ГЛАВА V. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ 58. Задачи испытания материалов.
При изложении первых глав настоящего курса нам постоянно приходилось ссылаться на данные опытов, в результате которых устанавливались те или иные свойства материалов. Основные законы упругости и пластичности, полагаемые в основу различных теорий сопротивления материалов, получены путем прямых испытаний образцов, поставленных в специальные условия. Эти законы применимы, строго говоря, лишь в тех пределах, в которых они нашли прямое экспериментальное подтверждение. Так, если сталь проявляет упругие свойства в довольно большом диапазоне напряжений и закон Гука для стали является весьма точным законом, мягкие металлы, например свинец, обнаруживают пластическую деформацию уже при очень малых нагрузках и вряд ли вообще могут считаться упругими. Поэтому, применяя выводы сопротивления материалов к новым материалам, необходимо подвергать их всестороннему исследованию. Некоторые основные гипотезы сопротивления материалов проверяются лишь для ограниченного числа частных случаев, тогда как теория придает им универсальный характер. Так, например, условие пластичности при сложном напряженном состоянии мы считаем справедливым для любых напряженных состояний, хотя имеющийся опытный материал, на основе которого эти условия были сформулированы, относится почти исключительно к двухосному напряженному состоянию, да и то не при всех возможных соотношениях между главными напряжениями. Поэтому одна из важных задач состоит в принципиальном выяснении на опыте правильности тех или иных механических теорий и установлении траниц их практической применимости.
При решении задач на растяжение — сжатие нам встретилась необходимость в некоторых константах, характеризующих материал. Мы употребляли в расчетах такие величины, как модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел текучести. Все эти величины различны для разных материалов, хотя бы и близких по химическому составу. Так, предел текучести различных сталей в зависимости от содержания углерода, наличия легирующих элементов, то есть добавок других металлов, и термической обработки может быть совершенно различным.
Модуль упругости меняется в гораздо более узких пределах, но все же различен для разных марок стали. Поэтому, для того чтобы использовать материал в сколько-нибудь ответственной конструкции, необходимо определить в лаборатории его механические характеристики. Этим термином мы объединяем всевозможные цифровые показатели, получающиеся в результате опыта, состоящего в деформировании тем или иным способом образца из данного материала. Такие механические характеристики, как модуль упругости и предел упругости или предел текучести, определяются непосредственно и используются при расчетах непосредственно — это некоторые физические константы материалов, имеющие вполне определенный механический смысл.
Наряду с характеристиками, физическое значение которых совершенно определенно, существуют и такие механические характеристики, которые неотделимы от данного частного вида испытаний и хотя характеризуют некоторые свойства материала, но характеризуют их скорее качественно, сравнительно. Как пример приведем такую величину, как: относительное удлинение образца при разрыве. Материал с большим относительным удлинением при разрыве называется вязким в противоположность хрупкому, который рвется при малом относительном удлинении. Кратковременная большая нагрузка, приложенная к детали из вязкого материала, вызовет некоторую пластическую деформацию, та же нагрузка поломает деталь из хрупкого материала. Действительно, сопротивление ударным нагрузкам определяется главным образом способностью материала поглощать энергию перед разрушением, а величина поглощенной энергии зависит не только от прочности, ной от вязкости материала. Поэтому вязкость — это положительное свойство материала, и величина относительного удлинения при разрыве является важным показателем качества его. В то же время, если определить относительное удлинение для одного и того же материала на образцах с разным отношением длины к поперечному размеру, результаты будут разными. Чтобы сравнивать степень пластичности разных материалов, нужно определить удлинение на геометрически подобных образцах.
Совокупность механических характеристик позволяет судить о качестве материала; при составлении технических условий на металл оговариваются те или иные минимальные значения основных механических характеристик.
