Свойства при растяжении металлов

Статическое растяжение — одно из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов.

Основные характеристики, определяемые при испытании[править | править код]

При статическом растяжении, как правило, определяются следующие характеристики материала.

• Характеристики прочности:
  • предел пропорциональности,
  • предел текучести,
  • предел прочности (временное сопротивление разрушению),
  • истинное сопротивление разрыву.
• Характеристики пластичности:
  • относительное остаточное удлинение,
  • относительное остаточное сужение.
• Характеристики упругости:
  • модуль упругости (модуль Юнга).
• Прочие характеристики:
  • коэффициент механической анизотропии
  • коэффициент (модуль) упрочнения

Основные типы материалов[править | править код]

Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие состоит в том, что первые деформируются в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (lк − l0)/l0, где l0 и lк — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответствии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:

• пластичные (δ ≥ 10 %);
• малопластичные (5 % < δ < 10 %);
• хрупкие (δ ≤ 5 %).

Существующие материалы могут быть изотропными или анизотропными. В последнем случае из-за различия характеристик в различных направлениях необходимо произвести не одно, а несколько испытаний.

Образцы для испытаний на статическое растяжение[править | править код]

Для испытаний на статическое растяжение используют образцы как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры.

Образцы круглого сечения, как правило, имеют рабочую длину, равную четырём или пяти диаметрам — т. н. короткие образцы или десяти диаметрам — т. н. нормальные образцы. Перед началом испытания замеряется диаметр образца (обычно 6, 10 или 20 мм) для вычисления напряжения σ и для расчёта относительного остаточного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ — ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещениям конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.

Диаграмма растяжения пластичного материала[править | править код]

Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A0, где A0 — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l0 ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.

Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:

Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.

По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Холла-Петча:

После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 — 2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σВ) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» — область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).

Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 1 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций.

Для многих материалов, например, с Г. Ц. К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2. Основное отличие — отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2 % (σ0.2).

После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения σ) за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца. Соответствующий (последний) участок диаграммы называют зоной местной текучести, так как пластические деформации продолжают интенсивно развиваться только в области шейки.

Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S — e (истинное напряжение S = P/A, где A — текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = ln(l+Δl/l), где l — текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в «шейке» образца. Поэтому различие между диаграммами истинных и условных напряжений наблюдается только после предела прочности — до точки 1 они практически совпадают друг с другом.

Образцы из пластичного материала разрушаются по поперечному сечению с уменьшением диаметра в месте разрыва из-за образования «шейки».

Диаграмма растяжения хрупкого материала[править | править код]

Диаграмма растяжения и диаграмма условных напряжений хрупких материалов по виду напоминает диаграмму, показанную на рис. 2 за тем исключением, что не наблюдается снижения нагрузки (напряжения) вплоть до точки разрушения. Кроме того, данные материалы не получают таких больших удлинений как пластичные и по времени разрушаются гораздо быстрее. На диаграмме хрупких материалов уже на первом участке имеется ощутимое отклонение от прямолинейной зависимости между нагрузкой и удлинением (напряжением и деформацией), так что о соблюдении закона Гука можно говорить достаточно условно. Так как пластических деформаций хрупкий материал не получает, то в ходе испытания не определяют предела текучести. Не имеет особенного смысла также рассчитывать и относительное сужение образца, так как шейка не образуется и диаметр после разрыва практически не отличается от исходного.

Влияние скорости деформации и температуры на прочностные характеристики[править | править код]

Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 — 0,07 мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести) (источник???).

В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:

где  — скорость деформации;  — астотный фактор,  — активационный объём;  — напряжение течения;  — экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации.

Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочности даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.

Стандарты на проведение испытаний[править | править код]

• ГОСТ 6996-66
• ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
• ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78) Пластмассы. Метод испытания на растяжение
• ASTM E-8 и ASTM E-8M

Литература[править | править код]

• Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. 3-е изд. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974
• М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.
• А. Н. Васютин, А. С. Ключ. Влияние температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию малоуглеродистых и низколегированных сталей. Заводская лаборатория, 1985, № 4.

См. также[править | править код]

• Растяжение-сжатие

К основным механическим
свойствам
металлов относятся прочность,
вязкость, пластичность,
твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они
являются главными характеристиками металла или
сплава.

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических
свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием
внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,—
деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не
исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением  называется величина внутренних сил,
возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться
деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О
прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при
механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся
растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся
испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью
называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью —
способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его
способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении
пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть
одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться
проникновению в него других тел.

Выносливость — это способность материала выдерживать, не
разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться
поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно
пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при
высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на
растяжение показано на рис. 3. При увеличении нагрузки в металле сначала
развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом
незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения
напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором
продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют
пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в
металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение,
предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при
растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на
растяжение.

Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под
действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его
частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после
прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и
охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела
происходит неравномерно.

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в
температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти
температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние
напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они
превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при растяжении в кг/мм2 определяется на
разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения
стандартного образца (рис. 4, а), к площади поперечного сечения образца в
мм2.

Рис. 4. Методы испытания прочности материалов: а — на растяжение; б — на
изгиб; в — на ударную вязкость; г — на твёрдость

Предел прочности при изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением
образца, который устанавливаете» на двух опорах (рис. 4, б), нагруженного
по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ
при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.

Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах,
испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют
между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют
удлинение

δ = l-lo / lo · 100%

Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера машины,
указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4,
б).

Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах
(рис. 4, в), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в
сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного
сечения образца в см 2.

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности
образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г) диаметром 5 или
10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d
образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в
мм2 дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл.
1.