§ 44. Характеристика механических свойств твердого тела по диаграмме растяжения. Явление наклепа

Практически наиболее удобным способом исследования механических свойств твердого тела являются испытание тела на растяжение и построение диаграммы растяжения.

По оси ординат откладывают напряжение (нагрузку на единицу площади поперечного сечения образца), по оси абсцисс — относительное удлинение. На рис. 80 изображены диаграммы растяжения материалов, наиболее часто применяемых в технике: сварного железа, мягкой и твердой стали. Все три кривые имеют прямолинейный участок, круто наклоненный к оси абсцисс, в пределах которого материалы вполне подчиняются закону Гука. Точка А на всех этих кривых соответствует пределу пропорциональности с которым практически совпадает предел упругости (§ 41). За пределом пропорциональности удлинения начинают возрастать быстрее нагрузок, и после перехода так называемой

«критической» точки (на кривой, изображающей растяжение сварного железа, — это точка В) удлинение может возрастать без увеличения нагрузки. Напряжение, которое соответствует критической точке В, называют пределом текучести

При дальнейшей нагрузке материал вновь приобретает способность сопротивляться растяжению: кривая загибается вверх. Возрастание нагрузок продолжается до тех пор, пока на бруске не появится местное сужение. Теперь деформация сосредоточивается у места сужения. Удлинение продолжает возрастать даже при уменьшающейся растягивающей силе, так как произошло значительное уменьшение поперечного сечения, и, наконец, в точке С наступает разрыв. Нагрузку, действующую в момент разрыва, отнесенную к первоначальной площади поперечного сечения, называют пределом прочности, или временным сопротивлением

Рис. 80. Диаграмма растяжения.

Рис. 81. Диаграмма растяжения, поясняющая явление наклепа

Если деформированный брусок, напряжение которого несколько превосходит предел упругости, начать разгружать, то происходящее при этом уменьшение деформации изобразится прямой, которая расположена параллельно прямолинейному участку линии (рис. 81). При полном устранении растягивающих сил брусок окажется на величину длиннее своей первоначальной длины; является остаточной деформацией.

До перехода предела пропорциональности (если растяжение производится «адиабатно», т. е. без притока или отдачи тепла) растяжение сопровождается небольшим понижением температуры. Появление остаточной деформации сопровождается резким повышением температуры.

Замечательное свойство многих твердых тел (в особенности металлюв) заключается в том, что при повторных испытаниях твердое тело проявляет иные механические свойства, а не те, которые были проявлены этим телом при первом испытании. Твердые тела как бы запечатлевают в себе историю всех произведенных на них механических воздействий. Остаточные деформации (иногда весьма малые, незаметные на глаз) существенно изменяют механические свойства твердого тела — упрочняют его.

Внешне явление заключается в следующем. Как было сказано выше, если деформированный брусок, напряжение которого превзошло предел упругости, начать разгружать от растянувших брусок сил, то уменьшение деформации изобразится прямой, которая расположена параллельно прямолинейному участку диаграммы первого растяжения (рис. 81). История этого первого растяжения будет запечатлена удлинением бруска на величину остаточной деформации сохраняющейся неопределенно долго при полном устранении нагрузки. Если теперь мы повторим испытание механических свойств бруска, т. е. снова начнем его растягивать, и будем графически изображать зависимость между удлинением и нагрузкой, то окажется, что теперь предел пропорциональности будет достигнут при значительно большем напряжении, чем в первоначальном испытании: упругость бруска стала больше. На рис. 81 предел пропорциональности изобразится теперь точкой Предварительный переход за предел пропорциональности «закаляет» материал. Это явление называют наклепом.

Первоначальные упругие свойства можно вернуть наклепанному металлу путем отжига, т. е. выдерживанием металла при довольно высокой температуре и медленным охлаждением. При одинаковой деформации в наклепанном металле возникают большие напряжения, чем в отожженном, и поэтому наклепанный металл разрушается при меньшей деформации, чем отожженный Зато при одинаковых напряжениях наклепанный металл деформируется меньше отожженного. Поэтому кованые, вальцованные, прессованные металлы более упруги, но зато и более хрупки, чем металлы отожженные или литые.

Многие твердые тела, в том числе все металлы, состоят из отдельных очень мелких кристаллов («зерен»), иногда отделенных друг от друга веществом иного состава Эти кристаллы расположены в беспорядке, и механические характеристики, получаемые в результате испытаний, представляют собой не что иное, как видоизмененные влиянием прослоек средние величины для отдельных кристаллов, расположенных по различным направлениям. Поэтому, чтобы уяснить себе особенности обычных поликристаллических материалов, важно изучить механические свойства монокристаллов.

Монокристаллы анизотропны: механические свойства монокристаллов зависят от направления действующей нагрузки по отношению к кристаллографическим осям. При растяжении монокристалла после перехода критической точки начинается пластическая деформация, а именно скольжение отдельных слоев кристалла относительно друг друга по определенным плоскостям.

Деформации мелких кристаллов, из которых составлен обыкновенный металлический образец, имеют такой же характер. Когда

напряжение достигает величины предела упругости, начинаются скольжения в некоторых наиболее неблагоприятно расположенных микрокристаллах.

При устранении внешних сил форма образца восстанавливается не полностью, так как этому препятствует пластическая деформация микрокристаллов, в которых произошло скольжение. Поэтому в образце останутся некоторые внутренние напряжения: те упруго деформированные микрокристаллы, которые соприкасаются с кристаллами, испытавшими пластическую деформацию, останутся несколько растянутыми. При повторной нагрузке течение образца наступит при большем напряжении, нежели при первоначальной нагрузке (рис. 81, точка F), так как теперь скольжение начнется у тех кристаллов, которые при первоначальном растяжении до напряжения, уже превосходившего предел упругости (рис. 81, точка ), испытывали только упругие деформации. Этим объясняют явление наклепа.