2.4. Испытание материалов на растяжение и сжатие

Основные механические характеристики материалов получают в результате специальных лабораторных исследований на испытательных машинах при нагружении стержней на растяжение и сжатие. Вид стержневых образцов и сами методы испытаний регламентированы государственными стандартами.

Большинство механических свойств материалов определяется в результате испытаний образцов в условиях именно одноосного растяжения. В процессе эксперимента ведётся запись диаграммы испытаний – графика зависимости деформации (удлинения) образца от растягивающей силы F = f(∆l). Этот график называется диаграммой растяжения или сжатия образца. Поскольку исследуется не конкретный образец, а материал, то принято по результатам испытаний ряда образцов строить диаграмму растяжения для материала образца в относительных величинах. С этой целью силу относят к первоначальной площади сечения образца, а абсолютное удлинение – к первоначальной его длине . Получают диаграмму зависимости для материала образца. Эта диаграмма называется условной диаграммой растяжения.

Рассмотрим типичную условную диаграмму растяжения, характерную для образцов из малоуглеродистых сталей, полученную при нормальной температуре и стандартных скоростях деформирования при нагружении (рис. 8).

Р ассмотрим характерные точки и участки диаграммы. Точка А – конец прямолинейного участка. Участок О–А называется участком пропорциональной (прямолинейной) зависимости между нормальным напряжением и относительным удлинением, что отражает закон Гука ( ). Точка А соответствует пределу пропорциональности:

, (2.13)

где – нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности;

– первоначальная площадь сечения образца.

Несколько выше точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости , наибольшему напряжению, при котором ещё нет остаточных деформаций:

, (2.14)

где – нагрузка, соответствующая пределу упругости.

Относительная деформация, соответствующая пределу упругости (весьма близкая к пределу пропорциональности), для малоуглеродистой стали примерно достигает 0,05 %.

За точкой В возникают заметные остаточные деформации. В точке С диаграммы материал переходит в область пластичности – наступает явление текучести материала. Участок С–D параллелен оси абсцисс (площадка текучести). Для данной площадки характерен рост деформации при постоянном напряжении. Напряжение, соответствующее участку C–D, называется пределом текучести:

, (2.15)

где – нагрузка, соответствующая пределу текучести.

Большинство материалов не имеют явно выраженной площадки текучести, поэтому определяют условной предел текучести по величине остаточной деформации. Условным пределом текучести принято считать такое напряжение, при котором остаточная деформация , или когда . Условный предел текучести при растяжении обозначается , а при сжатии – .

Участок D–M – участок упрочнения, на котором отмечается новый, но более медленный, чем на первом участке, рост нагрузки. В конце этого участка на образце начинает образовываться шейка − местное сужение образца, место будущего разрыва, а растягивающая сила F достигает максимального значения . Напряжение, соответствующее точке M, называется пределом прочности или временным сопротивлением:

. (2.16)

Участок MK – участок разрушения, на котором удлинение всего образца уже происходит за счёт местной деформации в зоне шейки, площадь которой существенно уменьшается. Поэтому для разрушения требуется меньшее усилие (динамометр показывает уменьшение силы F, хотя захваты испытательной машины продолжают раздвигаться с той же скоростью). Деформации при разрушении малоуглеродистых сталей достигают 20 % и более. Однако многие материалы разрушаются без заметного образования шейки. В точке К происходит разрыв образца при разрушающей нагрузке .

Явление наклепа. Если при испытаниях остановить испытательную машину, когда образец нагружен за пределами участка текучести, например в т. N, (рис. 8), и разгрузить его, то график разгрузки NL пойдёт параллельно участку упругости ОА. Накопленная (в т. N) абсолютная деформация при разгрузке полностью не исчезнет. Останется в образце пластическая деформация ∆l_пл – отрезок OL (рис. 8). Повторное нагружение образца пойдёт по тому же участку LN, т. е. увеличится область упругих деформаций (LN > ОА). Эта способность материалов повышать сопротивление деформации широко используется в технике для упрочнения деталей.

В качестве характеристик пластичности используются относительное остаточное удлинение δ (%) и относительное остаточное сужение ψ_k (%):

, (2.17)

где l₀, А₀ – первоначальная длина и площадь образца;

l, A_ш – длина и площадь шейки образца после разрушения (соединяются разрушенные части образца, и проводится измерение геометрических параметров).

Чем больше параметры δ и ψ, тем пластичность материала считается выше. Тангенс угла наклона участков ОА, LN диаграммы растяжения и будет модулем упругости материала (первого рода), или модулем Юнга: (рис. 8).

Хрупкие материалы (чугун, бетон, инструментальная сталь и др.) разрушаются без появления заметных остаточных деформаций (δ < 5 %), их диаграммы деформирования не имеют площадки текучести и участка упрочнения.