Испытание материалов на растяжение

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение производится на образцах двух типов:
цилиндрических и плоских.

Цилиндрические образцы могут быть нормальные (с расчетной
длиной lрасч=10d) и
укороченные (с lрасч=5d).
Для плоских образцов при вычислении расчетной длины образца используется
диаметр круга, равновеликого поперечному сечению рабочей части образца.

В процессе растяжения, реализуемого на специальных
испытательных машинах, автоматически записывается диаграмма испытания в
координатах сила – удлинение (рабочая, или индикаторная диаграмма). Для
малоуглеродистой стали эта диаграмма выглядит следующим образом:

Рассмотрим основные участки диаграммы.

OB – участок упругости.

После нагружения в пределах этого участка образец
возвращается в исходное состояние. Такая деформация, полностью исчезающая после
разгрузки, называется упругой. Механизм упругой деформации – изменение
расстояния между атомами.

BC – участок общей текучести (площадка текучести).

На этом участке на поверхности образца появляется сетка линий,
направленных под углом приблизительно 45° к оси растяжения – линии
Чернова-Людерса. Эти линии свидетельствуют о появлении нового механизма
деформации, заключающегося в сдвиге атомных слоев друг относительно друга.
Из-за этих сдвигов после разгрузки образец не возвращается в исходное
состояние, приобретая остаточную, или пластическую, деформацию. Пластическая
деформация сопровождается нагревом образца, изменением его электропроводности и
магнитных свойств, а также акустическим излучением.

CD – участок упрочнения.

Пластическая деформация изменяет внутреннюю структуру
материала, в результате чего образец снова проявляет сопротивление
деформированию, и растягивающая сила повышается.

DK – участок местной текучести.

Точка D диаграммы соответствует появлению на образце
локального сужения – шейки. Дальнейшая деформация локализуется в этой области,
и за счет уменьшения площади поперечного сечения необходимая для растяжения
сила снижается. Точка K соответствует разделению образца на части. Разрыв
происходит в самом тонком месте шейки.

Чтобы исключить влияние геометрических размеров образца,
рабочая диаграмма перестраивается в условную (в координатах напряжение –
деформация:

Полученная диаграмма называется условной потому, что при
вычислении напряжения и деформации сила и удлинение относятся не к
действительным, а к начальным значениям соответственно площади поперечного
сечения и длины образца.

На условной диаграмме выделяют следующие характерные точки:

sпц
– предел пропорциональности: максимальное напряжение, до которого справедлив
закон Гука (т.е. наблюдается прямая пропорциональная зависимость между
напряжением и деформацией);

sу
– предел упругости: максимальное напряжение, до которого в материале не
возникает пластических деформаций;

sт
– предел текучести: напряжение, при котором наблюдается рост деформации при
постоянном напряжении;

sв
– предел прочности (или временное сопротивление разрыву): максимальное
напряжение, которое может выдержать образец без разрушения.

В момент разрыва истинное напряжение, отнесенное к
действительной площади сечения, существенно выше предела прочности.

За пределами участка упругости в любой точке диаграммы
полная деформация εполн состоит из упругой εупр
и пластической εпл составляющих:

Если прекратить нагружение в точке G и снять нагрузку, то
разгрузка произойдет по закону Гука, т.е. по линии, параллельной участку
упругости (отрезок GO1). Таким образом, отрезок OO1
определяет величину остаточной деформации образца, а отрезок O1O2 – величину
упругой деформации на момент разрыва.

Механические характеристики материалов

Механические характеристики материалов, определяемые при
растяжении, можно разделить на три группы.

1. Характеристики упругих свойств.

Модуль упругости первого рода (модуль Юнга).

Модуль Юнга характеризует жесткость материала (физический
смысл) и равен тангенсу угла наклона участка упругости OB условной диаграммы к
оси абсцисс E = tga
(геометрический смысл). Для основных марок стали E = 2·105 МПа, для
меди E = 1,2·105 МПа, для алюминия E = 0,7·105 МПа.

Коэффициент Пуассона.

Удлинению стержня при растяжении в продольном направлении
сопутствует сжатие в поперечном направлении:

При этом относительная линейная деформация определяется как

,

а относительная поперечная
деформация –

.

За коэффициент Пуассона принимают модуль отношения
поперечной деформации к продольной:

.

Коэффициент Пуассона изменяется от 0 (для пробки) до 0,5
(для резины). Для основных марок стали .

Иногда к характеристикам упругости относят также предел
пропорциональности sпц и
предел упругости sу.

2. Характеристики прочности:

– предел текучести sт,

– предел прочности sв.

Если диаграмма растяжения не имеет площадки текучести, то
определяют условный предел текучести s0,2
– напряжение, соответствующее величине остаточной деформации 0,2%.

Для некоторых материалов величину условного предела
текучести определяют при остаточной деформации 0,5% (s0,5). Используется также понятие условного предела
упругости s0,001 или s0,005 – напряжение,
соответствующее величине остаточной деформации 0,001 или 0,005%.

3. Характеристики пластичности.

Относительное остаточное удлинение при разрыве:

,

где l0 – начальная
длина образца (до испытания), lк – конечная длина образца
(после разрушения).

Относительное остаточное удлинение при разрыве можно
определить непосредственно по диаграмме растяжения, проведя из точки разрыва
линию, параллельную участку упругости, до пересечения с осью абсцисс (отрезок
OL):

Относительное остаточное сужение при разрыве:

,

где A0 и Aш –
площадь поперечного сечения рабочей части соответственно до и после испытания
(в месте образования шейки).

Испытание на сжатие

При испытании на сжатие металлов используются цилиндрические
образцы с отношением высоты к диаметру 1…3:

Для строительных материалов используются кубические образцы
с длиной грани 100 или 150 мм.

Испытание на сжатие используется редко в силу того, что
между плитами испытательной машины и торцевыми поверхностями образца возникает
сила трения, нарушающая одноосное напряженно-деформированное состояние, в
результате чего определяемые характеристики прочности не могут использоваться в
расчетах на прочность. Для устранения силы трения используются следующие
приемы:

• нанесение парафинового слоя на
  торцевые поверхности образца;
• использование плиты
  специальной конструкции.

Угол конуса рассчитывают таким, чтобы расклинивающая сила
компенсировала силу трения.

Пластичные и хрупкие материалы

По величине относительного остаточного удлинения при разрыве
принято различать:

— пластичные материалы – способные получать без
разрушения большие остаточные деформации (d > 10%);

— хрупкие материалы – способные разрушаться без
образования заметных остаточных деформаций (d < 5%).

При испытаниях на растяжение:

1 –
пластичный материал;

2 –
хрупкий материал.

Пластичные и хрупкие материалы отличаются также по характеру
разрушения. Пластичные материалы перед разрывом образуют заметную шейку, а
разрушение происходит под углом примерно 45° к оси растяжения (последнее хорошо
видно на плоских образцах). Хрупкие материалы разрушаются по плоскости,
нормальной оси растяжения, практически без образования шейки.

Сравним результаты испытаний на растяжение и сжатие для
пластичных материалов:

1 –
растяжение;

2 –
сжатие.

Считается, что для пластичных материалов пределы текучести
при растяжении и сжатии равны друг другу: sтр»sтс.

Другой особенностью испытания на сжатие пластичных
материалов является то, что их не удается довести до разрушения, т.к. они
сплющиваются в тонкий диск. По этим причинам пластичные материалы на сжатие
практически не испытывают.

Для хрупких материалов диаграммы испытаний на растяжение и
сжатие подобны друг другу:

1 –
растяжение;

2 –
сжатие.

Хрупкие материалы при испытании на сжатие разрушаются, при
этом оказывается, что предел прочности при растяжении меньше, чем при сжатии: sвр<sвс.

Существует также группа материалов, которые способны при
растяжении воспринимать большие нагрузки, чем при сжатии. Это в основном
волокнистые материалы, а из металлов – магний.

Для волокнистых материалов характерна анизотропия
механических свойств. Например, при испытаниях на сжатие дерева:

1 –
дерево вдоль волокон;

2 –
дерево поперек волокон.

Наклеп. Эффект Баушингера. Гистерезис

Если нагрузить образец до точки G, а затем произвести
разгрузку, то при повторном нагружении диаграмма растяжения пойдет по пути O1GK:

Явление повышения прочностных свойств материала (sпц, sу и sт)
и снижения пластических (d) в
результате предварительного нагружения выше предела текучести называется
наклепом (или деформационным упрочнением). Если после такого нагружения
выдержать образец в течение 100 и более часов, то при этом повышается и предел
прочности. Это явление называется естественным старением.

Наклеп может быть частично или полностью устранен
термической обработкой.

При сжатии нагружение выше предела текучести, так же, как и
при растяжении, вызывает явление наклепа. Однако наклеп, вызванный растяжением,
снижает sпц и sт при сжатии. Это явление
называется эффектом Баушингера.

Если рассмотреть диаграмму растяжения при большом разрешении
по оси деформаций, то станет заметно, что линии разгрузки GO1 и
нагрузки O1G образуют петлю – петлю гистерезиса:

Явление гистерезиса можно определить как необратимую потерю
энергии деформации в результате несовпадения кривой нагружения с кривой
разгрузки. При свободных колебаниях гистерезис является причиной постепенного
затухания колебательного процесса.

При анализе диаграмм растяжения и сжатия явлением
гистерезиса пренебрегают.

Лабораторная работа № 9

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы

Изучить методику проведения испытаний на растяжение для определения механических свойств различных материалов.

Рабочее задание

Провести испытания на растяжение различных материалов и определить показатели прочности и пластичности.

Оборудование и материалы

Виртуальный лабораторный комплекс, испытательная машина УММ-5,

штангенциркуль, образцы различных металлических материалов.

Теоретические основы испытания материалов на растяжение

Действие силы вызывает деформацию твердого тела, и в нем возникают напряжения. Напряжение является удельной величиной и определяется как отношение силы, действующей на тело, к площади его сечения:

σ = F/A0, (Па, МПа),

где F – сила, A0 – площадь поперечного сечения образца, м2 (рис. 7);
A0 = πd02/4, d0 – начальный диаметр образца, м.

Напряжение в системе СИ выражается в Н/м2 или МН/м2, т.е. МПа. На практике может быть использована размерность кгс/мм2, (1 кгс/мм2 =
= 9,81 МПа);1 кгс = 9,8 Дж; 1 кгс/см2= 0,1МПа; 1МПа = 1000000 Па;
1 Па = 1Н/м2; 1 МПа = 1Н/мм2 = 10 кгс/см2.

Деформацией в механике называется процесс изменения взаимного расположения каких-либо точек твердого тела. Деформация может быть обратимой (упругой), исчезающей после снятия нагрузки, и необратимой – остающейся после снятия деформирующего усилия. Необратимую деформацию называют пластической или остаточной. При определенных условиях нагружения деформация может закончиться разрушением.

Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий.

Рис. 1. Схема процесса деформации

Даже незначительное усилие вызывает упругую деформацию, которая в чистом виде наблюдается только при нагрузках до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от нагрузки и упругим изменениям межатомных расстояний. При нагрузках выше точки А в отдельных зернах металла, ориентированных наиболее благоприятно относительно направления деформации, начинается пластическая деформация. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает и увеличение упругой, и пластической деформации (участок АВ). При нагрузках точки В возрастание упругой деформации прекращается. Начинается процесс разрушения, который завершается в точке С.

Механические свойства материалов: прочность, твердость, пластичность, вязкость, упругость определяются при различных условиях нагружения и разных схемах приложения усилий. Широко распространено испытание материалов на растяжение, по результатам которого можно определить в частности показатели прочности и пластичности материала.

Показатели прочности

Сопротивление малым пластическим деформациям характеризуют предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести.

Предел пропорциональности σпц – напряжение, до которого материал деформируется строго упруго, то есть соблюдается закон Гука σ = Еε,где Е – модуль упругости (модуль Юнга. Это структурно нечувствительная величина).

σпц = Fпц/A0,

где Fпц – нагрузка, при пределе пропорциональности.

Предел упругости σу– наибольшее напряжение, до которого в материале не обнаруживается признаков пластической деформации;

σу = Fу/A0.

Физический предел текучести σт – это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки:

σт = FТ/A0.

Если на кривой деформации отсутствует четко выраженная площадка текучести (рис. 4,а), то определяют условный предел текучести.

Условный предел текучести σ0,2 – это напряжение, при котором остаточное удлинение (необратимая пластическая деформация) составляет 0,2% длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Сопротивление значительным пластическим деформациям (для пластичных материалов) характеризуется пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление) σв – это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрыву образца:

σв = Fв/A0,

где Fв – нагрузка, соответствующая точке В.

Показатели пластичности

Относительное удлинение после разрыва δ – это отношение приращения расчетной длины образца (lk– l0) после разрушения (рис. 6.) к начальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:

Для определения длины расчетной части lk после разрыва части образца плотно прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между метками, которые ограничивали начальную расчета длину.

Относительное сужение ψ – это отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения в шейке образца (F0 – Fк) к начальной площади сечения F0, выраженное в процентах:

где F0 и Fk – площади поперечного сечения образца до и после испытания соответственно.

Для проведения испытаний используются следующие образцы (рис. 3):

Рис. 3. Образцы для испытаний: а – круглый образец; б – плоский образец;

L – общая длина; l – рабочая длина; l0 – начальная расчетная длина; d0– диаметр образца до испытания; а – толщина; b – ширина; R – радиус скругления.

Диаграмма растяжения

Вид диаграммы растяжения зависит от природы материала и от его структурного состояния (рис. 4).

Рис. 4. Виды диаграмм растяжения различных материалов:

а – для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом

из упругой области в пластическую (медь, бронза, легированные стали);

б – для некоторых металлов в пластичном состоянии со скачкообразным переходом

в пластическую область (малоуглеродистая сталь, некоторые отожженные бронзы);

в – для хрупких материалов (чугун, стекло, закаленная и неотпущенная сталь, силумин)

Рассмотрим стадии растяжения малоуглеродистой стали (рис. 4,б).

Вначале до точки А зависимость между нагрузкой и удлинением изображается прямой линией, т.е. наблюдается прямая пропорциональность между удлинением и нагрузкой. Интенсивность возрастания нагрузки с ростом удлинения характеризует жесткость материала.

Ордината точки А соответствует нагрузке при пределе пропорциональности Рпц. До предела пропорциональности в образце возникают только упругие деформации. При дальнейшем растяжении образца начинается заметное отклонение линии от первоначального направления, приводящее в случае малоуглеродистой стали к появлению на диаграмме горизонтального или почти горизонтального участка. Это означает, что образец удлиняется без заметного возрастания растягивающей нагрузки. Материал как бы течет, поэтому нагрузка Рт, соответствующая горизонтальному участку (точка В), называется нагрузкой при пределе текучести.

В период течения в образце происходит пластическая деформация, возрастает количество дислокации и других дефектов. В результате этого металл упрочняется. Поэтому при дальнейшем растяжении нагрузка вновь начинает увеличиваться и достигает значения Рмах, соответствующего ординате максимально удаленной точки С на кривой растяжения. При нагрузке Рмах деформация образца локализуются, начинает образовываться шейка – местное уменьшение сечения. Нагрузку Рмахназывают нагрузкой на пределе прочности, или нагрузкой временного сопротивления. При нагрузке, соответствующей точке К, происходит разрыв образца.

Нагрузки Рпц, Рт, Рмах и т.п. являются характеристиками данного образца. Свойства же материала характеризуют другими показателями.

Описание метода эксперимента

Последовательность действий следующая:

1. Взять образец со стола (рис. 5);

2. Установить образец между кулачками (рис. 6);

3. Включить УММ-5 (кнопка внизу «красная» — включить, «белая» — выключить);

4. Установить передачу (рис. 7);

Рис. 5. Стол с образцами Рис. 6. Зажатый образец

5. Нажать кнопку «ВНИЗ». Образец начнет растягиваться.

Рис. 7. Кнопки электромеханического привода и рычаг коробки скоростей

При растягивании шкала показывает данные (рис. 8). Управление пассивной стрелкой происходит от рукоятки посередине шкалы (вращая рукоятку, можно вращать стрелку). Во время работы из диаграммного аппарата «выезжает» лист с диаграммой (рис. 9).

Рис. 8. Шкала динамографа: 1 – рукоятка управления пассивной стрелкой;

2 – активная стрелка (связана с замером); 3 – пассивная стрелка

6. Постепенно образец в середине становится тоньше и длиннее за счет растяжения. В конце испытания образец рвется;

7. Затем необходимо выключить УММ–5 (кнопка «СТОП»), либо машина выключится сама;

8. Вытащить образец, и положить его на стол для замера (две половинки образца ложатся друг к другу, образуя «целый» образец). Замер будет производиться при помощи штангенциркуля (рис. 10);

9. Взять со стола штангенциркуль и указать на образец. Одной губкой штангенциркуль встанет к месту замера на образце, а вторую можно двигать, тем самым производя замер в месте обрыва;

10. Снять динамограмму с УММ-5 и положить ее на стол. После того, как динамограмма оказалась на столе, имеется возможность растянуть ее на весь экран (щелчок на динамограмму растягивает ее на весь экран, повторный щелчок убирает ее обратно на стол);

Рис. 9. Пример диаграммы разрыва образца

Рис. 10. Штангенциркуль

11. Сломанный образец нужно выкинуть в урну;

12. Далее нижний кулачок поднять (кнопка «ВВЕРХ») до положения, чтобы поместить новый образец;

13. Пассивную стрелку (3) динамографа установить в нулевое положение.

Можно проводить дальнейшие испытания.

Таблица 1

Протокол испытаний на растяжение

Продолжение таблицы 1 – протокол на растяжение:

Вывод:Таким образом испытания на растяжение определяют важнейшие прочностные, упругие и пластические свойства металлов и сплавов.