Для определения физико-механических свойств материалов наиболее широко применяют статические испытания материалов на растяжение. Объясняется это тем, что механические характеристики, получаемые при испытании на растяжение, позволяют сравнительно точно определить поведение материала при других видах деформаций и этот вид испытаний, кроме того, наиболее легко осуществим.
По механическим свойствам материалы могут быть разделены на две основные группы: пластичные и хрупкие. У первых разрушению предшествует возникновение значительных остаточных деформаций; вторые разрушаются при весьма малых остаточных деформациях. Пластичными материалами в обычных условиях являются малоуглеродистая сталь, медь; хрупкими - некоторые специальные сорта стали, чугун, бетон, кирпич, мрамор.
Чтобы иметь наглядное представление о поведении материала при растяжении, строят кривую зависимости между величиной удлинения испытываемого образца и величиной вызвавших его сил, так называемую диаграмму растяжения.
Осуществляется запись графика зависимости между действующей на образец растягивающей силой F и удлинением Δ l. Разделив абсциссы Δ l на первоначальную длину l, а ординаты F на первоначальную площадь поперечного сечения А, получим график зависимости напряжения σ = F /A от продольной деформации ε = Δ l /l.
До значения напряжения, соответствующего точке А диаграммы, имеет место линейная зависимость между величинами относительного удлинения и напряжения, т.е. соблюдается закон Гука. Напряжения соответствующие точке А диаграммы, называются пределом пропорциональности материала. При переходе за точку А справедливость закона Гука нарушается: удлинение растет интенсивнее, чем сила; прямая ОА переходит в кривую АВ, обращенную выпуклостью кверху.
До точки В диаграммы увеличение растягивающей силы практически не вызывает остаточных деформаций образца, материал деформируется упруго и напряжение, соответствующее точке В, называется пределом упругости.
Предел пропорциональности и предел упругости для многих материалов, например для стали, оказываются настолько близки, что зачастую их считают совпадающими и отождествляют, несмотря на физическое различие этих пределов. Угол наклона начального участка ОА диаграммы растяжения пропорционален модулю продольной упругости материала
tg α = σ / ε = E.
Следовательно, чем круче этот участок, тем больше модуль упругости материала, тем он жестче. Точка Е соответствует напряжению, возникающему в наименьшем поперечном сечении шейки в момент разрыва.
Кривая АВ от точки В переходит в горизонтальную или почти горизонтальную прямую ВС, что указывает на значительное возрастание удлинения при постоянном или очень незначительном возрастании силы; материал, как говорят, течет. Напряжение, при котором наблюдается текучесть материала, называется пределом текучести.
Предел текучести является основной механической характеристикой при оценке прочности пластичных материалов.
Точка D соответствует пределу прочности или временному сопротивлению. Пределом прочности называют отношение максимальной силы, которую может выдержать образец, к первоначальной площади его поперечного сечения.
Временное сопротивление условное напряжение (при этом напряжении на образце образуется резкое местное сужение, так называемая шейка), намечается место последующего разрыва. Образец сильно удлиняется за счет пластической деформации шейки. Площадь сечения шейки уменьшается, это отмечает участок диаграммы, отклоняющийся вниз к оси абсцисс. Точка К соответствует разрушению образца.
Действительные напряжения в сечении шейки не уменьшаются, а все время растут; площадь сечения шейки уменьшается более интенсивно, чем растягивающая сила.
Точка Е соответствует напряжению, возникающему в наименьшем поперечном сечении шейки в момент разрыва.
Испытание на сжатие производится на образцах различной формы и размеров в зависимости от материла. Для металлов испытания проводятся на цилиндрических образцах, у которых d=h=20 мм. Для других материалов образцы изготавливаются в виде кубиков с размерами граней: для цемента 70 мм, для бетона 200 или 300 мм и т.п.
Рассмотим сжатие образца из мягкой строительной стали. В начале нагружения диаграмма сжатия описывается прямой ОВ, выраающей пропорциональность между силой и еформацией, т.е. на начальном участке справедлив закон Гука. Точка В соответствует пределу пропоциональности, имеющему то же значение, что и при растяяжении. После точки В на диаграмме появляется небольшой участок, где происходи более быстрое возрастание деформаций по сравнени. с ростом нагрузки, но выраженной площадки текучести не появляется.
Непосредственно за этим участком диаграмма поднимается вверх по вогнутой прямой. Это происходит из-за того, что при переходе за предел пропорциональности интенсивно увеличивается площадь поперечного сечения образца, которая способна выдерживать всё большую нагрузку. Образец принимает бочкообразную форму и постепеннно сплющивается без разрушения. Иными словами, пластичный материал при сжатии нельзя разрушить. Это свойство широко используется при холодной обработке пластичных металлов штамповкой, прессобанием и другими способами для изготовления деталей нужной формы и размеров. Условно принимают при сжатии такой же предел прочности как при растяжении.
Характер поведения и разрушения при сжатии хрупких материалов резко отличается от поведения пластичных материалов. Хрупки материалы при сжатии (также как и при растяжении) разрушаются при очень малых продольных деформациях образца, а само разрушение происходит внезапно. Предел прочности у хрупких материалов при сжатии намного больше предела прочности при растяжении, поэтому из природных и промышленных материалов: известянка, гранита, мрамора, кирпича, цемента, бетона и других изготовляют элементы строительных конструкций, воспринимающих только сжимающие нагрузки.
Кроме испытаний на растяжение и сжатие проводятся испытания материалов и на другие виды нагружения: на изгиб, на кручение, на длительную прочность, выносливость, твёрдость и т.п. Большое внимание уделяется испытанию на динамические нагрузки, на изменение температуры, на радиоактивное облучение и на другие воздействия среды, которые влияют на механические характеристики материалов.