Испытания на растяжение

Результаты испытаний на растяжение образцов с площадью поперечного сечения F₀и рабочей длиной l₀ представляют в координатах нагрузка — удлинение образца Dl (рис. 4.8). На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации до нагрузки Р_упр;равномерной пластической деформации от Р_упр до Р_max и сосредоточенной пластической деформации от Р_max до Р_к. Прямолинейный участок сохраняется донагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Р_пп. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

На небольшом участке от Р_пц до Р_упр нарушается линейная зависимость между Ри Dl из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Рис. 4.8. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов. Диаграмма истинных напряжений (штриховая линия) дана для сравнения

Пластическое деформирование выше Р_упр идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р_max до Р_k (рис. 4.8а). Это объясняется появлением в образце местного утонения –шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформа­ция. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется. Об этом сви­детельствует диаграмма истинное напряжение – деформация (рис. 4.8б).

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непре­рывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением дей­ствующей нагрузки на площадь, которую образец имеет в момент измерения. Истинные напряжения обычно не определяют, а пользуются условным напряжением, считая, что попе­речное сечение F₀образца остается неизменным. Напряжения s_упр, s_Ти s_в – стандартные характеристики прочности. Каждая получается деле­нием соответствующей нагрузки Р_упр, Р_Т и Р_max на начальную площадь поперечного сечения F₀.

Пределом упругости s_упр называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданного значения, установленного услови­ями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s_0,005 s_0,02 s_0,05. Предел упругости – важная характеристика пружинных материа­лов, которые используют для упругих элементов приборов и машин.

Условный предел текучести – это напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0,2%, его обозначают s_0,2. Физиче­ский предел текучестиs_Tопределяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растя­жение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Вы­бранная пластическая деформация 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s_0,2 не­сложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению:

s_B = Р_mах/F₀. (4.11)

Пластичность характеризуется относительным удлинением d и отно­сительным сужениемy:

, (4.12)

где l_к — конечная длина образца; l₀ и F₀ — начальные длина и площадь поперечного сечения образца; F_K — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше s_0,2 (обычно в 1,5 раза) или меньше s_в (в 2,4 раза).

Для малопластичных материалов испытания на растяжения вызыва­ют значительные затруднения. Незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на из­гиб.

Испытания на изгиб

При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб — более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластич­ные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверх­ностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах боль­шой длины (l : h > 10) цилиндрической или прямоугольной формы, ко­торые устанавливают на две опоры (рис. 4.9). Используют две схемы на­гружения: сосредоточенной силой (этот способ применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Рис. 4.9. Схема испытаний на сосредоточенный (а) и чистый (б) изгиб образца

Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле:

, (4.13)

где М − наибольший изгибающий момент; W − момент сопротивления сечения, для образцов круглого сечения W = 7pd²/32 (где d − диаметр образца), а для образцов прямоугольного сечения W = b×h²/6 (где b и h – ширина и высота).

Для пластичных материалов испытания на изгиб не применяют, так как образцы изгибаются без разрушения до соприкосновения обоих концов.