ГЛАВА   2. 5 

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

§ 2.5.1. Испытания на   растяжение

При проектировании детали очень важно знать меха­нические свойства материала, из которого она будет из­готовлена. Величины, характеризующие количественную сторону механических свойств, называют механическими характеристиками материала. Для получения их числовых значений проводят различные испытания.

Наибольшее распространение получили испытания на растяжение, поскольку они наиболее просты в осущест­влении и в то же время дают возможность сравнительно точно судить о поведении материала и при других видах нагружения.

Чтобы сделать результаты испытаний сравнимыми, устанавливается определенное соотношение размеров для образцов на испытание, которые узаконены стандартами.

Испытание на растяжение проводится на специально изготовленных образцах из испытуемого материала. Обыч­но их изготовляют цилиндрическими (рис. 78, а), а в случае испытания листового материала — плоскими (рис. 78,6). На рисунке l₀ — расчетная длина образца,  Ао — площадь его поперечного сечения.                Растяжение образцов проводится на специальных ис­пытательных машинах, снабженных приспособлениями, регистрирующими растягивающую силу и деформацию образца. Большинство испытательных машин снабжено автоматическим устройством для записи зависимости уд­линения образца от силы, приложенной к нему.

В процессе испытания это устройство вычерчивает кривую, которую называют диаграммой растяжения. Ти­пичная диаграмма растяжения образца из низкоуглероди­стой стали показана на рис. 79. Условно диаграмму растяжения можно разделить на четыре участка.

От начала нагружения до определенного значения нор­мальной силы диаграмма выражается прямой ОА, т. е. между силой и удлинением образца наблюдается прямая пропорциональность. На этой стадии растяжения спра­ведлив закон Гука. Если на этом участке при любом зна­чении силы полностью разгрузить образец, то процесс разгрузки изобразится той же прямой и образец полностью восстановит свои размеры. Деформация на участке ОA является упругой, поэтому его принято называть участком упругости.

После точки А при дальнейшем растяжении образца диаграмма становится криволинейной и плавно перехо­дит в горизонтальный учас­ток, называемый площадкой текучести. На этой стадии рас­тяжения  удлинение   образца растет при постоянной растягивающей силе и сопровож­дается остаточным удлинением, не исчезающим после разгрузки. Участок АВ принято называть участком общей текучести. Однако наличие площадки текучести для ме­таллов не является характерным. В большинстве случаев диаграмма растяжения образца имеет вид кривых (рис. 80). Здесь кривая 1типична для алюминия, а кривая 2 — для высококачественных легированных сталей.

После стадии текучести материал снова приобретает способность сопротивляться деформированию, но зависи­мость между нагрузкой и деформацией образца перестает быть линейной и подчиняется более сложному закону. Этому отвечает восходящий участок ВС диаграммы, назы­ваемый участком упрочнения. Точка С соответствует пре­дельной силе, которую может выдержать образец при растяжении.        

  Дальнейшее изменение длины образца происходит глав­ным образом на небольшой длине образца. Это ведет к образованию местного сужения в виде шейки (рис. 81) и к падению растягивающей силы. Поэтому участок кривой CD (см. рис. 79) называют участком местной теку­чести. Точка D соответствует разрушению образца.

.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить  (рис.   82),  то процесс разгрузки  пойдет по прямой KL. Многочисленные испытания показывают, что эта прямая параллельна участку диаграммы О А. При раз­грузке удлинение полностью не исчезает, а лишь умень­шается на некоторую величи­ну Δ1_е. Отрезок OL представ­ляет собой остаточное удли­нениеΔ l_г. Таким образом, полное удлинение образца ?l можно представить как сумму удлинений: Δ l =

Δl_e + Δl_r.

При повторном нагруже-нии образца диаграмма рас­тяжения пойдет по линии раз­грузки L / K и начиная с точки К пойдет так, как будто не было разгрузки и повторного нагружения образца. На рис. 83 представлены диаграммы растяжения двух образцов, изготовленных из одного и того же материала. Один из образцов до испытания нагру-жению не подвергался (рис. 83, а), а другой был под­вергнут предварительному растяжению силой, вызвавшей в образце остаточное удлинение (рис. 83, б). При срав­нении видно, что в результате предварительной вытяжки материал приобрел способность воспринимать без появ­ления остаточных удлинений большие растягивающие силы.

Из приведенных диаграмм видно, что при нагружении образца выше площадки текучести и последующей его разгрузки металл изменил свои свойства:  пропала площадка текучести, повысился предел пропорциональности и уменьшилась деформация при разрыве — металл стал как бы более хрупким. Такое изменение свойств материала называют наклепом. Этим явлением широко пользуются в технике. Например, цепи, тросы, ремни часто подвер­гают предварительной вытяжке силами, превышающими рабочие, с тем чтобы избежать остаточных удлинений в дальнейшем. В тех же случаях, когда наклеп нежелателен, его можно устранить с помощью специальной термооб­работки.

Механизм образования деформации. До сих пор, говоря об испытании образца на растяжение, мы касались только внешней стороны явления, не затрагивая внутренних процессов, происходящих в материале. И это понятно, поскольку в сопротивлении материалов материал рас­сматривают как однородную сплошную среду (см. § 1.2). Между тем процессы, происходящие в материале при де­формации и разрушении, вытекают из структуры вещества. Поэтому необходимо иметь хотя бы самое общее представление о том, что происходит в материале при нагружении и от чего зависят упругость, пластичность (появление остаточных деформаций) и разрушение.

Как известно, все твердые тела состоят из частиц, будь то кристаллы, молекулы или атомы, между которыми существуют силы взаимодействия. Эти частицы распола­гаются в объеме хаотично.

Под действием нагрузки тело деформируется, расстоя­ния между частицами изменяются, следовательно, изме­няются и силы их взаимодействия. Если нагрузки неве­лики, то после их снятия частицы возвращаются к перво­начальному положению и геометрические размеры тела полностью восстанавливаются. Таким образом объясня­ется свойство упругости.

Образование остаточных деформаций связано со сдви­гом частиц (кристаллов). Наглядное подтверждение этому дает наблюдение за поверхностью полированного образца. При возникновении остаточных деформаций поверхность образца покрывается системой тонких линий или, как их называют, полос скольжения (рис. 84, а). Эти линии имеют направление, составляющее угол, близкий к 45°, с осью образца, и практически совпадают с плоскостями макси­мальных касательных напряжений. В результате соскаль­зывания кристаллов по наклонным плоскостям образец удлиняется. Механизм образования этого удлинения показан в упрощенном виде на рис. 84, б. Действительная картина более сложна, так как носит пространственный характер.

Итак, в результате приложения к образцу внешней силы в зоне упрочнения наряду с остаточной деформацией су­ществует и упругая. При разгрузке расстояния между частицами восстанавливаются, т. е. снимается упругая деформация. При этом существенно отметить, что процесс снятия упругой деформации происходит по тем же зако­нам, что в начальной стадии нагружения образца. По­этому прямая разгрузки KL (см. рис. 83) параллельна прямой начального нагружения ОА. Остаточная же деформация не восстанавливается. При значительных рас­тягивающих силах остаточные деформации сопровожда­ются нарушением внутренних связей и образец разрушается.

Основные механические характеристики материала. Диа­грамма растяжения в координатах N — Δl зависит не только от свойств материала, но и от размеров испыту­емого образца. Чтобы получить диаграмму, характеризу­ющую только механические свойства материала, перво­начальную диаграмму растяжения перестраивают в координатах       σ — ε    (рис. 85), которую принято называть диаграммой растяжения материала.

Ординаты этой диаграммы получают делением нор­мальной силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца   σ =N / A₀. Это оправдано, поскольку, как показывают опыты, при растяжении образца вплоть до точки С поперечные сечения расчетной части образца из­меняются пренебрежимо мало и так же равномерно по длине образца, т. е. во всех его точках имеет место одно­родное напряженное состояние. Абсциссы диаграммы  σ — ε получают делением удлинений расчетной части образца на первоначальную ее длину (  ε = Δl / l_o < /SPAN > ), что справедливо из тех же соображений вплоть до точки С.

Так как  А_о и l₀ постоянны, то диаграмма   σ — ε  (см. рис. 85) имеет тот же вид, что и диаграмма N — Δl : точкам O, A, B ,C ,D диаграммы N — Δl соответствуют точки О, а, b, с, d диаграммы σ — ε Нисходящий участок cd носит условный характер, поскольку действительная пло­щадь поперечного сечения образца после образования шейки и первоначальная площадь, по которой определяют ординаты диаграммы, значительно отличаются друг от друга. Деля силу на действительную площадь поперечного сечения образца, можно получить истинные напряжения и построить соответствующую диаграмму (на рис. 85 таким  напряжениям  соответствует штриховая  линия).

В соответствии с диаграммой растяжения вводят сле­дующие основные  характеристики  материала.

Предел пропорциональности σ _pr =F_pr / A_o — наиболь­шее  напряжение,   до  которого  справедлив  закон   Гука.

Предел текучести σ _у=F_y / A₀ — напряжение, при ко­тором происходит рост остаточных деформаций образца при практически постоянной силе. Для ряда материалов, не имеющих на диаграмме выраженной площадки теку­чести, вводят понятие условного предела текучести σ _0,2 , под которым подразумевают напряжение, вызывающее ос­таточную деформацию, равную 0,002 или 0,2%.

Временное сопротивление, или предел прочности σ _u =F_max / A₀ — условное напряжение, соответствующее наи-•большей силе, выдерживаемой образцом до разрушения.

Предел текучести и временное сопротивление легко поддаются  определению  и  являются  основными сравнительными   характеристиками   прочностных   свойств  мате­риала.

При испытании на растяжение определяется еще одна характеристика материала — остаточная деформация при разрыве, которая определяется (в процентах) по соотно­шению:

                             ε  _r = [ ( l - l_o ) / l_o ] 100%,

где l и l_о — длина расчетной части образца соответственно после разрыва и первоначальная. Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Чем   больше  ε_г, тем более пластичным считается материал. Противоположным свойству пластичности яв­ляется свойство хрупкости, т. е. способности материала разрушаться без образования за­метных остаточных деформаций. Деление ма­териалов на пластичные и хрупкие условно, поскольку   не  существует резкого перехода в   показателе  ε_г. Обычно   принимают мате­риал пластичным, если ε_г > 5%,   и хрупким, если ε_r < 5%.  К пластичным материалам от­носятся малоуглеродистая сталь, медь, алюминий, латунь, дюраль, свинец, бронза, многие стали, к хрупким — чу­гун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич.

Диаграмма растяжения хрупкого материала показана на рис. 86. На ней отсутствует площадка текучести, раз­рушение образца практически происходит без остаточных деформаций, шейка на образце не образуется. Поэтому основной характеристикой хрупкого материала является временное сопротивление.