4 Первичная диаграмма растяжения и ее анализ

Первичная диаграмма растяжения записывается в координатах «Нагрузка Р – абсолютное удлинение образца Δl». По ней определяются основные механические свойства, характеризующие прочность и пластичность материала. При испытаниях на растяжение прочностные свойства определяются через напряжения σ, вызывающие определенную упругую или пластическую деформацию образца и рассчитываются по формулам типа:

σ = Р/F,

где F – площадь поперечного сечения образца.

В системе СИ напряжения выражаются в мегапаскалях [МПа]. Ранее повсеместно использовалась размерность кг∙с/мм², которая еще сохранилась в ряде официальных технических документов. Перевод единиц осуществляется очень просто: 1 кг∙с/мм² = 9,8 МПа ≈ 10 МПа.

По указанному выше принципу на первичной кривой растяжения можно выделить 5 основных точек – нагрузок для определения соответствующих напряжений (рис. 3).

Рис. 3. Схема первичной диаграммы растяжения

(1) Предел пропорциональности

σ_ПЦ = Р_ПЦ /F₀ – предельное напряжение, под действием которого упругая деформация образца подчиняется закону Гука (т. е. деформация пропор­циональна нагрузке). Для того, чтобы унифицировать методику расчета, σ_ПЦоценивают как условное напряжение при котором отступление от линейной зависимости между Р и Δl достигает заданной величины. Обычно этот допуск задается через тангенс угла наклона прямой, проходящей через начальный участок кривой растяжения. Стандартная величина отклонения – 50 %, возможно также использование 10 % и 25 %. Предел пропорциональности в этих случаях соответственно обозначается σ_ПЦ50, σ_ПЦ25, σ_ПЦ10 [МПа].

(2) Предел упругости

σ_У = Р_У /F₀ – напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной заданной величины – обычно это 0,05 %. Используются также меньшие величины вплоть до 0,005 %. Принятая величина указывается в обозначении условного предела упругости σ_0,05, σ_0,01 [МПа] и т. д.

(3) Предел текучести

σ_0,2 = Р_0,2 /F₀ – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает определенной заданной величины – обычно 0,2 %. Как видно это определение полностью совпадает с предыдущим, разница лишь в величине допускаемого остаточного удлинения. Поэтому перечисленные характеристики – предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести более строго следует называть условными, т. е. условный предел текучести и т. д.

В отличие от условного существует физический предел текучести, который определяется по положению площадки текучести на кривой растяжения.

(4) Временное сопротивление

σ_В = Р_В/F₀ – напряжение, соответствующее предельной нагрузке на кривой растяжения «Р – Δl». В этом расчете предельная нагрузка относится к начальной площади сечения образца F₀ без учета ее изменения за счет пластической деформации. Поэтому σ_Вчасто называется поаналогии с предыдущими характеристиками «условный предел прочности». Истинное напряжение в этой точке равно S_B = P_B/F_B, где F_В – истинное сечение образца.

σ_В и σ_0,2 являются важнейшими характеристиками, определяющими конструктивные свойства сплава. Они вносятся в ГОСТы и часто служат основой для подразделения сплавов на группы, или для маркировки сплавов. Например, серые чугуны маркируются по величине σ_В и σ. Соответствие фактических значений σ_В, σ_0,2требуемым по ГОСТ определяет пригодность сплава для эксплуатации.

(5) Истинный предел прочности

Точка (5) соответствует разрушению образца. Если в образце шейка не образуется, то Р_К > Р_В, но при образовании шейки Р_К,как правило, всегда меньше Р_В. Истинное напряжение, приводящее к разрушению образца, т. е. истинный предел прочности или истинное сопротивление разрыву подсчитывается как S_К = P_К/F_К. В конструкторских расчетах эта характеристика не используется, т. к. в процессе эксплуатации конструкции не доводятся до разрушения. Но S_Кявляется характеристикой физической прочности материала.

По первичной кривой растяжения (рис. 3) определяют также основные характеристики пластичности.

Относительное удлинение

δ = (Δl_К/ Δl₀) ∙ 100%, где Δl_К – длина образца, замеренная после разрушения (Δl_К = l_К –l₀), а l₀ – расчетное значение длины образца – база. Относительное удлинение характеризует способность сплава к равномерной пластической деформации.

Относительное сужение

 = ((F₀ – F_K) / F₀) ∙ 100%, где I_K – площадь образца в месте разрушения. Относительное сужение характеризует предельную способность сплава к локальной пластической деформации и рассматривается как физический запас пластичности.