Теоретические основыиспытания материалов на растяжение

 

Действие силы вызывает деформацию твердого тела, и в нем возникают напряжения. Напряжение является удельной величиной и определяется как отношение силы, действующей на тело, к площади его сечения:

σ = F/A₀, (Па, МПа),

 

где F – сила, A₀ – площадь поперечного сечения образца, м²; (рис. 5.7).

A₀ = πd₀²/4, d₀ – начальный диаметр образца, м;

Напряжение в системе СИ выражается в Н/м² или МН/м², т.е. МПа. На практике может быть использована размерность кгс/мм², (1 кгс/мм² = 9,81 МПа);1кгс = 9,8 Дж; 1 кгс/см² = 0,1МПа; 1МПа = 1000000 Па;1 Па = 1Н/м²; 1 МПа = 1Н/мм² = 10 кгс/см².

В общем случае сила не перпендикулярна площадке, на которую она действует. Тогда ее, как и любой вектор, можно разложить на две составляющие: нормальную (перпендикулярную к площадке), создающую нормальное напряжение:

и касательную, действующую в плоскости площадки и вызывающую касательное напряжение (рис. 5.8):

 

 

Рис. 5.7. Схема нормальных сил Рис. 5.8. Схема составляющих сил

В механических испытаниях определяют именно эти напряжения. Их же используют при определении усилий, необходимых для обработки металлов давлением и при расчетах деталей на прочность. Это связано с тем, что одни процессы при деформировании и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза), а другие – нормальными (разрушение отрывом).

Нормальные напряжения делят на растягивающие и сжимающие. Под действием механических сил твердое тело деформируется. Деформацией в механике называется процесс изменения взаимного расположения каких-либо точек твердого тела. Деформация может быть обратимой (упругой), исчезающей после снятия нагрузки, и необратимой – остающейся после снятия деформирующего усилия. Необратимую деформацию называют пластической или остаточной. При определенных условиях нагружения деформация может закончиться разрушением.

Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий.

Рис. 5.9. Схема процесса деформации

Даже незначительное усилие вызывает упругую деформацию, которая в чистом виде наблюдается только при нагрузках до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от нагрузки и упругим изменениям межатомных расстояний. При нагрузках выше точки А в отдельных зернах металла, ориентированных наиболее благоприятно относительно направления деформации, начинается пластическая деформация. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает и увеличение упругой, и пластической деформации (участок АВ). При нагрузках точки В возрастание упругой деформации прекращается. Начинается процесс разрушения, который завершается в точке С.

Механические свойства материалов: прочность, твердость, пластичность, вязкость, упругость определяются при различных условиях нагружения и разных схемах приложения усилий. Широко распространено испытание материалов на растяжение, по результатам которого можно определить в частности показатели прочности и пластичности материала.

Прочность – это способность материала сопротивляться пластической деформации под действием внешних нагрузок.

Пластичность – это способность материала проявлять, не разрушаясь, остаточную деформацию.

Вязкость – способность материалов поглощать энергию развиваемых в нем трещин,а также способность поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Показатели прочности

Сопротивление малым пластическим деформациям характеризуют предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести.

Предел пропорциональности σ_пц –напряжение, до которого материал деформируется строго упруго, то есть соблюдается закон Гука σ=Еε, где Е - модуль упругости (модуль Юнга. Это структурно нечувствительная величина).

σ_пц =F_А /A₀,

где F_А – нагрузка, при пределе пропорциональности.

Предел упругости σ_у– наибольшее напряжение до которого в материале не обнаруживается признаков пластической деформации;

 

σ_у =F_у/A₀,

 

Физический предел текучести σ_т – это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки:

 

σ_т = F_Т/A₀,

 

Если на кривой деформации отсутствует четко выраженная площадка текучести (рис. 6.2, а), то определяют условный предел текучести.

Условный предел текучести σ_0,2 – это напряжение, при котором остаточное удлинение (необратимая пластическая деформация) составляет 0,2% длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Сопротивление значительным пластическим деформациям (для пластичных материалов) характеризуется пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление) σ_в – это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрыву образца:

σ_в =F_В/A₀,

где F_В – нагрузка, соответствующая точке В;

Показатели пластичности

Относительное удлинение после разрыва δ– это отношение приращения расчетной длины образца (l_к – l₀) после разрушения (рис. 6.) к начальной расчетной длине l₀, выраженное в процентах:

 

Для определения длины расчетной части l_к после разрыва части образца плотно прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между метками, которые ограничивали начальную расчета длину.

Рис. 6. Круглый образец после испытания на растяжение

 

Относительное сужение ψ – это отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения в шейке образца (F₀ – F_к) к начальной площади сечения F₀, выраженное в процентах:

 

где F₀ и F_к – площади поперечного сечения образца до и после испытания соответственно.

Для проведения испытаний используются следующие образцы (рис. 6.1):

 

 

Рис. 6.1. Образцы для испытаний:а – круглый образец; б – плоский образец. L – общая длина; l – рабочая длина; l₀ – начальная расчетная длина; d₀– диаметр образца до испытания; а – толщина; b – ширина; R – радиус скругления.

 

Диаграмма растяжения

 

Вид диаграммы растяжения зависит от природы материала и от его структурного состояния (см. рис. 6.2).

 

Рис. 6.2. Виды диаграмм растяжения различных материалов:

а – для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом из упругой области в пластическую (медь, бронза, легированные стали);б – для некоторых металлов в пластичном состоянии со скачкообразным переходом в пластическую область (малоуглеродистая сталь, некоторые отожженные бронзы);в –для хрупких материалов (чугун, стекло, закаленная и неотпущенная сталь, силумин).

Рассмотрим стадии растяжения малоуглеродистой стали (рис. 6.2, б).

Вначале до точки А зависимость между нагрузкой и удлинением изображается прямой линией, т.е. наблюдается прямая пропорциональность между удлинением и нагрузкой. Интенсивность возрастания нагрузки с ростом удлинения характеризует жесткость материала.

Ордината точкиА соответствует нагрузке при пределе пропорциональности Р_пц. До предела пропорциональности в образце возникают только упругие деформации. При дальнейшем растяжении образца начинается заметное отклонение линии от первоначального направления, приводящее в случае малоуглеродистой стали к появлению на диаграмме горизонтального или почти горизонтального участка. Это означает, что образец удлиняется без заметного возрастания растягивающей нагрузки. Материал как бы течет, поэтому нагрузка Р_т, соответствующая горизонтальному участку (точка В) называется нагрузкой при пределе текучести.

В период течения в образце происходит пластическая деформация, возрастает количество дислокации и других дефектов. В результате этого металл упрочняется. Поэтому при дальнейшем растяжении нагрузка вновь начинает увеличиваться и достигает значения Р_мах, соответствующего ординате максимально удаленной точки С на кривой растяжения. При нагрузке Р_мах деформация образца локализуются, начинает образовываться шейка – местное уменьшение сечения. Нагрузку Р_мах называют нагрузкой на пределе прочности, или нагрузкой временного сопротивления. При нагрузке, соответствующей точке К, происходит разрыв образца.

Нагрузки Р_пц, Р_т, Р_мах и т.п. являются характеристиками данного образца. Свойства же материала характеризуют другими показателями.

 

Испытательная машина на растяжение

Рис. 6.3. Общий вид испытательной машины: 1 – место установки образца (кулачки); 2 – вращающийся винт; 3 – рукоятка переключения передач (используется 3 передачи); 4 – шкала динамометра; 5 – место выхода динамограмм.

 

Машина имеет диаграммный аппарат (рис. 6.4), позволяющий записывать при испытании кривую деформации в координатах «сила – деформация».

 

Рис. 6.4. Круговая шкала и диаграммный аппарат

 

Машина УММ-5 имеет электромеханический привод (1) подвижного захвата (2), скорость перемещения которого может быть установлена с помощью рычага коробки скоростей.С неподвижным захватом (3) связан рычажно-маятниковый силоизмеритель (4).Возрастание усилия в верхнем неподвижном захвате (3) вызывает соответствующее отклонение маятника (5), происходит уравновешивание. Величина усилия показывается стрелкой на круговой шкале (6).

 

Рис. 6.5. Схема испытательной машины УММ-5

 

Контрольные вопросы

 

1. Что называется пределом текучести и пределом прочности?

2. Какие механические свойства материала можно определить по диаграмме растяжения?

3. На какой испытательной машине выполняется работа?

4. Какой применяется образец?

5. Как проводится нулевая линия и оси координат на диаграмме растяжения?

6. Как определяют предел текучести, если на диаграмме растяжения имеется участок, параллельный оси удлинения?

7. По какой величине относительного остаточного удлинения определяют условный предел текучести?

8. Как определяют условный предел текучести по диаграмме растяжения?

9. На какую площадь сечения образца нужно делить максимальную нагрузку, которую выдержал образец до разрушения, при определении предела прочности?

10. Для какого участка диаграммы растяжения справедлив закон Гука?

11. Как изменяются свойства материала, если он подвергался предварительной вытяжке за предел текучести?

Литература

1. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы, задачи. М.: Металлургия, 1984.

2. Арзамасов Б.И. Материаловедение технология конструкционных материалов. М: Издательский центр «Академия», 2007.

3. Сироткин О.С. Теоретические основы общего материаловедения, Казань КГЭУ, 2007, 348с.

4. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

 

Лабораторная работа № 6.

 

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА КРУЧЕНИЕ

Цель работы

Изучить методику определения предела прочности при кручении и исследовать характер разрушения образца.

Рабочее задание

1. Вычислить условный предел прочности при кручении;

2. Построить диаграммы кручения образцов;

3. По характеру поломки образца определить причину разрушения (имел ли место при разрушении сдвиг или отрыв материала) т.е. выявить, какие напряжения для данного материала опасны.

 

Оборудование и материалы

Виртуальный лабораторный комплекс, испытательная машина КМ-50-1.

Проведение испытания

Последовательность действий следующая:

1. Взять образец со стола.

2. Установить образец в испытательную машину. Взять образец в руки, применить его к любому кулачку КМ-50-1, образец должен исчезнуть. Далее (рис. 6.1) нужно ручку захвата (1) повернуть по часовой стрелке на 30°, при этом вращении плашка (2) будет совершать движение от вас, а плашка (3) движение к вам. В результате этого движения расстояние между плашками (2) и (3) несколько увеличится. В таком положении захватов между кулачками появляется образец, и ручка (1) совершает движение против часовой стрелки. Плашки сходятся и образец зажимается.

3. Включить КМ-50-1. Повернуть тумблер (2) (рис. 6.2) в положение «вкл».

 

Рис. 6.1. Работа захвата

 

Рис. 6.2. Пульт управления и индикаторные приборы.

4. Нажать кнопку «ПУСК» (1). Образец начнет закручиваться. На шкале отобразится напряжение.

Одна стрелка связана с процессом и показывает данные процесса, а вторая стрелка приводится в движение первой. Смысл второй стрелки - показать максимальное зафиксированное значение, то есть когда первая шкала укажет максимум, а потом пойдет на понижение, вторая шкала останется на максимуме. Ручное управление второй стрелкой осуществляется при помощи рукоятки в центре.

Из отверстия динамографа начнет выходить диаграмма (рис 6.3).

Рис. 6.3. Пример диаграммы зависимости угла закручивания от прилагаемого момента.

5. После проведения опыта образец разрывается. КМ-50-1 автоматически выключается. Необходимо извлечь сломанный образец и положить его на стол.

6. Извлечь диаграмму процесса. Диаграмму положить на стол и увеличить (клик левой клавишей мыши).

7. Установить шкалы и пассивную стрелку на ноль.

8. По соответствующим шкалам последовательно зафиксировать угол закручивания j и соответствующее ему значение крутящего момента Мк вплоть до разрушения образца.

9. По полученным значениям построить диаграмму кручения образца.