Испытание на поперечное 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

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.

Определение прочности материала при растяжении проводится по ГОСТ 11262, а определение модуля упругости – по ГОСТ 9550-81.

Образцы для испытаний термопластов и армированных пластиков должны соответствовать типу и размерам, указанным на рисунке и в таблице.

Рисунок 1: Образцы для испытаний материалов на растяжение (Числовые значения параметров приведены в таблице 1)

Образец типа 1 применяют для испытаний пластмасс с высоким относительным удлинением при разрыве (полиэтилен, пластифицированный поливинилхлорид), образец типа 2 – для испытаний большинства материалов (термореактивные, термопластичные и слоистые пластики), образец типа 3 в форме полоски – для испытаний стеклопластиков.

Таблица 1

Диаграмму растяжения строят при нагружении образца до разрушения. Скорость нагружения – 2,0±0,4 мм/мин. По удлинению в момент разрушения Dl определяют относительно удлинение при разрыве e.

По максимальному значению нагрузки Fpвычисляют предел прочности при растяжении.

Удлинение измеряют прибором с погрешностью не более 2% в диапазоне 0,1–0,5 мм. База преобразователя перемещения L, устанавливаемого на образец, не менее 20 мм.

По диаграмме деформирования определяют значения нагрузок F1 и F2 и удлинение Dl1 и Dl2, соответствующих относительному удлинению 0,1% и 0,3% и рассчитывают модуль упругости при растяжении.

При невозможности записи диаграммы деформирования модуль упругости определяют при циклическом нагружении образца (до получения стабильных приращений) в диапазоне усилий F1 = (0,05–0,1)×Fр до F2 = 0,2×Fр. При значениях нагрузки F1 и F2 определяют приращение Dl на базе L.

 Испытания полимерных материалов на растяжение:  экспериментальная часть

 Испытания на растяжение полимерных материалов проводят при температуре 23±2°С в соответствии с ГОСТ 11262–80 и ГОСТ 9550–81.

Перед испытанием замеряют ширину и толщину образцов в рабочей части с точностью до 0,01 мм не менее чем в трех местах и вычисляют площадь поперечного сечения. В расчет принимают наименьшую площадь поперечного сечения.

Перед испытанием на образец наносят необходимые метки (без повреждения образцов), ограничивающие его базу и положение кромок захватов (таблица).

Образцы закрепляют в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов, таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и с направлением движения подвижного зажима. Зажимы затягивают равномерно, чтобы не было проскальзывания образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушение в месте закрепления. Далее настраивают прибор для замера деформаций.

Затем образец нагружают возрастающей нагрузкой, величину которой фиксируют по шкале динамометра. Скорость нагружения составляет 25 мм/мин при определении прочности и относительного остаточного удлинения. В момент разрушения фиксируют наибольшее усилие и определяют прочность при растяжении по формуле

где Fp – нагрузка, при которой образец разрушился, Н; S = b×h – начальное поперечное сечение образца, мм2; b, h – ширина и толщина образца соответственно, мм.

Образцы, разрушившиеся за пределами рабочей части, за результат не принимают.

По удлинению в момент разрушения Dl определяют относительное удлинение при разрыве e:

где Dl – изменение расчетной длины образца в момент разрыва, мм; l – расчетная длина, мм.

Модуль упругости определяют по формуле

где F1, F2 – значения нагрузок, соответствующих относительному удлинению 0,1% и 0,3%, Н; Dl1, Dl2 – удлинение при нагрузках F1, F2 соответственно, мм.

За результат измерения прочности, относительного удлинения и модуля упругости принимают среднее арифметическое значение для всех образцов.

Результаты испытаний заносят в протокол.

 Образцы протоколов испытаний на растяжение

ПРОТОКОЛ № ____ от _____________

Испытания на растяжение по ГОСТ 11262–80

1. ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ МАШИНА (тип, номер, год выпуска, шкала)
2. АППАРАТУРА: (измеритель удлинения, тип и основные характеристики)
3. МАТЕРИАЛ: (тип, марка или состав связующего, ГОСТ, дата изготовления)
4. ОБРАЗЦЫ: (тип, размеры, количество, метод изготовления)
5. УСЛОВИЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ: температура 20 °С, относительная влажность 50% в течение 24 ч.
6. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ: (температура, влажность, скорость нагружения)
7. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:

Испытания провел:

ПРОТОКОЛ № ____ от _____________

Определения модуля упругости при растяжении по ГОСТ 9550–81

1. ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ МАШИНА (тип, номер, год выпуска, шкала)
2. АППАРАТУРА: (измеритель удлинения, тип и основные характеристики)
3. МАТЕРИАЛ: (тип, марка или состав связующего, ГОСТ, дата изготовления)
4. ОБРАЗЦЫ: (тип, размеры, база, количество, метод изготовления)
5. УСЛОВИЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ: температура 20 °С, относительная влажность 50 % в течение 24 часов.
6. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ: (температура, влажность, скорость нагружения)
7. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:

Испытания провел:

 Читайте также: Механические свойства полимеров