Испытание материалов на растяжение и сжатие
Основные механические характеристики материалов полу-чают в результате специальных лабораторных исследований на испытательных машинах при нагружении стержней на растяжение и сжатие. Вид стержневых образцов и сами методы испытаний регламентированы государственными стандартами. Большинство механических свойств материалов определяется в результате испытаний образцов в условиях именно одноосного растяжения. В процессе эксперимента ведется запись диаграммы испытаний — графика зависимости деформации (удлинения) образца от растягивающей силы F = f(Al). Рассмотрим типичную диаграмму испытаний, характерную для образцов из малоуглеродистых сталей, полученную при нормальной температуре и стандартных скоростях деформирования при нагружении (рис. 3.2). На диаграмме растяжения могут быть условно выделены четыре характерных участка для различных стадий деформирования образца: I - OA — участок упругости (пропорциональности), на котором видна прямопропорциональная зависимость между растягивающей силой и вызываемого ею удлинения (абсолютной деформации). На этом участке абсолютная деформация достаточно мала (до 0,02%). II - АВ — участок (или площадка) текучести, где деформации растут без заметного повышения нагрузки (механически F — растягивающая сила шейка А1 — удлинение образца Рис. 3.2. Диаграмма испытаний, вид и характер деформации стандартных образцов это происходит так: электромотор испытательной машины через соответствующую передачу продолжает с заданной скорос. тью раздвигать захваты, которые удерживают и растягивают образец, а динамометр, соединенный последовательно с захватами, показывает неизменность приложенной силы). Здесь следует отметить, что у многих конструкционных металлов участок текучести отсутствует (дюралюминий, легированные стали и др.)- Деформации текучести достигают 0,2%. III - ВС — участок упрочнения, на котором отмечается новый, но более медленный, чем на первом участке, рост нагрузки. В конце этого участка на образце начинает образовываться шейка — местное сужение образца, это намечается место будущего разрыва, а растягивающая сила F достигает максимального значения. Деформация при этом около 15%. IV - CD — участок разрушения (местной пластической деформации), на котором удлинение всего образца уже происходит за счет местной деформации в зоне шейки, площадь которой существенно уменьшается. Поэтому для разрушения требуется меньшее усилие (динамометр показывает уменьшение силы F, хотя захваты испытательной машины продолжают раздвигаться с той же скоростью). Деформации при разрушении малоуглеродистых сталей достигают 20% и более. Отметим, что многие материалы разрушаются без заметного образования шейки. Явление наклепа. Если при испытаниях остановить испытательную машину, когда образец нагружен за пределами участка упругости (т. N на рис. 3.2), и разгрузить его, то график разгрузки NL пойдет параллельно участку упругости OA. Накопленная (в т. N) абсолютная деформация при разгрузке полностью не исчезнет. Останется в образце пластическая деформация А1пл — отрезок OL (рис. 3.2). Обратное дальнейшее нагружение пойдет по тому же участку LN, т. е. увеличится область упругих деформаций (LN > OA). Эта способность материалов повышать сопротивление деформации широко используется в технике для упрочнения деталей (например, листовую медь и латунь в холодном состоянии прокатывают на валах для расширения зоны их упругих свойств; специальными валиками обрабатывают поверхности валов и осей). Диаграмма деформирования является базовой для характеристики материала в сопротивлении материалов и получается из диаграммы испытаний, когда размеры образца исключают- иаграмма деформирования с участком текучести — а; без него — б ся путем деления растягивающей силы на первоначальную площадь, а абсолютного удлинения на начальную длину образца. Строится зависимость о = /(е) — рис. 3.3а. Неучет изменения поперечных размеров за счет эффекта Пуассона делает эту диаграмму в определенной мере условной. На диаграмме деформирования сохраняются те же характерные участки. Соответственно им следующие характеристики материалов имеют названия: апц — предел пропорциональности; ат — предел текучести; аь — предел прочности; ок — напряжение в момент разрушения. Если материал не имеет выраженной площадки текучести, то предел текучести назначается по допуску на пластические деформации. Наиболее распространенным значением предела текучести от является а02, где 0,2 означает, что остаточная деформация при этом значении равна 0,2% (рис. 3.3б). В качестве характеристик пластичности (наряду с стт) используются остаточное удлинение 5 (%) и остаточное сужение ц/* (%): ~ А1 А) - Аь (ЗЛ2) гДе 10, А0 — первоначальная длина образца и площадь, lk, Ак — Длина и площадь после разрушения (соединяются разрушенные части образца и проводится измерение геометрических параметров). Чем больше параметры 5 и тем пластичность материала "тается выше. Тангенс угла наклона участков OA, LN диаграмм деформирования и будет модулем упругости материал^ (первого рода) или модулем Юнга: Е = tga (рис. 3.3). Размерность модуля упругости — это размерность напряжений, т. к относительная деформация — величина безразмерная (в рядё случаев указывается в процентах, см. рис. 3.3б). В технике принято и напряжения, и модуль упругости указывать в мегапас-калях — МПа(1 МПа= 106 Па, 1 Па = Н/м2,1 МПа = 1 Н/мм2). В таблицах 3.2 и 3.3 приведены механические характеристики ряда конструкционных материалов. Таблица 3.2 Материал Модуль упругости Е, МПа Коэффициент Пуассона Сталь углеродистая (2,0 - 2,1)10® 0,24-0,30 Алюминиевые сплавы 0,72-Ю5 0,33 Магниевые сплавы (0,40 - 0,47)10® 0,34 Медь (1,0- 1,3) 10® 0,31-0,34 Чугун (1,15- 1,6) 10® 0,23-0,25 Дерево (0,1 - 0,12)-105 - Текстолит (0,06-0,10)10® - Резина 0,00008 10® 0,5 Таблица 3.3 Характеристики прочности и пластичности некоторых конструкционных материалов Материал Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение 8, % при растяжении при сжатии при растяжении при сжатии Сталь мало- 250 250 390 - 42 углеродистая Сталь 45 неза- 370 370 620 - 24 каленная Сталь 45 зака- 1040 970 1080 - 13 ленная Материал Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение S, % при растяжении при сжатии при растяжении при сжатии Чугун серый 140 310 150 640 0,6 Медь отож- 55 55 220 - 46 женная Медь прутковая 250 250 270 - 15 Дюралюминий 340 340 540 - 13 Текстолит 75 115 130 170 1,5 Резина - - 0,04 - 18 Сосна(вдоль - - 80 40 - волокон) Замечания к разделу 3.2. 1. Приведенная на рис. 3.3а диаграмма деформирования характерна для пластичных материалов. Хрупкие материалы (чугун, бетон, инструментальная сталь и др.) разрушаются без появления заметных остаточных деформаций, их диаграммы деформирования не имеют площадки текучести и участка упрочнения. 2. При испытаниях на сжатие хрупкие материалы разрушаются с образованием трещин по наклонным или продольным плоскостям, при сжатии образцы из пластических материалов приобретают бочкообразную форму, практически при этом не разрушаясь. 3. Повышение температуры выше нормальной, как правило, снижает прочностные характеристики материала и увеличивает его пластичность. При пониженных температурах прочностные свойства повышаются, но способность материала к пластическим деформациям снижается. 4. Механические характеристики большинства металлов и сплавов при нормальных температурах слабо зависят от скорости деформирования. При повышении температуры эта зависимость становится уже существенной. ? На механические характеристики конструкционных ма-Риалов, особенно в условиях долговременного нагружения и переменных нагрузок в разной степени влияют также радца.¦ ция, агрессивность внешней среды и другие факторы, которь1е учитываются при прочностном анализе.