Испытания образцов металла на 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.
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
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.
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
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 текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации без заметного увеличения растягивающей нагрузки
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
Кроме характеристик прочности материала, при испытании на растяжение определяют также характеристики пластичности — относительное удлинение δ и относительное сужение ψ
где lо – первоначальная расчетная длина образца, а lк – конечная расчетная длина образца
Источник
ОКСТУ 0909
Дата введения 1986-01-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством черной металлургии СССР
РАЗРАБОТЧИКИ
В.И.Маторин, Б.М.Овсянников, В.Д.Хромов, Н.А.Бирун, А.В.Минашин, Э.Д.Петренко, В.И.Чеботарев, М.Ф.Жембус, В.Г.Гешелин, А.В.Богачева
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 17.07.84 N 2514
3. Стандарт соответствует СТ СЭВ 471-88 в части испытаний листов и лент толщиной от 0,5 до 3,0 мм
4. ВЗАМЕН ГОСТ 11701-66
5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
6. Срок действия продлен до 01.01.96* Постановлением Госстандарта СССР от 25.03.91 N 319
__________________
* Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации. (ИУС N 11-12, 1994 год). — Примечание «КОДЕКС».
7. ПЕРЕИЗДАНИЕ (февраль 1993 г.) с Изменениями N 1, 2, утвержденными в октябре 1987 г., марте 1991 г. (ИУС 1-88, 6-91)
Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение тонких листов и лент из черных и цветных металлов толщиной до 3,0 мм для определения при температуре (20)°C характеристик механических свойств:
предела пропорциональности;
предела текучести физического;
предела текучести условного;
временного сопротивления;
относительного равномерного удлинения;
относительного удлинения после разрыва.
Стандарт соответствует СТ СЭВ 471-88 в части испытаний листов и лент толщиной от 0,5 до 3,0 мм.
Термины, применяемые в настоящем стандарте, и пояснения к ним — по ГОСТ 1497-84.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ
1.1. Вырезку заготовок для образцов и изготовление образцов проводят по ГОСТ 1497-84.
1.2. Для испытания применяют пропорциональные плоские образцы с начальной расчетной длиной или , a для испытания листов и лент толщиной от 0,5 до 3,0 мм и с .
Тип и размеры образцов должны указываться в нормативно-технической документации на правила отбора заготовок и образцов или на металлопродукцию.
При наличии указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию допускается испытывать ленту с учетом допусков на размеры, предусмотренные для испытываемой металлопродукции. При ширине испытываемой ленты менее 12,5 мм начальная расчетная длина должна быть не менее 50 мм.
Не допускается правка заготовок или образцов, деформирование их изгибом или местным перегибом.
1.3. Форма, размеры и предельные отклонения по ширине плоских пропорциональных образцов приведены в обязательном приложении 1.
При наличии указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию допускается применять пропорциональные плоские образцы других размеров.
1.4. Рабочая длина образцов должна составлять от до .
При разногласиях в оценке качества металла рабочая длина образцов должна составлять .
Примечание. При использовании тензометров или испытательной машины с автоматическим определением относительного удлинения после разрыва выбор рабочей и расчетной части длин образца должен соответствовать требованиям ГОСТ 1497-84.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
2. АППАРАТУРА
2.1. Разрывные и универсальные испытательные машины — по ГОСТ 28840-90.
2.2. Штангенциркули, микрометры — по ГОСТ 1497-84.
Допускается применение других измерительных средств, обеспечивающих измерение с погрешностью, не превышающей указанную в п. 3.2.
2.3. Тензометры с относительной ценой деления — по ГОСТ 1497-84.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. Установленную начальную расчетную длину ограничивают с погрешностью до 1% на рабочей части образца кернами, рисками или другими метками, исключающими повреждение поверхности образца.
Для пересчета относительного удлинения после разрыва с отнесением места разрыва к середине и для определения относительного равномерного удлинения по всей рабочей длине образца рекомендуется наносить риски, керны или иные метки через каждые 5 или 10 мм.
3.2. Погрешность определения начальной площади поперечного сечения не должна превышать ±2% (при предельной погрешности измерения ширины образца ±0,2%).
(Измененная редакция, Изм. N 2).
3.3. Измерение размеров образцов до испытания проводят не менее чем в трех местах — в средней части и на границах рабочей длины образца.
За начальную площадь поперечного сечения образца в его рабочей части принимают наименьшее из полученных значений на основании произведенных измерений с округлением по табл.2.
Таблица 2*
_________________
* Табл.1. (Исключена, Изм. N 2).
мм
Площадь поперечного сечения | Округление |
До 10,00 включ. | До 0,010 |
Св. 10,00 до 20,00 включ. | До 0,05 |
Св. 20,0 | До 0,1 |
Начальная площадь поперечного сечения ленты , мм, полученная методом плющения проволоки, вычисляется по формуле
где — наименьшая толщина, мм;
— наименьшая ширина, мм.
3.4. Измерение начальной и конечной расчетной длины проводится штангенциркулем при значении отсчета по нониусу 0,1 мм.
3.5. Образцы маркируют на головках или участках для захвата.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1. Определение предела пропорциональности , предела текучести физического , предела текучести условного (или иным установленным допуском), временного сопротивления и относительного удлинения после разрыва проводят при испытании пропорциональных образцов по п. 1.2. Проведение испытаний и обработка результатов — по ГОСТ 1497-84.
Определение относительного равномерного удлинения проводят на образцах с начальной расчетной длиной по ГОСТ 1497-84.
4.2. Округление вычисленных результатов испытаний проводят в соответствии с табл.3.
Таблица 3
Характеристика механических свойств | Интервал значений характеристики | Округление |
Предел пропорциональности, Н/мм (кгс/мм) | ||
Предел текучести физический, Н/мм (кгс/мм) | До 100 (до 10,0) | До 1,0 (0,1) |
Предел текучести условный, Н/мм (кгс/мм) | (св. 10,0 до 50,0) | До 10 (1) |
Временное сопротивление, Н/мм (кгс/мм) | ||
Относительное равномерное удлинение, % | До 10,0 | До 0,1 |
Относительное удлинение после разрыва, % | Св. 25 | До 1 |
4.1; 4.2. (Измененная редакция, Изм. N 2).
4.3. Допускается определение коэффициента пластической анизотропии , показателя деформационного упрочнения и неравномерности пластической деформации . Определение указанных характеристик механических свойств и пример определения приведены в приложении 2.
4.4. Результаты испытаний не учитываются по ГОСТ 1497-84 с дополнением: при разрыве образца на расстоянии менее 1/4 от ближайшей метки, ограничивающей расчетную длину.
4.5. При применении образцов, начальная расчетная длина которых или , относительное удлинение обозначают символами или .
При применении образцов, начальная расчетная длина которых , символ обозначают символом, обозначающим начальную расчетную длину образца , в миллиметрах.
Например, или — относительное удлинение после разрыва с начальной расчетной длиной , равной 50 или 80 мм, шириной 12,5 или 20 мм соответственно.
Сопоставления значений относительного удлинения после разрыва при пропорциональных образцах возможны только в случаях, когда начальная расчетная длина и начальная площадь поперечного сечения сравниваемых образцов одинаковы или связаны одинаковым коэффициентом пропорциональности, равным, например, отношению .
(Измененная редакция, Изм
. N 2).
4.6. Результаты испытаний записывают в протокол, форма которого приведена в приложении 3.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (рекомендуемое). ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ ПЛОСКИЕ ОБРАЗЦЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рекомендуемое
Черт.1. Пропорциональные образцы с головками
Пропорциональные образцы с головками
Черт.1
Таблица 1
мм
До 1,7 включ. | 12,5 | 40 | 15-20 | 25-40 | 20 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 40 | 15-20 | 25-40 | 30 | |||
До 1,7 включ. | 12,5 | 40 | 15-20 | 25-40 | 20 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 40 | 15-20 | 25-40 | 30 | |||
От 0,5 до 3,0 | 10,0 | 40 | 15-20 | 25-40 | 20 |
Черт.2. Пропорциональные образцы без головок
Пропорциональные образцы без головок
Черт.2
Таблица 2
мм
До 1,7 включ. | 12,5 | 45 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 45 | |||
До 1,7 включ. | 12,5 | 45 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 45 | |||
От 0,5 до 3,0 | 10,0 | 45 |
Примечания:
1. Образцы с головками применяются при испытании преимущественно высокопрочных материалов, обладающих повышенной хрупкостью и твердостью, с целью исключения проскальзывания образца, а также преждевременного разрушения его в захватах испытательной машины.
2. Размеры головок не являются обязательными и зависят от способа крепления образца в испытательной машине.
В образцах, имеющих головки с отверстиями диаметром = 20 мм при = 20 мм и = 50 мм или диаметром 15 мм при = 12,5 мм и = 30 мм, отклонения центров отверстий от оси образца допускаются не более 0,05 мм.
Таблица 3
Предельные отклонения размеров образцов
мм
Начальная ширина образца | Предельное отклонение начальной ширины | Допускаемая разность наибольшей и наименьшей начальной ширины по длине рабочей части образца |
Не более 12,5 | ±0,2 | 0,04 |
20 | ±0,5 | 0,05 |
(Измененная редакция, Изм. N 2).
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (рекомендуемое). ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПЛАСТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ R, ПОКАЗАТЕЛЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ n И НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ A
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Рекомендуемое
1. Термины, применяемые в приложении 2, и пояснения к ним
Термин | Пояснения |
Коэффициент пластической анизотропии | Соотношение между пластическими свойствами в плоскости прокатки и по толщине образца, относительная деформация которого равна величине |
Показатель деформационного упрочнения | Способность металла к упрочнению при равномерной пластической деформации |
Неравномерность пластической деформации | Мера рассеяния величин относительных пластических деформаций рабочей части образца, относительная деформация которого равна величине |
Начальное равномерное относительное удлинение | Относительное удлинение, измеренное при действующем на образец напряжении, величина которого выше предела текучести, но не более чем на 20 Н/мм (2 кгс/мм) |
Конечное равномерное относительное удлинение | Относительное удлинение, измеренное в процессе ступенчатого (через 3% удлинения) нагружения образца в момент, когда различие между наибольшей и наименьшей шириной (-) участков на рабочей длине образца достигает минимального значения |
Начальная расчетная длина образца по тензометру | Длина рабочей части образца между ножами тензометра до испытания, равная базе тензометра (, ) |
Расчетная длина образца по тензометру при нагрузке | Длина расчетной части образца по тензометру при напряжении, величина которого выше предела текучести, но не более чем на 20 Н/мм (2 кгс/мм); |
Расчетная длина образца по тензометру при нагрузке | Длина расчетной части образца по тензометру при относительной деформации ; |
Осевая растягивающая нагрузка | Нагрузка, действующая на образец при достижении расчетной длины по тензометру |
Осевая растягивающая нагрузка | Нагрузка, действующая на образец при достижении расчетной длины по тензометру |
Ширина образца | Ширина рабочей части образца, равная среднему арифметическому значению измерений ширины всех участков, измеренная при относительной деформации |
Конечная ширина образца | Ширина рабочей части образца, равная среднему арифметическому значению измерений ширины, произведенных в сечениях, расположенных в средней части и на границах расчетной длины по тензометру при относительной деформации |
Максимальная ширина участка образца | Максимальная ширина участка рабочей части образца при относительной деформации |
Минимальная ширина участка образца | Минимальная ширина участка рабочей части образца при относительной деформации |
(Измененная редакция, Изм. N 2).
2. Характеристики , , определяют по формулам:
3. Округление характеристик , , производят в соответствии с таблицей.
Обозначение характеристики | Пределы значений | Округление |
Не ограничены | До 0,01 | |
Не ограничены | До 0,01 | |
Не более 20,0 | До 0,1 | |
Св. 20,0 | До 0,5 |
4. Пример.
Испытываемый материал — низкоуглеродистая тонколистовая сталь; = 40%, = 10%, = 17%.
Размеры образца: ширина = 12,5 мм, толщина = 0,8 мм, начальная расчетная длина мм, принимаем = 80 мм.
Определяем расчетные длины по тензометру:
=4·12,5=50 мм;
=50(1+0,01·10)=55 мм;
=50(1+0,01·17)=58,5 мм.
Начальную расчетную длину образца =80 мм разбиваем на 8 участков нанесением рисок через 10 мм.
Измеряем с помощью микрометра ширину рабочей части образца до испытания в средней части и на границах рабочей длины, определяем начальную ширину рабочей части образца , как среднее арифметическое из трех измерений:
мм.
Устанавливаем на образец тензометр и производим нагружение образца. При достижении по тензометру значения , равного 55 мм, фиксируем нагрузку , равную 3030 Н (310 кгс).
При дальнейшем нагружении образца фиксируем нагрузку , соответствующую расчетной длине = 3150 H (325 кгс). Определяем ширину участков образца и :
мм;
мм.
Получаем: = 11,37 мм, =11,30 мм.
Вычисляем коэффициент пластической анизотропии :
, после округления = 1,98.
Вычисляем показатель деформационного упрочнения :
Вычисляем неравномерность пластической деформации :
после округления = 5,7%.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (справочное). ПРОТОКОЛ испытаний на растяжение плоских образцов на машине
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочное
Мар- | Номер плавки | Началь- | Началь- | Началь- | Конеч- | Наи- | Нагруз- | Времен- | Предел теку- | Относи- | Относи- |
Текст документа сверен по:
официальное издание
М.: Издательство стандартов, 1993
Источник
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.
Источник