Механические испытания на растяжение

Механические  испытания на растяжение

 

В данном анализе использовались только механические испытания на растяжение: одноосное и внецентренное.

Статическое растяжение  является одним из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов.

При статическом растяжении, как  правило, определяются следующие характеристики материала.

Характеристики  прочноcти:

предел пропорциональности - максимальная величина напряжения, при котором ещё выполняется закон Гука, то есть деформация тела прямо пропорциональна приложенной нагрузке (силе).

Часто в качестве критерия пропорциональности служит непревышение пластической деформацией некоторой величины, называемой допуском на остаточную деформацию (обычно 0,05 %). Значение предела пропорциональности, полученное на основе этого критерия обозначается σ_0,05

предел текучести - механическое напряжение σ_т, отвечающее нижнему положению площадки текучести на диаграмме деформирования материала. В случае, если такая площадка отсутствует, что характерно, например, для хрупких тел, вместо σ_т используется условный предел текучести σ_0,2 (читается: сигма ноль-два), который соответствует напряжению, при котором остаточная (пластическая деформация) составляют 0,2 % от длины испытываемого образца.

Часто для данной механической характеристики дают формулировку "напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация", не делая разницы с пределом упругости. В реальности значения предела текучести выше, чем предел упругости примерно на 5%.

предел прочности (временное сопротивление разрушению).

истинное сопротивление разрыву.

Характеристики  пластичности:

относительное остаточное удлинение,

относительное остаточное сужение.

Характеристики  упругости:

модуль упругости (модуль Юнга) - коэффициент, характеризующий сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

где:

• E — модуль упругости, измеряемый в паскалях
• F — сила в ньютонах,
• S — площадь поверхности, по которой распределено действие силы,
• l — длина деформируемого стержня,
• x — модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).

Прочие характеристики:

коэффициент механической анизотропии - неодинаковость свойств среды (например, физических:упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних  свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

 

коэффициент (модуль) упрочнения.

 

Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие  состоит в том, что первые деформируются  в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (l_к − l₀)/l₀, где l₀ и l_к — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответствии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:

 

пластичные (δ ≥ 10 %);

малопластичные (5 % < δ < 10 %);

хрупкие (δ ≤ 5 %).

 

 

Для испытаний на статическое растяжение используют образцы как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры.

Образцы круглого сечения, как правило, имеют рабочую длину, равную четырём или пяти диаметрам — т. н. короткие образцы или десяти диаметрам — т. н. нормальные образцы. Перед началом испытания замеряется диаметр образца (обычно 6, 10 или 20 мм) для вычисления напряжения σ и для расчёта относительного остаточного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ - ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещениям конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.

 

Диаграмма растяжения пластичного металла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1: Типичная диаграмма σ — ε для алюминиевых сплавов.

 

1. Предел прочности  (временное сопротивление разрушению) 
2. Условный предел текучести (σ_0.2) 
3. Предел пропорциональности 
4. Точка разрушения 
5. Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2 %)

 

Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной  нагрузки P от абсолютного удлинения  Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A₀, где A₀ — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l₀ ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.

Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:

Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.

По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. 

Для малоуглеродистой стали  наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения  . Зависимость предела текучести,   от размера зерна, d, выражена соотношением Петча-Холла:

После достижения конца  площадки текучести (деформация порядка 2 — 2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σ_В) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» — область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).

 

Диаграмма растяжения хрупкого материала

 

Диаграмма растяжения и  диаграмма условных напряжений хрупких материалов по виду напоминает диаграмму, показанную выше за тем исключением, что не наблюдается снижения нагрузки (напряжения) вплоть до точки разрушения. Кроме того, данные материалы не получают таких больших удлинений как пластичные и по времени разрушаются гораздо быстрее. На диаграмме хрупких материалов уже на первом участке имеется ощутимое отклонение от прямолинейной зависимости между нагрузкой и удлинением (напряжением и деформацией), так что о соблюдении закона Гука можно говорить достаточно условно. Так как пластических деформаций хрупкий материал не получает, то в ходе испытания не определяют предела текучести. Не имеет особенного смысла также рассчитывать и относительное сужение образца, так как шейка не образуется и диаметр после разрыва практически не отличается от исходного.

 

Влияние скорости деформации и температуры на прочностные  характеристики

 

Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 — 0,07 мм/мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек ^{− 1} скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести). В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:

где   — скорость деформации;   — астотный фактор,   — активационный объём;   — напряжение течения;   — экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации. Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочности даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.

 

При испытании  на растяжение определяют следующие  характеристики механических свойств: пределы упругости σ_уп, текучести σ_т, прочности σ_В, истинного сопротивления разрыву S_K, относительное удлинение δ и сужение ψ.

 

Пределом упругости σ_уп называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % от расчетной величины образца и определяется по формуле  

где Р_оль – нагрузка, соответствующая пределу упругости.

 

Пределом текучести σ_т называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

^, 

где Р_Т  – нагрузка, соответствующая пределу текучести.

 

Условным пределом текучести σ_т называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца:

^,

где P_0,2  – нагрузка, соответствующая пределу текучести.

 

Пределом прочности σ_В называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р_В, предшествующей разрушению образца:

Истинным сопротивлением разрушению S_K называется напряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва образца к площади поперечного сечения F_K образца в шейке после разрыва:

 

Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l_к – l₀),  
к его первоначальной расчетной длине l₀, выраженное в процентах:

где l_K – длина образца после разрыва. 

 

Относительным сужением ψ называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (F₀ – F_к), к его первоначальной площади его поперечного сечения  выраженное в процентах:

где F_K – площадь поперечного сечения образца после разрыва.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механические испытания на изгиб

 

Испытание на изгиб можно  проводить почти на всех машинах, пригодных для испытания на сжатие. Большинство универсальных машин имеют специальные раздвигающиеся опоры для испытаний на изгиб.

Для испытания на изгиб  применяют образцы круглого или прямоугольного (квадратного) поперечного сечения, которые помещают концами на две опоры. Во избежание смятия в опорах лучше увеличить поверхность контактов, уменьшив удельное давление на опоры.

Изгибающая сила уменьшается  при увеличении пролета (расстояния между опорами), а также при выборе длинных образцов с соотношением l/h > 10.

При деформации изгиба нижние слои металла до нейтрального слоя испытывают растяжение, а верхние – сжатие. Между зонами растяжения и сжатия располагается нейтральный недеформированный слой металла. Различают простой или плоский изгиб, при котором внешние силы лежат в одной из главных плоскостей бруса, и сложный, вызываемый силами, расположенными в разных плоскостях.