ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ - Студопедия

Цель работы. определение характеристик механических свойств углеродистой стали при испытании на растяжение.

Конструкционные материалы – это твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механической нагрузке.

Конструкционные материалы можно разбить на следующие типы:

1. Металлы и сплавы (стали, чугуны, цветные металлы и т. д.).

2. Неметаллические материалы (полимеры, пластмассы, древесные материалы, резины и т. д.).

3. Композиционные материалы. Это материалы, объединенные разными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, называется матрицей (связующим). Матрицы могут быть полимерными, металлическими и т. д. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим. Эти компоненты, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Прообразом современных композиционных материалов считается железобетон.

Несмотря на достигнутые успехи в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.), основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и сплавы. Поэтому только они и рассматриваются в данном курсе (из-за ограниченного объема часов).

Под металлами понимают вещества, обладающие металлическим блеском, высокими пластичностью, тепло- и электропроводностью, прочностью. К металлам относятся не только чистые металлы, но и сплавы.

В качестве конструкционных материалов в основном используются сплавы, так как они обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.

Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства, так как они характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний.
К числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла, относятся испытания на растяжение, которые рассмотрены в лабораторной работе № 8.

Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности s_в и относительное остаточное удлинение d). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала, т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность. Например, в контактных проводах троллейбусов и трамваев благодаря высокой прочности бронза стала применяться вместо меди.

Для сравнения в таблице 8.1 приведены механические свойства некоторых проводников [2].

Предел прочности s_в. МПа

Для определения механических характеристик прочности и пластичности проводят испытания на растяжение образцов из исследуемого материала в испытательных машинах. В лабораторной работе испытываются образцы из углеродистой конструкционной стали, которая и в энергетике нашла широкое применение (из нее делают опоры линий электропередач, порталы и осветительные вышки на подстанциях и т. д.).

Углерод в сталь вводится специально, т. к. с повышением его содержания существенно возрастает прочность стали.

Углеродистые стали относятся к числу самых распространённых конструкционных материалов [5]. Объём их производства достигает 85 % от общей выплавки стали. Достоинствами углеродистых сталей являются удовлетворительные механические свойства в сочетании с технологичностью обработки и низкой стоимостью.

Углеродистые стали подразделяются на три основные группы [5]:

− обыкновенного качества;

− качественные стали (общего назначения);

− стали специального назначения (котельную, мостовую, судостроительную и др.).

Углеродистые стали обыкновенного качества характеризуются значительным содержанием вредных примесей, неметаллических включений, газов. Они обозначаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств их подразделяют на три группы: А, Б, В. Эти стали применяются для изготовления металлоконструкций, ненагруженных деталей машин и механизмов, крепёжных деталей, рельсов и т. д.

Углеродистые качественные стали имеют меньшее по сравнению со сталями обыкновенного качества содержание вредных примесей и неметаллических включений. Поставляют их в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали маркируют двухзначными цифрами от 05 до 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь Ст20 содержит в среднем 0,20 % углерода. Эти стали применяют в машиностроении и приборостроении для изготовления кузовов автомобилей, корпусов, зубчатых колёс, осей и т. д.

Углеродистые стали специального назначения отличаются хорошей обрабатываемостью, они предназначены в основном для приготовления деталей массового производства. При обработке, например, автоматных сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка. Котельная сталь хорошо сваривается. Из неё изготавливают котлы, судовые топки, камеры горения газовых турбин и т. д.

Испытание на растяжение относится к числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла. К преимуществам такого испытания относятся: сравнительная простота эксперимента и возможность получить растяжение в чистом виде.

Для испытания используются стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержни с прямоугольным сечением (плоские образцы). Размеры образцов устанавливает ГОСТ 1497-84.

На рисунке 8.1 показан цилиндрический образец для испытания (до и после испытаний). На рисунке 8.2 показано изображение образца на экране монитора.

Рис. 8.1 Образец до и после испытаний

Отношение начальной расчетной длины рабочей части образца к начальному диаметру d_o. т. е. k = . называют кратностью образца. Применяются образцы с кратностью 2, 5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью k = 5 (такой образец испытывается в лабораторной работе).

Рис. 8.2. Цилиндрический образец для испытания на растяжение: − начальная длина
рабочей части; d_o− начальный диаметр; L – полная длина образца

На рисунке 8.3 приведена фотография испытательной машины ZDM-10, а на рисунке 8.4 – изображение испытательной машины на экране ЭВМ.

Рис. 8.3. Испытательная машина ZDM-10

Рис. 8.4. Изображение испытательной машины на экране монитора

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении. В процессе испытания диаграммный механизм машины непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – абсолютное удлинение образца Dℓ (рис. 8.5). У образца удлинение небольшое (всего 6−10 мм), поэтому для наглядности на диаграмме удлинение откладывается в масштабе (в лабораторной работе масштаб = 100/6). На экране монитора удлинение без масштаба обозначено dℓ. так как на клавиатуре нет знака , а в масштабе – dℓ_m .

Рис. 8.5. Машинная (первичная) диаграмма растяжения
пластичного материала с площадкой текучести

Начальный криволинейный участок диаграммы не учитывают, так как он образуется за счет выборки зазоров в узлах машины и местного обмятия головок образца в захватах, т. е. не характеризует свойств испытуемого материала. За начало координат диаграммы принимают точку пересечения оси абсцисс с прямой, проходящей через начальный участок диаграммы.

На диаграмме растяжения материалов можно выделить несколько характерных участков (рис. 8.5). Прямолинейный участок ОА соответствует упругой деформации образца. Дальнейшее возрастание нагрузки (участок АВ) приводит к появлению пластической (остаточной) деформации. Причем у некоторых материалов наблюдается интенсивная пластическая деформация при неизменной нагрузке (участок BB′). Такой участок диаграммы называется площадкой текучести. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести (см. рис. 8.8).

До максимальной нагрузки (рис. 8.5, точка C) происходит равномерная деформация образца по всей его рабочей части. А затем образец в наиболее слабом месте утончается (это место называется шейкой), и на участке СD идет пластическая деформация при снижении нагрузки. В точке D происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

По диаграмме растяжения определяют характеристики механических свойств металла. Причем в качестве характеристики прочности принимают не нагрузку Р, а условное напряжение s, определяемое отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца F_о

По оси абсцисс откладывается относительное удлинение = Dℓ/ℓ_o (в о. е.) или = Dℓ/ℓ_o∙ 100 %. (Так как на клавиатуре нет буквы . то она заменена на букву E).

На рисунке 8.6 приведены диаграммы условного и истинного напряжений.

Диаграмма напряжений называется условной (приближенной), потому что напряжения найдены по начальной площади поперечного сечения образца F_о. и не учитывает уменьшения сечения (рис. 8.6а). Если в процессе испытания постоянно измерять диаметр образца и вычислять истиное напряжение с учетом сужения, то на этой диаграмме (рис. 8.6б) напряжение возрастает вплоть до разрыва образца.

В лабораторной работе рассматривается условная диаграмма напряжений (рис. 8.7). По этой диаграмме определяются основные характеристики прочности и пластичности.

Рис. 8.6. Диаграммы напряжений: а) условная; б) истинная

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Рассмотрим основные характеристики прочности.

В области упругой деформации (участок ОА, рис. 8.5) зависимость между напряжением s и относительной деформацией пропорциональна и известна под названием закона Гука:

где Е – модуль Юнга или модуль нормальной упругости измеряется в МПа и характеризует жесткость материала. Чем выше Е, тем материал жестче, т. е. меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка.

Предел пропорциональности (s_пц ) − это напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает некоторого значения, установленного техническими условиями. В качестве технического условия обычно берут следующее: при напряжении s_пц тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, увеличивается на 50 % по сравнению с линейным участком (более подробно определение основных показателей прочности и пластичности изложено в самой лабораторной работе).

Предел текучести (s_т ) – это напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки (рис. 8.7).

У большинства материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Рис. 8.7. Определение основных характеристик прочности

Условный предел текучести (s_0.2 ) – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца
(рис. 8.9). Здесь отрезок OA равен 0,2 % от ℓ_o .

Рис. 8.8. Определение условного предела текучести s_0.2

Предел прочности (временное сопротивление, s_в )– это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (рис. 8.7).

Напряжение при разрыве (σ_к )–это напряжение, соответствующее моменту разрушения образца (рис. 8.7).

Показатели пластичности. Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки.

Выше уже была рассмотрена абсолютная (Dℓ ) и относительная (ε) деформация под действием нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка (s < σ _пц ), то возникает только упругая деформация, и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . А если напряжение s > σ _пц. то после снятия нагрузки разгрузка образца идет по прямой, параллельной упругой деформации OA (например, по прямой DF, рисунок 8.5). Отрезок OF соответствует остаточной деформации D образца. Относительное остаточное удлинение в этом случае определяется как

Испытание на растяжение

Испытания на растяжение широко применяют для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов.

При статических испытаниях на растяжение определяются следующие характеристики: предел пропорциональности; предел упругости; предел текучести (условный и физический); временное сопротивление разрыву; истинное сопротивление разрыву; относительное удлинение и относительное сужение после разрыва.

Для испытания на растяжение применяют стандартные образцы как правило круглого (рис. 4) и прямоугольного сечения (рис. 5).

Рис. 4. Круглый образец для испытания на растяжение:

d₀ – начальный диаметр рабочей части цилиндрического образца до разрыва, мм; l₀ – начальная расчетная длина образца (участок рабочей длины до разрыва, на котором определяется удлинение), мм.

Рис. 5. Плоские образцы для испытаний на растяжение:

a₀ – начальная толщина рабочей части плоского образца, мм; b₀ – начальная ширина рабочей части плоского образца, мм; l₀ – начальная расчетная длина образца (участок рабочей длины до разрыва, на котором определяется удлинение), мм.

Цилиндрические образцы берутся диаметром 3 мм и более; образцы плоской формы обычно применяются для испытаний листовых материалов толщиной 0,5 мм и более.

Образцы состоят из рабочих частей и головок, форма и размеры которых соответствует захватам машин.

Для пластичных материалов применяют образцы без головок (рис. 5.5, б), устанавливаемые в зажимы с острыми насечками.

Для хрупких материалов (закаленные и неотпущенные стали, чугун, силикаты, цементы и др.) переходы от головок к цилиндрической части образца выполняются плавными, в виде закруглений большого радиуса.

Места вырезки образцов указываются в технических требованиях на испытываемую продукцию.

При вырезке и обработке образцов принимаются меры против возможного изменения свойств металла образцов вследствие нагрева или наклепа. Образцы, имеющие коробления, трещины, возникающие в результате механической или термической обработки, расслоения, поверхностные дефекты в виде инородных включений, плены и механические повреждения, испытаниям не подвергаются.

Испытательные машины состоят из механизмов нагружения, передачи растягивающей силы, центровки образцов, измерения растягивающего усилия.

На рисунке 6 представлена испытательная машина Р-100 для испытаний образцов на растяжение.

Нагружение образца осуществляется перемещением траверсы 2, связанных с помощью тяг 3 и поперечины 4 с поршнем гидравлического цилиндра 5. Усилие на образце определяется по давлению масла в рабочем цилиндре 5 при помощи специального торсионного силоизмерителя 1. Усилия отсчитываются по трем шкалам с делением от 0 до 20000 кгс (196 кН); от 0 до 50000 кгс (490 кН); от 0 до 100000 кгс (981 кН).

Рис. 6. Статическая машина Р-100 для испытания образцов на разрыв

Графическое изображение зависимости между нагрузкой и деформациями металла представляет собой диаграмму деформирования (см. рис. 3).

Испытательные машины имеют специальные приспособления, которое автоматически фиксируют диаграмму растяжения, т.е. график зависимости между силой, приложенной к образцу, и его абсолютным удлинением. На диаграмме по оси ординат откладываются действующие осевые нагрузки, а по оси абсцисс – абсолютные деформации.

На рисунке 7 представлены типичные диаграммы растяжения различных металлов.

Рис. 7. Диаграммы растяжения:

а – для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом из упругой в пластическую область; б – для некоторых металлов в пластическом состоянии со скачкообразным переходом в пластическую область; в – для хрупких металлов.

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рисунке 8.

Рис.8. Характерные участки и точки диаграммы растяжения

По оси абсцисс откладывают абсолютное удлинение Δl образца, а по оси ординат – значение растягивающей силы Р.

На первом участке диаграммы 0- 1 получаем линейную зависимость между силой и удлинением, что отражает закон Гука. При дальнейшем увеличении силы (за точкой 1) прямолинейная зависимость между Ри Δl нарушается. Точка 1 соответствует пределу пропорциональности, т.е. наибольшему напряжению, при котором еще соблюдается закон Гука. Предел пропорциональности рассчитывается по формуле:

Несколько выше точки 1 находиться точка 1’, соответствующая пределу упругости:

Предел упругости задается и обозначается σ_0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка образца, равного базе тензометра.

За точкой 1’ возникают уже заметные остаточные деформации. В точке 2 диаграммы частицы материала начинают переходить в область пластичности – наступает явление текучести образца. На диаграмме растяжения получается горизонтальный участок 2-3 (площадка текучести), параллельный оси абсцисс. Для участка 2-3 характерен рост деформации без заметного увеличения нагрузки.

Пределтекучести (физический) – это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту площадку:

Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести: напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определенного значения, установленного техническими условиями (большего, чем для предела упругости).

Обычно допуском для величины остаточной деформации при растяжении принято остаточное удлинение 0,2%.

Соответственно условный предел текучести рассчитывается по формул

При увеличении напряжений сверх предела текучести при растяжении в результате сильной деформации происходит упрочнение металла (изменение его структуры и свойств) и сопротивление деформации увеличивается, поэтому за участком текучести, т.е. за точкой 3 наблюдается подъем кривой растяжения (участок упрочнения). До точки 4 удлинение образца происходит равномерно. Наибольшее значение нагрузки, предшествующее разрушению образца, обозначим Р_макс. Точка 4 характеризует максимальное условное напряжение, возникающее в процессе испытания, называемое временным сопротивлением.

В момент, соответствующий нагрузке Р_макс. появляется заметное местное сужение образца (шейка). Если до этого момента образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки.

Участку 4-5 соответствует быстрое уменьшение сучения шейки, вследствие этого растягивающая сила уменьшается, хотя напряжение растет.

При дальнейшей деформации шейка сужается и образец разрывается по наименьшему сечению F_к. где напряжения в действительности достигают наибольшей величины. Таким образом, нарастание пластической деформации при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая деформация до точки 4 и местная пластическая деформация от точки 4 до точки 5 – момент разрушения.

Моменту разрыва соответствует точка 5, усилие разрыва обозначим Р_к. Отношение разрывного усилия к действительной площади сечения в месте разрыва называется истинным сопротивлением разрыву.

У пластичных металлов σ_в является характеристикой сопротивления пластической деформации, а у хрупких – характеристикой сопротивления разрушению.

Показателем пластической деформации является его абсолютное остаточное удлинение при разрыве (отрезок 0А₁ на рис.8), так как упругая деформация (отрезок А₁ А₂ ) исчезает после разрыва.

Относительноесужение после разрыва – это отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца, в процентах:

Образцы для испытаний на растяжение

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА

Цель работы: Изучить сущность характеристик механических свойств, определяемых при испытаниях на растяжение и методику проведения этого испытания.

Выполнить испытание образцов стали и определить предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение и относительное сужение металла после разрыва.

ОБРАЗЦЫ И МАШИНЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА

Испытания на одноосное растяжение - наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств металлов и сплавов - сравнительно легко подвергаются анализу, позволяют по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик материала, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов.

Методы испытаний на растяжение стандартизированы. Имеются отдельные стандарты на испытания при комнатной температуре (ГОСТ 1497 - 84), при повышенных от 35 до 1200°С (ГОСТ 9651 - 84) и пониженных от 10 до -100° С (ГОСТ 11150 - 84) температурах; на испытания на растяжение тонких листов и лент (ГОСТ 11701 - 84). В них сформулированы определения характеристик, оцениваемых при испытании, даны типовые формы и размеры образцов, основные требования к испытательному оборудованию, методика проведения испытания и подсчета результатов.

Для испытаний на растяжение используют образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стрежня с прямоугольным сечением (плоские образцы), форма и размеры которых стандартизированы (рис.1).

Рисунок 1 – Образцы для испытаний на растяжение:

а – цилиндрический образец;

б – прямоугольный образец

В данной работе проводятся испытания на цилиндрических образцах со следующими основными размерами (рис. 1.а):

1. рабочая длина l – часть образца между его головками и участками для захвата с постоянной площадью поперечного сечения;

2. начальный диаметр рабочей части d_о ;

3. начальная расчетная длина l_о – участок рабочей длины, на котором определяется удлинение и которая зависит от начального диаметра d_о .

В производственной практике места вырезки заготовок для образцов, их количество, направление продольной оси образцов по отношению к заготовке указываются в нормативно-технической документации.

Машины для испытаний на растяжение разнообразны. Многие из них универсальны и могут использоваться при проведении других статических испытаний. Современные испытательные машины высшего класса представляют собой сложные, часто автоматизированные устройства; они все чаще оснащаются ЭВМ, при помощи которых может проводиться расчет любых характеристик свойств в процессе испытания или сразу после его завершения.

Разрывные и универсальные испытательные машины должны соответствовать требованиям ГОСТ 288840 - 90.

По принципу действия приводного устройства различают машины с механическим и гидравлическим приводом.

При выполнении лабораторной работы используется универсальная машина с гидравлическим приводом типа ЦД - 4 (рис. 2). Машина может использоваться для проведения испытаний на растяжение, сжатие, изгиб. Максимальная нагрузка - 4 тонны.

Машина состоит из испытательного устройства I и пульта управления II. Испытательное устройство с пультом управления соединено при помощи трубопроводов гидравлической системы, электропроводов и устройства по передаче и измерению деформации 9.

Испытательное устройство в свою очередь состоит из основания 1, направляющих колонн 2, верхней траверсы 3 и нижней траверсы 4. Нижняя траверса перемещается механически и используется для установки образцов перед испытаниями. Верхняя траверса приводится в движение при помощи гидравлической системы и служит непосредственно для проведения испытания. Рабочий цилиндр 5 приводит в движение верхнюю тра

версу. Образец устанавливается в зажимных устройствах 12.

Рисунок 2 – Универсальная гидравлическая машина типа ЦД - 4

В основании 8 пульта управления вмонтированы электродвигатель и насос высокого давления, обеспечивающие работу машины. Измерительная шкала 6 оснащена ведущей и ведомой стрелками; самопишущее устройство 7 позволяет фиксировать диаграмму растяжения в процессе проведения испытаний. Рукоятки переключения 10 служат для перемещения нижней траверсы. Кнопки 11 для включения насоса и приведения в движение верхней траверсы.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПРИ

ИСПЫТАНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ, ДИАГРАММА РАСТЯЖЕНИЯ

При испытаниях на растяжение по результатам одного опыта устанавливается сразу несколько характеристик: характеристики прочности (пределы пропорциональности, упругости, текучести и временное сопротивление разрыву) и характеристики пластичности (относительное удлинение и относительное сужение после разрыва).

В процессе испытания следят за деформацией образца при возрастании нагрузки. Зависимость между их значениями фиксируется на диаграмме, по оси координат которой откладывается нагрузкаР (Н), а по оси абсцисс абсолютное удлинение образца _Dl (%) (рис.3).

Рисунок 3 – Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой

стали (а) и схема определения условного предела

От начала деформации до точки А (нагрузка Р_пц ) удлинение прямопропорционально нагрузке, т.е. на этом участке сохраняет силу закон Гука. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости первого рода Е используемого материала (модуль Юнга). Он определяет жесткость материала, т.е. его способность сопротивляться упругим деформациям.

Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Нагрузка Р_пц является предельной, до которой сохраняется пропорциональность между прикладываемой нагрузкой и деформацией образца. При дальнейшем увеличении нагрузки наступает отклонение от закона прямой пропорциональности.

Напряжение, соответствующее точке А . называют пределом пропорциональности (s_пц ).

Предел пропорциональности – напряжение, которое материал выдерживает без отклонения от закона Гука. Усилие Р_пц определяет величину предела пропорциональности. Приблизительно величину Р_пц можно определить по точке, где начинается расхождение кривой растяжения и продолжения прямолинейного участка.

Обычно допуск при определении s_пц задают по уменьшению тангенса угла наклона, образованного касательной к кривой растяжения в точке А с осью деформации, по сравнению с тангенсом на начальном упругом участке. Стандартная величина допуска 50%.

Предел пропорциональности определяется по формуле, МПа (кгс/мм 2 ):

где F_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Следующая характерная точка на первичной диаграмме растяжения – точка В . Ей отвечает нагрузка, по которой рассчитывают условный предел упругости - напряжение при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05%, иногда меньше - вплоть до 0,005%. Использованный при расчете допуск указывается в обозначении условного предела упругости: s_0,05 .

Предел упругости характеризует напряжение, при котором появляются первые признаки макропластической деформации. В связи с малым допуском по остаточному удлинению даже s_0,05 трудно с достаточной точностью определить по первичной диаграмме растяжения. Поэтому в тех случаях, когда высокой точности не требуется, предел упругости принимается равным пределу пропорциональности. Предел упругости рассчитывается по формуле, МПа (кгс/мм 2 ):

где Р_0,05 – нагрузка, соответствующая указанному остаточному удлинению.

Детали машин необходимо рассчитывать так, чтобы возникающие в них при эксплуатации напряжения не превышали предела упругости.

При дальнейшем повышении нагрузки до Р_т на диаграмме появляется криволинейный участок ВС . который при испытании мягких металлов с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой и сплавов на их основе может перейти в горизонтальный участок. При этом металл как бы “течет” – образец удлиняется без заметного увеличения нагрузки. Эту нагрузку можно зафиксировать по остановке стрелки на шкале силоизмерительного устройства испытательной машины.

Таким образом, наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки, называется пределом текучести (физическим).

Для вычисления физического предела текучести (необходимо указанную выше нагрузку Р_т разделить на начальную площадь поперечного сечения образца F_о . МПа (кгс/мм 2 ):

При испытании многих металлов горизонтальная площадка на диаграмме растяжения не образуется. В этих случаях следует определять условный предел текучести – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца (s_0,2 ), МПа (кгс/мм 2 ):

гдеР_0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное удлинение указанной величины.

Таким образом, предел текучести также характеризует сопротивление металла небольшой пластической деформации (но большей чем предел упругости) и является одной из прочностных характеристик.

При проведении операций обработки металлов давлением нагрузки должны быть не менее предела текучести.

При увеличении напряжений сверх предела текучести при растяжении в результате сильной деформации происходит упрочнение металла (изменение его структуры и свойств) и сопротивление деформации увеличивается, поэтому за участком текучести наблюдается подъем кривой растяжения (участок упрочнения). Наибольшее значение нагрузки, предшествовавшее разрушению образца, обозначается Р_мах . Таким образом, напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующее разрушению образца, называется временным сопротивлением или пределом прочности (s_в )и определяется по формуле, МПа (кгс/мм 2 ):

Для хрупких материалов s_в характеризует сопротивление разрушению, а для пластичных сопротивление значительной пластической деформации. При этом в момент, соответствующий нагрузке Р_мах . появляется заметное местное сужение образца (шейка). Если до этого момента образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки. Это приводит к понижению нагрузки. В точке Е образец разрушается.

У пластичных металлов временное сопротивление является характеристикой сопротивления пластической деформации, а у хрупких – характеристикой сопротивления разрушению.

Для пластичных материалов, образующих при растяжении шейку, характеристикой сопротивления разрушению служит истинное сопротивление разрыву (при разрушении).

Отношение разрывающего усилия Р_к к действительной площади поперечного сечения в месте разрыва F_к называют истинным сопротивлением разрыву (S_к ), которое определяется как соотношение, МПа (кгс/мм 2 ):

При проведении испытаний на растяжение определяются также и характеристики пластичности – относительное удлинение и относительное сужение после разрыва.

Относительным удлинением (d ) называется отношение приращение расчетной длины образца после разрыва (l_к - l_o ) ее первоначальной длине, выраженное в процентах:

Под относительным сужением (y ) понимают отношение разности между начальной площадью поперечного сечения F_o и минимальной площадью поперечного сечения в месте разрыва F_к к его начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:

Следует отметить, что все характеристики прочности и пластичности, определяемые при испытаниях на растяжение, существенно зависят от структуры сплавов, которая в свою очередь определяется их химическим составом, технологией плавки, обработки давлением, термообработки и т.д.

Испытание на растяжение - Лекции и примеры решения задач по термеху, сопромату, технической и прикладной механике, ТММ и ДМ

Цель работы – изучить поведение малоуглеродистой стали при растяжении и определить ее механические характеристики.

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.

Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.

В таких случаях, кроме металлографических исследований, определяются главные механические характеристики на образцах, взятых из зоны разрушения конструкции. Образцы изготавливаются по ГОСТ 1497-84 и могут иметь различные размеры и форму (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Образцы для испытания на растяжение

Между расчетной длиной образца l_о и размерами поперечного сечения А_о (или d_о для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:

- у длинных образцов

- у коротких образцов

В испытательных машинах усилие создается либо вручную - механическим приводом, либо гидравлическим приводом, что присуще машинам с большей мощностью.

Образец, устанавливаемый в захватах машины, после включения насоса, создающего давление в рабочем цилиндре, будет испытывать деформацию растяжения. В измерительном блоке машины есть шкала с рабочей стрелкой, по которой мы наблюдаем рост передаваемого усилия F.

Соответствующие деформации ?l можно наблюдать по линейке на раме машины и стрелке, закрепленной на подвижной траверсе. Эти же данные дублируются на миллиметровке диаграммного аппарата в осях F - ?l (рис. 1.2).

В начале нагружения деформации линейно зависят от сил, потому участок I диаграммы называют участком пропорциональности. После точки В начинается так называемый участок текучести II.

На этой стадии стрелка силоизмерителя как бы спотыкается, приостанавливается, от точки В на диаграмме вычерчивается либо прямая, параллельная горизонтальной оси, либо слегка извилистая линия - деформации растут без увеличения нагрузки. Происходит перестройка структуры материала, устраняются нерегулярности в атомных решетках.

Далее самописец рисует участок самоупрочнения III. При дальнейшем увеличении нагрузки в образце происходят необратимые, большие деформации, в основном концентрирующиеся в зоне с макронарушениями в структуре – там образуется местное сужение - "шейка".

На участке IV фиксируется максимальная нагрузка, затем идет снижение усилия, ибо в зоне "шейки" сечение резко уменьшается, образец разрывается.

При нагружении на участке I в образце возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические - остаточные деформации.

Если в стадии самоупрочнения начать разгружать образец (например, от т. С), то самописец будет вычерчивать прямую СО₁. На диаграмме фиксируются как упругие деформации ?l_у (О₁ О₂ ), так и остаточные ?l_ост (ОО₁ ). Теперь образец будет обладать иными характеристиками.

Так, при новом нагружении этого образца будет вычерчиваться диаграмма О₁ CDЕ, и практически это будет уже другой материал. Эту операцию, называемую наклеп. широко используют, например, в арматурных цехах для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней .

Диаграмма растяжения (рис. 1.2) характеризует поведение конкретного образца, но отнюдь не обобщенные свойства материала. Для получения характеристик материала строится условная диаграмма напряжений, на которой откладываются относительные величины – напряжения ? =F/A₀ и относительные деформации ? = ? l/l₀ (рис. 1.3), где А₀. l₀ – начальные параметры образца.

Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали