Основные механические характеристики материала

Чтобы дать количественную оценку описанным выше свойствам материала, перестроим диаграмму растяжения Р = f(∆ℓ) в коорди­натах σ и ε. Для этого уменьшим в F раз ординаты ив ℓ раз абс­циссы, где F и ℓ — соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины по­стоянны, то диаграмма σ = f (ε) (рис. 15) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства ма­териала.

Рис. 15

 

Отметим на диаграм­ме характерные точки и дадим определение соот­ветствующих им число­вых величин.

Наибольшее напряже­ ние, до которого матери­ ал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности ( σ_п ).

Величина предела  пропорциональности за­висит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассмат­ривать как прямую. Степень отклонения кривой σ = f (ε) от прямой σ = Е ε определяют по величине угла, который составляет касатель­ная к диаграмме с осью σ. В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/Е. Обычно считают, что если вели­чина d ε / d σ оказалась на 50% больше чем 1/Е, то предел пропор­циональности достигнут.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, на­зываемого пределом упругости. Под пределом упругости (σ_у) пони­мается такое наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций.

Для того чтобы найти предел упругости, необходимо, очевидно, после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и сле­дить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластиче­ские деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точно­сти, которые накладываются на производимые замеры. Обычно оста­точную деформацию, соответствующую пределу упругости, прини­мают в пределах ε _ост = (1÷5) 10^-5, т. е. 0,001 ÷ 0,005%. Соответ­ственно этому допуску предел упругости обозначается через σ _0,001 или σ_0,005 .

Нужно сказать, что предел упругости и предел пропорциональ­ности трудно поддаются определению и резко меняют свою величину в зависимости от условно принятой нормы на угол наклона каса­тельной и на остаточную деформацию. В силу указанных обстоя­тельств величины σ_п и σ_у в справочные данные по свойствам мате­риалов обычно не включаются.

Следующей, более определенной характеристикой является предел текучести. Под пределом текучести понимается то напря­ жение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести при­нимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация ε_ост - 0,002 или 0,2%. В неко­торых случаях устанавливается предел ε_ост = 0,5%.

Условный предел текучести обозначает­ся через ε_0,2 и ε_0,5 в зависимости от приня­той величины допуска на остаточную де­формацию. Индекс 0,2 обычно в обозначе­ниях предела текучести опускается. Если необходимо отличить предел, текучести на растяжение от предела текучести на сжа­тие, то в обозначение вводится дополни­тельный индекс «р» или «с» соответственно растяжению или сжатию. Таким образом, для предела текучести получаем обозначения σ_тр и σ_тс.

Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит назва­ ние предела прочности, или временного сопротивления, и обознача­ ется через σ_вр (на сжатие — σ_вс).

Существенно заметить, что σ_вр не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к на­чальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в дан­ный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение *) в наи­более узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем σ_вр. Таким образом, предел прочности также является услов­ной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.

*) В зоне шейки напряжение по поперечному сечению образца распределя­ется, строго говоря, неравномерно.

 

Значения σ_тр и σ_вр для некоторых наиболее часто встречающихся материалов приведены в таблице 1 в кГ/см².

Таблица 1

 

При испытании на растяжение определяется еще одна харак­теристика материала. Это — так называемое удлинение при раз­ рыве δ%.

Удлинение при разрыве представляет собой величину средней остаточной деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине образца. Определение δ % про­изводится следующим образом.

Перед испытанием на поверхность образца наносится ряд рисок, делящих рабочую часть образца на равные части. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва (рис. 16). Далее, по имеющимся на поверхности рискам от сечения разрыва вправо и влево откладываются отрезки, имевшие до испытания длину 5d (рис. 16). Таким образом определяется сред­нее удлинение на стандартной длине ℓ ₀ = 10d. В некоторых слу­чаях за ℓ ₀ принимается длина, равная 5d.

Удлинение при разрыве будет следующим:

 

Возникающие деформации распределены по длине образца нерав­номерно. Если произвести обмер отрезков, расположенных между соседними рисками, можно построить эпюру остаточных удлине­ний, доказанную на рис. 16. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется обычно истинным удлинением при разрыве.

Рис. 16

Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения пло­щади F и местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжении.