Нагрузкой F(Н) и вызванным этой нагрузкойабсолютным удлинением

образца ∆ l (мм). Пример такой зависимости для малоуглеродистой пластичной стали приведён на рис. 2.

Численные значения F и ∆ l сами по себе не характеризуют свойства материала, так как зависят от размеров образца. Чем больше площадь

образцов одного и того же материала различных размеров и формы, необходимо построить зависимость между возникающими в поперечных сечениях образца напряжениями σ (МПа) и относительным удлинением образца ε (%).

На диаграмме растяжения материала модуль продольной упругости характеризуется тангенсом угла наклона прямой ОА к оси e. Чем больше угол a, тем меньше развиваются упругие деформации при одном и том же напряжении, тем более жестким является материал.

Ордината точки А на диаграмме соответствует условному пределу упругости материала s упр (МПа). Условным пределом упругостиназывается наибольшее напряжение, до которого в материале развиваются лишь упругие деформации и сохраняется прямая пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями. Он определяется по формуле:

s упр = Fупр / So.

Детали машин, механизмов, приборов, элементы конструкций должны работать в области упругих деформаций, то есть после снятия рабочих нагрузок восстанавливать первоначальные форму и размеры. Поэтому численное значение предела упругости является важнейшим прочностным свойством для всех материалов, особенно для тех, из которых изготавливают детали типа пружин и рессор.

При напряжениях выше предела упругости в материале образца наряду с упругими деформациями e упр начинают развиваться и пластические (остаточные) деформации e ост. Долю остаточной деформации в полной

деформации e полн можно определить, проведя из исследуемой точки диаграммы линию, параллельную линии ОА. Точка пересечения этой линии с осью e покажет значение остаточной деформации eост (рис. 3).

2. За пределом упругости на диаграмме растяжения наблюдается переход от линии ОА к более или менее выраженной горизонтальной площадке ВС, соответствующей процессу текучести материала (рис. 3). Явление текучести заключается в значительном росте деформаций без заметного увеличения нагрузки. При этом происходит упрочнение металлического материала под действием пластической деформации (явление наклепа).

Горизонтальный участок ВС называется площадкой текучести материала. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести материала s т (МПа). Он определяется по формуле:

s т = Fт / So.

Ярко выраженная площадка текучести характерна лишь для материалов с высокой пластичностью. Для других материалов стандартом устанавливается условный предел текучести материала s 0, 2 (МПа). Он соответствует напряжению, которое вызывает остаточную деформацию e ост = 0, 2 % (рис. 4).

Рис. 4. Определение условного предела текучести материала s0, 2

Предел текучести материала (физический или условный) характеризует сопротивление материала малым пластическим деформациям и является важнейшей расчетной характеристикой материала. Действующие в любом изделии или конструкции в процессе эксплуатации напряжения должны быть меньше предела текучести, чтобы не возникало необратимых остаточных деформаций.

3. Претерпев состояние текучести, и упрочнившись, материал снова приобретает способность сопротивляться деформированию, и линия диаграммы растяжения на участке СД (рис. 3) поднимается вверх. При этом наблюдается рост как упругих, так и пластических деформаций, однако рост остаточных деформаций значительно опережает рост упругих.

Создание в материале напряжений, превышающих предел текучести, приводит к необратимым изменениям формы и размеров тела, при этом не приводит к его разрушению. На этом явлении основаны методы обработки материалов давлением (ковка, штамповка, прокатка, прессование, волочение, гибка и другие). Поэтому численное значение предела текучести является важнейшим прочностным свойством для материалов, обрабатываемых давлением.

4. В момент испытания образца, соответствующий точке D, напряжения в материале достигают своего максимального значения. Максимальное напряжение, которое может выдержать материал в процессе

деформирования, называется условным пределом прочности материала s в (МПа) или временным сопротивлением. Предел прочности рассчитываетсяпо следующей формуле:

s в = Fmax / So.

При растяжении нагрузкой меньшей, чем Fmax, образец достаточно равномерно деформируется по всему объему рабочей части – происходит её равномерное удлинение и сужение. При достижении предела прочности развитие деформаций начинает приобретать резко выраженный характер и

распространяется не на весь образец, а концентрируется в одном месте, которое называется шейкой. Образование шейки (резкого местного сужения образца) представляет собой вторую текучесть, но лишь местного характера. Оно характерно для пластичных материалов, имеющих диаграмму растяжения с максимумом.

5. При дальнейшем растяжении образца (участок DE рис. 2) площадь поперечного сечения образца в шейке быстро уменьшается. Поэтому нагрузка Fк, необходимая для окончательного разрыва образца (точка Е), меньше нагрузки Fmax, при которой образуется шейка (точка Д). Разрушение образца происходит по наименьшему сечению шейки.

Значения условного предела упругости s упр, условного (или физического) предела текучести s т (или s 0, 2) и условного предела прочности s в являются основными прочностными характеристиками

материала. Чем выше их численные значения (они приводятся в справочной литературе), тем прочнее материал.

По диаграмме растяжения определяют и пластические свойства материалов. Степень пластичности материалов характеризуется двумя основными показателями: относительным остаточным удлинением при разрыве и относительным остаточным сужением при разрыве.

Относительным остаточным удлинением при разрыве d (%)

называется отношение абсолютного удлинения образца в процессе растяжения к его первоначальной длине. Оно определяется по формуле:

d = [(l к – l o) / l o] ∙ 100,

где l к – длина расчетной части образца после разрыва. Она определяется путём стыковки двух частей разрушенного образца и замера расстояния между нанесёнными до испытания рисками.

Относительным остаточным сужением при разрыве y (%)

называется отношение изменения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к первоначальной площади:

y = [(So – Sк) / So] ∙ 100,

где Sк – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва (Sк = bк ∙ hк,

bк и hк – толщина и ширина шейки образца в месте разрыва).

Чем больше численные значения d и y, тем пластичнее материал, тем лучше он может обрабатываться давлением. Противоположным свойству пластичности является хрупкость. Хрупкие материалы разрушаются при

незначительных остаточных деформациях и не могут обрабатываться давлением. Деление на пластичные и хрупкие материалы достаточно условно.

К пластичным относят материалы с показателем d > 20%: большинство чистых металлов (медь, алюминий, железо, титан, кобальт, никель и др.),

многие деформируемые сплавы цветных металлов (латуни, дуралюмины, магналии и др.), а также низкоуглеродистые стали. Диаграммы растяжения этих материалов похожи на рассмотренную диаграмму (рис. 3).

К хрупким материалам относят: высокоуглеродистые стали, чугуны, некоторые чистые металлы (магний, вольфрам, хром, молибден), литейные сплавы цветных металлов (бронзы, силумины), керамика, камень, бетон, неорганическое стекло и др. Обычно к хрупким относят материалы с показателем d < 5%. Диаграммы растяжения хрупких материалов в основном описываются лишь прямой ОА, их разрушение происходит практически при отсутствии пластических деформаций (рис. 5, б).

Материалы с показателем пластичности 5 < δ < 20 % можно отнести к хрупко-пластичным. Диаграммы растяжения хрупко-пластичных материалов отличаются отсутствием площадки текучести и характерного для пластических материалов максимума (рис. 5, а).

В зависимости от условий нагружения один и тот же материал может вести себя и как пластичный и как хрупкий. Многие пластичные материалы ведут себя как хрупкие при низких температурах или при высоких скоростях деформирования.

Рис. 5. Типовые диаграммы растяжения: а – для хрупко-пластичных материалов; б – для хрупких материалов