В чем состоит цель механических испытаний материалов на растяжение
Механических испытаний материалов.
Механическими называют свойства материалов, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. В результате таких испытаний определяют количественные характеристики механических свойств.
Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.
Контроль механических свойств начинается еще при производстве металла и продолжается на всех стадиях обработки. Периодический контроль не должен прекращаться и в процессе эксплуатации изделий с целью выявления опасных зон и предотвращения аварий. Его используют при продлении технического ресурса.
При проведении механических испытаний стремятся воспроизвести такие условия воздействия на материал, которые имеют место при эксплуатации изделия, изготовленного из этого материала.
Многообразие условий обусловливает проведение большого числа механических испытаний. Но вместе с тем основными признаками, позволяющими классифицировать виды механических испытаний, являются:
— способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение и др.);
— скорость нагружения (статическая, динамическая);
— протяженность процесса испытания во времени (кратковременная, длительная).
Существуют и другие признаки классификации.
В результате механических испытаний материалов определяют следующие характеристики: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладностойкость, жаропрочность.
Механические свойства, определяемые при статическом
Нагружении
2.4.1. Испытание материалов на растяжение.
Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали.
Теоретически рассчитать значения прочностных и жесткостных характеристик материалов не представляется возможным. Их можно определить только экспериментально, путем испытаний специальных образцов. Испытания могут вестись на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб, твердость, ударную вязкость.
Если нагрузка статическая, то основным является испытание на растяжение, при котором обнаруживаются наиболее важные свойства материалов.
Образцы, для испытаний, изготавливаются цилиндрическими (рисунок 2.1, а), или плоскими (рисунок 2.1, б).
В цилиндрических образцах должно быть выдержано соотношение между расчетной длиной образца l и диаметром d: у длинных образцов l = 10 d , у коротких l = 5 d .
Рисунок. 2.1. Образцы для испытаний материала на растяжение
В качестве основных применяют образцы с диаметром d=10 мм; при этом рабочая длина l=100мм. Допускается применение образцов и других диаметров при условии, что рабочая длина их l=10dили l=5d0 .
Испытания на растяжение проводят на разрывных машинах, позволяющих в процессе эксперимента не только измерять усилия и соответствующие им абсолютные деформации образца, но фиксировать их на графике в координатах P-Dl с помощью диаграммного аппарата. Вид диаграммы малоуглеродистой стали с нанесенными на нее характерными точками показан на рисунке 2.2, а.
Для изучения свойств материала значительно удобнее пользоваться диаграммами, построенными в координатах s — e “напряжение – относительная деформация”. Для перехода к данной системе координат (рисунок 2.3) используют формулы
и (2.1)
После обжатия образца, медленно увеличивается приложенная к нему растягивающая нагрузка. Пока напряжения не достигают некоторой величины sпц, диаграмма представляет собой прямую линию, т.е. относительные удлинения e прямо пропорциональны напряжениям.
Рисунок 2.2. Диаграмма малоуглеродистой стали в координатах Р-
Рисунок 2.3 Диаграмма малоуглеродистой стали в координатах Р—
Пределом пропорциональности sпцназывается наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией. Иными словами, до этого предела справедлив закон Гука.
Отрезок 0-П называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Параметры данной зоны позволяют определить значение модуля упругости Е.
После достижения предела пропорциональности деформации e растут не пропорционально напряжениям, а быстрее и линия диаграммы становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки П находится точка У, соответствующая пределу упругости.
Пределом упругостиsупназывается максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.
Предел упругости существует независимо от закона прямой пропорциональности. Однако у большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому в инженерных расчетах используют, в основном, предел пропорциональности.
При дальнейшем нагружении, начиная с того момента, когда напряжения достигнут некоторой величины sт, деформации растут практически без увеличения напряжений. На диаграмме получается участок, параллельный оси абсцисс. Это явление называется текучестью материала.
Пределом текучести sТ называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Участок диаграммы Н-Т, параллельный оси абсцисс, называется зоной общей текучести.В этой зоне значительно развиваются пластические деформации.
Образование пластических деформаций в отдельных кристаллах образца происходит еще в начале нагружения, на участке упругих деформаций. Однако эти деформации настолько малы, что обнаружить их трудно. С увеличением нагрузки пластическая деформация постепенно накапливается в микрообъемах образца, а с наступлением текучести эти очаги, сливаясь, захватывают весь металл рабочей части образца. Очень наглядно фронт распространения пластической деформации можно наблюдать при испытании плоских полированных образцов. На поверхности таких образцов появляются матовые полоски, расположенные под углом 45 к оси испытуемого образца. Эти линии называются линиями Чернова – по имени знаменитого русского металлурга Д.К. Чернова (1839 — 1921г), впервые обнаружившего их. Металлографические исследования показывают, что линии Чернова являются следами сдвигов происходящих в кристаллах.
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 вплоть до точки В. Участок диаграммы от конца площадки текучести (точка Т) до наивысшей точки В называют зоной упрочнения.
Напряжение sВ, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением.
Временное сопротивление представляет собой отношение наибольшей силы, которую выдерживает образец, к первоначальной площади его поперечного сечения.
Последующее растяжение образца сопровождается образованием местного сужения, называемого шейкой и уменьшением растягивающей силы.
Истинное напряжение по сечению шейки (т. е. напряжение, отнесенное к площади поперечного сечения шейки) возрастает вплоть до полного разрушения образца.
Помимо рассмотренных выше прочностных характеристик, в процессе испытания образца на растяжение определяются характеристики жесткости и пластичности исследуемого материала, в частности такие, как модуль упругости первого рода, относительное удлинение после разрыва и относительное сужение после разрыва.
Из диаграммы s — e видно, что
(2.2)
т. е. модуль упругости при растяжении равен тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс.
Относительным удлинением после разрыва d называют отношение приращения расчетной длины образца после разрыва, к ее первоначальной величине, выраженное в процентах
(2.3)
Относительное удлинение после разрыва характеризует пластичность материала. В зависимости от величины этого удлинения металлы и сплавы условно делят на пластичные и хрупкие.
Разгрузка и повторное нагружение. Если при усилии растяжения, вызывающем напряжение не выше предела упругости, прекратить нагружение, а затем разгружать образец, то процесс разгрузки изобразится на диаграмме линией, практически совпадающей с линией нагрузки. Образец при этом будет испытывать только упругие деформации. То есть длина образца после снятия нагрузки останется такой же, какой она была до начала испытания. Повторное нагружение на диаграмме пойдет по той же линии 0У, полученной при первом нагружении образца.
Совсем иной будет картина, если к началу разгрузки напряжение в образце превысит предел упругости. Произведя разгрузку, например, после достижения силой значения, изображаемого ординатой точки М (рисунок 2.4), увидим, что процесс разгрузки на диаграмме будет описываться уже не кривой, совпадающей с кривой 0ПУНТМ нагружения, а по слабо изогнутой кривой МрК. Если точки М и К соединить прямой, то она будет параллельной прямолинейному участку ОП диаграммы. Удлинение Dl1, полученное образцом до начала разгружения, после разгрузки полностью не исчезнет. Исчезнувшая часть удлинения на диаграмме изобразится отрезком Dl1УП, а оставшаяся – отрезком Dl10. Следовательно, полное удлинение образца за пределом упругости состоит из двух частей – упругой и пластической:
Если этот же образец нагружать повторно, то линия нагружения КнМ на диаграмме, также будет слабо изогнутой, но выпуклостью в другую сторону. Кривые МрК и КнМ для большинства конструкционных материалов расположены настолько близко друг к другу, что без большой погрешности их можно заменить прямой МК. Предел пропорциональности повысится и станет приблизительно равным наибольшему напряжению, до которого ранее был растянут образец.
При дальнейшем увеличении растягивающей силы кривая диаграммы совпадет с линией МВ. Часть диаграммы, расположенная левее линии КМ, окажется отсеченной, т. е. начало координат переместится в точку К. Остаточное удлинение после разрыва будет меньше, чем в образце, не подвергавшемся предварительной пластической деформации.
Таким образом, предварительная вытяжка за предел текучести повышает предел пропорциональности
и предел упругости, но ухудшает пластические свойства.
Изменение свойств материала в результате деформации за пределом текучести называется наклепом.
Рисунок 2.4. Петля гистерезиса на диаграмме малоуглеродистой стали
Часто наклеп создают искусственно. Так, например, тросы и стальные канаты подвергают предварительной вытяжке, чтобы существенно уменьшить остаточные удлинения, которые могут возникнуть
во время их эксплуатации.
В некоторых случаях явление наклепа возникает в процессе технологических операций и является нежелательным.
Источник
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ — Студопедия
Цель работы: определение характеристик механических свойств углеродистой стали при испытании на растяжение.
Конструкционные материалы – это твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механической нагрузке.
Конструкционные материалы можно разбить на следующие типы:
1. Металлы и сплавы (стали, чугуны, цветные металлы и т. д.).
2. Неметаллические материалы (полимеры, пластмассы, древесные материалы, резины и т. д.).
3. Композиционные материалы. Это материалы, объединенные разными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, называется матрицей (связующим). Матрицы могут быть полимерными, металлическими и т. д. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим. Эти компоненты, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Прообразом современных композиционных материалов считается железобетон.
Несмотря на достигнутые успехи в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.), основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и сплавы. Поэтому только они и рассматриваются в данном курсе (из-за ограниченного объема часов).
Под металлами понимают вещества, обладающие металлическим блеском, высокими пластичностью, тепло- и электропроводностью, прочностью. К металлам относятся не только чистые металлы, но и сплавы.
В качестве конструкционных материалов в основном используются сплавы, так как они обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.
Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства, так как они характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний.
К числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла, относятся испытания на растяжение, которые рассмотрены в лабораторной работе № 8.
Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности sв и относительное остаточное удлинение d). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала, т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность. Например, в контактных проводах троллейбусов и трамваев благодаря высокой прочности бронза стала применяться вместо меди.
Для сравнения в таблице 8.1 приведены механические свойства некоторых проводников [2].
Таблица 8.1
| Материал | Предел прочности sв, МПа | Относительное удлинение d,% |
| Алюминий мягкий (АМ) | 10−18 | |
| Алюминий твердый (АТ) | 160−170 | 1,5−2 |
| Медь мягкая (ММ) | 260−280 | 18−35 |
| Медь твердая (МТ) | 360−390 | 0,5−2,5 |
| Бронза | 800−1200 | 1,5−10 |
Для определения механических характеристик прочности и пластичности проводят испытания на растяжение образцов из исследуемого материала в испытательных машинах. В лабораторной работе испытываются образцы из углеродистой конструкционной стали, которая и в энергетике нашла широкое применение (из нее делают опоры линий электропередач, порталы и осветительные вышки на подстанциях и т. д.).
Углерод в сталь вводится специально, т. к. с повышением его содержания существенно возрастает прочность стали.
Углеродистые стали относятся к числу самых распространённых конструкционных материалов [5]. Объём их производства достигает 85 % от общей выплавки стали. Достоинствами углеродистых сталей являются удовлетворительные механические свойства в сочетании с технологичностью обработки и низкой стоимостью.
Углеродистые стали подразделяются на три основные группы [5]:
− обыкновенного качества;
− качественные стали (общего назначения);
− стали специального назначения (котельную, мостовую, судостроительную и др.).
Углеродистые стали обыкновенного качества характеризуются значительным содержанием вредных примесей, неметаллических включений, газов. Они обозначаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств их подразделяют на три группы: А, Б, В. Эти стали применяются для изготовления металлоконструкций, ненагруженных деталей машин и механизмов, крепёжных деталей, рельсов и т. д.
Углеродистые качественные стали имеют меньшее по сравнению со сталями обыкновенного качества содержание вредных примесей и неметаллических включений. Поставляют их в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали маркируют двухзначными цифрами от 05 до 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь Ст20 содержит в среднем 0,20 % углерода. Эти стали применяют в машиностроении и приборостроении для изготовления кузовов автомобилей, корпусов, зубчатых колёс, осей и т. д.
Углеродистые стали специального назначения отличаются хорошей обрабатываемостью, они предназначены в основном для приготовления деталей массового производства. При обработке, например, автоматных сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка. Котельнаясталь хорошо сваривается. Из неё изготавливают котлы, судовые топки, камеры горения газовых турбин и т. д.
Испытание на растяжение относится к числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла. К преимуществам такого испытания относятся: сравнительная простота эксперимента и возможность получить растяжение в чистом виде.
Для испытания используются стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержни с прямоугольным сечением (плоские образцы). Размеры образцов устанавливает ГОСТ 1497-84.
На рисунке 8.1 показан цилиндрический образец для испытания (до и после испытаний). На рисунке 8.2 показано изображение образца на экране монитора.
Рис. 8.1 Образец до и после испытаний
Отношение начальной расчетной длины рабочей части образца к начальному диаметру do, т. е. k = , называют кратностью образца. Применяются образцы с кратностью 2, 5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью k = 5 (такой образец испытывается в лабораторной работе).
Рис. 8.2. Цилиндрический образец для испытания на растяжение: − начальная длина
рабочей части; do−начальный диаметр; L – полная длина образца
На рисунке 8.3 приведена фотография испытательной машины ZDM-10, а на рисунке 8.4 – изображение испытательной машины на экране ЭВМ.
Рис. 8.3. Испытательная машина ZDM-10
Рис. 8.4. Изображение испытательной машины на экране монитора
Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении. В процессе испытания диаграммный механизм машины непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – абсолютное удлинение образца Dℓ (рис. 8.5). У образца удлинение небольшое (всего 6−10 мм), поэтому для наглядности на диаграмме удлинение откладывается в масштабе (в лабораторной работе масштаб = 100/6). На экране монитора удлинение без масштаба обозначено dℓ, так как на клавиатуре нет знака ,а в масштабе – dℓm.
Рис. 8.5. Машинная (первичная) диаграмма растяжения
пластичного материала с площадкой текучести
Начальный криволинейный участок диаграммы не учитывают, так как он образуется за счет выборки зазоров в узлах машины и местного обмятия головок образца в захватах, т. е. не характеризует свойств испытуемого материала. За начало координат диаграммы принимают точку пересечения оси абсцисс с прямой, проходящей через начальный участок диаграммы.
На диаграмме растяжения материалов можно выделить несколько характерных участков (рис. 8.5). Прямолинейный участок ОА соответствует упругой деформации образца. Дальнейшее возрастание нагрузки (участок АВ) приводит к появлению пластической (остаточной) деформации. Причем у некоторых материалов наблюдается интенсивная пластическая деформация при неизменной нагрузке (участок BB′). Такой участок диаграммы называется площадкой текучести. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести (см. рис. 8.8).
До максимальной нагрузки (рис. 8.5, точка C) происходит равномерная деформация образца по всей его рабочей части. А затем образец в наиболее слабом месте утончается (это место называется шейкой), и на участке СD идет пластическая деформация при снижении нагрузки. В точке D происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.
По диаграмме растяжения определяют характеристики механических свойств металла. Причем в качестве характеристики прочности принимают не нагрузку Р, а условное напряжение s, определяемое отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца Fо
.
По оси абсцисс откладывается относительное удлинение = Dℓ/ℓo(в о. е.) или = Dℓ/ℓo∙100 %. (Так как на клавиатуре нет буквы , то она заменена на букву E).
На рисунке 8.6 приведены диаграммы условного и истинного напряжений.
Диаграмма напряжений называется условной (приближенной), потому что напряжения найдены по начальной площади поперечного сечения образца Fо, и не учитывает уменьшения сечения (рис. 8.6а). Если в процессе испытания постоянно измерять диаметр образца и вычислять истиное напряжение с учетом сужения, то на этой диаграмме (рис. 8.6б) напряжение возрастает вплоть до разрыва образца.
В лабораторной работе рассматривается условная диаграмма напряжений (рис. 8.7). По этой диаграмме определяются основные характеристики прочности и пластичности.
Рис. 8.6. Диаграммы напряжений: а) условная; б) истинная
Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Рассмотрим основные характеристики прочности.
В области упругой деформации (участок ОА, рис. 8.5) зависимость между напряжением s и относительной деформацией пропорциональна и известна под названием закона Гука:
s = Е· ,
где Е – модуль Юнга или модуль нормальной упругости измеряется в МПа и характеризует жесткость материала. Чем выше Е, тем материал жестче, т. е. меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка.
Предел пропорциональности(sпц) − это напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает некоторого значения, установленного техническими условиями. В качестве технического условия обычно берут следующее: при напряжении sпц тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, увеличивается на 50 % по сравнению с линейным участком (более подробно определение основных показателей прочности и пластичности изложено в самой лабораторной работе).
Предел текучести (sт) – это напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки (рис. 8.7).
У большинства материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.
Рис. 8.7. Определение основных характеристик прочности
Условный предел текучести (s0.2) – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца
(рис. 8.9). Здесь отрезок OA равен 0,2 % от ℓo.
Рис. 8.8. Определение условного предела текучести s0.2
Предел прочности (временное сопротивление, sв)– это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (рис. 8.7).
Напряжение при разрыве (σк)–это напряжение,соответствующее моменту разрушения образца (рис. 8.7).
Показатели пластичности.Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки.
Выше уже была рассмотрена абсолютная (Dℓ) и относительная (ε) деформация под действием нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка (s < σ пц), то возникает только упругая деформация, и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . А если напряжение s > σ пц, то после снятия нагрузки разгрузка образца идет по прямой, параллельной упругой деформации OA (например, по прямой DF, рисунок 8.5). Отрезок OF соответствует остаточной деформации D образца. Относительное остаточное удлинение в этом случае определяется как
d = .
Источник