Испытания на растяжение

Испытания материалов

Общие сведения

Механические характеристики и свойства материалов

Работоспособность конструкционных материалов при различных видах нагружения определяется величинами, которые называют механическими характеристиками.

Механические характеристики устанавливают границу безопасной эксплуатации элементов конструкций при статическом и динамическом (циклическом и ударном) нагружениях.

К числу основных механических характеристик относятся:

— предельные напряжения,

— твердость,

— ударная вязкость.

Величины механических характеристик могут быть получены в лабораторных условиях доведением образцов до разрушения или чрезмерной деформации. Наиболее распространены испытания на растяжение и сжатие, так как они относительно просты, дают результаты, позволяющие с достаточной достоверностью судить о поведении материалов и при других видах деформации.

Часто целью испытаний является определение твердости и ударной вязкости.

Все конструкционные материалы можно условно разделить на:

— хрупкие,

— пластичные.

К весьма пластичным материалам относят малоуглеродистые стали, алюминий, медь и некоторые другие. Эти материалы обладают способностью деформироваться в широких пределах без разрушения.

Примерами хрупких материалов могут служить чугун, высокоуглеродистые сорта стали, металлокерамические материалы, стекло. Хрупкие материалы разрушаются без заметной предварительной деформации.

Промежуточное положение занимают малопластичные материалы, к которым могут быть отнесены многие легированные стали, дюралюминий, бронза.

Для изучения свойств материалов и установления величины предельных напряжений (по разрушению или по пластическим деформациям) производят испытания образцов материала вплоть до разрушения.

Испытания производят при нагрузках следующих категорий:

— статической,

— ударной и циклической (испытание на усталость или выносливость).

По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на:

— растяжение,

— сжатие,

— кручение

— изгиб.

Значительно реже проводят испытания на сложное сопротивление, например, сочетание растяжения и кручения.

Так как результаты испытаний зависят от формы образца, скорости его деформирования, температуры при испытании и т.д., то эксперимент обычно ведут в условиях, предусмотренных Государственными стандартами (ГОСТами).

Подробное описание испытательных машин и приборов можно найти в специальных руководствах.

Наибольшее распространение имеют испытания на растяжение статической нагрузкой, так как они наиболее просты и в то же время во многих случаях дают возможность достаточно верно судить о поведении материала при других видах деформации. Испытание различных материалов на растяжение осуществляют статическим нагружением на специальных машинах. Для этого применяют стандартный цилиндрический образец диаметром (3-10) мм (рис. 2.3.3, а).

Длина центрального цилиндра превышает его диаметр приблизительно в 15 раз. На цилиндре выделяют участок l ₀ для измерения деформации:

l ₀ = 10 d ₀ ,

где d ₀ – диаметр стержня до растяжения.

Иногда для испытаний применяют плоские или малые цилиндрические образцы, у которых:

l ₀ = 5 d ₀.

При растяжении образца на машинах регистрируют нагрузку на образец и его удлинение Δ l.

Количественная оценка физических свойств материала может быть сделана при помощи диаграммы растяжения в системе координат (σ, ε).

Напряжение, откладываемое по вертикальной оси:

(2.3.6)

где A ₀ – площадь поперечного сечения образца до испытания.

Относительное удлинение образца, откладываемое по горизонтальной оси:

(2.3.7)

где l ₀ – длина расчетного участка образца до испытания.

Диаграмма растяжения s= f(e) характеризует свойства испытуемого материала и носит название условной диаграммы растяжения, так как напряжения и относительные удлинения вычисляют соответственно по отношению к первоначальной площади сечения и первоначальной длине.

Условная диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали (рис. 2.3.4) характеризуется следующими четырьмя отличительными участками.

Участок I соответствует упругим деформациям материала образца.

На этом участке для пластичных материалов имеет место прямая пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями, называемая законом Гука (прямая OA):

(2.3.8)

Коэффициент пропорциональности E называется модулем продольной упругости или модулем упругости первого рода. Он имеет размерность напряжений (МПа) и характеризует способность материала сопротивляться упругой деформации при растяжении и сжатии. Величину модуля продольной упругости для различных материалов определяют экспериментально и приводят в справочниках.

Участок II начинается после точки А, когда диаграмма становится криволинейной. Однако до точки В деформации остаются упругими, то есть при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры.

При дальнейшем увеличении нагрузки за точкой В появляются неупругие деформации.

В точке С начинается процесс деформации детали без увеличения внешней нагрузки. Этот процесс называется процессом текучести материала.

Участок III (DK) характерен увеличением нагрузки, при которой происходит дальнейшая деформация образца. Этот участок называется зоной упрочнения. Заканчивается участок при достижении максимальной нагрузки, воспринимаемой образцом.

Участок IV начинается в точке K и заканчивается разрушением образца в точке R. Этот участок носит название зоны разрушения образца. Деформация образца на этом участке характерна образованием шейки и удлинением образца за счет ее утонения (рис. 2.3.3, б).

Диаграмма растяжения хрупких материалов показана на рис. 2.3.5, где отклонение от закона Гука начинается при малых значениях деформирующей силы. Эта диаграмма не имеет площадки текучести. Образцы разрушаются при очень малой остаточной деформации без образования шейки.

Дата добавления: 2014-01-11