Механические испытания свойств материалов

Диаграмма растяжения

Для изучения свойств материалов и установления значений предельных напряжений проводят испытания образцов материалов вплоть до разрушения.

По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Реже проводят испытания на сложное сопротивление.

Поскольку результаты испытаний зависят от формы образца, скорости его деформирования, температуры и других факторов, то эксперимент проводят в условиях, предусмотренных ГОСТом. Испытания проводят на специальных машинах. Наибольшее распространение имеют испытания на растяжение статической нагрузкой, т. к. они наиболее просты и в то же время во многих случаях дают возможность достаточно верно судить о поведении материала при других видах деформаций. Для испытаний на растяжение применяют цилиндрические или плоские образцы. В качестве основных используются цилиндрические образцы диаметром d_(l= 10 мм, длиной /" = 5,65>/Л=50 мм (короткие) либо /₀ = 11,3⁴ = 100 мм (длинные).

Целью испытаний на растяжение является определение механических характеристик материала. При испытании автоматически изображается диаграмма зависимости между растягивающим усилием F и удлинением образца Д/.

Для того чтобы можно было сравнить результаты испытания образцов различных размеров, изготовленных из одинаковых материалов, полученную диаграмму перестраивают в другой системе координат. По оси ординат откладывают не силы, а нормальные напряжения, получаемые делением силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца о = F / Д,. По оси абсцисс вместо абсолютных откладывают относительные удлинения е = Д///₀. Такую диаграмму называют условной диаграммой растяжения, т. к. напряжения и относительные деформации вычисляются соответственно по отношению к первоначальной площади сечения и длине образца. Таким образом, диаграмма устанавливает связь между напряжениями и деформациями образца за все время испытаний.

На рис. 2.16 изображена условная диаграмма растяжения для малоуглеродистой стали. Рассмотрим ее характерные точки.

На участке ОЛ до некоторого напряжения о_пр деформации растут пропорционально напряжениям, следовательно, на этом участке сохраняет силу закон Гука. Точка А соответствует напряжению, называемому пределом пропорциональности о_пр. Предел пропорциональности — это наибольшее напряжение, до которого деформации в материале растут пропорционально напряжениям. Если взять какоенибудь состояние образца в пределах прямолинейного участка деформации, например М, то тангенс угла наклона линии ОА к оси абсцисс можно представить в виде.

Модуль упругости первого рода может быть определен как тангенс угла наклона прямолинейного участка ОА к оси абсцисс.

За точкой А диаграмма становится криволинейной. Однако если величина напряжений не превысит некоторого значения о_у, соответствующего точке К, то материал сохраняет свои упругие свойства и при разгрузке образец восстанавливает свою форму и размеры. Это напряжение называется пределом упругости. Разница между о_мр и о_у на практике невелика и обычно между ними не делают различия. Например, для стали СтЗ эти величины соответственно равны 210 МПа и 220 МПа.

При дальнейшем увеличении нагрузки за пределом упругости, начиная с точки С, деформации начинают расти без увеличения напряжений. Это явление называется текучестью материала. Горизонтальный участок диаграммы CD называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформации без увеличения нагрузки, называется пределом текучести и обозначается а_т. Для стали СтЗ предел текучести равен 230 МПа. Напряжения выше предела текучести вызывают в деталях недопустимые остаточные деформации. Если от какой-нибудь точки п диаграммы (см. рис. 2.16), лежащей выше площадки текучести, произвести разгрузку образца, то линия разгрузки добудет прямой, параллельной ОА. Отрезок OF представляет величину пластической деформации, которая останется в образце после разгрузки.

Ряд материалов, таких как легированные стали, не имеют ярко выраженной площадки текучести, и для них устанавливается так называемый условный предел текучести. Напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2%, называется условным пределом текучести и обозначается о_{0 2}.

После перехода площадки текучести материал снова приобретает способность сопротивляться деформированию. Диаграмма за точкой D вновь поднимается вверх, хотя и менее интенсивно, чем в зоне упругих деформаций. Точка В диаграммы соответствует наибольшему напряжению, которое называется пределом прочности или временным сопротивлением. Обозначается предел прочности о_в или о_вч. Для стали СтЗ о" = 380 МПа. У высокопрочных легированных сталей о_вдостигает 1700 МПа.

После перехода предела прочности на образце появляется местное сужение — шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается, вследствие чего деформация образца происходит при уменьшающихся нагрузке и соответственно напряжении. При напряжении, соответствующем точке В, образец разрывается.

Для изготовления деталей и элементов конструкций применяют пластичные и хрупкие материалы. Под пластичностью понимают способность материала получать большие остаточные деформации без разрушения. В качестве мер пластичности в технике используют относительное остаточное удлинение образца после разрыва б и относительное остаточное уменьшение площади поперечного сечения в шейке после разрыва ф:

где /_р— длина образца после разрыва, составленного из двух частей; /" — длина образца до испытания; — площадь сечения в шейке; 4, — площадь поперечного сечения образца до испытания. Для стали СтЗ значение vy составляет 50—60%.

Хрупкостью называется свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Для таких материалов удлинение при разрыве составляет менее 5%. Это свойство противоположно пластичности. Для сравнения на рис. 2.17 приведены условные диаграммы растяжения для пластичного (малоуглеродистая сталь) и хрупкого (чугун) материалов.

Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, т. к. в зависимости от температуры, скорости деформирования, напряженного состояния и других факторов пластичность изменяется. При изготовлении деталей в практике широко используется термическая обработка, которая позволяет изменять свойства материалов для улучшения эксплуатационных характеристик деталей. В частности, закалка резко повышает прочность стали и одновременно снижает ее пластические свойства.