2.4. Випробування матеріалів. Механічні характеристики матеріалів

Для визначення фізико-механічних характеристик конструкційних матеріалів здійснюють випробування на розрив, стискання, згинання, кручення, зсув та ін. Такі випробування дозволяють визначати властивості міцності і деформаційні якості конструкційних матеріалів. При випробуваннях матеріалів використовуються спеціальні машини, здатні відтворити різні види деформації або орієнтовані тільки на один вид деформації, наприклад, розривні машини. Для випробування виготовляються спеціальні зразки круглої або прямокутної форми з дотриманням прийнятих масштабних співвідношень подоби. Це робиться з метою уніфікації результатів випробувань, виконаних на різних машинах і з використанням різних зразків.

Одним з найбільш розповсюджених видів випробувань матеріалів є випробування на розрив. В результаті таких випробувань визначають найбільш важливі фізико-механічні характеристики матеріалів: характеристики міцності і характеристики пластичності. Для одержання цих характеристик результати випробувань піддають ретельній обробці.

Більшість сучасних розривних машин обладнані спеціальним пристроєм, що дозволяє зображувати залежність між зусиллями та абсолютною деформацією у вигляді графіків на папері або на екрані ЕОМ. Такі графіки називаються діаграмами розтягання (Рис.2.5). Якщо графіки виражають залежність між напруженнями і відносними деформаціями, то такі графіки називаються діаграмами напруження (Рис.2.6).

Розглянемо характерні риси діаграми розтягання, побудованої для маловуглецевої пластичної сталі Ст.3 (Рис.2.5).

Рис.2.5

Діаграма розтягання являє собою плоску складну криву лінію, яку можна розбити на кілька ділянок в залежності від поточного співвідношення між значеннями зусиль і деформацій. Ділянка 1 діаграми розтягання, розташована між точками 0 і А і має назву зони пружних деформацій. Якщо навантажити випробуваний зразок до точки А, а потім розвантажити, то зразок цілком відновить вихідну форму і розміри. На цій ділянці діаграми виконується закон Гука (2.6). Між зусиллями і деформаціями на цій ділянці спостерігається прямопропорційна залежність. У зв'язку з цим зусилля у точці А діаграми дорівнює навантаженню, що характеризує пропорційний розвиток деформацій.

У точці В діаграми зусилля практично ті ж самі, що й у точці А, однак у точці В починають з'являтися залишкові деформації. Ці деформації настільки малі (0,001% від первісної довжини стержня), що ними можна нехтувати. Практично у точці В діаграми деформації залишаються пружними. Зусилля в точці В діаграми характеризує пружний розвиток деформацій. Точка В діаграми розтягання є верхньою граничною точкою ділянки 1.

На ділянці 2 діаграми (ділянка між точками В і С) спостерігаються як пружні, так і пластичні деформації, що починають активно збільшуватися. Збільшення пластичних деформацій викликає залишкові деформації у зразку. Якщо зразок розвантажити з довільної точки ділянки 2, він вже не відновлює цілком свою первісну форму і розміри. Ця ділянка діаграми називається зоною пружно-пластичних деформацій.

Ділянка 3 діаграми розтягання (ділянка між точками С і D) розташована паралельно горизонтальній осі абсолютних деформацій . Така поведінка діаграми означає, що абсолютна деформація зразка зростає при сталому зусиллі. Активно розвиваються пластичні деформації, матеріал начебто тече. Явище, пов'язане з активним развитком пластичних деформацій при сталому навантаженні, одержало назвутекучості. Причина текучості  зсуви у кристалічних решітках сталі, які виникають в результаті появи значних дотичних напружень у зразку. Явище текучості можна спостерігати під мікроскопом на полірованій поверхні зразка при його розтяганні в момент настання текучості. На поверхні зразка в момент текучості утворюються похилі лінії під кутом 45⁰ до осі стержня. Ці лінії одержали назву ліній Чернова-Людерса і названі так на честь цих російського і німецького вчених, які у різний час і незалежно один від одного спостерігали явище текучості. Ділянка 3 діаграми називається зоною текучості або площадкою текучості.

Ділянка 4 діаграми (ділянка між точками D і К) одержала назву зони самозміцнення. Назва це випливає з того, що, починаючи з точки D діаграми, зразок знову починає чинити опір навантаженням і подальше збільшення деформації вимагає додаткових зусиль. У точці K діаграми навантаження досягає максимальної величини . У момент досягнення максимального навантаження при розтяганні у зразку в одному з перерізів починає утворюватися шийка. В цьому місці зразок звужується і всі деформації, що зразок зазнає в наступний період концентруються в районі шийки. Тому ділянка 5 діаграми (ділянка між точками К і М) називаєтьсязоною місцевих деформацій. Навантаження в момент розриву відповідають точці М.

Таким чином, уся діаграма розтягання може бути разбита на п'ять зон: зона пружності  1, зона пружно-пластичних деформацій  2, зона текучості  3, зона самозміцнення  4, зона місцевих деформацій  5.

Якщо в який-небудь момент по досягненні зони самозміцнення зразок розвантажити, а потім навантажити знову, то на діаграмі розтягання з'явиться петля, що одержала в літературі назву петлі Гістерезіса. Площа цієї петлі являє собою в чисельному вираженні втрату енергії, яка виникає при розвантаженні зразка і повторному його навантаженню. При цьому властивості матеріалу зразка перетерплюють зміни: зникає площадка текучості, збільшується зона пружних деформацій. Явище, пов'язане зі зміною фізико-механічних характеристик матеріалу при розвантаженні і повторному навантаженні зразка з зони самозміцнення, називається наклепом. При наклепі випробуваний матеріал частково втрачає свої пластичні властивості, стає більш крихким.

Механічні характеристики сталі, одержувані в процесі випробувань, можна розділити на дві основні групи: характеристики міцності і характеристики пластичності. До числа характеристик міцності відносяться наступні:

1. Границя пропорційності

. (2.8)

2. Границя пружності

. (2.9)

3. Границя текучості

. (2.10)

4. Границя міцності або тимчасовий опір

. (2.11)

У виразах (2.8)(2.11) літерою позначена площа поперечного перерізу зразка до випробувань. Зміни в зразку, обумовлені ефектом Пуассона, при визначенні характеристик міцності не враховуються. У зв'язку з цим діаграма напружень для маловуглецевої сталі (Рис.2.6) має умовний характер. Характер поведінки справжньої діаграми напружень, що враховує зміну величини площі поперечного перерізу зразка в процесі випробувань, показаний на рис.3.6 пунктиром.

Рис.2.6

До числа характеристик платичності відносяться наступні характеристики:

1. Відносне подовження після розриву

(2.12)

2. Відносне звуження зразка після розриву

(2.13)