Краткие сведения из теории. Испытания на растяжение и характерные точки диаграммы растяжения

Испытания на растяжение и характерные точки диаграммы растяжения. В большинстве случаев металлические материалы в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому статические испытания широко распространены и проводятся с использованием разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Испытания на одноосное растяжение – наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств металлов. Методы испытания на растяжение стандартизированы. Помимо основной рабочей части большинство образцов (рис. 10.1) имеет головки различной конфигурации для крепления в захватах.

Рисунок 10.1 – Схема и общий вид образцов для испытаний на растяжение

Механические свойства при растяжении могут быть разделены на две группы – прочностные и пластические.

Прочностные свойства – это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению. Большинство стандартных прочностных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на диаграмме растяжения, в виде условных растягивающих напряжений. На практике механические свойства определяют по первичным кривым растяжения в координатах «нагрузка – абсолютное удлинение», которые автоматически записываются на диаграммной ленте испытательной машины.

Пластические свойства – определяются в результате сравнения размеров образцов до деформирования и после разрушения.

Для поликристаллов различных металлов все многообразие кривых растяжения можно свести к трем типам (рис. 10.2).

Рисунок 10.2 – Разновидности первичных диаграмм растяжения:

а) хрупкое разрушение; б) разрушение после равномерной деформации;

в) разрушение после образования шейки

В зависимости от типа диаграммы меняется набор характеристик, которые по ней можно рассчитать, а также их физический смысл. На рисунке 10.3 нанесены характерные точки, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики (σ_i=Р_i/F₀). Как видно, на диаграммах других двух типов могут быть нанесены не все эти точки.

Рисунок 10.3 – Обобщенная диаграмма растяжения

Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение, до которого деформация прямо пропорционально нагрузке:

,

где – нагрузка, соответствующая линейному участку машинной диаграммы,

– исходная площадь поперечного сечения образца.

Пределом упругости называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % (иногда 0,005 %) от расчетной длины образца:

,

где – нагрузка, соответствующая точки р, находящейся в непосредственной близости от точки е (рис. 10.3).

Физическим пределом текучести называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

где – нагрузка, соответствующая горизонтальному участку диаграммы напряжения.

Условным пределом текучести называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длинны образца:

Пределом прочности называется отношение максимальной за время испытания нагрузки () к первоначальной площади поперечного сечения образца ():

Условным сопротивлением разрыву называется отношение нагрузки в момент разрушения к первоначальной площади поперечного сечения образца:

Кроме условного сопротивления разрыву существует истинное сопротивление разрыву, которое определяется отношением нагрузки в момент разрушения к площади поперечного сечения в шейке образца после разрыва :

Единицей измерения прочности свойств в системе СИ является МПа = МН/м , в технической системе единиц – кГ/мм .

Относительным удлинением образца называется отношение приращения расчетной длины образца после разрыва () к первоначальной расчетной длине (), выраженное в процентах:

.

Относительным сужением образца называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади, выраженное в процентах:

,

где – площадь поперечного сечения образца до и после разрыва, соответственно.

Поскольку для реальных поликристаллических материалов определение и представляет значительные методические трудности из-за очень малых деформаций, соответствующим этим характеристикам, на практике ограничиваются измерением условного и физического пределов текучести, предела прочности и сопротивления разрыву.

Закон Гука и константы упругих свойств. Стадию упругой деформации образцы проходят при всех без исключения видах механических испытаниях.

Поведение металлов при упругой деформации описывается законом Гука, который определяет прямую пропорциональность между напряжением и упругой деформацией. На рисунке 10.4 показаны начальные (упругие) участки кривых «напряжение – деформация» при одноосном растяжении, кручении и гидростатическом сжатии.

Рисунок 10.4 – Упругие участки кривых «напряжение – деформация»:

а – одноосное растяжение; б – кручение; в – гидростатическое сжатие

Наклон каждой из этих трех кривых, т.е. коэффициент пропорциональности, связывающий напряжения и деформацию, характеризует модуль упругости:

E=S/e; G=t/g; K=P/χ.

Модуль E, определяемый при растяжении, называется модулем нормальной упругости, или модулем Юнга.

Модуль G – модуль сдвига (касательной упругости).

К-модуль объемной упругости (Р – гидростатическое давление, χ – уменьшение объема). Модули упругости определяют жесткость материала, т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации.

Механизм упругой деформации металлов состоит в обратимых смещениях атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Чем больше величина смещения каждого атома, тем больше упругая макродеформация всего образца. Величина этой упругой деформации металлов не может быть большой (относительное удлинение в упругой области обычно меньше одного процента), т. к. атомы кристаллической решетки способны упруго смещаться лишь на небольшую долю межатомного расстояния. Физический смысл модулей упругости как раз и состоит в том, что они характеризуют сопротивляемость металлов упругой деформации, т. е. смещению атомов из положений равновесия в решетке. Если сравнивать два металла, например, с разными е (рисунок 10.4, а, прямые 1, 2), то для одинакового смещения атомов (равной упругой деформации) при большем е потребуется большее напряжение (прямая 2). При сложных схемах напряженного состояния деформация может не совпадать по направлению с напряжением. Для изотропного тела закон Гука, устанавливающий линейную связь между напряжениями и деформациями в любых направлениях:

e_x = 1/E·[S_x-ν·(S_y+S_z)],

e_y = 1/E·[S_y-ν·(S_x+S_z)],

e_z = 1/E·[S_z-ν·(S_x+S_y)],

g_xy = t_xy/G,

g_xz = t_xz/G,

g_yz = t_yz/G,

где ν – коэффициент Пуассона при одноосном растяжении (сжатии), характеризующий отношение поперечной относительной деформации к продольной.

Коэффициент Пуассона ν – четвертая важнейшая константа упругих свойств после модулей упругости. Эти четыре константы связаны между собой:

E = 2·G·(1+ν);

E = 3·K·(1-2·ν).

Зная две из них, можно рассчитать остальные.

Обобщенный закон Гука записывается относительно просто для изотропного тела. Металлы имеют кристаллическую структуру и являются телами анизотропными. Чем меньше расстояние между соседними атомами, тем больше в данном направлении должен быть модуль упругости. Для анизотропного тела закон Гука существенно усложняется: он отражает прямую пропорциональность между каждым компонентом тензора деформации и всеми шестью независимыми компонентами тензора напряжений.

Модули упругости являются важнейшими характеристиками прочности межатомной связи. Их величина зависит от всех факторов, определяющих силы межатомного взаимодействия. С повышением температуры модули упругости снижаются. При легировании металлов элементами, образующими твердые растворы, модули упругости меняются линейно, причем могут увеличиваться и уменьшаться.