Проверить металл 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
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.
Источник