Машинная диаграмма растяжения

Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Вид машинной диаграммы растяжения[2] малоуглеродистой стали представлен на рис. 1.1. На диаграмме можно выделить несколько характерных частей: 0А – участок упругих деформаций; АВ – площадка текучести; ВС – участок упрочнения; СD – участок снижения нагрузки.

На участке 0А справедлив закон Гука – пропорциональная зависимость между усилием F и удлинением Dℓ (или между напряжением σ и относительной деформацией e: σ = E·e). Этот участок используют для определения упругой постоянной материала – модуля нормальной упругости E = σ/e.

На площадке текучести АВ образец деформируется без увеличения нагрузки. Длина площадки текучести, выраженная в относительной деформации, составляет обычно 0,2…2,5 %. Наличие площадки текучести характерно для малоуглеродистых сталей, но встречается у некоторых титановых сплавов и латуней. Иногда площадка начинается с «зуба текучести». У сталей высокоуглеродистых, легированных, термически или механически обработанных, большинства цветных металлов и сплавов, а также у пластмасс площадки текучести не наблюдается (рис. 1.3, длина участка АВ равна нулю – участок вырождается в точку). Участок упругих деформаций 0А при испытании упомянутых материалов плавно переходит в участок упрочнения ВС. Отсутствие площадки текучести затрудняет выявление предела текучести (см. далее) – характеристики чрезвычайно важной, поскольку в некоторых случаях именно она ограничивает несущую способность конструкции в целом. Таким образом, при нагрузке, соответствующей пределу текучести, материал не может считаться работоспособным с эксплуатационной точки зрения.

Если в какой-либо момент испытаний на участке упрочнения ВС, например в точке М (см. рис. 1.1), снять нагрузку с образца, перо самописца прочертит линию МpN, близкую к прямой, параллельной участку упругих деформаций 0A.[3] При разгрузке удлинение Dℓ полностью не исчезает. Оно уменьшится на величину упругой (elastic) части удлинения ∆ℓ_е (отрезок NT, см. рис. 1.1). При этом выделится остаточная – пластическая (plastic) деформация ∆ℓ_р, равная отрезку 0N. Если вновь нагрузить образец, линия повторного нагружения NqM пройдёт вблизи линии разгрузки MpN. Участок диаграммы MpNqM называется петлей гистерезиса. При дальнейшем увеличении силы пластическое деформирование будет происходить при нагрузке (ордината точки М) значительно большей, чем при первоначальном нагружении (ордината точки А). Произошло упрочнение материала – явление, давшее название участку ВС. Это явление – изменение свойств материала в результате первичного деформирования выше предела текучести – иначе называют наклёпом.

Влияние наклёпа оценивается двояко. С одной стороны, его роль отрицательна, т. к. снижается запас пластичности: в рассматриваемом случае при повторном нагружении может выделиться лишь деформация, равная разности (Dℓ_к – Dℓ). С другой стороны, можно считать явление наклёпа полезным, поскольку повышается напряжение перехода к пластическим деформациям. Упрочнение наклёпом применяют, например, для телефонных и телеграфных проволок, тросов подъёмных механизмов. В современном машиностроении распространен также метод упрочнения поверхности – поверхностное пластическое деформирование (ППД).

Участок ВС ещё интересен тем, что здесь протекают два конкурирующих процесса: физическое упрочнение и геометрическое разупрочнение. Первое обусловлено изменениями структуры металла (на различных масштабных уровнях) вследствие роста нагрузки; второе – за счет уменьшения поперечного сечения по всей длине образца и, таким образом, снижения его несущей способности. В точке С наблюдается равновесие этих процессов, а после достижения F_max при дальнейшем растяжении начинается участок CD снижения нагрузки, где геометрическое разупрочнение начинает преобладать. Деформация сосредотачивается только в небольшой области шейки[4], а за её пределами размеры поперечного сечения перестают изменяться. Вследствие уменьшения площади сечения в этой области для дальнейшего удлинения требуется всё меньшая сила, т. е. нагрузка падает. Однако истинные напряжения S (см. подраздел 1.3) в любом сечении образца продолжают увеличиваться. Деформирование на участке CD протекает на небольшой длине в образовавшемся местном сужении в виде шейки при уменьшающейся нагрузке F. В точке D наступает «разрыв» образца (в последнее время установлено, что разрыв – это процесс, протекающий во времени).