Определение характеристик прочности

Модуль упругости первого рода (Е)-физическая константа материала, определяемая путем эксперимента и являющаяся коэффициентом пропорциональности между напряжениями и деформациями:

σ = εЕ.

Модуль упругости можно определять измерением образца тензометром (расчетный способ) или графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения.

Расчетный способ. Нагружают образец равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению, равному 70-80% от предполагаемого σ_пц. Величина ступени нагружения должна составлять 5-10% от предполагаемого σ _пц. По результатам испытаний определяют среднюю величину приращения удлинения образца ∆l_cp на ступень нагружения ∆Р.

Графический способ. Записывают диаграмму нагружения образца в координатах "нагрузка (ордината)-деформация (абсцисса)". ∆Р и ∆l_cp определяют по диаграмме на участке от нагрузки Р₀ до нагрузки, соответствующей напряжению равному 70-80% от предполагаемого σ_пц.

Модуль упругости вычисляют по формуле

Е = ∆Р l₀ / ∆l_cp F₀, МПа

Стандарты регламентируют также определение относительного равномерного удлинения δ_Р, конечной расчетной длины образца l_K, относительного удлинения образца после разрыва δ, относительного сужения ψ.

Предел пропорциональности σ_пц - наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, можно определять расчетным или графическим способами.

Расчетным способом определяют или с помощью зеркального прибора при последовательном нагружении образца. Нагружение ведут сначала крупными ступенями, а затем при напряжении 0,65-0,8 от определяемого σ_пц - малыми ступенями. Р_пц определяют при установленном отклонении деформации от закона пропорциональности, фиксируемом показаниями тензометра.

Графическим способом Р_пц определяют по машинной диаграмме растяжения.

От начала координат (рис.7) проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения.

На произвольном уровне нагрузки проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n и начала координат проводят прямую On и параллельно ей проводят касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет искомую нагрузку Р_пц.

Предел пропорциональности вычисляют по формуле

σ_пц = Р_пц / F₀, МПа

Рис.7 Графические способы определения предела пропорциональности по

диаграмме растяжения.

Предел упругости σ _0,05 - наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, величина предела упругости (как и σ_пц) зависит от требований точности, которые налагаются на производимые измерения.

Расчетный способ. Образец нагружают до величины в два раза больше начальной Р₀, и после выдержки в течение 5-7 с разгружают до Р₀. Затем образец нагружают до величины, соответствующей 70-80% от предполагаемого σ_0,05. Дальнейшее нагружение проводят ступенями с выдержкой на каждой ступени 5-7 с и последующей разгрузкой до Р₀ с измерением остаточного удлинения. Испытания прекращают, если остаточное удлинение превысит установленный допуск. По результатам испытаний определяют нагрузку Р_0,05

Графический способ, σ_0,05 определяют по начальному участку диаграммы "нагрузка-деформация" (рис.8). Удлинения определяют на участке, равном базе измерителя деформации.

Рис.8 Определение предела упругости.

Для определения Р_0,05 вычисляют соответствующую величину остаточного удлинения с учетом базы измерителя деформации. Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси деформаций; отрезок полученной длины ОЕ откладывают по оси абсцисс вправо от начала координат О. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяют нагрузку Р_0,05.

Предел упругости вычисляет по формуле

σ_0,05= Р_0,05/F₀.

Предел текучести физический σ_т, верхний предел текучести σ_тв и нижний предел текучести а_тн определяют по диаграмме растяжения.

Скорость относительной деформации на площадке текучести устанавливают в пределах 0,00025-0,0025 с^-1. Если такая скорость на площадке текучести не может быть установлена, то до начала текучести устанавливают скорость нагружения от 1 до 30 Мпа/с.

Допускается определять нагрузку Р_т по явно выраженной остановке стрелки силоизмерителя машины, обусловленной удлинением образца без заметного увеличения нагрузки.

Пределы текучести вычисляют по формуле

σ_т= P_т/F₀.

В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести (или явно выраженный начальный переходный эффект), за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация σ_ост = 0,002 или 0,2%.

Предел текучести условный σ_0,2 можно определить расчетным или графическим способом.

Расчетный способ. σ_0,2 определяют аналогично расчетному способу определения предела упругости σ _0,05.

Графический способ. σ _0,2 определяют аналогично графическому способу определения σ_0,05, по точке пересечения с кривой растяжения прямой KL, параллельной начальному участку кривой и отстоящей от него по горизонтали на расстоянии ОК=0,2(1о/100) в соответствии с принятым допуском (рис.9).

Условный предел текучести можно определять графически по диаграмме, записанной на машине в масштабе, если масштаб ее диаграммного аппарата по оси деформаций не менее 50:1.

При определении σ_0,2 скорость нагружения должна быть от от 1 до 30 МПа/с. Предел

текучести условный вычисляют по формуле

σ_0,2= Р_0,2/F₀.

Временное сопротивление σв (предел прочности). Для определения σв образец растягивают под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Р_mах соответствует временному сопротивлению.

Временное сопротивление вычисляется по формуле

σ_в= Р_max / F₀.

Для пластичных материалов характеристикой сопротивления разрушению гладкого образца при растяжении служит истинное сопротивление разрушению – истинный предел прочности S_k:

S_k = P_k / F_k,

F_k-площадь сечения в месте разрушения

P_k-усилие в момент разрушения;

Характер разрушения определяют по виду излома образца (рис.10).

Рис.10 Виды разрушения образцов при растяжении:

а – разрушение с образованием шейки (низкоуглеродистая сталь); б – разрушение путем отрыва (чугун); в – разрушение путем среза (алюминиевые сплавы, магний деформированный).