3.4. Испытания материалов. Механические характеристики материалов

Для определения физико-механических характеристик материалов проводят испытания на разрыв, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг и т.д. Такие испытания позволяют определять прочностные и деформационные качества конструкционных материалов. При испытаниях материалов используются специальные машины, способные воспроизвести разные виды деформации или ориентированные только на один вид деформации, например, разрывные машины. Для испытания изготавливаются специальные образцы круглой или прямоугольной формы с соблюдением принятых соотношений подобия. Это делается с целью унификации результатов испытания, выполненных на разных машинах и с использованием разных образцов.

Одним из наиболее распространенных видов испытаний материалов является испытание на разрыв. В результате таких испытаний определяют наиболее важные физико-механические характеристики материалов: характеристики прочности и характеристики пластичности. Для получения этих характеристик результаты испытаний подвергают тщательной обработке.

Большинство современных разрывных машин оборудованы специальным устройством, которое позволяет изображать зависимость между усилиями и абсолютной деформацией в виде графиков на бумаге или на экране ЭВМ. Такие графики называются диаграммами растяжения (Рис.3.5). Если графики выражают зависимость между напряжениями и относительными деформациями, то такие графики называются диаграммами напряжения (Рис.3.6).

Рассмотрим характерные особенности диаграммы растяжения, построенной для малоуглеродистой пластичной стали Ст - 3 (Рис.3.5).

Диаграмма растяжения представляет собой плоскую сложную кривую линию, которую можно разбить на несколько участков в зависимости от текущего соотношения между значениями усилий и деформаций. Участок №1 диаграммы растяжения, расположенный между точками 0 и А, носит название зоны упругих деформаций. Если нагрузить испытуемый образец до точки А, а затем разгрузить, то образец полностью восстановит первоначальную форму и размеры. На этом участке диаграммы выполняется закон Гука (3.6). Между усилиями и деформациями на этом участке наблюдается прямопропорциональная зависимость.

Рис.3.5

В связи с этим усилие в точке А диаграммы равно нагрузке, характеризующей пропорциональное развитие деформаций.

В точке В диаграммы усилие практически то же, что и в точке А, однако в точке В начинают появляться остаточные деформации. Эти деформации настолько малы (0,001% от первоначальной длины стержня), что ими можно пренебречь. Практически в точке В диаграммы деформации остаются упругими. Усилие в точке В диаграммы характеризует упругое развитие деформаций. Точка В диаграммы растяжения является верхней граничной точкой участка №1.

На участке №2 диаграммы (участок между точками В и С) наблюдаются как упругие, так и пластические деформации, которые начинают активно увеличиваться. Увеличение пластических деформаций вызывает остаточные деформации в образце. Если образец разгрузить из произвольной точки участка №2, он уже не восстанавливает полностью свою первоначальную форму и размеры. Этот участок диаграммы называется зоной упруго-пластических деформаций.

Участок №3 диаграммы растяжения (участок между точками С и D) расположен параллельно горизонтальной оси абсолютных деформаций . Такое поведение диаграммы означает, что абсолютная деформация образца растет при постоянном усилии. Активно развиваются пластические деформации, материал как-будто течет. Явление, связанное с активным развитием пластических деформаций при постоянной нагрузке, получило названиетекучести. Причина текучести  сдвиги в кристаллической решетке стали, возникающие в результате возникновения больших касательных напряжений в образце. Явление текучести можно наблюдать под микроскопом на полированной поверхности образца при его растяжении в момент наступления текучести. На поверхности образца в момент текучести образуются наклонные линии под углом 45⁰ к оси стержня. Эти линии получили название линий Чернова-Людерса и названы так в честь русского и немецкого ученых, которые в разное время и независимо друг от друга наблюдали явление текучести. Участок №3 диаграммы называется зоной текучести или площадкой текучести.

Участок №4 диаграммы (участок между точками D и К) получил название зоны самоупрочнения. Название это произошло от того, что, начиная с точки D диаграммы, образец снова начинает сопротивляться нагрузкам и дальнейшее увеличение деформаций требует дополнительных усилий. В точке K диаграммы нагрузка достигает максимальной величины . В момент достижения максимальной растягивающей нагрузки в образце в одном из сечений начинает образовываться шейка. В этом месте образец сужается и все деформации, которые образец испытывает в последующий период, концентрируются в районе шейки. Поэтому участок №5 диаграммы (участок между точками К и М) называетсязоной местных деформаций. Нагрузка в момент разрыва соответствует точке М.

Таким образом, вся диаграмма растяжения может быть разбита на пять зон: зона упругости  №1, зона упруго-пластических деформаций  №2, зона текучести  №3, зона самоупрочнения  №4, зона местных деформаций  №5.

Если в какой-либо момент по достижении зоны самоупрочнения образец разгрузить, а затем нагрузить снова, то на диаграмме растяжения появится петля, получившей в литературке название петли Гистерезиса. Площадь этой петли представляет собой в численном выражении потерю энергии, которая возникают при разгрузке образца и повторной его нагрузке. При этом свойства материала образца претерпевают изменения: исчезает площадка текучести, увеличивается зона упругих деформаций. Явление, связанное с изменением физико-механических характеристик материала при разгрузке и повторной нагрузке образца из зоны самоупрочнения, называется наклепом. При наклепе испытуемый материал частично теряет свои пластические свойства, становится более хрупким.

Механические характеристики стали, получаемые в процессе испытаний, можно разделить на две основные группы: характеристики прочности и характеристики пластичности. К числу характеристик прочности относятся следующие:

1. Предел пропорциональности

. (3.8)

2. Предел упругости

. (3.9)

3. Предел текучести

. (3.10)

4. Предел прочности или временное сопротивление

. (3.11)

В выражениях (3.8)(3.11) буквой обозначена площадь поперечного сечения образца до испытаний.

Рис. 3.6

Изменения в образце, обусловлены эффектом Пуассона, при определении характеристик прочности, не учитываются. В связи с этим диаграмма напряжений для малоуглеродистой стали (Рис.3.6) носит условный характер.

Характер поведения истинной диаграммы напряжений, учитывающей изменение размеров площади поперечного сечения образца в процессе испытаний, показан на рис.3.6 пунктиром.

К числу характеристик пластичности относятся следующие характеристики:

1. Относительное удлинение после разрыва

(3.12)

2. Относительное сужение образца после разрыва

(3.13)