Диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения — это графическое представление зависимости между механическим напряжением (σ) и относительной деформацией (ε) материала в процессе его одноосного растяжения. Диаграмма является основным источником информации о механических свойствах материалов, таких как прочность, пластичность, упругость и способность к деформации. Получают её экспериментально путём испытаний образцов на разрывных машинах.

Основные параметры диаграммы

Диаграмма растяжения строится в координатах: по оси ординат — напряжение (σ, в МПа или кгс/мм²), по оси абсцисс — относительная деформация (ε, в % или безразмерных единицах). Для металлов и сплавов характерна типичная форма кривой, которая включает несколько характерных участков.

Участок упругой деформации (ОА)

На начальном этапе нагружения деформация образца является упругой — после снятия нагрузки она полностью исчезает. На этом участке зависимость между напряжением и деформацией линейна и подчиняется закону Гука: σ = E·ε, где E — модуль упругости (модуль Юнга). Тангенс угла наклона этого участка к оси абсцисс численно равен модулю упругости. Точка А соответствует пределу пропорциональности (σпц) — максимальному напряжению, при котором ещё соблюдается линейная зависимость.

Участок текучести (АВ)

После точки А линейность нарушается, и материал начинает деформироваться с заметным ростом деформации при почти постоянном или слабо возрастающем напряжении. Этот участок называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит процесс текучести, называется пределом текучести (σт). Для материалов, не имеющих явной площадки текучести (например, высокопрочные стали, чугуны), определяют условный предел текучести (σ0,2) — напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 % от первоначальной длины образца.

Участок упрочнения (ВС)

После завершения текучести материал снова способен воспринимать возрастающую нагрузку. Деформация продолжает расти, но уже с меньшей скоростью, чем на площадке текучести. На этом участке происходит упрочнение — изменение внутренней структуры материала (наклёп, дислокационное упрочнение). Максимальное напряжение на диаграмме, соответствующее точке С, называется временным сопротивлением (σв) или пределом прочности. Это условная характеристика, так как после её достижения в образце начинается процесс локализации деформации — образование шейки.

Участок разрушения (CD)

После точки С на диаграмме наблюдается падение напряжения, хотя деформация продолжает расти. Это связано с образованием и развитием шейки — локального сужения поперечного сечения образца. В точке D происходит разрыв образца. Напряжение в точке D называется напряжением разрушения (σр). Относительное удлинение образца после разрыва (δ) и относительное сужение поперечного сечения (ψ) характеризуют пластичность материала.

Виды диаграмм растяжения

Диаграммы растяжения классифицируют по типу материала и условиям испытаний.

По типу материала

• Диаграмма растяжения пластичных материалов (например, малоуглеродистая сталь, алюминий, медь) — имеет ярко выраженную площадку текучести и значительный участок упрочнения. Относительное удлинение после разрыва может достигать 20–40 % и более.
• Диаграмма растяжения хрупких материалов (чугун, керамика, закалённая сталь) — практически не имеет участка текучести и упрочнения. Разрушение происходит при малых деформациях (менее 1–2 %), часто без образования шейки.
• Диаграмма растяжения полимеров — может иметь сложную форму, включающую несколько стадий: упругая деформация, вынужденная эластичность (образование «шейки»), ориентационное упрочнение и разрушение.
• Диаграмма растяжения композиционных материалов — часто имеет нелинейный характер, связанный с последовательным разрушением компонентов (матрицы и волокон).

По условиям испытаний

• Диаграмма условных напряжений — строится по отношению текущей нагрузки к начальной площади поперечного сечения образца. Используется в стандартных испытаниях.
• Диаграмма истинных напряжений — строится по отношению текущей нагрузки к фактической площади поперечного сечения в данный момент времени. Более точно отражает поведение материала при больших деформациях, особенно после образования шейки.

Методы получения

Диаграммы растяжения получают с помощью разрывных машин (универсальных испытательных машин). Образец стандартной формы (обычно цилиндрический или плоский) закрепляется в захватах машины и подвергается растяжению с постоянной скоростью деформации. Датчики силы и перемещения (или экстензометры) регистрируют нагрузку и удлинение образца. Полученные данные в цифровом виде обрабатываются и выводятся в виде графика.

Применение

Диаграммы растяжения широко используются в материаловедении, машиностроении, строительстве и других отраслях для:

• Определения механических свойств материалов — модуля упругости, пределов текучести и прочности, относительного удлинения и сужения.
• Сравнения материалов — выбора наиболее подходящего для конкретных условий эксплуатации.
• Контроля качества — проверки соответствия материалов стандартам (ГОСТ, ISO, ASTM).
• Моделирования поведения конструкций — при расчётах на прочность и деформативность в программных комплексах (например, методом конечных элементов).
• Разработки новых материалов — изучения влияния химического состава, термической обработки и технологии изготовления на механические свойства.

Интересные факты

• Первые систематические испытания на растяжение были проведены в XVII веке Галилео Галилеем, который изучал прочность балок.
• В России стандартные методы испытаний на растяжение регламентируются ГОСТ 1497-84 (для металлов) и ГОСТ 11262-2017 (для пластмасс).
• Для некоторых материалов (например, резины) диаграмма растяжения имеет S-образную форму, что связано с кристаллизацией под нагрузкой.
• Истинная диаграмма растяжения после образования шейки может быть получена только с использованием специальных методов, например, с помощью высокоскоростной видеосъёмки и анализа изображений.

Критика и ограничения

Диаграмма растяжения, полученная при стандартных испытаниях, не всегда полностью отражает поведение материала в реальных конструкциях. Она не учитывает влияние масштабного фактора (размеров образца), скорости нагружения, температуры, коррозионной среды и многоосного напряжённого состояния. Для более точного прогнозирования поведения материалов в сложных условиях эксплуатации применяют дополнительные испытания (на усталость, ползучесть, ударную вязкость) и корректирующие коэффициенты.

Источники

• ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».
• ГОСТ 11262-2017 «Пластмассы. Метод испытания на растяжение».
• Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007.
• Трощенко В. Т., Сосновский Л. А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. — Киев: Наукова думка, 1987.
• Справочник по машиностроительным материалам / Под ред. Г. С. Писаренко. — М.: Машиностроение, 1980.