Статические испытания материалов на растяжение и сжатие
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
Основные механические характеристики материалов получают в результате специальных лабораторных исследований на испытательных машинах при нагружении стержней на растяжение и сжатие. Вид стержневых образцов и сами методы испытаний регламентированы государственными стандартами.
Большинство механических свойств материалов определяется в результате испытаний образцов в условиях именно одноосного растяжения. В процессе эксперимента ведётся запись диаграммы испытаний – графика зависимости деформации (удлинения) образца от растягивающей силы F = f(∆l). Этот график называется диаграммой растяжения или сжатия образца. Поскольку исследуется не конкретный образец, а материал, то принято по результатам испытаний ряда образцов строить диаграмму растяжения для материала образца в относительных величинах. С этой целью силу относят к первоначальной площади сечения образца, а абсолютное удлинение – к первоначальной его длине . Получают диаграмму зависимости для материала образца. Эта диаграмма называется условной диаграммой растяжения.
Рассмотрим типичную условную диаграмму растяжения, характерную для образцов из малоуглеродистых сталей, полученную при нормальной температуре и стандартных скоростях деформирования при нагружении (рис. 8).
Рассмотрим характерные точки и участки диаграммы. Точка А – конец прямолинейного участка. Участок О–А называется участком пропорциональной (прямолинейной) зависимости между нормальным напряжением и относительным удлинением, что отражает закон Гука ( ). Точка А соответствует пределу пропорциональности:
, (2.13)
где – нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности;
– первоначальная площадь сечения образца.
Несколько выше точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости , наибольшему напряжению, при котором ещё нет остаточных деформаций:
, (2.14)
где – нагрузка, соответствующая пределу упругости.
Относительная деформация, соответствующая пределу упругости (весьма близкая к пределу пропорциональности), для малоуглеродистой стали примерно достигает 0,05 %.
За точкой В возникают заметные остаточные деформации. В точке С диаграммы материал переходит в область пластичности – наступает явление текучести материала. Участок С–D параллелен оси абсцисс (площадка текучести). Для данной площадки характерен рост деформации при постоянном напряжении. Напряжение, соответствующее участку C–D, называется пределом текучести:
, (2.15)
где – нагрузка, соответствующая пределу текучести.
Большинство материалов не имеют явно выраженной площадки текучести, поэтому определяют условной предел текучести по величине остаточной деформации. Условным пределом текучести принято считать такое напряжение, при котором остаточная деформация , или когда . Условный предел текучести при растяжении обозначается , а при сжатии – .
Участок D–M – участок упрочнения, на котором отмечается новый, но более медленный, чем на первом участке, рост нагрузки. В конце этого участка на образце начинает образовываться шейка − местное сужение образца, место будущего разрыва, а растягивающая сила F достигает максимального значения . Напряжение, соответствующее точке M, называется пределом прочности или временным сопротивлением:
. (2.16)
Участок MK – участок разрушения, на котором удлинение всего образца уже происходит за счёт местной деформации в зоне шейки, площадь которой существенно уменьшается. Поэтому для разрушения требуется меньшее усилие (динамометр показывает уменьшение силы F, хотя захваты испытательной машины продолжают раздвигаться с той же скоростью). Деформации при разрушении малоуглеродистых сталей достигают 20 % и более. Однако многие материалы разрушаются без заметного образования шейки. В точке К происходит разрыв образца при разрушающей нагрузке .
Явление наклепа. Если при испытаниях остановить испытательную машину, когда образец нагружен за пределами участка текучести, например в т. N, (рис. 8), и разгрузить его, то график разгрузки NL пойдёт параллельно участку упругости ОА. Накопленная (в т. N) абсолютная деформация при разгрузке полностью не исчезнет. Останется в образце пластическая деформация ∆lпл – отрезок OL (рис. 8). Повторное нагружение образца пойдёт по тому же участку LN, т. е. увеличится область упругих деформаций (LN > ОА). Эта способность материалов повышать сопротивление деформации широко используется в технике для упрочнения деталей.
В качестве характеристик пластичности используются относительное остаточное удлинение δ (%) и относительное остаточное сужение ψk (%):
, (2.17)
где l0, А0 – первоначальная длина и площадь образца;
l, Aш – длина и площадь шейки образца после разрушения (соединяются разрушенные части образца, и проводится измерение геометрических параметров).
Чем больше параметры δ и ψ, тем пластичность материала считается выше. Тангенс угла наклона участков ОА, LN диаграммы растяжения и будет модулем упругости материала (первого рода), или модулем Юнга: (рис. 8).
Хрупкие материалы (чугун, бетон, инструментальная сталь и др.) разрушаются без появления заметных остаточных деформаций (δ < 5 %), их диаграммы деформирования не имеют площадки текучести и участка упрочнения.
Источник
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Информационные системы и математическое моделирование»
техническая механика
испытание материалов на растяжение и сжатие. диаграммы растяжения пластических и хрупких маиериалов
ЛИСТОВ 13
Волгоград 2010
Испытания материалов на растяжение и сжатие
При проектировании строительных конструкций, машин и механизмов инженеру необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформативные свойства материалов. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в экспериментальных лабораториях на соответствующих испытательных машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных, например испытания на твердость, сопротивляемость ударным и переменным нагрузкам, противодействие высоким температурам и т.д.
Испытания на растяжение
Наибольшую информацию о механических свойствах металлов можно получить из статических испытаний на растяжение. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 1497—84.
Для испытания на растяжение применяют образцы специальной формы — цилиндрические или плоские (рис. 1).
Рис. 1
Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l0, на которой определяется удлинение, и головки с переходным участком, форма и размеры которых зависят от способов их крепления в захватах машины. Различают длинные образцы с отношением l0/d0 = 10 и короткие — l0/d0 = 5. Размеры образцов делают стандартными для того, чтобы результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, были сравнимы.
Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах. В зависимости от метода приложения нагрузки машины бывают с механическим или гидравлическим приводом. Они обычно выпускаются с вертикальным расположением образа. Передача усилия на образец осуществляется через захваты. Для центральной передачи усилия на образец в машинах имеются специальные устройства. Все машины снабжены устройством для автоматической записи в определенном масштабе диаграммы растяжения, т. е. графика зависимости между растягивающей силой F и удлинением образца Δl.
В настоящее время начинают широко применяться испытательные машины нового поколения — универсальные машины с использованием современной микроэлектроники, которая позволяет полностью автоматизировать ход испытаний и управлять им, начиная от пуска машины до вывода полученных результатов измерений на дисплей и графопостроитель.
Испытания на сжатие
Для испытания металлов на сжатие применяется цилиндрические образцы с отношением высоты к диаметру в пределах 1,5..,3, Применение более длинных образцов недопустимо, так гак такие образцы могут искривляться и тем самым искажать результаты испытаний. Следует обратить внимание на некоторую условность получаемых результатов из-за наличия сил трения в опорных поверхностях образца. Поэтому стараются ослабить влияние сил трения введением различных смазок или приданием конусной формы торцевым поверхностям образца.
Испытание на сжатие осуществляется обычно при помощи тех же испытательных машин с применением специальных приспособлений (реверсоров).
Диаграммы растяжения пластичных и хрупких материалов
Диаграмма низкоуглеродистой стали
Записанная с помощью специального устройства на испытательной машине диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали изображена на рис. 2. Из этой группы сталей наибольшее применение для строительных конструкций находит сталь марки Ст3 и Ст3Гпс.
Рис. 2
В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией — справедливость закона Гука. Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена через Fпци используется для вычисления предела пропорциональности:
σпц = Fпц/А0
Пределом пропорциональности σпц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией. Для Ст3 предел пропорциональности приблизительно равен σпц = 195…200 МПа.
Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е.
После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости.
Пределом упругости σуп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.
Предел упругости существует независимо от закона прямой пропорциональности. Он характеризует начало перехода от упругой деформации к пластической.
У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают. Для стали Ст3 σуп = 205…210 МПа.
При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходят в почти горизонтальный участок CD — площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка Fт, соответствующая точке D, используется при определении физического предела текучести:
σт = Fт/А0
Физическим пределом текучести σт называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Для стали Сг3 σт =220…250 МПа.
Зона BD называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом у образца повышается температура, изменяются электропроводность и магнитные свойства.
Образование пластической деформация в отдельных кристаллах образца происходит уже в начальной (упругой) стадии испытания. Однако эти деформации настолько малы, что не обнаруживаются обычными приборами для измерения малых деформаций. С увеличением нагрузки пластическая деформация начинает накапливаться в микрообъемах образца, а с наступлением текучести эти очаги пластической деформации, сливаясь, захватывают уже макрообъемы образца металла. Необратимо деформированные области образца оказывают повышенное сопротивление дальнейшему деформированию (материал упрочняется), и поэтому пластические деформации начинают развиваться в зонах, еще не подверженных этим деформациям. В дальнейшем пластическая деформация, переходя от одной зоны к другой, распространяется на весь объем рабочей части образца. Особенно наглядно фронт распространения пластической деформации вдоль образца можно наблюдать при испытании плоских полированных образцов. На поверхности таких образцов в момент возникновения очагов пластической деформации появляются темные наклонные полосы, которые, как правило, с осью образца составляют углы, приблизительно равные 45° (линии Людерса — Чернова). Эти линии представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие необратимых сдвигов, происходящих в кристаллах под действием наибольших касательных напряжений.
Описанные явления вызывают изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной. Образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения Fmax — точка Е на диаграмме. Усилие Fmax используется для вычисления временного сопротивления:
σв = Fmax /А0
Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением.
Для стали марки Ст3 временное сопротивление σв = 370…470 МПа.
Зона DE называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечные сечения изменяются незначительно и также равномерно.
При максимальном усилии или несколько меньшем его на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения — шейка (а иногда и две). Дальнейшая деформация происходят в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точи К, называется разрушающей FК, а напряжения — истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), которые равны
SK=FK/AK,
где АK— площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Зона ЕК называется зоной местной текучести. Истинные напряжения в момент разрыва (в шейке) в образце из стали Ст3 достигают 900…1000 МПа.
Заметим, что иногда временное сопротивление называют пределом прочности. Строго говоря, такое допустимо только в том случае, когда разрыв образца происходит без образования шейки. Это имеет место с хрупкими материалами, например с чугуном. Тогда наибольшая нагрузка практически совпадает с моментом разрушения и предел прочности оказывается почти равным истинному напряжению при разрыве. У пластичных материалов, например у стали марки Ст3, наибольшее значение нагрузка не соответствует ее значению при разрушении образца и за характеристику прочности (условную) принимается временное сопротивление.
Источник