Испытания метала на растяжение

Стальные изделия, используемые для создания строительных конструкций, в процессе эксплуатации испытывают значительные напряжения на растяжение, сжатие, резкие механические воздействия. Прилагаемые усилия могут быть как статическими, так и динамическими. Для обеспечения прочности и долговечности конструкции необходимо использовать металлоизделия с механическими характеристиками, соответствующими запланированным эксплуатационным нагрузкам. Испытания на растяжение – один из наиболее распространенных методов определения марки стали или решения спорных вопросов при расследовании причин возникновения нештатных ситуаций и аварий.

Характеристики, определяемые при статических испытаниях на растяжение

Исследования осуществляются в испытательных машинах с ручным или гидравлическим приводом. Второй вариант обеспечивает возможность создания гораздо большей мощности. По результатам исследований составляют диаграмму растяжения.

При механических статических испытаниях на растяжение, проводимых в соответствии с ГОСТом 1497-84, определяют комплекс свойств стали.

Характеристики прочности

• Предел пропорциональности – Ϭп. Характеризует напряжение, выше которого прекращает свое действие закон Гука. После наклепа металла, который, например, осуществляется при холодном деформировании, Ϭп возрастает в 1,5-1,8 раза.

Определение! В законе Гука утверждается, что деформация, образующаяся в упругом теле, прямо пропорциональна прилагаемому усилию.

• Предел текучести – Ϭт. Это нагрузка, при которой деформация повышается при постоянном напряжении. Присутствующая явно горизонтальная площадка на диаграмме может отсутствовать. В этой ситуации устанавливают условный Ϭт, при котором остаточные деформации примерно равны 0,2%.
• Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – Ϭв. Это максимальное усилие, при котором образец не разрушается. Его превышение приведет к разрыву стержня.
• Напряжение разрыва – Ϭр. При испытаниях на прочность определяют два вида напряжения разрыва – условное и истинное.

Характеристики упругости

• Предел упругости – Ϭу. Соответствует нагрузке, при которой остаточное удлинение равно 0,05%. Значения Ϭу и Ϭп на диаграмме находятся рядом, поэтому Ϭу устанавливается при очень тонких исследованиях.

Характеристики пластичности

• Относительное остаточное удлинение. Определяется по формуле Δ=(L1-L0)*100% / L0, в которой L0 – исходная длина образца, L1 – расчетная после окончания исследований.
• Относительное остаточное сужение. Ψ=(А0-Аш)*100% / А0, А0 – площадь сечения стержня до испытаний, Аш – площадь сечения шейки.

Нормативные образцы для проведения статических испытаний на растяжение

Для осуществления испытаний изготавливают образцы круглого или прямоугольного сечения. Нормативы регламентируют как размеры образцов, так и способы механической обработки. Основные условия – однородность размеров по длине, соосность, хорошо обработанная поверхность, на которой должны отсутствовать царапины, порезы. Шероховатость нормируемая.

Длина образцов круглого поперечного сечения:

• коротких – 4-5 диаметров;
• нормальных – 10 диаметров.

Чаще всего изготавливают образцы диаметрами 6, 10, 20 мм. Перед началом испытательных работ образцы измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях в трех местах. Точность измерений – 0,5 мм. Ширину и толщину плоских образцов измеряют по краям и в центре обмеряемой плоскости. Площадь сечения определяется с точностью 0,5%. Точность измерения длины образца – 0,1 мм.

Динамические испытания стальных образцов

Основной вид такого исследования – испытания на изгиб, производимые по ГОСТу 9454-78. При таком виде анализа стальных образцов закон подобия неактуален, поэтому используют образцы с размерами и формой надреза, строго соответствующими нормативам. Основной образец имеет квадратное сечение площадью 10х10 мм и следующие виды надрезов:

• U-образный (образцы Шарпи) – располагается в середине стержня. Такие образцы применяются для установления норм для стержней, на которые будет наноситься V-образный надрез.
• V-образный (образцы Менаже). Основной тип стальных стержней, применяемый для исследований материалов, которые будут использоваться в конструкциях ответственного назначения.
• С Т-образным концентратором. Размеры стержней имеют несколько вариантов. Такие образцы применяют при исследованиях сплавов, предназначенных для эксплуатации в конструкциях, в которых важным является сопротивление росту трещин.

В результате динамических испытаний на изгиб рассчитывают величину ударной вязкости – характеристики, которая зависит от сочетания прочностных и пластических свойств стали. Чем она выше, тем надежней материал работает при динамических нагрузках.

Все стали, изделия из которых предназначаются для эксплуатации при динамических нагрузках, подвергаются испытаниям на ударный изгиб. В зависимости от запланированных рабочих условий, ударную вязкость определяют при нормальных, пониженных или повышенных температурах.

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.