Испытания на растяжение и основные характеристики

Механических свойств

Механические испытания при кратковременных испытаниях применяются для оценки прочности деталей и конструкций, подвергающихся быстро нарастающим нагрузкам, и для определения механических свойств пластически деформируемых металлов и сплавов. Как правило, основные испытания материалов проводят в соответствии с ГОСТами, которые устанавливают методы испытаний, определяемые механические характеристики, требования к используемому оборудованию, типы и размеры испытываемых образцов и последовательность их нагружения, порядок обработки результатов испытания и оценки достоверности полученных результатов.

Статическое испытание на растяжение – наиболее распространенный метод механических испытаний конструкционных материалов. Это связано с простотой процедуры, наличием большого парка соответствующего оборудования и высокой практической ценностью получаемой при этом информации, используемой для оценки механического поведения материалов при разных видах нагружения. При испытаниях определяют характеристики прочности и характеристики пластичности. Для получения этих характеристик чаще всего используют универсальные испытательные машины, на которых испытывают на растяжение специально изготовленные образцы. Характер испытаний, применяемые образцы и т.д. стандартизированы. Например, испытания на растяжение при комнатной температуре соответствуют требованиям ГОСТ 1497-84.

При осевом растяжении образца реализуется одноосное напряженное состояние, при котором Ϭ₁ = Ϭ_max, Ϭ₂ = Ϭ₃ = 0, максимальное касательное напряжение τ_max = Ϭ_max /2 и действует в площадках, ориентированных под углом 45^о к направлению Ϭ₁. (Рис.).

Обобщенной характеристикой сопротивления металлов деформированию является диаграмма деформирования, которая строится в координатах Ϭ – ε (Рис.11.) и отражает этапы упругого и упругопластического деформирования до полного разрушения образца. При этом Ϭ определяется условно делением нагрузки Р в данный момент нагружения на начальную площадь сечения образца F₀, а ε – делением текущего значения абсолютного удлинения образца ∆ℓ на начальную его длину ℓ₀. Большинство стандартных прочност-

ных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на этой диаграмме в виде условных растягивающих напряжений.

На практике же в соответствии с требованиями стандарта при растяжении образца графически фиксируется зависимость между приложенным усилием и абсолютным удлинением образца, т.е. механические свойства обычно определяют по первичным кривым растяжения в координатах Р - ∆ℓ (Рис.11.), которые автоматически записываются на диаграммной ленте или в памяти компьютера.

Если же нагрузку относить к действительному в данный момент сечению, то получают значения истинных напряжений. Диаграммы истинных напряжений определять сложнее, но они дают представление о физических процессах, протекающих в материале в процессе деформации и имеют особое значение для прочностных расчетов и технологии обработки металлов давлением. Например, истинные напряжения при разрушении различных материалов и разных структурных состояниях весьма значительно отличаются.

При испытаниях на растяжение можно определить несколько характеристик прочности и пластичности.

1. Предел пропорциональности σ_пц – отвечает напряжению, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой нагрузка - удлинение в точке Р_пц с осью нагрузок увеличивается на 50% от своего значения на упругом участке. На рис.12.7 показано определение σ_пц графическим способом. Из начала координат диаграммы деформации

2. Предел упругости Ϭ_0.05 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0.05% длины участка образца, равного базе тензометра. Размер этого участка на стандартных (по ГОСТ 1497-84) образцах Ф10 мм равен пятикратному диаметру, т.е. 50 мм, и при изготовлении образца фиксируется кернами на боковой поверхности (Рис.12.7).

Предел упругости Ϭ_0.05 можно определить графическим способом на диаграмме деформации в координатах Р - ∆ℓ. Для этого нужно знать масштаб оси деформаций диаграммы (М). На начальном участке диаграммы деформации (Рис.12.8) откладываем в мм размер, равный 50х0.05%хМ (отрезок ОЕ), и проводим линию ЕР, параллельную упругому участку ОА. Координата точки Р на оси ординат соответствует нагрузке Р_0.05. Предел упругости Ϭ_0.05 определяют по формуле:

Ϭ_0.05 = Р_0.05 /F_{0 ,},

где F₀ - площадь первоначального сечения рабочей части образца. Масштаб М можно рассчитать по диаграмме. Для этого необходимо измерить на испытанном образце абсолютное удлинение ∆ℓ и определить на диаграмме длину участка, соответствующую ∆ℓ. Разделив эту длину на ∆ℓ получаем величину масштаба М.

3. Предел текучести Ϭ_Т. Различают физический и условный предел текучести. Физический предел текучести определяют на материалах, диаграммы растяжения которых имеют ярко выраженные зуб и площадку текучести (Кривые 2 и 3 на рис.12.9). На таких материалах определяют: Верхний предел текучести Ϭ_ТВ – напряжение, соответствующее верхнему пику нагрузки до начала текучести образца. Нижний предел текучести Ϭ_ТН – напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.

Большинство диаграмм деформации конструкционных сталей и других технических материалов не имеют ярко выраженной площадки текучести. Для них определяют условный предел текучести Ϭ_0.2 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0.2% длины рабочей части участка между кернами. Ϭ_0.2 можно определить графически (Рис.12.10) по той же методике, что и Ϭ_0.05. При этом условный предел текучести определяется по формуле Ϭ_0.2 = Р_0.2 /F₀.

4. Модуль упругости – физическое свойство материала, характеризующее его упругие свойства. Различают модуль упругости при растяжении- Е и модуль упругости при сдвиге - G. Так как модуль упругости – это фактически приращение напряжения к соответствующему удлинению в пределах упругой области, то Модуль упругости при растяжении – Е можно определить графически на диаграмме деформации. При этом модуль упругости определяют по формуле:

Е = ∆ Р х ℓ₀ /∆ℓ_ср х F₀,

где ∆ Р – приращение нагрузки на линейном участке диаграммы, ℓ₀ – начальная расчетная длина образца (50 мм), ∆ℓ_ср – приращение удлинения (с учетом масштаба М), F₀ - площадь первоначального сечения рабочей части образца.

5. Предел прочности (временное сопротивление) – Ϭ_В – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрыва образца. Временное сопротивление вычисляют по формуле Ϭ_В = Р_max / F₀.

При испытаниях на растяжение можно определить не только характеристики прочности но и пластичность. Характеристиками пластичности являются относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.

6. Относительное удлинение (после разрыва) δ – это характеристика пластичности материала, равная отношению удлинения в момент разрушения к начальной расчетной длине образца, выраженная в процентах. Относительное удлинение определяется по формуле:

δ = [(ℓ_к - ℓ₀) / ℓ₀ ] х 100 (%),

где ℓ_к – длина расчетной части образца (между кернами) в момент разрушения.

7. Относительное сужение (после разрыва) ψ -это отношение разницы между площадью первоначального сечения образца F₀ и площадью его минимального сечения в момент разрушения (в шейке) F_к к площади первоначального сечения образца F₀, выраженная в процентах. Относительное удлинение определяется по формуле:

ψ = [(F₀ - F_к) / F₀ ] х 100 (%).

8. Истинное сопротивление разрушению S_к – определяется путем деления нагрузки, действовавшей непосредственно перед разрывом образца Р_к на площадь сечения в шейке F_к. Истинное сопротивление разрушению S_к характеризует максимальное напряжений в соответствии с диаграммой истинных напряжений.

9. Расчет энергии упругой и пластической деформации осуществляется путем подсчета площадей, расположенных под кривой растяжения (т.е. в координатах Р - ∆ℓ). Этот расчет можно провести для любого момента в процессе разрушения. Упругая энергия А_упр, накопленная в образце, определяется как площадь треугольника между вертикалью из заданной точки и линией, идущей из той же точки параллельно линии нагружения (Рис.11.). Энергия, затраченная на пластическую деформацию в процессе растяжения А_пл, располагается под кривой растяжения слева от этого треугольника.