Основные характеристики испытательного оборудования

Механические свойства материалов определяют на испытательных машинах. Чаще всего используют универсальные испытательные машины, основная цель которых - испытания на растяжение. Однако, используя специальные приспособления можно проводить испытания на сжатие и изгиб, а на некоторых и на малоцикловую усталость. Испытаниям могут подвергаться как цилиндрические, так и плоские образцы. Машины могут оснащаться камерами для высокотемпературных и низкотемпературных испытаний.

Современные универсальные испытательные машины с электромеханическим приводом представляют собой жесткую раму в виде сварного каркаса с подвижной траверсой, управляемой высокоточным серводвигателем переменного тока (Рис.11.). На траверсе установлен датчик силы. Перемещение фиксируется датчиком хода траверсы, а при необходимости получения особо точных данных на образец устанавливается тензометр. Электронная система управления позволяет получать в режиме реального времени всю информацию о сопротивлении металла деформированию. Цифровая система регулирования нагрузки, перемещения и деформации выдает информацию о механических характеристиках в соответствии с действующими зарубежными и Российскими стандартами.

Во многих заводских лабораториях и ВУЗах сохранились и применяются испытательные машины типа Р-10 с маятниковым силоизмерителем. Усовершенствованные машины такого типа оснащены электронной системой фиксации диаграмм растяжения и обработки данных. Все эти машины по сравнению с современными машинами рамной конструкции обладают низкой жесткостью. Жесткость испытательной машины является очень важной ее характеристикой.

В процессе нагружения образца на любой испытательной машине деформация образца сопровождается упругой деформацией частей машины (зажимов, станины, силоизмерительного устройства и т.д.). Жесткостью машины К_м принято называть отношение величины нагрузки Р к абсолютной суммарной упругой деформации нагруженных частей машины ∆ℓ_м, т.е. жесткость характеризует изменение упругой деформации с изменением нагрузки. Величину, обратную жесткости, называют податливостью. Чем больше жесткость, тем меньше упругая деформация частей машины при данной нагрузке.

Графически жесткость двух различных машин можно представить в координатах нагрузка – деформация в виде двух прямых, наклон которых к оси абсцисс различен (Рис.11). Чем больше угол наклона, тем больше жесткость машины. В процессе нагружения при достижении нагрузки Р машина меньшей жесткости К₂ (податливая машина) имеет упругую деформацию ∆ℓ_м2 большую, чем машина большой жесткости К₁ (жесткая машина). При этом упругая энергия, накопленная в нагруженных частях податливой машины А_упр = Р∆ℓ_м2 /2, больше, чем в жесткой (А_упр = Р∆ℓ_м1 /2). В процессе разгрузки при одинаковом уменьшении упругой деформации на величину ∆ℓ^' нагрузка в жесткой машине уменьшается в большей степени (на ∆ Р₁), чем в податливой машине (уменьшается на ∆ Р₂). При этом в податливой машине сохраняется и больший запас упругой энергии (площадь соответствующих трапеций на рис.11.).

В процессе нагружения растягиваемый образец и машину можно рассматривать как две последовательно соединенные пружины разной жесткости. При этом от начала нагружения до разрушения образца части машины деформируются упруго, а в образце при переходе за предел упругости наряду с упругой протекает также и пластическая деформация.

Характер пластической деформации определяется свойствами исследуемого материала. Для пластичных материалов характерен спад нагрузки за максимумом и появление шейки. Силоизмерительное устройство машины должно зафиксировать этот процесс. Для того, чтобы зафиксировать действительные процессы изменения нагрузки в связи с деформацией материала, машина должна быть достаточно жесткой, а силоизмерительное устройство – малоинерционным, при этом надо учитывать соотношение величин жесткости машины и образца.

Жесткость испытательной машины не оказывает влияния на характеристики, определяемые в упругой области и в области равномерной пластической деформации. Существенное влияние жесткости проявляется в пластической области за максимумом нагрузки – на машинах с меньшей жесткостью нагрузка Р_к в момент разрыва оказывается завышенной, и соответственно, будет завышено и истинное сопротивление разрыву Ϭ_к.

 

Порядок выполнения работы

10. Описать механизмы упругой и пластической деформации. Указать, от чего зависит реальная прочность металла, что происходит в процессе пластической деформации и разрушения образца (выполняется студентом в процессе подготовки к лабораторной работе).

11. Зарисовать принципиальную схему машины для испытания образцов на растяжения. Объяснить, как крепятся образцы, как осуществляется измерение нагрузки и удлинения в процессе испытания.

12. Произвести измерение параметров испытанного образца. Сфотографировать его общий вид и характер излома.

13. Скопировать на миллиметровой бумаге предложенную для анализа кривую растяжения испытанного образца. Установить масштаб кривой растяжения по вертикальной и горизонтальной оси.

14. Рассчитать упругую энергию, накопленную в образце, и энергию, затраченную на пластическую деформацию, в произвольной точке кривой растяжения, указанной преподавателем, и заштриховать соответствующие участки.

15. Определить графически предел пропорциональности, предел упругости, условный предел текучести, предел прочности (временное сопротивление), модуль упругости, напряжение в момент разрушения образца, модуль упругости.

16. Рассчитать относительное удлинение и относительное сужение образца, а также абсолютное и относительное удлинение в точках, соответствующих пределу пропорциональности, пределу упругости, условному пределу текучести, пределу прочности.

17. Построить по полученным точкам диаграмму деформирования образца в координатах напряжение–относительная деформация. Указать масштаб по вертикальной и горизонтальной оси.

18. Рассчитать истинное сопротивление разрыву образца.

19. Составить отчет по работе.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.
2. Краткие теоретические сведения по цели работы.
3. Используемые материалы, методики и оборудование.
4. Кривую растяжения предложенного образца.
5. Фотографии образца в разных положениях.
6. Процедуры расчетов характеристик и параметров по пп. 5, 6, 8.
7. Таблица с результатами замеров и расчетов.
8. Диаграмму деформирования, построенную по рассчитанным точкам.
9. Выводы по работе, в т.ч. характеристика свойств исследованной стали и ее сравнение с результатами, полученными другими подгруппами.

 

Таблица 12.1. Измеряемые параметры на образце

Расчетная длина образца ℓ0,мм	Диаметр рабочей части D0, мм	Длина расчетной части в момент разрушения ℓк, мм	Абсолютное удлинение ∆ℓ, мм	Диаметр шейки dк, мм

Таблица 12.2. Рассчитанные характеристики прочности и пластичности

Предел пропорциональности σпц,	Предел упругости σ0.05,	Условный предел текучести σ0.2,	Предел прочности σв,	Относительное удлинение δ, %	Относительное сужение ψ, %	Истинное сопротивление разрыву Sк,	Модуль упругости Е,

 

Контрольные вопросы

15. Какие изменения формы тела вызывают нормальные и касательные напряжения?

16. Как отличить упругую деформацию от пластической?

17. Какие механизмы пластической деформации Вы знаете?

18. Как изменяется структура металла в результате пластической деформации?

19. Как определить степень деформации?

20. Как изменяются свойства металла при наклепе?

7. Почему происходит упрочнение в процессе холодной пластической

деформации?

1. Что такое двойникование и в каких условиях оно происходит?
2. Как ориентированы нормальные и касательные напряжения при растяжении цилиндрического образца?
3. Чем отличается кривая растяжения образца от диаграммы деформирования?
4. Почему σ_0.2 называется условным пределом текучести?
5. Что больше – предел прочности или истинное сопротивление разрыву?
6. Как выглядят кривые растяжения хрупких, пластичных и высокопрочных материалов?
7. Что характеризует площадь под кривой растяжения?
8. Как определить упругую энергию, накопленную в образце в процессе испытания на растяжение?
9. Чем отличаются условные напряжения от истинных?
10. Чем характеризуется жесткость испытательной машины?
11. По какой характеристике из рассчитанных в лабораторной работе можно судить о жесткости анализируемой стали?
12. Чем жесткость отличается от податливости?

Механические свойства материалов определяют на испытательных машинах. Чаще всего используют универсальные испытательные машины, основная цель которых - испытания на растяжение. Однако, используя специальные приспособления можно проводить испытания на сжатие и изгиб, а на некоторых и на малоцикловую усталость. Испытаниям могут подвергаться как цилиндрические, так и плоские образцы. Машины могут оснащаться камерами для высокотемпературных и низкотемпературных испытаний.

Современные универсальные испытательные машины с электромеханическим приводом представляют собой жесткую раму в виде сварного каркаса с подвижной траверсой, управляемой высокоточным серводвигателем переменного тока (Рис.8.). На траверсе уста

Порядок выполнения работы

1. Описать механизмы упругой и пластической деформации. Указать, от чего зависит реальная прочность металла, что происходит в процессе пластической деформации и разрушения образца (выполняется студентом в процессе подготовки к лабораторной работе).

2. Зарисовать принципиальную схему машины для испытания образцов на растяжения. Объяснить, как крепятся образцы, как осуществляется измерение нагрузки и удлинения в процессе испытания.

3. Произвести измерение параметров испытанного образца. Сфотографировать его общий вид и характер излома.

4. Скопировать на миллиметровой бумаге предложенную для анализа диаграмму растяжения испытанного образца. Установить масштаб диаграммы растяжения по вертикальной и горизонтальной оси.

5. На машинных диаграммах измерить и рассчитать характерные нагрузки и удлинения;

рассчитать: предел упругости Ϭ_0.05, условный предел текучести Ϭ_{0.2 ,} модуль упругости

при растяжении – Е, предел прочности (временное сопротивление) – Ϭ_В, относительное

удлинение (после разрыва) δ, относительное сужение (после разрыва) ψ;

6. Построить диаграммы растяжения в координатах: напряжение – относительное удли-

нение.

7. Сравнить характеристики прочности и пластичности различных сталей, составить

обобщенную таблицу и сделать выводы по результатам сравнения.

8. Составить отчет по работе.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.
2. Краткие теоретические сведения по цели работы.
3. Используемые материалы, методики и оборудование.
4. Фотография образца.
5. Первичная (машинная) диаграмма растяжения.
6. Таблица с результатами замеров и расчетов на образце и первичной диаграмме
7. Таблица с данными для построения диаграммы растяжения в координатах напряжение-деформация.
8. Диаграмма растяжения в координатах напряжение-деформация на миллиметровой бумаге.

9. Сравнительная таблица (Таблица 8.1) с результатами механических испытаний сталей

всей группы.

10. Выводы по работе.

 

Таблица 8.1

 

 

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются нормальные напряжения от касательных?

2. Что такое пластичность металлов?

3. Как осуществляется пластическая деформация?

4. Как и за счет чего осуществляется упрочнение при деформации?

5. Что такое предел упругости и как его рассчитать?

6. Опишите понятие «физический предел текучести». Чем отличается верхний и нижний

пределы текучести?

7. Чем отличается условный предел текучести от физического?

8. Как рассчитывается условный предел текучести?

9. Что собой представляют первичные (машинные) кривые растяжения?

10. Чем отличается диаграмма деформирования от первичной кривой растяжения?

11. Что такое модуль упругости Е и как его рассчитать?

12. Что такое предел прочность и как его рассчитать?

13. Что такое относительное удлинение и как его рассчитать?

14. Что такое относительное сужение и как его рассчитать?

15. Опишите схему устройства современной испытательной машины.

16. Что такое жесткость испытательной машины?

17. Какие характеристики механических свойств зависят от жесткости испытательной

машины?

18. Что такое истинное сопротивление разрыву Ϭ_к и как его определить?

Для поверхности изломов образцов, испытанных на растяжение, характерны три зоны:

1) волокнистая зона;

2) радиальная зона;

3) зона среза.

Эти три зоны схематически показаны на рис. 3.10.

Изломы, имеющие только одну зону, образуются при условии лишь очень большой вязкости или хрупкости.

Рис. 3.10 Схематическое изображение зон типичного излома, образующегося при растяжении цилиндрического гладкого образца. Поверхности волокнистой и радиальной зон обычно перпендикулярны к оси растяжения. Поверхность зоны среза всегда находится под углом ~49^˚ к оси растяжения: 1 – волокнистая зона; 2 – радиальная зона; 3 – зона среза

 

На большинстве поверхностей излома различаются две или все три зоны в одной из следующих последовательностей:

1) волокнистая зона и зона среза (рис. 3.11);

2) волокнистая и радиальная зоны и зона среза (рис. 3.12);

3) радиальная зона и зона среза (рис. 3.13).

Рис. 3.11 Излом образца стали 40ХН2МА после испытания на растяжение при 120^˚С.

 

Состоит из волокнистой зоны и зоны среза. Структура стали – отпущенный мартенсит; твердость НRC 46. Излом начался в центре волокнистой зоны, которая имеет четкую границу, очерчивающую эту зону по периферии. Внешнее кольцо – зона среза (кратность увеличения – 11 раз)

а б

Рис. 3.12 Поверхность изломов двух образцов из стали 40ХН2МА с различной структурой после испытания на растяжение.

 

На обоих изломах имеются волокнистая и радиальная зоны, а также зона среза (кратность увеличения – 13 раз): а – сталь имела перлитную структуру, твердость НRC 15, предел текучести 483 МПа; центральная зона – волокнистая без какой-либо преимущественной ориентировки; в зоне, окружающей центральную и ограниченной снаружи зоной среза, имеются радиальные рубцы; б – сталь имела структуру, соответствующую закалке и высокому отпуску на твердость НRC 28; внутренняя волокнистая зона очерчена четкой округлой границей; промежуточная зона имеет грубые радиальные рубцы; внешнее кольцо – зона среза

Волокнистая зона. Эта зона отвечает области медленного роста трещины. Она расположена в центре излома и окружает очаг разрушения, который обычно находится на оси растяжения или рядом с ней. Эта зона состоит из области случайно расположенных волокон (рис. 3.12, а) или из серий тонких круговых борозд (рис. 3.11 и 3.12, б).

Рис. 3.13 Излом гладкого образца стали 40ХН2МА после испытания на растяжение при температуре 196^˚С.

 

Состоит из радиальной зоны и зоны среза. Структура стали –отпущенный мартенсит. Твердость НRC 35. Волокнистая зона отсутствует. Радиальные рубцы занимают почти всю площадь излома, за исключением узкой зоны среза (кратность увеличения – 12 раз)

Очаг излома расположен в центре волокнистой зоны. Обычно различить его можно по несплошности – часто по включению или скоплению включений. Изредка их можно видеть при малом увеличении (кратность увеличения – приблизительно в 5 раз) в вершине конуса.

Борозды расположены перпендикулярно к направлению распространения трещины – от очага к периферии образца. Область случайно расположенных волокон типична для железа промышленной чистоты и обычных углеродистых сталей. Круговые борозды наиболее часто наблюдаются в изломах низколегированных сталей, титановых сплавов и других металлов промышленной чистоты. Эти признаки присущи стабильным субкритическим трещинам, распространение которых требует затраты относительно высокой энергии. Фрактографическое исследование стали 4340 показало, что при различных уровнях прочности и температурах испытаний распространение трещины в волокнистой зоне происходит в результате слияния микропор (при разрушении перемычек между ними). Это можно видеть только при очень больших увеличениях, получаемых с помощью оптического микроскопа.

Радиальная зона. При переходе трещины от медленного роста к быстрому или нестабильному ее распространению образуются радиальные рубцы, которые совпадают с общим направлением распространения трещины. Эти расходящиеся рубцы начинаются либо от периферии волокнистой зоны (рис. 3.12), либо при отсутствии этой зоны (т. е. при непосредственном нестабильном распространении трещины) – от самого очага излома (рис. 3.13). Точкой, в которой сходятся радиальные рубцы, является очаг излома. Эти рубцы могут быть тонкими или грубыми в зависимости от микроструктуры материала или температуры испытания. В высокопрочных сталях со структурой отпущенного мартенсита радиальные рубцы на поверхностях излома тонкие. Наоборот, изломы сталей средней прочности с мартенситными структурами имеют грубые радиальные рубцы, когда эти стали разрушены при комнатной или близкой к ней температуре. При снижении температуры испытания радиальные рубцы на поверхности излома тех же сталей резко изменяются: они становятся тонкими.

Грубые радиальные рубцы на изломах сталей (наблюдаемые в относительно узком температурном интервале) являются элементами сдвига, иногда называются радиальным сдвигом. Вдоль борозд или гребней этих радиально сдвинутых элементов можно наблюдать продольные расщепления. Эти расщепления могут быть вызваны высокими нормальными растягивающими напряжениями в результате разделения радиальных поверхностей вдоль плоскости максимального сдвига.

Тонкие радиальные рубцы не свидетельствуют о сдвиговом механизме разрушения. Считается, что тонкие радиальные рубцы на поверхностях излома стали 4340 указывают, главным образом, на наличие квазискола или межзеренного излома, или того и другого одновременно.

Обычно радиальные рубцы на изломах разрывных образцов прямолинейны. Если волокнистая зона мала или отсутствует и если очаг излома находится на значительном расстоянии от оси растяжения, то радиальные рубцы перестают быть прямолинейными и искривляются по направлению к свободной поверхности или к зоне среза (рис. 3.14).

Рис. 3.14 Поверхность излома разрывного образца стали 40ХН2МА с искривленными радиальными сдвиговыми рубцами.

 

Испытание на растяжение при комнатной температуре. Структура стали – отпущенный мартенсит. Твердость НRC 28(кратность увеличения – 14 раз)

Так как линии на поверхности излома связаны с деформацией и распространением трещины, их внешний вид существенно зависит от вязкости металла. Внешние условия, которые влияют на вязкость (например, температура), оказывают воздействие также и на объем вовлеченного в деформацию металла. Когда этот объем уменьшается, радиальные рубцы становятся менее рельефными. Для очень хрупкого металла величина деформации весьма мала, и трещина проходит по плоскостям скола в направлениях, определяемых структурой каждого отдельного зерна. В этих случаях трещина распространяется путем скола или межзеренного разрушения либо по обоим механизмам.

Если металл имеет достаточно крупнозернистое строение, то отдельные детали рельефа излома могут быть идентифицированы макроскопически. Если металл имеет мелкозернистое строение, то детали, необходимые для идентификации рельефа, можно наблюдать только при больших увеличениях.

В ряде случаев радиальная зона может составлять полную поверхность излома без макроскопических деталей. Такой внешний вид излома указывает на чрезвычайную хрупкость материала и в зависимости от микроструктуры, содержания углерода и величины зерна может возникать при очень низких температурах у некоторых низколегированных сталей, при несколько более высоких температурах ‑ у простых углеродистых сталей и при комнатной температуре может проявляться у некоторых жаропрочных сплавов.

Зона среза. Следующая зона, образующаяся при разрушении, ‑ зона среза. Она состоит из ровного кольцеобразного участка, смежного со свободной поверхностью образца. В общем, величина зоны среза зависит от напряженного состояния и свойств металла. Возможны четыре типа образования зон среза, три из которых переходные, а именно:

1) зона среза;

2) волокнистая зона, переходящая в зону среза;

3) волокнистая зона, переходящая в радиальную зону, которая в свою очередь переходит в зону среза;

4) радиальная зона, переходящая в зону среза.

Каждый из этих типов может быть получен при использовании образца определенного диаметра, имея в виду, что при изменении диаметра образца изменяется напряженное состояние. При этом ширина зоны среза обычно не изменяется, но сильно меняется ее доля по отношению к общей площади излома (в процентах). Внешние условия при разрушении влияют таким образом, что с уменьшением вязкости снижается доля зоны среза в изломе любого из трех переходных типов, описанных выше.

Отсутствие зоны среза при испытании гладких образцов возможно только в ограниченном числе случаев перехода в зону среза от радиальной зоны и только когда металл находится в чрезвычайно хрупком состоянии.

 

 

Лабораторная работа № 12