Испытание материалов на растяжение и сжатие

    ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Информационные системы и математическое моделирование» 
 
 
 
 
 

     техническая механика

     испытание материалов на растяжение и сжатие. диаграммы  растяжения пластических и хрупких маиериалов

ЛИСТОВ 13 
 

 
 
 
 

Волгоград 2010

     Испытания материалов на растяжение и сжатие 

     При проектировании строительных конструкций, машин и механизмов инженеру необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформативные свойства материалов. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в экспериментальных лабораториях на соответствующих испытательных машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных, например испытания на твердость, сопротивляемость ударным и переменным нагрузкам, противодействие высоким температурам и т.д.  

     Испытания на растяжение

     Наибольшую  информацию о механических свойствах металлов можно получить из статических испытаний на растяжение. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 1497—84.

       Для испытания на растяжение  применяют образцы специальной  формы — цилиндрические или плоские (рис. 1). 

     Рис. 1

       Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l₀, на которой определяется удлинение, и головки с переходным участком, форма и размеры которых зависят от способов их крепления в захватах машины. Различают длинные образцы с отношением l₀/d₀ = 10 и короткие — l₀/d₀ = 5. Размеры образцов делают стандартными для того, чтобы результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, были сравнимы.

     Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах. В зависимости от метода приложения нагрузки машины бывают с механическим или гидравлическим приводом. Они обычно выпускаются с вертикальным расположением образа. Передача усилия на образец осуществляется через захваты. Для центральной передачи усилия на образец в машинах имеются специальные устройства. Все машины снабжены устройством для автоматической записи в определенном масштабе диаграммы растяжения, т. е. графика зависимости между растягивающей силой F и удлинением образца Δl.

     В настоящее время начинают широко применяться испытательные машины нового поколения — универсальные машины с использованием современной микроэлектроники, которая позволяет полностью автоматизировать ход испытаний и управлять им, начиная от пуска машины до вывода полученных результатов измерений на дисплей и графопостроитель. 

     Испытания на сжатие

     Для испытания металлов на сжатие применяется  цилиндрические образцы с отношением высоты к диаметру в пределах 1,5..,3, Применение более длинных образцов недопустимо, так гак такие образцы могут искривляться и тем самым искажать результаты испытаний. Следует обратить внимание на некоторую условность получаемых результатов из-за наличия сил трения в опорных поверхностях образца. Поэтому стараются ослабить влияние сил трения введением различных смазок или приданием конусной формы торцевым поверхностям образца.

     Испытание на сжатие осуществляется обычно при  помощи тех же испытательных машин с применением специальных приспособлений (реверсоров). 

     Диаграммы растяжения пластичных и хрупких материалов 

     Диаграмма низкоуглеродистой  стали

     Записанная с помощью специального устройства на испытательной машине диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали изображена на рис. 2. Из этой группы сталей наибольшее применение для строительных конструкций находит сталь марки Ст3 и Ст3Гпс.

     Рис. 2

     В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией — справедливость закона Гука. Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена через F_пц и используется для вычисления предела пропорциональности:

     σ_пц = F_пц/А₀

     Пределом  пропорциональности σ_пц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией. Для Ст3 предел пропорциональности приблизительно равен σ_пц = 195…200 МПа.

     Зона  ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е.

     После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становится криволинейной. На этом участке в  непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости.

     Пределом упругости σ_уп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.

     Предел  упругости существует независимо от закона прямой пропорциональности. Он характеризует начало перехода от упругой деформации к пластической.

     У большинства металлов значения предела  пропорциональности и предела упругости  незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически  совпадают.   Для   стали   Ст3   σ_уп = 205...210 МПа.

     При дальнейшем нагружении криволинейная  часть диаграммы переходят в  почти горизонтальный участок  CD — площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка F_т, соответствующая точке D, используется при определении физического предела текучести:

     σ_т = F_т/А₀

     Физическим  пределом текучести  σ_т называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Для стали Сг3 σ_т =220…250 МПа.

     Зона  BD называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом у образца повышается температура, изменяются электропроводность и магнитные свойства.

     Образование пластической деформация в отдельных  кристаллах образца происходит уже  в начальной (упругой) стадии испытания. Однако эти деформации настолько малы, что не обнаруживаются обычными приборами для измерения малых деформаций. С увеличением нагрузки пластическая деформация начинает накапливаться в микрообъемах образца, а с наступлением текучести эти очаги пластической деформации, сливаясь, захватывают уже макрообъемы образца металла. Необратимо деформированные области образца оказывают повышенное сопротивление дальнейшему деформированию (материал упрочняется), и поэтому пластические деформации начинают развиваться в зонах, еще не подверженных этим деформациям. В дальнейшем пластическая деформация, переходя от одной зоны к другой, распространяется на весь объем рабочей части образца. Особенно наглядно фронт распространения пластической деформации вдоль образца можно наблюдать при испытании плоских полированных образцов. На поверхности таких образцов в момент возникновения очагов пластической деформации появляются темные наклонные полосы, которые, как правило, с осью образца составляют углы, приблизительно равные 45° (линии Людерса — Чернова). Эти линии представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие необратимых сдвигов, происходящих в кристаллах под действием наибольших касательных напряжений.

     Описанные явления вызывают изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной. Образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения F_max — точка Е на диаграмме. Усилие F_max используется для вычисления временного сопротивления:

     σ_в = F_max /А₀

     Напряжение, соответствующее  наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением.

     Для стали марки Ст3 временное сопротивление  σ_в = 370…470 МПа.

     Зона DE называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечные сечения изменяются незначительно и также равномерно.

     При максимальном усилии или несколько меньшем его на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения — шейка (а иногда и две). Дальнейшая деформация происходят в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точи К, называется разрушающей F_К, а напряжения — истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), которые равны

     S_K=F_K/A_K,

     где А_K — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

     Зона  ЕК называется зоной местной текучести. Истинные напряжения в момент разрыва (в шейке) в образце из стали Ст3 достигают 900…1000 МПа.

     Заметим, что иногда временное сопротивление  называют пределом прочности. Строго говоря, такое допустимо только в том случае, когда разрыв образца происходит без образования шейки. Это имеет место с хрупкими материалами, например с чугуном. Тогда наибольшая нагрузка практически совпадает с моментом разрушения и предел прочности оказывается почти равным истинному напряжению при разрыве. У пластичных материалов, например у стали марки Ст3, наибольшее значение нагрузка не соответствует ее значению при разрушении образца и за характеристику прочности (условную) принимается временное сопротивление.

     Интересен механизм разрушения образца из низкоуглеродистой  стали. Образец разрушается, как  правило, с образованием «чашечки» на одной его части и «конуса» — на другой. Этот излом называют чашечным или изломом «чашечка — конус».

     Помимо  указанных характеристик  прочности определяют характеристики пластичности.

     Относительное удлинение после  разрыва δ(%) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:

     δ = ((l_K-l₀)/l₀)100%

     Заметим, что относительное удлинение  после разрыва зависит от отношения  расчетной длины образца к  его диаметру. С увеличением этого отношения значение δ уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах.

     Другой  характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва ψ (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

     ψ=((A₀-A_K)/A₀)100%

     Иногда  при вычислении значения ψ для цилиндрических образцов пользуются формулой:

     ψ=(((d₀)²-d_K)²)/(d₀)²)100%

     Для стали марки Ст3 характеристики пластичности следующие: δ = 25…27% (при испытании  коротких образцов); ψ=60…70%.

     Если  образец после нагрузки, соответствующей  пределу текучести (рис. 3), разгрузить, то процесс разгрузки будет изображен линией МО₁, почти параллельной первоначальному упругому участку диаграммы. 

     Рис. 3

       Удлинение, полученное образцом до начала разгружения, при разгрузке полностью не исчезает. Оно становится меньше на удлинение Δl_уп упругой части (отрезок О₁О₂). Остаточное удлинение Δl_ост (отрезок ОO₁) называется также пластическим удлинением. Следовательно, за пределом упругости полное удлинение образца состоит из двух частей — упругой и пластической: