Относительное сужение и удлинение - особенности и формула

Выбор подходящего материала с нужными механическими свойствами важен при проектировании конструкций, работающих в условиях растяжения и сжатия. Давайте разберемся с такими ключевыми характеристиками, как относительное сужение и удлинение.

Основные определения

Относительное сужение ψ - это уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва в процентах от первоначального значения:

Относительное удлинение δ - это увеличение длины образца после разрыва в процентах от первоначальной длины:

Эти показатели тесно связаны с другими механическими свойствами материалов:

• Пластичность
• Прочность
• Хладноломкость

Факторы, влияющие на относительное сужение

На величину относительного сужения металла влияют:

1. Химический состав
2. Структура материала
3. Вид деформации при испытаниях

Например, для стали повышенное содержание углерода и легирующих элементов, как правило, снижает относительное сужение. Структура металла также имеет большое значение. Высокое относительное сужение наблюдается у крупнозернистых материалов.

Испытания на относительное сужение и удлинение

Относительное сужение металла и других материалов определяют в ходе механических испытаний на растяжение по стандартной методике с использованием специального оборудования - разрывных машин. Испытывают цилиндрические или плоские образцы с расчетной длиной.

Порядок испытаний следующий:

1. Закрепить образец в захватах машины
2. Плавно нагружать образец растягивающей силой
3. Довести нагрузку до разрушения образца
4. Замерить геометрические параметры образца после разрыва
5. Рассчитать относительное сужение и удлинение

Для повышения достоверности результатов испытывают несколько одинаковых образцов и находят среднее значение относительного сужения.

Значение относительного сужения для оценки свойств материалов

Относительное сужение характеризует способность материала к пластической деформации. Чем выше это значение, тем большую форму может принять деталь из данного материала без разрушения.

Например, мягкая сталь имеет относительное сужение около 50-70%. Это означает, что площадь поперечного сечения образца уменьшается после разрыва на 50-70% по сравнению с исходным значением.

Относительное сужение позволяет также оценить прочностные и вязкие свойства материалов. Большое сужение указывает на повышенную пластичность и вязкость. Малое сужение говорит о хрупкости материала и склонности к внезапному хрупкому разрушению.

Как увеличить относительное сужение материала

Для увеличения относительного сужения стали можно применить следующие методы:

• Легирование марганцем или никелем
• Высокий отжиг
• Нормализация

Например, после высокого отжига при температуре 950-1000°С относительное сужение низкоуглеродистой стали возрастает с 35-45% до 55-70%.

Также на относительное сужение влияют параметры деформационной обработки, такие как степень, скорость, температура. Их оптимальный выбор позволяет максимально увеличить способность материала к пластической деформации без разрушения.

Материалы с максимальным относительным сужением

Сталь, имеющая максимальное относительное сужение - это в основном низко- и среднеуглеродистые стали после высокого отжига. Например, сталь 20 имеет относительное сужение 62%.

Также очень высоким значением этого показателя обладают некоторые цветные металлы и их сплавы:

• Медь - 50-70%
• Латуни - 40-60%
• Алюминий - 45-65%

Эти материалы отличаются повышенной пластичностью и способностью выдерживать большие пластические деформации без разрушения.

Относительное остаточное сужение

Помимо общего относительного сужения при разрыве, можно рассматривать относительное остаточное сужение. Это изменение площади поперечного сечения образца после снятия нагрузки.

Для его расчета используют ту же формула относительного сужения, но в числителе стоит разность между начальной площадью F0 и площадью сечения после снятия нагрузки Фсн:

Остаточное сужение меньше, чем сужение после разрыва, так как часть деформации является упругой и исчезает сразу после разгрузки.

Учет пластичности материалов в конструировании

При проектировании деталей, испытывающих растяжение или сжатие, важно учитывать способность материала к пластической деформации. Это позволит:

• Избежать хрупкого разрушения
• Обеспечить необходимую точность геометрии
• Снизить внутренние напряжения

Для таких деталей лучше всего подходят материалы с большим запасом пластичности и высоким относительным сужением - до 50% и более.

Методы повышения пластичности

Кроме выбора исходного материала, на этапе производства можно дополнительно повысить его способность выдерживать пластические деформации за счет:

1. Термической обработки
2. Наклепа поверхностного слоя
3. Оптимизации режимов обработки давлением

Термическая обработка для повышения пластичности

Отжиг и нормализация повышают пластичность стали за счет снятия внутренних напряжений и измельчения зерна. Благодаря этому растет относительное сужение на 10-15%.

Оптимальные режимы термообработки:

• Высокий отжиг: нагрев до температуры АС3 + 50°С, медленное охлаждение с печью
• Полная нормализация: нагрев на 30-50°С выше АС3, охлаждение на воздухе

Однако чрезмерный перегрев свыше 1200°С приводит к росту зерна, что снижает относительное сужение.

Упрочнение поверхности детали

Дополнительное упрочнение поверхности методами ППД повышает износостойкость, while сохраняя высокую пластичность сердцевины. Это полезно для деталей сложной формы.

Доступные методы упрочнения поверхности:

• Дробеструйная обработка
• Лазерное упрочнение
• Ионная имплантация

Глубина упрочненного слоя составляет 0,1-0,5 мм. За счет наклепа повышается твердость и износостойкость при сохранении вязкой сердцевины.

Выбор режимов обработки давлением

При обработке металлов давлением важными параметрами являются:

• Скорость деформации
• Температура
• Степень обжатия за проход

Их оптимальный выбор позволяет максимально использовать пластические свойства материала без хрупкого разрушения.

Конструктивные методы повышения пластичности

На этапе проектирования деталей также есть резервы для повышения их способности выдерживать пластическую деформацию без разрушения.

Основные подходы:

• Избегать концентрации напряжений
• Применять плавные переходы сечений
• Оптимально ориентировать деталь относительно действия нагрузок

Расчет допустимой пластической деформации

При проектировании ответственных деталей важно рассчитать предельно допустимую величину пластической деформации, которую способен выдержать материал без разрушения. Для этого используют показатель относительного сужения.

Например, если относительное сужение стали составляет 50%, то максимальное безопасное уменьшение поперечного сечения детали в процессе эксплуатации должно быть не более 50% от первоначального.

Моделирование процессов пластической деформации

Современные программные комплексы позволяют смоделировать напряженно-деформированное состояние деталей и спрогнозировать возможность пластических деформаций или хрупкого разрушения еще на этапе проектирования.

К преимуществам такого подхода относятся:

• Снижение затрат на натурные испытания
• Выявление потенциально опасных зон
• Оптимизация конструкции и техпроцесса

Неразрушающий контроль остаточных деформаций

В готовых изделиях также важно контролировать накопленную пластическую деформацию, чтобы предупредить внезапные отказы.

Для этого применяют такие методы, как:

• Ультразвуковая дефектоскопия
• Магнитная дефектоскопия
• Вихретоковый контроль

Упругопластическая деформация композитных материалов

Помимо традиционных металлов и сплавов, аналогичные процессы пластической и упругой деформации происходят в полимерных и композитных материалах под нагрузкой. Относительное сужение является важным параметром при оценке их прочности и подборе для конкретных условий эксплуатации.