Испытания на статическое растяжение

Определение количественных характеристик механических свойств

Самым распространенным материалом в народном хозяйстве является конструкционная сталь. Поставляемая металлургами в виде проката (прутки, балки, трубы, листы и т.д.) и поковок, сталь используется для строительства мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, строительных конструкций, для изготовления различных машин, станков, изделий широкого потребления и т.д. Как уже упоминалось, основными методами оценки свойств конструкционных сталей являются испытания на статическое растяжение, твердость, динамический изгиб и реже знакопеременные усталостные нагружения.

Испытания на растяжение при комнатной температуре проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах. В зависимости от принципа действия нагружающего механизма испытательные машины подразделяют на механические и гидравлические. Основной характеристикой разрывной машины является развиваемое ею максимальное усилие. Более мощные машины (Р > 20 т) выполняются, как правило, гидравлическими. На рис. 4.1 показан принцип работы гидравлической машины. Видно, что машина работает по принципу гидравлического пресса, по давлению в цилиндре определяют растягивающую силу, а смещение поршня, измеренное точным прибором, дает возможность определить изменение размера образца. Образцы изготавливают цилиндрическими или призматическими с головками на концах. Диаметр круглого образца может быть от 3 до 20мм, минимальная толщина плоских – 0,5мм.

Рис. 4.1. Схема гидравлической разрывной машины

Зависимость между усилием и изменением длины образца записывается автоматически с помощью диаграммного аппарата испытательной машины в виде кривой «растягивающая сила Р – абсолютное удлинение образца D ℓ». Это так называемая «первичная машинная диаграмма», которая является результатом влияния двух переменных: механических свойств материала и величины испытуемого образца. Чтобы исключить влияние размеров образцов, от «первичной машинной» диаграммы переходят к «условной» или «удельной» в координатах «напряжение s – относительная деформация или удлинение e». Координаты точек на этой диаграмме определяют по формулам:

, , (4.1)

где F₀ и ℓ₀ – исходное сечение и первоначальная расчетная длина образца.

Диаграмма растяжения (рис.4.2) состоит из трех участков: упругой деформации (прямолинейный участок до точки У), равномерной пластической деформации (участок УВ) и сосредоточенной деформации шейки образца (участок ВС).

Рис. 4.2. Диаграмма растяжения стального образца

Прямолинейный участок упругой деформации характеризует жесткость материала. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упругости:

.

Модуль упругости структурно нечувствительная характеристика, определяется силами межатомного взаимодействия в кристаллической решетке и является константой материала.

Рис. 4.3. Диаграммы растяжения различных материалов

По условной диаграмме растяжения «s – e» определяются следующие прочностные характеристики:

1. Предел пропорциональности s_п – величина напряжения, соответствующая началу отклонения кривой от линейного хода (от закона Гука: s=Еe).

2. Предел упругости s_у – напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,01%; 0,03%; 0,05%), причем допуск на остаточную деформацию указывается в индексе (s_0,05).

3. Предел текучести s_т (физический) – напряжение, соответствующее наименьшему напряжению площадки текучести, когда образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки. Если площадка текучести отсутствует на диаграмме, то определяется предел текучести условный s_0,2, соответствующий остаточной деформации, составляющей 0,2% от первоначальной длины образца.

4. Предел прочности или временное сопротивление разрыву s_В – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

5. Модуль нормальной упругости Е – отношение напряжения к соответствующему относительному удлинению в пределах применяемости закона Гука (начального линейного участка кривой):

Е=σ/ε кг/мм² (4.2)

Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность материала. Для оценки пластичности стали используются две характеристики – относительное удлинение после разрыва d и относительное сужение после разрыва Y.

Относительное удлинение после разрыва представляет собой отношение приращения расчетной длины образца к его первоначальной длине, выраженное в процентах:

%, (4.3)

где ℓ₀ и ℓ_к – первоначальная и конечная (после разрушения) длина образца.

На практике для определения ℓ_к разрушенные части образца прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между рисками или кернами, наносимыми на образец перед испытаниями и задающими расчетную длину. Не имея образца, относительное удлинение можно примерно оценить по диаграмме. Для этого из конечной точки кривой, соответствующей моменту разрушения образца, провести прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы. Отрезок абсциссы, отсеченной этой прямой, будет соответствовать конечному относительному остаточному удлинению образца e_к. Этот результат нужно выразить в процентах:

%.

Относительное сужение после разрыва Y представляет собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади сечения образца:

%. (4.4)

Величина Y определяется для цилиндрических образцов; для образцов плоских (при испытании полосовой или тонколистовой стали) это оценка приблизительная. По диаграмме растяжения Y определить невозможно.

Условно принято считать металл надежным в эксплуатации при d³15% и Y ³45%.

Сталь перед испытаниями может быть подвергнута различным видам обработки (холодная вытяжка, горячая прокатка, нормализация, отжиг и т.д.), поэтому одна и та же марка будет иметь различные прочностные и пластические свойства, поскольку они являются структурно чувствительными.

В процессе нагружения образца при достижении предела текучести начинается смещение атомов со своих первоначальных равновесных положений. Но это частичное смещение атомов относительно своих мест не приводит к разрушению материала. Наоборот, происходит его упрочнение, наклеп. Кривая деформации поднимается вверх, но уже более медленно, чем на первом участке, до величины s_в и далее падает с появлением шейки – местного утонения образца. Начало появления шейки считается началом разрушения образца (хрупкие материалы разрушаются без шейки).

Способность материала дополнительно упрочняться за счет пластической деформации оценивается модулем пластичности D. Чем меньше модуль пластичности, тем более хрупко разрушается материал, а хрупкие разрушения опасны своей внезапностью и непредсказуемостью. Определить величину модуля пластичности можно, упростив диаграмму растяжения (рис.4.4). Соедините предел текучести и предел прочности на кривой растяжения. Тангенс угла наклона прямой АВ равен модулю пластичности:

. (4.5)

По кривой растяжения можно определить еще одну характеристику, называемую вязкостью материала. Но эта вязкость будет статической в отличие от ударной вязкости, определяемой при ударном изгибе. Статическая вязкость при растяжении равняется удельной работе разрушения и характеризуется площадью под упрощенной кривой диаграммы «s – e»:

. (4.6)

Рис. 4.4. Упрощенное изображение диаграммы растяжения,

поясняющие формулы

Дата добавления: 2014-11-16