Материаловедение растяжение и сжатие
Растяжение
Испытание на растяжение позволяет получить достаточно полную информацию о механических свойствах материала. Для этого применяют специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы). На рис. 3.1 представлена схема цилиндрического образца на различных стадиях растяжения. Согласно ГОСТ 1497—84 геометрические параметры образцов на растяжение должны отвечать следующим соотношениям: /() = 2,82У7ф или /0 = = 5,65V^b, или /0 = 1 l,3VTb (гДе — начальная расчетная длина образца, Fq — начальная площадь поперечного сечения расчетной части образца). Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины /0 к начальному диаметру г/0, т.е. /0/б/0, называют кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5,5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью 5.
Рис. 3.1. Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения:
а — образец до испытания (/о и d$ — начальные расчетные длина и диаметр); б — образец, растянутый до максимальной нагрузки (/р и d? — расчетные длина и диаметр образца в области равномерной деформации); в — образец после разрыва (/к — конечная расчетная длина; dK — минимальный диаметр в месте разрыва)
Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рис. 3.2 представлена принципиальная схема типичной испытательной машины, основными элементами которой являются приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.
В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах «нагрузка (Р) — абсолютное удлинение образца (А/)» (рис. 3.3). На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА — прямолинейный, соответствующий упругой деформации; участок ЛВ — криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС — также криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.
В области упругой деформации (участок О А) зависимость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца А/ пропорциональна и известна под названием закона Гука:
где к = EF{)/1() — коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения Е0 и длины /0) и свойств материала (параметр Е).
Рис. 3.2. Схема испытательной машины:
1 — собственно машина; 2 — винт грузовой; 3 — нижний захват (активный); 4 — образец; 5 — верхний захват (пассивный); 6 — силоизмерительный датчик; 7 — пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 — индикатор нагрузок; 9 — рукоятки управления; 10 — диаграммный механизм; 11 — кабель
Рис. 3.3. Схемы машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных материалов:
а — с площадкой текучести; 6 — без площадки текучести
Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Еу тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:
где а = P/F$ — нормальное напряжение; 8 = Д///0 — относительная упругая деформация.
Наряду с модулем нормальной упругости Е существует модуль сдвига (модуль касательной упругости) G, который связывает пропорциональной зависимостью касательное напряжение т с углом сдвига (относительным сдвигом) у:
Еще одним важным параметром упругих свойств материалов является коэффициент Пуассона р, равный отношению относительной поперечной деформации (Ad/d^) к относительной продольной деформации (А///0). Этот коэффициент характеризует стремление материала сохранять в процессе упругой деформации свой первоначальный объем.
От коэффициента Пуассона р зависит соотношение между Е и G:
Как следует из уравнения (3.1), Е больше G, так как для смещения атомов отрывом требуется большее усилие, чем для смещения сдвигом.
Значения модуля нормальной упругости Е, модуля сдвига G и коэффициента Пуассона р для некоторых материалов приведены в табл. 3.1.
При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме
Таблица 3.1
Значения модуля нормальной упругости Еу модуля сдвига G и коэффициента Пуассона р для некоторых материалов
Материал | Е, МПа | G, МПа | ц |
Сталь | 210 000 | 82 031 | 0,28 |
Медь листовая | 113 000 | 42 164 | 0,34 |
Латунь | 97 000 | 34 155 | 0,42 |
Цинк | 82 000 | 32 283 | 0,27 |
Алюминий | 68 000 | 25 564 | 0,33 |
Свинец | 17 000 | 5862 | 0,45 |
растяжения может проявляться небольшой горизонтальный участок, который называют площадкой текучести (АЛ‘ на рис. 3.3, а). На этой стадии деформации в действие включаются новые источники дислокаций, происходят их спонтанное размножение и лавинообразное распространение по плоскостям скольжения. Макроскопическим проявлением этих процессов является образование на рабочей поверхности образца узких полос скольжения, получивших название линий Чернова — Людерса. Эти линии располагаются под углом приблизительно 45° к продольной оси образца по направлению действия максимальных касательных напряжений и отчетливо видны на его полированной поверхности. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести.
С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца. На участке ОЛВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, а на участке ВС деформация практически вся сосредоточена в зоне шейки.
При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.
Показатели прочности материалов характеризуются удельной величиной — напряжением, равным отношением нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим определение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.
Предел текучести (физический) (ат, МПа) — это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:
где Р1 — нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 3.3, а).
Если па машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 3.3, б)у то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.
Условный предел текучести (a0i2, МПа) — это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца[1]:
где Р0 2 — нагрузка, соответствующая остаточному удлинению A/q 2 = 0,002/0.
Временное сопротивление (предел прочности) (ав, МПа) — это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Ршах, предшествующей разрыву образца:
Истинное сопротивление разрыву (5К, МПа) — это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва Рк:
где
Показатели пластичности. Пластичность — одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластич11ости матерналов.
Относительное предельное равномерное удлинение (8р, %) — это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца AL до нагрузки Ртах к ее первоначальной длине /о (см. рис. 3.3, а):
Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное предельное равномерное сужение (|/р, %):
где Рр= ndp/4 — площадь поперечного сечения образца, соответствующая Ртах.
Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить связь между ц/р и 5р в относительных значениях (безразмерном виде):
При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.
Относительное удлинение после разрыва (8, %) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва А/к к ее первоначальной длине:
Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения /0 и (/0, г.е. от кратности образцов. Чем меньше отношение Iq/Fq и кратность образца, тем больше 8. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у 8 указывает на кратность образца1, например 85, 810.
Относительное сужение после разрыва (|/, %) — это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва AFK к начальной площади поперечного сечения:
В отличие от конечного относительного удлинения конечное относительное сужение не зависит от соотношения Iq и Fq (кратности образца), так как в последнем случае деформацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.
Диаграммы условных и истинных напряжений и деформаций. Протяженность первичных диаграмм растяжения вдоль осей координат Р и А/ зависит от абсолютных размеров образцов. При постоянной кратности образца чем больше его длина и площадь поперечного сечения, тем выше и протяженнее первичная диаграмма растяжения. Однако если эту диаграмму представить в относительных координатах, то диаграммы для образцов одной кратности, но разных размеров будут одинаковы. Так, если по оси ординат откладывать условные напряжения а, равные отношению нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения Fq, а по оси абсцисс — условные удлинения 8, равные отношению абсолютного приращения длины образца А/ к его начальной длине /0, то диаграмму называют диаграммой условных напряжений и деформаций (или просто условной диаграммой). На рис. 3.4, а схематически представлена условная диаграмма «а — 8». На этой диаграмме отмечены условный предел текучести сто,2> временное сопротивление ств, конечное условное напряжение ак, условное предельное равномерное удлинение 8р и условное относительное удлинение после разрыва 8К.
Однако более объективную информацию можно получить, если диаграмму растяжения представить в других координатах: «S — г». Истинное напряжение S определяется как отношение текущей на- [2]
Рис. 3.4. Схемы условной (а) и истинной (6) диаграмм растяжения пластичных материалов
грузки Р к текущей площади поперечного сечения F, которое непрерывно уменьшается в процессе растяжения:
Истинное удлинение г учитывает непрерывно изменяющуюся длину образца в процессе его растяжения, и поэтому его можно определить как сумму бесконечно малых относительных деформаций (II/I при переменном /:
Диаграмму в координатах «S — е» называют диаграммой истинных напряжений и деформаций (или просто истинной диаграммой). На истинной диаграмме, как и на условной, можно найти характерные точки, соответствующие истинному пределу текучести[3]5о,2> истинному временному сопротивлению 5В, истинному сопротивлению разрыву 5К, а также истинному предельному равномерному удлинению ?р и истинному конечному удлинению гк (рис. 3.4, б).
Значения предела текучести ат (а02), временного сопротивления а„, предельного равномерного удлинения 8р, истинного сопротивления разрыву 5К, относительных удлинения 85 и сужения у после разрыва для некоторых марок стали представлены в табл. 3.2.
Источник
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
Источник