Испытание материала на изгиб и растяжение
Растяжение
Испытание на растяжение позволяет получить достаточно полную информацию о механических свойствах материала. Для этого применяют специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы). На рис. 3.1 представлена схема цилиндрического образца на различных стадиях растяжения. Согласно ГОСТ 1497—84 геометрические параметры образцов на растяжение должны отвечать следующим соотношениям: /() = 2,82У7ф или /0 = = 5,65V^b, или /0 = 1 l,3VTb (гДе — начальная расчетная длина образца, Fq — начальная площадь поперечного сечения расчетной части образца). Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины /0 к начальному диаметру г/0, т.е. /0/б/0, называют кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5,5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью 5.
Рис. 3.1. Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения:
а — образец до испытания (/о и d$ — начальные расчетные длина и диаметр); б — образец, растянутый до максимальной нагрузки (/р и d? — расчетные длина и диаметр образца в области равномерной деформации); в — образец после разрыва (/к — конечная расчетная длина; dK — минимальный диаметр в месте разрыва)
Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рис. 3.2 представлена принципиальная схема типичной испытательной машины, основными элементами которой являются приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.
В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах «нагрузка (Р) — абсолютное удлинение образца (А/)» (рис. 3.3). На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА — прямолинейный, соответствующий упругой деформации; участок ЛВ — криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС — также криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.
В области упругой деформации (участок О А) зависимость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца А/ пропорциональна и известна под названием закона Гука:
где к = EF{)/1() — коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения Е0 и длины /0) и свойств материала (параметр Е).
Рис. 3.2. Схема испытательной машины:
1 — собственно машина; 2 — винт грузовой; 3 — нижний захват (активный); 4 — образец; 5 — верхний захват (пассивный); 6 — силоизмерительный датчик; 7 — пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 — индикатор нагрузок; 9 — рукоятки управления; 10 — диаграммный механизм; 11 — кабель
Рис. 3.3. Схемы машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных материалов:
а — с площадкой текучести; 6 — без площадки текучести
Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Еу тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:
где а = P/F$ — нормальное напряжение; 8 = Д///0 — относительная упругая деформация.
Наряду с модулем нормальной упругости Е существует модуль сдвига (модуль касательной упругости) G, который связывает пропорциональной зависимостью касательное напряжение т с углом сдвига (относительным сдвигом) у:
Еще одним важным параметром упругих свойств материалов является коэффициент Пуассона р, равный отношению относительной поперечной деформации (Ad/d^) к относительной продольной деформации (А///0). Этот коэффициент характеризует стремление материала сохранять в процессе упругой деформации свой первоначальный объем.
От коэффициента Пуассона р зависит соотношение между Е и G:
Как следует из уравнения (3.1), Е больше G, так как для смещения атомов отрывом требуется большее усилие, чем для смещения сдвигом.
Значения модуля нормальной упругости Е, модуля сдвига G и коэффициента Пуассона р для некоторых материалов приведены в табл. 3.1.
При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме
Таблица 3.1
Значения модуля нормальной упругости Еу модуля сдвига G и коэффициента Пуассона р для некоторых материалов
Материал | Е, МПа | G, МПа | ц |
Сталь | 210 000 | 82 031 | 0,28 |
Медь листовая | 113 000 | 42 164 | 0,34 |
Латунь | 97 000 | 34 155 | 0,42 |
Цинк | 82 000 | 32 283 | 0,27 |
Алюминий | 68 000 | 25 564 | 0,33 |
Свинец | 17 000 | 5862 | 0,45 |
растяжения может проявляться небольшой горизонтальный участок, который называют площадкой текучести (АЛ‘ на рис. 3.3, а). На этой стадии деформации в действие включаются новые источники дислокаций, происходят их спонтанное размножение и лавинообразное распространение по плоскостям скольжения. Макроскопическим проявлением этих процессов является образование на рабочей поверхности образца узких полос скольжения, получивших название линий Чернова — Людерса. Эти линии располагаются под углом приблизительно 45° к продольной оси образца по направлению действия максимальных касательных напряжений и отчетливо видны на его полированной поверхности. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести.
С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца. На участке ОЛВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, а на участке ВС деформация практически вся сосредоточена в зоне шейки.
При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.
Показатели прочности материалов характеризуются удельной величиной — напряжением, равным отношением нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим определение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.
Предел текучести (физический) (ат, МПа) — это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:
где Р1 — нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 3.3, а).
Если па машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 3.3, б)у то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.
Условный предел текучести (a0i2, МПа) — это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца[1]:
где Р0 2 — нагрузка, соответствующая остаточному удлинению A/q 2 = 0,002/0.
Временное сопротивление (предел прочности) (ав, МПа) — это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Ршах, предшествующей разрыву образца:
Истинное сопротивление разрыву (5К, МПа) — это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва Рк:
где
Показатели пластичности. Пластичность — одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластич11ости матерналов.
Относительное предельное равномерное удлинение (8р, %) — это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца AL до нагрузки Ртах к ее первоначальной длине /о (см. рис. 3.3, а):
Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное предельное равномерное сужение (|/р, %):
где Рр= ndp/4 — площадь поперечного сечения образца, соответствующая Ртах.
Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить связь между ц/р и 5р в относительных значениях (безразмерном виде):
При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.
Относительное удлинение после разрыва (8, %) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва А/к к ее первоначальной длине:
Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения /0 и (/0, г.е. от кратности образцов. Чем меньше отношение Iq/Fq и кратность образца, тем больше 8. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у 8 указывает на кратность образца1, например 85, 810.
Относительное сужение после разрыва (|/, %) — это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва AFK к начальной площади поперечного сечения:
В отличие от конечного относительного удлинения конечное относительное сужение не зависит от соотношения Iq и Fq (кратности образца), так как в последнем случае деформацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.
Диаграммы условных и истинных напряжений и деформаций. Протяженность первичных диаграмм растяжения вдоль осей координат Р и А/ зависит от абсолютных размеров образцов. При постоянной кратности образца чем больше его длина и площадь поперечного сечения, тем выше и протяженнее первичная диаграмма растяжения. Однако если эту диаграмму представить в относительных координатах, то диаграммы для образцов одной кратности, но разных размеров будут одинаковы. Так, если по оси ординат откладывать условные напряжения а, равные отношению нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения Fq, а по оси абсцисс — условные удлинения 8, равные отношению абсолютного приращения длины образца А/ к его начальной длине /0, то диаграмму называют диаграммой условных напряжений и деформаций (или просто условной диаграммой). На рис. 3.4, а схематически представлена условная диаграмма «а — 8». На этой диаграмме отмечены условный предел текучести сто,2> временное сопротивление ств, конечное условное напряжение ак, условное предельное равномерное удлинение 8р и условное относительное удлинение после разрыва 8К.
Однако более объективную информацию можно получить, если диаграмму растяжения представить в других координатах: «S — г». Истинное напряжение S определяется как отношение текущей на- [2]
Рис. 3.4. Схемы условной (а) и истинной (6) диаграмм растяжения пластичных материалов
грузки Р к текущей площади поперечного сечения F, которое непрерывно уменьшается в процессе растяжения:
Истинное удлинение г учитывает непрерывно изменяющуюся длину образца в процессе его растяжения, и поэтому его можно определить как сумму бесконечно малых относительных деформаций (II/I при переменном /:
Диаграмму в координатах «S — е» называют диаграммой истинных напряжений и деформаций (или просто истинной диаграммой). На истинной диаграмме, как и на условной, можно найти характерные точки, соответствующие истинному пределу текучести[3]5о,2> истинному временному сопротивлению 5В, истинному сопротивлению разрыву 5К, а также истинному предельному равномерному удлинению ?р и истинному конечному удлинению гк (рис. 3.4, б).
Значения предела текучести ат (а02), временного сопротивления а„, предельного равномерного удлинения 8р, истинного сопротивления разрыву 5К, относительных удлинения 85 и сужения у после разрыва для некоторых марок стали представлены в табл. 3.2.
Источник
ГОСТ 14019-2003
(ИСО 7438:1985)
Группа В09
МКС 77.040.10
ОКСТУ 0709
Дата введения 2004-09-01
1 РАЗРАБОТАН Российской Федерацией, Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 145 «Методы контроля металлопродукции»
ВНЕСЕН Госстандартом России
2 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 23 от 22 мая 2003 г.)
За принятие проголосовали:
Наименование государства | Наименование национального органа по стандартизации |
Азербайджан | Азстандарт |
Республика Армения | Армгосстандарт |
Республика Беларусь | Госстандарт Республики Беларусь |
Грузия | Грузстандарт |
Казахстан | Госстандарт Республики Казахстан |
Кыргызская Республика | Кыргызстандарт |
Республика Молдова | Молдовастандарт |
Российская Федерация | Госстандарт России |
Республика Таджикистан | Таджикстандарт |
Туркменистан | Главгосслужба «Туркменстандартлары» |
Узбекистан | Узстандарт |
3 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 7438:1985 «Материалы металлические. Испытание на изгиб». При этом разделы полностью идентичны, а приложение А дополняет их с учетом потребностей национальной экономики указанных выше государств
4 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 20 января 2004 г. N 23-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 14019-2003 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 сентября 2004 г.
5 ВЗАМЕН ГОСТ 14019-80
6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2006 г.
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод определения способности металлических материалов выдерживать пластическую деформацию при изгибе.
Дополнительные требования, отражающие потребности экономики страны, приведены в приложении А.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики
ГОСТ 7564-97 Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний
ГОСТ 28840-90 Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования
ГОСТ 30893.1-2002 (ИСО 2768-1-89) Основные нормы взаимозаменяемости. Общие допуски. Предельные отклонения линейных и угловых размеров с неуказанными допусками
3 Обозначения и определения
Обозначения (рисунки 1 и 2) и наименования параметров приведены в таблице 1.
Рисунок 2
Таблица 1
Обозначение | Наименование параметров |
Толщина или диаметр образца (или диаметр вписанной окружности для образцов многоугольного сечения), мм | |
Ширина образца, мм | |
Длина образца, мм | |
Расстояние между опорами изгибающего устройства, мм | |
Диаметр оправки, мм | |
Угол изгиба, градус | |
Внутренний радиус изогнутой части образца после испытания, мм |
4 Сущность метода
Испытание на изгиб заключается в пластической деформации образца круглого, квадратного, прямоугольного или многоугольного сечения путем изгиба без изменения направления действия силы до достижения заданного угла изгиба.
Оси двух опор при изгибе образца должны оставаться в плоскости, перпендикулярной к направлению действия силы. При изгибе на 180° две боковые поверхности могут, в зависимости от требований стандарта на металлопродукцию, соприкасаться друг с другом или быть параллельными, находясь одна от другой на заданном расстоянии; для контроля этого расстояния применяют прокладку.
5 Аппаратура
5.1 Испытание на изгиб должно проводиться на универсальных испытательных машинах или прессах (ГОСТ 28840), снабженных следующими устройствами:
— изгибающим устройством с двумя опорами и оправкой (рисунок 1);
— изгибающим устройством с V-образной выемкой и оправкой (рисунок 2);
— изгибающим устройством с тисками (рисунок 3).
1 — тиски;
5.2 Изгибающее устройство с опорами и оправкой
5.2.1 Длина опор и ширина оправки должны превышать ширину или диаметр образца. Диаметр оправки определяется нормативным документом на металлопродукцию. Опоры для образца и оправка должны быть достаточно твердыми.
Дополнительные требования к оправке и опорам приведены в приложении А.
5.2.2 Если нет иных указаний, то расстояние между опорами определяют по формуле
, (1)
где — диаметр оправки, мм;
— толщина (диаметр) образца, мм.
Данное расстояние не должно изменяться в течение всего испытания на изгиб.
5.3 Изгибающее устройство с V-образной выемкой и оправкой
Наклонные плоскости V-образной выемкой образуют угол 180°- (рисунок 2). Величина угла устанавливается нормативными документами на металлопродукцию.
Кромки V-образной выемки должны иметь радиус закругления, в 1-10 раз превышающий толщину образца, и должны быть достаточно твердыми.
Дополнительные требования к изгибающему устройству приведены в приложении А.
5.4 Изгибающее устройство с тисками
Устройство состоит из тисков и оправки достаточной твердости; оно может быть снабжено рычагом для приложения усилия к образцу (рисунок 3).
Дополнительные требования к изгибающему устройству приведены в приложении А.
6 Подготовка к испытанию
6.1 Отбор проб, заготовок и образцов — по нормативным документам на металлопродукцию.
Дополнительные требования к отбору заготовок и образцов приведены в приложении А.
6.2 Для испытания применяют образцы круглого, квадратного, прямоугольного или многоугольного сечения. Любые участки материала, подвергавшиеся резке ножницами, пламенной резке или аналогичным операциям во время отбора проб, должны быть удалены. Если такие участки не удалены, допускается проводить испытания образцов на изгиб при условии, что результаты испытаний будут соответствовать нормативным документам на металлопродукцию.
6.3 Кромки образцов прямоугольного сечения должны быть закруглены радиусом не более 0,1 толщины образца. Закругление должно выполняться таким образом, чтобы оно не влекло за собой образование поперечных заусенцев, царапин или вмятин, которые могут отрицательно влиять на результаты испытания.
Допускается проводить испытания на образце с незакругленными кромками при условии, что результаты испытания будут соответствовать нормативным документам на металлопродукцию.
6.4 Если в нормативных документах на металлопродукцию не оговорено иное, ширина образца должна быть следующей:
— при ширине изделия не более 20 мм ширина образца равна ширине изделия;
— при ширине изделия более 20 мм ширина образца составляет (20±5) мм для изделий толщиной менее 3 мм и от 20 до 50 мм — для изделий толщиной 3 мм и более.
6.5 Толщина образцов, отбираемых от листов, полос и фасонных профилей, должна быть равна толщине испытуемого изделия. Если толщина изделия более 25 мм, она может быть уменьшена путем механической обработки одной стороны для получения толщины не менее 25 мм. При изгибе необработанная поверхность должна быть на растягиваемой стороне образца.
6.6 Образцы круглого, квадратного, прямоугольного или многоугольного сечения испытывают на изгиб с поперечным сечением, равным поперечному сечению изделия, при условии, если диаметр образца при круглом поперечном сечении или диаметр вписанной окружности (для многоугольного сечения) не превышает 50 мм. Если диаметр образца или диаметр вписанной окружности более 30 мм, но не более 50 мм включительно, то образец может быть уменьшен до диаметра не менее 25 мм. Если диаметр образца или диаметр вписанной окружности превышает 50 мм, то образец должен быть уменьшен до диаметра не менее 25 мм (рисунок 4).
Рисунок 4
При изгибе необработанная поверхность должна быть на растягиваемой стороне образца. Дополнительные требования к размерам образцов приведены в приложении А.
6.7 При испытании поковок, отливок и полуфабрикатов размеры образцов и место их отбора устанавливают согласованием между потребителем и изготовителем.
6.8 По согласованию между потребителем и изготовителем испытания на изгиб допускается проводить на образцах большей толщины и ширины, чем указано в 6.4-6.6.
6.9 Длина образца зависит от толщины образца и используемого испытательного оборудования.
7 Проведение испытания
7.1 Испытания на изгиб должны проводиться при температуре окружающей среды от 10 °С до 35 °С. При разногласиях в оценке качества металлопродукции испытания должны проводиться при температуре (23±5) °С.
7.2 Испытания на изгиб проводят в соответствии с требованиями одного из следующих методов, указанных в нормативных документах на металлопродукцию:
— до достижения заданного угла изгиба при действии усилия (рисунки 1, 2 и 3);
— до достижения параллельности сторон образца, отстоящих друг от друга на заданном расстоянии при действии усилия (рисунок 5);
— до соприкосновения сторон образца при действии усилия (рисунок 6).
Рисунок 5
7.3 При испытании на изгиб до заданного угла изгиба образец устанавливают на опорах (рисунок 1) или на изгибающем устройстве с V-образной выемкой (рисунок 2) и изгибают посередине между опорами под действием непрерывно возрастающего усилия.
При испытании всеми способами (рисунки 1, 2 и 3) изгибающее усилие должно прилагаться постепенно, чтобы обеспечить свободное пластическое течение металла.
Если указанным выше способом невозможно изогнуть образец непосредственно до заданного угла, то догиб производят путем сжатия концов образца (рисунок 7).
7.4 При испытании на изгиб до параллельности сторон образец сначала изгибают, как указано в 7.3, а затем его помещают между двумя параллельными плоскостями пресса (рисунок 5) и при постоянно возрастающем усилии сгибают до получения параллельности сторон образца. Это испытание может проводиться с прокладкой или без прокладки. Толщина прокладки должна быть равна диаметру оправки.
7.5 При испытании на изгиб до соприкосновения сторон образца (рисунок 6) образец после предварительного изгиба подвергают дальнейшему изгибу между двумя параллельными плоскостями пресса при постоянно возрастающем усилии.
8 Обработка результатов испытания
8.1 Результаты испытания на изгиб оценивают в соответствии с нормативными документами на металлопродукцию. Если такие указания отсутствуют, то отсутствие трещин, видимых невооруженным глазом, служит доказательством того, что образец выдержал испытание на изгиб.
8.2 Угол изгиба, указанный в нормативных документах на металлопродукцию, всегда считается минимальным. Если указывают внутренний радиус изгиба, то он всегда считается максимальным.
9 Протокол испытания
Протокол испытания должен содержать следующую информацию:
— ссылку на настоящий стандарт;
— идентификацию образца (тип материала, номер плавки, направление оси образца относительно изделия);
— форму и размеры образца;
— метод испытания;
— результаты испытания.
ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное). Дополнительные требования, отражающие потребности экономики страны
ПРИЛОЖЕНИЕ А
(обязательное)
А.1 При отсутствии указаний в нормативных документах на металлопродукцию места вырезки заготовок для образцов, их количество, направление продольной оси образцов по отношению к заготовке, размеры припусков при вырезке и механической обработке устанавливают по ГОСТ 7564 или другому нормативному документу на правила отбора проб, заготовок и образцов по согласованию между потребителем и изготовителем.
А.2 При отсутствии указаний в нормативных документах на металлопродукцию диаметр оправки должен быть равен двум толщинам (диаметрам) образца, а радиус закругления опор должен быть не менее толщины (диаметра) образца.
А.3 Рабочие поверхности оправки и опор изгибающих устройств, зажимного приспособления, а также изгибающего устройства с V-образной выемкой не должны иметь смятия. Твердость указанных поверхностей должна быть не менее 50 HRC.
А.4 Испытание металлопродукции толщиной более 30 мм допускается проводить на цилиндрических образцах диаметром (25±0,5) мм.
А.5 Ориентировочную длину образца , мм, определяют по формуле
, (A.1)
где — толщина (диаметр) образца, мм;
— диаметр оправки, мм;
— коэффициент, равный 100-150 мм.
А.6 Шероховатость поверхности образцов после механической обработки должна быть не более 40 мкм по ГОСТ 2789.
А.7 При наличии указаний в нормативных документах на металлопродукцию испытания проводят до появления первой трещины в растянутой зоне образца с определением угла изгиба.
А.8 Перед испытанием допускается правка образца при температуре от 10 °С до 35 °С.
А.9 При испытании до соприкосновения сторон допускается просвет, равный внутреннему радиусу изгиба.
А.10 Испытание на изгиб до появления первой трещины проводят по той же методике, что и изгиб до заданного угла. При любом методе испытания на изгиб скорость перемещения оправки или опор не должна превышать 15 мм/мин.
Момент появления трещины устанавливают невооруженным глазом. Угол изгиба измеряют без снятия усилия.
A.11 Допускается измерять угол изгиба после снятия усилия.
А.12 Предельные отклонения по диаметру и ширине образцов — в соответствии с ГОСТ 30893.1 для класса точности грубый.
А.13 В протоколе испытания должна быть указана толщина или диаметр (или диаметр вписанной окружности для многоугольного сечения) металлопродукции.
Электронный текст документа
подготовлен АО «Кодекс» и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2006
Источник