Механические свойства материалов. Испытания на растяжение

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П. А. Соловьева

Кафедра «Материаловедение, литье и сварка»

Методические указания к лабораторной работе

«Механические свойства материалов. Испытания на растяжение»

Для дисциплины

«Материаловедение»

специальность 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением»

направление 150400 «Технологические машины и оборудование»

Разработал:

к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.

Рыбинск, 2009

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы. Целью работы является ознакомление с технологией проведения испытаний на растяжение и получение навыков обработки первичной диаграммы растяжения для определения механических свойств сплава:σ_ПЦ, σ_У, σ_В, σ_0,2 , S _К , δ,y.

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Во многих случаях детали машин и конструкции работают в условиях статических нагрузок. Поэтому для оценки механических свойств широко используются статические испытания, которые проводят применительно к разным схемам напряженного состояния – испытания на растяжения, сжатия, изгиб и кручение. Из перечисленных видов испытаний основным и наиболее распространенным является испытание на одноосное растяжение. Оно позволяет получить сведения о важнейших механических свойствах сплава, и определить пригодность сплава для тех или иных целей.

Методы испытания на растяжение стандартизованы. Они могут проводиться при комнатной температуре (ГОСТ 1497‑84^*), при повышенных (ГОСТ 9651‑84^*) или пониженных (ГОСТ 11150‑84^*) температурах. В этих ГОСТах даны типовые размеры образцов, основные требования к испытательным машинам, методики проведения испытания и правила обработки результатов испытаний – т. е. определения численных значений механических свойств.

2 ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Наиболее часто применяются цилиндрические образцы, вырезанные из заготовки или исследуемого участка детали. Используются также пластинчатые образцы для испытания листовых материалов.

Для цилиндрических образцов основные размеры – это диаметр d 0 и длина l 0 рабочей части образца между захватами (рис. 1, а). Обычно d 0 = 10 мм, но исполь­зуются также образцы диаметром 5 и 2 мм. Рабочая длина устанавливается из соот­ношения: l 0 = (5…10) d; Основным является размер l 0 = 50 мм. Очень распространенным является также «Гагаринский» короткий образец d 0 = 6 мм, l 0 = 30 мм.

Рис. 1

Для плоских образцов регламентируется толщина а ₀, ширина b ₀ (рис. 1, б) и длина рабочей части l ₀. При этом a ₀ = 1…2 мм, b ₀ = 10 мм, l ₀ = 50…70 мм.

3 СХЕМА РАЗРЫВНОЙ МАШИНЫ

Испытательная машина с механическим приводом (рис. 2) Р5 или Р0,5 (число означает предельную нагрузку в тоннах) представляет собой мощную станину (1), в которой установлен грузовой винт (2) с подвижным захватом (3). Электромотор (4) через редуктор (5) приводит в движение грузовой винт и через находящуюся с ним в зацеплении гайку с траверсой (6) подвижный захват, в кото-

Рис. 2

ром закреплена одна из головок образца (7). Сила Р и перемещение Δ l измеряют рычажным устройством (8), показываются стрелкой на циферблате (9) и одновременно записываются самописцем (10) на диаграммной бумаге в координатах «Р – Δ l». Существует возможность регулировки масштаба диаграммы в широких пределах для удобства обработки результатов испытаний.

4 ПЕРВИЧНАЯ ДИАГРАММА РАСТЯЖЕНИЯ И ЕЕ АНАЛИЗ

Первичная диаграмма растяжения записывается в координатах «Нагрузка Р – абсолютное удлинение образца Δ l». По ней определяются основные механические свойства, характеризующие прочность и пластичность материала. При испытаниях на растяжение прочностные свойства определяются через напряжения σ, вызывающие определенную упругую или пластическую деформацию образца и рассчитываются по формулам типа:

σ = Р / F,

где F – площадь поперечного сечения образца.

В системе СИ напряжения выражаются в мегапаскалях [МПа]. Ранее повсеместно использовалась размерность кг∙с/мм², которая еще сохранилась в ряде официальных технических документов. Перевод единиц осуществляется очень просто: 1 кг∙с/мм² = 9,8 МПа ≈ 10 МПа.

По указанному выше принципу на первичной кривой растяжения можно выделить 5 основных точек – нагрузок для определения соответствующих напряжений (рис. 3).

Рис. 3. Схема первичной диаграммы растяжения

(1) Предел пропорциональности

σ_ПЦ = Р _ПЦ / F ₀ – предельное напряжение, под действием которого упругая деформация образца подчиняется закону Гука (т. е. деформация пропор­циональна нагрузке). Для того, чтобы унифицировать методику расчета, σ_ПЦ оценивают как условное напряжение при котором отступление от линейной зависимости между Р и Δ l достигает заданной величины. Обычно этот допуск задается через тангенс угла наклона прямой, проходящей через начальный участок кривой растяжения. Стандартная величина отклонения – 50 %, возможно также использование 10 % и 25 %. Предел пропорциональности в этих случаях соответственно обозначается σ_ПЦ50, σ_ПЦ25, σ_ПЦ10 [МПа].

(2) Предел упругости

σ_У = Р _У / F ₀ – напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной заданной величины – обычно это 0,05 %. Используются также меньшие величины вплоть до 0,005 %. Принятая величина указывается в обозначении условного предела упругости σ_0,05, σ_0,01 [МПа] и т. д.

(3) Предел текучести

σ_0,2 = Р _0,2 / F ₀ – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает определенной заданной величины – обычно 0,2 %. Как видно это определение полностью совпадает с предыдущим, разница лишь в величине допускаемого остаточного удлинения. Поэтому перечисленные характеристики – предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести более строго следует называть условными, т. е. условный предел текучести и т. д.

В отличие от условного существует физический предел текучести, который определяется по положению площадки текучести на кривой растяжения.

(4) Временное сопротивление

σ_В = Р _В/ F ₀ – напряжение, соответствующее предельной нагрузке на кривой растяжения «Р – Δ l». В этом расчете предельная нагрузка относится к начальной площади сечения образца F ₀ без учета ее изменения за счет пластической деформации. Поэтому σ_В часто называется по аналогии с предыдущими характеристиками «условный предел прочности». Истинное напряжение в этой точке равно S _B = P _B/ F _B, где F _В – истинное сечение образца.

σ_В и σ_0,2 являются важнейшими характеристиками, определяющими конструктивные свойства сплава. Они вносятся в ГОСТы и часто служат основой для подразделения сплавов на группы, или для маркировки сплавов. Например, серые чугуны маркируются по величине σ_В и σ. Соответствие фактических значений σ_В, σ_0,2 требуемым по ГОСТ определяет пригодность сплава для эксплуатации.

(5) Истинный предел прочности

Точка (5) соответствует разрушению образца. Если в образце шейка не образуется, то Р _К > Р _В, но при образовании шейки Р _К, как правило, всегда меньше Р _В. Истинное напряжение, приводящее к разрушению образца, т. е. истинный предел прочности или истинное сопротивление разрыву подсчитывается как S _К = P _К/ F _К. В конструкторских расчетах эта характеристика не используется, т. к. в процессе эксплуатации конструкции не доводятся до разрушения. Но S _К является характеристикой физической прочности материала.

По первичной кривой растяжения (рис. 3) определяют также основные характеристики пластичности.