Испытание металлов при растяжении

Что такое “испытание металлов на растяжение“? Проведем простой опыт. Возьмем маленькую пружинку, например, такую, какие применяют в шариковых ручках. Плавно растянем ее немного и отпустим. Пружинка вернется к своей первоначальной длине. Повторим опыт, но на этот раз потянем пружинку посильнее. Сначала пружинка будет равномерно удлиняться с увеличением усилия, а затем вдруг начнет удлиняться значительно быстрее. Отпускаем пружинку – она уже не возвращается к исходной длине. Пружинка получила необратимое увеличение своей длины и уже не годится для прежнего применения.

Испытание на растяжение

Давным-давно инженеры разработали аналогичное испытание – испытание на растяжение – для оценки механических свойств металлов. Образец металла, часто круглый стержень (бывает и прямоугольный), растягивают на специальной машине. Требования к проведению испытания на растяжение для металлов, а также требования к образцам для испытания на растяжение определяет ГОСТ 1497-84. ГОСТ 7564-97 задает правила вырезки образцов для испытаний на растяжение из готовой продукции или полуфабрикатов.

Разрывная машина

Для испытаний металлов на растяжение применяют специальные машины. Такие машины называют «разрывная машина» или «машина для испытания на растяжение». Эти машины обеспечивают надежное центрирование образца в своих захватах, плавность нагружения образца при растяжении и его разгрузки, медленную скорость упругого и пластического деформирования образца. Нагрузка  прилагается вдоль оси стержня, как это схематически показано на рисунке. Требования к разрывным машинам определяет ГОСТ 7855-84.

Рисунок – Диаграмма деформирования при испытании металлов на растяжение

При испытании на растяжение с увеличением усилия растяжения стержень становиться все длиннее и это изменение длины обозначают как Δl, где знак Δ обозначает «изменение, приращение», а l – начальную длину образца. Понятно, что сила F величиной 50 кГ, приложенное к каждому из двух различных  стержней – тонкому и толстому – из одинакового материала даст им различное увеличение длины. Тонкий стержень растянется, естественно, больше.

Напряжения

Чтобы сравнивать механические свойства материалов независимо от диаметра образцов применяют понятие «напряжение», который означает попросту величину усилия, поделенную на площадь поперечного сечения образца. Когда к тонкому и толстому стержню прилагаются одни и те же напряжения, они оба удлиняются на одну и ту же величину. Понятно, что при этом усилие, прилагаемое к толстому стержню, будет больше чем усилие, прилагаемое к тонкому стержню – больше как раз во столько же раз, во сколько площадь его поперечного сечения больше площади поперечного сечения тонкого стрежня. Поскольку напряжение – это усилий на единицу площади, то единицей его измерения является Н/мм2 или кГ/мм2 (кгс/мм2), где Н – это ньютон, единица измерения силы в системе измерения СИ. Десять ньютонов равны одному килограмму (точнее 1 Н = 9,8 кГ(кгс)).

Диаграмма деформирования при испытании на растяжение

Когда при испытании на растяжение стержень растягивают вдоль его оси, то прилагаемые усилия называют «растягивающие усилия», а машину, которая  вызывает эти усилия – «разрывная машина» или «машина для испытания на растяжение». На рисунке показана типичная диаграмма деформирования, которую получают при испытании металлов на растяжение. Прилагаемое напряжение откладывается по вертикальной оси. Изменение длины образца откладывается по горизонтальной оси, но не в единицах длины, в относительных единицах  Δl/l, как это показано на рисунке 1. Эта единица называется «деформация». Диаграмму деформирования при испытании на растяжение чаще называют  «диаграмма растяжения».

Диаграмма растяжения

С помощью диаграммы растяжения ГОСТ 1497-84 задает определения механическим свойствам металлов: предел пропорциональности, предел текучести (физический и условный), временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение. Ниже кратко рассмотрим самые важные из них.

Упругий участок диаграммы растяжения

Диаграмму растяжения можно разделить на две области, как это показано на рисунке 1 – упругая область и пластическая область. Когда напряжение в металлическом стержне увеличивается, стержень удлиняется, также как и пружинка. Говорят, что в стержне возникают деформации.  До тех пор, пока эти напряжения и деформации не слишком велики, снятие нагрузки на стержень возвращает его к первоначальной длине. Эти деформации называют упругими.

Предел текучести

В конце упругого участка диаграммы растяжения напряжения в стержне достигают некоторого критического уровня, который называют «предел текучести», металл «сдается», точно также как и пружинка, описанная выше. Деформирование образца переходит в пластическую область диаграммы деформирования.

Временное сопротивление

При испытании металлов на растяжение на пластическом участке диаграммы растяжения – после прохождения предела текучести наблюдаются два важных явления:
1) для продолжения деформации образца для заданного приращения  деформации требуется меньшее увеличение напряжения, чем в упругой области;
2) при разгрузке образца – снятии напряжений – в образце остается остаточное, необратимое удлинение стержня как показано линией со стрелкой АВ.  Стержень нагружается до точки А, а затем нагрузка снимается: стержень удлинился от своей первоначальной длины на величину процентов, которые вычисляется как В×100.  Как показано на рисунке увеличение напряжения, которое требуется для продолжения пластической деформации достигает максимума в пластической области и затем немого падает перед тем как напряжения разрывают стержень на две части. Это максимальное напряжение обычно называют «временное сопротивление» или чаще – «прочность при растяжении».

Относительное удлинение

Кроме предела текучести и временного сопротивления диаграмма деформирования дает еще одну меру механических свойств металла – «относительное удлинение». Относительное удлинение характеризует пластические свойства металла. Относительное удлинение – это увеличение длины образца, которое происходит после прохождение предела текучести и до самого разрушения стержня. Его иногда называют остаточным удлинением, так оно остается в образце после его разрушения и его можно легко измерить. Остаточное удлинение образца на рисунке после того, как упругие деформации релаксировали, обозначено точкой С. Простым умножением деформации в точке С на 100 получаем величину относительного удлинения образца.

Сталь Ст3 по ГОСТ 380-2005

Стандартные
испытания прочностных и пластических свойств металлов

Механические
испытания в зависимости от характера действия
нагрузки во времени могут быть:

статические,
при которых нагружение производится медленно и
нагрузка возрастает плавно от нуля до некоторой максимальной

величины или
остается постоянной длительное время при малой
скорости деформации;

динамические,
при которых нагрузка на образец возрастает мгновенно
при большой скорости деформации;

—  

повторно-переменные (или циклические), усталостные,
при которых
изменяются величина и направление действия нагрузки. По результатам
испытаний определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений
или то предельное напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в
течение опреленного
числа циклов нагружения.

Кроме того,
проводят испытания на
ползучесть и
длительную прочность
при повышенных температурах с целью определения жаропрочности металла или
сплава.

При
статических, динамических и усталостных испытаниях, а также
при испытаниях на твердость и жаропрочность определяют
стандартные механические свойства металлов и сплавов: прочностные характеристики
— предел пропорциональности, продел упругости, предел текучести, временное
сопротивление,
пластические
характеристики — относительное удлинение и относительное сужение, а также
твердость, ударную вязкость, предел
выносливости, предел ползучести или предел длительной прочности.

Испытание на растяжение

При испытании на растяжение, согласно ГОСТ
1497, определяют сопротивление металла малым пластическим деформациям,
характеризующееся пределом пропорциональности σпц, пределам упругости
σу и пределом текучести σт (или σ0,2),
а также сопротивление значительным пластическим деформациям, которое выра жают
временным сопротивлением σв.

При растяжении
определяют и пластичность металла, то есть величину
пластической деформации до разрушения, которая может
быть оценена относительным удлинением образца

δ
и его
относительным
сужением ψ (после разрыва образца).

Для испытания
на растяжение используют стандартные образцы
(см. ниже). Машина для испытаний снабжена устройством, записывающим
диаграмму растяжения.

Диаграмма
растяжения показывает зависимость между растягивающей
нагрузкой, действующей на образец, и его деформацией.
На
диаграмме по оси ординат записывают нагрузку

Р,
а по оси абсцисс —
абсолютное удлинение образца Δl
(Δl =

lх
—
lо, где lх
и lо — текущая
(в данный момент времени) и начальная длины образца) — Рис.
1

Рис. 1. Схема
диаграммы растяжения: изменение удлинения образца в зависимости от нагрузки

Кривая
изменения абсолютного удлинения Δl
в зависимости
от
прилагаемой нагрузки

Р
при растяжении состоит из прямолинейного 
участка
ОА
и криволинейного

АВ,
отвечающего переходу в область
пластических (остаточных) деформаций и характеризуемой постепенным уменьшением
тангенса угла наклона кривой к оси
абсцисс (см. Рис.
1).

Пластической
называют деформацию, остающуюся после снятия
нагрузки

(кроме
того, наблюдается обратимая пластическая деформация,
которая,
как и упругая, исчезает после снятия нагрузки).
Величина остаточной деформации в момент раз
ру­шения (удлинение, сужение) служит мерой пластичности материала.
Если величина пластической деформации до разрушении мала,
то материал называют хрупким. Пластическая деформация
предшествует любому виду разрушения (вязкому или квазихрупкому),
но при квазихрупком разрушении она весьма мала, локализована
в микро- и субмикрообъемах и не выявляется при обычных
методах измерения макродеформации. В этом последнем
случае
необходимо изыскание такиx
условий
испытания (скорости нагружения,температуры испыта­нии и т. п.), при которых
можно было
бы выявить пластичность материала.

Для
возможности сравнения результатов
испытаний различных но размерам образцов целесооб­разно установить связь между
удельными и относительными ве­личинами, т. е. между условным напряжением

σ,
равным

P/F0,
где

P
—
растягивающая нагрузка (сила),
F0
—
плошадь поперечного се­чения образца до испытания, и относительным удлинением

δ, равным Δl/I0,
где Δl
— абсолютное уд- шпение образца;

I0
— длина образца до испытания. Так как значе­нии

Р
и Δl
делятся
на постоянные для данных условий испытания величины,
то вид диаграммы, приведенной на Рис.
1, не меняется
(отличается только масштабом) при переходе от координат

P
– Δl
 к
координатам
σ
—
δ.

Напряжения
ниже точки

А
практически не вызывают измери­мой остаточной деформации и относительно этой
точки могут быть
установлены (с определенным допуском на точность измеря­емых деформаций) предел
упругости
σу,
а также предел пропорци­ональности σпц.
Здесь и далее напряжения получаются делением соответствующей нагрузки на

F0
—
плошадь поперечного сечения образца до испытания.

Предел
упругости
σу
— условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций
определенной заданной вели­чины (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на
остаточную деформа­цию указывается в индексе при σу.

Предел
пропорциональности
σпц
— условное напряжение, соответствущее
отклонениям от линейного хода кривой деформации (от
закона Гука), задаваемым определенным допуском (например, увеличением тангенса
угла наклона кривой деформации к оси на­пряжения на 25 или 50% при переходе от
прямолинейного участка к криволинейному).

Следует
отметить, что для реальных
поликристоллических металлов
определение
σу
и σпц
представляет значительные методические
трудности, так как предусматривает измерение очень малых

деформаций.
Поэтому на практике чаще обращаются к такой характеристике,
как условный предел текучести.

Условный
предел текучести
— это условное напряжение, при котором
остаточная деформация достигает определенной величина (обычно

0,2%
от рабочей длины образца; тогда условный
предел текучести
обозначают как
σ0,2).
Величину
σ0,2

определяют,
правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутвует
площадка или зуб текучести.

В тех случаях,
когда диаграмма растяжения имеет площадку текучести
(Рис.
2,

а),
измеряют
физический
предел текучести
σт,
условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке
площадки текучести, когда деформация образца происходит
увеличения нагрузки. Иногда распространение деформации по
длине образцов из пластичных материалов при напряжениях, отвечающих
площадке текучести, носит волнообразный характер:
вначале образуется местное утонение сечения, затем это

утононение
переходит на соседний объем материала и этот процесс разшнми ся
до тех пор, пока в результате распространения такой волны

не возникает
общее равномерное удлинение, отвечающее площадке
текучести. Когда имеется зуб текучести (Рис.
2,

б),
вводят
понятия
о верхнем σвт
и нижнем σнт
пределах текучести.

Рис. 2. Схемы
диаграмм растяжения металлов, дающих площадку (а) зуб
(б)
текучести

Если при
испытании образцов, например на растяжение, не

возникает локализованной деформации (не образуется шейки
—
местное сужение поперечного сечения), то образец из хрупких металлов
разрушается при какой-то максимальной нагрузке, отвечающей точке

В
на Рис.
1. Деление этой нагрузки на площадь начального поперечного сечения дает
разрушающее напряжение, называемое

временным
сопротивлением
σb
(это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом).
В тех случаях, когда окончание растяжения сопровождается
местным утонением
образца (образованием шейки), диаграмма
растяжения имеет вид, изображенный на Рис.
2, т. е. нагрузка
в момент разрыва пластичного металла и напряжение, отнесенное
к исходному сечению (в точке
D),
могут
быть меньше, чем напряжение в какой-то предыдущий момент растяжения. Но и и этом
случае временное сопротивление определяется применительно
к точке

В,
т. е. относительно максимальной нагрузки, момент достижения которой практически
совпадает с началом образования шейки в образце из пластичного материала. Появление
шейки определяет переход от равномерной деформации всей  рабочей части
образца к сосредоточенной деформации в определенном сечении.

При переходе в
область пластических деформаций (правее точки
Ана диаграмме
Рис.
1) изменения поперечного сечения образца
становятся уже значительными и отнесение нагрузки к исходному
(до деформации) сечению
F0
дает лишь условные напряжения.
Если учитывать изменение сечения при деформации и относить
нагрузку не к исходному сечению, а к сечению в каждый дан­ный момент деформации

Fx,
то
получают

истинные
напряжения.
Эти последние,
естественно, отличаются от условных напряжений и тем
больше, чем пластичнее материал (чем сильнее изменяется сечение
в ходе деформации относительно исходного). Соответственно
изменяется вид диаграммы растяжения, которая схематично
показана на Рис.
3. В случае хрупких материалов (чугун, литые алюминиевые
сплавы и др.) различие между истинными и услов­ными напряжениями может быть
небольшим.

По

диаграмме
растяжения, как было отмечено выше, можно судить
и о пластичности металла, которая характеризуется относительным
удлинением после разрыва

δ
и относительным сужением
площади
сечения у образца.

Под

относительным
удлинением

δ понимают отношение абсолютного
удлинения образца после разрыва Δl
= lк — lо (где lк — конечная
длина образца) к его начальной расчетной длине
lо,
выри женное в процентах, т. е.

δ
=  (lк
— lо)*100%/lо

В случае
испытания «коротких» (пятикратных) образцов (см.
ниже)
относительное удлинение обозначают

δ5,
в случае

«длинных»
(десятикратных) –
δ10.

Относительное
сужение после разрыва

ψ

представляет собой
oтношение
уменьшения площади поперечного сечения разорванного
образца
ΔF=

F0
—

FK
(где

FK
—
минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва) к
первоначальной площади
поперечного сечения

Fo,
выраженное в процентах, т. е.

Ψ
= (F0
—

FK)*100%/
F0

При расчете
режимов обжатий в процессах обработки меча им» давлением чаще всего используют
показатель
δ.

Тангенс угла
наклона прямой

ОА
к оси абсцисс (см. Рис.
1)
характеризует

модуль
упругости материала

Е
= σ/
δ
(где
δ

— относительная
деформация, равная Δl/l0).
Модуль упругости E определяет
жесткость материала:
интенсивность увеличения напряжения
по мере увеличении упругой деформации. Физический
смысл

Е
сводится к тому, что он
характеризует сопротивляемость
металла упругой деформации.
Модуль упругости
практически не зависит от структуры
металла и определяется
силами межатомной связи.
Все другие механические свойства
являются структурно чувствительными
и изменяются в зависимости
от структуры в широких
пределах.

Рис. 3. Условное изображение диаграммы растяжения (сплошная линия) и диаграммы
истинных напряжений (штриховая линия)

Следует
отметить, что закон пропорциональности между на­пряжением и деформацией является
справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших
на­пряжениях в упругой области наблюдаются отклонения от закона
пропорциональности. Это явление называют
неупругостъю.

Оно
проявляется в том, что деформация, оставаясь обратимой, отстает
по фазе
от действующего напряжения. В связи с этим при нагрузке-разгрузке
на диаграмме растяжения вместо прямой линии получается петля гистерезиса, так
как линии нагрузки и разгрузки не
совпадают между собой.

Механические
свойства металлов в испытаниях на растяжение определяют, используя стандартные
образцы, общий вид которых показан
на Рис.
4.

Необходимо
строго соблюдать определенные соотношения между
начальной расчетной длиной образца l0 и начальной площа­дью
поперечного сечения в рабочей части образца

F0.
Используют образцы двух видов: цилиндрические и плоские. Оба вида образ­ном для
испытания на растяжение применяют с начальной расчет­ной длиной lо = 5,65√F0
или lо = 11,3√F0 диаметром

do
=
3…25 мм или
толщиной

ао
= 0,5. ..25 мм и шириной
b0
= 20…30 мм. При ном образцы с расчетной длиной lо = 5, √F0
именуются «корот­кими», а образцы с lо = 11,3 √F0 —
«длинными», причем примене­ние первых предпочтительнее. Литые образцы и образцы
из хруп­ких металлов допускается изготавливать с начальной расчетной длиной lо =
2,82√F0.

В случае
цилиндрических образцов в качестве основных приме­няют образцы с диаметром

do
=

10 мм
и начальной расчетной дли­ной
l0
=

5do

(короткие) и lо =
10d0
(длинные); в первом случае по­ручаемое значение относительного удлинения после
разрыва обозначают

δ5, во втором
—

δ10.

Рис. 4. Общий
вид стандартных образцов для испытания на растяжение:

а -цилиндрический
образец;
б —
плоский

Испытание на сжатие

Испытание на
сжатие обычно применяют для определения механических
свойств хрупких материалов. Цилиндрические образцы
диаметром 10…25 мм и высотой, равной диаметру, подвергают
сжатию, фиксируя при этом упругие и остаточные деформации Торцовые поверхности
образцов должны быть отшлифованы, плоскопараллельными
и перпендикулярными к оси
образца. Большое
влияние на результаты испытания оказывает трение на торцах об
разцов. Для уменьшения трения применяют специальные прокладки (свинцовые) или
смазку торцов.

Испытание на
сжатие производят на тех же машинах, что и ж пытание на растяжение, с
использованием приспособлений (реверсов)
для превращения растягивающей нагрузки в сжимающую.
При испытании на сжатие получают диаграмму сжатия (Рис.
5), по
которой определяют основные механические характеристики испытуемого
материала. В процессе сжатия образца из пластичного
металла при напряжении ниже предела текучести металл ведет так же, как
и при растяжении. После достижения предела текучести
образец пластически деформируется, принимая бочкообразную
форму.
При смазке торцов или наличиимягких
прокладок на торцах
деформация образца по высоте получается более равномерной.

При испытании
на сжатие пластичных металлов (см. рис.
5 кривые

2
и

3)
обычно определяют
пределы пропорциональности
и текучести как при испытании на растяжений,
а степень осадки (относительную
деформацию) находят
из
соотношения:

ε
= (h0-h1)*100%/h0,

где hо и

h1
—
высоты образца

до

и после
осадки.

Рис. 5.
Сравнительные схемы диаграмм сжатия различных металлов:

1 —
чугун;
2
— медь;
3 —

сталь

В случае
испытания на сжатие хрупких металлов (см., например, Рис.
5, кривая
1) достижение
в точке

В
напряжения σв сопровождается разрушением образца. Разрушение
образца обычно происходит под углом 45° к линии действия сжимающей силы.