Испытание на одноосное растяжение

Основным видом исследования механических свойств материалов является испытание на растяжение. Оно проводится на специальных испытательных машинах, создающих постепенно возрастающую нагрузку на испытываемый образец и осуществляющих в процессе нагружения регистрацию величины действующей на образец силы и его деформации.

Чаще всего применяют цилиндрические образцы (рис. 2.1, а), а при испытании листового материала – плоские (рис. 2.1, б).

Для цилиндрических образцов выдерживают определенное соотношение между расчетной длиной образца l₀ и диаметром образца d₀..Обычно l₀ = 10 d₀ (длинный образец); реже l_{0 =} 5d₀ (короткий образец). Учитывая, что диаметр d₀ связан с площадью сечения образца формулой

,

связь между расчетной длиной l₀ и площадью поперечного сечения образца можно выразить для длинного (десятикратного) образца зависимостью

, (2.1)

для короткого (пятикратного)

. (2.2)

Рисунок 2.1 – Цилиндрические (а) и плоские (б) образцы для испытания на растяжение

В качестве основных образцов при испытании на растяжение применяют цилиндрические образцы с диаметром d₀ = 10 мм, расчетной длиной l₀ = 100 мм и l₀ = 50 мм. Допускается применение и других пропорциональных образцов, в которых выдержаны соотношения размеров в соответствии с формулами (2.1, 2.2).

Образец перед испытанием измеряется штангенциркулем и устанавливается в захваты испытательной машины, где к нему прикладывается осевая статическая нагрузка. Под действием приложенной силы образец удлиняется; с ростом силы растет и удлинение.

Специальное устройство, так называемый диаграммный аппарат, вычерчивает в определенном масштабе кривую в координатах Р.- , называемую диаграммой растяжения (первичная диаграмма)), вид которой зависит от свойств материала и размеров образца. Для малоуглеродистых сталей (сталь Ст2, Ст3 и др.) диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2.2.

Из рисунка видно, что диаграмма имеет ряд характерных точек (1…5), соответствующих определенному состоянию металла образца.

На начальном участке диаграммы О-1 наблюдается линейная зависимость между силой Р и удлинением образца , т.е. деформируется материал упруго и подчиняется закону Гука. При дальнейшем увеличении силы (участок 1-2) закон Гука нарушается, однако материал деформируется упруго, поэтому, если разгрузить образец с точки 2, то перо записи диаграммы возвращается в начало координат.

Рисунок. 2.2 – Диаграмма растяжения (первичная диаграмма)

Участок 2-3 именуется площадкой текучести, т.к. здесь наблюдается пластическое течение материала (необратимое) при постоянной нагрузке. На этом участке металл переходит в новое качественное состояние. На гладкой полированной поверхности образца появляется сетка линий скольжения (так называемые линии Чернова–Людерса) – следствие сдвигов по плоскостям наибольших касательных напряжений. Линии скольжения составляют угол 45° с продольной осью образца;

Дальнейшее деформирование образца от точки 3 до точки 4 требует увеличения силы Р, причем зависимость между Р и становится нелинейной. В точке 4 усилие растяжения достигает своего наибольшего значения – Р_max. Материал на рассматриваемом участке упрочняется за счет явления наклепа.

От точки О до точки 4 образец на всей рабочей части равномерно удлиняется с соответствующим равномерным уменьшением сечения (диаметра).

Начиная с точки 4 растяжение образца приведет к образованию местного сужения (именуемое «шейкой»), кривая на диаграмме идет вниз и на точке 5 обрывается (образец разрушается в «шейке»).

Следует отметить, что разгрузка образца с любой точки диаграммы (напр. точки i) на участке диаграммы 2-5 приведет к исчезновению только упругой деформации (отрезок ), но останутся пластические (отрезок ОО₁), и перо записи диаграммы уже не возвратится в начало координат, т.е. образец получит остаточное удлинение.

Вид разрушенного путем растяжения образца показан на рис. 2.3.

Пользуясь указанными характерными нагрузками, взятыми из диаграммы растяжения, и зная площадь сечения испытуемого образца , определяют основные характеристики прочности материала: