностью заготовки участки режущих кромок, перпендикулярные к оси заготовки, выполняют либо с углом поднутрения φ1=1°30’…3°, либо на них оставляют узкие ленточки шириной f=0,5…1,0 мм (рис. 3, б). При открытых поверхностях возможно изготовление резцов с винтовы­ми задними поверхностями либо с поворотом оси резца относительно оси заготовки (рис. 3, в). В последнем случае на участке ab, перпендикулярном к оси детали, φ > 0 и, следовательно, aN > 0.

Задние углы фасонных резцов
Рис. 3. Задние углы фасонных резцов:
а — задний угол на наклонных режущих кромках; б — поднутрение участков режущих кромок, перпендикулярных к оси заготовки; в — резец с наклонным профилем

Профилирование фасонных резцов (аналитический расчет профиля) необходимо для их изготовления и проектирования инструментов вто­рого порядка, а также шаблонов и контршаблонов, применяемых для контроля соответственно профилей резцов и шаблонов. При этом про­филь круглого резца рассчитывается в радиальном (осевом) сечении, а призматического резца — в сечении, нормальном к задней поверхности.

Из-за наличия переменных значений углов a и γ глубина (высота) точек профиля резца в этих сечениях не совпадает с глубиной профиля детали в ее осевом сечении. Расчет ведется путем определения высот­ных координат характерных (узловых) точек профиля, отсчитываемых от базовой точки, за которую принимается наивысшая точка профиля (вершина резца). Осевые размеры профиля передаются от детали без искажения.

Профилирование круглых фасонных резцов.

Исходные данные для расчета профиля резца: обрабатываемый материал и профиль дета­ли, задаваемый радиусами окружностей, проходящих через узловые точки r1, r2…, ri, и осевыми размерами a1, a2,…, ai. По рекомендациям выбирают углы вершинной точки γ и a и радиус наружной ок­ружности резца R. Исходя из поставленной задачи, требуется рассчитать радиусы окружностей, на которых лежат точки резца, обрабатывающие соответствующие точки детали R1, R2…,Ri и высотные координаты профиля резца в его осевом сечении ΔR = R — Ri (рис. 4, а).

Предварительно определяют параметры вершины резца (точка 1), лежащей на линии центров станка по заданным исходным значениям:

h1 = R sin a; m = r1 sinγ; ψ1 =a + γ; A1 = r1 cosγ ; H = Rsin ψ1; B1 = R cos ψ1.

Далее, используя значения этих параметров, для любой i-й точки профиля находят последовательно:

sin γi = m / ri ;

Ci = ri cos γi — A1 ;

Bi = B1 -Ci ;

tg ψi = H / Bi ;

Ri = H/sin ψi ;

ΔRi = R — Ri.

Здесь параметры Ai, Bi и Ci переменны и измеряются вдоль передней грани резца, а угловой параметр ψi = ai + γi определяется с использова­нием их величин.

Профилирование призматических резцов.

Профилирование призматических резцов производится на основе тех же исходных данных и заключается в определении высотных коор­динат Pi узловых точек профиля резца в сечении, перпендикулярном к задней поверхности инструмента. Из расчетной схемы на рис. 4, б следует, что для этого достаточно иметь три уравнения:

sin γi = m/ri ;

Ci = ri cos γi — A1 ;

Расчетные схемы профилирования фасонных резцов
Рис. 4. Расчетные схемы профилирования фасонных резцов:
а – круглый резец; б – призматический резец

Здесь по аналогии с круглыми резцами предварительно находят значения параметров m и А1. Координаты узловых точек вдоль оси пе­редаются от детали к резцу без искажения.

По найденным координатам узловых точек в указанных сечениях на рабочих чертежах фасонных резцов вычерчивают профиль, обычно в
увеличенном масштабе. При этом прямолинейные участки профиля по­лучают соединением прямой двух крайних точек, а криволинейные — по лекалу через точки отдельных отрезков, на которые предварительно разбивают заданный профиль детали. Обычно берут не менее трех — ­четырех точек.

Погрешности обработки фасонными резцами.

Погрешности обработки фасонными резцами возникают при об­работке конических участков детали из-за несовпадения режущей кром­ки с образующей конуса.

Погрешности профиля конических участков заготовок, обработанных фасонными резцами
Рис. 5. Погрешности профиля конических участков заготовок, обработанных фасонными резцами:
а — призматический резец; б — круглый резец

Как следует из рис. 5, а, при обточке усеченного конуса призма­тическим резцом режущая кромка 1…2 скрещивается в пространстве с осью конуса и при вращении ее относительно оси детали образуется не конус, а однополостной гиперболоид, показанный штриховыми линия­ми. Наибольшее отклонение фактического профиля от конического Δ приходится на точку профиля с радиусом rср = (r + r2)/2.

Погрешность Δ = rсрrф, где rф — фактический радиус средней точки гиперболоида, который можно найти по формулам аналитической гео­метрии. При этом величина погрешности Δ не должна превышать до­пуск на отклонение образующей конуса. В случае применения призма­тических резцов ее можно свести до нуля, заточив переднюю грань до­полнительно под углом λ. При этом режущая кромка резца займет по­ложение 12‘, т.е. будет совпадать с образующей конуса.

Из рис. 5, а следует, что

где — длина конуса.

Такой прием, однако, не дает возможности получить точный кони­ческий профиль детали при использовании круглых фасонных резцов. Это объясняется тем, что при пересечении конического тела резца плос­костью передней грани, проходящей параллельно оси, получается кри­волинейная режущая кромка в форме гиперболы (рис. 5, б). Дополни­тельная заточка передней грани под углом λ хотя несколько снижает погрешность обработки, но совместить полностью режущую кромку с образующей конуса не удается.

Теоретически можно рассчитать профиль резца по нескольким точ­кам конической поверхности детали, определив их радиусы в сечениях, перпендикулярных к оси, но тогда профиль исходного тела резца будет криволинейным. Из-за высокой трудоемкости точное изготовление та­ких резцов считается нерациональным. Заточка же передней грани круглых резцов под углом λ хотя и не исключает погрешности обработ­ки конических участков детали, но дает существенное ее снижение.

Упрочнение и разупрочнение материалов, наклеп и рекристаллизация.

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом дефор­мации, то есть материал в этих условиях упрочняется.

Упрочнение — изменение структуры и свойств металлического мате­риала. вызванное пластической деформацией.

Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций ρ. По ме­ре увеличения плотности дислокаций ρ сопротивление пластическому де­формированию уменьшается (рис. 1).

Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций
Рис. 1. Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций.

GamePark RU

Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций ρкр, когда начинается взаимодействие силовых по­лей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.

Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформи­рованию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислока­ций до очень малого значения.

Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σв, σ0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, KCU) — уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристалличе­ской структуры, которые затрудняют движение дислокаций, а следователь­но, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздейст­вия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструй­ная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обра­ботка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структу­ры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при после­дующей эксплуатации изделий.

Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плот­ности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к уве­личению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.

Второй способ — создание металлов и сплавов с бездефектной структу­рой, — является более прогрессивным. В настоящее время получают кри­сталлы небольших размеров (длиной 2-10 мм и толщиной 0,5-2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.

Текстура, возникающая при пластической деформации
Рис. 2. Текстура, возникающая при пластической деформации: а) исходная структура, б) текстура при растяжении, в) текстура при сжатии, г) текстура при сдвиге

Print Bar

При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в на­правлении деформации, образуется так называемая текстура (textura — ткань, связь, строение) — анизотропная поликристаллическая пли аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориен­тировкой. Текстуры могут: быть осевыми — с предпочтительной ориенти­ровкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими — с ориентировкой относительно особой плоскости и полными — при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 2). Текстура создает анизотропию свойств.

Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения ме­талла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве на­клепанного металла в нем протекают следующие процессы:

  • частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между со­бой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении послед­них при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата):
  • уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противопо­ложных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свобод­ных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации):
  • зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристалли­зации).

Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей но­вых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами (первичная рекристаллизация), в результа­те чего полностью снимается наклеп, созданный при пластическом дефор­мировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с мини­мальным количеством дефектов кристаллического строения. Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 1010-1012 см-2 до 106-108 см-2.

Изменение прочности пластичности и зернистого строения в процессе нагрева деформированного металла
Рис. 3. Изменение прочности пластичности и зернистого строения в процессе нагрева деформированного металла.

При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повы­шением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным — процесс вторич­ной (собирательной) рекристаллизации.

Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекри­сталлизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного ме­талла и восстановление его пластичности называют температурным поро­гом рекристаллизации ТПР.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зави­сит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, вели­чины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллиза­ции снижается с повышением степени деформации, увеличении длитель­ности нагрева или уменьшении величины зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации ТПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4Тпл, для чистых металлов снижается до (0,1-0,2)ТПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5-0,6)ТПЛ.

Упругая и пластическая деформация, разрушение.

Любая деформация может осуществляться в твердых телах путем от­носительного смешения атомов. В твердых телах различают упругую де­формацию (исчезающую после устранения воздействия, вызвавшего ее) и пластическую (оставшуюся после удаления нагрузки).

Упругая деформация для твердых тел обычно мала и пропорциональна приложенному напряжению. После снятия нагрузки тело восстанавливает свою форму и размеры. При упругой деформации величина смешения атомов из положения равновесия не превышает расстояния между соседними атомами. При этом величина элементарных сил, вызывающих сме­шение атомов, возрастает с увеличением этого смешения. Для металлов в определенных пределах нагружения обычно существует пропорциональ­ная зависимость между деформирующими силами (напряжениями) и сме­шением атомов из положения равновесия (деформациями).

Схема пластической деформации скольжением и двойникованием
Рис. 1. Схема пластической деформации скольжением (а) и двойникованием (б).

GamePark RU

С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твер­дого тела возрастает. Смешение атомов из положения равновесия является реакцией на действие внешних сил на все твердое тело или его отдельную часть. В любых условиях нагружения действие внешних сил на тело урав­новешивается противодействием межатомных, стремящихся вернуть ато­мы в положение минимума потенциальной энергии.

Однако увеличение потенциальной энергии тела за счет смещения атомов из положения равновесия не может происходить безгранично. При достижении определенного предела потенциальной энергии атомы полу­чают возможность смещаться на расстояния большие, чем межатомные расстояния незагруженного твердого тела. В этом случае после снятия внешних усилий атомы не возвращаются в свои исходные положения рав­новесия, а занимают новые положения устойчивого равновесия. Сумма смещений атомов в новые положения равновесия создает пластическую деформацию или же остаточное изменение формы и размеров твердого те­ла в результате действия внешних сил. В этом случае после снятия нагруз­ки материал не восстанавливает первоначальные форму и размеры.

Для того чтобы смешение атомов в новые положения равновесия не приводило к нарушению сплошности, необходимо, чтобы в процессе тако­го смешения атомы не удалялись один от другого на расстояния большие, чем размеры зоны активного действия сил взаимного притяжения атомов.

Под нагрузкой атомы всегда смещены из положений равновесия, так как действие внешних сил уравновешивается действием внутренних сил, вызванных смешением атомов из положений равновесия. Отсюда следует, что в условиях пластического деформирования общая (полная) деформа­ция содержит как пластическую составляющую, так и упругую, исчезаю­щую после снятия деформирующих сил.

Print Bar

Так как при снятии деформирующих сил после пластического дефор­мирования атомы стремятся занять положения равновесия (новые) и уста­новить исходные межатомные расстояния, пластическая деформация не может приводить к сколько-нибудь заметному изменению объема дефор­мируемого тела.

Основным механизмом пластической деформации является движение дислокаций (dislocatio — смещение, перемещение). Осуществляется пла­стическая деформация скольжением и двойникованием (рис. 1. а, б).

Определение твёрдости материалов.

Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Высокой твердостью должны об­ладать металлорежущие инструменты (резцы, сверла, фрезы и т. д.), а так­же поверхностно упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла, Виккерса и др. (рис. 1).

Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую по­верхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой закаленный ша­рик (индентор). Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в за­висимости от твердости и толщины испытуемого металла. Испытание вы­полняют на приборе ТШ (твердомер шариковый): столик прибора с установленным на нем образцом поднимают до соприкосновения с шариком. Груз опускается и вдавливает шарик в испытуемый образец. На поверхно­сти образца образуется отпечаток. Чем больше диаметр отпечатка, тем ме­талл мягче.

Рис. 1. Схемы определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу

GamePark RU

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки F к плошали поверхности отпечатка шарика диаметром D:

Диаметр отпечатка измеряют оптической лупой, значение твердости определяют по таблице. Метод прост, достаточно точен и пригоден для измерения твердости материалов до НВ 6500 (средний уровень твердости).

Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013-59). Способ назван по имени американского металлурга XX века С. П. Роквелла, разработавшего этот метод.

ПО способ Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора в виде конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стального закаленного шарика диа­метром 1/16 дюйма, т. е. 1,588 мм (шкала В). Значение твердости отсчи­тывают по циферблату индикатора, установленного на приборе.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению на­конечника на 0.002 мкм:

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) — от названия английского военно-промышленного концерна «ВИККЕРС» — в поверхность образца вдавливается алмазный индентор (наконечник), имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным ут­лом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н в зависимости от твердости образца.

Числовое значение твердости определяют следующим образом: заме­ряют с помощью микроскопа длину обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и по среднему значению длины диагонали находят в таб­лице соответствующее значение твердости.

Для измерения твердости металлов в малых объемах (например, в зер­нах металла) применяют способ определения микротвердости, подобный способу Виккерса.

Print Bar

Для соизмерения значений твердости, определенных различными спо­собами. применяются переводные таблицы (пример: табл. 1).

Перевод величин твёрдости
Таблица 1. Перевод величин твёрдости.

Для оценки механических свойств материалов и приблизительного значения предела прочности можно использовать значение твердости, оп­ределенной по испытаниям способом Бринелля. Эмпирическое соотно­шение выглядит следующим образом:

σв ≈ 0,33HBmax,

где σв временное сопротивление HBmax максимальное значение твердо­сти при нагрузке, с которой начинается плавное понижение твердости.

Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость.

Испытания на растяжение относят к самым распространенным видам механических испытаний, при которых определяется прочность и пла­стичность материала. Результаты экспериментальных исследований меха­нических свойств материала при одноосном растяжении обычно изобра­жают в виде графиков зависимости напряжения от деформации (рис. 1). Чаше всего испытания проводят при «комнатной» температуре, т. е. при t = 20 °C (или Т = 293 К), и при постоянной и достаточно малой скорости деформации (ε ≈ 1 • 10-2 n-1). При этом силу Р, растягивающую образец, относят к первоначальной площади поперечного сечения Fo, а удлинение образца Δl — к первоначальной расчетной длине образца l0:

т. е. не учитывают изменение площади поперечного сечения образца и предполагают равномерное деформирование образца по его длине.

Рис. 1. Условная диаграмма растяжения.

GamePark RU

Условный предел прочности σВ определяется как отношение макси­мальной силы Ртах к первоначальной плошали поперечного сечения образца:

Для определения действительного предела прочности Sb максималь­ную силу Ртах необходимо относить к действительной площади перечного сечения образца. Поскольку длина образца после деформации dz(1 + εz), а площадь поперечного сечения равна F, то согласно постоянству объема до и после деформации: F0dz=Fdz(1 + εz),

откуда

На диаграмме растяжения (см. рис. 1) наблюдаются области упру­гой деформации, исчезающей после снятия вызвавшей ее нагрузки, и пла­стической. Между напряжениями и деформациями в области упругости соблюдается закон Гука:

σz = Eεz,

где Е — модуль упругости при растяжении (модуль Юнга).

Модуль упругости Е является константой материала, характеризую­щей его жесткость. Величина Е выражает сопротивляемость материала уп­ругой деформации при растяжении. Следует отметить, что величина моду­ля упругости даже для одного и того же материала не является постоянной и колеблется в некоторых пределах. Однако в инженерных расчетах этой разницей можно пренебречь и принять для большинства материалов одно и то же значение Е как при растяжении, так и при сжатии. Модуль упруго­сти является коэффициентом пропорциональности между нормальным на­пряжением σ и относительной деформацией в и выражается зависимостью:

Е = σ/ε = tg α,

где α — угол наклона прямолинейной части диаграммы растяжения σ = f (ε) к оси абцисс.

Аналогично при сдвиге величина G является коэффициентом пропор­циональности между касательным напряжением τ и относительным сдви­гом γ и называется модулем упругости при сдвиге или модулем сдвига. Ве­личина G выражается зависимостью:

G = τ/γ.

Print Bar

В связи с тем, что при растяжении или сжатии материал испытывает как продольные ε, так и поперечные ε1 деформации, их отношение может быть выражено через коэффициент поперечной деформации, называемый также коэффициентом Пуассона μ:

μ = ε1/ε.

Коэффициент Пуассона так же, как и модули упругости, является ха­рактеристикой упругих свойств материала.

Все три константы упругости материала связаны между собой сле­дующей зависимостью:

G = E/2(1 + μ).

Наибольшее напряжение, при снятии которого остаточные деформа­ции не превышают некоторой заданной малой величины (обычно менее 0,2%), называют пределам упругости σу.

Если за участком пропорциональности напряжения и деформации следует площадка текучести, соответствующая увеличению деформации при постоянном напряжении (рис. 1), то это напряжение называют пре­делом текучести σт. При отсутствии таковой площадки пределом текуче­сти считают напряжение, соответствующее некоторому установленному небольшому уровню деформации (например, 0,2%) — σо,2.

Область справедливости закона Гука устанавливается пределом пропорциональности σпц. Поскольку пропорциональность напряжения деформации обычно выполняется во всей области упругости, при практиче­ских расчетах предел пропорциональности принимают равным пределу упругости (или меньше).

Для использования диаграмм растяжения при других, более сложных схемах деформирования напряжение σz заменяют интенсивностью на­пряжений σi, а деформацию εz — интенсивностью деформаций εi.

Пластичность характеризуется относительным удлинением и относи­тельным сужением. Относительное удлинение δ это относительное при­ращение (lk — lо) расчетной длины образца после разрыва к его первона­чальной расчетной длине lо, выраженное в процентах:

δ = [(lk — lо)/lо] ⸳ 100%

Относительное сужение ψ — это соотношение разности начальной и конечной плошали (So — Sk) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади So поперечного сечения, выраженное в процентах:

ψ = [(So — Sk)/So] ⸳ 100%

Испытания на растяжение не всегда оценивают склонность материала к хрупкому разрушению, поэтому применяют испытания для определения ударной вязкости, отличающиеся от обычных испытаний на растяжение
тем, что образец испытывается на изгиб при ударном (динамическом) на­гружении.

Ударная вязкость — способность материала сопротивляться динамиче­ским нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом рабо­ты А к площади его поперечного сечения S в месте надреза до испытания: КС = A/S.

Схема испытания на ударную вязкость
Рис. 2. Схема испытания на ударную вязкость: а) образец, б) маятниковый копер

Для испытания (ГОСТ 9454-78) изготавливают стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусков с надрезом. Форма надреза может быть округлой. V-образной и в виде трещины. Испытывают образцы на ма­ятниковых копрах. Свободнопадающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, за­траченная на излом образца (рис. 2).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлических материалов, работающих при отрицательных температурах и проявляю­щих склонность к хладноломкости. Чем ниже температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас его вязкости, тем он надежнее.