Кривая испытания материала на растяжение

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение производится на образцах двух типов:
цилиндрических и плоских.

Цилиндрические образцы могут быть нормальные (с расчетной
длиной lрасч=10d) и
укороченные (с lрасч=5d).
Для плоских образцов при вычислении расчетной длины образца используется
диаметр круга, равновеликого поперечному сечению рабочей части образца.

В процессе растяжения, реализуемого на специальных
испытательных машинах, автоматически записывается диаграмма испытания в
координатах сила – удлинение (рабочая, или индикаторная диаграмма). Для
малоуглеродистой стали эта диаграмма выглядит следующим образом:

Рассмотрим основные участки диаграммы.

OB – участок упругости.

После нагружения в пределах этого участка образец
возвращается в исходное состояние. Такая деформация, полностью исчезающая после
разгрузки, называется упругой. Механизм упругой деформации – изменение
расстояния между атомами.

BC – участок общей текучести (площадка текучести).

На этом участке на поверхности образца появляется сетка линий,
направленных под углом приблизительно 45° к оси растяжения – линии
Чернова-Людерса. Эти линии свидетельствуют о появлении нового механизма
деформации, заключающегося в сдвиге атомных слоев друг относительно друга.
Из-за этих сдвигов после разгрузки образец не возвращается в исходное
состояние, приобретая остаточную, или пластическую, деформацию. Пластическая
деформация сопровождается нагревом образца, изменением его электропроводности и
магнитных свойств, а также акустическим излучением.

CD – участок упрочнения.

Пластическая деформация изменяет внутреннюю структуру
материала, в результате чего образец снова проявляет сопротивление
деформированию, и растягивающая сила повышается.

DK – участок местной текучести.

Точка D диаграммы соответствует появлению на образце
локального сужения – шейки. Дальнейшая деформация локализуется в этой области,
и за счет уменьшения площади поперечного сечения необходимая для растяжения
сила снижается. Точка K соответствует разделению образца на части. Разрыв
происходит в самом тонком месте шейки.

Чтобы исключить влияние геометрических размеров образца,
рабочая диаграмма перестраивается в условную (в координатах напряжение –
деформация:

Полученная диаграмма называется условной потому, что при
вычислении напряжения и деформации сила и удлинение относятся не к
действительным, а к начальным значениям соответственно площади поперечного
сечения и длины образца.

На условной диаграмме выделяют следующие характерные точки:

sпц
– предел пропорциональности: максимальное напряжение, до которого справедлив
закон Гука (т.е. наблюдается прямая пропорциональная зависимость между
напряжением и деформацией);

sу
– предел упругости: максимальное напряжение, до которого в материале не
возникает пластических деформаций;

sт
– предел текучести: напряжение, при котором наблюдается рост деформации при
постоянном напряжении;

sв
– предел прочности (или временное сопротивление разрыву): максимальное
напряжение, которое может выдержать образец без разрушения.

В момент разрыва истинное напряжение, отнесенное к
действительной площади сечения, существенно выше предела прочности.

За пределами участка упругости в любой точке диаграммы
полная деформация εполн состоит из упругой εупр
и пластической εпл составляющих:

Если прекратить нагружение в точке G и снять нагрузку, то
разгрузка произойдет по закону Гука, т.е. по линии, параллельной участку
упругости (отрезок GO1). Таким образом, отрезок OO1
определяет величину остаточной деформации образца, а отрезок O1O2 – величину
упругой деформации на момент разрыва.

Механические характеристики материалов

Механические характеристики материалов, определяемые при
растяжении, можно разделить на три группы.

1. Характеристики упругих свойств.

Модуль упругости первого рода (модуль Юнга).

Модуль Юнга характеризует жесткость материала (физический
смысл) и равен тангенсу угла наклона участка упругости OB условной диаграммы к
оси абсцисс E = tga
(геометрический смысл). Для основных марок стали E = 2·105 МПа, для
меди E = 1,2·105 МПа, для алюминия E = 0,7·105 МПа.

Коэффициент Пуассона.

Удлинению стержня при растяжении в продольном направлении
сопутствует сжатие в поперечном направлении:

При этом относительная линейная деформация определяется как

,

а относительная поперечная
деформация –

.

За коэффициент Пуассона принимают модуль отношения
поперечной деформации к продольной:

.

Коэффициент Пуассона изменяется от 0 (для пробки) до 0,5
(для резины). Для основных марок стали .

Иногда к характеристикам упругости относят также предел
пропорциональности sпц и
предел упругости sу.

2. Характеристики прочности:

– предел текучести sт,

– предел прочности sв.

Если диаграмма растяжения не имеет площадки текучести, то
определяют условный предел текучести s0,2
– напряжение, соответствующее величине остаточной деформации 0,2%.

Для некоторых материалов величину условного предела
текучести определяют при остаточной деформации 0,5% (s0,5). Используется также понятие условного предела
упругости s0,001 или s0,005 – напряжение,
соответствующее величине остаточной деформации 0,001 или 0,005%.

3. Характеристики пластичности.

Относительное остаточное удлинение при разрыве:

,

где l0 – начальная
длина образца (до испытания), lк – конечная длина образца
(после разрушения).

Относительное остаточное удлинение при разрыве можно
определить непосредственно по диаграмме растяжения, проведя из точки разрыва
линию, параллельную участку упругости, до пересечения с осью абсцисс (отрезок
OL):

Относительное остаточное сужение при разрыве:

,

где A0 и Aш –
площадь поперечного сечения рабочей части соответственно до и после испытания
(в месте образования шейки).

Испытание на сжатие

При испытании на сжатие металлов используются цилиндрические
образцы с отношением высоты к диаметру 1…3:

Для строительных материалов используются кубические образцы
с длиной грани 100 или 150 мм.

Испытание на сжатие используется редко в силу того, что
между плитами испытательной машины и торцевыми поверхностями образца возникает
сила трения, нарушающая одноосное напряженно-деформированное состояние, в
результате чего определяемые характеристики прочности не могут использоваться в
расчетах на прочность. Для устранения силы трения используются следующие
приемы:

• нанесение парафинового слоя на
  торцевые поверхности образца;
• использование плиты
  специальной конструкции.

Угол конуса рассчитывают таким, чтобы расклинивающая сила
компенсировала силу трения.

Пластичные и хрупкие материалы

По величине относительного остаточного удлинения при разрыве
принято различать:

— пластичные материалы – способные получать без
разрушения большие остаточные деформации (d > 10%);

— хрупкие материалы – способные разрушаться без
образования заметных остаточных деформаций (d < 5%).

При испытаниях на растяжение:

1 –
пластичный материал;

2 –
хрупкий материал.

Пластичные и хрупкие материалы отличаются также по характеру
разрушения. Пластичные материалы перед разрывом образуют заметную шейку, а
разрушение происходит под углом примерно 45° к оси растяжения (последнее хорошо
видно на плоских образцах). Хрупкие материалы разрушаются по плоскости,
нормальной оси растяжения, практически без образования шейки.

Сравним результаты испытаний на растяжение и сжатие для
пластичных материалов:

1 –
растяжение;

2 –
сжатие.

Считается, что для пластичных материалов пределы текучести
при растяжении и сжатии равны друг другу: sтр»sтс.

Другой особенностью испытания на сжатие пластичных
материалов является то, что их не удается довести до разрушения, т.к. они
сплющиваются в тонкий диск. По этим причинам пластичные материалы на сжатие
практически не испытывают.

Для хрупких материалов диаграммы испытаний на растяжение и
сжатие подобны друг другу:

1 –
растяжение;

2 –
сжатие.

Хрупкие материалы при испытании на сжатие разрушаются, при
этом оказывается, что предел прочности при растяжении меньше, чем при сжатии: sвр<sвс.

Существует также группа материалов, которые способны при
растяжении воспринимать большие нагрузки, чем при сжатии. Это в основном
волокнистые материалы, а из металлов – магний.

Для волокнистых материалов характерна анизотропия
механических свойств. Например, при испытаниях на сжатие дерева:

1 –
дерево вдоль волокон;

2 –
дерево поперек волокон.

Наклеп. Эффект Баушингера. Гистерезис

Если нагрузить образец до точки G, а затем произвести
разгрузку, то при повторном нагружении диаграмма растяжения пойдет по пути O1GK:

Явление повышения прочностных свойств материала (sпц, sу и sт)
и снижения пластических (d) в
результате предварительного нагружения выше предела текучести называется
наклепом (или деформационным упрочнением). Если после такого нагружения
выдержать образец в течение 100 и более часов, то при этом повышается и предел
прочности. Это явление называется естественным старением.

Наклеп может быть частично или полностью устранен
термической обработкой.

При сжатии нагружение выше предела текучести, так же, как и
при растяжении, вызывает явление наклепа. Однако наклеп, вызванный растяжением,
снижает sпц и sт при сжатии. Это явление
называется эффектом Баушингера.

Если рассмотреть диаграмму растяжения при большом разрешении
по оси деформаций, то станет заметно, что линии разгрузки GO1 и
нагрузки O1G образуют петлю – петлю гистерезиса:

Явление гистерезиса можно определить как необратимую потерю
энергии деформации в результате несовпадения кривой нагружения с кривой
разгрузки. При свободных колебаниях гистерезис является причиной постепенного
затухания колебательного процесса.

При анализе диаграмм растяжения и сжатия явлением
гистерезиса пренебрегают.

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.