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. 1). Чаше всего испытания проводят при «комнатной» температуре, т. е. при t = 20 °C (или Т = 293 К), и при постоянной и достаточно малой скорости деформации (ε ≈ 1 • 10^-2 n^-1). При этом силу Р, растягивающую образец, относят к первоначальной площади поперечного сечения F_o, а удлинение образца Δl — к первоначальной расчетной длине образца l₀:

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

Условный предел прочности σ_В определяется как отношение макси­мальной силы Ртах к первоначальной плошали поперечного сечения образца:

Для определения действительного предела прочности S_b максималь­ную силу Р_тах необходимо относить к действительной площади перечного сечения образца. Поскольку длина образца после деформации dz(1 + ε_z), а площадь поперечного сечения равна F, то согласно постоянству объема до и после деформации: F₀dz=Fdz(1 + ε_z),

откуда

На диаграмме растяжения (см. рис. 1) наблюдаются области упру­гой деформации, исчезающей после снятия вызвавшей ее нагрузки, и пла­стической. Между напряжениями и деформациями в области упругости соблюдается закон Гука:

σ_z = Eε_z,

где Е — 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 в и выражается зависимостью:

Е = σ/ε = tg α,

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.

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.

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

Все три константы упругости материала связаны между собой сле­дующей зависимостью:

G = E/2(1 + μ).

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

Если за участком пропорциональности напряжения и деформации следует площадка текучести, соответствующая увеличению деформации при постоянном напряжении (рис. 1), то это напряжение называют пре­делом текучести σ_т. При отсутствии таковой площадки пределом текуче­сти считают напряжение, соответствующее некоторому установленному небольшому уровню деформации (например, 0,2%) — σ_о,2.

Область справедливости закона Гука устанавливается пределом пропорциональности σ_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 σ_z заменяют интенсивностью на­пряжений σ_i, а деформацию ε_z — интенсивностью деформаций ε_i.

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

δ = [(l_k — l_о)/l_о] ⸳ 100%

Относительное сужение ψ — это соотношение разности начальной и конечной плошали (S_o — S_k) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади S_o поперечного сечения, выраженное в процентах:

ψ = [(S_o — S_k)/S_o] ⸳ 100%

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 = A/S.

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. 2).

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.