ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ
Цель работы: Изучить устройство и принцип действия испытательных машин, методикой проведения испытаний на растяжение по ГОСТ 1497-84. Научиться определять характеристики прочности и пластичности конструкционных сталей по имеющимся образцам после проведения испытаний и диаграммам растяжения этих образцов.
Оборудование и материалы: разрывная машина Р-10; бинокулярный микроскоп МБС-9, инструментальный микроскоп; набор образцов различных сталей после проведения испытаний на растяжение; исходные (машинные) диаграммы испытаний образцов в электронном виде, полученные на испытательной машине с электронным силоизмерителем; штангенциркуль; персональный компьютер для обработки и распечатки диаграмм; миллиметровая бумага для построения диаграмм растяжения в координатах напряжение – относительное удлинение.
Задания: Ознакомиться с работой испытательной машины; ознакомиться с типами образцов для испытаний по ГОСТ 1497-84 на растяжение; ознакомиться с типами диаграмм деформации образцов при растяжении и с характерными точками на этих диаграммах; выяснить, как определять характеристики механических свойств при испытаниях на растяжение; на полученных у преподавателя образцах измерить длину рабочей части, диаметр образца в шейке и зоне равномерной деформации; на машинных диаграммах измерить и рассчитать характерные нагрузки и удлинения; рассчитать: предел упругостиϬ0.05, условный предел текучестиϬ0.2, модуль упругости при растяжении – Е, предел прочности (временное сопротивление) – ϬВ, относительное удлинение (после разрыва) δ, относительное сужение (после разрыва) ψ; построить диаграммы растяжения в координатах Ϭ – ε.
Основные сведения.
Наличие металлической связи придает металлам способность к пластической деформации и возможности упрочняться в процессе пластической деформации. Деформация происходит при приложении к материалу напряжений (нагрузок). Деформация – это изменение формы или размеров тела под действием внешних сил или физико-химических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения и т.п.). При деформации происходит смещение атомов из положений равновесия. Свойства недеформированного и деформированного металла различны.
Появление нагрузок вызывает образование в теле двух типов напряжений: нормальных и касательных. Нормальные напряжения приводят к увеличению или уменьшению расстояний между атомами в направлении действия нагрузки (Рис.11.1б). Касательные напряжения изменяют угол между плоскостями в кристаллической решетке (Рис.11.1в).
Рис. 21.1. Схематическое изображение упругой деформации согласно пружинной модели кристаллической решетки: а – равновесие - механических напряжений нет; б – изменение расстояния между атомами под действием нормальных растягивающих напряжений; в - изменение угла между атомными плоскостями под действием касательных напряжений.
Различают упругую и пластическую деформацию. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела после снятия нагрузки исчезает и она не вызывает остаточных изменений в структуре и свойствах металла. Упругую деформацию могут вызывать как нормальные, так и касательные напряжения. Под воздействием касательных напряжений может появляться остаточные деформации. Такое свойство называется пластичностью.
При увеличении касательных напряжений выше определенного предела деформация становится необратимой. При снятии нагрузки основная часть упругой составляющей деформации исчезает, в то время как пластическая деформация сохраняется. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства. В поликристаллических металлах пластическая деформация происходит, в основном, внутри кристаллитов (внутризеренная). Происходит также изменение формы и смещение границ кристаллитов (межзеренная деформация).
Чаще всего пластическая деформация осуществляется путем сдвига в направлении действия касательных напряжений. Этот вид пластической деформации называется скольжением(Рис.11.2а). Плоскость действия касательных напряжений расположена под некоторым углом φ к направлению действия нор 
мальных напряжений Ϭ. При одноосном растяжении (Рис. 11.3) этот угол близок к 450. При других способах приложения нагрузки этот угол меняется.
Скольжение осуществляется путем перемещения дислокаций под действием касательных напряжений по плоскостям скольжения. Это плоскости с наиболее плотно расположенными атомами. Перемещение линии дислокации по плоскости скольжения (Рис.11.4) происходит скачками. При этом осуществляется сдвиг одной части кристалла относительно другой с образованием на его поверхности ступеньки. В различных кристаллических решетках пластическая деформация осуществляется по-разному. В них различаются кристаллографические плоскости и направления скольжения (Табл.11.1). В ГЦК-металлах дислокации перемещаются легко и с большими скоростями, в то время как в ОЦК-металлах их перемещение определяется скоростью приложения нагрузки. Это связано с тем, что ГЦК-рещетка – плотноупакованная. В ней перемещение атомов одной кристаллической плоскости по другой осуществляется значительно легче, чем в ОЦК-решетке, не являющейся плотноупакованной (Рис.11.5). Кроме того, пластическая деформация – это фактически реакция металла на рост внутренних напряжений, приводящая к их релаксации (снижению). В поликристаллических металлах она происходит неравномерно. В первую очередь это вызвано различной ориентировкой кристаллитов относительно наиболее благоприятных для скольжения плоскостей. В первую очередь начинают действовать наиболее легко инициируемые плоскости скольжения. Наличие границ зерен и других дефектов кристаллического строения, например неметаллических включений, вызывает затруднения в перемещении дислокаций, увеличение их плотности, локальный рост внутренних напряжений и искажений решетки.
Затруднения деформации требуют наличия внешнего или внутреннего источнику упругой энергии. Если такой источник действует, деформация будет продолжаться. Могут вступать в действие вторичные плоскости скольжения. Затем деформация еще более затрудняется. Таким образом, происходит упрочнение. Плотность дислокаций в исходном (недеформированном) металле составляет около 106 см-2, в сильнодеформированном - она достигает 1012 см-2. Запас упругой энергии, необходимой для продолжения деформации, легко определяет-
ся при механических испытаниях.
В ГЦК-металлах широко распространен еще один механизм пластической деформации – двойникование. При двойниковании часть кристалла перестраивается относительно другой части в положение, симметричное относительно плоскости двойникования. В ОЦК-металлах двойникование осуществляется только при низких температурах, когда скольжение дислокаций становится затрудненным из-за роста предела текучести.
При деформации поликристалла отдельные кристаллиты (зерна) меняют свою форму (вытягиваются), стремятся принять одну кристаллографическую ориентацию вдоль направления действия внешних сил. Такие изменения происходят постепенно, по мере увеличения степени деформации. При большой пластической деформации зерна приобретают одну кристаллографическую ориентацию, называемую, текстурой.
Характер микроструктуры металла при разных степенях деформации различается. При малых степенях деформации зерна равноосные (Рис.11.4). При увеличении степени деформации проявляется волокнистость (Рис.11.4б). большие степени деформации затрудняют выявляемость отдельных фрагментов микроструктуры, которые становятся нечеткими и сильнее травятся. Такую структуру можно различать при больших увеличениях – в электронном микроскопе (Рис.11.4в,г). Свойства деформированного металла становятся анизотропными – различными в разных направлениях.
Механические свойства холоднодеформированного металла зависят от степени пластической деформации, сопровождаясь упрочнением – наклепом. При наклепе сильно меняется внутреннее строение – появляются упругие искажения кристаллической решетки, растет число вакансий, перераспределяются внедренные атомы углерода и азота. Меняются физические свойства, например, растет электросопротивление. Наклеп осуществляется не только под действием приложенных напряжений, но и в результате фазовых превращений (фазовый наклеп). Наклепанные металлы хуже сопротивляются коррозионному воздействию.
Для определения влияния деформации на механические свойстваконструкционых материалов проводят механические испытания.С увеличением степени холодной деформации прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, твердость) растут, а пластические (относительное удлинение, относительное сужение) падают. Так, холодная пластическая деформация малоуглеродистой стали в 70% приводит к росту предела прочности и твердости в 3 раза, предела текучести - до 8 раз, относительное удлинение падает до 40 раз.