Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84)

При растяжении стандартных образцов с поперечным сечением F ₀ и рабочей длиной l ₀ (рис.4.1) строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка Р – удлинение образца ∆l (рис. 4.2). На диаграмме выделяют 3 участка: упругой деформации (до нагрузки Р _упр); равномерной пластической деформации (участок Р _упр -Р _max) и сосредоточенной пластической деформации и (Р _max -Р _k ). Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Р _пц. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

На участке от Р _пц до Р _упрнарушается линейная зависимость между Р и ∆l из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Пластическое деформирование выше Р _упр идет при возрастающей нагрузке, т. к. металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р _max до Р _к (рис. 4.2 а). Это объясняется появлением в образце местного утонения – шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется. Об этом свидетельствует диаграмма истинное напряжение σ – деформация ε (рис. 4.2 б). Напряжения σ _упр, σ _т, σ _в - стандартные характеристики прочности. Каждая получается делением соответствующей нагрузки Р _упр, Р _т, Р _max на начальную площадь поперечного сечения F ₀.

Пределом упругости σ _упр называют напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения, установленного условиями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ _0,005, σ _0,02, σ _0,05. Предел упругости - важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих приборов и машин.

Условный предел текучести – это напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%, его обозначают σ _0,2.

Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению:

σ _в= Р _max/ F ₀

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением φ:

δ =[(l _k- l ₀)/ l ₀]100%;

φ =[(F ₀- F _k)/ F ₀]100%,

где l _k – конечная длина образца; l ₀ и F ₀ – начальные длина и площадь поперечного сечения образца; F _k – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше σ _0,2 (обычно в 1,5 раза) или меньше σ_B (в 2,4 раза).

Малопластичные материалы трудно испытывать на растяжение. Их подвергают испытанию на изгиб.

Рис. 4.1. Схема приложения силы при испытании на растяжение

Рис.4.2. Диаграмма растяжения образца длиной l

Испытания на изгиб

При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие напряжения, так и сжимающие напряжения. Поэтому изгиб - более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения, керамику.

Испытания проводят на образцах большой длины, цилиндрической или прямоугольной формы, которые устанавливают на две опоры.

Предел прочности при изгибе вычисляется по формуле:

σ _u= M/W,

где М - наибольший изгибающий момент, W - момент сопротивления сечения.

W = πd² / 32 – для образцов круглого сечения (d - диаметр образца);

W = вh² / 6 – для образцов прямоугольного сечения (в, h – ширина и высота образца).

Для пластичных материалов испытания на изгиб не применяют, т. к. образцы изгибаются до соприкосновения обоих концов.

Испытания на твердость

Твердость- это способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела – индентора.

В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамиды (рис.4.3). При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Пластическую деформацию испытывают не только пластичные, но и хрупкие материалы. Для ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны, т. к. твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации.

На практике широко применяют 4 метода измерения твердости:

- твердость по Бринеллю (НВ);

- твердость по Виккерсу (HV);

- твердость по Роквеллу (HRA, HRC, HRB);

- микротвердость.

Твердость по Бринелю (ГОСТ 9012-59)

В поверхность образца вдавливают закаленный стальной шарик диаметром 10.5 или 2.5 мм, при действии нагрузке от 5000Н до 30000Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d. Его измеряют лупой со шкалой. Число твердости НВ определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка:

HB=2 P / πD (D -√(D ²- d ²)) (без единиц измерения)

где D - диаметр вдавленного шарика, d - диаметр отпечатка.

На практике при измерении твердости расчет по формуле не производят, а используют заранее составленные таблицы, указывающие значения НВ в зависимости от диаметра отпечатка и выбранной нагрузки. Чем меньше d отпечатка, тем выше твердость.

Этот способ используют для материалов малой и средней твердости. Для них установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (в МПа) и числом твердости (НВ).

Рис. 4.3. Испытания на твердость по Бринеллю (а) и Виккерсу (б)