Почему мягкая сталь тянется на четверть длины, а чугун рвется сразу? Растягивай образцы из Ст3, 40Х, 65Г, чугуна, алюминия, меди и резины, смотри площадку текучести, шейку, разрыв и наклеп после разгрузки.
Из металла вытачивают круглый образец с толстыми головками, зажимают в разрывной машине и медленно тянут. Машина пишет силу и удлинение, а из них получается диаграмма: напряжение σ по вертикали, относительное удлинение ε по горизонтали. Сначала металл ведет себя как пружина, потом начинает течь, упрочняется, на образце появляется шейка, и он рвется.
По точкам этой кривой читают характеристики, которые пишут в сертификате на металл: модуль упругости E, предел текучести σт, временное сопротивление σв, удлинение δ и сужение ψ. У мягкой стали кривая длинная, с площадкой текучести. У закаленной пружинной стали высокая и короткая. А чугун рвется, почти не удлинившись.
※ Образец круглый, ⌀10 мм, расчетная длина l₀ = 5d = 50 мм, как по ГОСТ 1497. Резина испытывается лопаткой по ГОСТ 270. Характеристики типичные для марок, в сертификате на конкретную плавку они свои.
Машина меряет силу в килоньютонах и удлинение в миллиметрах. Чтобы сравнивать металлы, а не размеры образцов, силу делят на площадь сечения, а удлинение на начальную длину. Числа под формулами берутся из опыта.
Как из силы получить напряжение?
Напряжение это сила на каждый квадратный миллиметр начального сечения. Удлинение это прирост длины в долях начальной длины, его пишут в процентах.
Что такое модуль упругости?
На прямом участке напряжение пропорционально удлинению, это закон Гука. Коэффициент E и есть наклон прямой. Чем он больше, тем жестче материал.
Как мерить пластичность?
Половинки разорванного образца складывают и меряют длину lк между метками и диаметр шейки. Упругая часть удлинения при разрыве уходит, поэтому δ чуть меньше полной деформации.
Напряжение на диаграмме условное: силу делят на начальную площадь A₀, а не на ту, что есть сейчас. Пока образец тянется равномерно, его сечение уменьшается медленно, а упрочнение растет быстрее, и сила растет.
В какой-то момент упрочнение перестает успевать за уменьшением сечения. Где-то образец оказывается чуть тоньше, там напряжение чуть больше, металл там течет быстрее, и сечение уменьшается еще сильнее. Так появляется шейка. Сила на машине падает, хотя истинное напряжение S = F / A в шейке продолжает расти.
Если разгрузить образец на участке упрочнения и нагрузить снова, он пойдет по той же прямой, что и при разгрузке, и потечет только при прежнем напряжении. Предел текучести вырос, а запас удлинения уменьшился. Это наклеп. Так упрочняют холодной вытяжкой проволоку канатов. А перегиб и холодная правка детали съедают часть ее пластичности.
Лист 09Г2С на ремонт кузова или рамы приходит с сертификатом: σт не меньше 345 МПа, σв 490, δ₅ 21 %. Если цифры ниже, металл не той марки или не той термообработки.
Детали считают не по σв, а по пределу текучести с запасом: [σ] = σт / n, где n около 1,5 для стальных конструкций. Остаточная деформация в раме или стреле недопустима.
Гнуть и править холодной можно металл с большим δ. Ст3 и 09Г2С гнутся без трещин, закаленная 65Г треснет. После правки рамы металл наклепан: прочнее, но менее пластичен.
Корпуса насосов, станины и картеры из серого чугуна работают на сжатие и гасят вибрацию. На растяжение и удар чугун рвется без предупреждения: шейки нет, разрыв мгновенный.
Проволока подъемного каната экскаватора наклепана холодным волочением до σв 1770–1960 МПа. Пружины из 65Г держат высокий σт и потому не садятся под нагрузкой.
Из сварного стыка вырезают образцы поперек шва и рвут. Если разрыв прошел по основному металлу, а не по шву, соединение равнопрочно. Подробнее в теме «Сварка и зона термического влияния».
Кривые собраны из участков по типичным характеристикам марок, это не запись конкретного испытания. Для сталей с площадкой задан верхний и нижний предел текучести, длина площадки и равномерное удлинение. Для металлов без площадки переход к текучести описан формулой Рамберга-Осгуда, подобранной под σ0,2 и σв. Шейка и падение силы показаны упрощенно, а форма шейки на рисунке условная. Разгрузка идет строго по прямой с наклоном E, эффект Баушингера и старение после наклепа не учтены. Для чугуна взят начальный модуль около 100 ГПа, у серого чугуна он сильно зависит от марки. Резина описана моделью Гента, гистерезис при разгрузке условный. 65Г показана после закалки и среднего отпуска на пружину; в состоянии поставки по ГОСТ 14959 у нее σт около 785 МПа. Влияние температуры и скорости нагружения не учтено.