Что такое испытание на растяжение машин

Лабораторная работа № 1

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

Основные сведения

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 lо и размерами поперечного сечения Ао (или dо для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:

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

В данной работе используется универсальная испытательная машина УММ-20 с гидравлическим приводом и максимальным усилием 200 кН, либо учебная универсальная испытательная машина МИ-40КУ (усилие до 40 кН).

Порядок выполнения и обработка результатов

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.

Зависимость удлинения рабочей части образца от действия растягивающей силы во время испытания отображается на миллиметровке диаграммного аппарата в осях F-Δl (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 Δlу (О1О2), так и остаточные Δlост (ОО1). Теперь образец будет обладать иными характеристиками.

Так, при новом нагружении этого образца будет вычерчиваться диаграмма О1CDЕ, 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 σ=F/A0 и относительные деформации ε=Δl/l0 (рис. 1.3), где А0, l0 – начальные параметры образца.

Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Рис. 1.3. Условная диаграмма напряжений при растяжении

Условная диаграмма напряжений при растяжении позволяет определить следующие характеристики материала (рис. 1.3):

σпц – предел пропорциональности – напряжение, превышение которого приводит к отклонению от закона Гука. После наклепа σпц может быть увеличен на 50-80%;

σу – предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05%. Напряжение σу очень близко к σпц и обнаруживается при более тонких испытаниях. В данной работе σу не устанавливается;

σт – предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформаций при постоянной нагрузке.

Иногда явной площадки текучести на диаграмме не наблюдается, тогда определяется условный предел текучести, при котором остаточные деформации составляют ≈0,2% (рис. 1.4);

Рис. 1.4. Определение предела упругости и условного предела текучести

σпч (σв) – предел прочности (временное сопротивление) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке;

σр – напряжение разрыва. Определяется условное σур и истинное σир=Fр/Аш, где Аш – площадь сечения «шейки» в месте разрыва.

Определяются также характеристики пластичности – относительное остаточное удлинение

δ = (l1 – l0)∙100% / l0,

где l1 – расчетная длина образца после разрыва,
и относительное остаточное сужение

ψ = (А0 — Аш)∙100% / А0.

По диаграмме напряжений можно приближенно определить модуль упругости I рода

E=σпц/ε=tgα,

причем после операции наклепа σпц возрастает на 20-30%.

Работа, затраченная на разрушение образца W, графически изображается на рис. 1.2 площадью диаграммы OABDEO3. Приближенно эту площадь определяют по формуле:
W = 0,8∙Fmax∙Δlmax.

Удельная работа, затраченная на разрушение образца, говорит о мере сопротивляемости материала разрушению w = W/V, где V = A0∙l0 – объем рабочей части образца.

По полученным прочностным и деформационным характеристикам и справочным таблицам делается вывод по испытуемому материалу о соответствующей марке стали

Контрольные вопросы

Испытание материалов на сжатие >
Краткая теория >
Примеры решения задач >

Испытание на растяжение

Что такое испытание на растяжение?

Испытания на растяжение являются одними из наиболее фундаментальных и распространенных методов механического контроля. При испытании на растяжение применяется растягивающее усилие к материалу и измеряется реакция образца на напряжение. Таким образом, данное исследование определяет насколько прочен материал и насколько он может удлиниться. Испытания на растяжение обычно проводятся на универсальных испытательных машинах, которые являются самым простым и стандартизированным способом произвести данное тестирование.

ООО «Глобалтест» представляет такие компании-производители как Galdabini SPA и Jinan Kason Testing Equipment CO. LTD.

С какой целью проводятся данные испытания?

Мы можем многое узнать о материале из испытаний на растяжение. Измеряя образец во время его растяжения, мы можем получить полные характеристики его свойств на растяжение. При нанесении этих данных на график кривой напряжение/деформация мы можем проследить, как материал реагировал на силу напряжение в каждой точке. Для нас наиболее значимой является точка разрушения, в которой образец разрушается, однако на графике также прослеживается предел пропорциональ­ности, предел текучести, которые предшествуют пределу прочности.

Предел прочности при растяжении

Один из наиболее важных свойств, которые мы можем определить у материала, является его предел прочности при растяжении (UTS). Это максимальное напряжение, которое выдерживает образец во время его испытания. UTS может или не может равняться прочности образца на разрыв, в зависимости от того, является ли материал, из которого изготовлен образец, хрупким, пластичным или обладает свойствами обоих. Иногда материал в лабораторных условиях может быть пластичным, а при вводе его в эксплуатацию и воздействии экстремально низких температур переходить в хрупкое состояние.

 Закон Гука

Для большинства материалов в начале испытаний будет прослеживаться линейная зависимость между приложенным усилием или нагрузкой и удлинением. Эта линейная зависимость подчиняется отношению, определяемому как «закон Гука», где отношение напряжения к деформации является постоянным σ/ε = E, где E – это наклон линии в этой области, в которой напряжение σ пропорционально деформации (ε) и называется модулем упругости или модулем Юнга.

Модуль упругости

Модуль упругости – это мера жесткости материала, которая определяется в начальной линейной области кривой. В пределах этой линейной области нагрузка может быть прекращена, и материал в этом случае возвращается к прежнему состоянию, в котором он находился до применения нагрузки. Как только кривая больше не линейна, то закон Гука больше не применяется, и образец уже находится в некоторой деформации. Эта точка, при которой происходит отклонение от линейной зависимости, называется приделом упругости или пропорциональности. С этого момента материал деформируется на любое дальнейшее увеличение нагрузки. Он не вернется к своему первоначальному состоянию, если образец будет снят.

Предел текучести

«Предел текучести» материала определяется как напряжение, приложенное к материалу, при котором начинает происходить пластическая деформация.

Метод смещения

Для некоторых материалов (например, металлов или пластмасс) отклонение от линейной зависимости тяжело идентифицировать. Поэтому для определения данного предела используется метод смещения для определения текучести материала. Эта методика обычно применяется для измерения предела текучести металлов. При испытании металлов в соответствии с ASTM E8 / E8M смещение указывается в процентах от деформации (обычно 0,2%). Напряжение (R), которое определяется из точки пересечения «r», когда линия линейной упругой области (с наклоном, равным модулю упругости), оттянутой из смещения «m», становится пределом текучести.

Альтернативные методы

Кривые растяжения некоторых материалов не имеют четко определенной линейной области. В этих случаях стандарт ASTM E111 предусматривает альтернативные методы определения модуля материала, а также модуля Юнга. Этими альтернативными методами являются секущий и касательный методы.

 Деформация

Мы также сможем определить величину растяжения или удлинения, которому подвергается образец во время испытания на растяжение. Она может быть выражена как абсолютное изменения длины или как относительное изменение, называемое «деформацией». Абсолютная деформация (Δl) — измене­ние размера (длины образца при испытаниях на растяже­ние), относительная деформация (ε) — отношение абсолютной дефор­мации к первоначальной длине (l), т.е. ε = Δl/l.