Испытания на растяжение сжатие изгиб кручение твердость
Испытания на растяжение являются наиболее распространенными, так как этот вид деформирования может создаваться практически без искажения (в отличие, например, от испытаний на сжатие, где из-за малой относительной длины образцов заметно влияние трения на торцах). Определяемые из испытаний на растяжение механические характеристики используются при расчетах на прочность при других видах нагружения.
Образцы для испытаний на растяжение изготавливаются из листового или цилиндрического проката, их основные размеры и вид обработки стандартизованы. Основная особенность образцов — наличие усиленных мест для захвата на концах и плавного перехода к рабочей части с меньшим постоянным сечением. Длина рабочей части l0 больше ее поперечного размера d0 (рис.4.1).
При испытаниях на сжатие используются относительно короткие цилиндрические образцы с отношением длины к диаметру сечения менее двух.
Рис. 4.1 Образец для испытаний на растяжение.
Испытания на растяжение и сжатие проводятся на специальных машинах с механическим или гидравлическим приводом. Обычно оба вида нагружения реализуются на одной машине, имеющей две рабочие зоны, разделенные подвижной траверсой (рис. 4.2).
Станина 1, колонны 3 и верхняя траверса 5 образуют жесткую раму. В одной рабочей зоне размещены захваты 7, 8 для испытаний образцов на растяжение, в другой — опорные плиты 9, 10 для испытаний на сжатие. В станине располагается силовой привод подвижной траверсы. Все усилия, создаваемые машиной, уравновешиваются в пределах станины. На фундамент передаются только вес Машины и динамическое воздействие при разрушении образца.
Рис. 4.2 Машина для испытания на растяжение и сжатие.
Для регистрации приложенной нагрузки используется силоизмерительное устройство 6. При испытаниях на растяжение силоизмерительное устройство размещается на верхней (неподвижной) траверсе, при испытаниях на сжатие — на станине или на подвижной траверсе. Величина силы, действующей на образец, может изменяться от долей Н (при испытаниях волокон или нитей) до сотен тонн (при испытаниях крупных деталей или узлов). Величина деформации образца определяется с помощью тензометров (механических или электрических).
Основным результатом этих испытаний являются диаграммы растяжения и сжатия материала, представляющие собой графики зависимости напряжение — относительная деформация σ = f(ε). По этим диаграммам (рис. 4.3) определяются характеристики материала: модуль упругости Е, пределы текучести (σт.р, σт.сж) и временной прочности (σв.р, σв.сж) при растяжении и сжатии и т.д. Модуль упругости Е определяется как тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс: Е = tg а = σ / ε.
Испытания на сжатие проводятся реже, чем на растяжение и в основном для хрупких материалов, которые, как правило, имеют прочность на сжатие большую, чем на растяжение (рис. 4.3, в). Для пластичных материалов модуль упругости, пределы упругости и текучести при сжатии примерно такие же, как и при растяжении (рис. 4.3, б), поэтому основная информация об их свойствах получается из испытаний на растяжение. Разрушающие значения напряжений и соответствующие относительные деформации при испытаниях пластичных материалов на сжатие определить нельзя.
Рис. 4.3 Диаграммы растяжения и сжатия материала (графики зависимости напряжение ε — относительная деформация σ).
Стандартные испытания на изгиб проводятся для строительных материалов (бетона, кирпича, асбоцемента и др.) и стандартных изделий из относительно хрупких материалов, имеющих различные механические характеристики при растяжении и сжатии. Такие материалы, как правило, имеют прочность на растяжение более низкую, чем на прочность на сжатие, однако их испытание на растяжение затруднено из-за повышенной хрупкости. Кроме того, в реальных условиях растягивающие напряжения в деталях из хрупких материалов в основном возникают при поперечном; изгибе, и разрушение происходит от действия нормальных напряжений.
Испытания проводятся на изделиях или стандартных образцах, представляющих собой балку с прямоугольным, реже — круглым поперечным сечением. Балка устанавливается на две опоры (ножевые призмы) и симметрично нагружается одной или двумя поперечными силами (рис. 4.4).
Рис. 4.4 Испытания на изгиб.
В первом случае изгиб называется трехточечным, во втором — четырехточечным, при котором средняя часть балки находится в условиях чистого изгиба. Нагружение образца поперечными силами производится с помощью испытательной машины, описанной выше (см. рис. 4.2), для чего она снабжается приспособлением — дополнительной траверсой с ножевыми призмами (рис. 4.5).
Рис. 4.5 Дополнительной траверсой с ножевыми призмами.
При испытаниях обычно определяются модуль упругости Еи и предел прочности σи при изгибе. Для этого используются зависимости между экспериментальными значениями поперечных сил Р или изгибающих моментов и соответствующими значениями максимальных прогибов wmax (прогибов в середине пролета). Для измерения прогибов используются датчики деформаций или стрелочные индикаторы.
Модуль упругости и предел прочности определяются по следующим формулам:
· при трехточечном изгибе (рис.4.4,а)
, (4.1)
· при четырехточечном изгибе (рис. 4.4,б)
, (4.2)
В этих формулах l0 — расстояние между опорами; I и h — момент инерции и высота поперечного сечения балки; Рр — разрушающее значение силы Р; с0 — плечо сил Р относительно опор.
Формулы (4.1), (4.2) для напряжения σи справедливы при условии, что разрушение при изгибе происходит в упругой области. При отклонении зависимости между изгибными напряжениями и деформациями от линейной до разрушения полученные значения предела прочности являются условными.
Испытания на кручение проводятся для определения механических характеристик материалов в условиях чистого сдвига. Испытания проводятся на стандартных образцах круглого или кольцевого сечения путем их кручения вокруг продольной оси. Схема нагружения образца при испытаниях показана на рис. 4.6.
Рис. 4.6 Схема нагружения образца при испытаниях на кручение.
Вращение передается через червячный или зубчатый редуктор 1 захвату 2 и закручивает образец, закрепленный в захватах 2 и 3. Захват 3 расположен на оси массивного маятника 4 с регулируемой длиной, который создает момент, противодействующий вращению. Величина крутящего момента Мк, действующего на образец, определяется по углу поворота маятника. Влияние изгиба и продольных усилий при испытаниях исключается путем строгой концентричности установки образца и свободного осевого перемещения концов образца.
В трубчатых образцах касательные напряжения распределены равномерно по длине и по окружности трубы, так что для тонкостенных образцов изменением касательных напряжений по толщине можно пренебречь. В то же время соотношение диаметра трубы и толщины ее стенок выбирается таким, чтобы не происходило разрушения образца из-за потери устойчивости.
В процессе нагружения производится непрерывное измерение момента Мк, и соответствующего значения угла закручивания φ. Угол φ определяется как разность углов поворота двух сечений образца, ограничивающих рабочую часть образца длиной l. Углы поворота сечений измеряются с помощью зеркального или стрелочного угломера.
Модуль упругости при сдвиге G определяется по формуле
(4.3)
где Iр — полярный момент инерции; Ip=nR4/2 — для образца круглого сечения; Ip =nR4[l-(r/R)4]/2 — для образца трубчатого сечения; R — наружный радиус образца; r — внутренний радиус трубчатого образца.
Относительная деформация при кручении (угол сдвига γ) в упругой области линейно зависит от радиуса сечения. Максимальное значение угла сдвига γ max = φ R /l.
Результатом испытаний являются диаграммы кручения (зависимости Мк = f(φ)), которые имеют вид подобный диаграммам растяжения (рис. 4.3). Некоторое их различие обусловлено тем, что при кручении напряжения изменяются по радиусу сечения и что форма и размер поперечного сечения круглого образца не изменяются, т.е. разрушение образца происходит без образования шейки. Поэтому даже для пластичных материалов на диаграммах кручения обычно нет площадки текучести и участка снижения нагрузки при увеличении угла φ.
По этим диаграммам определяются характеристики материала при кручении: пределы пропорциональности (τпщ) и текучести (τт), временное сопротивление (τв), а также соответствующие этим предельным напряжениям значения остаточной деформации сдвига (γост).
Максимальные напряжения в сечении при кручении образца равны:
(4.4)
Предел пропорциональности может быть определен по формуле
(4.5)
в которой Мпц — крутящий момент, соответствующий границе линейного участка диаграммы Мк = f(φ).
Формулы (4.3), (4,4) справедливы в пределах упругости материала, т. е. когда выполняется закон Гука для сдвига: τ = Gγ.
Сдвиговые напряжения выше предела упругости для тонкостенных трубчатых образцов вычисляются по формуле
(4.6)
При кручении в сечении образцов действуют сопоставимые по величине нормальные и касательные напряжения. Поэтому характер разрушения зависит от сравнительной способности материала сопротивляться растяжению и сдвигу.
Образцы из хрупких материалов разрушаются от действия растягивающих напряжений и трещины разрушения ориентированы по винтовым линиям, касательные к которым ориентированы под углом 45° к оси образца. Образцы из пластичных материалов разрушаются по сечению нормальному к оси образца.
Вопросы для самопроверки:
1. Каковы основные задачи испытаний материалов?
2. Что представляет собой испытание на растяжение?
3. Что представляет собой испытание на сжатие?
4. Что представляет собой испытание на кручение?
5. Что представляет собой испытание на изгиб?
Источник
Определение механических свойств выполняется при различных условиях. В зависимости от скорости приложения нагрузки различают статические и динамические испытания. При статических испытаниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает; при динамических – с высокой скоростью. Испытания могут выполняться при нормальной (комнатной), пониженной или повышенной температуре.
Наиболее распространенными механическими характеристиками являются: твердость, пределы прочности и упругости, ударная вязкость. Определяют также предел выносливости и предел ползучести.
Статические испытания
Определение прочноети при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб и кручение
Значение предела прочности материала зависит от схемы приложения нагрузки. Применяют различные методы определения прочности – при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Эти испытания отличаются соотношением между максимальными касательными и нормальными напряжениями, возникающими при приложении нагрузки, т.е. разной «жесткостью», которую характеризуют коэффициентом жесткости 
; чем больше доля нормальных напряжений, т.е. меньше значение
, тем жестче испытания.
Наиболее жесткими являются испытания на одноосное растяжение (
, т.е. нормальные напряжения в два раза превышают касательные); наиболее мягкие – испытания на одноосное сжатие (α = 2, т.е. величина касательных напряжений вдвое превосходит нормальные). Между ними располагаются испытания на кручение (α = 0,8) и более жесткое (чем кручение) испытание на изгиб, при котором возникает неоднородное напряженное состояние – от растяжения (α = 0,5 – часть образца ниже нейтральной линии) до сжатия (α = 2 – часть образца выше нейтральной линии).
Выбор метода испытаний определяется свойствами материалов – пластичностью, твердостью. Для определения предела прочности следует выбирать наиболее информативный метод испытаний. Чем пластичнее материал, тем более «жесткими» должны быть испытания, и наоборот.
Для некоторых материалов определенные методы испытаний просто не применимы. Так, например, пластичные материалы (медь, алюминий и их сплавы, мягкие стали) нс разрушаются при испытаниях на изгиб, они изгибаются до соприкосновения концов образца. Для них прочность определяется испытаниями на растяжение.
Для твердых хрупких материалов жесткие испытания на растяжения неинформативны. Чем жестче испытания, тем меньше значения предела прочности; это снижает точность определений и не позволяет достаточно надежно выявить различие в свойствах разных материалов. Так, например, предел прочности быстрорежущей стали Р18 с высокой твердостью (63 IIRC) составляет при испытаниях на растяжение 1900…2000 МПа, а при испытаниях па изгиб – 2700…3000 МПа.
Испытания на растяжение выполняют на разрывных машинах. На этих же установках с помощью специальных приспособлений проводятся испытания на изгиб и сжатие. Для испытаний на кручение требуются специальные установки.
Испытания на растяжение (α = 0,5) – наиболее распространенный метод определения прочности конструкционных материалов. Наряду с пределом прочности при этих испытаниях определяют предел текучести и характеристики пластичности материала – относительное удлинение и сужение.
Испытания выполняются на разрывных машинах с использованием специальных образцов (рис. 2.1). Головки образцов помещаются в зажимы разрывной машины, и образцы растягивают до разрушения.
В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение (σ), равное отношению приложенного усилия
Рис. 2.1. Образец для испытаний на растяжение
(P) к площади поперечного сечения образца (F): 
[МПа или кгс/мм2]. Под действием приложенной нагрузки возникает деформация – изменение размеров образца. Деформация может быть упругой или пластической.
Упругая деформация полностью снимается (исчезает) после снятия нагрузки и не приводит к изменениям в структуре и в свойствах материала. Различают абсолютную и относительную деформацию. Абсолютная () – изменение размера (длины образца при испытаниях на растяжение), относительная (
) – отношение абсолютной деформации к первоначальной длине (/), т.е. 
.
Между напряжением и величиной относительной упругой деформации существует линейная зависимость – закон Гука: 
, где Е – модуль упругости, характеризующий жесткость материала, т.е. способность сопротивляться упругим деформациям.
Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки (согните алюминиевую проволоку; после того как нагрузка снята, проволока не разгибается – она пластически деформирована).
При испытаниях на растяжение строится диаграмма в координатах «относительное удлинение 
– напряжение 
» (рис. 2.2). Определяются: предел прочности 
(временное сопротивление разрыву); предел пропорциональности (
) – максимальное напряжение, при котором отсутствует
Рис. 2.2. Диаграмма растяжения:
– предел пропорциональности; 
– предел тякучести; 
– предел прочности; 
– упругая деформация; 
– пластическая деформация
пластическая деформация. Поскольку точное определение предела пропорциональности затруднено, в практике измеряют предел текучести (
) – напряжение, вызывающее остаточную деформацию определенной величины, например (
) – напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2% от первоначальной длины образца. Для более точного определения предела пропорциональности определяют 
, или 
.
Перед разрушением образец претерпевает пластическую деформацию, он удлиняется, при этом происходит образование шейки (рис. 2.3)– уменьшение диаметра. Относительное удлинение
и относительное сужение 
(здесь 
и 
– начальная до испытаний и конечная минимальная площадь образца, т.е. площадь шейки после разрушения) характеризуют пластичность материала. Чем больше эти характеристики, тем материал пластичнее.
Рис. 2.3. Разрушенный образец после испытаний на растяжение
Испытания на изгиб (α от 0,5 до 2) проводят для материалов с высокой твердостью – свыше 52…53 HRC. Это закаленные инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы и др. Преимущества этого метода при определении прочности твердых инструментальных материалов заключаются в том, что напряженное состояние материала при испытаниях и возникающее при работе инструмента близки. При испытаниях на изгиб твердых материалов достигается бо́льшая точность, чем при испытаниях на растяжение. Во-первых, устраняется существенный недостаток испытаний на растяжение – перекосы (от неточности установки образа) при приложении нагрузки, а во-вторых, за счет больших значений предела прочности вследствие более мягких условий испытаний на изгиб.
Испытания проводят в основном на сосредоточенный изгиб (рис. 2.4). Предел прочности (
) определяют по известной формуле сопротивления материалов: 
, где М – разрушающий изгибающий момент, 
(Р – измеренная при испытании разрушающая сила; l – расстояние между опорами); W – момент сопротивления сечению.
Для образцов прямоугольного сечения 
, для круглого 
. Эти значения момента сопротивления справедливы для случаев, когда разрушение происходит без пластического деформирования, т.е. для материалов с весьма высокой твердостью – свыше 65…66 HRC (это твердые сплавы, режущая керамика). Для материалов с меньшей твердостью, разрушению которых предшествует пластическая деформация (большинство случаев), следует использовать исправленное увеличенное значение момента сопротивления. Для образцов прямоугольного сечения 
; для образцов круглого сечения 
.
Испытания на кручение (α = 0,8) выполняют как для хрупких, так и для пластичных материалов. Они целесообразны для определения пределов прочности, текучести материалов, из которых изготавливают детали, работающие на кручение (например, торсионные валы). Стандартные испытания проводят на цилиндрических образцах с головками. Один конец образца закреплен неподвижно, второй зажат во вращающейся части испытательной машины (рис. 2.5).
При кручении цилиндрического образца возникает напряженное состояние чистого сдвига. В испытаниях определяют пределы текучести и прочности при сдвиге 
Эти характеристики определяют из следующих уравнений:
где 
– разрушающий крутящий момент; 
– крутящий момент, вызываю-
Рис. 2.4. Схема испытаний на сосредоточенный изгиб
Рис. 2.5. Схема испытаний на кручение
щий остаточную деформацию определенной величины, например 0,2% (тогда получим предел текучести при сдвиге 
); 
– момент сопротивления кручению (полярный момент;. Для круглого сечения 
.
Испытания на кручения могут выполняться как натурные – на готовых деталях или инструментах. Так определяют, в частности, прочность сверл, косвенно оценивая прочность по величине разрушающего крутящего момента.
Испытания на сжатие (α = 2) являются мягким видом испытаний. Его используют для определения прочности хрупких материалов – чугун, бетон. Пластичные материалы при сжатии могут не разрушиться, а сплющиться.
Образцы из металлических материалов – цилиндрические с отношением высоты к диаметру 1…2. Так, для стандартных испытаний чугуна рекомендуются образцы диаметром 10…25 мм и высотой, равной диаметру.
Предел прочности при сжатии определяется как отношение разрушающей силы к площади первоначального сечения: 
(МПа или кгс/мм2].
На сжатие испытывают весьма хрупкие материалы, в частности алмаз, при этом достигается бо́льшая точность, чем при испытаниях па изгиб, из-за больших абсолютных значений предела прочности при сжатии. Так, пределы прочности алмаза при сжатии и изгибе соответственно равны 2000 и 500 МПа. Эти испытания выполняют на специальных установках для малых образцов.
Источник