5. Основные теоретические положения

Основным и наиболее распространенным является испытание на растяжение, при котором удается получить наиболее важные характеристики материала, находящие прямое применение в расчетной практике.

При растяжении образца изучают зависимость между действующей нагрузкой и соответствующим удлинением. Графическое изображение этой зависимости называют диаграммой растяжения. Типичная для конструкционных сталей диаграмма растяжения показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Типичная диаграмма растяжения конструкционных сталей

По оси ординат отложены усилия P в масштабе сил, а по оси абсцисс - удлинение образца  в масштабе удлинений. Полученная кривая условно может быть разделена на четыре участка.

Участок ОА - прямолинейный, носит название зоны упру­_­­гости, здесь материал подчиняется закону Гука:

ℓ= Pℓ/EF.

Участок АВ называется зоной текучести, а горизонтальный отрезок этого участка - площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести для материалов не является обязательным. Во многих случаях при испытаниях на растяжение площадки текучести нет. Такое типично для алюминия, отожженной меди, для высококачественных легированных сталей и других материалов.

Участок ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но значительно более медленно (в сотни раз), чем на упругом участке.

Если в произвольной точке К зоны упрочнения ВС (рисунок 3а.), образец разгрузить, то в процессе разгрузки зависимость между силой P и удлинением ℓ изобразится прямой КL. Как показывает опыт, эта прямая параллельна прямой OA. Таким образом, при разгрузке деформация полностью не исчезает. Она лишь уменьшается на величину упругой части (отрезок LМ). Отрезок ОL представляет собой остаточное или пластическое удлинение. Таким образом, полная деформация (отрезок ОМ) состоит из упругой и остаточной (пластической) частей, т.е. ℓ = ℓ _упр+ ℓ _ост.

Если образец был нагружен в пределах участка ОА, а затем разгружен, то удлинение будет чисто упругим (ℓ_ост = 0 ) и образец вернется в исходное состояние. Таким образом при повторном нагружении образца диаграмма растяжения идет по прямой LК и возвращается на кривую КСD так, как будто промежуточной разгрузки не было.

Предположим, что у нас имеется два одинаковых образца, изготовленных из одного и того же материала. Один из образцов до испытания нагружению не подвергался, другой образец был нагружен до точки К, а после разгрузки снят с машины. Испытывая первый образец, мы получим обычную диаграмму растяжения OABCD, показанную на рисунке 3а. При испытании второго образца отсчет удлинения будет производиться, естественно, от ненагруженного состояния и остаточное удлинение ОL учтено не будет (при нагружении диаграмма пойдет по прямой LК). В результате получим укороченную диаграмму (рисунок 3б.). Отрезок МК соответствует силе предварительного нагружения. Таким образом, вид диаграммы растяжения для одного и того же материала зависит от степени предварительного нагружения. Очень важно, что отрезок LК больше отрезка ОА. Следовательно, в результате предварительного нагружения, материал приобретает способность воспринимать без остаточных удлинений большие нагрузки. Это явление называется наклепом и широко используется в технике.

В конце зоны упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинается образование так называемой шейки - местное сужение образца ( рисунок 4. ).

Рисунок 3. Диаграммы растяжения

а - полная для предварительно незагруженного образца,

б - укороченная для предварительно загруженного до т.К

образца

Рисунок 4. Местное сужение образца - шейка

Деформации до этого распределяются равномерно по всему образцу. С момента начала образования шейки, деформации приобретают местный характер, концентрируясь около какого - то сечения, оказавшегося самым слабым в силу случайных факторов - здесь и образуется шейка. По мере растяжения образца уменьшение площади сечения шейки прогрессирует.

Когда относительное уменьшение площади сечения шейки сравнивается с относительным возрастанием напряжения, сила P достигает максимума (точка С). В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер и поэтому участок CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Диаграммы растяжения, записанные испытательной машиной в координатах (P - ℓ), зависят не только от материала, но и от размеров образца. Удобнее пользоваться диаграммой, у которой по оси ординат откладывается усилие, деленное на первоначальную площадь сечения образца F₀ , а по оси абсцисс - удлинение отнесенное к расчетной длине образца ℓ₀. Величина =P/F₀ называется напряжением, а величина =ℓ / ℓ₀ относительным удлинением. Так как F₀ и ℓ ₀ постоянны, то диаграмма - ( рисунок 5. ) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения в координатах (P-ℓ), но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала. В случае необходимости вместо диаграммы -, можно использовать диаграмму растяжения (P-ℓ), пересчитав пред­варительно масштабы.

Отметим на диаграмме характерные точки и дадим определения соответствующих им числовых величин.

Рисунок.5. Диаграмма напряжений (условная)

Пределом пропорциональности _пц= P_пц / F₀ называется наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука =E·. Величина предела пропорциональности зависит от степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую. Степень отклонения кривой = f() от прямой определяют по величине угла, который составляет касательная к диаграмме с осью . По закону Гука тангенс этого угла равен 1/E . Обычно считают, что если тангенс угла между касательной к диаграмме и осью  оказался на 50% большим, чем 1/E, то предел пропорциональности достигнут.

Пределом упругости _у= P_у / F₀ называется такое предельное напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Для того, чтобы найти предел упругости, необходимо, очевидно, после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и смотреть, не появились ли остаточные деформации. Величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от точности, с которой производятся измерения. Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости принимают в пределах , т.е. 0,001% - 0,005%.

Пределом текучести _т= P_т / F₀ называется то напряжение, при котором происходит рост деформаций без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует площадка текучести, за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация _ост= 0,002 или 0,2 % (в некоторых случаях _ост = 0,5%). Условный предел текучести обозначается _0,2; _0,5;... , в зависимости от принятой величины допуска на остаточную деформацию (в процентах).

Пределом прочности или временным сопротивлением называется отношение максимальной силы, которую выдерживает образец, к его первоначальной площади поперечного сечения (_в= P_в / F₀). Следует иметь в виду, что _в это не то напряжение, при котором разрушается образец.

Среднее напряжение в момент разрыва _р, которое почему-то называют истинным, определяется отношением нагрузки в момент разрушения к площади поперечного сечения шейки в самом узком сечении _р= P_разр / F_ш , причем оно существенно больше предела прочности _в.

Предел пропорциональности _пц, предел упругости _у, предел текучести _т, предел прочности _в и "истинное" напряжение в момент разрыва _р - представляют собой прочностные характеристики материала.

При испытании на растяжение определяют и характеристики пластичности материала (относительное остаточное удлинение  и относительное остаточное сужение ).

Относительное остаточное удлинение - это относительное изменение длины рабочей зоны образца ; определяется по формуле:

.

Относительное остаточное сужение - это относительное изменение площади сечения в месте разрыва ; определяется по формуле:

.

Для оценки качества испытанного материала важно также определить работу, затраченную на разрыв образца. Чем большую работу необходимо затратить для разрыва образца, тем больше энергии в состоянии поглотить материал, не разрушаясь и тем лучше он будет сопротивляться ударным нагрузкам, поглощая кинетическую энергию удара.

Величина полной работы, затраченной при растяжении образца до его разрыва, графически изображается площадью диаграммы растяжения OABCDE с учетом масштабов сил и удлинений (рисунок 3.). Площадь треугольника DEF соответствует работе, израсходованной на упругую деформацию, исчезнувшую после разрыва. Работа затраченная на пластическую деформацию ( А ) графически определяется площадью диаграммы растяжения OABCDF с учетом тех же масштабов сил и удлинений.

Удельная работа ( а ) - это отношение работы А к объему образца V, ( a = A / V ), в тоже время она равна площади OABCDF диаграммы - (рисунок 5.) с учетом масштабов. Удельная работа характеризует способность материала образца поглощать энергию разрыва, вязкость материала и сопротивляемость его динамическим воздействиям нагрузки.