Испытание на растяжение материаловедение
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
Испытание на растяжение
Испытание на растяжение — это относительно простой для понимания и объяснения метод испытания материала, и, возможно, его используют чаще остальных. При проведении этого испытания, образец материала растягивают вдоль продольной оси с помощью растягивающего приспособления испытательной машины (Рис. 1.7.4). Испытание проводят с постоянной скоростью, (т.е. с постоянной скоростью растяжения образца), а нагрузку измеряют с помощью датчика нагрузки. Одновременно с этим измеряют удлинение, соответствующее прилагаемой нагрузке. Удлинение можно измерить несколькими способами, в том числе, по пути движения подвижной траверсы, или путем прикрепления к материалу тензодатчика при очень низких величинах деформации.
Рис. 1.7.4. Схема испытания образца для определения прочности на растяжение
Напряжение и соответствующая ему деформация могут быть рассчитаны по приведенным выше формулам. По этим данным можно построить кривую напряжение — деформация, а по этой кривой можно определить ряд свойств. Типичные примеры кривых напряжения-деформации для некоторых материалов представлены на Рис. 1 .7.5.
Рис. 1.7.5. Вид кривых напряжение-деформация для материалов различного типа. Кривые представлены не в масштабе
Примером пластичного или ковкого материала является мягкая сталь, на графике напряжение-деформация для которой показаны: область линейной упругости, четко определяемая точка предела текучести и высокая степень пластичности материала. И, напротив, на графике такого твердого материала, как гипс, видна только линейная область упругости, а затем происходит разрушение без каких-либо признаков пластической деформации.
Многие пластмассы, такие, как полиметилметакрилат, также являются жесткими материалами, однако они обладают меньшей хрупкостью, чем гипс. Поведение эластомера, примером которого является силиконовый оттискной материал, очень необычно по сравнению с другими материалами. Оказывается на графике напряжение-деформация у него отсутствует область линейной упругости, а область упругого восстановления у эластомера очень обширна. Относительное удлинение у него значительно выше, чем, например, у стали или гипса. Эластомер эластичен по своей природе, и, подобно резине, он восстанавливает свои исходные размеры сразу же после снятия напряжения. Кроме того, резина обладает крайне низкой прочностью при растяжении.
Образование шейки при испытании на растяжение
При упругой деформации наблюдается небольшое увеличение объема материала за счет того, что расстояние между атомами, из которых состоит твердое тело, удлиняется при растяжении. Однако при пластической деформации таких изменений объема не наблюдается. При такой деформации увеличение длины материала может привести к уменьшению площади его поперечного сечения. Это в свою очередь приведет к возникновению локализованной области материала, которая представлена на Рис. 1.7.6. Эта область уменьшения поперечного сечения образца называется шейкой. Часто такое явление наблюдается при растяжении материалов с повышенной вязкостью (пластичных материалов).
Рис. 1.7.6. Образование «шейки» при растяжении пластичного материала
Результаты испытаний на растяжение могут быть очень полезными при создании новых конструкций, поскольку для того, чтобы предсказать поведение конструкции, находящейся под нагрузкой, необходимо знание параметров упругой деформации материала.
Максимальное напряжение, которое может безопасно выдержать материал, определяется пределом текучести. Следовательно, от предела текучести зависит максимальная нагрузка, которой этот материал способен противостоять, хотя благоразумнее было бы включить в расчеты некоторый коэффициент запаса прочности.
Жесткость материала можно рассчитать по модулю упругости. Например, сочетание этих двух свойств (предела текучести и жесткости) позволит легко определить упругость или пружинистость металлической проволоки.
Если в технологический процесс изготовления продукции включены такие операции, как прокатка, протяжка проволоки или прессование, необходимо знать величину пластической деформации, которую материал сможет выдержать без разрушения. Если материал обладает высокой пластичностью, то ему можно придавать нужную форму, однако если пластичность материала невысока, то создание формы путем воздействия нагрузки будет невозможным.
Испытание на сжатие
Испытания на растяжение проводить сложно, особенно, если материал хрупкий — в таких случаях наблюдается большой разброс результатов. Альтернативным методом оценки прочности материала является испытание на сжатие, которое легче провести, если материал хрупкий, так как в этом случае разброс результатов будет меньшим. Другой причиной, по которой хрупкие образцы следует испытывать на сжатие, является тот факт, что эти материалы используются в условиях, где действуют сжимающие нагрузки.
На Рис. 1.7.7 схематически представлено проведение испытания на сжатие. Поскольку образец удерживается за счет трения в точках контакта с опорными пластинами испытательного прибора, здесь наблюдается увеличение площади поперечного сечения в середине образца, и одновременно с этим материал приобретает форму бочонка. Этот эффект «приобретения формы бочонка» приводит к возникновению очень сложной модели распределения напряжений в материале (также представленной на Рис. 1.7.7). Анализировать такую модель очень сложно. Это затрудняет интерпретацию результатов испытаний на сжатие.
Рис. 1.7.7. Распределение напряжений растяжения и сдвига в образце при определении прочности материала на сжатие
Компромиссным испытанием является измерение так называемой диаметральной прочности, в который изготовленный из испытываемого материала диск подвергают воздействию сжимающей нагрузки. В результате приложения этой нагрузки к диску, в направлении, перпендикулярном направлению приложения сжимающей нагрузки, возникают напряжения растяжения, что схематически представлено на Рис. 1.7.8.
Рис. 1.7.8. Схема испытания образца для определения прочности материала на диаметральный разрыв
Растягивающее напряжение, а, рассчитывают по формуле:
а = 2P/JT.DT,
где Р — нагрузка, D — диаметр диска, Т — толщина диска. Обычно этот метод используют для испытаний хрупких стоматологических материалов, поскольку он прост и позволяет получать более воспроизводимые результаты, чем в случае испытаний на растяжение.
Испытание твердости
Испытание твердости — это измерение сопротивления поверхности материала воздействию инструмента, внедряемого или вдавливаемого в поверхность (индентеров), или режущего инструмента. Испытание твердости проводят для определения сопротивления материала царапанью или стиранию. Кроме того, существует приближенная зависимость между твердостью материала и пределом прочности на растяжение.
Для испытаний используют индентер в форме шарика (при испытании твердости по Бринелю), пирамидки (при испытании твердости по Виккерсу или по Кнуппу) или конуса (при испытании твердости по Роквеллу). Разумеется, твердость самого индентера должна быть выше твердости испытываемого материала. Образец вдавливают в поверхность материала в течение определенного периода времени, и на поверхности материала остается отпечаток шарика, пирамидки или конуса (Рис. 1.7.9).
Рис. 1.7.9 Вид отпечатка индентера на поверхности образца для различных видов твердомеров
Размер полученного отпечатка будет зависеть от твердости испытуемого материала. Размеры отпечатка можно измерить и подсчитать из них эмпирическое значение числа твердости. Выбор метода испытания твердости до некоторой степени зависит от природы материала, который будет подвергнут испытанию.
Испытание на ударную прочность
Испытание на ударную прочность — это оценка сопротивления материала мгновенному приложению нагрузки. Стандартный образец в виде балки с насечками подвергают воздействию импульсной нагрузки, создаваемой маятниковым копром. Схематическое изображение испытания на ударную прочность представлено на Рис. 1.7.10.
Рис. 1.7.10. Расположение образца при определении прочности на удар по Шарли. Маятник с ударником, который падает с определенной высоты
Маятниковый копер отпускают с определенной высоты, он ударяет и разрушает образец, который установлен на параллельных опорах. Часть энергии маятника используется для разбивания образца. Если будут известны начальная высота, на которой находился маятник, и высота, на которую он поднялся после разрушения образца, то нетрудно будет рассчитать разницу энергий. Эта разница является мерой количества энергии, которая была поглощена образцом, что и вызвало его разрушение. Несмотря на то, что результаты этого испытания являются эмпирическими, его можно применять для оценки ударной прочности ряда материалов. Присутствие насечек на образце делает условия проведения испытания очень жесткими, а также является показателем чувствительности материала к присутствию надрезов на его поверхности.
Испытание на усталостную прочность
Во многих практических ситуациях материалы подвергаются воздействию переменных нагрузок чаще, чем статических, о которых говорилось выше. Постепенное накопление незначительных количеств пластической деформации, возникающих в результате воздействия цикла переменных напряжений, известно под названием усталости материала.
Усталость может стать причиной разрушения материала при напряжениях, величина которых значительно ниже предела текучести. Для проведения испытания на усталостную прочность образцы материала подвергают воздействию циклических нагрузок в некотором их диапазоне. В каждом случае подсчитывают число циклов, требуемых для разрушения образцов.
Величину напряжения выражают графически в виде логарифмической зависимости от соответствующего числа циклов напряжений, которое требуется для разрушения образца. Кривая зависимости напряжения от числа циклов (кривая Н — Ч) представлена на Рис. 1.7.11.
Рис. 1.7.11.
Существуют две формы поведения материалов. Для некоторых материалов по мере увеличения числа циклов нагрузки происходит снижение напряжений, которые способен выдержать материал. Однако для других материалов существует уровень напряжений, называемый пределом выносливости, ниже которого материал можно подвергать неопределенному числу циклов нагрузки, не вызывая его разрушения.
Усталостная прочность в значительной степени определяется характеристиками поверхности материала. Улучшение качества обработки поверхности или создание на поверхности напряжений сжатия механическими, термическими или химическими методами, приводит к повышению усталостной кривой Н — Ч.
Кроме того, на характер кривой Н — Ч выраженное влияние оказывает среда, в которой проходит эксперимент. Например, в коррозионных средах усталостная прочность материала снижается.
Клиническое значение
В некоторых случаях материал может быть достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузки в начале его использования в полости рта, но это не означает, что он сможет противостоять таким же нагрузкам в отдаленные сроки клинической службы.
Испытание на крип (ползучесть)
Если материал долгое время находится под нагрузкой, то под воздействием постоянного напряжения он может непрерывно деформироваться, даже несмотря на то, что величины действующих на него напряжений значительно ниже предела упругости. Эта деформация материала, зависящая от времени его нахождения под нагрузкой, называется крипом, который, в конечном итоге, ведет к разрушению материала. В частности, понимание этого явления важно, если материал используют при температурах, превышающих половину значения температуры плавления или температуры размягчения, что, например, характерно для некоторых амальгамных фаз или многих пластических материалов. При температурах на 40 — 50% меньше абсолютной точки плавления материала, крип ничтожно мал.
На Рис. 1.7.12 представлена типичная кривая крипа. На ней можно выделить 4 стадии деформации:
• начальное удлинение, возникшее в результате приложения нагрузки;
• переходный или первичный крип, который стремится к непрерывному увеличению;
• устойчивое состояние (вторичный крип);
• третичный крип.
Рис. 1.7.12. Кривая крипа, на которой можно выделить четыре стадии ползучести в условиях долговременных испытаний при высокой температуре
Клиническое значение
Механические свойства материалов можно определять в широких пределах. Это позволяет сравнивать между собой разные стоматологические материалы, хотя значение результатов таких испытаний для клиники остается предметом многочисленных дебатов.
Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт
Опубликовал Константин Моканов
Источник