Основные характеристики

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

При испытании материалов на растяжение определяются характеристики прочности, пластичности и упругости. Эти механические свойства являются критериями конструкционной прочности деталей, работающих в условиях статического нагружения. Они используются для приближенной оценки прочности деталей, работающих в других условиях.

Испытания проводятся на разрывной машине. Машина имеет механизмы для нагружения образца и для измерения растягивающего усилия. На образец усилия передаются с помощью захватов. Стандартные образцы для испытания на растяжение применяют либо круглого сечения (диаметром не менее 0,5 мм), либо плоские (толщиной не менее 0,5 мм). Формы и размеры образцов нормируются в соответствии с ГОСТ 1497-84.

L

Образец (рис.1) состоит из рабочей части и головки. Между расчетной длиной образца l_о и диаметром d_о должна соблюдаться зависимость: l_о = 10 d_о (длинный образец) или l_о = 5 d_о (короткий образец).

Рис.1. Цилиндрический образец для испытания на растяжение

В процессе испытания диаграммный аппарат записывает зависимость между приложенной нагрузкой и деформацией образца в виде диаграммы растяжения в координатах: нагрузка (Р) – абсолютное удлинение образца Dl = l_к – l_о, где l_к – текущая длина, l_о – начальная длина образца.

Типичные диаграммы растяжения показаны на рис. 2. Для большинства пластичных материалов характерна диаграмма растяжения с постепенным переходом от упругой в пластическую область (рис. 2а). Для некоторых пластичных материалов (например, низкоуглеродистая сталь) свойственна диаграмма растяжения с переходом в пластическую область в виде площадки текучести (рис. 2б). Диаграмма на рис. 2в получается при растяжении образцов, изготовленных для малопластичных материалов, разрушающихся при малых остаточных деформациях (например, серый чугун).

Рис.2. Диаграммы растяжения: а – с постепенным переходом из упругой в пластическую область, б – с переходом в пластическую область в виде площадки текучести, в – для хрупких материалов

 

 

На рис.3 показаны характерные точки диаграммы растяжения, по которым определяют механические свойства. До точки Р_пц зависимость Р - Dl выражена прямой линией. Это значит, что изменение длины образца прямо пропорционально нагрузкам. Прямолинейный участок диаграммы соответствует упругой деформации, ордината точки Р_пц – нагрузке предела пропорциональности. До точки Р_пц имеет силу закон Гука – удлинение образца прямо пропорционально приложенному усилию.

 

Рис. 3. Характерные точки на диаграмме растяжения,

по которым рассчитывают характеристики прочности

 

Ордината точки «е», расположенная в непосредственной близости от точки Р (остаточное удлинение здесь равно 0,05 – 0,005% от расчетной величины) определяет нагрузку предела упругости – Р_упр.

За участком пропорциональности следует характерный горизонтальный участок S –S^’, который показывает, что образец деформируется без увеличения нагрузки; металл как бы течет. Через какое-то время течение металла прекращается – наступает предел текучести. Силу Р_т, при которой происходит течение металла, называют силой предела текучести, а площадку на диаграмме – площадкой текучести.

За площадкой текучести следует пологий криволинейный участок диаграммы S^’ В. Этот участок называют зоной упрочнения металла. Точка В диаграммы соответствует наибольшей нагрузке, которую выдерживает образец во время испытания Р₆. При этом в образце появляется резкое местное сужение – «шейка». В дальнейшем здесь и произойдет разрыв образца на две части. Момент разрушения образца соответствует точке К на диаграмме.

Непластичные материалы не удлиняются пластично и не образуют шейку на образце. На диаграмме растяжения (рис. 2а, в) нет выраженного участка текучести. После достижения максимальной нагрузки образец разрушается без пластичного удлинения.

Так как диаграмма Р - Dl не учитывает фактических размеров образца, изменяющихся при его растяжении, то для получения сравнимых результатов испытания диаграмму строят в относительных координатах «напряжение – относительная деформация», где на оси ординат откладывают напряжение s = Р/F_о, а по оси абсцисс – величину относительной деформации d = Dl/l_о (рис.4); здесь F_o и l_о – первоначальные площади сечения и длина образца (рис. 4). При этом характер кривой не изменяется, так как каждая из координат исходной диаграммы делится на постоянную величину.

До s_пу соблюдается закон Гука: s = Е × d, где Е – коэффициент пропорциональности является физической константой материала и называется модулем упругости; d - относительное удлинение образца. Модуль упругости Е определяет жесткость материала, пропорционален тангенсу наклона прямолинейного участка кривой растяжения и на диаграмме характеризует крутизну подъема этого участка. Чем больше Е, тем меньшую деформацию получает металл при одинаковом напряжении, тем больше его жесткость. Каждый металл имеет определенный модуль упругости, фактически не зависящий от структуры и обработки.

 

а б

 

Рис. 4. Диаграммы напряжение - относительная деформация,

для пластичных (а) и непластичных (б) материалов

 

Согласно ГОСТ 1497-84 при испытании на растяжение определяют следующие характеристики:

1. Предел пропорциональности s_пц наибольшее напряжение, до которого соблюдается прямая пропорциональность между напряжением и деформациями.

s_пц = Р_пц /F_о, МПа, (кгс/мм²), (1)

где F_о – начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца.

2. Предел упругости s_0,05 напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,05%.

s_0,05 = Р_0,05/F_о, МПа, (кгс/мм²). (2)

Если не требуется высокая точность, то можно условно принять s_пц = s_0,05 и не делать специальных вычислений.

3. Предел текучести (физический) s_т напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки (рис. 4а).

s_т = Р_т/F_о, МПа (кгс/мм²). (3)

Если на диаграмме площадка текучести отсутствует (рис. 4б), то определяют условный предел текучести s_0,2 – напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2%.

s_0,2 = Р_0,2/F_0,2, МПа (кгс/мм²). (4)

4. Предел прочности (временное сопротивление) s_в – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_в, предшествующей разрыву.

s_в = Р_в / F_о, МПа (кгс/мм²). (5)

Напряжения s_0,05, s_т, s_пц, s_в – стандартные характеристики прочности материала. Кроме этих свойств, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности – относительное удлинение и относительное сужение.

5. Относительное удлинение d_о – отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине.

где l – расчетная длина образца до разрыва, мм; - расчетная длина образца после разрыва, мм.

6. Относительное сужение y - отношение разности начальной площади поперечного сечения образца F_о и минимальной площади поперечного сечения после разрыва F_к к начальной площади поперечного сечения

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен материал (может пластически деформироваться без разрушения). Пластичные материалы меньше подвержены опасности внезапного (хрупкого) разрушения, поэтому их надежность выше.

Вышеперечисленные характеристики механических свойств являются наиболее типичными для большинства металлов и сплавов и указываются во всех справочниках и других документах, рекомендующих эти материалы для различного применения в технике. Во многих случаях этих характеристик оказывается достаточно для правильного выбора материала по назначению.