Краткие теоретические сведения. Рабочая длина образца l – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата (рис
Рабочая длина образца l – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата (рис. 1).
Начальная расчетная длина образца lo – участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на которое определяется удлинение (рис. 1).
Конечная расчетная длина образца lk – длина расчетной части после разрыва образца.
Начальный диаметр образца do – диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытания (рис. 1).
Диаметр образца после разрыва dк – минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва.
Начальная площадь поперечного сечения образца Fo – площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытания.
Площадь поперечного сечения образца после разрыва Fк – минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва.
Предел пропорциональности sпц – напряжение, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука.
Предел упругости s0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от первоначальной длины образца.
Предел текучести физический sт – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки.
Предел текучести условный s0,2 – напряжение, при котором пластическая деформация образца достигает 0,2 % от рабочей длины образца l.
Предел прочности (временное сопротивление) sв – напряжение, соответствующее наибольшему усилию Рmax, предшествующему разрыву образца.
Истинное сопротивление разрыву Sи- напряжение, определяемое отношением усилия в момент разрыва к минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва Fк.
Относительное удлинение d - отношение приращения расчетной длины образца (lk - lo) после разрушения к начальной расчетной длине lo, выраженное в процентах.
Относительное сужение y- отношение разности Fo и минимальной Fк площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца Fo, выраженное в процентах.
Нагрузка на образец при статических испытаниях возрастает медленно и плавно или остается постоянной в течение длительного времени. К статическим испытаниям металлов и сплавов относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.
Методы испытаний на растяжение черных и цветных металлов и изделий из них регламентируется ГОСТ 1497-84.
Испытание на растяжение является наиболее универсальным по сравнению с другими видами испытаний, так как оно позволяет определять механические свойства материала на всех стадиях его деформации (от упругой деформации до разрушения).
Размеры и типы образцов установлены ГОСТ 1497-84.
Испытания на растяжение проводят на образцах с гладкими зажимными головками (плоскими или цилиндрическими) (рис. 1), используя клиновые зажимные приспособления. Подготовка образцов к испытанию начинается с их контроля (осмотр внешнего вида, оценка шероховатости их поверхности и измерение размеров). Образцы с механическими повреждениями, заусенцами, неправильной маркировкой, а также с размерами, превышающими допустимые, к испытанию не допускаются.
Рис. 1. Цилиндрический образец
Испытание образцов осуществляют на серийно выпускаемых испытательных (разрывных) машинах, которые имеют три основных узла: механизм нагружения, механизм силоизмерения и устройство для автоматической записи диаграммы растяжения – диаграммный аппарат.
Установив образец на машине и выбрав зазоры, медленно и плавно нагружают образец до момента его разрыва.
Параллельно с этим записывается диаграмма растяжения, показывающая зависимость между нагрузкой, действующей на образец, и вызываемой ею изменением длины образца.
На рис. 2 показана диаграмма растяжения образца из стали. По оси ординат отложена нагрузка Р, Н, по оси абсцисс – удлинение образца Dl, мм.
На диаграмме отмечено несколько характерных участков: упругой деформации до точки В; равномерной пластической деформации от В до D и сосредоточенной пластической деформации от D до Е. Прямолинейный участок сохраняется до точки Аили нагрузки Рпц, что соответствует пределу пропорциональности sпц, который определяют по формуле:
, МПа, (1)
где Рпц – усилие, превышение которого вызывает появление остаточной деформации;
Fo – начальная площадь поперечного сечения образца.
Рис. 2. Диаграмма растяжения образца
Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.
На небольшом участке от А до В нарушается линейная зависимость между Р и Dl из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.
Точке В соответствует усилие Рупр, при котором остаточная деформация станет равной 0,05 % от начальной расчетной длины образца.
Ордината точки В служит для определения предела упругости:
, МПа, (2)
Предел пропорциональности и предел упругости определяют упругие свойства материала.
Ордината точки С, соответствующей течению материала при пластическом деформировании, служит для определения физического предела текучести sт:
, МПа, (3)
где Рт - усилие при текучести.
Физический предел текучести определяют по диаграмме растяжений, когда на ней имеется горизонтальный участок (площадка текучести). Такой участок характерен только для малоуглеродистых сталей и латуней. Для остальных сплавов определяют условный предел текучести, который равен напряжению Р0,2, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2 %:
, МПа, (4)
Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s0,2 несложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.
Пластическое деформирование выше точки С идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. До точки Д удлинение происходит равномерно по всей длине рабочей части рабочей части образца. Цилиндрическая форма образца сохраняется, хотя диаметр его уменьшается по мере удлинения. Ордината точки Д соответствует максимальному усилию Ртах и служит для определения предела прочности или временного сопротивления:
, МПа, (5)
Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Ртах до РЕ (см. рис. 2). Это объясняется появлением в образце местного утонения – шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется. В точке Е определяют истинное сопротивление разрыву Sи – напряжение, определяемое отношением усилия в момент разрыва РЕ к минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва Fк:
, МПа (6)
Напряжения s0,05, sт и sв - стандартные характеристики прочности.
Пластичность материала характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение определяется по формуле:
(7)
Относительное сужение:
(8)
На рис. 3. представлены типовые диаграммы растяжения различных материалов.
Рис. 3. Типовые диаграммы растяжения различных металлов: а - углеродистая сталь; б – аустенитная сталь; в – медь холоднодеформированная 1 и рекристаллизационная 2; г – углеродистая закаленная сталь 3, улучшенная 4 и отожженная 5; д – высокопрочный чугун 6, ферритный ковкий чугун 7, серый чугун 8; е – высокоуглеродистая сталь 9, алюминий 10