Испытания на растяжение тема

Лабораторная работа № 9

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы

Изучить методику проведения испытаний на растяжение для определения механических свойств различных материалов.

Рабочее задание

Провести испытания на растяжение различных материалов и определить показатели прочности и пластичности.

Оборудование и материалы

Виртуальный лабораторный комплекс, испытательная машина УММ-5,

штангенциркуль, образцы различных металлических материалов.

Теоретические основы испытания материалов на растяжение

Действие силы вызывает деформацию твердого тела, и в нем возникают напряжения. Напряжение является удельной величиной и определяется как отношение силы, действующей на тело, к площади его сечения:

σ = F/A0, (Па, МПа),

где F – сила, A0 – площадь поперечного сечения образца, м2 (рис. 7);
A0 = πd02/4, d0 – начальный диаметр образца, м.

Напряжение в системе СИ выражается в Н/м2 или МН/м2, т.е. МПа. На практике может быть использована размерность кгс/мм2, (1 кгс/мм2 =
= 9,81 МПа);1 кгс = 9,8 Дж; 1 кгс/см2= 0,1МПа; 1МПа = 1000000 Па;
1 Па = 1Н/м2; 1 МПа = 1Н/мм2 = 10 кгс/см2.

Деформацией в механике называется процесс изменения взаимного расположения каких-либо точек твердого тела. Деформация может быть обратимой (упругой), исчезающей после снятия нагрузки, и необратимой – остающейся после снятия деформирующего усилия. Необратимую деформацию называют пластической или остаточной. При определенных условиях нагружения деформация может закончиться разрушением.

Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий.

Рис. 1. Схема процесса деформации

Даже незначительное усилие вызывает упругую деформацию, которая в чистом виде наблюдается только при нагрузках до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от нагрузки и упругим изменениям межатомных расстояний. При нагрузках выше точки А в отдельных зернах металла, ориентированных наиболее благоприятно относительно направления деформации, начинается пластическая деформация. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает и увеличение упругой, и пластической деформации (участок АВ). При нагрузках точки В возрастание упругой деформации прекращается. Начинается процесс разрушения, который завершается в точке С.

Механические свойства материалов: прочность, твердость, пластичность, вязкость, упругость определяются при различных условиях нагружения и разных схемах приложения усилий. Широко распространено испытание материалов на растяжение, по результатам которого можно определить в частности показатели прочности и пластичности материала.

Показатели прочности

Сопротивление малым пластическим деформациям характеризуют предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести.

Предел пропорциональности σпц – напряжение, до которого материал деформируется строго упруго, то есть соблюдается закон Гука σ = Еε,где Е – модуль упругости (модуль Юнга. Это структурно нечувствительная величина).

σпц = Fпц/A0,

где Fпц – нагрузка, при пределе пропорциональности.

Предел упругости σу– наибольшее напряжение, до которого в материале не обнаруживается признаков пластической деформации;

σу = Fу/A0.

Физический предел текучести σт – это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки:

σт = FТ/A0.

Если на кривой деформации отсутствует четко выраженная площадка текучести (рис. 4,а), то определяют условный предел текучести.

Условный предел текучести σ0,2 – это напряжение, при котором остаточное удлинение (необратимая пластическая деформация) составляет 0,2% длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Сопротивление значительным пластическим деформациям (для пластичных материалов) характеризуется пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление) σв – это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрыву образца:

σв = Fв/A0,

где Fв – нагрузка, соответствующая точке В.

Показатели пластичности

Относительное удлинение после разрыва δ – это отношение приращения расчетной длины образца (lk– l0) после разрушения (рис. 6.) к начальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:

Для определения длины расчетной части lk после разрыва части образца плотно прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между метками, которые ограничивали начальную расчета длину.

Относительное сужение ψ – это отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения в шейке образца (F0 – Fк) к начальной площади сечения F0, выраженное в процентах:

где F0 и Fk – площади поперечного сечения образца до и после испытания соответственно.

Для проведения испытаний используются следующие образцы (рис. 3):

Рис. 3. Образцы для испытаний: а – круглый образец; б – плоский образец;

L – общая длина; l – рабочая длина; l0 – начальная расчетная длина; d0– диаметр образца до испытания; а – толщина; b – ширина; R – радиус скругления.

Диаграмма растяжения

Вид диаграммы растяжения зависит от природы материала и от его структурного состояния (рис. 4).

Рис. 4. Виды диаграмм растяжения различных материалов:

а – для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом

из упругой области в пластическую (медь, бронза, легированные стали);

б – для некоторых металлов в пластичном состоянии со скачкообразным переходом

в пластическую область (малоуглеродистая сталь, некоторые отожженные бронзы);

в – для хрупких материалов (чугун, стекло, закаленная и неотпущенная сталь, силумин)

Рассмотрим стадии растяжения малоуглеродистой стали (рис. 4,б).

Вначале до точки А зависимость между нагрузкой и удлинением изображается прямой линией, т.е. наблюдается прямая пропорциональность между удлинением и нагрузкой. Интенсивность возрастания нагрузки с ростом удлинения характеризует жесткость материала.

Ордината точки А соответствует нагрузке при пределе пропорциональности Рпц. До предела пропорциональности в образце возникают только упругие деформации. При дальнейшем растяжении образца начинается заметное отклонение линии от первоначального направления, приводящее в случае малоуглеродистой стали к появлению на диаграмме горизонтального или почти горизонтального участка. Это означает, что образец удлиняется без заметного возрастания растягивающей нагрузки. Материал как бы течет, поэтому нагрузка Рт, соответствующая горизонтальному участку (точка В), называется нагрузкой при пределе текучести.

В период течения в образце происходит пластическая деформация, возрастает количество дислокации и других дефектов. В результате этого металл упрочняется. Поэтому при дальнейшем растяжении нагрузка вновь начинает увеличиваться и достигает значения Рмах, соответствующего ординате максимально удаленной точки С на кривой растяжения. При нагрузке Рмах деформация образца локализуются, начинает образовываться шейка – местное уменьшение сечения. Нагрузку Рмахназывают нагрузкой на пределе прочности, или нагрузкой временного сопротивления. При нагрузке, соответствующей точке К, происходит разрыв образца.

Нагрузки Рпц, Рт, Рмах и т.п. являются характеристиками данного образца. Свойства же материала характеризуют другими показателями.

Описание метода эксперимента

Последовательность действий следующая:

1. Взять образец со стола (рис. 5);

2. Установить образец между кулачками (рис. 6);

3. Включить УММ-5 (кнопка внизу «красная» — включить, «белая» — выключить);

4. Установить передачу (рис. 7);

Рис. 5. Стол с образцами Рис. 6. Зажатый образец

5. Нажать кнопку «ВНИЗ». Образец начнет растягиваться.

Рис. 7. Кнопки электромеханического привода и рычаг коробки скоростей

При растягивании шкала показывает данные (рис. 8). Управление пассивной стрелкой происходит от рукоятки посередине шкалы (вращая рукоятку, можно вращать стрелку). Во время работы из диаграммного аппарата «выезжает» лист с диаграммой (рис. 9).

Рис. 8. Шкала динамографа: 1 – рукоятка управления пассивной стрелкой;

2 – активная стрелка (связана с замером); 3 – пассивная стрелка

6. Постепенно образец в середине становится тоньше и длиннее за счет растяжения. В конце испытания образец рвется;

7. Затем необходимо выключить УММ–5 (кнопка «СТОП»), либо машина выключится сама;

8. Вытащить образец, и положить его на стол для замера (две половинки образца ложатся друг к другу, образуя «целый» образец). Замер будет производиться при помощи штангенциркуля (рис. 10);

9. Взять со стола штангенциркуль и указать на образец. Одной губкой штангенциркуль встанет к месту замера на образце, а вторую можно двигать, тем самым производя замер в месте обрыва;

10. Снять динамограмму с УММ-5 и положить ее на стол. После того, как динамограмма оказалась на столе, имеется возможность растянуть ее на весь экран (щелчок на динамограмму растягивает ее на весь экран, повторный щелчок убирает ее обратно на стол);

Рис. 9. Пример диаграммы разрыва образца

Рис. 10. Штангенциркуль

11. Сломанный образец нужно выкинуть в урну;

12. Далее нижний кулачок поднять (кнопка «ВВЕРХ») до положения, чтобы поместить новый образец;

13. Пассивную стрелку (3) динамографа установить в нулевое положение.

Можно проводить дальнейшие испытания.

Таблица 1

Протокол испытаний на растяжение

Продолжение таблицы 1 – протокол на растяжение:

Вывод:Таким образом испытания на растяжение определяют важнейшие прочностные, упругие и пластические свойства металлов и сплавов.

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