Статические испытания на растяжение: характеристики, диаграмма и виды материалов

Статические испытания на растяжение

Когда деталь тянут в разные стороны, металл ведёт себя по-своему: сначала упруго пружинит, затем поддаётся, а под конец рвётся. Именно это поведение фиксирует одно из самых распространённых механических испытаний. Ниже разобрано, что такое статическое растяжение, какие свойства оно позволяет определить, как классифицируют материалы по пластичности и что именно показывает диаграмма растяжения металла.

Какие характеристики определяют при растяжении?

Одно испытание даёт сразу несколько групп показателей. Их удобно разделить на четыре категории.

1. Характеристики упругости — сюда входит модуль Юнга, он же модуль упругости.
2. Характеристики прочности — предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности (временное сопротивление разрушению) и истинное сопротивление разрыву.
3. Характеристики пластичности — относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.
4. Прочие характеристики — модуль упрочнения и коэффициент механической анизотропии.

Как классифицируют материалы по пластичности?

Все материалы принято делить на пластичные и хрупкие. Разница между ними проявляется прямо в ходе испытания: у пластичных материалов возникают пластические деформации, тогда как хрупкие разрушаются, так и не успев их приобрести.

В роли количественного признака выступает относительное остаточное удлинение. Его считают в процентах как разность между конечной и начальной длиной образца. По этому показателю выделяют три группы:

• пластичные — относительное остаточное удлинение не менее 10 %;
• малопластичные — от 5 до 10 %;
• хрупкие — не более 5 %.

Как проводят испытание металла на растяжение?

Суть опыта проста по замыслу: образец растягивают и одновременно строят график зависимости удлинения от приложенной нагрузки. Затем полученную кривую перестраивают в диаграмму условных напряжений.

Первый, начальный участок диаграммы (ОА) — это зона пропорциональности между нагрузкой и удлинением. Здесь в полной мере действует закон Гука, открытый Робертом Гуком ещё в 1670 году.

Следом идёт участок упругой деформации (ОВ). Если нагрузка не превышает упругую, а затем образец разгружают, деформации уменьшаются по тому же закону, по которому нарастали при нагружении, — то есть образец полностью возвращается к исходному состоянию.

Что происходит после предела упругости?

Выше точки В прямая линия заканчивается: деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма изгибается. В точке С кривая выходит на горизонтальный участок — образец заметно удлиняется, хотя нагрузка практически не меняется. Материал деформируется при постоянном усилии, и это свойство называют текучестью.

Здесь же вступает в игру понятие зуба текучести.

Зуб текучести — характерный пик на диаграмме перед площадкой текучести. При его наличии в описании механических свойств металла приходится вводить верхний и нижний пределы текучести.

Как образуется шейка и наступает разрыв?

Когда площадка текучести пройдена, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению, и кривая идёт вверх. В точке D нагрузка достигает максимума, а на образце появляется шейка — местное сужение сечения.

Дальше площадь этого сужения сокращается, из-за чего падает и нагрузка. Как только она доходит до значения в точке К, образец разрывается.

Зачем перестраивать машинную диаграмму?

У «сырой» машинной диаграммы есть серьёзный недостаток — она зависит от геометрии образца. Чем крупнее площадь сечения, тем большая нагрузка нужна для растяжения. Из-за этого по машинной кривой нельзя качественно оценить механические свойства металла: результаты для разных образцов оказываются несопоставимыми.

Чтобы убрать влияние размеров, диаграмму перестраивают в координатах условных напряжений:

• ординаты нагрузки делят на первоначальную площадь сечения образца;
• абсциссы удлинения делят на его первоначальную длину.

Такой пересчёт превращает индивидуальный график конкретного образца в универсальную характеристику самого материала, пригодную для сравнения и инженерных расчётов.