2.6. Механические характеристики материалов

Для оценки прочностной надёжности конструкций необходимо изучить поведение материала в служебных условиях. В соответствии с принятой моделью материала (моделью сплошной среды) мы отказываемся от изучения внутренней микроструктуры материала (поведения кристаллической решетки, развития дислокаций и т.д.) и будем использовать феноменологический (описательный) подход. Такой подход означает, что, не вдаваясь в сущность внутренних процессов, явление (феномен) изучается по его внешним проявлениям. Феноменологический подход определяет необходимость экспериментального изучения механических свойств материалов.

Испытание материалов – это обширная специальная отрасль техники, использующая широкий спектр машин и приборов. Ограничимся лишь кратким описанием некоторых наиболее распространённых видов механи­ческих испытаний.

Испытание, как правило, заключается в изучении поведения образца в процессе деформирования его возрастающей нагрузкой до момента разру­шения. Материалы при этом ведут себя по-разному: одни к моменту разру­шения образца претерпевают значительные деформации, не исчезающие и после разрушения – это пластичные материалы (малоугле­родистая сталь, медь, латунь, алюминиевые и титановые сплавы), другие к моменту разрушения претерпевают весьма малые деформации – это хрупкие материалы (стекло, чугун, инструментальная сталь, неко­торые пластмассы).

2.6.1. Испытание на растяжение малоуглеродистой (мягкой) стали

Основной вид испытания металлов, дающий наиболее полную информацию о механических свойствах, испытание на растяжение. Для него необходимо изготовить стандартные образцы, чаще всего их делают цилиндрическими (рис.2.15). В цилиндрических образцах должно быть выдержано соотношение между расчётной длиной образца ℓ₀ и диаметром d₀: у длинных образцов ℓ₀ = 10d₀ (рис.2.15,а), у коротких ℓ₀ = 5d₀ (рис.2.15,б).

а б

Рис. 2.15

Для испытаний на растяжение применяют разрывные машины, позволяющие в процессе испытания записать диаграмму в координатах “нагрузка – абсолютное удлинение”. Характер диаграммы растяжения зависит от свойств испытуемого материала и от скорости деформирования. Типичный вид такой диаграммы для малоуглеродистой стали при статическом приложении нагрузки изображен на рис. 2.16.

Рассмотрим характерные участки и точки этой диаграммы, а также соответствующие им стадии деформирования образца:

ОА – справедлив закон Гука;

АВ – появились остаточные (пластические) деформации;

ВС – пластические деформации растут;

СД – площадка текучести (рост деформации происходит при постоянной нагрузке);

Рис.2.16

ДК – участок упрочнения (материал вновь приобретает способность увеличивать сопротивление дальнейшей деформации и воспринимает возрастающее до некоторого предела усилие);

Точка K – испытание остановили и произвели разгрузку образца;

KN – линия разгрузки;

NKL – линия повторного нагружения образца (KL – участок упрочнения);

LM – участок падения нагрузки, в этот момент на образце появляется так называемая шейка - местное сужение;

Точка M – разрыв образца;

После разрыва образец имеет вид, примерно показанный на рис.2.17. Обломки можно сложить и измерить длину после испытания ℓ₁, а также диаметр шейки d₁.

Рис.2.17

В результате обработки диаграммы растяжения и измерений образца получаем ряд механических характеристик, которые можно разделить на две группы – характеристики прочности и характеристики пластичности.