Механические характеристики конструкционных материалов

Основные прочностные и деформационные характеристики материалов, используемых в элементах конструкций, определяют экспериментально. Наиболее распространенным является испытание на растяжение статической нагрузкой, позволяющей определить большинство механических характеристик материала. Стандартами предусмотрены образцы плоские и цилиндрические (рис. 2.5). Цилиндрические образцы могут быть нормальные (с расчетной длиной l _расч=10 d) и укороченные (с l _расч =5 d). Для плоских образцов при вычислении расчетной длины образца используется диаметр круга, равновеликого поперечному сечению рабочей части образца.

Рисунок 2.5. Образцы для испытаний

В процессе растяжения, реализуемого на специальных испытательных машинах, автоматически записывается диаграмма испытания в координатах сила – удлинение. Для малоуглеродистой стали эта диаграмма выглядит следующим образом:

Основные участки диаграммы:

OB – участок упругости. После нагружения в пределах этого участка образец возвращается в исходное состояние. Такая деформация, полностью исчезающая после разгрузки, называется упругой.

BC – участок общей текучести (площадка текучести). После разгрузки образец не возвращается в исходное состояние, приобретая остаточную, или пластическую, деформацию.

CD – участок упрочнения. Пластическая деформация изменяет внутреннюю структуру материала, в результате чего образец снова проявляет сопротивление деформированию, и растягивающая сила повышается.

DK – участок местной текучести. Точка D диаграммы соответствует появлению на образце локального сужения – шейки. Дальнейшая деформация локализуется в этой области, и за счет уменьшения площади поперечного сечения необходимая для растяжения сила снижается. Точка K соответствует разделению образца на части. Разрыв происходит в самом тонком месте шейки.

Чтобы исключить влияние геометрических размеров образца, рабочая диаграмма перестраивается в условную (в координатах напряжение – деформация):

Полученная диаграмма называется условной потому, что при вычислении напряжения и деформации сила и удлинение относятся не к действительным, а к начальным значениям соответственно площади поперечного сечения и длины образца.

На условной диаграмме выделяют следующие характерные точки:

σ_пц – предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого справедлив закон Гука (т.е. наблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией);

σ_у – предел упругости – максимальное напряжение, до которого в материале не возникает пластических деформаций;

σ_т – предел текучести – напряжение, при котором наблюдается рост деформации при постоянном напряжении;

σ_в – предел прочности (или временное сопротивление разрыву) – максимальное напряжение, которое может выдержать образец без разрушения.

В момент разрыва истинное напряжение, отнесенное к действительной площади сечения, существенно выше предела прочности.