Средства испытаний на растяжение

Цель работы: определение характеристик механических свойств углеродистой стали при испытании на растяжение.

Конструкционные материалы – это твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механической нагрузке.

Конструкционные материалы можно разбить на следующие типы:

1. Металлы и сплавы (стали, чугуны, цветные металлы и т. д.).

2. Неметаллические материалы (полимеры, пластмассы, древесные материалы, резины и т. д.).

3. Композиционные материалы. Это материалы, объединенные разными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, называется матрицей (связующим). Матрицы могут быть полимерными, металлическими и т. д. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим. Эти компоненты, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Прообразом современных композиционных материалов считается железобетон.

Несмотря на достигнутые успехи в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.), основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и сплавы. Поэтому только они и рассматриваются в данном курсе (из-за ограниченного объема часов).

Под металлами понимают вещества, обладающие металлическим блеском, высокими пластичностью, тепло- и электропроводностью, прочностью. К металлам относятся не только чистые металлы, но и сплавы.

В качестве конструкционных материалов в основном используются сплавы, так как они обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.

Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства, так как они характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний.
К числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла, относятся испытания на растяжение, которые рассмотрены в лабораторной работе № 8.

Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности sв и относительное остаточное удлинение d). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала, т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность. Например, в контактных проводах троллейбусов и трамваев благодаря высокой прочности бронза стала применяться вместо меди.

Для сравнения в таблице 8.1 приведены механические свойства некоторых проводников [2].

Таблица 8.1

Для определения механических характеристик прочности и пластичности проводят испытания на растяжение образцов из исследуемого материала в испытательных машинах. В лабораторной работе испытываются образцы из углеродистой конструкционной стали, которая и в энергетике нашла широкое применение (из нее делают опоры линий электропередач, порталы и осветительные вышки на подстанциях и т. д.).

Углерод в сталь вводится специально, т. к. с повышением его содержания существенно возрастает прочность стали.

Углеродистые стали относятся к числу самых распространённых конструкционных материалов [5]. Объём их производства достигает 85 % от общей выплавки стали. Достоинствами углеродистых сталей являются удовлетворительные механические свойства в сочетании с технологичностью обработки и низкой стоимостью.

Углеродистые стали подразделяются на три основные группы [5]:

− обыкновенного качества;

− качественные стали (общего назначения);

− стали специального назначения (котельную, мостовую, судостроительную и др.).

Углеродистые стали обыкновенного качества характеризуются значительным содержанием вредных примесей, неметаллических включений, газов. Они обозначаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств их подразделяют на три группы: А, Б, В. Эти стали применяются для изготовления металлоконструкций, ненагруженных деталей машин и механизмов, крепёжных деталей, рельсов и т. д.

Углеродистые качественные стали имеют меньшее по сравнению со сталями обыкновенного качества содержание вредных примесей и неметаллических включений. Поставляют их в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали маркируют двухзначными цифрами от 05 до 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь Ст20 содержит в среднем 0,20 % углерода. Эти стали применяют в машиностроении и приборостроении для изготовления кузовов автомобилей, корпусов, зубчатых колёс, осей и т. д.

Углеродистые стали специального назначения отличаются хорошей обрабатываемостью, они предназначены в основном для приготовления деталей массового производства. При обработке, например, автоматных сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка. Котельнаясталь хорошо сваривается. Из неё изготавливают котлы, судовые топки, камеры горения газовых турбин и т. д.

Испытание на растяжение относится к числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла. К преимуществам такого испытания относятся: сравнительная простота эксперимента и возможность получить растяжение в чистом виде.

Для испытания используются стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержни с прямоугольным сечением (плоские образцы). Размеры образцов устанавливает ГОСТ 1497-84.

На рисунке 8.1 показан цилиндрический образец для испытания (до и после испытаний). На рисунке 8.2 показано изображение образца на экране монитора.

Рис. 8.1 Образец до и после испытаний

Отношение начальной расчетной длины рабочей части образца к начальному диаметру do, т. е. k = , называют кратностью образца. Применяются образцы с кратностью 2, 5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью k = 5 (такой образец испытывается в лабораторной работе).

Рис. 8.2. Цилиндрический образец для испытания на растяжение: − начальная длина
рабочей части; do−начальный диаметр; L – полная длина образца

На рисунке 8.3 приведена фотография испытательной машины ZDM-10, а на рисунке 8.4 – изображение испытательной машины на экране ЭВМ.

Рис. 8.3. Испытательная машина ZDM-10

Рис. 8.4. Изображение испытательной машины на экране монитора

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении. В процессе испытания диаграммный механизм машины непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – абсолютное удлинение образца Dℓ (рис. 8.5). У образца удлинение небольшое (всего 6−10 мм), поэтому для наглядности на диаграмме удлинение откладывается в масштабе (в лабораторной работе масштаб = 100/6). На экране монитора удлинение без масштаба обозначено dℓ, так как на клавиатуре нет знака ,а в масштабе – dℓm.

Рис. 8.5. Машинная (первичная) диаграмма растяжения
пластичного материала с площадкой текучести

Начальный криволинейный участок диаграммы не учитывают, так как он образуется за счет выборки зазоров в узлах машины и местного обмятия головок образца в захватах, т. е. не характеризует свойств испытуемого материала. За начало координат диаграммы принимают точку пересечения оси абсцисс с прямой, проходящей через начальный участок диаграммы.

На диаграмме растяжения материалов можно выделить несколько характерных участков (рис. 8.5). Прямолинейный участок ОА соответствует упругой деформации образца. Дальнейшее возрастание нагрузки (участок АВ) приводит к появлению пластической (остаточной) деформации. Причем у некоторых материалов наблюдается интенсивная пластическая деформация при неизменной нагрузке (участок BB′). Такой участок диаграммы называется площадкой текучести. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести (см. рис. 8.8).

До максимальной нагрузки (рис. 8.5, точка C) происходит равномерная деформация образца по всей его рабочей части. А затем образец в наиболее слабом месте утончается (это место называется шейкой), и на участке СD идет пластическая деформация при снижении нагрузки. В точке D происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

По диаграмме растяжения определяют характеристики механических свойств металла. Причем в качестве характеристики прочности принимают не нагрузку Р, а условное напряжение s, определяемое отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца Fо

.

По оси абсцисс откладывается относительное удлинение = Dℓ/ℓo(в о. е.) или = Dℓ/ℓo∙100 %. (Так как на клавиатуре нет буквы , то она заменена на букву E).

На рисунке 8.6 приведены диаграммы условного и истинного напряжений.

Диаграмма напряжений называется условной (приближенной), потому что напряжения найдены по начальной площади поперечного сечения образца Fо, и не учитывает уменьшения сечения (рис. 8.6а). Если в процессе испытания постоянно измерять диаметр образца и вычислять истиное напряжение с учетом сужения, то на этой диаграмме (рис. 8.6б) напряжение возрастает вплоть до разрыва образца.

В лабораторной работе рассматривается условная диаграмма напряжений (рис. 8.7). По этой диаграмме определяются основные характеристики прочности и пластичности.

Рис. 8.6. Диаграммы напряжений: а) условная; б) истинная

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Рассмотрим основные характеристики прочности.

В области упругой деформации (участок ОА, рис. 8.5) зависимость между напряжением s и относительной деформацией пропорциональна и известна под названием закона Гука:

s = Е· ,

где Е – модуль Юнга или модуль нормальной упругости измеряется в МПа и характеризует жесткость материала. Чем выше Е, тем материал жестче, т. е. меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка.

Предел пропорциональности(sпц) − это напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает некоторого значения, установленного техническими условиями. В качестве технического условия обычно берут следующее: при напряжении sпц тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, увеличивается на 50 % по сравнению с линейным участком (более подробно определение основных показателей прочности и пластичности изложено в самой лабораторной работе).

Предел текучести (sт) – это напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки (рис. 8.7).

У большинства материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Рис. 8.7. Определение основных характеристик прочности

Условный предел текучести (s0.2) – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца
(рис. 8.9). Здесь отрезок OA равен 0,2 % от ℓo.

Рис. 8.8. Определение условного предела текучести s0.2

Предел прочности (временное сопротивление, sв)– это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (рис. 8.7).

Напряжение при разрыве (σк)–это напряжение,соответствующее моменту разрушения образца (рис. 8.7).

Показатели пластичности.Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки.

Выше уже была рассмотрена абсолютная (Dℓ) и относительная (ε) деформация под действием нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка (s < σ пц), то возникает только упругая деформация, и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . А если напряжение s > σ пц, то после снятия нагрузки разгрузка образца идет по прямой, параллельной упругой деформации OA (например, по прямой DF, рисунок 8.5). Отрезок OF соответствует остаточной деформации D образца. Относительное остаточное удлинение в этом случае определяется как

d = .

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