Испытания материалов при растяжении. Диаграмма растяжения.

В расчетах прочности стержней при растяжении и сжатии необходимо знать механические свойства материалов. Эти свойства выявляются при испытаниях образцов на растяжение под нагрузкой.

Испытания на растяжение во многих случаях позволяют достаточно верно судить о поведении материала и при других видах деформации: сжатии, сдвиге, кручении и изгибе.

Для испытания на растяжение изготовляют образцы обычно круглого (рис. 4.17), реже прямоугольного сечений.

Рис. 4.17. Эскиз стандартного образца для испытаний материалов при растяжении

Концевыми утолщениями образцы вставляются в особые центрирующие сферические захваты. Испытания проводят на универсальных испытательных машинах, снабженных силоизмерителем и аппаратом для автоматической записи диаграммы растяжения (сжатия) в координатах «сила – удлинение» (рис. 4.18, а).

График зависимости между растягивающей (сжимающей) силой F и удлинением образца называют диаграммой растяжения.

Такая диаграмма зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для исключения этой зависимости диаграмму перестраивают в координаты (рис. 4.18, б) путем уменьшения ординаты в раз и абсциссы в раз, где и – соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина недеформированного образца. В таком виде диаграмма будет характеризовать только свойства материала образца.

Рис. 4.18. Диаграммы растяжения

Диаграмму растяжения можно условно разделить на четыре зоны.

Первая зона называется зоной упругости, здесь свойства материала на участке ОА подчиняются закону Гука

; .

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называют пределом пропорциональности

Угол наклона прямой ОА

,

где Е — модуль упругости материала.

При проектировании элементов конструкций иногда важно знать напряжение, вызывающее в материале первые остаточные деформации. Вблизи точки А можно отметить точку К, в которой после снятия нагрузки (разгрузки) в образце возникает остаточная деформация, равная наперед заданной малой величине (0, 002...0, 005 % первоначальной длины образца). Напряжение в точке К, называют пределом упругости. Практическая величина предела упругости близка к пределу пропорциональности.

Если из точки К опустить перпендикуляр на ось , то он разделит диаграмму на две области: левую – область упругих деформаций и правую – область упругих и пластических (упругопластических) деформаций.

Вторая зона KD называется зоной общей пластичности. Для нее характерно существенное увеличение деформации (длины) образца без заметного увеличения напряжения (нагрузки). В этой зоне для некоторых материалов (например, малоуглеродистой стали) наблюдается почти горизонтальный участок – площадка текучести (отрезок CD диаграммы). Опыты показали, что образование пластических деформаций вызвано сдвигами в кристаллической решетке.

Если образец разгрузить в какой-либо точке этой зоны, например в точке D, то в процессе разгрузки, как показывают опыты, зависимость между напряжением и деформацией выразится прямой DE, параллельной прямой ОА. При этом деформация, полученная на этапе нагружения, полностью не исчезает. Она лишь уменьшается на величину упругой деформации . Отрезок OL на оси абсцисс равен остаточной (пластической) деформации . Таким образом, полная деформация . Повторное нагружение образца идет по прямой ED и далее по диаграмме (рис. 4.18, б). Таким образом, предварительное упругопластическое нагружение образца уменьшает пластичность материала.

Для количественной оценки напряженности материала и предотвращения больших остаточных деформаций в нем используют важную характеристику механических свойств материала – предел текучести – напряжение, при котором в материале появляется заметное удлинение без увеличения напряжения.

Для тех материалов, у которых на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условная величина напряжения, при котором остаточная деформация = 0, 02...0, 2 % (до 0, 5%). Чтобы отличить пределы текучести при растяжении и сжатии, вводят вторую букву в индекс ( и ).

Третья зона DB — зона упрочнения; здесь удлинение образца возрастает более интенсивно с увеличением нагрузки по сравнению с зоной упругости ОК.

В точке В относительное уменьшение площади сечения сравнивается с относительным возрастанием напряжения и напряжение достигает максимума.

Если разгрузить образец в некоторой точке F этой зоны, то при последующем нагружении отсчет деформаций будет начинаться от точки L и материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования носит название наклеп и широко используется в технике.

Так, например, цепи и тросы грузоподъемных машин, а иногда болты и пружины подвергают предварительному растяжению силами, превышающими рабочие, для того чтобы избежать остаточных удлинений в дальнейшем. Проволока, полученная волочением, выдерживает большие нагрузки, чем материал, из которого она изготовлена.

В некоторых случаях явление наклепа может быть нежелательным. При пробивке отверстий под заклепки материал у их кромок получает наклеп и становится более жестким. Это способствует образованию трещин. Во избежание этого материал, получивший наклеп, удаляют путем увеличения диаметра отверстий сверлением. Наклеп может быть снят термической обработкой – отжигом. Для этого материал нагревают до известной температуры, выдерживают при этой температуре в течение определенного времени, а затем медленно охлаждают.

Четвертую зону ВМ называют зоной местной текучести. Здесь удлинение образца происходит с уменьшением силы и сопровождается образованием местного сужения – шейки. При этом среднее напряжение в поперечном сечении шейки возрастает. В точке М наступает разрушение образца. Следует отметить, что у многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки. Максимальное напряжение на диаграмме, которое способен выдержать образец, называют пределом прочности (временным сопротивлением) и обозначают (при сжатии ).

Так как величину определяют по отношению к площади поперечного сечения недеформированного образца, то предел прочности не равен истинному напряжению разрушения и является условным показателем несущей способности материала. Однако благодаря простоте и удобству определения предел прочности широко используется в расчетной практике как сравнительная характеристика прочностных свойств материала.

Стандартные испытания материалов на сжатие обычно не проводят из-за ряда технических трудностей. Для большинства конструкционных материалов модуль упругости, пределы упругости и текучести при растяжении и сжатии можно считать одинаковыми. Предел прочности хрупких материалов (например, чугунов) при сжатии может быть значительно выше, чем при растяжении.