Материаловедение / 6

2.2. Определение механических свойств материалов

Механические свойства материалов характеризуют поведение их при воздействии внешних нагрузок. В связи с тем, что механиче­ские свойства материалов зависят от скорости приложения и вида на­грузки, температурных условий, геометрических размеров и формы образцов, условия их определения строго регламентированы соответ­ствующими стандартами.

В зависимости от условий нагружения испытания подразделя­ются на:

1. статические - при медленном и плавном возрастании нагруз­ки на образец при однократном нагружении;

2. динамические - при возрастании нагрузки с большой скоро­стью, имеющей ударный характер, при однократном воздействии;

3. при циклическом многократном нагружении с изменением нагрузки по величине и направлению.

2.2.1. Статические испытания

Испытания на растяжение для металлов проводятся в соответст­вии с ГОСТ 1497-73 на специальных испытательных машинах с запи­сью диаграммы растяжения в координатах нагрузка-деформация, на основании которых определяют временное сопротивление а_в, предел

текучести а₀₂ (а_т), предел пропорциональности а_пц, предел упруго­сти а₀₀₁, модуль упругости Е, коэффициент Пуассона v, относитель­ное удлинение при разрыве s и относительное сужение \|/.

Диаграмму «нагрузка-удлинение» перестраивают в координатах «напряжение (а) - относительное удлинение (s)» (рис. 2.5). Напря­жение определяется по формуле

где P - нагрузка; F₀ - первоначальная площадь сечения образца в мес­те разрушения.

Способность материала сопротивляться упругим деформациям при одноосном растяжении (сжатии) характеризует модуль продольной упругости Е (модуль Юнга). Зависимость между относительным удли­нением s и вызывающим его напряжением а описывается законом Гука:

Упругие свойства материалов при одноосном растяжении харак­теризует также коэффициент Пуассона v, представляющий собой

отношение модуля относительного поперечного сжатия s_x к относи­тельному продольному удлинению образца s _z:

Для идеально упругого материала v = 0,50. Для реальных мате­риалов v имеет следующие значения: свинец - 0,40, алюминий - 0,34, медь - 0,36, железо - 0,28, стекло - 0,25, полиэтилен - 0,40, полиизо­прен - 0,49.

Аналогичная линейная зависимость между относительной де­формацией сдвига у и действующими касательными напряжениями т наблюдается в области упругих деформаций при сдвиге

где G - модуль сдвига.

Модуль сдвига в этой области деформаций является величиной постоянной и связан с модулем упругости при растяжении посредст­вом коэффициента Пуассона соотношением

Так как коэффициент Пуассона всегда меньше 0,50 и для боль­шинства материалов составляет около 0,30, то модуль сдвига для них равен приблизительно 38...40 % от значений модуля упругости при растяжении.

С модулями упругости при растяжении и сдвиге связаны не толь­ко механические свойства материалов, но и скорости распространения звуковых и других упругих волн. Эти зависимости используются для определения динамических характеристик материалов, величины кото­рых, вследствие кратковременности воздействия динамических нагру­зок, несколько выше, чем аналогичные статические характеристики.

Упругие свойства материала при всестороннем сжатии характе­ризует модуль объемной упругости К. Между действующим нормаль­ным напряжением а и относительной объемной деформацией А су­ществует также линейная зависимость

а = КА.

Все приведенные характеристики упругих свойств материалов являются структурно чувствительными параметрами, величина их за­висит от направления действия нагрузки и температурных условий.

Максимальное напряжение, при котором сохраняется линейная зависимость между относительным удлинением и напряжением, на­зывается пределом пропорциональности а_пц. Под пределом упруго­сти а _у понимается напряжение, при котором остаточная деформация

после снятия нагрузки не превышает допустимую по техническим ус­ловиям на изделие (обычно не более 0,01), что указывается соответст­вующим индексом, например а_0,01, а_0,005 (рис. 2.5).

При напряжениях выше предела упругости остаточная деформа­ция увеличивается. Для пластичных материалов на диаграмме «напря­жение-деформация» наблюдается площадка текучести, где деформа­ция растет без заметного изменения нагрузки. Минимальное напряжение, при котором образец деформируется без заметного уве­личения растягивающей нагрузки, называется пределом текучести а _т.

Вследствие того что трудно точно зафиксировать эти значения для большинства материалов, не имеющих явно выраженной площадки те­кучести, используется условный предел текучести а₀₂, т. е. напряже­ние, при котором остаточное удлинение достигает значения 0,2 % рас­четной длины образца. Дальнейшее пластическое деформирование протекает с увеличением нагрузки, т. к. материал упрочняется в про­цессе деформирования. Упрочнение металла при пластическом дефор­мировании называется наклепом.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке P_max, предшествующей разрушению образца, отнесенной к начальной пло­щади его поперечного сечения F₀ до испытания, называется пределом прочности, или временным сопротивлением (разрушающим напря­жением при растяжении) и обозначается а_в. Это напряжение явля­ется условным. Для определения истинного предела прочности S_]< не­обходимо нагрузку отнести к действительной площади поперечного сечения которую имеет образец в месте разрушения.

Предел упругости и предел текучести характеризуют сопротив­ление материалов малым пластическим деформациям. Временное со­противление а_в дает представление о предельной несущей способно­сти материала.

Пластические свойства материалов характеризуются относи­тельным удлинением при разрыве и относительным сужением. Отно­сительное удлинение при разрыве s, %, определяется как отношение приращения длины образца в момент разрыва к его первоначальной длине. Под относительным сужением у, %, понимают отношение

Все перечисленные характеристики, за исключением модуля сдвига, определяются в результате испытаний на растяжение при од­ноосном нагружении. Размеры образцов и режимы испытаний для

уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва (F₀ - F^) к начальной площади поперечного сечения F₀: различных материалов оговорены в соответствующих стандартах ГОСТ 11262-76, 9550-71. Предел прочности при сжатии определяет­ся в соответствии с ГОСТ 4651-82, а при изгибе - ГОСТ 4648-71. Как правило, эти испытания проводятся при малой скорости нагружения, оценивая сопротивление материалов статическим нагрузкам, медлен­но изменяющимся во времени. При воздействии статической нагрузки оценивают также ползучесть материалов, под которой понимается увеличение деформации материала, протекающее во времени, под действием постоянной нагрузки или напряжения (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Кривая ползучести: I - зона неустановившейся ползучести; II - участок установившейся ползучести; III - участок ускоренной ползучести; s₀ - деформация в момент приложения нагрузки

В результате испытаний на растяжение или сжатие определяют предел ползучести - максимальное напряжение, при котором средняя скорость ползучести или деформация за определенный промежуток времени не превышает допустимое значение, установленное техниче­скими условиями. Испытания при растяжении проводят в соответст­вии с ГОСТ 18197-82.

Длительная прочность материалов ниже, чем временное сопро­тивление разрушению. Под пределом длительной прочности понима­ется напряжение, которое вызывает разрушение материала при задан­ной температуре и времени нагружения. Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 10145-81.

Все перечисленные технические свойства определяются на спе­циальных образцах, характеризуют объемные свойства материалов

1