Испытуемый образец растягивают со все возрастающей силой и при этом фиксируют его деформацию. Результаты испытания представляют в виде диаграммы растяжения, с помощью которой можно установить характеристики сопротивления материала деформирующей силе. С этой диаграммой знакомятся обычно при изучении физики в восьмых-девятых классах. Для предметного разговора о испытаниях конструкционных материалов на прочность необходимо припомнить эту типичную диаграмму и связанные с ней понятия. Итак, диаграмма растяжения выполнена в координатах напряжение — относительное удлинение. Напряжение — это величина, равная отношению модуля Z7 силы упругости к площади S поперечного сечения испытуемого образца:
a=F/S.
Что касается удлинения образца при его растяжении силой F, то физика оперирует двумя видами этой характеристики деформации, а именно абсолютным удлинением Л/=/—/о и относительным удлинением ёщЩ/Щ где /0 и / — начальная и конечная длина образца. При малых деформациях (Д/«/ ) большинство металлических образцов проявляет упругие свойства: деформации исчезают при снятии нагрузки. Это не что иное, как действие закона Гука, который гласит: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещений частиц тела при его деформировании (для наглядности представьте себе не стержень, а пружину). Математически эта зависимость выражается равенством F=K[M]. Коэффициент упругости К зависит от материала образца и его размеров. Он пропорционален площади поперечного сечения образца S и обратно пропорционален начальной его длине.
Коэффициент Е, входящий в эту формулу, называют модулем упругости или модулем Юнга (Томас Юнг — английский ученый, физик, астроном, лингвист XVIII — XIX в.). Для большинства материалов модуль Юнга определяют экспериментально. Так, для хромоникелевой стали .=2,1 -1011 Па, а для алюминия .=7-10 Па. Чем больше Е, тем меньше деформируется испытуемый образец при прочих равных условиях (одинаковых F, S, /о). Модуль Юнга характеризует сопротивляемость материала упругой деформации растяжения.
Напряжение выразится в виде произведения модуля упругости на относительное удлинение: о=Е ^ =Ее.
На диаграмме растяжений, характерной для малоуглеродистых сталей, участок OA является графическим отображением закона Гука. А максимальное напряжение <тпц, при котором закон Гука еще выполняется, называют пределом пропорциональности. При дальнейшем увеличении нагрузки деформация образца становится нелинейной: напряжение перестает быть прямо пропорциональным относительному удлинению. Тем не менее при небольших нелинейных деформациях после снятия нагрузки форма и размеры образца практически восстанавливаются — участок АВ диаграммы. Напряжение <jv, при котором еще не возникают заметные остаточные деформаций, называют пределом упругости. Предел упругости превышает предел пропорциональности для каждого материала лишь на сотые доли процента. Если продолжать увеличение нагрузки, то наступает такой момент (точка С, см. рис. 4), когда деформации начинают расти практически без увеличения нагрузки. Горизонтальный участок диаграммы CD называется площадкой текучести. Напряжение сгт, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести. Для стали СтЗ предел текучести примерно 230 МПа, предел пропорциональности 210 МПа, а предел упругости 220 МПа.
Удлинившись на некоторую величину при постоянном значении силы, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма за точкой D поднимается. Точка Е диаграммы соответствует наибольшему условному напряжению а в называемому пределом прочности или временным сопротивлением. Предел прочности стали Ст3 380 МПа, высокопрочных сталей, например стали 40ХМНА,— 1700 МПа.
На образце, нагруженном до предела прочности, образуется резкое местное сужение — шейка. Ее площадь быстро уменьшается и, как следствие, падает усилие и условное напряжение. Разрыв образца происходит по наименьшему сечению шейки. Сооружения и конструкции будут надежны, если возникающие в них при эксплуатации напряжения будут в несколько раз меньше предела прочности материала, из которого они выполнены.
Испытания на растяжение проводят на разрывных машинах, устанавливаемых в лабораториях промышленных предприятий, научно-исследовательских институтов и учебных заведений. При изучении курса «Сопротивление материалов» в вузах и техникумах студенты обязательно работают на разрывных машинах, испытывая образцы из различных материалов.
Большинство испытательных лабораторий оснащены разрывными машинами для испытаний материалов на растяжение, сжатие, изгиб и многоцикловую усталость при нормальных условиях (комнатная температура и влажность). Применяют и более совершенные универсальные машины для испытания материалов, например машину мод. 1958У-10-1. Это машина с электрическими измерительными системами, в которых широко использована цифровая измерительная техника. Машина предназначена для статических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб, для испытаний на кратковременную ползучесть, релаксацию и многоцикловую усталость металлов, конструкционных полимеров и резины в широком диапазоне нагрузок, а также для измерения скоростей деформирования и температур. Диапазон испытательных нагрузок машины 0,0002—100 кН; диапазон температур при проведении испытаний: от —150 до +1200°С.
Машина состоит из четырех функциональных блоков:
1 — блок измерения и управления; 2 — блок силовозбуждения; 13 — температурная установка и 14— криогенная камера.
Испытания на растяжение проводят следующим образом. Образец 5 установленной формы и размеров закрепляют в захватах 4 и 6. Верхний захват 4 соединен с силоизмерительным датчиком 3. Нижний захват 6 соединен с подвижной траверсой. Подвижная траверса перемещается от электродвигателя 9, входящего в регулируемый привод, через коробку скоростей 12, редуктор 11 и вращающиеся ходовые винты 8. При испытаниях подвижная траверса 7 с заданной скоростью движется вниз, растягивая образец 5. Нагрузка и деформация образца измеряются с помощью тензорезисторных датчиков, нормирующих усилителей и цифровых вольтметров. Полная деформация образца, которая принимается равной перемещению подвижной траверсы до момента разрушения образца, измеряется фотоэлектрическим датчиком 10. В конструкции машины предусмотрены: цифровая индйкация максимального усилия, приложенного к образцу, вывод текущего значения нагрузки и деформации образца на цифровую печать, работа с ЭВМ, которая может по данным испытаний построить диаграмму растяжения, рассчитать рекомендуемые площади поперечных сечений деталей из испытуемого материала, определить коэффициент запаса прочности конструкций. Температура в электропечи 13 и криогенной камере 14 (камера глубокого охлаждения) регулируется высокоточным регулятором температуры и записывается прибором, расположенным в пульте управления электропечи 13.
Нагрузки и температуры при испытаниях образцов измеряются с высокой точностью. Погрешность измерения не более 0,2-1%.
