1.1. Диаграммы деформирования. Характеристики материала

Наибольшую информацию о характеристиках статической прочности материала получают при испытании на растяжение простых образцов. Для испытаний применяют образцы цилиндрической (рис 4.1а) или плоской формы (рис 4.1б). Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l₀. В результате испытаний получают зависимость между напряжениями и деформациями при растяжении.

Рисунок 4.1

Обычно применяются образцы с начальной расчётной длиной l₀ = 5d₀ и l₀ = 5,65 ₀ («короткие образцы») или l₀ = 10d₀ и l₀ = 11,3 ₀ («длинные образцы»).

Испытания проводят на разрывных испытательных машинах. При испытании образцы нагружают нагрузкой, постепенно возрастающей от нуля до значения, при котором происходит разрушение образца. Скорость изменения длины рабочей части образца не должна превышать 0,003×l₀ в минуту. При этом производится, как правило, автоматическая запись диаграммы, которая показывает зависимость между силой P и удлинением l исследуемой зоны образца. Чтобы исключить влияние размеров образца и получить механические характеристики материал, эту диаграмму перестраивают в координатах -, где:

=P/F₀ - нормальное напряжение;

=l/l₀- относительная деформация;

F₀- начальная площадь поперечного сечения образца.

Характерные диаграммы растяжения для трех основных типов материалов приведены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2

На диаграммах можно выделить точки, которым соответствуют напряжения, являющиеся механическими характеристиками материала.

Первый участок диаграммы обычно представляет собой прямую линию, т.е. отношение напряжения к деформации на этом участке является постоянным. Модуль упругости при растяжении Е–это коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение и деформацию на начальном упругом участке диаграммы деформирования:

E=tg.

Величина Е определяется делением напряжения на относительную деформацию на прямолинейном участке и поэтому имеет размерность напряжения. Для материалов, у которых наблюдается на первом участке нелинейная зависимость между напряжениями и деформациями, применяется касательный модуль Е_t и секущий модуль Е_s. Касательный модуль–это тангенс угла наклона касательной к кривой деформирования материала при заданном напряжении. Секущий модуль есть тангенс угла наклона прямой, соединяющей точку, соответствующую заданному напряжению с началом координат диаграммы деформирования

Пределом пропорциональности материала _пц называют наибольшее напряжение, до которого напряжения  пропорциональны деформациям . Предел пропорциональности при растяжении _пц определяется как напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и деформацией достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации - точке _пц с осью напряжений увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке.

После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем напряжения и диаграмма становится криволинейной. Пределом упругости материала _у называют наибольшее напряжение, до которого материал образца не получит остаточных деформаций. Практически за предел упругости принимают то напряжение, при котором остаточная деформация равна заданной величине, например, 0,001%, или 0,003%, или 0,005% и соответственно пределы упругости обозначают _0,001, _0,003, _0,005.

Пределом текучести материала _т называют напряжение, при котором деформации растут без заметного увеличения нагрузки. В том случае, когда диаграмма деформирования имеет резкий перелом при напряжении ниже максимального растягивающего напряжения и при этом материал продолжает заметно удлиняться без увеличения напряжения (для малоуглеродистых сталей), то это напряжение и принимается за предел текучести материала _т (рис 4.2а). Большинство же цветных металлов и большинство высокопрочных сталей не имеют такого явно выраженного напряжения. В инженерной практике за такую деформацию в этом случае принимается деформация 0,002 (0,2%) и соответствующее напряжение называется условным пределом текучести _0,2. На практике это напряжение определяется по диаграмме деформирования: через точку диаграммы, соответствующей нулевому напряжению и деформации 0,002, проводят прямую параллельную упругой части диаграммы до пересечения с кривой деформирования, и напряжение в этой точке диаграммы принимается за условный предел текучести (рис. 4.2б). При достижении пластических деформаций полированная поверхность образца начинает тускнеть и появляется сетка линий наклоненных под 45º к оси образца - это линии Чернова - Людерса, которые свидетельствуют о происходящих сдвигах кристаллов.

Предел прочности при растяжении _В–это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Напряжение подсчитывается по первоначальному поперечному сечению образца. После достижения предела прочности появляется сужение (шейка) поперечного сечения образца (рис. 4.3а).

Рисунок 4.3

Площадь сечения шейки быстро уменьшается, и образец разрушается. В момент разрушения достигается напряжение разрушения материала _р.

Относительное удлинение после разрыва, или остаточное удлинение  (рис.4.2а)- это отношение приращения расчётной длины образца после разрыва к её первоначальной величине:

, где

l₀, l_к – длина исследуемой зоны образца, соответственно, до нагружения и после разрушения.

Относительное удлинение определяется из испытаний на растяжение и является мерой пластичности материала. Хотя относительное удлинение широко используется как показатель пластичности материала, его величина может зависеть от условий испытаний, таких как толщина образца и длина рабочей части образца. Относительное удлинение, полученное при испытании коротких образцов, обозначается ₅, а длинных ₁₀.

Относительное сужение после разрыва, или остаточное сужение  - это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

, где

F₀, F_к-площадь поперечного сечения образца, соответственно, до нагружения и после разрушения в наименьшем сечении шейки.

Эта характеристика также является мерой пластичности материала. Остаточное сужение менее чувствительно к условиям испытаний, однако его трудно определять на тонких полуфабрикатах.

Ряд материалов, например, чугун, стекло, бетон, кирпич относятся к хрупким материалам. Хрупкие материалы обладают большим сопротивлением сдвигу, чем отрыву, поэтому разрушаются внезапно от отрыва частиц материала по плоскости поперечного сечения (рис. 4.3б). Явления текучести, упрочнения и образования шейки на образцах из таких материалов перед разрывом не наблюдается. На диаграмме растяжения таких материалов практически отсутствует площадка текучести. Кроме того, на диаграмме практически отсутствует прямолинейный участок, величины деформаций невелики, так что отклонение от линейного закона незначительно, поэтому в практических расчетах это отклонение не учитывают (рис. 4.2в).

Механические характеристики материалов при сжатии получают путем статических испытаний простых образцов. Испытания металлов проводят на коротких цилиндрических образцах, а дерева на кубических. Высота образца не должна превышать удвоенного размера поперечного сечения. Для простых материалов, имеющих при растяжении площадку текучести, диаграмма сжатия также имеет площадку текучести. С ростом сжимающей нагрузки образец вследствие трения на торцах приобретает бочкообразную форму (рис. 4.3в), площадь поперечного сечения увеличивается и нагрузка не только не падает, а даже возрастает. Пластический материал разрушить путем сжатия практически невозможно, образец расплющивается в тонкий лист, поэтому предел прочности при сжатии не выявляется. Характерная диаграмма сжатия для пластичных материалов имеет вид, приведенный на рисунке 4.4а. Для сравнения с диаграммой растяжения диаграмма сжатия построена в положительной области.

Рисунок 4.4

Значения пределов пропорциональности _0,005 и пределов текучести _0,2 и модуля упругости E при растяжении и сжатии для алюминиевых сплавов по абсолютной величине близки, поэтому при получении механических характеристик при сжатии часто ориентируются на механические характеристики, полученные при растяжении.

Диаграмма сжатия хрупких материалов подобна диаграмме растяжения хрупких материалов (рис. 4.4б). Разрушение образцов происходит, как правило, образованием трещин по площадкам, наклоненным под углом 45 к оси образца, т.е. по площадкам наибольших касательных напряжений (рис. 4.3г).

Механические характеристики наиболее часто встречающихся металлических конструкционных материалов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

№		Материал	В, МПа	0,2, МПа	0,2сж, МПа	пц, МПа	τср, МПа	Всм, МПа	δ5, %	ψ, %	E, МПа	Eсж, МПа	G, МПа	µ
1	Алюминиевые сплавы	Лист Д16Т	441	318	312	190	243	662	18,7		68500	70000	25700	0,33
2		Лист 1163АТВ	482	348	341	320	265	723	23		69000	70000	27500	0,31
3		Лист 1163РДТВ	468	348	341	322	257	702	23,4		69000	70000	27500	0,31
4		Лист В95пчТ2	523	454	445	425	238	784	13,2		72000	73000
5		Лист 1420	433	271	266	208	238	650	10,6		76300	76300
6		Плита 1163Т	466	344	337	334	256	699	21,1		72000	73500	27500	0,31
7		Плита 1163Т7	502	387	380	365	276	753	16,5		72000	73500	27500	0,31
8		Плита В95пчТ2	532	465	419	402	293	798	13,1		72000	73500	27500	0,31
9		Плита 1973Т2	541	494	484	477	298	811	13,6		72000	73500	27500	0,31
10		Прес. профиль Д16чТ	486	381	373	280	267	729	14,1		72000	73500	27000	0,33
11		Прес. профиль Д16чТПП	522	393	385		287	783	13,9		72000	73500	27000	0,33
12		Прес. профиль 1163ТПП	546	432	423	416	300	819	13,6		72000	73500	27500	0,31
13		Прес. профиль В95очТ2	566	498	488	407	311	849	11,6		72000	73500	27500	0,31
14		Поковка 1933Т3	491	432	423	400	270	737	13,4		72000	73500	2700	0,33
15		Поковка АК6Т1	439	376	368	274	241	658	15,9		72000	73500	27000	0,33
16		Поковка МА14Т1	319	272	267	130	175	479	14,4		43000	43000	16000	0,34
17		Отливка ВАЛ10Т5	404	300			222	602			70000	70000	26500	0,33
18		Отливка МЛ5пчТ4	233	90		30	128	350	11,5		42000		16000	0,34
19	Титановые сплавы	Плита ВТ22	1112	1029	998	900	623	2224	15,7	39,5	115000	115000	44000	0,3
20		Плита ВТ23	1139	986	1020	849	677	2278	15,3	39,3	116300	119800	44000	0,3
21		Штамповка ВТ6	957	900	873	780	574	19140	13,6	39,7	125000	125000	47700	0,31
22		Штамповка ВТ22	1174	1136	1102	1070	657	2348	12	35,9	116900	116900	45000	0,3
23	Стали	Лист 30ХГСА	1308				824	2354	10,5	57,6	200000	200000	77000	0,3
24		Пруток 30ХГСА	1221	1162	1081	850	769	2197	15,2	57,6	200000	200000	77000	0,3
25		Пруток 3Х2НВА	1289	1232	1146	900	812	2325	16,3	59,6	195000	195000	75000	0,3
26		Пруток 30Х2НФВА	1258			900	818	2264	15,2	59,9	195000	195000	75000	0,3
27		Пруток 30ХГСН2А-ВД	1724	1470	1367	1000	1086	3103	11,7	56,7	195000	210000	77000	0,27
28		Пруток 40ХН2МА	1170	1064	990		737	2106	15,5	61,1	195000	195000	76000	0,28
29		Штамповка 30ХГСА	1248	1171	1171		811	2246	14,8	58,2	200000	200000	77000	0,3
30		Штамповка 30ХГСН2А-ВД	1749	1472	1369	1000	1102	3148	11,8	56,7	195000	205000	78000	0,3
31		Поковка ВНС‑2Ш	1290	1096	1016	826	813	2322	16,4	58,8	191500	191500	77000	0,3
32		Отливка ВНЛ-3	1300	950	884	400	819	2340	15	45	185000	185000	72900	0,37