Испытание металлов на растяжение: что оно показывает и как читать диаграмму

Что такое испытание металлов на растяжение

Прежде чем деталь попадёт в конструкцию, инженеру важно понять, как поведёт себя её материал под нагрузкой: где он ещё держится, а где вот-вот порвётся. Дать такой ответ помогает растяжение образца — самый ходовой способ проверить металл на прочность и податливость. Ниже мы соберём вместе всё главное: какие свойства при этом измеряют, чем пластичный металл отличается от хрупкого и о чём рассказывает кривая, которую вычерчивает испытательная машина.

Какие характеристики снимают с образца

Одно испытание сразу даёт целый набор величин. Разложим их по четырём группам.

• Прочностные. Сюда входят предел пропорциональности, предел текучести, временное сопротивление разрыву и истинное сопротивление разрыву.
• Пластические. Это относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.
• Упругие. К ним относят модуль упругости, он же модуль Юнга.
• Прочие. В эту группу попадают коэффициент упрочнения и коэффициент механической анизотропии.

Одно из перечисленных понятий стоит раскрыть отдельно, поскольку на нём держится вся упругая часть картины.

Пластичные и хрупкие: в чём разница

Все материалы удобно разложить на две противоположности — пластичные и хрупкие. Разница между ними в поведении перед разрушением. Пластичный металл под нагрузкой заметно деформируется, накапливая остаточные (пластические) деформации, а хрупкий доходит до разрыва почти без них.

Чтобы отнести материал к тому или иному типу, пользуются относительным остаточным удлинением. Считают его так:

j = (lk − l0) / l0

где lk — конечная длина рабочей части образца, l0 — её исходная длина.

По значению этой величины материалы распределяют на три категории:

• пластичные — относительное остаточное удлинение свыше 10 %;
• малопластичные — от 5 до 10 %;
• хрупкие — не более 5 %.

Как проходит само испытание

Суть проста: образец растягивают и параллельно строят график, где видно, как его удлинение отзывается на приложенную нагрузку. Затем эту кривую перестраивают в диаграмму условных напряжений. Порядок проведения испытания и требования к самим образцам задаёт ГОСТ 1497.

Диаграмма растяжения по участкам

Полученная кривая распадается на несколько характерных зон, и каждая говорит о своей стадии сопротивления металла.

1. Участок ОА. Здесь удлинение строго пропорционально нагрузке — работает закон Гука. Эту зависимость ещё в 1670 году открыл Роберт Гук.
2. Участок ОВ. Зона упругой деформации. Если нагрузить образец силой, не превышающей значение Ру, а потом снять нагрузку, деформация будет спадать по тому же закону, по которому она нарастала.

Выше точки В картина меняется: деформация начинает опережать рост нагрузки, и линия диаграммы становится криволинейной. При нагрузке Рт (точка С) кривая переходит в горизонталь. На этой стадии образец сильно удлиняется, хотя нагрузка не растёт, — металл будто «течёт». Горизонтальный отрезок, параллельный оси абсцисс, и называют площадкой текучести, а само явление — пределом текучести.

Порой площадка получается волнистой. Причина в том, что сначала возникает местное утонение, которое затем перекидывается на соседний объём образца; так продолжается, пока удлинение не станет общим и равномерным.

После площадки текучести металл вновь набирает способность сопротивляться, и линия диаграммы идёт вверх. В точке D нагрузка достигает максимума, и на образце появляется местное сужение — шейка. По мере того как площадь её сечения уменьшается, падает и нагрузка, а в точке К образец разрывается.

Зачем переходить к условным напряжениям

У диаграммы «нагрузка — удлинение» есть слабое место: результат зависит от размеров образца. Чем толще сечение, тем большую силу приходится прикладывать. Поэтому напрямую сравнивать материалы по такой кривой нельзя — она не даёт объективной оценки их свойств.

Чтобы убрать влияние геометрии, ординаты нагрузки делят на исходную площадь поперечного сечения образца A0. Так получается диаграмма условных напряжений, по которой уже и определяют механические характеристики. Расчёт ведут по единому принципу:

• предел пропорциональности: jпц = Рпц / A0;
• предел упругости: jу = Ру / A0;
• предел текучести: jт = Рт / A0;
• временное сопротивление разрыву: jв = Рв / A0,

где A0 — площадь поперечного сечения образца, а Рпц, Ру, Рт, Рв — нагрузки, отвечающие соответствующим стадиям деформации.

Итог такой переработки — набор напряжений, не зависящих от размеров конкретного образца. Именно они позволяют честно сравнивать разные металлы между собой и опираться на цифры при выборе материала.