ГлавнаяРазноеИспытание металлов на растяжение

Испытание на статическое растяжение ("the static tensile test"). Испытание металлов на растяжение


Литейные заводы России

Что такое «испытание металлов на растяжение«? Проведем простой опыт. Возьмем маленькую пружинку, например, такую, какие применяют в шариковых ручках. Плавно растянем ее немного и отпустим. Пружинка вернется к своей первоначальной длине. Повторим опыт, но на этот раз потянем пружинку посильнее. Сначала пружинка будет равномерно удлиняться с увеличением усилия, а затем вдруг начнет удлиняться значительно быстрее. Отпускаем пружинку — она уже не возвращается к исходной длине. Пружинка получила необратимое увеличение своей длины и уже не годится для прежнего применения.

Испытание на растяжение

Давным-давно инженеры разработали аналогичное испытание – испытание на растяжение – для оценки механических свойств металлов. Образец металла, часто круглый стержень (бывает и прямоугольный), растягивают на специальной машине. Требования к проведению испытания на растяжение для металлов, а также требования к образцам для испытания на растяжение определяет ГОСТ 1497-84. ГОСТ 7564-97 задает правила вырезки образцов для испытаний на растяжение из готовой продукции или полуфабрикатов.

Разрывная машина

Для испытаний металлов на растяжение применяют специальные машины. Такие машины называют «разрывная машина» или «машина для испытания на растяжение». Эти машины обеспечивают надежное центрирование образца в своих захватах, плавность нагружения образца при растяжении и его разгрузки, медленную скорость упругого и пластического деформирования образца. Нагрузка  прилагается вдоль оси стержня, как это схематически показано на рисунке. Требования к разрывным машинам определяет ГОСТ 7855-84.

diagramma-rastyazheniya

Рисунок — Диаграмма деформирования при испытании металлов на растяжение

При испытании на растяжение с увеличением усилия растяжения стержень становиться все длиннее и это изменение длины обозначают как Δl, где знак Δ обозначает «изменение, приращение», а l – начальную длину образца. Понятно, что сила F величиной 50 кГ, приложенное к каждому из двух различных  стержней – тонкому и толстому — из одинакового материала даст им различное увеличение длины. Тонкий стержень растянется, естественно, больше.

Напряжения

Чтобы сравнивать механические свойства материалов независимо от диаметра образцов применяют понятие «напряжение», который означает попросту величину усилия, поделенную на площадь поперечного сечения образца. Когда к тонкому и толстому стержню прилагаются одни и те же напряжения, они оба удлиняются на одну и ту же величину. Понятно, что при этом усилие, прилагаемое к толстому стержню, будет больше чем усилие, прилагаемое к тонкому стержню – больше как раз во столько же раз, во сколько площадь его поперечного сечения больше площади поперечного сечения тонкого стрежня. Поскольку напряжение – это усилий на единицу площади, то единицей его измерения является Н/мм2 или кГ/мм2 (кгс/мм2), где Н – это ньютон, единица измерения силы в системе измерения СИ. Десять ньютонов равны одному килограмму (точнее 1 Н = 9,8 кГ(кгс)).

Диаграмма деформирования при испытании на растяжение

Когда при испытании на растяжение стержень растягивают вдоль его оси, то прилагаемые усилия называют «растягивающие усилия», а машину, которая  вызывает эти усилия – «разрывная машина» или «машина для испытания на растяжение». На рисунке показана типичная диаграмма деформирования, которую получают при испытании металлов на растяжение. Прилагаемое напряжение откладывается по вертикальной оси. Изменение длины образца откладывается по горизонтальной оси, но не в единицах длины, в относительных единицах  Δl/l, как это показано на рисунке 1. Эта единица называется «деформация». Диаграмму деформирования при испытании на растяжение чаще называют  «диаграмма растяжения».

Диаграмма растяжения

С помощью диаграммы растяжения ГОСТ 1497-84 задает определения механическим свойствам металлов: предел пропорциональности, предел текучести (физический и условный), временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение. Ниже кратко рассмотрим самые важные из них.

Упругий участок диаграммы растяжения

Диаграмму растяжения можно разделить на две области, как это показано на рисунке 1 – упругая область и пластическая область. Когда напряжение в металлическом стержне увеличивается, стержень удлиняется, также как и пружинка. Говорят, что в стержне возникают деформации.  До тех пор, пока эти напряжения и деформации не слишком велики, снятие нагрузки на стержень возвращает его к первоначальной длине. Эти деформации называют упругими.

Предел текучести

В конце упругого участка диаграммы растяжения напряжения в стержне достигают некоторого критического уровня, который называют «предел текучести», металл «сдается», точно также как и пружинка, описанная выше. Деформирование образца переходит в пластическую область диаграммы деформирования.

Временное сопротивление

При испытании металлов на растяжение на пластическом участке диаграммы растяжения – после прохождения предела текучести наблюдаются два важных явления:1) для продолжения деформации образца для заданного приращения  деформации требуется меньшее увеличение напряжения, чем в упругой области;2) при разгрузке образца — снятии напряжений — в образце остается остаточное, необратимое удлинение стержня как показано линией со стрелкой АВ.  Стержень нагружается до точки А, а затем нагрузка снимается: стержень удлинился от своей первоначальной длины на величину процентов, которые вычисляется как В×100.  Как показано на рисунке увеличение напряжения, которое требуется для продолжения пластической деформации достигает максимума в пластической области и затем немого падает перед тем как напряжения разрывают стержень на две части. Это максимальное напряжение обычно называют «временное сопротивление» или чаще – «прочность при растяжении».

Относительное удлинение

Кроме предела текучести и временного сопротивления диаграмма деформирования дает еще одну меру механических свойств металла – «относительное удлинение». Относительное удлинение характеризует пластические свойства металла. Относительное удлинение – это увеличение длины образца, которое происходит после прохождение предела текучести и до самого разрушения стержня. Его иногда называют остаточным удлинением, так оно остается в образце после его разрушения и его можно легко измерить. Остаточное удлинение образца на рисунке после того, как упругие деформации релаксировали, обозначено точкой С. Простым умножением деформации в точке С на 100 получаем величину относительного удлинения образца.

 

otlivka.info

Контроль структуры и свойств металла

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механи­ческие испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).

 

Статические испытания  проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет от 10-4 до 10-1 с-1. Статические испытания на растяже­ние относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

 

Динамические испытания  характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность ис­пытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации состав­ляет около 102 с-1. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

 

Циклические испытания  характеризуются многократными измене­ниями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний явля­ются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, который образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

 

Испытания на твердость.

Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скоро­сти приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по спо­собу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы опреде­ления твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

 

Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы ис­пытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и не­которые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандарт­ных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

 

Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75)  устанавливают путем вдавли­вания в металл индентора - алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение 10-15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов - от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов - от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле

 

HV = 1,854*P/d2

 

где Р - нагрузка, кгс; d- диагональ отпечатка, мм.

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и дли­ны диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм2, Н/мм2 или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.

 

По методу Бриннелля  вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и др. (ГОСТ 9012-59, рис. 1.). Полученный круглый отпечаток на образце измеряют под лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.

 

Твердость НВ - это также величина напряжений сопротивления вдавливанию:

 

HB=P/Fot=P/πDt=2P/πD(D-√(D2-d2))

 

где P- нагрузка, кгс;

Fot- площадь отпечатка, мм2;

t- глубина сегмента отпечатка;

D- диаметр шарика, мм;

d- диаметр отпечатка, мм.

 

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм2, например, твердость алюминиевого спла­ва равна 70 НВ. При нагрузке, определяе­мой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при на­грузке 3000 кгс, диаметре шарика 10 мм, диаметре отпечатка 4,2 мм или, учитывая коэффициент перевода: 1 Н = 9,8 кгс,

НВ = 2 028 МПа.

 

 

Рис. 1. Схема определения твердости по Бринеллю

 

По методу Роквелла  (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В на­стоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Ро­квелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок - предвари­тельной Р0 и основной Р1 которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р0 + Р1 После выдержки в течение нескольких секунд ос­новную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предва­рительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно де­ление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Рок­велла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным ко­нусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

HRC= t/0,002=100-(H-h)/0,002

 

По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик)

HRB = 130-(H-h)/0,002

 

 

Рис. 2. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор - конус)

 

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной на­грузкой.

 

Испытание на растяжение  материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20 °С пределов пропорциональности, уп­ругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного уд­линения и относительного сужения, модуля упругости.

Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, выре­занные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регла­ментированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому по­добию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l0 и исходного диаметра d0 : l0= 5d0- короткий образец, l0= 10d0 - длинный образец. Для плоского образцаберется соотношение рабочей длины l0 и площади поперечного сечения F0:

l0= 5,65√F0 - короткий образец, l0= 11,3√F0  - длинный образец. Цилиндри­ческие образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l0  и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Цилиндрические и плоские образцы до (а) и после (б) испытания на растяжение

 

 

Растяжение образца проводят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис. 4), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и абсолютное удлинение образца А, мм.

 

 

Рис. 4. Первичная диаграмма растяжения

 

Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испы­таний на растяжение (рис.4), определяют следующие параметры механиче­ских свойств материалов:

σ пц- предел пропорциональности, точка р;

σ 0,05 - предел упругости, точка е;

σ т - предел текучести физический, точка s;

σ 0,2- предел текучести условный;

σ в - временное сопротивление разрыву, или предел прочности, точка b.

 

Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и текучести соответ­ствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от l0 при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F0 рабочей части испытуемо­го образца:

σпц=Pпц / F0 ; σ0,05=P 0,05 / F0 ; σт=Pт / F0 , или σв=P max / F0 ;

 

 

Площадь поперечного сечение F0определяется по следующим формулам:

для цилиндрического образца

 

F0 = πd02/ 4

 

для плоского образца

 

F0 = a0*b0

 

где а0 - первоначальная толщина; b0 - первоначальная ширина образца.

В точке k устанавливают напряжение сопротивления разрушению материала.

Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помо­щью тензометра (прибор для определе­ния величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчи­тывают, находя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходи­мо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.5). Вначале находят величину остаточной деформации, рав­ную 0,2 % от l0, далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l0, и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы рас­тяжения, до пересечения с кривой растяжения.

 

 

Рис. 5. Определение предела текучести

 

Нагрузка P0,2 соответствует точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характери­зуют способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление малой пластической деформации.

Предел прочности можно подсчитать, используя показания силоизмерителя, по максимальной нагрузке Рmax при разрыве либо найти Рmax (Рв) по первичной диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.

Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σв для

хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных - характеристикой сопротивления деформации.

Напряжение разрушения определяют как истинное. При этом нагруз­ку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения FK:

 

Sк=Pк/Fк

 

Все рассчитанные таким образом величины являются характеристи­ками прочности материала.

 

Пластичность, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют следующие характеристики пластичности:

относительное удлинение

 

δ=(lk-l0)/ l0*100%

 

относительное сужение

 

Ψ=(F0к-F)/ F0*100%

 

где lк, Fк — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сече­ния образца после разрыва.

Рассчитанные характеристики механических свойств после испытания на растяжение заносятся в протокол.

 

Испытания на ударный изгиб.

Ударная вязкость  характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надре­зом. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и уста­навливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентрато­ром напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затра­ченную при ударе К, или ударную вязкость КС.

Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2x2 мм (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Стандартный образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

 

На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает дви­гаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, за­трачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца Soв месте излома и тем самым находят КС - ударную вязкость:

 

KC = K/S0,

 

где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S0— в м2 (см2).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается

KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м2 (МДж/см2) или кгс*м/см2.

 

 

 

markmet.ru

Испытание металлов на растяжение

Испытание металлов на растяжение - страница №1/1

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с проведением испытания на растяжение и определением показателей прочности и пластичности.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ:

Разрывная машина Р 0,5, штангенциркуль, мерительная линейка, набор проволочных образцов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.

Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения Fо и рабочей (расчетной) длиной lо строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение ∆l образца (рис. 1).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Рупр; равномерной пластической деформации от Рупр до Рmах и сосредоточенной пластической деформации от Рmах до Рк . Если образец нагрузить в пределах Рупр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Рупр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Рmах в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Рmах до Рк ,и при нагрузке Рк происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (∆lупр) исчезает, а пластическая (∆lост) остается (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма растяжения металла При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм2, или МПа (1кгс/мм2=10 МПа).

Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Рупр ,Рт, Рmах, Рк) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению. В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р0,2 (рис. 2).

Рис. 2. Участок диаграммы растяжения металла

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению.

Условный предел текучести (σ0,2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:

где Р0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение; равное 0,2 %, кгс (Н);

Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.

Временное сопротивление (предел прочности) σb – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

;

где Рmах– максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, кгс (H).

Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению.

Истинное сопротивление разрушению (Sk) – истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца

,

где Рк – нагрузка, непосредственно предшествующая моменту разрушения, кгс (Н).

Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм2.

Несмотря на то, что Рmах больше Рк , истинное сопротивление разрушению Sк > σb , поскольку площадь поперечного сечения образца в месте разрушения Fк значительно меньше начальной площади поперечного сечения Fо.

Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении (δр, %) и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца (Ψр, %).

Относительное остаточное удлинение (δр, %) определяется по формуле:

где lк – рабочая длина образца после испытания, мм;

lо – рабочая длина до испытания, мм.

Относительное остаточное сужение (Ψр, %) определяется из выражения:

,

где Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2;

Fк – площадь сечения образца вместе разрушения, мм2.

Практически для определения нагрузки, которая вызывает деформацию, соответствующую условному пределу текучести, следует выполнить следующие действия.

На диаграмме растяжения провести прямую ОА (рис. 2), совпадающую с прямолинейным участком диаграммы растяжения.

Определить положение точки О. Через точку О провести ось ординат ОР. Масштаб записи диаграммы по нагрузке: одному миллиметру ординаты соответствует 2 кгс нагрузки. Численная величина искомой нагрузки Р (кгс) равна соответствующей ординате диаграммы (мм), умноженной на масштаб диаграммы (2 кгс/мм).

Для определения нагрузки, соответствующей условному пределу текучести Р0,2, необходимо от начала координат по оси абсцисс отложить отрезок ОВ, величина которого равна заданному остаточному удлинению 0,2 %. Длина отрезка ОВ (мм) рассчитывается исходя

,

где lо – рабочая длина образца, мм;

М – масштаб записи диаграммы по деформации.

Из точки В провести прямую ВД, параллельную прямолинейному участку диаграммы растяжения (рис. 2), до пересечения с диаграммой.

Используя известный масштаб записи диаграммы по нагрузке, определить численные значения нагрузок Р02, Рmах, Рк , после чего рассчитать соответствующее напряжения: σ0,2 , σb , Sк. Полученные данные занести в протокол испытания.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ

Марка материала _______________

№ п/п Снимаемые параметры Обозначение Размер Численная величина

1.

2.

3. 4.

Исходные данные
Рабочая длина образца до испытания

Диаметр образца до испытания

Площадь поперечного сечения образца до испытания

Масштаб записи диаграммы по деформации

l о

dо

Fо

М

мм

мм

мм2

5. 6.

7.

8.

9.

10.
Результаты испытаний
Нагрузка, соответствующая пластическому удлинению образца на 0,2 %

Максимальная нагрузка при испытании

Нагрузка в момент разрушения

Диаметр образца в месте разрушения

Площадь поперечного сечения образца в месте разрушения

Рабочая длина образца после испытания

Р02

Рмах
Рк
dk

Fк

l к

кгс кгс

кгс

мм

мм2 мм

11.

12. 13.

14.

15.
Характеристика прочности и пластичности

Условный предел текучести

Временное сопротивление (предел прочности)

Истинное сопротивление разрушению

Относительное остаточное удлинение

Относительное остаточное сужение

σ0,2

σb

Sк

δр

ψр

кгс/мм2

кгс/мм2

кгс/мм2

%

%

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
  1. Название работы.
  2. Цель работы.
  3. Диаграмма растяжения (рис. 1).
  4. Определения основных характеристик прочности и пластичности.
  5. Протокол испытаний.
  6. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

  1. Какими механическими свойствами характеризуются конструкционные материалы?
  2. Что такое прочность?
  3. Что называется деформацией?
  4. Что называется упругой деформацией?
  5. Что называется пластической деформацией?
  6. Как влияет холодная пластическая деформация на прочность и пластичность?
  7. Какие характерные участки можно выделить на диаграмме растяжения?
  8. Почему пластическая деформация идет при возрастающей нагрузке?
  9. Что такое наклеп?
  10. Что такое напряжение?
  11. Почему различают истинные и условные напряжения?
  12. Что такое условный предел текучести, временное сопротивление и истинное сопротивление разрушению?
  13. Какие вы знаете характеристики пластичности?

polpoz.ru

Испытание металлов на растяжение | studentshop.ru

 

Испытания на растяжение позволяют получить достаточно полную информацию о механических свойствах материала. Для этого применяют специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы).

На рис. 2.6 представлена схема цилиндрического образца на различных стадиях растяжения. Согласно ГОСТ 1497–84, геометрические параметры образцов на растяжение должны отвечать следующим соотношениям: (где lо – начальная расчетная длина образца, f0 – начальная площадь поперечного сечения расчетной части образца). Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины l0 к начальному диаметру d0, т. е. l0/d0, называют кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5, 5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью 5.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины.

На рис. 2.7 представлена принципиальная схема типичной испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной нагружащий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах нагрузка (Р) – абсолютное удлинение образца (∆l) (рис. 2.8).

На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; участок АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС – также криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

В области упругой деформации (участок ОА) зависимость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца ∆l пропорциональна и известна под названием закона Гука:

P=k∆l, где  k=EF0/l0  – коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения F0 и длины l0) и свойств материала (параметр Е).

Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше E, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:

 где σ=P/F0 – нормальное напряжение; δ=∆l/l0 – относительная упругая деформация.

Наряду с модулем нормальной упругости Е существует модуль сдвига (модуль касательной упругости) G, который связывает пропорциональной зависимостью касательное напряжение τ с углом сдвига (относительным сдвигом) γ:

τ = Gγ.

Еще одним важным параметром упругих свойств материалов является коэффициент Пуассона μ, равный отношению относительной поперечной деформации (∆d/d0) к относительной продольной деформации (∆l/l0). Этот коэффициент характеризует стремление материала сохранять а процессе упругой деформации свой первоначальный объем.

От коэффициента Пуассона μ зависит соотношение между Е и G:

E/G = 2(l +μ).                                                                                            (2.1)

Как следует из уравнения (2.1), Е больше G, так как для смещения атомов отрывом требуется большее усилие, чем сдвигом.

Значения модуля нормальной упругости Е, модуля сдвига G к коэффициента Пуассона μ для некоторых материалов приведены в табл. 1.

Таблица  1

Значения модуля нормальной упругости Ж, модуля сдвига G и коэффициента Пуассона μ для некоторых материалов

 

Материал 

E, МПа 

G, МПа 

μ

Сталь 20 

210 000 

82031 

0,28 

Медь листовая 

113000 

42164 

0,34

Латунь

97000

34155

0,42

Цинк

82000

32283

0,27

Алюминий

68000

25564

0,33

Свинец

17000

5862

0,45

 

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может проявляться небольшой горизонтальный участок, который называют площадкой текучести АA' (см. рис. 2.8, а).

На этой стадии деформации в действие включаются новые источники дислокаций, происходит их спонтанное размножение и лавинообразное распространение по плоскостям скольжения. Макроскопическим проявлением этих процессов является образование на рабочей поверхности образца узких полос скольжения, получивших название линий Чернова–Людерса. Эти линии располагаются под утлом 45° к продольной оси образца по направлению действия максимальных касательных напряжений и отчетливо видны на его полированной поверхности. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца. На участке ОАВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, а на участке ВС деформация практически вся сосредоточена в зоне шейки.

При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются удельной величиной – напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим определение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.

Предел   текучести   (физический)   (στ, МПа) – это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

στ=Pτ/F0 где Pτ – нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 2.8, а).

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 2.8, б), то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Условный  предел  текучести (σ02, МПа) – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца: σ0,2=P0,2/F0, где P0,2 – нагрузка, соответствующая остаточному удлинению ∆l0,2=0,002l0.

Временное сопротивление (предел прочности) (σв, МПа) – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Pmax, предшествующей разрыву образца: σв=Pmax/F0.

Истинное сопротивление разрыву (Sk, МПа) – это напряжение, определяемое отношением нагрузки Pk в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва Fk: Sk=Pk/Fk , где F Fk=πdk2/4.

Показатели пластичности. Пластичность – одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластичности материалов.

Предельное равномерное удлинение (δp, %) – это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца ∆lр до нагрузки Рmax к ее первоначальной длине (см. рис. 2.8, а): δp=(∆lр/l0)100=[(lр-l0)/l0]100.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует предельное равномерное  сужение (ψр, %): ψp=∆Fр/F0)100=[(F0-Fp)/F0]100, где Fp=πdp2/4 – площадь поперечного сечения образца, соответствующая Pmax. Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить ψp=δp/(1+δp).

При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва (δ, %) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва ∆lk, к ее первоначальной длине: δ=(∆lk/ l0)100=[(lk-l0)/l0]100.

Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения l0 и f0, т. е. от кратности образцов. Чем меньше отношение l0/√ F0 и кратность образца, тем больше δ. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у δ указывает на кратность образца, например δ2,5, δ5,δ10.

Относительное   сужение   после   разрыва (ψ, %) – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва ∆ Fk к начальной площади поперечного сечения: ψ=(∆Fk/F0)100=[(F0-Fk)/F0]100.

В отличие от конечного относительного удлинения конечное относительное сужение не зависит от соотношения l0 и f0 (кратности образца), так как в последнем случае деформацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.

Диаграммы условных и истинных напряжений и деформаций. Протяженность первичных диаграмм растяжения вдоль осей координат Р и ∆l зависит от абсолютных размеров образцов. При постоянной кратности образца чем больше его длина и площадь поперечного сечения, тем выше и протяженнее первичная диаграмма растяжения. Однако если эту диаграмму представить в относительных координатах, то диаграммы для образцов одной кратности, но разных размеров будут одинаковы. Так, если по оси ординат откладывать условные напряжения σ, равные отношению нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения F0, а по оси абсцисс – условные удлинения δ, равные отношению абсолютного приращения длины образца ∆l к его начальной длине l0, то диаграмму называют диаграммой условных напряжений и деформаций (или просто условной диаграммой). На рис. 2.9, а схематически представлена условная диаграмма σ–δ. На этой диаграмме отмечены условный предел текучести σ0,2, временное сопротивление σв, конечное условное напряжение σk, условное предельное равномерное удлинение δр и условное относительное удлинение после разрыва δk.

Однако более объективную информацию можно получить, если диаграмму растяжения представить в других координатах: S–ε. Истинное напряжение S определяется как отношение текущей нагрузки Р к текущей площади поперечного сечения F (которое непрерывно уменьшается в процессе растяжения: S=P/F.

Истинное удлинение учитывает непрерывно изменяющуюся длину образца в процессе его растяжения, и поэтому е можно определить как сумму бесконечно малых относительных деформаций dl/l при переменном l:

Диаграмму в координатах S–ε называют диаграммой истинных напряжений и деформаций (или просто истинной диаграммой). На истинной диаграмме, как и на условной, можно найти характерные точки, соответствующие истинному пределу текучести S*0,2, истинному временному сопротивлению Sв, истинному сопротивлению разрыву Sk , а также истинному предельному равномерному удлинению е и истинному конечному удлинению εp, (рис. 2.9, б).

 

www.studentshop.ru

Лабораторная работа №1 испытание на растяжение

скачать Лабораторная работа №1 ИСПЫТАНИЕ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Введение Важное место среди механических испытаний занимают статические испытания на растяжение, при помощи которых можно судить о прочности, упругости и пластичности металлов и сплавов.

Прочность – это способность материала сопротивляться действию внешних сил без разрушения.

Упругость – это способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

Пластичность – это способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, и сохранять полученные деформации после прекращения действия внешних сил.

Статическим испытаниям на растяжение подвергают образцы стандартной формы и размеров на специальных разрывных машинах. Растягивающие усилия разрывной машины вызывают удлинение образца вплоть до его разрушения.

Образцы для испытания на растяжение состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления в захватах разрывной машины. На рабочей части образца отмечают начальную расчетную длину l0, которую определяют по формулам (1) и (2): для длинных образцов (1) для коротких образцов (2) где F0 – начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца до разрыва, мм2. При испытании цилиндрических образцов в качестве основных применяют образцы диаметром d0 = 10 мм.

Статические испытания на растяжение производят на разрывных машинах разных конструкций с различными мощностями. Основными частями разрывных машин являются: станина, механизм нагружения, силоизмерительный механизм, диаграммное устройство.

При статических испытаниях металлов на растяжение, кроме прочностных характеристик, определяется еще пластичность материалов. Это свойство проявляется в том, что под действием нагрузки образцы различных металлических материалов удлиняются и сужаются в разной степени. Чем больше образец способен удлиниться, а его поперечное сечение сужаться, тем пластичнее материал образца. Благодаря пластичности металлы можно обрабатывать давлением (ковкой, штамповкой, прокаткой).

Хрупкие материалы в противоположность пластичным разрушаются при статических испытаниях на растяжение без заметного удлинения, внезапно. Хрупкость относится к отрицательным свойствам. В технике применяются не только прочные, но и пластичные материалы.

При испытаниях металлов на растяжение пластичность определяется двумя взаимосвязанными характеристиками: относительным удлинением и относительным сужением. Эти характеристики рассчитываются по результатам замеров образца до и после испытания. Во время испытания образец удлиняется и уменьшается в поперечном сечении. 1 Описание лабораторной работы 1.1 Задание, цель работы. Приборы, материалы и инструмент 1.1.1 Задание

  1. Изучить порядок подготовки образца для испытания на растяжение, устройство разрывной испытательной машины, порядок проведения испытания;
  2. Провести испытание на растяжение образцов стали;
  3. Изучить методику определения по диаграмме растяжения, автоматически вычерченной на машине при испытании, нагрузок пределов пропорциональности и текучести; методику определения удлинения и сужения;
  4. Определить предел пропорциональности (δпц), предел текучести – физический (δТ) или условный (δ0,2), предел прочности (δВ), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ).

1.1.2 Цель работы Ознакомиться с проведением испытания на растяжение и определением показателей прочности и пластичности.

1.1.3 Приборы, материалы и инструмент Для проведения работы необходимо иметь разрывную испытательную машину, образцы для испытания на растяжение, штангенциркуль, микрометр 0–25 мм, линейку с делениями, бумагу для записи диаграммы.

1.2 Подготовка образцов для испытания Для испытания на растяжение применяют цилиндрические или плоские образцы (Рис. 1 и 2). По ГОСТ 1497-84 рекомендуется применять цилиндрические образцы диаметром 3 мм и более и плоские – толщиной 0,5 мм и более с начальной расчетной длиной или . Образцы с расчетной длиной называются короткими, а образцы с длиной – длинными. Применение коротких образцов предпочтительнее. При испытании цилиндрических образцов в качестве основных применяют образцы диаметром d0 = 10 мм. На рабочей части образцов не должно быть следов механической обработки, забоин и других дефектов; образцы должны быть без кривизны и закалочных трещин.

Перед испытанием измеряют поперечное сечение образцов (у цилиндрических – начальный диаметр рабочей части d0, а у плоских – начальную толщину рабочей части a0 и ширину b0).

Точность измерения цилиндрических образцов диаметром 10 мм и менее и плоских образцов толщиной 2 мм и менее – до 0,01 мм. Измеряют не менее чем в трех местах по длине рабочей части образца (в середине и по краям). Полученные наименьшие размеры записывают в протокол испытания, по ним вычисляют площадь поперечного сечения образца F0 (Рис. 2) и также записывают в протокол. Чтобы после испытания определить удлинение, измеряют начальную расчетную длину l0 образца с точностью до 0,1 мм и записывают в протокол испытания. Установленная начальная расчетная длина l0 ограничивается неглубокими кернами, рисками или иными метками. h – длина заготовки, при помощи которой образец закрепляется в захват машины; l0 – начальная расчетная длина образца; R – радиус закругления переходной части; d0 – начальный диаметр рабочей части плоского образца; a0 – начальная толщина рабочей части плоского образца; b0 – начальная ширина рабочей части плоского образца; L – общая длина образца. Рисунок 1 – Стандартные образцы для испытания на растяжение Рисунок 2 – Образцы для испытания на растяжение на машине ИМ-4Р

1.3 Устройство испытательной машины ИМ-4Р Машина ИМ-4Р (Рис. 3) имеет малые габариты и проста в обслуживании. Рисунок 3 – Разрывная машина ИМ-4Р Образец (на рисунке не показан) закрепляется головками в зажимах 1 и 2. Нижний зажим 1 соединен с винтом 13 нагружающего механизма. Верхний зажим 2 соединен с силоизмерительным механизмом, состоящим из рычага 3 и маятника 9.

При вращении электродвигателя 14 винт 13 начинает перемещаться вниз, в связи с чем усилие растяжения передается на оба зажима, образец и рычажно-маятниковую измерительную систему. Левый конец рычага 3 поднимается, маятник 9 отклоняется, при этом стрелка 8 перемещается по шкале 6, представляющую собой линейку с делениями, указывая действующую нагрузку, а перо 7 автоматически записывает на бумаге, намотанной на диаграммном барабане 5, кривую в координатах нагрузка-деформация. Вращение барабана 5 осуществляется при помощи двух пар зубчатых колес 4 и 12. Машина имеет две шкалы нагрузок: 0 – 40000 Н (когда на штыре маятника закрепляются два груза) и 0 – 20000 Н (когда закрепляется только один груз). Цена наименьшего деления шкалы: для 0 – 20000 Н составляет 50 Н, для 0 – 40000Н – 100Н.

Машина имеет два привода: электродвигатель, являющийся нормальным приводом, и ручной привод, который применяют редко, например, когда нагружение надо вести до строго определенной величины.

При работе с ручным приводом используют рукоятку 10, которую надо надеть на правый конец червяка 11. Кроме этого, надо выдвинуть кнопку, находящуюся на крышке коробки (на рисунке не показаны). Это делается для того, чтобы освободить червяк 11 от сцепления с осью червячного колеса 15. Вращением ручки по часовой или против часовой стрелки дают прямой (выгружение) или обратный (разгружение) ход.

При работе с электродвигателем рукоятка должна быть снята, а кнопка на коробке должна быть утоплена до упора. Прямой или обратный ход осуществляются переключателем.

2 Проведение испытания Для проведения испытания необходимо:

  1. Подготовленный для испытания образец поместить в зажимы машины;
  2. Включить электродвигатель;
  3. Наблюдать за перемещением стрелки 8 по шкале 6 (Рис. 3), зафиксировать крайнее правое положение, до которого дойдет стрелка 8, т.е. наибольшую нагрузку Рmax, предшествующую разрушению образца, и записать в протокол испытаний;
  4. После разрыва образца выключить электродвигатель, обе части образца вынуть из зажимов и снять с диаграммного аппарата часть бумажной ленты с записанной диаграммой.

3 Определение предела прочности (временного сопротивления) Предел прочности при растяжении (Па) определяют по формуле (3): (3)

и полученный результат записывают в протокол испытаний.

4 Методика определения по диаграмме растяжения нагрузок пределов пропорциональности и текучести 4.1 Диаграмма растяжения На диаграмме (Рис. 4) по вертикальной оси отложены величины нагрузок Р (Н), а по горизонтальной оси – величины абсолютных удлинений образца Δ l (мм).

Вначале, до точки Рпц, идет прямая линия. Это значит, что удлинения пропорциональны нагрузкам, прилагаемым к испытуемому образцу. Нагрузка, соответствующая точке Рпц, называется нагрузкой предела пропорциональности. До предела пропорциональности в металле возникают только упругие деформации. Если нагрузку удалить, то образец возвратиться в первоначальное состояние и никаких остающихся удлинений в образце обнаружено не будет.

При дальнейшем повышении нагрузки прямолинейность нарушается и прямая переходит в кривую, т.е. происходит нарушение пропорциональности между напряжением и удлинением, и в образце начинают возникать остаточные удлинения. Рисунок 4 – Диаграмма растяжения мягкой стали При растяжении образца низкоуглеродистой стали при повышении нагрузки выше Рпц начинается значительное отклонение кривой, которая затем переходит в горизонтальную или почти горизонтальную линию, что указывает на то, что в этот момент удлинение образца увеличивается без возрастания нагрузки. Материал как бы «течет», поэтому нагрузка, соответствующая горизонтальному участку на кривой, называется нагрузкой предела текучести (физический, РТ).

Если при растяжении образца не образуется горизонтальной площадки, то за нагрузку предела текучести принимают ту нагрузку, которая вызывает остаточное удлинение, равное 0,2% расчетной длины образца, и обозначают Р0,2 – нагрузка предела текучести (условный).

После предела текучести нагрузка начинает увеличиваться до максимума в точке Рmax. Наибольшая нагрузка Рmax соответствует пределу прочности (временному сопротивлению).

Дальше в образце начинает образовываться шейка (местное уменьшение сечения образца), нагрузка в связи с этим понижается; наконец при нагрузке, соответствующей точке Рк, происходит разрыв образца.

4.2 Определение нагрузки предела пропорциональности Провести прямую ОА (Рис. 5), совпадающую с прямолинейным участком кривой растяжения. Через точку 0 провести ось ординат ОР. Затем на произвольной высоте, но в упругих пределах кривой растяжения, провести прямую ВС, параллельную оси абсцисс. На прямой ВС отложить отрезок DE, равный половине отрезка DF. Через точку Е и начало координат провести прямую ОМ. Нагрузка предела пропорциональности Рпц определяется точкой касания к кривой растяжения прямой HJ, проведенной параллельно прямой ОМ. Нагрузку Рпц предела пропорциональности записывают в протокол испытаний.

Рисунок 5 – Определение по диаграмме растяжения нагрузки предела пропорциональности

Предел пропорциональности δпц определяют по формуле (4): (4)

и полученный результат записывают в протокол испытаний.

4.3 Определение нагрузки предела текучести

Рисунок 6 – Определение по диаграмме растяжения нагрузки предела текучести

Первый способ. При наличии на диаграмме растяжения ясно выраженной площадки текучести определяют нагрузку физического предела текучести (Рис. 6а). Нагрузку РТ физического предела текучести записывают в протокол испытаний.

Предел текучести (физический) δТ определяют по формуле (5):

(5)

и полученный результат записывают в протокол испытаний.

Второй способ. Если на диаграмме растяжения нет площадки текучести, то можно определить нагрузку Р0,2 условного предела текучести, для чего нужно провести прямую ОА (Рис. 6б), совпадающую с прямолинейным участком кривой растяжения. Через точку 0 провести ось ординат ОР. От точки 0 влево надо отложить отрезок ОВ, величина которого равна величине заданного остаточного удлинения, т.е. 0,2% от начальной расчетной длины образца (l0), увеличенного до масштаба диаграммы растяжения (например, в 100 раз, если диаграмма получена на машине ИМ-4Р с масштабом 100:1). Из точки В надо провести прямую ВС, параллельную прямой ОА. Точка D пересечения прямой ВС с кривой растяжения определит высоту ординаты, т.е. нагрузку Р0,2, соответствующую условному пределу текучести. Нагрузку Р0,2 условного предела текучести записывают в протокол испытаний.

Предел текучести (условный) δ0,2 определяют по формуле (6):

(6)

и полученный результат записывают в протокол испытаний.

5 Методика определения удлинения и поперечного сужения 5.1 Определение удлинения Для определения длины расчетной части образца после разрыва lк обе части образца после разрыва плотно прикладывают одну к другой. Если после испытания образца в месте разрыва образуется зазор, то он включается в длину расчетной части образца после разрыва. Длину lк образца после разрыва определяют измерением расстояния между кернами (рисками), ограничивающими расчетную длину образца.

Полученный результат длины lк образца после разрыва записывают в протокол. Относительное удлинение δ (%) вычисляют по формуле (7):

(7)

и полученный результат записывают в протокол испытаний.

5.2 Определение поперечного сужения При растяжении в месте разрыва образца образуется шейка, т.е. уменьшается поперечное сечение образца. Разность между начальной площадью поперечного сечения F0 образца и площадью поперечного сечения Fк в месте разрыва дает величину абсолютного сужения.

Начальная площадь поперечного сечения F0 известна. Чтобы получить площадь поперечного сечения Fк в месте разрыва круглого образца нужно диаметр образца в месте разрыва измерить в двух взаимно перпендикулярных направлениях и по среднему арифметическому вычислить площадь Fк. Чтобы получить площадь поперечного сечения Fк в месте разрыва плоского образца нужно измерить в месте разрыва наименьшую толщину n и наибольшую ширину m образца (Рис. 7).

Рисунок 7 – Сечение плоского образца в месте разрыва

Произведение n и m образца дает величину Fк. Полученный результат Fк образца записывают в протокол. Относительное сужение ψ (%) вычисляют по формуле (8):

(8)

и полученный результат записывают в протокол испытаний.

6 Правила техники безопасности при работе на оборудовании при испытании на растяжение

  • Проверить наличие и исправность инструмента, исправность оборудования;
  • ознакомиться с технической документацией предстоящей работы;
  • подготовить рабочее место: на рабочем месте не должно быть ничего лишнего, рабочее место должно содержаться в чистоте;
  • по окончанию работы выключить оборудование.

7 Контрольные вопросы

  1. Какие показатели механических свойств характеризуют прочность и пластичность материала при его растяжении?
  2. Как определяются прочность и пластичность, как обозначаются, в каких единицах выражаются?
  3. Почему испытания на растяжение называются статическими?
  4. Какие механические свойства металлов определяют при помощи этих испытаний?
  5. Какие образцы применяются для статических испытаний металлических материалов на растяжение?
  6. Назовите основные части разрывной машины и укажите их назначение.
скачать

nenuda.ru

Испытание на статическое растяжение ("the static tensile test")

Испытание на статическое растяжение ("the static tensile test") - основной вид испытания при экспертизе конструкционных сталей.

Наш век развития технологий уже невозможно представить без металла и металлических конструкций. Куда бы вы не бросили взгляд, везде будут объекты из металла. Но для того, чтобы что-то построить, это нужно спроектировать и рассчитать, заложив предполагаемые нагрузки в проект. После расчета и определения нагрузок в конструкции, подбирается металл, удовлетворяющий всем необходимым параметрам. Для определения прочностных и пластических характеристик во время экспертизы различный сталей и сплавов используют испытание на статическое растяжение.

Суть испытания заключается в подаче растягивающей нагрузки на стандартизированный образец до момента его разрушения. Образец представляет собой либо цилиндр, либо пластину с заранее определенными размерами. Концы образца зажимают в траверсах разрывной машины и начинают подавать нагрузку с постоянной скоростью до момента разрушения образца. Машина строит диаграмму зависимости нагрузки от удлинения образца. Испытательные машины варьируются по величине максимальной нагрузки. Компания "Металл-экспертиза" во время проведения экспертизы металлов использует для своих испытаний на статическое растяжение три типа машин - 5, 10 и 40 т.По диаграмме растяжения определяют следующие параметры: предел текучести, предел прочности, относительной удлинение и сужение.

Про относительное удлинение и сужение, думаю, всем понятно - это изменение длины и толщины образца после испытания, отнесенное к исходным значениям. Измеряется в %. Так для конструкционных сталей относительное удлинение будет составлять примерно 25%, для алюминия около 40%, для золота порядка 65%. А вот у серого чугуна этот параметр составляет 1-3%, что обусловлено его низкой пластичностью.

Предел прочности - это нагрузка на образец в момент разрыва, отнесенная к начальной площади сечения испытываемого образца, измеряется в кгс/мм2 либо в МПа.

А вот про предел текучести стоит рассказать более подробно. В самом начале растяжения образца, тот деформируется в упругой области, т.е. если снять нагрузку, образец вернется к исходным геометрическим размерам. Но как только нагрузка на образец превышает определенную величину, он уже не может упруго вернуться к начальным размерам - произошла пластическая деформация. Напряжение, при котором образец начинает пластически деформироваться, называется пределом текучести. Именно предел текучести закладывается проектировщиками в расчеты будущих конструкций, а не предел прочности, как многие могли бы подумать. По пределу текучести конструкционным сталям присваивается класс прочности. Так, например, если вы услышали, что в проекте используется сталь класса прочности 325, значит предел текучести данной стали должен быть не менее 325 МПа.

На данной фотографии представлен образец после испытания на статическое растяжение, хорошо видна локлизация пластической деформации, так называемая "шейка", которая образуется перед самым разрушением образца. Изначально образец деформируется пластически равномерно, но при росте нагрузки идет локализация деформации в наиболее слабом участке (под влиянием объемно-напряженного состояния идет отслоение неметаллических включений с образованием микропор, которые объединяясь укрупняются, что приводит к ослаблению сечения). Обычно "шейка" образуется в средней части расчетной длины образца, где наиболольшие напряжение при сложно-деформированном напряженном состоянии.

Более подробно про механизм пластической деформации поговорим в следующих статьях.

следующая статья>>>

metall-expertiza.ru

Механические свойства металлов и методы их испытаний

Механические свойства металлов.При эксплуатации на кон­струкции, детали или инструменты действуют различные внешние усилия (нагрузки). Все действующие нагрузки можно разделить на три группы:

а) постоянно плавно возрастающие и плавно уменьша­ющиеся;

б) ударные;

в) знакопеременные.

Под действием сил металл способен изменять свою форму и раз­меры, т. е. деформироваться.

 

 

Рис. 2. Виды деформаций стержня: а — растяжение;

б — сжатие; в — изгиб; г — кручение; д — срез

 

Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными). Упру­гие деформации исчезают после сня­тия нагрузки, а пластические остают­ся.

Величины деформаций зависят от значения действующих сил, а виды — от направления приложения сил. Наи­более часто встречаются следующие

основные виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез. На практике металл подвер­гается одному или нескольким видам деформаций в зависимости от прила­гаемых сил.

При выборе металла для изготовле­ния конструкций, деталей, инструментов исходят из его механических свойств. Механическими свойствами называется совокупность качеств, характеризующих способность металлов противостоять деформации при приложении сил. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, плас­тичность, твердость, вязкость, усталостная прочность (выносли­вость) и др. Чтобы определить механические свойства металла, его испытывают в лабораториях на специальных машинах.

Испытание металлов на растяжение.Испытание металлов на растяжение позволяет определить наиболее важ­ные механические свойства металлов: прочность, упругость и плас­тичность (рис.3).

 

Рис. 3. Диаграмма растяжения металлов:

а - пластичных; б - хрупких

Прочность — способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Упругость — способность метал­лов восстанавливать первоначальную форму и размеры после пре­кращения действия нагрузок, вызвавших их изменение. Пластич­ность— способность металлов необратимо изменять свою форму и размеры, не разрушаясь под действием нагрузок. Противоположным свойством пластичности является хрупкость.

Известно, что груз приложенный к металлическому стержню, вызывает в нем растягивающие напряжения, которые определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения стержня

σ = P/F,

 

где σ — напряжение, Па;

Р — нагрузка, Н;

F— площадь попереч­ного сечения, м2.

Сравнение прочности и упругости металлов проводят по величи­не предельных напряжений.

Прочность обычно определяется пределом прочности, который равен отношению максимальной (наибольшей) нагрузки, вызвав­шей разрушение стержня, к площади его первоначального попереч­ного сечения:

σ В= Рmах / Fо

 

где Рmах — максимальная нагрузка, Н;

Fо— площадь первоначаль­ного поперечного сечения стержня, м2.

Предел прочности, называемый также временным сопротивлени­ем, — важнейшая характеристика. Если напряжения в изделии, кон­струкции или инструменте превзойдут предел прочности, то они раз­рушаются.

Упругость оценивается пределом упругости, который равен от­ношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных дефор­маций стержня, к площади его первоначального поперечного се­чения

σуп = Руп/Fо,

 

где Руп — наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных де­формаций, Н.

Если напряжения в деталях превзойдут предел упругости, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия.

Пластичность металлов характеризуется относительным удлине­нием и относительным поперечным сужением.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины стержня после разрыва к его первоначальной длине:

ι - ι0

δ = ──────100

ι 0

где ι0 — первоначальная длина образца, мм;

ι— длина образца после разрыва, мм;

ι — ι0=۵ι — абсолютное удлинение, мм.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения стержня после разрыва к первона­чальной площади его поперечного сечения:

 

F0 - F

Ψ = ────── 100

F0

где Fо — первоначальная площадь поперечного сечения стержня;

F— площадь поперечного сечения стержня после разрыва, мм2;

Fо—F = ۵F — абсолютное сужение, мм2.

Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем пластичнее металл. У хрупких металлов эти величины незначитель­ны или равны нулю. Хрупкость металла является отрицательным свойством, а пластичность положительным.

Испытание металлов на растяжение проводят на разрывных ма­шинах, которые обеспечивают приложение к образцам статических, т.е. постоянных или плавно возрастающих нагрузок.

Хрупкие металлы (чугун, закаленная сталь и др.), работающие на изгиб, испытывают не только на растяжение, но и на изгиб. При этом определяют предел прочности на изгиб (σИЗГ) по соответствующим формулам. Испытания проводят на разрывных машинах, имеющих для этого специальные приспособления в виде двух опор, на которые укладывают образец. Посредине образ­ца создают равномерно повышающуюся нагрузку до его разру­шения.

Предел прочности на изгиб — важнейшая характеристика ме­таллов конструкций, работающих на изгиб. Испытанию на изгиб подвергают большинство судостроительных металлов.

Испытание металлов на твердость. Твердостью называется спо­собность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала.

В настоящее время применяют разнообразные методы испытания металлов на твердость. Наиболее распространены методы, при ко­торых в металл под действием статической нагрузки вдавливают специальный наконечник-индентор (шарик, конус или пирамиду). Эти методы называют по фамилии их авторов: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость определяют также ударным вдавливанием шарика (метод Польди) и методом упругой отдачи бойка (метод Шора).

Приближенно твердость можно оценить и по углублениям, ос­тавляемым чертилкой, кернером, зубилом и другими режущими ин­струментами. О твердости судят по глубине отпечатка, оставленно­го на металле наконечником или режущими инструментами. Чем больше глубина отпечатка при одинаковой нагрузке на внедряе­мый материал одинакового размера, тем меньше твердость и нао­борот.

Испытывая металл на твердость, можно просто и быстро опре­делить его механические свойства, причем не только в лаборатори­ях, но и на производстве. По величине твердости можно приближенно судить и о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости и т.п., а также обрабатываемости. Чем металл тверже, тем его труднее обрабатывать.

В зависимости от твердости выбирают металлы для изготовления тех или иных деталей, конструкций, инструментов. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания металлов на твердость.

Метод Бринелля заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого образца стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм.

Твердость по методу Бринелля выражается в числах твердости НВ (Н — твердость, В — Бринелля).

Испытание на твердость по методу Бринелля проводится на при­борах с применением плоских или круглых образцов и деталей. Для получения точных результатов на поверхности образцов не должно быть ржавчины, окалины, вмя­тин и т. п.

Метод Роквелла заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого ме­талла алмазного конуса или стального закаленного шарика диамет­ром 1,59 мм.

В приборах (твердомерах) Роквелла в отличие от при­боров Бринелля число твердости определяют непосредственно по шкале индикатора.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и обозначаются символом HR (Н — твердость, R — Роквелл). К символу до­бавляется обозначение шкалы индикатора (А, В или С), по которой измерялась твердость, и соответствующее числовое значение твер­дости.

По методу Роквелла можно испытывать мягкие и твердые ме­таллы, а также готовые изделия, так как отпечатки от наконечника незначительны. Испытание занимает мало времени (не более 50 с), не требует никаких измерений; показания читаются непосредствен­но по шкале индикатора.

Метод Виккерсазаключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла четырех­гранной алмазной пирамиды.

Метод Польдизаключается во вдавливании стального шарика под действием динамической (ударной) нагрузки в поверхность испытуемого металла и эталонного образца.

По соотношению площадей или диаметров отпечатков расчетным путем по таблицам определяют твердость металла. Она будет тем меньше, чем больше отпечаток на испытуемом металле по сравнению с отпечатком на эталонном образце, и наоборот.

Испытание металлов на ударную вязкость. Ударной вязкостью (динамической прочностью) называется способность металлов оказывать сопротивление действию ударных (динамических) нагрузок.

Многие детали машин, конструкции и инструменты испытывают при эксплуатации ударные нагрузки. Например, судовые конструкции подвергаются ударам волн, льда и т. п. Поэтому при их изго­товлении необходимо учитывать эту важнейшую характеристику.

Металлы, легко разрушающиеся под действием ударной нагруз­ки, называются хрупкими. Они непригодны для изготовления дета­лей, работающих в условиях ударных нагрузок. Вязкими называ­ются металлы, разрушающиеся при значительных ударных нагруз­ках и значительных пластических деформациях.

Испытание металлов на ударную вязкость проводят на механиз­мах, называемых маятниковыми копрами. Оно заключа­ется в ударном изломе (изгибе) маятником копра образца и в под­счете израсходованной работы на разрушение образца.

Маятник поднимают на некоторую высоту Н. С этой высоты он свободно падает разрушает образец и снова поднимается на неко­торую высоту h. Работа, затраченная на разрушение образца,

 

А = P(H — h) или А =Pι(cosβ — cosα),

 

где Р — сила тяжести (вес) маятника, Н;

Н — высота подъема маятника до удара, м;

h — высота подъема маятника после удара, м;

l- длина маятника, м.

Ударную вязкость металла определяют по величине удельной ударной вязкости аH, равной отношению работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте разрушения:

 

аH = А/F

 

где А — работа, затраченная на разрушение образца, Дж;

F — пло­щадь поперечного сечения образца в месте разрушения, м2.

Современный маятниковый копер имеет шкалу, градуированную непосредственно в единицах работы. Если поднять маятник на не­которую высоту Н, то стрелка покажет запас энергии маятника до удара РН вджоулях. После разрушения образца маятник поднимается на некоторую высоту h, в это время стрелка покажет запас энергии-маятника Ph после удара. Таким образом, ударная вязкость

 

аH = (РН — Ph)/F.

Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т. д. Например, две марки стали, с разной структурой могут иметь совершенно, различ­ные значения ударной вязкости, но почти одинаковые другие меха­нические свойства.

Испытание металлов на усталостную прочность (выносли­вость).Многие детали машин и механизмов, некоторые конструк­ции и инструменты при эксплуатации подвергаются действию пере­менных нагрузок, т. е. меняющихся по значению, направлению или по значению и направлению одновременно. Таким нагрузкам под­вергаются, например, корпуса судов детали машин (валы, оси, ша­туны, коленчатые валы).

В результате длительного воздействия переменных нагрузок прочность металла уменьшается и деталь, конструкция или инстру­мент разрушается. Разрушение металла часто наступает при напря­жениях, которые значительно меньше, чем предел прочности, а иногда даже меньше, чем предел текучести.

Способность металлов сопротивляться усталостному разруше­нию называется усталостной прочностью (выносливостью). Пока­зателем ее является предел усталости (выносливости), который определяют в ходе испытания на специальных машинах. Испытания проводят на переменный изгиб, растяжение-сжатие и кручение.

Чаще всего применяют способ испытания изгибом при вращении (рис. 4). В этом случае один конец образца закрепляют в патроне, а к другому через шарикоподшипник подвешивают груз. При вра­щении наружные волокна образца попеременно будут испытывать растягивающие и сжимающие усилия. При достижении некоторого числа перемен (циклов) образец разрушается. Число циклов опре­деляют по установленному на станке счетчику.

 

Рис. 4. Схема испытания образца на усталост­ную прочность: 1 — патрон станка; 2 — образец;

Подшипник качения

 

Пределом усталости металлов называется максимальное напря­жение, при котором образец еще выдерживает неограниченное чис­ло циклов, не разрушаясь. Пределы усталости обозначают:

при из­гибе — σ-1;

при растяжении-сжатии — σ-1p;

при кручении — τ-1.

Между пределом усталости и пределом прочности существует следующая приблизительная зависимость:

 

σ-1 == 0,47σв; σ-1p = 0,32σв; τ-1 = 0,22σв.

 

Усталостная прочность зависит от значения переменных напря­жений, состояния поверхностей деталей и других факторов. Ее сле­дует учитывать при создании, например, быстроходных судов, сверх­звуковых самолетов, космических кораблей, мощных турбин, испы­тывающих при эксплуатации переменные нагрузки.

Металлы, работающие в сложных условиях, испытывают при повышенных и пониженных температурах, в условиях коррозии, при истирании и т. д.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

Технологические пробы применяют главным образом для опре­деления пригодности материала к тому или иному способу обра­ботки. О результатах технологических испытаний судят по состоя­нию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Наиболее распространены следующие технологические пробы: на изгиб в холодном и нагретом состоянии; на перегиб и выдавливание; на осадку; на раздачу и обжатие труб; искро­вая.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плот­ность, температура плавления, теплопроводность, электро-провод­ность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).

Химические свойства — способность металлов и сплавов сопро­тивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги ме­таллы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой тем­пературе нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутрен­него сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

zdamsam.ru