Какие характеристики можно определить при испытаниях образцов металла на растяжение

Обновлено: 16.05.2024

При проектировании строительных конструкций, машин и механизмов инженеру необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформационные свойства материалов. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в экспериментальных лабораториях на соответствующих испытательных машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных – испытания на твердость, сопротивляемость ударным и переменным нагрузкам, противодействие высоким температурам и т.д. Подробное описание всех видов механических испытаний и применяемых при этом машин и приборов приводится в специальной литературе. Мы же рассмотрим лишь испытания металлов на растяжение.

Наибольшую информацию о механических свойствах металлов можно получить из статических испытаний на растяжение. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТом.

Для испытания на растяжение применяют образцы специальной формы – цилиндрические (рис.26). 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 образца. Передача усилия на образец осуществляется через захваты. Разрывная машина снабжена устройством для автоматической записи в определенном масштабе диаграммы растяжения, т.е. графика зависимости между растягивающей силой Р и удлинением образца Dl. На рис.27 представлена диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали.

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 Р_пц и используется для вычисления предела пропорциональности:

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца.

Пределом пропорциональности s_пц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией.

Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е, как тангенс угла наклона этой прямой.

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 s_уп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.

У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают.

При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок СД – площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка Р_т, соответствующая точке Д, используется при определении физического предела текучести:

Пределом текучести s_т называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов.

Зона ВД называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом происходит изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной, образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения Р_max – точка Е на диаграмме. Это усилие используется для вычисления временного сопротивления или предела прочности:

Пределом прочности называется напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, достигнутой в ходе испытаний.

Зона ДЕ называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечное сечение изменяется незначительно, но также равномерно.

При максимальном или несколько меньшем усилии на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения – шейка. Дальнейшая деформация происходит 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 точке К, называется разрушающей Р_к, а напряжения – истинным сопротивлением разрыву:

где F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Зона ЕК называется зоной местной текучести.

Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.

Относительное удлинение после разрыва d (%) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:

Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение d уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах. Кроме того, относительное удлинение зависит и от места расположения шейки (разрыва) на расчетной длине образца. При возникновении шейки в средней части образца местные деформации в области шейки могут свободно развиваться и относительное удлинение будет больше, чем в случае, когда шейка возникает ближе к головке образца, тогда местные деформации будут стеснены.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва y (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

Диаграмма растяжения характеризует свойства образца, так как зависит от его размеров. Для оценки механических свойств материала диаграмму растяжения перестраивают в координатах «напряжение-деформация»: все ординаты делят на первоначальную площадь поперечного сечения F₀, а все абсциссы – на первоначальную длину рабочей части l₀. В результате получаем диаграмму напряжений, которая имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, так как F₀ и l₀ постоянны. Эта диаграмма является условной, поскольку при ее построении не учитывается изменение значений F₀ и l₀ в процессе испытания.

Поэтому определенные ранее пределы пропорциональности, текучести и прочности являются условными. Истинные же напряжения в каждый момент нагружения будут больше условных. Заметное отклонение истинных напряжений от условных происходит после предела текучести, так как сужение сечения становится более значительным. Особенно сильно возрастает разница между напряжениями после образования шейки. Диаграмма напряжений, построенная с учетом сужения площади поперечного сечения и местного увеличения деформаций, называется диаграммой истинных напряжений.

Некоторые диаграммы растяжения не имеют ярко выраженной площадки текучести, например, для низколегированных сталей, сплавов алюминия (рис.28). В этих случаях вместо физического предела текучести определяют условный предел текучести s_0,2 (точка Д) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от рабочей длины образца.

Испытания материалов на растяжение. Диаграмма растяжения

Как и зачем проводятся испытания материалов на растяжение

Опыт применения материалов в машиностроении показывает, что их поведение в конструкциях зависит от целого ряда факторов – скорости и способа приложения нагрузок, температуры, формы изделия, его структуры и т.д. Поэтому проведение механических испытаний материалов позволяет определить его поведение в условиях эксплуатации. Проводя такие испытания, стремятся имитировать условия, возможно более близкие к реальным. Испытание на растяжение – одно из важнейших, поскольку именно в условиях растягивающих усилий большинство материалов обладает наименьшей прочностью.

Цель испытаний
Предел прочности при растяжении
Закон Гука
Модуль упругости
Предел текучести
Метод смещения
Альтернативные методы
Деформация

Цель испытаний

Испытание на растяжение проводят для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов. Стандартом установлена методика статических испытаний, целью которых является определение следующих механических характеристик:

Предела пропорциональности;
Константы упругости;
Предела текучести – условного и физического;
Временного сопротивления;
Истинного сопротивления на разрыв;
Относительного сужения и удлинения образца после его разрыва.

В ряде случаев исследуются и дополнительные показатели, например, длительная прочность (ползучесть) конструкции.

Указанные параметры исследуются на стандартных образцах круглого или призматического поперечного сечения, форма и размеры которых определяет ГОСТ 7564-97. Для хрупких материалов форма образцов исключает резкие перепады в сечениях. Образцы получают штамповкой, литьём или механической обработкой (последнее - для материалов повышенной хрупкости).

Предел прочности при растяжении

Данный параметр определяют на разрывных машинах и механическим или – чаще – гидравлическим приводом. Лабораторные установки снабжаются записывающим устройством, которое представляет зависимость «напряжение-деформация/перемещение» в виде графика.

Записанные диаграммы различаются характером перехода необратимых деформаций в деформации разрушения. Постепенный переход от одного участка к другому характерен для пластичных материалов, к которым относится большинство металлов и сплавов. При этом остаточные деформации сравнительно велики, и образуют перед разрывом образца так называемую площадку текучести, когда деформация увеличивается, а прикладываемое усилие практически не изменяется.

Хрупкие материалы разрушаются при малых остаточных деформациях, а площадка текучести отсутствует. К таким материалам относят закалённую и не отпущенную сталь, серый чугун, стекло, бетон и др.

Таким образом, пределом прочности (или временным сопротивлением) называют условное напряжение, которое рассчитывается относительно силы, действующей на образец к к изначальной площади его поперечного сечения. Предел прочности соответствует максимальной нагрузке, которая предшествовала разрушению и определяется в МПа. Визуальной мерой временного сопротивления считается появление местного сужения образца, называемого шейкой. Именно в области шейки растяжение образца происходит наиболее интенсивно.

Испытание на растяжение ГОСТ 1497-84 является обязательным для всех видов конструкционных материалов.

Закон Гука

Это – основной закон, устанавливающий зависимость между напряжениями и деформациями в упругом теле. Закон Гука справедлив для начальных деформаций, которые пропорциональны прикладываемым к телу напряжениям.

Для продольного растяжения критерием пропорциональности вышеуказанных физических величин является показатель упругости, который называется модулем Юнга. Для подавляющего большинства конструкционных материалов модуль Юнга – постоянная величина, характеризующая жёсткость.

В более точных расчётах иногда принимают во внимание температурную зависимость константы упругости, которая, однако, проявляет себя лишь при температурах от 88 К.

Закон Гука справедлив лишь при напряжениях и деформациях, которые не превышают пределов, свойственных данному материалу. На применении этого закона основаны все вычисления, принятые в сопротивлении материалов.

Модуль упругости

Модуль упругости – это характеристика сопротивления материала упругой деформации. Он равен отношению напряжения к вызванной им упругой деформации.

Различают модуль упругости при осевом растяжении (уже описанный ранее модуль Юнга) и модуль упругости при сдвиге, характеризующий касательные напряжения в материале. Иногда, в условиях всестороннего сжатия говрят о модуле объёмной упругости.

Модуль нормальной упругости и модуль сдвига зависят от материала образца. Они важны при расчётах на прочность, жёсткость, устойчивость, а также являются мерой силы межатомной связи. Чем больше модуль упругости, тем меньшую деформацию получает металл при одинаковой нагрузке. Рассматриваемая величина измеряется в МПа или ГПа. Для металлов значение модуля сдвига обычно выше, чем модуля продольной упругости.

Предел текучести

Метод испытания на растяжение не является единственной технологией экспериментального определения эксплуатационных показателей. Важным параметром считается также предел текучести – напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения.

Предел текучести является границей, которая разделяет зоны упругого и упруго-пластического деформирования, которые наблюдались в исследованном образце. Выше этого параметра даже незначительное увеличение напряжений или нагрузок вызывает значительные (и необратимые) деформации образца.

Для материалов, которые не имеют на диаграмме чётко выраженной площадки текучести, принимают так называемый условный предел текучести. Под ним понимают удельную нагрузку, когда необратимые изменения формы превышают установленный максимум. Этот максимум обычно устанавливается техническими условиями на материал и обязательно должен превышать те показатели, которые известны относительно предела упругости.

Критерием остаточной деформации считается удлинение образца на 0,2 %.

Метод смещения

Испытания на постоянное смещение - иногда также называемые испытаниями на постоянную деформацию, используются при оценке ползучести, когда режим нагружения определяет степень релаксации материала. Используются изогнутые в форме буквы U образцы, в которых релаксация менее значительна (только внешние волокна могут подвергаться значительному напряжению). Нижележащий упруго напряженный материал сопротивляется деформации только внешних волокон. Таким образом, ползучесть может быть ограничена, в отличие от испытания на растяжение, где постоянно наблюдается смещение зон образца.

Испытание со смещением на обратный U-образный изгиб в настоящее время разрабатывается как стандарт ISO. Оно используется преимущественно в ядерной промышленности.

Альтернативные методы

Альтернативные методы непрямых испытаний на растяжение включают:

Тестирование на разрыв полых эластичных образцов;
Испытание на изгиб балки;
Модифицированные испытания на растяжение по методу Франклина-Дюссо.

Устройства для таких испытаний используют раздельные захваты, фиксирующие образец. Применяются для оценки прочности горных пород, а также в механике разрушения, при выяснении трещиностойкости конструкций.

Деформация

ГОСТ 1497-84 предусматривает установление двух деформационных характеристик – остаточного сужения образца и и его абсолютного удлинения. Оба показателя оцениваются в процентах или относительных единицах. Являются механическими характеристиками материала, и принимаются во внимание при оценке его способности выполнять поставленные эксплуатационные задачи.

Параметры деформации приводятся для комнатных температур испытывавшихся образцов.

Испытание 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

Читайте также: