2.3. Механічні властивості, обумовлені при статичному нагружении

2.3.1. Випробування на розтягання

Випробування на розтягання дозволяють одержати досить повну інформацію про механічні властивості матеріалу. Для цього застосовують спеціальні зразки, що мають у поперечному перерізі форму кола (циліндричні зразки) або прямокутника (плоскі зразки). На мал. 2.6 представлена схема циліндричного зразка на різних стадіях розтягання. Відповідно ДО ДЕРЖСТАНДАРТУ 1497-84, геометричні параметри зразків на розтягання повинні відповідати наступним співвідношенням: l0 = 2,82./F0; l0 = 5,65/F0;

Рис. 1.6. Схеми циліндричного зразка на різних стадіях розтягання:

а — зразок до випробування (lо й do — початкові розрахункові довжина я діаметр); б — зразок, розтягнутий до максимального навантаження (lр і d, — розрахункові довжина й діаметр зразка в області рівномірної деформації); в — зразок після розриву (lk, — кінцева розрахункова довжина-мінімальний діаметр у місці розриву)

l0, = 11,3UF0 (де lо — початкова розрахункова довжина зразка, F0 — початкова площа поперечного перерізу розрахункової частини зразка). Для циліндричних зразків відношення розрахункової початкової довжини /про до початкового діаметра do, тобто lo/do, називают кратністю зразка, від якої залежить його кінцеве відносне подовження. На практиці застосовують зразки із кратністю 2,5, 5 і 10. Найпоширенішим є зразок кратністю 5.

Перед випробуванням зразок закріплюють у вертикальному положенні в захватах іспитової машини. На мал. 2.7 представлена принципова схема типової іспитової машини, основними елементами якої є: приводний механізм, що навантажує, що забезпечує плавне нагружение зразка аж до його розриву; силоизмерительное пристрій для виміру сили опору зразка розтяганню; механізм для автоматичного запису діаграми розтягання.

У процесі випробування діаграмний механізм безупинно реєструє так звану первинну (машинну) діаграму розтягання в координатах навантаження (Р) -абсолютне подовження зразка (Аl) (мал. 2.8). На діаграмі розтягання пластичних металевих матеріалів можна виділити три характерних ділянки: ділянка ОА — прямолінійної, відповідної пружної деформації; ділянка АВ — криволінійний, відповідний пружно-пластичної деформації при зростанні навантаження; ділянка ВР — також криволінійний, відповідний пружно-пластичної деформації при зниженні навантаження. У крапці З відбувається остаточне руйнування

образца з поділом його на дві частини.

В області пружної деформації (ділянка ОА) залежність між навантаженням Р и абсолютним пружним подовженням зразка А/ пропорційна й відома за назвою закону Гука:

Р=kAl, де k=EFo/l0 — коефіцієнт,

залежний від геометрії зразка (площі поперечного перерізу Fo і довжини /о) і властивостей матеріалу (параметр Е).

Параметр Е (МПа) називають модулем нормальної пружності, що характеризує твердість матеріалу, що пов'язана із силами межатомного взаємодії. Чим вище Е,

Рис. 2.7. Схема іспитової машини:

1 -властиво машина; 2 — гвинт вантажної; 3 — нижній захват (активний); 4 — зразок; 5 — верхній захват (пасивний); про — сило-вимірювальний датчик; 7 — пульт керування з электроприводной апаратурою; 8 — індикатор навантажень;

9 — рукоятки керування; 10 — діаграмний механізм; 11 — кабель

тим матеріал жорсткіше й тим меншу пружну деформацію викликає та сама навантаження. Закон Гука частіше представляють у наступному виді:

б=Еб,

де б = P/F0 — нормальна напруга; б = Al/l0, — відносна пружна деформація.

Рис. 2.8. Схема машинних (первинних) діаграм розтягання пластичних матеріалів:

а-із площадкою плинності; б-без площадки плинності

Поряд з модулем нормальної пружності Е існує модуль зрушення (модуль дотичної пружності) G, що зв'язує пропорційною залежністю дотичне напруження т з кутом зрушення (відносним зрушенням) в:

Ще одним важливим параметром пружних властивостей матеріалів є коефіцієнт Пуассона m дорівнює відношенню відносної поперечної деформації (Ad/do) до відносної поздовжньої деформації (Al/lо). Цей коефіцієнт характеризує прагнення матеріалу зберігати в процесі пружної деформації свій первісний обсяг.

Від коефіцієнта Пуассона m залежить співвідношення між Е и G:,

Як треба з рівняння (2.1), Е більше G, тому що для зсуву атомів відривом потрібне більше зусилля, чим зрушенням.

Значення модуля нормальної пружності Е, модуля зрушення G і коефіцієнта Пуассона ц для деяких матеріалів наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1. Значення модуля нормальної пружності Е, модуля зрушення G і коефіцієнта Пуассона й дли деяких матеріалів

Матеріал	Е, МПа	G, МПа	Ц
Сталь 20	210000	82031	0,28
Мідь листова	113000	42164	0,34
Латунь	97000	34155	0,42
Цинк	82000	32283	0,27
Алюміній	68000	25564	0,33
Свинець	17000	5862	0,45

При переході від пружної деформації до пружно-пластичного для деяких металевих матеріалів на машинній діаграмі розтягання може проявлятися невелика горизонтальна ділянка, що називають площадкою плинності АА' (див. мал. 2.8, а). На цій стадії деформації в дію включаються нові джерела дислокації, відбувається їхнє спонтанне розмноження й лавинообразное поширення по площинах ковзання. Макроскопічним проявом цих процесів є утворення на робочій поверхні зразка вузьких смуг ковзання, що одержали назву ліній Чернова-Людерса. Ці лінії розташовуються під кутом 45° до поздовжньої осі зразка по напрямку дії максимальних дотичних напружень і чітко видні на його полірованій поверхні. Однак багато металів і сплави деформуються при розтяганні без площадки плинності.

Зі збільшенням пружно-пластичної деформації зусилля, з яким пручається зразок, росте й досягає в крапці У свого максимального значення. Для пластичних матеріалів у цей момент у найбільш слабкому перетині зразка утвориться локальне звуження (шейку), де при подальшому деформуванні відбувається розривши зразка. На ділянці ОАВ деформація розподілена рівномірно по всій довжині зразка, а на ділянці ВР деформація практично вся зосереджена в зоні шийки.

При розтяганні визначають наступні показники міцності й пластичності матеріалів.

Показники міцності матеріалів характеризуються питомою величиною — напругою, рівною відношенню навантаження в характерних крапках діаграми розтягання до площі поперечного перерізу зразка. Дамо визначення найбільше часто використовуваним показникам міцності матеріалів.

Границя текучості (фізичний) (ст.,, Мпа) - це найменша напруга, при якому матеріал деформується (тече) без помітної зміни навантаження:

де Р_т, — навантаження, що відповідає площадці плинності на діаграмі розтягання (див. мал. 2.8, а).

Якщо на машинній діаграмі розтягання немає площадки плинності (див. мал. 2.8, б), то задаються допуском на залишкову деформацію зразка й визначають умовна границя текучості.

Умовна границя текучості (ст0,2, Мпа) -це напруга,

при якому залишкове подовження досягає 0,2% від початкової розрахункової довжини зразка*:

де Р0,2 — навантаження, що відповідає залишковому подовженню Al0,2 = 0,002/l0.

Тимчасовий опір (межа міцності) (ст., МПа) — це напруга, що відповідає найбільшому навантаженню Рmax, що передує розриву зразка:

*При наявності в стандартах або технічних умовах на металлопродукцию особливих вказівок дозволяється визначення умовної границі текучості й при інших допусках на величину залишкового подовження, наприклад 0,1 або 0,3%.

Щирий опір розриву (Sk, МПа) -це напруга, обумовлена відношенням навантаження Рk у момент розриву до площі поперечного перерізу зразка в місці розриву Fk:

де Fk=ndk2/4.

Показники пластичності. Пластичність - одне з важливих механічних властивостей металу, що у сполученні з високою міцністю робить його основним конструкційним матеріалом. Дамо визначення найбільше часто використовуваним показникам пластичності матеріалів.

Відносне граничне рівномірне подовження (5р,%)— це найбільше подовження, до якого зразок деформується рівномірно по всій його розрахунковій довжині, або, інакше кажучи, це відношення абсолютного збільшення розрахункової довжини зразка Alр до навантаження Ротах до її первісної довжини (див. мал. 2.8, а):

Аналогічно граничному рівномірному подовженню існує відносне граничне рівномірне звуження (Wp,%):

де Fp = nd2p/4 — площа поперечного перерізу зразка, що відповідає Рmax. З умови сталості обсягу зразка при розтяганні можна одержати

При руйнуванні зразка на дві частини визначають кінцеві показники пластичності: відносне подовження й відносне звуження зразка після розриву.

Відносне подовження після розриву (8,%) -це відношення збільшення розрахункової довжини зразка після розриву A/k до її первісної довжини:

Відносне подовження після розриву залежить від співвідношення /про і Fo, тобто від кратності зразків. Чим менше відношення l0/lF0 і кратність зразка, тим більше 5. Це пояснюється впливом шийки зразка, де має

місце зосереджене подовження. Тому індекс в 5 указує на кратність зразка, наприклад б2,5,, б5, б10*.

Відносне звуження після розриву (W, %) — це

відношення зменшення площі поперечного перерізу зразка в місці розриву AFk до початкової площі поперечного перерізу:

На відміну від кінцевого відносного подовження кінцеве відносне звуження не залежить від співвідношення /про й Fo (кратності зразка), тому що в останньому випадку деформацію оцінюють в одному, найбільш вузькому, перетині зразка.

Діаграми умовних і щирих напруг і деформацій. Довжина первинних діаграм розтягання уздовж осей координат Р и А/ залежить від абсолютних розмірів зразків. При постійній кратності зразка чим більше його довжина й площа поперечного перерізу, тим вище й протяженнее первинна діаграма розтягання. Однак якщо цю діаграму представити у відносних координатах, то діаграми для зразків однієї кратності, але різних розмірів будуть однакові. Так, якщо по осі ординат відкладати умовні напруги про, рівні відношенню навантаження Р к початкової площі поперечного перерізу Fo, а по осі абсцис — умовні подовження 8, рівні відношенню абсолютного збільшення довжини зразка A/ до його початкової довжини lо, те діаграму називають діаграмою умовних напруг і деформацій (або просто умовною діаграмою). На мал. 2.9, a схематично представлена умовна діаграма про-о—8. На цій діаграмі відзначена умовна границя текучості б0,2, тимчасовий опір бв,

кінцева умовна напруга бk, умовне граничне рівномірне подовження 8 і умовне відносне подовження після розриву 8k.

Однак більше об'єктивну інформацію можна одержати, якщо діаграму розтягання представити в інших координатах: S-Е. Щира напруга S визначається як відношення поточного навантаження Р к поточної площі поперечного перерізу F, що безупинно зменшується в процесі розтягання:

Щире подовження е враховує безупинно, що змінюється довжину, зразка в процесі його розтягання, і тому е можна визначити як суму нескінченно малих відносних деформацій dl/l при змінному/:

Якщо значення 8 наведені без вказівки кратності зразка, то в цьому випадку мається на увазі кратність 5.

Рис. 2.9. Схеми умовної (в) і щирої (б) діаграм розтягання пластичних матеріалів

Діаграму в координатах S-Е називають діаграмою щирих напруг і деформацій (або просто щирою діаграмою). На щирій діаграмі, як і на умовної, можна знайти характерні крапки, що відповідають щирій границі текучості S0,2*, щирому тимчасовому опору Sk, щирому опору розриву Sk, а також щирому граничному рівномірному подовженню eр і щирому кінцевому подовженню еk, (мал. 2.9, б).

Значення границі текучості бт (б0,2), тимчасового опору бв, граничного рівномірного подовження бp, щирого опору розриву Sk, відносні подовження 65 і звуження \у послу розриву для деяких марок стали представлені в табл. 2.2.

Щира границя текучості S0,2 практично дорівнює умовній границі текучості б0,2 внаслідок незначного зменшення площі поперечного перерізу зразка при залишковій деформації е0,2 ⁼ 0,2%.

Таблиця 2.2. Значення механічних властивостей деяких марок стали, певні розтяганням п'ятикратних циліндричних зразків

Марка стали	бт (б0,2), Мпа	бв, Мпа	бр,%	Sk, Мпа	б5,%	W,%
20	271	430	21	867	33	67
45	390	668	15	1115	25	49
15ГС	334	547	18	1130	33	71
15Х1М1Ф	313	531	15	1117	29	78
35ХВФЮА	759	1038	9	1686	16	51
12Х18Н10Т	277	694	30	1670	60	69