Методы испытания механических свойств

Прочность металлаопределяют, выполняя испытания на растяжение, используя для этого разрывные машины (рис. 2.7,а). Для испытаний изготавливают стандартные цилиндрические или плоские образцы с утолщениями (уширениями) на концах для укрепления в захватах разрывной машины (рис. 2.7,б). При этом необходимо соблюдать соотношения между начальной расчетной длиной образца (l0) и начальной площадью поперечного сечения в его рабочей части (F0). Образцы используют двух видов: с начальной длиной (короткие) или (длинные). При проведении испытаний образец закрепляют в захватах разрывной машины и растягивают его. При этом через систему передаточных механизмов самозаписывающий прибор автоматически вычерчивает диаграмму растяжения. По вертикальной оси откладывается нагрузка Р, по горизонтальной – абсолютное удлинение Δl. Для малоуглеродистой стали (Ст3) такая диаграмма представлена на рис 2.7,в.

На диаграмме можно отметить характерные точки и участки. На участке 0Рпц удлинение Δl образца увеличивается прямо пропорционально нагрузке Рпц, называемой нагрузкой предела пропорциональности.

Пределом пропорциональности σпц называют наибольшее напряжение, до которого относительное удлинение образца остается прямо пропорциональным нагрузке Рпц. Его определяют по формуле (в Н/м2 или Па):

σпц = Рпц/F0 . (2.1)

Нагрузка Руп, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,005% расчетной длины, называют нагрузкой предела упругости.

Пределом упругости σуп называют такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,005% первоначальной расчетной длины образца. Его определяют по формуле

σуп = Руп/F0 . (2.2)

Выше точки Руп кривая диаграммы растяжения плавно переходит в горизонтальный участок. При этом образец удлиняется без увеличения нагрузки (металл как бы течет).

Нагрузку РТ , при которой начинается течение металла, называют нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой – площадкой текучести.

а)

 
б)

РВ
Руп
РК
РТ
Рпц
в)

Рис. 2.7.Испытание на растяжение а) общий вид разрывной машины с механическим приводом типа ИМ-4Р; б) стандартные образцы для испытания на растяжение; в) диаграмма растяжения пластичного металла (упрощенная).

 

Пределом текучести σТ называют наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Его определяют по формуле

σТ = РТ /F0 . (2.3)

За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой максимальной величины РВ (процесс самоупрочнения), после которой на образце начинается образование местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки вызывает снижение нагрузки, и в точке К при нагрузке Рк происходит разрыв образца. Наибольшую нагрузку РВ, при которой начинается образование шейки, называют нагрузкой временного сопротивления при растяжении.

Временное сопротивление при растяжении (предел прочности) называют напряжение σВ , соответствующее наибольшей нагрузке РВ. Определяют его по формуле

σВ= РВ /F0 . [Н/мм2; (кгс/мм2)] (2.4)

 

Диаграммы растяжения стали различных марок приведены на рис. 2.8.

 

Рис. 2.8.Диаграмма растяжения стали различных марок

а – монокристалл железа; б – поликристалл железа; в – сталь обычной прочности (типа ВСт3); г – сталь повышенной прочности (типа 09Г2С, 10ХСНД);

д – сталь высокой прочности (типа 16Г2АФ, 12Г2СМФ и др.)

 

Относительное удлинение (d) и сужение (y) образца при испытании является характеристикой пластичности. Относительное удлинение определяется как отношение приращения длины образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в процентах где l1 – длина образца после разрыва, l0 – расчетная длина образца.

Временное сопротивление алюминия составляет σв = 40…60 Н/мм2, относительное удлинение d = 40…50%. Для мягкой меди (в отожженном состоянии) σв = 190…215 Н/мм2; для твердой меди (в нагартованном состоянии) σв = 280…360 Н/мм2; относительное удлинение d = 60% и 6% соответственно.

Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля, когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D (рис. 2.9,а). Число твердости по Бринеллю НВ есть нагрузка Р, деленная на сферическую поверхность отпечатка (с диаметром d).

При методе Роквелла индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик) (рис. 2.9,б). В данном случае числом твердости является величина, обратная глубине вдавливания (h). Имеется три шкалы. При испытании алмазным конусом при
Р = 150 кгс получаем твердоcть HRC, то же при Р = 60 кгс – HRA и при вдавливании стального шарика при Р = 100 кгс HRB.

При методе Виккерса вдавливается алмазная пирамида и, измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (НV) (рис. 2.9,в).

 

а)

б)

 

в)

Рис. 2.9.Схема испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

 

Твердость по Бринеллю для алюминия составляет НВ=25, для мягкой меди – НВ=45, для твердой меди – НВ=110.

Испытания на удар. Эти испытания позволяют определять способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявлять склонность металла к хрупкому разрушению при различных температурах.

Для испытаний применяют стандартные образцы квадратного или прямоугольного сечения с надрезом или без него (рис. 2.10). Образец устанавливают на двух опорах 6 стоек 3 специального копра (рис. 2.11). Маятник 1, падая с высоты Н (положение I), разрушает образец 5 (положение II) и по инерции поднимается на высоту h (положение III). Маятник останавливают ручкой 4 тормоза. Работа Ан, затраченная на разрушение образца, определяется по шкале 2 в соответствии с формулой

Aн = P (H - h). (2.5)

Удельную ударную вязкость определяют по формуле

aк = Ан/Fo, (2.6)

где Ан – работа, затраченная на разрушение образца, Дж/см2;

F0 – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2.

Ударная вязкость помимо обозначения aк также может обозначаться KCU или KСV, где последние символы указывают на форму надреза в испытуемом образце (рис. 2.10).

Испытания проводят при положительной и отрицательной температурах.

Проба на изгибпредназначена для определения пластичности металла при изгибе до нужной степени, в зависимости от назначения металла; осуществляют ее в холодном или горячем состоянии. На установке, приведенной на рис.2.12, выполняют следующие пробы на изгиб: до определенного угла (рис. 2.12,б), до параллельности сторон (рис. 2.12,в), до соприкосновения сторон (рис. 2.12,г). Испытуемый металл считается выдержавшим пробу, если на образце после изгиба отсутствуют трещины, надрывы, изломы и т.д. Тот или иной вид пробы на изгиб обычно оговаривается в технических условиях на поставку листового материала.

а)

 
 
б)

 
Рис. 2.10. Образцы для испытания на ударс U-образным (а) и V-образным (б) надрезом Рис. 2.11.Схема испытания на удар

 

а) б) в) г)
Рис.2.12.Схема испытаний на изгиб

 

Пробу на перегиб (испытания на перегиб) применяют для определения способности металла выдерживать повторные перегибы в холодном состоянии и осуществляется на специальном приборе или в слесарных тисках. Испытуемый образец из листовой или полосовой стали толщиной до 5 мм, проволоки и прутков фасонного сечения площадью до 120 мм2 и т.д. зажимают в приборе или в тисках, приводят в исходное положение и затем осуществляют колебательные движения на 180° до появления трещины в образце. Число перегибов до наступления трещины является характеристикой этого испытания.

Испытания на усталость. Разрушение металлов под действием многократных (повторно-переменных) нагрузок, изменяющихся по величине и знаку, при напряжениях, меньших временного сопротивления на растяжение, называют усталостным. Способность металлов выдерживать большое число циклов называют выносливостью σω, или циклической прочностью.

Испытания для определения прочности, пластичности, на изгиб и по определению твердости производят при комнатной температуре (+200С).

Основные показатели механических свойств строительных сталей приведены в табл. 2.1, 2.2.


 

Таблица. 2.1