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.

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80) проводятся по двум схемам:

 

1. Сосредоточенной  нагрузкой, приложенной в середине  пролета (рис. а). В этом случае наибольший изгибающий момент:

М_изг =P l /4,

где Р – изгибающая нагрузка; l – расстояние между опорами, на которых установлен образец. 

 

2. Двумя равными симметрично приложенными (на равных расстояниях от опор) сосредоточенными нагрузками, создающими на определенном участке чистый изгиб (рис. б). Расстояние от опоры, а целесообразно принимать равным 1/3 расчетной длины образца.

При чистом изгибе М_изг =Pa/2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При испытаниях на изгиб  можно подсчитать напряжения, соответствующие различным нагрузкам, а также определить стрелу прогиба образца f. Это определение проводится либо по кривой, полученной на диаграммном приборе машины, либо с помощью специальных приборов – прогибомеров.

На рис. 2 представлены типичные диаграммы изгиба для пластичных (рис. 2 а), малопластичных (рис. 2 б) и хрупких (рис. 2 в) материалов.

При изгибе хрупких  материалов максимум нагрузки часто  совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровождается резкими перегибами на ниспадающей ветви диаграммы.

Предел прочности  при изгибе в этом случае σ_изг = M_изг/W, где W (момент сопротивления) – геометрическая характеристика поперечного сечения бруса, показывающая сопротивляемость бруса изгибу в рассматриваемом сечении.

Для образцов круглого сечения W= π d³/32, где d – диаметр образца. Для образцов прямоугольного сечения со сторонами b и h W=bh²/ 6, где h – высота бруса.

При изгибе можно  определить пределы пропорциональности, упругости и текучести с точным замером деформаций.

Величина  прогиба f_разр характеризует пластичность; она зависит от материала, длины образца, момента инерции, от отношения высоты к ширине и способа приложения нагрузки.

 

При чистом изгибе величина прогиба зависит от соотношения длин участков а и b (рис. 2 б).

При изгибе устраняется  важный недостаток испытаний на растяжение (сжатие) – влияние перекосов  при установке образцов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Диаграммы изгибов:

 

а – пластичный  материал;

б – малопластичный;

в  – хрупкий.

 

 

Удельная работа распространения трещины (УРРТ). Хрупкое разрушение

 

Хрупкое разрушение металлов наиболее сильно проявляется при  ударных нагрузках. Поэтому большинство  методов для оценки сопротивляемости металла хрупким разрушениям основано на применении удара. Распространено испытание основного металла, металла шва и зон сварных соединений на ударный изгиб призматических образцов с надрезом r = 1 мм. В многослойных швах возможна неоднородность свойств по высоте поперечного сечения вследствие различных условий охлаждения металла и сегрегации вредных примесей по мере укладки отдельных слоев. Соответственно образцы изготавливают из корневой, средней и верхней частей шва. В однопроходных швах на сопротивляемость металла шва хрупкому разрушению оказывает влияние направление кристаллитов, сформировавшихся в процессе кристаллизации. Наиболее слабым участком обычно является ось шва. Располагая надрез по оси шва, свойства металла определяют по работе разрушения при движении трещины по направлению сварки либо в противоположном направлении. При оценке зоны термического влияния на сопротивляемость хрупкому разрушению надрезы располагают с небольшим шагом, чтобы можно было проследить изменение свойств металла в зависимости от температуры сварки (от линии сплавления к зонам, нагревавшимся до температур 200 – 300 0С).

 

Полную работу разрушения, состоящую из работы изгиба образца Ази работы распространения трещины по поперечному сечению Ар, относят к площади ослабленного сечения, в результате чего находят ударную вязкость ан. Испытания проводят для определения ан металла при температуре эксплуатации, а также для определения порога хладноломкости металла, т.е. температуры, при которой ан составляет 2,5·105 – 3·105 Дж/м2. Принято считать, что для многих конструкций величина ан должна быть не ниже 2,5·105 – 3·105 Дж/м2, хотя данная оценка является условной. Существуют примеры, когда при статических нагрузках и отсутствии острых концентраторов успешно работают детали при ан ниже 2,5·105 Дж/м2 и, напротив, есть конструкции с ан, превышающим 3·105 Дж/м2, и работающие неудовлетворительно. Данное явление можно объяснить наличием в конструкции мест, от которых может начаться разрушение. В этом случае сопротивляемость конструкции хрупкому разрушению зависит в основном от удельной работы распространения трещины ар, которая может быть весьма малой даже при ан = 3·105 Дж/м2. По этой причине необходимо использовать методы испытаний, позволяющие определить ар. Существует два пути:

 

1. разделить полную удельную работу ан на составляющие аз и ар;

 

2. сделать остроту  надреза такой, чтобы аз была крайне малой по сравнению с ар, тогда ан = ар.

 

При таких неопределенных требованиях к ар по количественному уровню считается достаточным найти температурный интервал Т1 – Т2, при котором величина ар резко снижается от стабильного для данного металла уровня (рис. 7.1,а). Установлено, что этому резкому снижению ар соответствует также изменение процента волокнистости излома в сечении разрушенного образца в том же температурном интервале (рис. 7.1,б). Поэтому можно устанавливать критические температуры изменения ар по соотношению площади кристаллического и волокнистого изломов в сечении образца. Рекомендуется критическую температуру определять при 50 % волокна в изломе. Верхним порогом хладноломкости принято считать температуру, при которой полностью исчезают в изломе образца хрупкие участки. Определение критической температуры возможно также исходя из условия, когда средние разрушающие напряжения достигают значения предела текучести. Необходимо отметить, что значения критических температур существенным образом зависят от размеров опытного образца (увеличение размеров приводит к смещению Ткр в область более высоких температур).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для оценки качества сварных соединений при низких температурах и ударных нагрузках разработаны различные специальные методы испытаний. В частности, Институтом электросварки им. Е.О. Патона предложен образец (рис. 7.2), ребро которого состоит из двух частей, приваренных угловыми швами к целой пластине. Наличие узкой щели в ребре приводит к концентрации напряжений, а процесс сварки создает ряд дополнительных неблагоприятных влияний, связанных с наличием концентратора. При растяжении до определенного напряжения и дополнительном ударе со стороны, противоположной ребру, образцы разрушались. 
К специальным методам испытаний можно также отнести метод Робертсона, позволяющий выявить зависимость между температурой испытаний, величиной ударной нагрузки и характером излома.

В пластине с характерной  геометрией (рис. 7.3) предусмотрен концентратор каплевидной формы. При приложении растягивающего усилия определенного уровня в месте наличия концентратора наносится удар, при этом область образца с концентратором предварительно охлаждена, а противоположная область нагрета. Каплевидная форма концентратора позволяет прогнозировать направление движения трещины. По мере движения из области низких в область высоких температур трещина останавливается. По результатам испытаний определяют область критических температур, а именно первую и вторую критические температуры. Величина второй критической температуры зависит от коэффициента концентрации напряжений, характера приложения нагрузки, среды, наличия собственных остаточных напряжений. В случае расположения концентраторов в зонах пониженной вязкости: Ткр2>Ткр1.

 

Испытания образцов при ударе свидетельствуют  о существенном влиянии состояния  и свойств зоны, где ожидается  начало разрушения, на прочность конструкции  в целом. Если основной металл при температуре испытания имеет свойства, при которых возможны хрупкие и квазихрупкие формы разрушения, то зона начала разрушения имеет решающее значение для прочности конструкции. Если основной металл разрушается вязко, то отрицательное влияние хрупких зон и концентраторов ослабевает. Начавшееся разрушение останавливается, входя в вязкий основной металл.