5. Medžiagų mechaninės savybės 5.1. Bendrosios žinios r konstrukcija (jos eementas) yra pakankamai stipri, standi, stabii, gaima spręsti tik tuo atveju, kai šaia įtemptąją ir deformuotąją jos būseną apibūdinančių dydžių (įrąžų, įtempimų, posinkių ir deformacijų) yra žinomos ir medžiagos mechaninės savybės: stiprumas, tamprumas, pastiškumas, trapumas, kietumas ir kitos. Šias savybes kiekybiškai apibūdina jų rodikiai, pvz., stiprumą stiprumo riba (trapioms medžiagoms) ir takumo riba (pastiškoms medžiagoms); tamprumą proporcingumo riba, tamprumo riba, tamprumo ir šyties moduiai bei Puasono koeficientas; pastiškumą takumo riba, santykinis iekamasis bandinio igio pokytis, santykinis iekamasis bandinio skerspjūvio poto pokytis ir t.t. Medžiagos mechaninėms savybėms tirti, jų rodikiams nustatyti atiekami medžiagų mechaniniai bandymai. Pačiąja prasme mechaninių bandymų tiksas yra trejopas: 1) ištirti medžiagos irimo procesą bei įvairių veiksnių (temperatūros, radioaktyvaus švitinimo, terminio apdirbimo, cheminės sudėties, senėjimo ir kt.) įtaką medžiagos mechaninėms savybėms; 2) gauti medžiagų mechaninių savybių rodikius (skaitines reikšmes); 3) patikrinti teorinius teiginius, formues ir skaičiuojamųjų schemų bei skaičiavimo metodų teisingumą. Pirmaisiais dviem atvejais bandomi speciaūs bandiniai, trečiuoju atveju konstrukcijos, mazgai, sudėtingi statiniai ar jų maketai. Visais atvejais turi būti aikomasi norminiais dokumentais nustatytų sąygų: bandiniai turi būti tam tikros formos ir matmenų, pagaminti jie turi būti reikiamo tiksumo ir prisiaikant tam tikrų taisykių; normuojamas taip pat apkrovimo ir deformavimo greitis, temperatūra, bandinių skaičius, mechaninių rodikių nustatymo metodika bei kiti daykai. Laikytis šių sąygų būtina, nes priešingu atveju įvairiose aboratorijose gautų rezutatų yginimas neturėtų prasmės. 5.1 tekstas 5.2. Tempimo bandymas Vienas iš pagrindinių medžiagos mechaninių bandymų yra tempimo bandymas. Jo tiksas yra gauti medžiagos stiprumo, tamprumo ir pastiškumo rodikius, t.y. rodikius, kurie inžineriniu požiūriu pakankamai visapusiškai atspindi svarbiausias medžiagos mechanines savybes. Kaip buvo minėta, medžiagų mechaninių bandymų atikimo metodika yra normuojama. Remsimės mūsų šayje naudojamu vastybiniu standartu. Be to, bus akcentuojami tik esminiai, fizinius reiškinius atspindintys daykai (detaes gaima rasti pačiame standarte arba įvairiuose medžiagų atsparumo aboratorinių darbų aprašymuose). Bandiniai (ciindriniai ar pokštieji; žr. 5.1 pav.) tempiami speciaiomis mašinomis. Įtvirtinus bandinį a) - mašinos griebtuose ir pradėjus didinti jėgą, bandinys pradeda igėti. Tempiančios jėgos didumą rodo manometras, bandinio paigėjimą atstumas tarp griebtų. Tempiančios jėgos ir bandinio paigėjimo ryšį d parodo grafikas, kurį nubrėžia savirašis įtaisas b) diagraminis aparatas. Šis grafikas ( Δ = f () ) dar - vadinamas tempimo diagrama. Būtent iš jos nustatomi svarbiausieji tiriamosios medžiagos mechaninių a savybių rodikiai. b 5.2 tekstas 5.1 pav. 38
Panagrinėkime būdingą minkštojo anginio pieno tempimo diagramą (5.2 pav.). Diagramoje yra keetas ypatingų ruožų ir taškų. Ruožas O yra tiesė. Tai reiškia, kad tarp priežasties ir pasekmės (tarp ir Δ) yra tiesinis ryšys. Jeigu šiame ruože bandinį nukrautume, tai jis susigrąžintų pradinius matmenis. Taigi ruože O medžiaga deformuojasi ne tik tiesiškai, bet ir tampriai. Ruožas B artima tiesei kreivė. Tai reiškia, kad jame negaioja Huko dėsnis. Tačiau bandinys ir toiau dirba tampriai. Tai paaiškėja nukrovus bandinį: jo iekamasis paigėjimas praktiškai būna ygus nuiai. Ruožas BC taip pat kreivė. Nuo ruožo B jis skiriasi tuo, kad jame bandinys deformuojasi tampriai pastiškai. Jeigu dabar nukrautume bandinį, tai aptiktume nežymų, tačiau praktiškai pastebimą iekamąjį bandinio paigėjimą. Ruožas CD dantyta horizontai inija. Tai reiškia, kad bandinys igėja nesikeičiant (su nedideiais svyravimais) bandinį tempiančiai jėgai. Tai atsitinka todė, kad šiame apkrovimo tarpsnyje keičiasi medžiagos struktūra, medžiaga "teka" (todė ruožas CD dar vadinamas takumo aikštee). Takumo reiškinys susijęs su pastinėmis deformacijomis: visas tempiančios jėgos darbas, atiktas ruože CD, sunaudojamas medžiagos kristaų gardeėms suardyti. Todė, nukrovus šiame ruože bandinį, pastebimas žymus iekamasis jo paigėjimas. Ruožas DE kyanti į viršų kreivė. Tai reiškia, kad, pasibaigus medžiagos tekėjimui, ji sustiprėja (norint papidomai deformuoti bandinį, reikia padidinti jėgą). Šiame ruože medžiaga deformuojasi tampriai pastiškai: toiau didėja ir tampriosios, ir pastinės deformacijos. Jeigu, pvz., pasiekus tašką K, bandinį nukrautume, tai dais jo paigėjimo išnyktų ( Δ k, e ), dais iktų ( Δ k, p ). Be to, tampriosios deformacijos išnyksta tokiu pačiu dėsniu kaip ir atsiranda, t.y. tiesės O ir KM yra ygiagrečios. Ruožas E žemyn krintanti kreivė. Tai reiškia, kad bandinys igėja mažėjant jėgai. Šio, prieštaraujančio sveikam protui, reiškinio priežastis yra vietinės deformacijos. Jos atsiranda sipniausioje bandinio vietoje, jėgai pasiekus didžiausią reikšmę (tašką E). Vystantis vietinėms deformacijoms, ima formuotis kakeis su ryškiai sumažėjusiu bandinio skerspjūvio potu, todė bandiniui toiau deformuoti pakanka mažesnės jėgos. Kakeio skerspjūvio potas mažėja greičiau negu jėga, todė įtempimams pasiekus ribinį didumą bandinys nutrūksta (taškas ). 5.3 tekstas k,p C D B M K E 5.2 pav. k k,e ptartus ruožus vieną nuo kito skiria taškai. Kai kurie iš jų, t.y. taškai, žymintieji tam tikrų fizinių reiškinių pradžią ar pabaigą, vadinami ypatingaisiais. Tai taškai, B, C, E ir. Taškas žymi tiesiško medžiagos deformavimo pabaigą, taškas B tampraus deformavimo pabaigą, taškas C medžiagos tekėjimo pradžią, taškas E kakeio susidarymo pradžią, taškas bandinio trūkimą. Padaijus ypatingųjų taškų ordinates, t.y. ypatingąsias tempiančios jėgos reikšmes (5.3 pav.), iš bandinio skerspjūvio pradinio poto gaunami ypatingieji įtempimai. Jie apibūdina tam tikras medžiagos savybes ir kadangi žymi tam tikrų fizinių reiškinių pradžią ar pabaigą, vadinami ribomis. Proporcingumo riba yra didžiausias įtempimas, iki kurio gaioja įtempimų ir deformacijų proporcingumo (Huko) dėsnis: E CD σ pr pr =. (5.1) B pr e y u fr Proporcingumo ribos didumas prikauso nuo sąygų, kuriomis nustatomas tiesės O išsikreivinimo taškas (taškas ). Paga Standartą tai taškas, kuriame išbrėžtos iestinės ir ašies sudaromo 5.3 pav. 39
kampo tangentas yra 5% didesnis už tangentą kampo, kurį sudaro tiesioji tempimo diagramos dais su ašimi (5.4 pav.). Tamprumo riba yra didžiausias įtempimas, iki kurio medžiagoje praktiškai nepastebima jokių pastinių (iekamųjų) deformacijų: pr a tg a 3 2 = tg e e = σ. (5.2) Nustatant tamprumo ribą (taško B padėtį) yra matuojamas iekamasis paigėjimas. Paga standartą (jei nėra ypatingų sąygų) jis neturi viršyti,5% (5.5 pav.). Taip nustatyta tamprumo riba žymima σ. 5. Dažnai tempimo diagramos taškai ir B yra arti vienas kito. Todė praktikoje paprastai nustatoma tik viena proporcingumo riba. Takumo riba yra mažiausias sąyginis įtempimas, kuriam veikiant bandinys tįsta nedidinant apkrovos: e 5.4 pav. B σ y = y. (5.3) Kai kurios medžiagos takumo aikšteės neturi. Tačiau projektuotojui svarbu žinoti, kada prasideda intensyvus pastinis deformavimasis. Todė nustatoma sąyginė takumo riba. Paga Standartą tai sąyginis įtempimas, dė kurio medžiagoje atsiranda,2% didumo pastinė (iekamoji) deformacija (5.6 pav.). Ji žymima simboiu σ, 2. Stiprumo riba yra didžiausias sąyginis įtempimas, kurį ataiko bandinys: y,5 5.5 pav. C,2 σ u = u. (5.4) 5.6 pav. fr Kartais skaičiuojamas sąyginis įtempimas σ fr = Jis vadinamas trūkimo riba. Tačiau šis rodikis medžiagos mechaninėms savybėms apibūdinti praktiškai nenaudojamas. Dar kartą aptarkime tempimo diagramos ruožus ir ypatinguosius taškus akcentuodami bandinio deformavimosi ypatumus (5.7 pav.). Iki proporcingumo ribos bandinys deformuojasi ir proporcingai, ir tampriai; nukrovus bandinį, paigėjimas Δ a išnyksta (5.7b pav.). Iki tamprumo ribos bandinys deformuojasi tik tampriai; nukrovus bandinį, paigėjimas Δ b taip pat praktiškai išnyksta (5.7c pav.). Nuo takumo ribos prasideda intensyvus pastinių deformacijų kaupimosi procesas (nereikėtų pamiršti, kad pirmosios nežymios pastinės deformacijos atsiranda ruože BC). Pastinių deformacijų kaupimosi procesas baigiasi taške D. Jeigu bet kur šiame ruože, pvz., taške D, bandinys nukraunamas, tai dais bandinio paigėjimo išnyksta ( Δ d, e ), dais paigėjimo ( Δ d, p ) pasiieka (5.7d pav.). Nuo taško D bandinys deformuojasi tampriai pastiškai: didėja tiek tampriosios, tiek pastinės deformacijos. Ties tašku E baigiasi toydinis bandinio deformavimasis (5.7e pav.). Būtent dabar sipniausioje bandinio vietoje pradeda formuotis kakeis. Nuo šio momento bandinys praktiškai igėja dė vietinių deformacijų, sparčiai besivystančių kakeio srityje. Kakeio skerspjūvio potas mažėja greičiau negu mažėja apkrova, todė taške, įtempimams kakeyje pasiekus ribinį didumą, bandinys nutrūksta. Bandiniui nutrūkus, dais viso jo paigėjimo ( Δ f, e ) išnyksta, dais ( Δ f, p ) ieka (5.7f pav.). Būtent 4
a) b) c) d) e) f) pr e y u fr,p,p,p pr e y,e u,e e,p,e fr pr e y d,p u f,p B a b C D d,e E fr e,e f,e 5.7 pav. iekamasis bandinio paigėjimas Δ f, p ir naudojamas medžiagoms pastinėms savybėms apibūdinti. Paga standartą jis turi būti nustatytas matuojant trūkusį bandinį. Tam tiksui trūkusio bandinio days sugaudžiamos ir matuojamas trūkusio bandinio igis. Kartu matuojamas kakeio skersmuo d. Gauti geometriniai dydžiai ( ir d) nėra medžiagos pastiškumo rodikiai; jie tik naudojami jiems nustatyti. Medžiagos pastiškumo rodikiai yra: a) santykinis iekamasis bandinio igio pokytis δ = 1( ), (5.5) b) santykinis iekamasis bandinio skerspjūvio poto pokytis ψ = 1( ). (5.6) 5.4 tekstas Tempimo diagrama prikauso ir nuo medžiagos savybių, ir nuo bandinio matmenų. Pakeiskime jėgos ašį sąyginio įtempimo σ = ašimi, o bandinio paigėjimo ašį vidutinės inijinės deformacijos ε = Δ ašimi. Gausime funkcijos ε = f (σ ) grafiką, kuris vadinamas tempimo įtempimų diagrama (5.8 pav.). Ji neprikauso nuo bandinio matmenų ir kiekybiškai apibūdina tiriamos medžiagos savybes. b c d e a pr e y u 5.8 pav. f fr 41
tkreipkime dėmesį (žr. 5.8 pav.), kad tempimo įtempimų diagramos tiesiosios daies a kampo, sudaromo su ε ašimi, tangentas yra tamprumo moduis: tg α = σ ε = E. 5.5 tekstas, 5.9 pav. Minkštojo anginio pieno tempimo diagrama (5.2 pav.) yra būdinga pastinės medžiagos tempimo diagrama, turinti visus ypatinguosius ruožus ir taškus. Panašias diagramas, t.y. diagramas su ryškia takumo aikštee, turi tik medžiagos su dvigubomis kristaų gardeėmis, pvz., žavaris, diuraiuminis. Kitų pastinių medžiagų, pvz., egiruotų pienų, bronzos, aiuminio ir kitų, tempimo diagramos takumo aikšteių neturi. Taigi jų pastinis deformavimasis yra toydiškesnis negu minkštojo anginio pieno. Tokioms medžiagoms nustatoma sąyginė takumo riba σ. 2. pibendrinant pastinių medžiagų deformavimosi procesą, reikėtų įsiminti, kad neprikausomai nuo to, ar pastinių deformacijų atsiradimą ydi takumo reiškiniai, ar ne, visi bandiniai, pagaminti iš pastinių medžiagų, suyra tik tuomet, kai: a) išsivysto dideės pastinės deformacijos; b) susidaro kakeis. Visiškai kitaip atrodo trapių medžiagų tempimo diagramos. Būdingą tokioms diagramoms formą turi pikojo ketaus tempimo diagrama (5.1 pav.). u Pagrindiniai skirtumai yginant trapių medžiagų tempimo diagramas su pastinių medžiagų tempimo diagramomis yra šie: nėra tiesiainijinės diagramos daies (nors pradinės diagramos daies kreivė abai ėkšta ir praktiškai nesiskiria nuo tiesės), nėra takumo aikšteės, bandinys nutrūksta esant nedideėms pastinėms deformacijoms (pikojo ketaus δ.5% ), trūkimo vietoje nesusidaro kakeis. Taigi trapioms medžiagoms turi prasmę tik tamprumo ir stiprumo ribos. Daugeio trapių medžiagų šios ribos 5.1 pav. skiriasi nežymiai, todė dažniausiai nustatoma tik viena iš jų stiprumo riba. Nustatant tamprumo moduį, pradinė tempimo diagramos dais K ištiesinama. Tam tiksui brėžiama styga, jungianti koordinačių pradžios tašką su diagramos tašku, atitinkančiu nagrinėjamąjį apkrovimo momentą, pvz., tašką K pateiktoje 5.11 pav. tempimo diagramoje. 5.6 tekstas, 5.12 pav. 5.11 pav. 5.3. Gniuždymo bandymas Gniuždymu dažniausiai bandomos medžiagos, kurių mechaninės savybės jas tempiant ir gniuždant yra skirtingos arba kurios dirba išimtinai gniuždymui. Bandant metaus gaminami ciindriniai bandiniai, kurių aukštis ygus skersmeniui (dažniausiai d = h = 2 mm ), bandant kitas medžiagas gaminami kubeio formos bandiniai, kurių kraštinės didumas prikauso nuo medžiagos, pvz., medienos kubeio a = 5 mm, betono a = 1 mm. Kaip buvo minėta, bandinių forma ir matmenys, taip pat jų skaičius, bandymų technoogija, rodikių nustatymo metodika yra normuojama. Todė išsamią informaciją apie gniuždymo bandymą gaima rasti Standarte arba juo remiantis parengtuose aboratorinių darbų aprašymuose. ptarsime keetą būdingų gniuždymo diagramų. Minkštojo anginio pieno gniuždymo diagrama pateikta 5.13 pav. Tai būdinga pastinės medžiagos gniuždymo diagrama. Iš diagramos matyti, kad gniuždoma pastinė medžiaga iki takumo aikšteės deformuojasi taip y,t pat kaip ir tempiama. Be to, jėgų, atitinkančių proporcingumo, tamprumo ir takumo ribas, reikšmės praktiškai yra vienodos. Gniuždymo y,c ir tempimo diagramos pradeda skirtis tik pasibaigus takumo reiškiniui (gniuždomos medžiagos takumo aikšteė yra trumpesnė todė, kad yra trumpesnis bandinys). Toiau didinant gniuždančią jėgą dė didėjančios skersinės deformacijos pečiasi bandinio skerspjūvis ir kartu didėja jo 5.13 pav. aikomoji gaia. Tai gai tęstis iki begaybės, ciindriniams 42
bandiniams virstant ponutėiu akštu. Taigi gniuždant pastinę medžiagą bandinys nesuyra, stiprumo riba nenustatoma. Paga standartą nustatoma takumo riba, kartais proporcingumo riba. Daugeiui medžiagų gniuždomoji takumo riba σ ir tempiamoji stiprumo riba σ u,t yra panašaus didumo. Pastaba. Gniuždant pastinę medžiagą, bandinys įgyja statinaitės formą (5.14 pav.). Tai atsitinka dė trinties jėgų, kurios atsiranda tarp gniuždomo ciindro gainių skerspjūvių ir gniuždymo mašinos atraminių pokščių. Trintį gaima sumažinti panaudojus speciaius tepaus, grafitą. Ketaus gniuždymo diagrama pateikta 5.15 pav. Tai būdinga trapios medžiagos gniuždymo diagrama. Iš diagramos matyti, kad tiek tempiama, tiek gniuždoma trapi medžiaga deformuojasi panašiai. Iš pradžių tampriai ir proporcingai (iš tikrųjų pradinis diagramos ruožas yra ėkšta kreivė, taigi Huko dėsnis gai būti taikomas tik apytiksiai), po to tampriai pastiškai. Pagaiau jėgai pasiekus ribinį didumą, bandinys suyra. Taigi skirtingai nuo pastinės medžiagos trapi medžiaga neturi takumo aikšteės ir pagrindinis jos mechaninis rodikis yra stiprumo riba (ne tik gniuždomai, bet ir tempiamai medžiagai). Visų trapių medžiagų gniuždomoji stiprumo riba yra daug didesnė nei tempiamoji stiprumo riba, pvz., betono σ u, c = 2σ u, t, ketaus σ u, c = 5σ u, t. Ketaus bandinys suyra staigiai. Prieš suirdamas jis šiek tiek išsipučia, ant jo paviršiaus atsiranda irimo pyšių, sudarančių maždaug 45 o kampą su skerspjūvio pokštuma. Pyšiai apytiksiai sutampa su aikšteių, kuriose veikia didžiausi tangentiniai įtempimai, padėtimi. Taigi ketui pavojingos yra šyties deformacijos. Panašiai kaip ketus deformuojasi ir suyra ir kitos trapios medžiagos, pvz., betonas (5.16 pav.). nizotropinės medžiagos mechaninės savybės prikauso nuo deformavimo krypties. Todė medžiagų tyrimas yra sudėtingesnis, nes reikia bandyti bandinius, įvairiai orientuotus jėgos veikimo krypties atžvigiu. Būdingas anizotropinės medžiagos pavyzdys yra mediena. Ji gniuždoma išigai ir skersai suoksnių. Gniuždant medieną išigai suoksnių, nustatoma stiprumo riba. Diagramos forma panaši į trapių medžiagų gniuždymo diagramos formą (pradinė jos dais sąygiškai aikoma tiese). Bandinys suyra, nes iškumpa medienos paušai, bandinio days sušiejamos viena kitos atžvigiu (5.17 pav.). Gniuždant medieną skersai suoksnių, nustatoma sąyginė stiprumo riba. Diagramos forma panaši į pastinių medžiagų gniuždymo diagramos formą (pradinė jos dais sąygiškai aikoma tiese). Skersai suoksnių gniuždomas bandinys tik susispaudžia, bet nesuyra. Nustatant sąyginę stiprumo ribą, ardančiąja bandinį jėga sąygiškai aikoma jėga, nuo kurios jėgos ašies ir gniuždymo diagramos iestinės sudaromo kampo tangentas padidėja 5% payginti su pradine kampo tangento reikšme tiesiojoje diagramos dayje (5.18 pav.). u, c 5.14 pav. 5.15 pav. 5.16 pav. 5.17 pav. 5.18 pav. u,c pr y u,c u,c u,c 5.4. Reiškiniai bandinius nukraunant ir pakartotinai apkraunant Jeigu tempiant pastinės medžiagos bandinį, apkrova pašainama įtempimams nepasiekus tamprumo ribą, o po to bandinys iš naujo apkraunamas, tai naujoji diagrama niekuo nesiskiria nuo 43
tos, kuri buvo gauta pirmuoju atveju (5.19 pav.). Taigi, kai apkrovos nesukeia pastinių deformacijų, apkrovimo istorija neturi įtakos konstrukcijos patikimumo įvertinimui (išskyrus kai kuriuos speciaiuosius atvejus, pvz., medžiagos nuovargį). Jeigu tempiant pastinės medžiagos bandinį apkrova pašainama prasidėjus pastinėms deformacijoms, o po to bandinys vė apkraunamas, tai naujoji diagrama abai skiriasi nuo tos, kuri gaunama bandant pastinių deformacijų nepatyrusią medžiagą (5.2 pav.). Pakartotinai apkraunant pastiškai deformuotą bandinį, tamprioji deformacija vystosi paga tiesią iniją, beveik ygiagrečiai tiesei a. Naujos pastinės deformacijos prieaugis atsiranda tik po to, kai įtempimas medžiagoje pasiekia tą reikšmę, kuri buvo pasiekta prieš tai vykusio pastinio deformavimo metu (taškas K). Toiau deformavimo procesas vyksta taip, yg nukrovimo ir nebūtų buvę diagrama po nukrovimo yra tarytum skandi diagramos prieš nukrovimą tąsa. Taigi pastiškai deformuojant keičiasi medžiagos savybės (5.21 pav.): padidėja proporcingumo, tamprumo ir takumo ribos (medžiaga tampa tarsi stipresnė), pranyksta takumo aikšteė, sumažėja santykinis iekamasis bandinio igio pokytis (medžiaga tampa trapesnė). 5.7 tekstas e pr b a b cd a k e f y k e f m p e 5.19 pav. 5.2 pav. 5.21 pav. 5.5. Darbas, reikaingas bandiniui suardyti Darbas, kurį atieka jėga, suardydama bandinį, ygus bandinio vidinių jėgų atiktam darbui. Jis savo skaitine reikšme ygus tempimo (gniuždymo) diagramos potui. Tyrinėtojus abiau domina ne darbas, reikaingas bandiniui suardyti, bet darbas, reikaingas suardyti medžiagos tūrio vienetui. Pastarasis darbas vadinamas medžiagos tąsumo moduiu ir ygus tempimo (gniuždymo) įtempimų diagramos potui (5.22 pav. užbrūkšniuotas įstrižomis inijomis). Tąsumo moduis apibūdina medžiagos sugebėjimą priešintis dinaminiam apkrovų poveikiui (kuo daugiau energijos reikia suardyti medžiagos tūrio vienetui, tuo medžiaga geriau priešinasi dinaminiam apkrovų poveikiui). Deformuojant bandinį, dais sunaudojamos energijos yra grįžtamoji (ji susikaupia potencinės deformacijos energijos pavidau), dais negrįžtamoji. Kiekvieno apkrovimo momentu, pvz., K atitinkančiu tašką K, potencinė deformavimo energija ygi trikampio KMN potui, negrįžtamoji diagramos potui nuo diagramas pradžios iki tiesės KM. Ypač reikšminga ta grįžtamosios energijos dais, kuri santykinės potencinės deformavimo energijos pavidau susikaupia medžiagoje iki pastinio deformavimo pradžios. Šis medžiagos rodikis B M N vadinamas reziianso moduiu ir yra ygus tempimo įtempimų diagramos daies OB (dažniausiai trikampio) potui. 5.22 pav. 5.6. Įvairių veiksnių įtaka medžiagos mechaninėms savybėms Medžiagos mechaninės savybės prikauso nuo daugeio veiksnių. Vieni iš jų susiję su medžiagos gamybos technoogija (cheminė sudėtis, gamybos būdas, terminis apdirbimas), kiti su 44
konstrukcinio eemento ekspoatavimo sąygomis (temperatūra, radioaktyvusis švitinimas, agresyvioji apinka, apkrovimo būdas ir greitis, ekspoatavimo aikas). Pirmosios grupės veiksniai yra svarbūs moksininkams ir inžinieriams, kuriantiems bei gaminantiems konstrukcines medžiagas, nes, tik gerai žinodami šių veiksnių įtaką, jie gai sukurti ir pagaminti medžiagas, turinčias reikiamas mechanines savybes. Tuo tarpu projektuotojams svarbu žinoti antrosios grupės veiksnių įtaką medžiagos stiprumui, nes tik tokiu atveju jų suprojektuotas eementas bus patikimas ir aukštoje temperatūroje, ir agresyviojoje apinkoje, ir veikiant sudėtingai kintančioms apkrovoms. Cheminė sudėtis didžiausią įtaką turi įvairių metaų ydiniams. Pavyzdžiui, tiek pienas, tiek ketus yra geežies ir angies ydiniai su mangano, siicio, nikeio, chromo, sieros, fosforo ir kitų eementų priemaišomis. Tai, kad pienas yra pastiška, o ketus trapi medžiaga, nuemia angies kiekis ydinyje. Piene angies yra ne daugiau kaip 2,14%, ketuje nuo 2,5% iki 5%. Kiti eementai taip pat keičia ydinių mechanines savybes. Manganas didina kietumą. Siicis mažina kietumą, bet didina tamprumą. Chromas didina proporcingumo ribą ir kietumą. Nikeis didina pastiškumą ir atsparumą dinaminiam deformavimui. osforas ir siera mažina pastiškumą. Konstrukcinio eemento gamybos būdas gai būti abai įvairus. Eementas gai būti iejamas, kaamas, štampuojamas, vacuojamas ir t.t. Tos pačios sudėties medžiagos mechaninės savybės įvairiai gaminant konstrukcinį eementą gai skirtis ir į tai būtina atsižvegti. Pavyzdžiui, iejant konstrukcinį eementą, gai atsirasti įvairių vidinių defektų, tuštumų, kurios mažina eemento stiprumą. Todė ietus eementus būtina kruopščiai tikrinti, naudojant utragarsį ar kitus metodus. Vacuojant izotropinė medžiaga virsta anizotropine. Pavyzdžiui, vacuoto pieno savybės vacavimo kryptimi žymiai skiriasi (padidėja stiprumo riba) nuo savybių statmena kryptimi. Išankstinis šatas tempimas virš takumo ribos (sukietinimas) abai padidina takumo ribą, bet sumažina santykinį iekamąjį igio pokytį. Sukietinta medžiaga pasidaro abiau tampri ir stipri, bet mažiau pastiška. titinkamas konstrukcinių eementų paviršių apdirbimas (tekinimas, poiravimas, chromavimas, nikeiavimas ir t.t.), tai pat didina eemento stiprumą, ypač kai jis yra veikiamas mainiųjų įtempimų. Terminis apdirbimas yra medžiagos (dažniausiai pieno) kaitinimo ir aušinimo procesas, kurio metu pakeičiama jos struktūra ir kartu mechaninės savybės. Dažniausiai naudojamas atkaitinimas, grūdinimas ir ateidimas. tkaitinimu (pienas įkaitinamas iki tam tikros temperatūros, nustatytą aiką joje aikomas, po to ėtai aušinamas) sumažinamas pieno stiprumas ir padidinamas jo pastiškumas. Jis naudojamas, kai reikia šainti pradinius įtempimus, atsiradusius dė šatojo apdirbimo, arba kai ruošiamasi šatai apdirbti pieną. Grūdinimu (įkaitintas pienas staigiai aušinamas vandenyje ar tepae) padidinamas pieno kietumas ir stiprumas, bet sumažinamas pastiškumas. teidimu (grūdintas pienas tam tikru greičiu įkaitinamas ir aikomas įkaitintas) padidinamas pieno pastiškumas, bet nežymiai sumažinamas stiprumas. Temperatūra, kuriai esant nustatomi medžiagų mechaninių savybių rodikiai, yra normuojama. Paprastai eksperimentai atiekami vadinamojoje kambario temperatūroje, kuri ygi 2 C. Tačiau daugeis konstrukcijų dirba žymiai aukštesnėje (dujų turbinos, garo katiai, vidaus degimo varikiai ir t.t.) arba žemesnėje (šadymo įrengimai, statybinės konstrukcijos ir t.t.) temperatūroje. Todė būtina žinoti, kaip kinta medžiagų mechaninės savybės nuo temperatūros. Įvairių medžiagų temperatūros įtaka jos mechaninėms savybėms yra skirtinga, kai kuriais atvejais, pvz., anginio pieno atveju, abai sudėtinga. Tačiau daugumos konstrukcinių medžiagų stiprumas kyant temperatūrai mažėja, o temperatūrai krentant didėja. Tačiau medžiagos pastiškumas, atvirkščiai, temperatūrai kyant didėja, o jai krentant mažėja. Radioaktyviojo švitinimo įtaka medžiagos mechaninėms savybėms svarbi branduoinių reaktorių konstrukcijoms. Nustatyta, kad nuo radioaktyviojo švitinimo didėja medžiagos stiprumas, mažėja pastiškumas, taip pat abai padidėja tamprumo moduis. gresyvios apinkos poveikis visais atvejais yra nepageidautinas, nes spartina medžiagos (metao, betono) koroziją, t.y. medžiagos irimą, sukeiamą fizinių, cheminių, eektrocheminių reiškinių, vykstančių kūno paviršiuje dė sąveikos su apinka. Koroduodami metaai virsta junginiais, neturinčiais metaų savybių. Dė to sumažėja eemento skerspjūvio potas, kiti geometriniai rodikiai, pakinta įtempimai, kurių didėjimas savo ruožtu spartina koroziją. Betonas koroduoja daug kartų sudrėkdamas ir išdžiūdamas, užšadamas ir atšidamas. Dė to jis darosi poringas, peišėja, sipnėja. 45
pkrovimo greitis, kuriam esant nustatomi medžiagų mechaninių savybių rodikiai, yra normuojamas. Paprastai Dinamiskas deformavimas dε 1 = (, 1 3). Tačiau daugeis konstrukcinių eementų dt min Statiskas deformavimas apkraunami greitai (įvairūs besisukantieji eementai) arba abai greitai (smūgiu veikiami eementai). Nustatyta, kad beveik visų medžiagų, joms pastiškai deformuojantis, mechaninių savybių rodikiai kinta. Kuo didesnis deformavimo greitis, tuo didesnės takumo ir stiprumo ribos. Ypač jautriai į deformavimo greičio pokyčius reaguoja pastmasės ir kitos organinės medžiagos. Metaų mechaninės savybės keičiasi tik esant dideiems greičių 5.23 pav. pokyčiams. Todė, dinamiškai deformuojant medžiagą, ji tampa trapesnė ( 5.23 pav.). Projektuotojas į konstrukcinio eemento ekspoatavimo aiką turi atsižvegti dė keių priežasčių. Pirmiausia dė medžiagos senėjimo. Nustatyta, kad medžiagos mechaninės savybės dė besikaupiančių struktūrinių pokyčių igainiui kinta. Senėjimas abai bogina pastmasių mechanines savybes. Senėjant pienui, mažėja santykinis iekamasis igio pokytis, didėja takumo įtempimas, taigi pienas darosi trapesnis. O betonas senėdamas stiprėja. Kita priežastis, dė kurios projektuotojas turi įvertinti konstrukcinio eemento ekspoatavimo aiką, yra susijusi su vakšnumu. Vakšnumas yra medžiagos savybė papidomai deformuotis aikui bėgant nuo tos pačios pastovios apkrovos. Jis būdingas tokioms medžiagoms kaip betonas, mediena, gruntas, metaas ir kt. Būdingas vakšnumo pavyzdys yra negrįžtamas dujų turbinos disko ir menteių matmenų padidėjimas aukštoje temperatūroje veikiant dideėms išcentrinėms jėgoms. Vakšnumą apibūdina du rodikiai: igaaikio stiprumo riba (didžiausias sąyginis įtempimas, kurį ataiko tam tikrą aiką tam tikroje temperatūroje pastovia jėga tempiamas bandinys) ir vakšnumo riba (sąyginis įtempimas, kuriam veikiant pastinė deformacija per tam tikrą nustatytą aiką tam tikroje temperatūroje pasiekia pasirinktą reikšmę). Igaaikio stiprumo riba prikauso nuo pasirinkto aiko, prabėgančio iki suirimo momento. Šis aiko tarpas imamas ygus konstrukcinio eemento tarnavimo aikui ir kinta gana pačiose ribose: nuo dešimčių vaandų iki šimtų tūkstančių vaandų. Kuo nusistatytas aiko tarpas igesnis, tuo igaaikio stiprumo riba mažesnė. Visada igaaikio stiprumo riba yra mažesnė už stiprumo ribą. Vakšnumo riba prikauso ir nuo pasirinkto aiko intervao (nustatomo paga konstrukcinio eemento tarnavimo aiką), ir nuo eistinųjų deformacijų didumo (nustatomo paga konstrukcinio eemento ekspoatacijos sąygas). Kartais nustatant vakšnumo ribą yra apribojamas ne deformacijos didumas, bet jos kitimo greitis. Kyant temperatūrai, vakšnumo riba (taip pat ir igaaikio stiprumo riba) mažėja. 5.8 tekstas, 5.24, 5.25 pav. 5.6. Deformacijos susidarymo mechanizmas MM konstrukcinę medžiagą nagrinėja kaip vientisą, visiškai nesigiindama į struktūrinius pokyčius, vykstančius medžiagoje jos deformavimo metu. Tačiau, studijuojant MM, reikia bent įsivaizduoti, kas vyksta medžiagoje ją deformuojant, koks yra jos struktūrinių pokyčių ir mechaninių savybių ryšys. Medžiagos gai būti amorfinės (opaas, gintaras, derva, stikas, pastmasės ir kitos) ir kristainės (granitas, kacitas, betonas, metaai ir jų ydiniai, keramika ir kitos). morfinės medžiagos visada izotropinės, jų moekuės išsidėsčiusios netvarkingai, forma nepastovi, ydymosi temperatūra neapibrėžta. Dė šių savybių jos retai naudojamos konstrukciniams eementams gaminti. Konstrukciniai eementai dažniausiai gaminami iš kristainių medžiagų tiksiau - iš poikristainių medžiagų, t.y. medžiagų, sudarytų iš daugybės smukių, chaotiškai medžiagos tūryje išsidėsčiusių kristaų. Kristaai turi iškiiųjų daugiasienių formą ir tvarkingą vidinę struktūrą. Taisykingą kristaų 46
formą emia kristainė gardeė, t.y. kristao atomų, jonų (įeektrintų atomų) arba moekuių (atomų junginių) taisykinga sistema. tomų išsidėstymo sistema prikauso nuo jų savybių ir nuo fizinių kristaizacijos sąygų. Tarp kristainės gardeės atomų veikia tarpusavio sąveikos jėgos. Neapkrautame kristae minėtų jėgų sistema yra taip pat griežtai nustatyta, kaip ir pačių atomų išsidėstymas. Veikiant išorinėms jėgoms, atomai gardeėje pasisenka vienas kito atžvigiu, ir tarpusavio sąveikos jėgos tarp jų pakinta. Pašainus išorines jėgas, kristainės gardeės atomai vė grįžta į savo pradinę, griežtai apibrėžtą padėtį, o deformuotas eementas atgauna savo formą ir geometrinius matmenis. Taip paaiškinama medžiagos tamprumo savybė. Eksperimentai rodo, kad pastinių deformacijų atsiradimas susijęs su kristainių gardeių šytimi, t.y. pastines deformacijos atsiranda tada, kai viena kristao dais pasisenka kuria nors pokštuma per keis gardeės eementus (pokštuma, 5.26 pav.). Mažiausia pastinė deformacija atitinka posinkį per vieną eementą. Tai yra yg savotiškas pastinės deformacijos kvantas. Įvykus tokiam posinkiui, kiekvienas atomas iš eiės pereina į gretimo atomo vietą taip, kad visi atomai vė atsiranda būdingose atitinkamai kristainei struktūrai vietose. Vadinasi, kristaas išaiko savo savybes, pakeisdamas tik savo išorinę konfigūraciją. Tiksūs teoriniai skaičiavimai, atikti paga aprašytą pastines deformacijos susidarymo mechanizmą, eidžia nustatyti tangentinius įtempimus, kuriems esant turi atsirasti pastinės deformacijos. Praktiškai pastinės deformacijos atsiranda veikiant įtempimams, beveik šimtą kartų mažesnėms už teoriškai nustatytus. Toks skirtumas atsiranda dė inijinių kristaų defektų, kurie vadinami disokacijomis. Reaūs kristaai arba turi disokacijų, arba turi kokių nors kitų defektų, dė kurių disokacijos atsiranda veikiant nedideiems įtempimams. Taigi atomų šyties posinkis vyksta vienu metu ne visoje pokštumoje. Paprasčiausia vadinamosios kraštinės disokacijos schema pateikta 5.27 paveiksėyje. Tarkime, kad viršutinėje kristao dayje dė kokių nors priežasčių yra atiekama vertikai atomų puspokštumė. Paveikus kristaą nors ir nedideiais įtempimais disokacija "perbėga" iš kairės į dešinę per visą kristaą. Tokiam kristao formos pakeitimui reikia mažesnių įtempimų, negu visos viršutinės kristao daies perstūmimui. Disokacijos skiimas kristae dažnai yginamas su raukšės judėjimu kiime. Raukšei perėjus per visą kiimą, jis šiek tiek pasisenka. Tačiau jėga, reikainga raukšei perstumti, yra daug mažesnė už tą, kuri reikainga visam kiimui perstumti iš karto. Veikiant gana dideėms jėgoms, pastinės deformacijos bandinyje pradeda vyrauti. Negrįžtamos šytys vyksta daugumos kristaų sipniausiose pokštumose, ypač tose pokštumose, kurių kryptys artimos didžiausių tangentinių įtempimų pokštumoms bandinyje. Tai aiškiai matyti iš to, kaip susidaro sydimo inijos. Bandinį tempiant, gretimi kristaai veikia vienas kitą, ir viename kristae atsiradęs pastiškas posinkis negai neribotai a) b) c) vystytis, nes jį bokuoja gretimi, tinkamiau orientuoti kristaai. Ši apinkybė kaip tik ir paaiškina sustiprėjimo srities atsiradimą ir tam tikrą tempimo jėgos padidėjimą vykstant pastinėms deformacijoms. Todė, sukietinant metaą, tarsi pašainamos nepaankiausiai orientuotų kristaų sipniausios vietos. pkrovus bandinį išorinėmis jėgomis, kristauose vyksta ne tik atomų posinkiai per eię pozicijų, bet taip pat atsiranda ir kai kurių kristainių gardeių iškrypimų. Vadinasi, kartu su pastine vyksta ir tamprioji deformacija. Nukraunant iškrypusios gardeės atgauna savo pradinę formą, t.y. deformacija išnyksta. Žinoma, pastinė deformacija neišnyksta. 5.26 pav. a) b) 5.27 pav. 47
5.7. Įtempimų koncentracija Įtempimų koncentracija vadinamas netoygus įtempimų pasiskirstymas eemento pjūvyje, atsirandantis dė staigaus pjūvio poto pakitimo arba dė medžiagos struktūros nevienaytiškumo (5.28 pav.). Priežastys, sukeiančios įtempimų koncentraciją, vadinamos koncentratoriais (pvz., kiaurymės, įpjovos, užkarpos strype, stambus užpidas betone ir pan.). Šaia koncentratorių atsiradę įtempimai nom nom nom visada būna didesni už nominainius, t.y max max max įtempimus, apskaičiuotus įprastomis medžiagų mechanikos formuėmis, neatsižvegiant į 5.28 pav. vietinių įtempimų atsiradimo gaimybę (pvz., N tempiamam-gniuždomam strypui σ nom = ). nt Projektuojant detaes, jei yra gaimybė, reikia vengti koncentratorių, nes jie mažina detaės stiprumą. Taip pat būtina stengtis, kad detaių paviršiai būtų kuo švariau apdirbti, nes menkiausi įbrėžimai gai pasireikšti kaip aktyvūs koncentratoriai, t.y. gai sumažinti stiprumo ribą (σ u ) 1 2%. Tai ypač būdinga dideio stiprumo grūdinto pieno detaėms. Kiekybinė koncentratoriaus įtaka eemento stiprumui įvertinama panaudojus teorinį arba efektyvinį įtempimų koncentracijos koeficientą. Teorinis įtempimų koncentracijos koeficientas σ max ( α σ = ) teoriškai apskaičiuojamas tamprumo teorijos metodais arba nustatomas eksperimentiškai σ nom ir prikauso nuo koncentratoriaus formos bei jo matmenų (kuo mažesnis koncentratoriaus spinduys, tuo α yra didesnis). Efektyvinis įtempimų koncentracijos koeficientas nustatomas eksperimentiškai: σ im k = im, k. Čia: im bandinio irimo apkrova, kai nėra koncentratoriaus, im, k bandinio, turinčio koncentratorius, irimo apkrova. Koeficientas k skirtingai nuo koeficiento α σ prikauso ne tik nuo koncentratoriaus formos, jo matmenų, bet ir nuo bandinio medžiagos mechaninių savybių. Pastiškų ir trapių medžiagų stiprumui įtempimų koncentracija daro skirtingą įtaką, kuri taip pat prikauso nuo apkrovos pobūdžio (statinė ar dinaminė). Jei apkrova statinė, o medžiaga pastiška (turi takumo aikšteę), tai didinant apkrovą įtempimų didumas ties koncentratoriumi auga tiktai iki takumo ribos (5.29a pav.). Toiau didinant apkrovą σ max = σ y, tačiau kiti įtempimai auga (5.29b pav.). Pagaiau esant tam tikrai apkrovai, įtempimai visame pjūvyje tampa ygūs takumo ribai (5.29c pav.). Taigi pastiškosios medžiagos savybės padeda išsiyginti įtempimams koncentratoriaus srityje. Todė sakoma, kad pastiškos medžiagos, kai apkrova statinė, nejautrios įtempimų koncentracijai (efektyvinis įtempimų koncentracijos koeficientas k = 1). Jei apkrova cikinė arba smūginė, įtempimai nespėja išsiyginti, ir įtempimų koncentracija mažina detaės stiprumą. Jei medžiaga trapi, tai įtempimų koncentracijos reiškinys a) b) c) išieka per visą deformavimo procesą iki suirimo. Koncentratoriaus vietoje, t.y. ten, kur veikia σ max, atsiranda pyšys. Ypač jautrūs įtempimų koncentracijai dideio stiprumo grūdinti pienai. Tokioms mažai pastiškoms trapioms medžiagoms k α. y y 5.29 pav. y 5.1 pvz. σ 48
Kontroiniai kausimai 5.1. Koks medžiagų mechaninių bandymų tiksas? 5.2. Kokių sąygų reikia aikytis atiekant medžiagų mechaninius bandymus? Kodė? 5.3. Kodė medžiagų gamintojas (metaurgijos gamyka, betono mazgas ar kita įmonė) turi nuoat atikti medžiagų mechaninius bandymus? 5.4. Kada projektuotojas, konstrukcijos gamintojas (medžiagos vartotojas) turi atikti medžiagų mechaninius bandymus? 5.5. Išvardykite keetą medžiagos mechaninių savybių. 5.6. Nubraižykite minkštojo anginio pieno tempimo diagramą. 5.7. Kas yra proporcingumo riba? 5.8. Kas yra tamprumo riba? 5.9. Kas yra takumo riba? 5.1. Kokie reiškiniai ydi takumo procesą? 5.11. Kas yra sąyginė takumo riba? ormuė, brėžinys. 5.12. Kas yra stiprumo riba? 5.13. Kokie pastiškumo rodikiai nustatomi išmatavus trūkusio bandinio igį ir kakeio skersmenį? ormuės. 5.14. Kokios medžiagos vadinamos pastinėmis, kokios trapiomis? 5.15. Nubraižykite minkštojo anginio pieno tempimo įtempimų diagramą. Punktyru parodykite tikruosius įtempimus. 5.16. Kaip surandamos tampriosios ir pastinės deformacijos tempimo įtempimų diagramoje? Brėžinys. 5.17. Kuo išreiškiamas tamprumo moduis tempimo įtempimų diagramoje? Brėžinys, formuė. 5.18. Nubraižykite trapios medžiagos (pvz., pikojo ketaus) tempimo diagramą. 5.19. Kokie yra esminiai skirtumai, yginant trapių medžiagų tempimo diagramas su pastinių medžiagų tempimo diagramomis? 5.2. Kokios medžiagos dažniausiai bandomos gniuždymu? 5.21. Nuo ko prikauso gniuždomų bandinių forma, kokios formos dažniausiai gaminami bandiniai? 5.22. Nubraižykite minkštojo anginio pieno gniuždymo diagramą. 5.23. Kodė gniuždomas pastinės medžiagos bandinys įgyja statinaitės formą? 5.24. Nubraižykite trapios medžiagos (pvz., pikojo ketaus) gniuždymo diagramą. 5.25. Kaip suyra trapios medžiagos bandinys? Kokie įtempimai turi emiamos reikšmės suardymo procese? 5.26. Nubraižykite medienos, gniuždomos išigai suoksnių, gniuždymo diagramą. 5.27. Nubraižykite medienos, gniuždomos skersai suoksnių, gniuždymo diagramą. 5.28. Nubraižykite minkštojo anginio pieno tempimo diagramą. Parodykite, kaip kinta tempiančios jėgos ir bandinio paigėjimo prikausomybė, kai prasidėjus pastinėms deformacijoms bandinys nukraunamas, po to vė apkraunamas. 5.29. Ką vadiname sukietinimu? Kaip pasikeičia medžiagos mechaninės savybės po sukietinimo? 5.3. Kas yra Baušingerio efektas? Kada jis vadinamas ideaiuoju? 5.31. Grafiškai parodykite darbą, kuris reikaingas bandiniui suardyti. 5.32. Kas yra medžiagos tąsumo moduis?. Kaip jis nustatomas? 5.33. Kas yra reziianso moduis? Kaip jis nustatomas? 5.34. Kokie veiksniai, susiję su medžiagos gamybos technoogija, turi įtakos medžiagos mechaninėms savybėms? 5.35. Kokie veiksniai, susiję su konstrukcinio eemento ekspoatavimo sąygomis, turi įtakos medžiagos mechaninėms savybėms? 5.36. Kas yra vakšnumas? 5.37. Kas yra igaaikio stiprumo riba? 5.38. Kas yra vakšnumo riba? 5.39. Kas yra reaksacija? 5.4. pibūdinkite amorfinę medžiagą. 5.41. pibūdinkite kristainę medžiagą. 5.42. Paaiškinkite kristainės medžiagos tamprumo savybę. 5.43. Paaiškinkite kristainės medžiagos pastinių deformacijų atsiradimą. 5.44. Kas yra disokacija? 5.45. Kas yra įtempimų koncentracija? 5.46. Kaip nustatomas ir nuo ko prikauso teorinis įtempimų koncentracijos koeficientas? 5.47. Kaip nustatomas ir nuo ko prikauso efektyvinis įtempimų koncentracijos koeficientas? 5.48. Kodė sakoma, kad pastiškos medžiagos, kai apkrova statinė, nejautrios įtempimų koncentracijai? 49