Механические испытания материалов

В расчетах на прочность и жесткость элементов конструкций необходимо знать механические свойства материалов, из которых они будут изготовлены. Эти свойства изучаются экспериментально при механических испытаниях образцов из конкретных материалов. При испытаниях оцениваются характеристики прочности, пластичности и упругости.

Условия испытания представлены в Государственных стандартах. Существуют стандарты на следующие основные виды нагружения: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Результаты испытания на растяжение во многих случаях позволяют достаточно верно судить о поведении материала и при других видах нагружения.

Рассмотрим подробнее испытание на растяжение. Для испытания на растяжение чаще используются образцы круглого (рис. 4.11), реже прямоугольного сечений.

Длину рабочей части образца принимают больше его диаметра в 10 раз, допускается и в 5 раз. Концевые утолщения образца необходимы для его закрепления в захватах машины.

На рис. 4.12 приведены диаграммы растяжения для малоуглеродистой стали и чугуна (пластичного и хрупкого материалов).

Испытания проводят на универсальных испытательных машинах, имеющих силоизмерительное устройство и аппарат для автоматической записи диаграммы растяжения (сжатия) в координатах: сила F  удлинение .

Такой график зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для исключения зависимости от размеров образца диаграмму растяжения перестраивают в координатах: напряжение ()  деформация () (рис. 4.13).

При этом напряжение и деформация рассчитываются как

где  соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до испытания.

4.

Определим на диаграмме (рис. 4.13) характерные точки и дадим качественную и количественную оценку механическим свойствам материала.

Рассматривается диаграмма малоуглеродистой стали как наиболее показательная при определении характеристик прочности. На диаграмме условно можно выделить четыре зоны.

Первая зона (ОВ)  зона упругого деформирования. При снятии нагрузки в этой зоне деформирования образец принимает начальные размеры. Точка А на оси соответствует пределу пропорциональности ;  это наибольшее напряжение, до которого материал деформируется в соответствии с законом Гука ). Точка В соответствует пределу упругости – это наибольшее напряжение, до которого в материале не образуются остаточные деформации.

Вторая зона (ВD) называется зоной общей пластичности. Для нее характерно значительное увеличение деформации без заметного роста напряжений за счет одновременных сдвигов в кристаллической решетке по всему объему материала образца. Точка С на диаграмме соответствует пределу текучести . Это напряжение, при котором в материале возникают значительные деформации без заметного роста напряжений. Для тех материалов, у которых нет выраженной зоны ВD, пределом текучести называется напряжение, соответствующее остаточной деформации, равной % (условный предел текучести).

Предел текучести является очень важной характеристикой прочности, так как используется для определения допускаемого напряжения пластичных материалов

где  коэффициент запаса, определяющий, во сколько раз максимально допускаемые напряжения в реальной конструкции должны быть меньше предела текучести.

Третья зона (DL) – зона упрочнения. Под упрочнением понимается повышение уровня напряжений, до которого материал деформируется упруго. Так, если разгрузить образец из состояния, соответствующего точке S, то при последующем нагружении он будет деформироваться упруго до точки S, где напряжение выше предела упругости. Это явление повышения предела упругости материала в результате пластического деформирования носит название «наклёп» и широко используется в технике. Наклеп при необходимости может быть снят термической обработкой  отжигом.

Четвертая зона (LK) называется зоной местной текучести. В этой зоне требуется все меньшая нагрузка для дальнейшего деформирования образца. Это объясняется образованием местного сужения (шейки) в наиболее слабом сечении образца, и дальнейшее деформирование происходит в зоне шейки, где площадь сечения быстро уменьшается. Однако многие материалы разрушаются без заметного образования шейки.

Напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую может выдержать образец (точка L), называется пределом прочности:

Предел прочности используется для определения допускаемого напряжения хрупких материалов: ,

где  коэффициент запаса.

Аналогично определяются характеристики прочности и при других видах нагружения.