Испытание на растяжение и сжатие стального образца
Конструктор, выбирая материал для проектируемой детали, а затем рассчитывая ее на прочность (жесткость, устойчивость), должен располагать данными о механических свойствах материала, т. е. его прочности, пластичности и т. п.
В связи с этим создано много различных видов испытаний, но основными и наиболее распространенными являются испытания на растяжение и сжатие. С их помощью удается получить наиболее важные характеристики материала, находящие прямое применение в расчетной практике.
Для испытания на растяжение используют специально изготовленные образцы (рис. 11), основной особенностью которых является наличие усиленных мест захвата и плавного перехода к сравнительно узкой ослабленной рабочей части. Начальную расчетную длину /0 образца принимают обычно раз в 10 большей диаметра d.
Рис. 11. Стандартный образец для испытаний на растяжение
Испытания на растяжение и сжатие проводят на специальных машинах, где усилие создают либо при помощи груза, действующего на образец через систему рычагов (рычажная машина), либо при помощи гидравлического давления, передаваемого на поршень (гидравлическая машина). Современные испытательные машины обычно снабжены прибором для автоматической записи диаграммы растяжения — сжатия. Это дает возможность сразу после испытаний получить вычерченную в определенном масштабе кривую F = / (At), которую называют диаграммой растяжения образца.
Рис. 12. Диаграмма растяжения образца
На рис. 12 показан примерный вид диаграммы растяжения, полученной при испытании образца из малоуглеродистой стали. На диаграмме точка 0 соответствует началу растяжения образца. В начальной стадии испытания (до точки А с ординатой F„4) зависимость между силой и удлинением линейна, т. е. справедлив закон Гука. При растягивающей силе Fy (т. В), почти не отличающейся от Fm, в образце возникают первые остаточные деформации. При некотором значении растягивающей силы FT наблюдается рост удлинения образца без увеличения нагрузки. Это явление называется текучестью металла. Соответствующий участок диаграммы (почти горизонтальная линия) называется площадкой текучести.
В этой стадии деформации полированная поверхность образца становится матовой и на ней можно обнаружить сетку линий, наклоненных к оси образца под углом примерно 45°. Это так называемые линии Людерса — Чернова, представляющие собой следы сдвигов частиц материала. Направление указанных линий соответствует площадкам, на которых при растяжении образца возникают наибольшие касательные напряжения.
По окончании стадии текучести материал вновь начинает сопротивляться деформации (т. L), здесь связь между силой и удлинением нелинейна: удлинение растет быстрее нагрузки. Этот участок диаграммы называют зоной упрочнения. При силе, примерно равной Fmax, на образце появляется местное утонь- шение — шейка (т. С), в результате сопротивление образца падает и его разрыв (т. D) происходит при силе, меньшей Fmax.
Пользоваться построенной диаграммой растяжения образца неудобно, так как она существенно зависит от размера поперечного сечения образца и длины выбранной измерительной базы /0. Для того чтобы исключить влияние этих факторов, диаграмму Д/ = /(F) перестраивают: все ординаты делят на начальную площадь поперечного сечения Аа, а все абсциссы — на начальную расчетную длину /а. В результате получают так называемую условную диаграмму растяжения материала
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичного материала
На диаграмме отмечены точки (и их ординаты), соответствующие механическим характеристикам, полученным при статических испытаниях на растяжение.
Предел пропорциональности — это наибольшее напряжение, до которог о материал следует закону Гука:
При дальнейшем увеличении нагрузки диаграмма становится криволинейной. Однако если напряжения не превосходят определенной величины — предела упругости оу, то материал сохраняет свои упругие свойства, при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры.
Предел упругости — это наибольшее напряжение, до достижения которого в образце возникают только упругие деформации:
Предел текучести — это напряжение, при котором проис ходит рост деформаций без заметного увеличения нагрузки:
При напряжениях, больших а„ в конструкции развиваются пластические деформации, которые не исчезают при снятии нагрузки.
Ряд материалов при растяжении дает диаграмму без выраженной площадки текучести; для них устанавливается так называемый условный предел текучести. Условным пределом текучести оь,2 называется напряжение, которому соответствует остаточная деформация, равная 0,2%.
Предел прочности, или временное сопротивление — это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом до разрушения:
Напряжение, возникающее в образце в момент разрыва, называется истинным сопротивлением разрыву SK:
где FK и Ак — соответственно сила и площадь поперечного сечения образца в момент разрыва.
Кроме перечисленных выше механических характеристик материала, при испытании на растяжение определяют также характеристики пластичности, к которым относятся относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение при разрыве.
Относительное остаточное удлинение при разрыве S определяется по формуле
где 1К — длина рабочей части образца после разрушения; 10 — длина рабочей части образца до испытания.
Относительное остаточное сужение при разрыве Ч* является второй характеристикой пластичности:
где А0 — начальная площадь поперечного сечения образца; Ак — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.
Данные характеристики служат для оценки пластичности материала, чем они выше, тем материал пластичнее. Условно считают, что к пластичным могут быть отнесены материалы, для которых д > 5%. К числу пластичных материалов можно отнести медь, алюминий, латунь, малоуглеродистую сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабопластичных материалов относится большинство легированных сталей.
На рис. 14, а представлены диаграммы растяжения различных пластичных материалов. Как видим, некоторые пластичные материалы не имеют ярко выраженной площадки текучести.
Рис. 14. Диаграммы растяжения различных материалов: а) пластичные материалы; б) хрупкий материал
Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т. е. способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях. Для таких материалов величина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2-5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. Типичные хрупкие материалы — серый чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, камень и др. Хрупкие материалы дают иного рода диаграммы растяжения (см. рис. 14, б).
Такая диаграмма не имеет явно выраженного прямолинейного участка, т. е. прямой пропорциональности между напряжением и относительным удлинением не наблюдается. У хрупкого материала отсутствует явление текучести, и деформации упруги почти вплоть до разрушения. Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура и т. п.) и вида напряженного состояния хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие.
Остановимся дополнительно еще на некоторых вопросах, связанных со статическими испытаниями малоуглеродистой стали (и других пластичных материалов) на растяжение. Опытным путем установлено, что при разгрузке образца, растянутого так, что в нем возникают напряжения выше предела упругости и даже выше предела текучести (например, от точки N диаграммы на рис. 15), линия разгрузки оказывается прямой, параллельной начальному участку ОА диаграммы. Следовательно, полная деформация образца состоит из двух частей — упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и остаточной (пластической).
Рис. 15. Закон упругой разгрузки
Полное удлинение, соответствующее нагрузке в точке N, выражается отрезком OL, упругое — отрезком ML и пластическое — отрезком ОМ оси абсцисс диаграммы (см. рис. 15).
Упругая деформация и при напряжениях, больших предела пропорциональности, может быть также определена по закону Гука. Это следует из того, что линия разгрузки — прямая. Параллельность этой линии начальному участку диаграммы указывает, что модуль упругости Е при разгрузке имеет то же значение, что и при нагружении в пределах справедливости закона Гука.
Если подвергнуть повторному нагружению образец, который был предварительно растянут до возникновения в нем напряжений, больших предела текучести, то оказывается, что линия нагрузки практически совпадает с линией разгрузки, а часть диаграммы, лежащая левее точки, от которой производилась разгрузка, не повторяется. Таким образом, в результате предварительной вытяжки материала за предел текучести его свойства изменяются: повышается предел пропорциональности и уменьшается пластичность. Это явление называется наклепом. В определенном смысле можно сказать, что в результате наклепа материал упрочняется.
Уменьшение пластичности материала при наклепе подтверждается следующим. Пластичность материала характеризуется значением относительного остаточного удлинения при разрыве S пропорционально отрезку OL оси абсцисс диаграммы (см. рис. 15), а при наклепе оно пропорционально меньшему отрезку ML. так как часть диаграммы, лежащая левее точки N, не повторяется.
Наклеп может быть также следствием холодной обработки металла. Например, при изготовлении клепаных конструкций отверстия для заклепок зачастую продавливают (пробивают) на специальных прессах. В результате материал у краев отверстия оказывается наклепанным, обладает повышенной хрупкостью и при действии переменных напряжений в этой зоне возможно появление трещин. Поэтому целесообразно пробивать отверстия меньшего диаметра, чем требуется, а затем рассверливать их до заданного размера. При этом наклепанная часть материала будет удалена.
В других случаях наклеп полезен и его создают специально. Например, провода, тросы, стержни для арматуры железобетонных конструкций зачастую подвергают предварительной вытяжке за предел текучести.
Изложенная выше методика испытаний и соответствующая ей терминология складывались постепенно и включали в себя результаты работ многих ученых. Окончательную форму они приняли в XIX в., когда основным конструкционным материалом была малоуглеродистая сталь. Диаграмма для этой стали с ее характерными точками и определила номенклатуру механических характеристик.
Диаграмма растяжения (см. рис. 13), имеющая явно выраженную площадку текучести, характерна лишь для малоуглеродистой стали и некоторых сплавов цветных металлов. Диаграмма растяжения некоторых пластичных металлов и сплавов, не имеющих площадки текучести, представлена на рис. 16.
Рис. 16. Диаграмма напряжения материала, не имеющего площадки текучести
Источник
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.
Источник