ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ
ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом исследования и контроля механических свойств металлов [I]. Использование этого метода для арбитражных и контрольных испытаний регламентируется Государственным стандартом. Испытания на растяжение производятся на разрывных или универсальных машинах, а также на прессах с применением реверсоров [2]. ГОСТ 1497—61 содержит основные требования к испытательным машинам, необходимые указания о форме и размерах образцов, определения понятий условного предела пропорциональности В исследовательских целях испытания на растяжение используются значительно шире, чем это предусмотрено ГОСТом для оценки однородности свойств металла различных плавок, полуфабрикатов, идентичности режимов термической обработки деталей. Следует отметить, что самый элементарный контроль по временному сопротивлению и удлинению позволяет одновременно получить широкую информацию о свойствах испытуемого металла, а именно, оценить его способность к равномерной и сосредоточенной деформации, а также (при условии записи диаграммы деформации) работу деформации и разрушения при статической нагрузке. При испытаниях с определением предела пропорциональности можно попутно, с очень небольшими дополнительными затратами времени, определить и значение модуля нормальной упругости Е— важнейшую расчетную характеристику конструкционного материала- Специально поставленные испытания на растяжение позволяют определить и другие, необходимые конструктору свойства: касательный Для установления соотношений между напряжениями и деформациями при различных видах напряженного состояния особое значение имеют диаграммы истинных напряжений при растяжении (диаграммы S=S(е), где S— истинное нормальное напряжение и е— истинная деформация). Ниже будут рассмотрены основные особенности напряженно-деформированного состояния при растяжении и методика определения тех показателей прочности, пластичности и вязкости, которые не регламентируются ГОСТом. Можно принять, что при нагружении осевыми силами образцов, узаконенных ГОСТом, и нестандартных образцов, имеющих, однако, плавные переходы к головкам и достаточную рабочую длину l, в средней части испытуемого стержня продольные растягивающие напряжения
Характер излома образцов при растяжении, как, впрочем, и при других видах испытания, позволяет в ряде случаев определить такую важную техническую характеристику материала, как сопротивление отрыву 5;, когда разрушение вызывается нормальными напряжениями (излом перпендикулярен ос» образца). В течение последних 15—20 лет представления о характеристиках разрушения существенно изменились. Экспериментально было показано, что разрушение представляет собой процесс, развивающийся во времени. Поэтому сейчас о сопротивлении отрыву можно говорить лишь как о технической характеристике, могущей в определенных условиях служить мерой хрупкости материала. Для оценки способности материала тормозить развитие очага разрушения все большее распространение получают такие характеристики как вязкость разрушения и коэффициент интенсивности напряжений (см. стр. 94). При изломах, лежащих в плоскости действия наибольших касательных напряжений, разрушение называют вязким. Излом «чашечкой» свидетельствует о смешанном характере разрушения: дно «чашечки» образуется под действием нормальных напряжений, а губы среза примерно под углом 45°—под действием касательных напряжений. Получаемые при испытаниях на растяжение диаграммы «нагрузка Р— приращение длины Следует иметь в виду, что участок кривой Р— Рассматривая диаграммы рис. I, можно заметить, что на участке до точки п. существует прямая пропорциональность между приращением напряжения Модуль упругости при растяжении вычисляют по формуле где
Приращение расчетной длины определяют с помощью тензометра, устанавливаемого на образец 1 в его рабочей части (рис. 2) так, что острия 4 планок 2 тензометра находятся на границе расчетной части l0 с одного конца, в другой конец l0 упираются призмы ромбического сечения 5, для удержания которых в планках 2 имеются углубления соответствующей формы. Каждая призма снабжена зеркалом 6, плоскость которого параллельна оси образца и измерительной линейке 7. Планки тензометра удерживаются на образце легкой струбциной 3. При удлинении образца под нагрузкой на При перемещении острия призмы на
Из рис.2 видно, что Пользуясь последним выражением, вычисляют приращение длины на каждой ступени нагружения. Модуль упругости определяют в интервале нагрузок, лежащих ниже Рпц на 20—25%. Вообще говоря, чем ниже интервал нагрузок, в котором определяется модуль упругости, тем точнее получаемые результаты. Важно, однако, чтобы число ступеней нагружения было не менее пяти. Первый отсчет по тензометру берется при начальной нагрузке, равной 15—20% от предполагаемой Рпц (см. рис. 1,6). Ступень нагружения При испытании на растяжение цилиндрического или плоского образца одноосному ( Обобщенный закон Гука устанавливает соотношение между поперечной ( В упругой области где Е - модуль нормальной упругости; И - коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации). Отсюда для одноосного растяжения получаем
(Знак минус указывает на то, что поперечная и продольная деформации отличаются по знаку). Коэффициент Пуассона является одной из основных расчетных характеристик. Зная Е и
Коэффициент Пуассона при растяжении определяют на широких пластинах (рис. 3), обычно шириной 70 мм. Поперечный тензометр устанавливают таким образом, чтобы расстояние между остриями призмы и кромкой образца было не менее 10 мм. Желательно, чтобы число ступеней нагружения для определения
При дальнейшем возрастании нагрузки в интервале между Рпц и Рв имеет место уже не пропорциональное ей увеличение деформации. Нагрузка, при которой происходит отклонение от закона пропорциональности, определяет предел пропорциональности материала Практически отклонения от прямолинейного участка кривой растяжения вначале настолько малы, что находятся в пределах точности измерения современных тензометров. Поэтому в технике предел пропорциональности определяют как напряжение, при котором тангенс угла наклона касательной к оси нагрузок увеличивается на 50% (или же по особому соглашению на 10 или 25%) от значения на линейном упругом участке (см. рис. 1,6)1 Небольшое превышение нагрузки относительно Рпц не изменяет характера деформации, она остается упругой. Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец без появления остаточной деформации при разгрузке, определяет предел упругости материала ' При нагрузках Р>Руп наряду с ростом (пропорционально приложенному напряжению) упругой деформации, происходит накопление пластической деформации, не исчезающей при разгрузке. Напряжение, при котором остаточное. относительное удлинение составляет 0,2% (см. рис. 1,6), называется условным пределом текучести и определяется как Важно представить, что не только условный предел текучести Для материалов с диаграммой деформации типа III (см. рис. 1,в) определяют не условный, а физический предел текучести, отвечающий точке т на диаграмме, когда в определенном интервале наблюдается рост деформации без увеличения внешнейнагрузки Кривая растяжения пластических материалов может иметь максимум (в точке в на диаграммах типа I и III) или же обрываться при достижении наибольшей нагрузки (тип II). Временное сопротивление (предел прочности) Обычно временное сопротивление рассматривают так же, как характеристику сопротивления пластической деформации. Основным аргументом при этом является то обстоятельство, что при построении диаграмм истинных напряжений (см. ниже), истинное временное сопротивление SB=РB/FB (FB - фактическая площадь поперечного сечения в момент действия нагрузки РB) является лишь текущей ординатой кривой растяжения, т. е. и после достижения максимальной нагрузки истинные напряжения продолжают расти. С другой стороны, нельзя не считаться с тем, что у материалов с диаграммой деформации типа II Отчасти этим обстоятельством объясняется то, что для конструкционных алюминиевых, магниевых и титановых сплавов (диаграмма растяжения в основном соответствует типу II) не удается установить определенной зависимости между временным сопротивлением
Долгое время считалось, что конечная точка диаграммы растяжения к характеризует истинное сопротивление разрыву Sк, которое определяли путем деления конечной нагрузки Pk на фактическую площадь поперечного сечения образца в месте разрыва Fк: S=Рк/Fк. В соответствии с современными представлениями разрушение представляет собой не мгновенный акт (в точке к), а развивающийся во времени процесс, так что фактическое начало разрушения может соответствовать какой-то промежуточной точке на участке в—к, а весь процесс заканчиваться при падающей вплоть 'до нуля нагрузке. Возможность экспериментального наблюдения процесса разрушения при статической нагрузке связана с созданием безынерционных измерительных систем, т. е. таких силоизмёрительных устройств, у которых период собственных колебаний был бы во много раз меньше продолжительности изучаемого процесса. В настоящее время величиной Sk пользуются редко. Значительно более широкое распростарнение получили предложенные Ирвином и Орованом в качестве констант разрушения для нехрупких материалов критический коэффициент интенсивности напряжений K1c или вязкость разрушения G1c, связанная с K1c соотношением Там, где это возможно, особенно при испытании новых материалов, рекомендуется записывать диаграмму растяжения, используя для этого диаграммные приборы с приемлемым масштабом записи. Площадь диаграммы Удельный, на единицу объема расчетной длины, расход энергии характеризует среднюю вязкость или работоспособность материала. За вычетом площади мкм', соответствующей работе упругой деформации, площадь кривой растяжения оевкм' является мерилом работы, израсходованной на пластическую деформацию до разрушения образца. Практически работа деформации определяется путем планиметрирования всей или части площади, ограниченной кривой растяжения. Строго говоря, мерилом работы деформации является площадь условной кривой растяжения в координатах
где lк и F к соответственно длина расчетной части и минимальная площадь поперечного сечения образца после разрыва. Для оценки конструкционной пластичности материала, кроме этих характеристик, может иметь особое значение способность к равномерной деформации при растяжении, определяемая как остаточное удлинение или сужение, соответствующее максимуму на диаграмме растяжения типа I (см. рис. 5). В пластической области при Рyn<Р<Рв образец в пределах расчетной длины деформируется равномерно, сохраняя начальную цилиндрическую или призматическую (плоские образцы) форму. При переходе за точку в форма образца существенно изменяется: появляется шейка (см., например, рис. 5) и деформация локализуется на небольшой длине, или, как говорят, наступает период сосредоточенной деформации. Появление сосредоточенной деформации нарушает однородное распределение напряжений в растягиваемом образце; наряду с осевыми в шейке возникают тангенциальные и радиальные напряжения, распределенные также неоднородно по сечению и достигающие максимума в центре. Равномерное удлинение где lB и Fв — длина расчетной части и площадь поперечного сечения образца в момент достижения нагрузкой максимума (см. рис. 6). Технически величина равномерной деформации легко определяется на разрушенных образцах, например, путем измерения диаметра на большей половине разорванного образца, примерно в середине между местом разрыва и концом расчетной длины. Абсолютное удлинение образца после разрыва Отсюда относительное удлинение Таким образом, чтобы получать сопоставимые результаты по относительному удлинению, необходимо, чтобы отношение расчетной длины к корню квадратному из площади сечения было одинаковым. ГОСТ 1497—61 предусматривает определение удлинения на образцах с Поскольку при
Такое условное удлинение называют полным (отсюда и индекс «п»). Из приведенного соотношения следует, что в области равномерной деформации или при разрыве по типу II (см. рис. 1, б) численно удлинение будет всегда больше, чем сужение. В тех же случаях, когда численное значение напряжений к истинным. Напряжения, получаемые путем деления нагрузки в каждый данный момент деформации на площадь поперечного сечения образца в этот момент, называются истинными и означаются буквой S: Истинные диаграммы растяжения чаще всего изображают в координатах S, В отличие от условных деформаций
Важным свойством истинных деформаций является их аддитивность, т. е. при проведении процесса деформирования в несколько стадий истинную деформацию на последней стадии можно представить как сумму истинных деформаций, определенных для каждой стадии в отдельности. С полным удлинением
Истинные диаграммы растяжения в координатах S-e используются при исследовании соотношений между напряжениями и деформациями при разных видах напряженного состояния. С этой целью по исходным значениям S, е вычисляют истинные касательные (или октаэдрические) напряжения (tmax или tn) и сдвиги (gmax или gn), пользуясь следующими соотношениями: Для некоторых важных конструкционных материалов (преимущественно для сталей невысокой и средней прочности, отожженных алюминиевых и медных сплавов), зная сопротивление деформации (tmax или tn), соответствующей определенным значениям gmax или gn, можно по данным испытания на растяжение определить сопротивление деформированию и при других, более сложных видах напряженного состояния.
|