Діаграма розтягу та її характерні точки

Під час випробування на розтяг зразок поступово навантажують осьовою силою та реєструють його деформацію. Побудована за результатами інженерна діаграма напруження–деформація показує, коли матеріал працює пружно, коли починається незворотна деформація, як він зміцнюється під час пластичного деформування і як відбувається руйнування.

Звична діаграма з вираженою площадкою текучості характерна насамперед для м'якої маловуглецевої сталі. Її не слід сприймати як універсальну форму діаграми для всіх матеріалів.

Характерні ділянки діаграми розтягу маловуглецевої сталі

1. Лінійно-пружна ділянка

На початку навантаження напруження приблизно пропорційне деформації:

\[\sigma=E\varepsilon.\]

Кутовий коефіцієнт цієї прямолінійної ділянки визначається модулем Юнга \(E\). Якщо зняти навантаження в межах пружної області, зразок практично повернеться до початкових розмірів.

2. Границя пропорційності та границя пружності

Границя пропорційності відповідає завершенню майже лінійної залежності між напруженням і деформацією. Границя пружності — найбільше напруження, після зняття якого деформація залишається практично повністю оборотною. У реальному випробуванні ці значення можуть бути близькими й не завжди визначаються як чітко відокремлені точки.

3. Текучість

Для маловуглецевої сталі може спостерігатися верхня точка текучості, за якою напруження знижується до нижнього рівня текучості та формується коротка площадка текучості. На цій стадії деформація істотно зростає при відносно невеликій зміні інженерного напруження. Така поведінка характерна не для всіх матеріалів.

4. Деформаційне зміцнення

Після площадки текучості для подальшої пластичної деформації потрібне дедалі більше навантаження. Відбувається деформаційне зміцнення, і інженерне напруження знову зростає.

5. Тимчасовий опір

Максимальне інженерне напруження на діаграмі називають тимчасовим опором (границею міцності при розтягу):

\[\sigma_u=\frac{F_{max}}{A_0}.\]

Тут \(F_{max}\) — найбільша сила під час випробування, а \(A_0\) — початкова площа поперечного перерізу зразка.

6. Утворення шийки та руйнування

Після досягнення максимальної сили деформація локалізується — утворюється шийка. Оскільки інженерне напруження обчислюють за початковою площею \(A_0\), на інженерній діаграмі після максимуму напруження зазвичай зменшується аж до руйнування. Цю спадну ділянку не слід плутати з поведінкою істинного напруження.

Як відрізняються діаграми різних матеріалів

Діаграма маловуглецевої сталі — лише один характерний випадок. Форма кривої залежить від класу й складу матеріалу, термічної обробки, температури, швидкості деформування, геометрії зразка та умов випробування.

Алюмінієві сплави: плавний перехід до пластичності

Для багатьох алюмінієвих сплавів немає чіткої верхньої та нижньої точки текучості й вираженої площадки текучості. Перехід від пружного до пластичного деформування відбувається плавно. Тому часто використовують умовну границю текучості 0,2%: пряму, паралельну початковій пружній ділянці, зміщують по осі деформацій на 0,002; її перетин із діаграмою визначає умовну границю текучості.

Сірий чавун: крихке руйнування

Сірий чавун при розтягу зазвичай руйнується після дуже малої пластичної деформації. Тому його діаграма не має довгої площадки текучості та розвиненої ділянки деформаційного зміцнення, характерних для пластичної сталі; виражене утворення шийки також зазвичай відсутнє. Для крихких матеріалів особливо важливі напруження руйнування та мала деформація перед руйнуванням.

Пластичні полімери: великі деформації та нелінійність

Пластичні полімери можуть поводитися зовсім інакше, ніж метали. Для них характерні значно менша початкова жорсткість, нелінійна поведінка, текучість із подальшою великою пластичною деформацією або витягуванням і, для деяких полімерів, подальше деформаційне зміцнення. Характерний масштаб деформацій у них може бути набагато більшим, ніж у конструкційних металів, тому накладати полімерні й металеві криві на одну вісь деформацій без пояснення масштабу некоректно.

Порівнюючи діаграми матеріалів, насамперед слід дивитися на їхні якісні ознаки: початкову жорсткість, наявність або відсутність вираженої текучості, здатність до пластичної деформації, зміцнення, утворення шийки та характер руйнування.

Інженерне значення діаграми

За діаграмою розтягу визначають або оцінюють пружну жорсткість, границю текучості чи умовну границю текучості, тимчасовий опір, пластичність і характер руйнування. Для реальних розрахунків числові характеристики слід брати з відповідних стандартів або перевірених результатів випробувань, а не зі схематичної навчальної діаграми.