Испытание пластичных и хрупких материалов на растяжение

Ц е л ь р а б о т ы – изучить методику испытаний на растяжение к поведение материалов в процессе деформирования; определить характеристики прочности и пластичности материалов при разрыве.

Испытания на одноосное растяжение являются основным видом испытаний при оценке механических свойств конструкционных материалов. Это обусловлено легкостью постановки таких испытаний, совершенством методики их проведения, четкостью анализа поучаемых результатов, поскольку в образце реализуются однородные напряженное и деформированное состояние вплоть до образования шейки, а также практической важностью получаемых механических характеристик.

Испытания проводятся на разнообразных по устройству машинах, состоящих из электрического привода, нагружающего устройства механического или гидравлического типа, механизма силоизмерения, диаграммного аппарата, служащего для записи на бумаге графической зависимости между действующим на испытуемый образец усилием Р и его деформацией (перемещением) Δl. Требование к машинам для испытаний на растяжение регламентированы ГОСТ 7855-84. Машины с электромеханическим силовозбуждением развивают сравнительно небольшое усилие, не превышающие 100 кН. Электрогидравлическое силовобуждение используется в машинах с грузоподъемностью до 1000 кН и более.

В соответствии с ГОСТ 7855-84 в разрывных машинах с электромеханическим силовозбуждением число масштабов записи деформации (перемещения) образца должно быть не менее трех и выбираться из ряда: 1:1, 5:1, 50:1, 100:1. В машинах с электрогидравлическим силовозбуждением число масштабов записи деформации (перемещения) образца должно быть не менее двух. При этом обязателен масштаб 50:1, а остальные выбираются из ряда: 1:1, 5:1, 10:1. Высота ординаты диаграммы растяжения, соответствующая предельному значению диапазона измерения усилия, должна быть не менее 200 мм. Допускаемая погрешность измерения и записи деформации на машинах, оснащенных электрическими измерителями деформации, не должна превышать ± 2 % от верхнего предела каждого диапазона измерения деформации.

ГОСТ 7855-84 устанавливает безотказную работу испытательных машин в течение 2000 часов или 32000 циклов, при этом срок эксплуатации – не менее 10 лет.

На используемой для испытаний машине УГ-20 регистрация диаграмм растяжения и сжатия производится на записывающем устройстве механического типа. Диаграммы растяжения и сжатия записываются на таких устройствах в малом масштабе. В связи с этим для регистрации диаграмм растяжения и сжатия используется двухкоординатный самопишущий прибор ПДС-021. Принципиальная схема прибора для записи диаграмм растяжения и сжатия показана на рис. 1. На шкале механизма силоизмерения установлен реохорд R_Р, на конце обмотки которого подается ЭДС источника питания Е₁. Подвижной контакт реохорда R_Р жестко связан с осью стрелки механизма силоизмерения. При этом величина подаваемой на прибор ЭДС пропорциональна хнического типа.риэтом срок и этом бязателе масштаб 50:1, а остальные выбираются изться из ряда6 1:1, 5:1, 50:1, 100:1. формации стройства механического илдействующей на образец нагрузки Р. Для регистрации деформаций образца Δl к неподвижному захвату (станине) прикреплен реохорд R_Δl, к обмотке которого подключен источник питания. Подвижный контакт реохорда R_Δl соединен с подвижным захватом (траверсой) машины. Очевидно, что подаваемая на вторую координату прибора ЭДС пропорциональна перемещению подвижного контакта реохорда R_Δl и, следовательно, деформации Δl испытуемого образца.

Рис. 1. Принципиальная схема прибора для записи диаграмм растяжения и сжатия. Принятые обозначения: Е₁ – источник питания 1, Е₂ – источник питания 2, R_р – реохорд для регистрации нагрузки, R_Δl – реохорд для регистрации деформаций, Е_р – ЭДС, пропорциональная нагрузке, Е_Δl – ЭДС, пропорциональная деформации.

Тарировку по оси нагрузок Р диаграммы деформирования проводят по показаниям стрелки силоизмерительного механизма. Масштаб записи по оси Δl устанавливают по показаниям индикатора часового типа.

ГОСТ 1497-84 регламентирует методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов при комнатной температуре с целью определения следующих характеристик механических свойств:

- предела пропорциональности σ_пц

- предела упругости σ_у

- предела текучести физического σ_Т

- предела текучести условного σ_0,2

- временного сопротивления (предела прочности) σ_в

- относительного удлинения после разрыва δ

- относительного сужения поперечного сечения после разрыва ψ.

Вырезку заготовок для образцов проводят на металлорежущих станках, ножницах, штампах путем применения кислородной или анодно-механической резки и другими способами, предусматривая припуски на зону металла с измененными свойствами при нагреве и наклепе. При изготовлении образцов применяют меры (охлаждение, режимы обработки), исключающие возможность изменения свойств металла при нагреве или наклепе, возникающих в результате механической обработки. Глубина резания при последнем проходе не должна превышать 0,3 мм.

При испытании листовых материалов используются плоские образцы. Плоские образцы не должны сохранять поверхностные слои проката. Для плоских образцов стера прогиба на длине 200 мм не должна превышать 10 % от толщины образца, но не более 4 мм. Заусенцы на гранях плоских образцов должны быть удаленны механическим способом без повреждения поверхности образца. Кромки рабочей поверхности образцов допускается подвергать шлифовке и зачистке на шлифовальном круге или шлифовальной шкуркой.

Образцы для испытаний материалов имеют цилиндрическую форму (рис. 2). Утолщения на концах образцов, служащие для их закрепления в захватах испытательной машины, называются головками.

Рис. 2. Образец для испытаний на растяжение

Абсолютные размеры образцов могут выбираться в широких пределах в зависимости от габаритов используемых заготовок, грузоподъемности испытательных машин и целей испытаний.

Начальная расчетная длина цилиндрического или плоского образца принимается равной

или ,

где F₀ – площадь сечения образца.

Такие образцы называются десятикратными или нормальными.

Если размеры заготовок или другие причины не позволяют использовать такие образцы, то ГОСТ 1497-84 рекомендует пятикратные или короткие образцы, при которых начальная расчетная длина принимается равной

или .

Рабочая длина равна

– для цилиндрического образца,

– для плоских образцов.

Габаритная длина цилиндрического образца принимается

Диаметр головок образца рекомендуется:

Шероховатость R_a поверхности рабочей части цилиндрических образцов должна быть не более 1,25 мкм, а шероховатость R_z боковых поверхностей рабочей части плоских образцов не более 20 мкм.

Перед испытанием каждый образец маркируют вне рабочей длины. Диаметр образца измеряют с точностью не ниже 0,01 мм при d₀ ≤ 10 мм и 0,05 мм при d₀ > 10 мм. Далее на образец наносятся две риски (накаткой делительной сетки или штрихов, фотоспособом, карандашом, красителем), ограничивающие начальную расчетную длину l₀ с точностью 0,01 l₀. Для более точного относительного удлинения после разрыва δ (за счет приведения места разрыва к середине образца) на начальной расчетной длине могут наноситься риски через каждые 5 или 10 мм. Определение необходимых размеров образца после испытания производится с точностью не ниже 0,1 мм. Для более точных измерений используется инструментальный микроскоп.

Диапазон нагрузок выбирают таким образом, чтобы максимальная нагрузка при разрыве образца находилась во второй половине (65…75 %) шкалы. Масштаб записи диаграммы деформирования назначают в соответствии с возможностями регистрирующей аппаратуры, величиной реализуемых деформаций и конкретными целями испытаний.

Перед испытанием образец устанавливается в захваты испытательной машины. Способ крепления должен предупреждать проскальзывание образцов в захватах, смятие опорных поверхностей, деформацию готовок и разрушение образца. После чего включается привод машины. В процессе испытания ведется наблюдение за поведением образца и характером диаграммы растяжения, вычерчиваемой диаграммным аппаратом машины. Испытания на растяжения проводят на двух образцах, если иное количество не предусмотрено нормативно-технической документацией на металлопродукцию.

Под действием внешней нагрузки образец деформируется. В нем развиваются упругая и остаточная (пластическая) деформации.

Упругой деформацией называется такая деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Механизм упругой деформации связан со сравнительно малыми обратимыми смещениями атомов из положения равновесия под действием внешней нагрузки. Величины упругих деформаций материалов сравнительно небольшие и, как правило, не превышают 1…2 %.

Остаточной (пластической) называется та деформация, которая не исчезает после удаления внешних нагрузок. Остаточная (пластическая) деформация происходит в результате существенных и необратимых смещений атомов из первоначального положения равновесия. При этом в плоскостях действия наибольших касательных напряжений образуются линии скольжения и происходят сдвиги отдельных частей кристаллов относительно друг друга. Характерно, что пластическая деформация всегда сопровождается упругой.

Конструкционные материалы разделяются на пластичные и хрупкие.

Пластичными называются такие материалы, которые разрушаются при больших пластических деформациях. К ним относятся малоуглеродистые стали, многие алюминиевые сплавы, медь, свинец и другие.

Хрупкими материалами называются, те разрушение которых происходит при незначительных или исчезающее малых остаточных деформациях. К ним относятся чугуны,твердые сплавы, бетон, стекло и др.

Существуют материалы с ограниченной пластичностью. К ним относятся инструментальные стали, некоторые алюминиевые сплавы и др. Важно иметь в виду, что поведение одного и того же материала при механических испытаниях зависит от температуры, характера напряженного стояния и условий нагружения. Так, инструментальные стали при повышении температуры становятся пластичными, а малоуглеродистые стали в условиях низких температур охрупчиваются. Повышение скорости нагружения снижает пластичность в связи с этим деление материалов на пластинные и хрупкие несколько условно. Более правильно разделять материалы не на пластичные и хрупкие, а на материалы, находящиеся в пластичном или хрупком физико-механическом стоянии.

В данной работе на растяжение испытываются образцы из малоуглеродистой стали, являющейся типичным представителем пластичных материалов. Диаграмма растяжения такой стали, записанная на диаграммном аппарате испытательной машины, показана на рис. 3.

Характерно, что при небольших нагрузках наблюдается линейная зависимость между силой Р и удлинением Δl образца. После достижения нагрузки Р_пц, соответствующей пределу пропорциональности

, (1)

линейная зависимость нарушается.

Предел пропорциональности σ_пц – это такое напряжение, превышение которого ведет к нарушению линейной зависимости между действующей силой (напряжением) и удлинением (деформацией) образца.

Отклонение диаграмм растяжения от прямой зависит не только от материалов, но и масштаба записи диаграммы растяжения. Для однозначного определения предела пропорциональности задают допуск на отклонение диаграммы растяжения от линейной зависимости. ГОСТ 1497-84 устанавливает указанный допуск по увеличению на 50% тангенса угла образованной касательной к кривой Р – Δl и осью Р, по сравнению с аналогичным значением на линейном участке. Для этого на линейном участке диаграммы проводят прямую МN (рис. 3), и откладывают отрезок KN, равный половине отрезка МК. Через точку N и начало координат проводят прямую ON и параллельно ей касательную СД. Точка касания определяет нагрузку Р_пц, соответствующую пределу пропорциональности.

Рис. 3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали.

При дальнейшем повышении нагрузки достигается нагрузка Р_у соответствующая пределу упругости [Н/мм² ](рис. 3)

. (2)

Пределом упругости называется такое напряжение, превышение которого ведет к появлению первых пластических деформаций. В качестве меры первых пластических деформаций ГОСТ 1497-84 при определении предела упругости устанавливает допуск остаточной деформации, равный 0,05 %. Принято считать, что до нагрузки Р_у деформации образца практически упругие. Превышение этой нагрузки ведет к появлению заметных пластических деформаций. Для определения нагрузки Р_у на оси Δl откладывают в масштабе записи диаграммы растяжения остаточное удлинение, равное 0,0005 l (рис. 3). Затем проводят прямую, параллельную линейному участку диаграммы. Точка пересечения этой прямой с диаграммой растяжения определяет нагрузку Р_у , соответствующую пределу упругости.

Дальнейшее деформирование образца происходит без заметного увеличения нагрузки. При этом на диаграмме растяжения образуется площадка текучести при нагрузке Р_Т, соответствующей пределу текучести физическому

. (3)

Напряжение, при котором материал деформируется без заметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести физическим. На стадии текучести поверхность образца покрывается характерными полосами скольжения, так называемыми полосами Д.К. Чернова – В. Людерса, которые располагаются примерно под углом 45º и оси образца (в плоскостях действия наибольших касательных напряжений) и хорошо видны невооруженным глазом.

При испытаниях высокопрочных сталей и ряда цветных металлов площадка текучести на диаграмме растяжения, как правило, отсутствует. В таких случаях вместо физического определяется предел текучести условный

. (4)

Предел текучести условный – это напряжение, при котором остаточная деформация достигает заданной величины, равной 0,2 %. Нагрузка на Р_{0,2 ,} соответствующая пределу текучести условному, определяется по диаграмме растяжения (рис. 4) по допуску остаточного удлинения, равного 0,02 l.

Рис. 4. Схема определения предела текучести условного.

Цена деления шкалы тензометра при определении предела пропорциональности и предела упругости не должна превышать 0,005 %, а при определении предела текучести условного – 0,05 % от базы тензометра.

После достижения предела текучести материал вновь начинает сопротивляться деформированию за счет так называемого деформационного упрочнения (наклепа). Если в точке А образец разгрузить (рис. 3), то линия разгрузки представляет собой прямую, параллельную первоначальному упругому участку (закон упругой разгрузки). При повторном нагружении этого же образца диаграмма деформирования пойдет примерно по линии разгрузки, а затем совпадает с диаграммой растяжения образца без нагрузки. В результате предварительного нагружения произойдет наклеп. Предел текучести материала при последующем растяжении повысится, а пластичность уменьшиться по сравнению с ее первоначальным значением.

До нагрузки Р_в, соответствующей временному сопротивлению (пределу прочности), происходит равномерная по длине деформация образца, а сечение образца равномерно сужаются. Затем в какой-то части образца, ослабленной несовершенством структуры материала или другими причинами, начинается локализация деформации, которая проявляется как местное сужение поперечного сечения (образование шейки). Развитие шейки приводит к уменьшению нагрузки, а образец продолжает удлиняться за счет развития местных деформаций в окрестностях шейки. Разрыв образца происходит по минимальному сечению при нагрузке Р_к (рис. 5).

Рис. 5. Форма образца после разрыва.

Напряжение, которое соответствует минимальной нагрузке Р_в при разрушении образца, называется временным сопротивлением (пределом прочности),

. (5)

Следует отметить в виду, что, несмотря на падение нагрузки после образования шейки, напряжения в шейке увеличиваются, т.к. площадь сечения уменьшается быстрее, чем нагрузка. По нагрузке в момент разрушения Р_к определяется сопротивление разрыву

, (6)

где F_k - площадь минимального сечения шейки после разрыва.

При определении величины S_к не учитывалась неоднородность напряженно-деформированного состояния в шейке образца, а при вычислении значений σ_пц, σ_у, σ_Т, σ_0,2, σ_в использовалась первоначальная площадь и пренебрегалось уменьшением сечение в результате удлинения образца.

Чем выше характеристики прочности σ_пц, σ_у, σ_Т (σ_0,2), σ_в и S_к, тем прочнее материал.

Важнейшим механическим свойством конструкционных материалов является пластичность, которая определяется как способность материала воспринимать без разрушения большие остаточные деформации. Основными характеристиками пластичности при испытаниях на растяжения являются:

Относительное удлинение образца после разрыва

. (7)

Относительное сужение в шейке после разрыва

, (8) где l_к – расчетная длина образца после разрыва;

l₀ - начальная расчетная длина образца;

F₀ – начальная площадь поперечного сечения;

F_к – площадь шейки образца после разрыва.

Чем выше характеристики пластичности δ и ψ, тем материал пластичнее.

Абсолютное удлинение образца после разрыва состоит из равномерного удлинения Δl_р, которое наблюдается до нагрузки Р_в, и местного удлинения Δl_н, обусловленного образованием шейки. Известно, что равномерное удлинение пропорционально первоначальной длине образца , а местное удлинение линейно зависит от корня квадратного из первоначальной площади поперечного сечения . Здесь β и γ представляют собой постоянные для данного материала коэффициенты. С учетом этого относительное удлинение образца после разрыва можно представить

(9)

Величина δ зависит не только от механических свойств материала, что естественно, но и отношения . Для того, чтобы исключить влияние соотношения размеров образца на величину δ отношение должно быть постоянным. При этом абсолютные размеры образцов могут быть различными. Образцы, для которых отношение сохраняется постоянным, называются подобными (пропорциональными). В Российской Федерации принято – нормальные образцы, – короткие образцы. Для образцов круглого сечения указанные соотношения преобразуются к виду: (десятикратные образцы); (пятикратные образцы). Относительное удлинение образца после разрыва, полученное при нормальных (десятикратных) образцах, обозначается δ или δ₁₀, а найденное на коротких образцах – δ₅. Важно иметь в виду, что механические характеристики материалов можно сравнивать в том случае, если они получены на подобных (пропорциональных) образцах.

В работе испытываются на растяжение серый чугун как типичный представитель хрупких материалов, Диаграмма растяжения серого чугуна представлена на рис. 6. Характерно, что разрушение образца происходит при крайне малых остаточных деформациях по сечению, перпендикулярному к оси образца. Для хрупких материалов определяется одна характеристика прочности – п редел прочности при растяжении .

Рис. 6. Диаграмма растяжения чугуна.

При оценке несущей способности крупногабаритных деталей машин и элементов конструкций следует иметь в виду зависимость механических свойств металлов от размеров сечений. Влияние размеров на механические свойства обусловлено металлургическими особенностями процесса изготовления сталей (кристаллизация, прокатка, термообработка). Увеличение площадей сечений образцов F вызывает обычно снижение характеристик прочности и пластичности, определяемых на стандартных образцах сечением F₀≤100 мм². Для ряда углеродистых и малолегированных сталей зависимости характеристики прочности и пластичности от размеров сечений описывается соотношениями:

, , (10)

где σ_0,2F, σ_вF, ψ_F – предел текучести, предел прочности и относительное сужение в шейке после разрыва крупногабаритного образца площадью сечения F.

Методы испытаний на растяжение при повышенных и пониженных температурах устанавливаются ГОСТ 9651-84 и ГОСТ 11150-84.