Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость

Испытания на растяжение относят к самым распространенным видам механических испытаний, при которых определяется прочность и пластичность материала. Результаты экспериментальных исследований механических свойств материала при одноосном растяжении обычно изображают в виде графиков зависимости напряжения от деформации (рис. 3.4). Чаще всего испытания проводят при «комнатной» температуре, т. е. при
t = 20 °С (или Т = 293 К), и при постоянной и достаточно малой скорости деформации ( ). При этом силу Р, растягивающую образец, относят к первоначальной площади поперечного сечения F₀, а удлинение образца Dl – к первоначальной расчетной длине образца l₀:

(3.12)

т. е. не учитывают изменение площади поперечного сечения образца и предполагают равномерное деформирование образца по его длине.

Условный предел прочности s_В определяется как отношение максимальной силы P_max к первоначальной площади поперечного сечения образца: (3.13)

Рис. 3.4. Условная диаграмма растяжения

Для определения действительного предела прочности S_b максимальную силу P_max необходимо относить к действительной площади поперечного сечения образца. Поскольку длина образца после деформации , а площадь поперечного сечения равна F, то согласно постоянству объема до и после деформации: ,

откуда и . (3.14)

На диаграмме растяжения (рис. 3.4) наблюдаются области упругой деформации, исчезающей после снятия вызвавшей ее нагрузки, и пластической. Между напряжениями и деформациями в области упругости соблюдается закон Гука:

, (3.15)

где E – модуль упругости при растяжении (модуль Юнга).

Модуль упругости Е является константой материала, характеризующей его жесткость. Величина Е выражает сопротивляемость материала упругой деформации при растяжении. Следует отметить, что величина модуля упругости даже для одного и того же материала не является постоянной и колеблется в некоторых пределах. Однако в инженерных расчетах этой разницей можно пренебречь и принять для большинства материалов одно и то же значение Е как при растяжении, так и при сжатии. Модуль упругости является коэффициентом пропорциональности между нормальным напряжением σ и относительной деформацией ε и выражается зависимостью:

Е = σ/ε = tg α, (3.16)

где α – угол наклона прямолинейной части диаграммы растяжения σ = f (ε) к оси абцисс.

Аналогично при сдвиге величина G является коэффициентом пропорциональности между касательным напряжением τ и относительным сдвигом γ и называется модулем упругости при сдвиге или модулем сдвига. Величина G выражается зависимостью:

G = τ/γ. (3.17)

В связи с тем, что при растяжении или сжатии материал испытывает как продольные ε, так и поперечные ε₁ деформации, их отношение может быть выражено через коэффициент поперечной деформации, называемый также коэффициентом Пуассона μ:

μ = ε₁/ ε. (3.18)

Коэффициент Пуассона так же, как и модули упругости, является характеристикой упругих свойств материала.

Все три константы упругости материала связаны между собой следующей зависимостью:

G = Е/2(1 + μ). (3.19)

Наибольшее напряжение, при снятии которого остаточные деформации не превышают некоторой заданной малой величины (обычно менее 0,2%), называют пределом упругости s_У.

Если за участком пропорциональности напряжения и деформации следует площадка текучести, соответствующая увеличению деформации при постоянном напряжении (рис. 3.9), то это напряжение называют пределом текучести s_Т. При отсутствии таковой площадки пределом текучести считают напряжение, соответствующее некоторому установленному небольшому уровню деформации (например, 0,2 %) – s_0,2.

Область справедливости закона Гука устанавливается пределом пропорциональности s_ПЦ. Поскольку пропорциональность напряжения деформации обычно выполняется во всей области упругости, при практических расчетах предел пропорциональности принимают равным пределу упругости (или меньше).

Для использования диаграмм растяжения при других, более сложных схемах деформирования напряжение заменяют интенсивностью напряжений s_i , а деформацию – интенсивностью деформаций .

Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением. Относительное удлинение δ – это относительное приращение (l_K – l₀) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l₀, выраженное в процентах:

(3.20)

Относительное сужение ψ – это соотношение разности начальной и конечной площади (S₀ – S_K) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади S₀ поперечного сечения, выраженное в процентах:

(3.21)

Испытания на растяжение не всегда оценивают склонность материала к хрупкому разрушению, поэтому применяют испытания для определения ударной вязкости, отличающиеся от обычных испытаний на растяжение тем, что образец испытывается на изгиб при ударном (динамическом) нагружении.

Ударная вязкость – способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом работы А к площади его поперечного сечения S в месте надреза до испытания: КС = А/S.

Рис. 3.5. Схема испытания на ударную вязкость: а) образец, б) маятниковый копер

Для испытания (ГОСТ 9454-78) изготавливают стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусков с надрезом. Форма надреза может быть округлой, V-образной и в виде трещины. Испытывают образцы на маятниковых копрах. Свободнопадающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затраченная на излом образца (рис. 3.5).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлических материалов, работающих при отрицательных температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас его вязкости, тем он надежнее.