Растяжение сжатие кручение изгиб материалов

Определение механических свойств выполняется при различных условиях. В зависимости от скорости приложения нагрузки различают статические и динамические испытания. При статических испытаниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает; при динамических – с высокой скоростью. Испытания могут выполняться при нормальной (комнатной), пониженной или повышенной температуре.

Наиболее распространенными механическими характеристиками являются: твердость, пределы прочности и упругости, ударная вязкость. Определяют также предел выносливости и предел ползучести.

Статические испытания

Определение прочноети при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб и кручение

Значение предела прочности материала зависит от схемы приложения нагрузки. Применяют различные методы определения прочности – при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Эти испытания отличаются соотношением между максимальными касательными и нормальными напряжениями, возникающими при приложении нагрузки, т.е. разной «жесткостью», которую характеризуют коэффициентом жесткости ; чем больше доля нормальных напряжений, т.е. меньше значение, тем жестче испытания.

Наиболее жесткими являются испытания на одноосное растяжение (, т.е. нормальные напряжения в два раза превышают касательные); наиболее мягкие – испытания на одноосное сжатие (α = 2, т.е. величина касательных напряжений вдвое превосходит нормальные). Между ними располагаются испытания на кручение (α = 0,8) и более жесткое (чем кручение) испытание на изгиб, при котором возникает неоднородное напряженное состояние – от растяжения (α = 0,5 – часть образца ниже нейтральной линии) до сжатия (α = 2 – часть образца выше нейтральной линии).

Выбор метода испытаний определяется свойствами материалов – пластичностью, твердостью. Для определения предела прочности следует выбирать наиболее информативный метод испытаний. Чем пластичнее материал, тем более «жесткими» должны быть испытания, и наоборот.

Для некоторых материалов определенные методы испытаний просто не применимы. Так, например, пластичные материалы (медь, алюминий и их сплавы, мягкие стали) нс разрушаются при испытаниях на изгиб, они изгибаются до соприкосновения концов образца. Для них прочность определяется испытаниями на растяжение.

Для твердых хрупких материалов жесткие испытания на растяжения неинформативны. Чем жестче испытания, тем меньше значения предела прочности; это снижает точность определений и не позволяет достаточно надежно выявить различие в свойствах разных материалов. Так, например, предел прочности быстрорежущей стали Р18 с высокой твердостью (63 IIRC) составляет при испытаниях на растяжение 1900…2000 МПа, а при испытаниях па изгиб – 2700…3000 МПа.

Испытания на растяжение выполняют на разрывных машинах. На этих же установках с помощью специальных приспособлений проводятся испытания на изгиб и сжатие. Для испытаний на кручение требуются специальные установки.

Испытания на растяжение (α = 0,5) – наиболее распространенный метод определения прочности конструкционных материалов. Наряду с пределом прочности при этих испытаниях определяют предел текучести и характеристики пластичности материала – относительное удлинение и сужение.

Испытания выполняются на разрывных машинах с использованием специальных образцов (рис. 2.1). Головки образцов помещаются в зажимы разрывной машины, и образцы растягивают до разрушения.

В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение (σ), равное отношению приложенного усилия

Рис. 2.1. Образец для испытаний на растяжение

(P) к площади поперечного сечения образца (F): [МПа или кгс/мм2]. Под действием приложенной нагрузки возникает деформация – изменение размеров образца. Деформация может быть упругой или пластической.

Упругая деформация полностью снимается (исчезает) после снятия нагрузки и не приводит к изменениям в структуре и в свойствах материала. Различают абсолютную и относительную деформацию. Абсолютная () – изменение размера (длины образца при испытаниях на растяжение), относительная () – отношение абсолютной деформации к первоначальной длине (/), т.е. .

Между напряжением и величиной относительной упругой деформации существует линейная зависимость – закон Гука: , где Е – модуль упругости, характеризующий жесткость материала, т.е. способность сопротивляться упругим деформациям.

Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки (согните алюминиевую проволоку; после того как нагрузка снята, проволока не разгибается – она пластически деформирована).

При испытаниях на растяжение строится диаграмма в координатах «относительное удлинение – напряжение » (рис. 2.2). Определяются: предел прочности (временное сопротивление разрыву); предел пропорциональности () – максимальное напряжение, при котором отсутствует

Рис. 2.2. Диаграмма растяжения:

– предел пропорциональности; – предел тякучести; – предел прочности; – упругая деформация; – пластическая деформация

пластическая деформация. Поскольку точное определение предела пропорциональности затруднено, в практике измеряют предел текучести () – напряжение, вызывающее остаточную деформацию определенной величины, например () – напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2% от первоначальной длины образца. Для более точного определения предела пропорциональности определяют , или .

Перед разрушением образец претерпевает пластическую деформацию, он удлиняется, при этом происходит образование шейки (рис. 2.3)– уменьшение диаметра. Относительное удлинениеи относительное сужение (здесь и – начальная до испытаний и конечная минимальная площадь образца, т.е. площадь шейки после разрушения) характеризуют пластичность материала. Чем больше эти характеристики, тем материал пластичнее.

Рис. 2.3. Разрушенный образец после испытаний на растяжение

Испытания на изгиб (α от 0,5 до 2) проводят для материалов с высокой твердостью – свыше 52…53 HRC. Это закаленные инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы и др. Преимущества этого метода при определении прочности твердых инструментальных материалов заключаются в том, что напряженное состояние материала при испытаниях и возникающее при работе инструмента близки. При испытаниях на изгиб твердых материалов достигается бо́льшая точность, чем при испытаниях на растяжение. Во-первых, устраняется существенный недостаток испытаний на растяжение – перекосы (от неточности установки образа) при приложении нагрузки, а во-вторых, за счет больших значений предела прочности вследствие более мягких условий испытаний на изгиб.

Испытания проводят в основном на сосредоточенный изгиб (рис. 2.4). Предел прочности () определяют по известной формуле сопротивления материалов: , где М – разрушающий изгибающий момент, (Р – измеренная при испытании разрушающая сила; l – расстояние между опорами); W – момент сопротивления сечению.

Для образцов прямоугольного сечения , для круглого . Эти значения момента сопротивления справедливы для случаев, когда разрушение происходит без пластического деформирования, т.е. для материалов с весьма высокой твердостью – свыше 65…66 HRC (это твердые сплавы, режущая керамика). Для материалов с меньшей твердостью, разрушению которых предшествует пластическая деформация (большинство случаев), следует использовать исправленное увеличенное значение момента сопротивления. Для образцов прямоугольного сечения ; для образцов круглого сечения .

Испытания на кручение (α = 0,8) выполняют как для хрупких, так и для пластичных материалов. Они целесообразны для определения пределов прочности, текучести материалов, из которых изготавливают детали, работающие на кручение (например, торсионные валы). Стандартные испытания проводят на цилиндрических образцах с головками. Один конец образца закреплен неподвижно, второй зажат во вращающейся части испытательной машины (рис. 2.5).

При кручении цилиндрического образца возникает напряженное состояние чистого сдвига. В испытаниях определяют пределы текучести и прочности при сдвиге Эти характеристики определяют из следующих уравнений:

где – разрушающий крутящий момент; – крутящий момент, вызываю-

Рис. 2.4. Схема испытаний на сосредоточенный изгиб

Рис. 2.5. Схема испытаний на кручение

щий остаточную деформацию определенной величины, например 0,2% (тогда получим предел текучести при сдвиге ); – момент сопротивления кручению (полярный момент;. Для круглого сечения .

Испытания на кручения могут выполняться как натурные – на готовых деталях или инструментах. Так определяют, в частности, прочность сверл, косвенно оценивая прочность по величине разрушающего крутящего момента.

Испытания на сжатие (α = 2) являются мягким видом испытаний. Его используют для определения прочности хрупких материалов – чугун, бетон. Пластичные материалы при сжатии могут не разрушиться, а сплющиться.

Образцы из металлических материалов – цилиндрические с отношением высоты к диаметру 1…2. Так, для стандартных испытаний чугуна рекомендуются образцы диаметром 10…25 мм и высотой, равной диаметру.

Предел прочности при сжатии определяется как отношение разрушающей силы к площади первоначального сечения: (МПа или кгс/мм2].

На сжатие испытывают весьма хрупкие материалы, в частности алмаз, при этом достигается бо́льшая точность, чем при испытаниях па изгиб, из-за больших абсолютных значений предела прочности при сжатии. Так, пределы прочности алмаза при сжатии и изгибе соответственно равны 2000 и 500 МПа. Эти испытания выполняют на специальных установках для малых образцов.