8(13). Испытание на растяжение

Испытание на растяжение относится к наиболее информативным видам статических механических испытаний и проводится для всех видов конструкционных материалов. Испытание проводится с использованием стандартных образцов круглого (рис. 8.1) или прямоугольного (для тонколистовых материалов) сечения.

Площадь поперечного сечения образца в начальный момент (F₀) и после разрушения (F₁) определяют после измерения соответствующих диаметров по формулам:

Растяжение образцов производится на специальных разрывных машинах, снабженных диаграммным аппаратом, позволяющим в автоматическом режиме нарисовать кривую растяжения в координатах: нагрузка Р, кгс – абсолютная деформация l, мм.

Рис. 8.1. Вид образцов до (а) и после (б) растяжения

Большинство материалов имеют диаграмму растяжения без площадки текучести – рис. 8.2а. Небольшое число материалов, в том числе низкоуглеродистая сталь в отожженном состоянии, имеют диаграмму растяжения с площадкой текучести, на которой интенсивная пластическая деформация происходит без заметного увеличения нагрузки – рис. 8.2б.

Из рис. 8.2 следует, что сначала на линейном участке, соответствующем закону Гука, деформация носит упругий характер и полностью исчезает после снятия нагрузки (разгрузка идет по линии а–0). При нагрузке, превышающей ординату точки а, наряду с упругой появляется и пластическая деформация, приводящая к остаточному удлинению испытуемого образца после снятия внешней нагрузки. При этом установлено, что разгрузка всегда идет по линии параллельной а–0. Повышение нагрузки вплоть до точки b сопровождается увеличением пластической деформации. Начиная с точки b на образце появляется, а затем растет локальное сужение в средней части – «шейка», что приводит к постепенному уменьшению действующей нагрузки Р и последующему разрыву образца в точке с (разгрузка образца после разрыва также идет по линии параллельной а–0).

Рис. 8.2. Диаграммы растяжения без площадки (а) и с площадкой (б) текучести

Механические напряжения, действующие в растягиваемом образце, принято оценивать с помощью нормальных напряжений  = Р/F, где Р – нагрузка (сила), действующая перпендикулярно площади поперечного сечения образца F. Нормальные напряжения при механических испытаниях принято измерять в кгс/мм² (килограммах силы на квадратный миллиметр) или МПа (мегапаскалях)^*:

1 кгс  9,81 Н; 1 Па = 1 Н/м²; 1 кгс/мм²  9,81 МПа.

В результате испытаний на растяжение определяют большой набор статических характеристик прочности и пластичности. Рассмотрим наиболее употребляемые из них.

1. Характеристики прочности

Прочность – это свойство твердых тел сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Чаще всего измеряют две характеристики прочности:

а ) Предел прочности при растяжении (или временное сопротивление разрыву) рассчитывают по формуле:

где Р_в – максимальная нагрузка, соответствующая точке b на рис. 8.2. Предел прочности характеризует максимальную нагрузку, которую может выдержать материал при растяжении.

б) Предел текучести характеризует минимальную нагрузку, при которой материал начинает пластически деформироваться, и рассчитывается в зависимости от вида диаграммы растяжения:

- Если на диаграмме отсутствует площадка текучести (рис. 8.2а), то определяют условный предел текучести при допуске на пластическую деформацию 0,2%

где Р_0,2 – нагрузка, вызывающая остаточную относительную деформацию 0,2 % от l₀ – начальной длины образца. Для нахождения Р_0,2 сначала рассчитывают абсолютную деформацию l_0,2 = 0,2l₀ /100, соответствующую относительной деформации 0,2 %; затем l_0,2 откладывают вправо от начала координат и проводят линию параллельную 0–а до пересечения с кривой растяжения (см. рис. 8.2а). Ордината точки пересечения дает нам значение Р_0,2.

- Если на диаграмме есть площадка текучести (рис. 8.2б), то определяют физический предел текучести:

где Р_т – нагрузка, соответствующая площадке текучести.