Испытания на удлинение и растяжение

Испытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ — ε)

Испытания на растяжение проводятся по ГОСТ 1497, по этому же ГОСТу определяются и образцы на которых проводятся испытания.

Образцы для испытания на растяжение Как уже говорилось выше, при испытаниях строится диаграмма растяжения металла. На ней есть несколько характерных участков:

Испытание на растяжение

Участок ОА — участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.
Участок ОВ — участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении

Выше точки В диаграмма растяжения отходит от прямой — деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма принимает криволинейный вид. При нагрузке, соответствующей Рт (точка С ), диаграмма переходит в горизонтальный участок. В этой стадии образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки. Получение такого участка на диаграмме растяжения объясняется свойством материала деформироваться при постоянной нагрузке. Это свойство называется текучестью материала, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.
Зуб текучести на диаграмме растяжения металла Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.

После появления площадки текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма поднимается вверх. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax. При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение — шейка. Уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки и в момент, соответствующий точке K диаграммы, происходит разрыв образца.

Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.

Определяются следующие механические характеристики:

Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряжение, после которого нарушается справедливость закона Гука σ = Еε , где Е – модуль продольной упругости, или модуль упругости первого рода. При этом Е =σ/ε = tgα , т. е. модуль E это тангенс угла наклона прямолинейной части диаграммы к оси абсцисс Формула определения предела пропорциональности

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 Формула определения предела упругости

Предел текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации без заметного увеличения растягивающей нагрузки

Формула расчета предела текучести Также выделяют условный предел текучести — это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ0,2). Величину σ0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) σв – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Pmax , предшествующей разрыву образца

Формула расчета предела прочности

Кроме характеристик прочности материала, при испытании на растяжение определяют также характеристики пластичности — относительное удлинение δ и относительное сужение ψ

Формула расчета относительного удлинения

где lо – первоначальная расчетная длина образца, а lк – конечная расчетная длина образца

Формула расчета относительного сужения образца

Площади поперечного сечения образца

Изопропиловый спирт цена за тонну оптом — https://www.dcpt.ru

Источник

Отвечает эксперт ЗАО ЦНИИПСК им. Мельникова

Как уже говорилось выше, при испытаниях строится диаграмма растяжения металла. На ней есть несколько характерных участков:

Участок ОА — участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.
Участок ОВ — участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении

Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.

Определяются следующие механические характеристики:

Также выделяют условный предел текучести — это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ0,2). Величину σ0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести

где lо – первоначальная расчетная длина образца, а lк – конечная расчетная длина образца

Источник

Лабораторная работа № 1

Цель работы – изучить поведение малоуглеродистой стали при растяжении и определить ее механические характеристики.

Основные сведения

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.

Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.

В таких случаях, кроме металлографических исследований, определяются главные механические характеристики на образцах, взятых из зоны разрушения конструкции. Образцы изготавливаются по ГОСТ 1497-84 и могут иметь различные размеры и форму (рис. 1.1).

Образцы для испытания на растяжение

Рис. 1.1. Образцы для испытания на растяжение

Между расчетной длиной образца lо и размерами поперечного сечения Ао (или dо для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:

В испытательных машинах усилие создается либо вручную — механическим приводом, либо гидравлическим приводом, что присуще машинам с большей мощностью.

В данной работе используется универсальная испытательная машина УММ-20 с гидравлическим приводом и максимальным усилием 200 кН, либо учебная универсальная испытательная машина МИ-40КУ (усилие до 40 кН).

Порядок выполнения и обработка результатов

Образец, устанавливаемый в захватах машины, после включения насоса, создающего давление в рабочем цилиндре, будет испытывать деформацию растяжения. В измерительном блоке машины есть шкала с рабочей стрелкой, по которой мы наблюдаем рост передаваемого усилия F.

Зависимость удлинения рабочей части образца от действия растягивающей силы во время испытания отображается на миллиметровке диаграммного аппарата в осях F-Δl (рис. 1.2).

В начале нагружения деформации линейно зависят от сил, потому участок I диаграммы называют участком пропорциональности. После точки В начинается так называемый участок текучести II.

На этой стадии стрелка силоизмерителя как бы спотыкается, приостанавливается, от точки В на диаграмме вычерчивается либо прямая, параллельная горизонтальной оси, либо слегка извилистая линия — деформации растут без увеличения нагрузки. Происходит перестройка структуры материала, устраняются нерегулярности в атомных решетках.

Далее самописец рисует участок самоупрочнения III. При дальнейшем увеличении нагрузки в образце происходят необратимые, большие деформации, в основном концентрирующиеся в зоне с макронарушениями в структуре – там образуется местное сужение — «шейка».

На участке IV фиксируется максимальная нагрузка, затем идет снижение усилия, ибо в зоне «шейки» сечение резко уменьшается, образец разрывается.

При нагружении на участке I в образце возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические — остаточные деформации.

Если в стадии самоупрочнения начать разгружать образец (например, от т. С), то самописец будет вычерчивать прямую СО1. На диаграмме фиксируются как упругие деформации Δlу (О1О2), так и остаточные Δlост (ОО1). Теперь образец будет обладать иными характеристиками.

Так, при новом нагружении этого образца будет вычерчиваться диаграмма О1CDЕ, и практически это будет уже другой материал. Эту операцию, называемую наклеп, широко используют, например, в арматурных цехах для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней.

Диаграмма растяжения (рис. 1.2) характеризует поведение конкретного образца, но отнюдь не обобщенные свойства материала. Для получения характеристик материала строится условная диаграмма напряжений, на которой откладываются относительные величины – напряжения σ=F/A0 и относительные деформации ε=Δl/l0 (рис. 1.3), где А0, l0 – начальные параметры образца.

Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Условная диаграмма напряжений при растяжении

Рис. 1.3. Условная диаграмма напряжений при растяжении

Условная диаграмма напряжений при растяжении позволяет определить следующие характеристики материала (рис. 1.3):

σпц – предел пропорциональности – напряжение, превышение которого приводит к отклонению от закона Гука. После наклепа σпц может быть увеличен на 50-80%;

σу – предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05%. Напряжение σу очень близко к σпц и обнаруживается при более тонких испытаниях. В данной работе σу не устанавливается;

σт – предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформаций при постоянной нагрузке.

Иногда явной площадки текучести на диаграмме не наблюдается, тогда определяется условный предел текучести, при котором остаточные деформации составляют ≈0,2% (рис. 1.4);

Определение предела упругости и условного предела текучести

Рис. 1.4. Определение предела упругости и условного предела текучести

σпч (σв) – предел прочности (временное сопротивление) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке;

σр – напряжение разрыва. Определяется условное σур и истинное σир=Fр/Аш, где Аш – площадь сечения «шейки» в месте разрыва.

Определяются также характеристики пластичности – относительное остаточное удлинение

δ = (l1 – l0)∙100% / l0,

где l1 – расчетная длина образца после разрыва,
и относительное остаточное сужение

ψ = (А0 — Аш)∙100% / А0.

По диаграмме напряжений можно приближенно определить модуль упругости I рода

E=σпц/ε=tgα,

причем после операции наклепа σпц возрастает на 20-30%.

Работа, затраченная на разрушение образца W, графически изображается на рис. 1.2 площадью диаграммы OABDEO3. Приближенно эту площадь определяют по формуле:
W = 0,8∙Fmax∙Δlmax.

Удельная работа, затраченная на разрушение образца, говорит о мере сопротивляемости материала разрушению w = W/V, где V = A0∙l0 – объем рабочей части образца.

По полученным прочностным и деформационным характеристикам и справочным таблицам делается вывод по испытуемому материалу о соответствующей марке стали

Контрольные вопросы

Изобразите диаграмму растяжения образца из малоуглеродистой стали (Ст.3). Покажите полные, упругие и остаточные абсолютные деформации при нагружении силой, большей, чем Fт.
На каком участке образца происходят основные деформации удлинения? Как это наблюдается на образце? Какие нагрузки фиксируются в этот момент?
Объясните, почему после образования шейки дальнейшее растяжение происходит при все уменьшающейся нагрузке?
Перечислите механические характеристики, определяемые в результате испытаний материала на растяжение. Укажите характеристики прочности и пластичности.
Дайте определение предела пропорциональности.
Дайте определение предела упругости.
Дайте определение предела текучести.
Дайте определение предела прочности.
Как определить предел текучести при отсутствии площадки текучести? Покажите, как это сделать, по конкретной диаграмме.
Какие деформации называются упругими, какие остаточными? Укажите их на полученной в лабораторной работе диаграмме растяжения стали.
Как определяется остаточная деформация после разрушения образца?
Выделите на диаграмме растяжения образца из мягкой стали упругую часть его полного удлинения для момента действия максимальной силы.
Какое явление называется наклепом? До какого предела можно довести предел пропорциональности материалов с помощью наклепа?
Как определяется работа, затраченная на разрушение образца? О каком свойстве материала можно судить по удельной работе, затраченной на разрушение образца?
Как определить марку стали и допускаемые напряжения для нее после проведения лабораторных испытаний?
Чем отличается диаграмма истинных напряжений при растяжении от условной диаграммы?
Можно ли определить модуль упругости материала по диаграмме напряжений?
Как определить работу, затрачиваемую на деформации текучести лабораторного образца?

Испытание материалов на сжатие >
Краткая теория >
Примеры решения задач >

Источник

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

им. В.А. КУЧЕРЕНКО ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОТНОСИТЕЛЬНОГО РАВНОМЕРНОГО
УДЛИНЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
СТАЛЕЙ ПРИ ИСПЫТАНИИ
НА РАСТЯЖЕНИЕ

Утверждены директором ЦНИИСК
им. В.А.
Кучеренко
27 апреля 1979 г.

МОСКВА — 1980

Рекомендации распространяются
на стальной
прокат для строительных металлических
конструкций и устанавливают методы определения относительного равномерного
удлинения как характеристики, нормируемой
техническими условиями, так и необходимой при
проведении научно-исследовательских работ.

Рекомендации предназначены
для инженерно-технических работников заводских
лабораторий (заводов строительных металлоконструкций)
и научно-исследовательских организаций.

Рис. 2.

СОДЕРЖАНИЕ

При работе стали в
конструкциях характеристика относительного равномерного удлинения играет важную роль для
оценки способности металла пластически деформироваться. Эта характеристика
имеет большее значение, чем нормируемое в настоящее время полное относительное
удлинение согласно ГОСТ 1497-73. До настоящего времени для определения равномерного
относительного удлинения в основном использовалась методика, описанная в
стандарте на арматурные стали, где не предусмотрены плоские образцы.

Настоящее руководство
распространяется на стальной толстолистовой, широкополосный универсальный и
фасонный (уголок, швеллер, балка) прокат толщиной от 4 до 40 мм, независимо от
его прочностных свойств, предназначенный для изготовления
строительных металлических конструкций, и
устанавливает методы определения относительного равномерного удлинения при
статических испытаниях
на растяжение при нормальных температурах .

Применение методов
определения относительного равномерного удлинения предусматривается в
стандартах и технических условиях на соответствующие виды проката,
предназначенного для строительных металлических конструкций.

Термины и определения,
принятые в настоящих рекомендациях, согласованы с ГОСТ 1497-73 «Металлы. Методы испытания на растяжение».

Относительное равномерное
удлинение определяется одновременно с относительным удлинением после разрыва.

Настоящие рекомендации
разработаны Отделением прочности и новых форм металлических конструкций и
Отделением испытаний конструкций ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР (составили кандидаты
технических наук Потапов В.Н. и Жулев Ю.К.) на
основании материалов исследований, выполненных
в период 1976-78 гг.

Дирекция ЦНИИСК
им. Кучеренко

1.1. При испытании на
растяжение по определению относительного равномерного удлинения принимаются
следующие обозначения и определения:

l — рабочая длина в мм — часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его
головкой или участком для захвата;

l0 — начальная расчетная длина образца в мм, на которой
определяется удлинение после разрыва;

lпр — начальная расчетная длина участка образца в мм, на которой
определяется равномерное удлинение;

lкр — конечная расчетная длина участка образца в мм, не
включающая место разрыва;

lт — установочная база измерителя деформаций в мм;

d0 — начальный диаметр рабочей части цилиндрического образца до
разрыва в мм;

F0 — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца в мм2;

Fкр — конечная площадь поперечного сечения рабочей части образца после
разрыва, определяемая в расчетной части равномерного
относительного удлинения в мм2.

1.2. Характеристики
механических свойств, получаемых при испытании на растяжение, имеют следующие
обозначения и определения:

δр — относительное равномерное удлинение после разрыва в % — отношение приращения расчетной длины образца (lкр — lнр) на участке, не
включающем место разрыва, к соответствующей первоначальной длине lнр;

ψp — относительное равномерное сужение в % — отношение изменения
площади поперечного сечения образца (F0 — Fкр) после разрыва на участке, не включающем место разрыва, к начальной площади поперечного сечения;

Pвр — максимальная осевая растягивающая нагрузка в кГс, действующая
на образец до образования шейки.

2.1. Для определения
относительного равномерного удлинения при испытании на растяжение применяют
пропорциональные плоские образцы типов I и II с начальной расчетной длиной а также пропорциональные цилиндрические образцы типов I — VII
с l0 = 10d0 по ГОСТ 1497-73.

2.2. Рабочая длина плоского
образца должна составлять

2.3. При испытании
толстолистового широкополосного и уголкового проката применяют, как правило, плоские образцы. При
испытании швеллерного и двутаврового проката применяют, в основном,
цилиндрические образцы; допускается применение плоских образцов с одной прокатной и другой
обработанной поверхностями.

Плоские образцы должны сохранять
поверхностные слои проката. При толщине проката свыше 25 мм:

— испытания проводят на
плоских образцах толщиной 25 мм с одной прокатной поверхностью;

— допускается применять
плоские образцы
с обеими прокатными поверхностями, принимая при этом ширину образца не менее 50
мм и расчетную длину .

2.4. Измерение начальной и
конечной расчетных длин, размеров поперечного
сечения образца производят с точностью до 0,1 мм.

2.5. На рабочей части образца
рекомендуется наносить разметку — неглубокие керны, риски или иные метки через каждые 5 или
10 мм.

3.1. Для испытаний применяют
разрывные и универсальные машины всех систем, если они соответствуют
требованиям ГОСТ 1497-73, ГОСТ 7855-74
и требованиям
стандартов на стали для строительных металлических конструкций.

3.2. При проведении испытаний
должны соблюдаться следующие основные условия:

а) надежное центрирование
образца в захватах испытательной машины;

б) плавность нагружения;

в) скорость перемещения активного захвата при
испытании до предела текучести долина быть не
более 0,01, за пределом текучести не более 0,2 длины расчетной части образца,
выраженной в мм/мин.

4.1. При текущих испытаниях
определение относительного равномерного
удлинения может производиться по одному из
следующих методов:

Первый метод

Относительное равномерное
удлинение δр определяют вне участка разрыва (предпочтительней на
большей части разрушенного образца) на начальной расчетной длине, равной 50 мм.

При этом расстояние от места разрыва до
ближайшей точки (риски) начальной расчетной
длины lпр должно быть не менее 3b0*) (с округлением до ближайшей удаленной
разметочной риски от места разрыва образца где
b0 — начальная ширина образца (рис. 1).

______________

*)
В случае цилиндрических образцов вместо b0 следует d0.

Испытания на удлинение и растяжение

Рис. 1

Относительное равномерное
удлинение δр в процентах вычисляют по формуле

Второй метод

Относительное равномерное
удлинение δр в % вычисляют по следующей формуле

где ψр — относительное равномерное сужение в %, вычисленное по формуле

Измерение площади Fкр производится на расстоянии от места
разрыва не менее 4b0.

Третий метод*)

______________

*) Этот метод
допускает использование образцов с пятикратной расчетной длиной.

Относительное равномерное
удлинение δр определяют графически по диаграмме растяжения (рис. 2), записываемой соответствующим измерителем деформаций, установленным непосредственно на
образце.

Масштаб по оси деформаций
должен быть не менее 50:1.

Примечание. Определение δр производится на
участке диаграммы растяжения, заканчивающемся точкой В, которая соответствует
началу достижения максимальной нагрузки Рвр.

Испытания на удлинение и растяжение

Рис. 2

4.2. Относительное
равномерное удлинение вычисляют с округлением до 0,5 %. При этом доли до 0,25 %
отбрасывают, а доли в 0,25 % и более принимают за 0,5 % (см. приложение).

4.3. Испытание считается
недействительным:

— при разрыве
образца по кернам (рискам), если при этом какая-либо
характеристика механических свойств по своей величине не отвечает установленным требованиям;

— при разрыве
образца в захватах испытательной машины или за пределами расчетной длины;

— при обнаружении ошибок в
проведении испытаний или записи результатов
испытаний.

В указанных случаях испытание
на растяжение должно быть повторено на отобранных от той же партии или плавки
новых образцах.

По первому методу (рис. 1)

Начальная расчетная длина lнр = 50
мм;

Конечная расчетная длина lкр = 58,4 мм,

По второму методу

Начальная площадь поперечного сечения
(10×30 мм) образца F0 = 300 мм2.

Конечная площадь поперечного
сечения образца (замеренная на расстоянии 4b0 от места разрыва) Fкр = 258 мм2

Источник