Наименование образца | Расчетная длина l0,мм | Диаметр образца d0, мм | Площадь поперечного сечения F0,мм2 | Кратность l0 d0 |
Нормальный длинный | ||||
Нормальный короткий | ||||
Пропорциональный длинный | 11,3 Ö F0 | Произвольный | Произвольный | |
Пропорциональный | 5,65 Ö F0 | Произвольный | Произвольный |
При испытании на растяжение образец, установленный в захватах машины, деформируется при плавно возрастающей нагрузке и характеристики свойств металла определяют в условиях одноосного напряженного состояния.
Образцы из разных материалов разрушаются в результате испытаний различно.
В процессе испытаний на растяжение на разрывных машинах записывается диаграмма в координатах нагрузка (Р, Н) – удлинение
(∆l, мм) образца (диаграмма растяжения).
Такая диаграмма вычерчивается автоматическим устройством, при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва испытываемого образца. Диаграммы растяжения будут иметь вид, показанный на рис. 15.
|
|
При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается.
Усилие, приходящееся на 1 мм2 поперечного сечения образца, называется напряжением и обозначается σ, МПа.
Рис 15. Типы диаграмм растяжения:
а – без площадки текучести; б – с площадкой текучести.
Напряжения, характеризующие сопротивление металла деформированию, подразделяются на условные и истинные.
Условные напряжения s определяются как отношение действующей нагрузки Р, Н к площади поперечного сечения до испытания F0 , мм2 (8):
. (8)
Истинные напряжения S, МПа, представляют собой отношение действующей нагрузки Р, Н, отрезок ОЕ к площади поперечного сечения в данный момент F, мм2 (9):
. (9)
Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали представлена на рис. 16.
Рис. 16. Кривая растяжения низкоуглеродистой стали
Определение характеристик прочности. Максимальное напря- жение, до которого сохраняется прямолинейная зависимость между нагрузкой и деформацией, или, иначе говоря, остается справедливым закон Гука (10), называется пределом пропорциональности:
. (10)
Напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки образец продолжает деформироваться, называется физическим пределом текучести. Участок «вс» на диаграмме растяжения (рис.16) называется площадкой текучести. Наименьшая нагрузка на участке текучести Р т, Н, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F0 , мм2, определяет значение физического предела текучести (11):
(11)
Так как для ряда материалов на диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 15, а), то в этом случае определяется условный предел текучести s 0,2 , мм.
|
|
Под условным пределом текучести s 0,2понимают напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% от первоначальной расчетной длины образца l0 . Условный предел текучести определяется по формуле
. (12)
Для определения условного предела текучести на диаграмме растяжения по оси абсцисс от начала координат откладывают величину, равную 0,2% от l0 (отрезок ОЕ на рис.17).
Рис.17. Схема определения условного предела текучести
Через точку Е проводят прямую, параллельную участку пропор- циональности диаграммы. Ордината точки А пересечения этой прямой с диаграммой растяжения определяет нагрузку, соответствующую условному пределу текучести.
Предел текучести является обязательной характеристикой металла по ГОСТу.
Точка В на диаграмме растяжения отвечает максимальной нагрузке, выдерживаемой образцом при испытании. В этой точке деформация из равномерной переходит в местную, и на образце начинает образовываться шейка.
Напряжение, отвечающее максимальной нагрузке Р В в процессе испытания, называется пределом прочности (13):
. (13)
Разрушение образца при растяжении происходит в точке К при нагрузке Р К, Н. Отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения образца после разрушения F К, мм2, представляет собой истинное сопротивление разрыву (14):
. (14)
Определение характеристик пластичности. Абсолютное оста- точное удлинение D lК, мм (15),определяется разностью между длиной образца после разрыва lК, мм,и его первоначальной длиной l0, мм:
. (15)
Относительное удлинение d, % (17), представляет собой отношение абсолютного удлинения к первоначальной длине образца
(16)
где d - относительное удлинение, %.
Для получения одинаковых значений относительного удлинения для одного и того же материала, испытываемого на различных образцах, необходимо чтобы образцы имели определенное соотношение между расчетной длиной l0, мм,и площадью поперечного сечения (или диаметром). Относительное удлинение, определенное на длинном образце (l0/d0=10), обозначается через d10 %, а на коротком образце – через d5, %.
Относительное сужение j, % - характеристика пластичности, которая определяется как отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади сечения образца (17):
(17)
где F0 – начальное поперечное сечение образца, FК – площадь сечения образца в шейке после разрыва.
Относительное сужение характеризует способность к местной пластической деформации в направлении, перпендикулярном действию сил. Оно определяется только для образцов круглого сечения.
Изменение размеров образца в результате растяжения показано на
рис. 18.
Рис. 18. Образцы стали:
а - до растяжения; б - после разрыва
Характеристики материалов s В, s 0,2, d, j являются базовыми; они включаются в ГОСТ на постановку конструкционных материалов, в сертификаты, в паспорта приемочных испытаний, входят в расчеты прочности.
Определение ударной вязкости. В условиях эксплуатации конструкционные материалы испытывают более сложное нагружение, чем при статических испытаниях гладких образцов. В особенности это относится к металлам, которые под влиянием определенных условий службы склонны переходить в хрупкое состояние при действии низких температур, наличия концентраторов напряжений, увеличения абсолютных размеров, повышения скорости деформирования и других факторов.
Ударные испытания надрезанных образцов проводятся для оценки вязкости материалов и установления склонности его к переходу в хрупкое состояние.
Под вязкостью понимают способность материала поглощать работу внешних сил за счет пластической деформации.
|
|
Ударная вязкость равна работе, затраченной при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенной к площади поперечного сечения в месте надреза.
Ударную вязкость определяют на маятниковом копре, принципиальная схема которого приведена на рис. 19. Груз весом Q, первоначально поднятый на высоту Н, свободно падает и в нижнем положении разрушает установленный на опорах образец квадратного сечения. Часть кинетической энергии падающего груза расходуется на разрушение образца, а ее оставшаяся часть идет на поднятие груза на высоту h.
Груз весом Q первоначально поднят на высоту Н, свободно падает и в нижнем положении разрушает установленный на опорах образец квадратного сечения. Часть кинетической энергии падающего груза расходуется на разрушение образца, а ее оставшаяся часть идет на поднятие груза на высоту h.
Рис.19. Схема действия копра и эскиз образца
Энергия, затраченная на разрушение образца, подсчитывается по формуле (18):
(18)
Ударная вязкость определяется из выражения (19):
(19)
Выгодное отличие испытаний на ударную вязкость состоит в совмещении при испытаниях концентрации напряжений (надрез) и ударной изгибающей нагрузки, позволяющем создать большую неравномерность поля напряжений.
Для определения ударной вязкости применяют надрезанные посередине длины образцы различных типов (рис. 20).
Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с концентраторами напряжений трех видов:
U с радиусом R=1 мм;
V c радиусом R=0,25 мм;
Т – усталостная трещина.
В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается KCU, KCV или KCT.
Поскольку наиболее распространены испытания на удар образцов с
U- образным надрезом, в справочниках чаще всего проводится обозначение ударной вязкости KCU, МДж/м2.
Рис. 20. Образцы для испытаний на удар:
а – U-образный надрез; б – V-образный надрез; в – образец с трещиной
Определение предела выносливост и. Многие детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются повторно-переменным (циклическим) напряжениям, что может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже s 0,2.
|
|
Разрушение металлов и сплавов в результате многократного повторно-переменного напряжения носит название усталости, а свойство металлов сопротивляться усталости называется выносливостью (ГОСТ 23207-78).
Природа усталостного разрушения заключается в следующем. Металлы, как известно, состоят из большого числа различно ориентированных зерен, которые вследствие анизотропии оказывают неодинаковое сопротивление действию внешних сил. Зерна, неблагоприятно расположенные по отношению к направлению действия внешних сил, оказываются слабыми, и пластичная деформация в них произойдет при напряжениях ниже предела текучести, в других же зернах приложенная нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.
Многократная пластическая деформация при действии повторно-переменных нагрузок приводит к образованию микротрещины, которая, увеличиваясь, превращается в зону усталостного разрушения.
Исследования на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают максимальное напряжение цикла, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).
Предел выносливости при симметричном цикле обозначается s -1.Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу.
Для этого используют не менее десяти образцов, каждый из которых испытывается до разрушения только на одном уровне напряжений.
По результатам испытаний отдельных образцов в координатах «напряжение-число циклов» строят кривую, по которой и определяют предел выносливости s -1(рис. 21).
Для тех металлов и сплавов, у которых нет горизонтального участка выносливости, испытания, ограничивают определением «ограниченного предела выносливости», который для сталей равен 10 млн., а для цветных сплавов 100 млн. циклов.
s -1 |
Рис. 21.Схема испытания и кривая выносливости