Испытание материалов на растяжение и сжатие

При решении простейших задач на растяжение и сжатие мы уже встретились с необходимостью иметь некоторые исходные экспе­риментальные данные, на основе которых можно было бы построить теорию. К числу таких исходных экспериментальных данных отно­сится в первую очередь уже знакомый нам закон Гука. Основ­ными характеристиками материалов при этом являются модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ. Понятно, что в зависимости от свойств материала эти величины меняются. В первую очередь Е и μ зависят от типа материала и в некоторой степени от условий термической и механической обработки.

Для решения практических задач необходимо иметь еще число­вые характеристики прочностных свойств материалов. При изуче­нии процессов гибки и штамповки нужны числовые показатели, ха­рактеризующие способность материала пластически деформиро­ваться. В ряде случаев надо иметь данные о способности материала противостоять действию высоких температур, работать при перемен­ных нагрузках и пр.

В связи с этим создано много различных видов испытаний, но основными и наиболее распространенными являются испытания на растяжение и сжатие. При их помощи удается получить наиболее важные характеристики материала, находящие прямое применение в расчетной практике.

Рис. 5

 

Для испытания на растяжение используются специально изготов­ляемые образцы, которые большей частью вытачиваются из прутко­вых заготовок или вырезаются из листа. Основной особенностью таких образцов является наличие усиленных мест захвата и плав­ного перехода к сравнительно узкой ослабленной рабочей части. На рис. 5 показано несколько типов таких образцов. Длина рабочей части ℓ_раб выбирается обычно раз в 15 большей диаметра d . При замерах деформаций используется только часть этой длины, не пре­вышающая десяти диаметров. Существуют, однако, и более корот­кие образцы, у которых отношение ℓ_раб /d не превышает 5. В случае прямоугольного поперечного сечения в качестве характеристики, определяющей рабочую длину ℓ, принимается диаметр равновели­кого круга d .

При испытании на сжатие используются короткие цилиндриче­ские образцы, высота которых превышает размеры поперечного сечения не более чем в два раза (рис. 6). При большой высоте сжатие образца сопровождается, как правило, его искривлением, искажаю­щим результаты испытаний.

 

Рис. 6

Абсолютные размеры образцов как при испытании на растяже­ние, так и на сжатие зависят от располагаемой мощности *) испыта­тельных машин и от размеров заготовки, из которых изготовляются образцы.

Рис. 7

Испытание на растяжение и сжатие производится на специаль­ных машинах, где усилие создается либо при помощи груза, действующего на образец через систему рычагов, либо при помощи гидравлического давления, передаваемого на поршень. В первом слу­чае машина называется рычажной, во втором — гидравлической.

 

*) Когда говорят о мощности испытательной машины или пресса, имеют в виду не работу, производимую в единицу времени, а те наибольшие силы, кото­рые способна создать машина.

На рис. 7 показана схема простейшей испытательной машины рычажного типа. От червяка 1 вручную или посредством электро­привода поворачивается червячное колесо 2, смещающее вниз сило­вой винт З. В образце 4 возбуждается, таким образом, усилие, которое через рычаги 5, 6, 7 уравновешивается весом груза Р на плече а.

На рычаге 7 имеется градуировка в единицах силы, приходя­щейся на образец. Перемещение груза по рычагу может осуще­ствляться не только вручную, но и автоматически.

Рис. 8

 

На рис. 8 показана схема гидравлической испытательной ма­шины универсального типа, т. е. предназначенной для испытаний на растяжение и сжатие. В рабочую полость цилиндра 1 при помощи насоса 2 под давлением подается масло, и плунжер 3 поднимается. На плунжере установлена рама 4, в верхней части которой имеется захват для образца 5, испытываемого на растяжение. В случае испытания на сжатие образец устанавливается на нижнюю часть рамы. На рис. 8 образец для испытания на сжатие показан пункти­ром и отмечен цифрой 6. Рама 10 неподвижна. На рис. 8 ее пло­скость условно совмещена с плоскостью рисунка и рамы 4. Усилие измеряется манометром 7, проградуированным в единицах силы, приходящейся на образец. По окончании испытания масло под дей­ствием веса рамы 4 вытесняется через вентиль 8 обратно в масляную ванну 9.

Мощность испытательных машин колеблется в пределах от не­скольких граммов (для испытания волокон и нитей) до сотен тонн (для испытания крупных конструкций). Машины малой мощности (до тонны) выполняются обычно как рычажные. Для больших мощ­ностей более предпочтительным является гидравлический принцип.

Рис. 9

 

При испытании на растяжение образец закрепляется в зажимах разрывной машины либо при помощи самозатягивающихся клиньев (рис. 9, а), либо в разъемных втулках (рис. 9, б). Зажимы на ма­шине проектируются таким образом, чтобы исключить перекос об­разца и создать по возможности центральную передачу усилий без дополнительного изгиба. При испытании на сжатие цилиндрический образец свободно устанавливается между параллельными плитами.

Основной задачей испытания на растяжение и сжатие является построение диаграмм растяжения или сжатия, т. е. зависимости между силой, действующей на образец, и его удлинением. Сила в рычажной машине определяется либо по углу отклонения маятника, либо по положению уравновешивающего груза. В гидравлической машине величина силы определяется по шкале соответствующим образом проградуированного манометра. Для грубого замера удлине­ний используются простые приспособления (часто — рычажного типа), фиксирующие смещение зажимов машины друг относительно друга. Это смещение при больших удлинениях может рассматри­ваться как удлинение образца.

Для точного замера малых удлинений используются специаль­ные приборы, называемые тензометрами. Такой прибор устанавли­вается непосредственно на образце и фиксирует взаимные смещения двух сечений на рабочей части образца.

Современная испытательная машина обычно снабжена прибором для автоматической записи диаграммы растяжения — сжатия. Это дает возможность сразу после испытаний получить вычерченную в определенном масштабе кривую P = f (∆ℓ).

Диаграмма растяжения

Рассмотрим основные особенности диаграммы растяжения.

На рис. 10 показана типичная для углеродистой стали диаграмма испытания образца в координатах Р, ∆ℓ. Полученная кривая условно может быть разделена на следующие четыре зоны.

Рис. 10

 

Зона О А носит название зоны упругости. Здесь материал под­чиняется закону Гука и

 

На рис. 10 этот участок для большей наглядности показан с отступлением от масштаба. Удли­нения ∆ℓ на участке ОА очень малы, и прямая ОА, будучи вы­черченной в масштабе, совпадала бы в пределах ширины линии с осью ординат. Величина силы, для которой остается справедли­вым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для высококачественных сталей эта величина имеет большее значение. Для таких металлов, как медь, алюминий, сви­нец, она оказывается в несколько раз  меньшей.

Зона АВ называется зоной общей текучести, а участок АВ диаграммы — площадкой текучести. Здесь происходит существен­ное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести АВ для металлов не является харак­терным. В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается, и диаграмма растяжения образца имеет вид кривых, показанных на рис. 11. Кривая 1 ти­пична для алюминия и отожженной меди, кривая 2 — для высоко­качественных легированных сталей.

Рис. 11

 

Зона ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более мед­ленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образо­вываться так называемая шейка — местное сужение образца (рис.12).

По мере растяжения об­разца утонение шейки прогрессирует. Когда от­носительное уменьшение площади сечения срав­няется с относительным возрастанием напряже­ния, сила Р достигнет максимума (точка С). В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шей­ки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Рис. 12

 

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгру­зить (точка К рис. 13), то в процессе разгрузки зависимость между силой Р и удлинением ∆ℓ изобразится прямой KL (рис. 13). Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой ОА. При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок LM ). Отрезок 0 L представляет собой остаточное удлинение. Его называют также пластическим удлинением, а соответствующую ему деформацию — пластической деформацией. Таким образом,

ОМ = ∆ℓ_упр + ∆ℓ_ост.

 

Соответственно

 

Рис. 13

 

Если образец был нагружен в пределах участка ОА и затем раз­гружен, то удлинение будет чисто упругим, и ∆ℓ_ост = 0.

При повторном нагружении образца диаграмма растяжения при­нимает вид прямой LК и далее — кривой KCD (рис. 13), как будто промежуточной разгрузки и не было.

Положим теперь, что у нас имеются два одинаковых образца, изготовленных из одного и того же материала. Один из образцов до испытания нагружению не под­вергается, а другой — был пред­варительно нагружен силами, вызвавшими в образце остаточ­ные деформации.

Испытывая первый образец, мы получим диаграмму растя­жения OABCD , показанную на рис. 14, а. При испытании вто­рого образца отсчет удлинения будет производиться, естествен­но, от ненагруженного состояния и остаточное удлинение 0 L уч­тено не будет. В результате по­лучим укороченную диаграмму LKCD (рис. 14, б). Отрезок МК соответствует силе предваритель­ного нагружения. Таким образом, вид диаграммы для одного и того же материала зависит от степени начального нагружения (вытяжки), а само нагружение выступает теперь уже в роли неко­торой предварительной технологической операции. Весьма сущест­венным является то, что отрезок LK (рис. 14, а) оказывается больше отрезка ОА. Следовательно, в результате предварительной вытяжки материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки.

Рис. 14

 

 

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования носит название на­ клепа, или нагартовки, и широко используется в технике.

 

Например, для придания упругих свойств листовой меди или латуни, ее в холодном состоянии прокатывают на валках. Цепи, тросы, ремни часто подвергают предварительной вытяжке силами, превышающими рабочие, с тем, чтобы избежать остаточных удлинений в дальнейшем. В некоторых случаях явление наклепа оказывается нежелательным, как, например, в процессе штамповки многих тонкостенных деталей. В этом случае для того, чтобы избежать разрыва листа, вытяжку производят в несколько ступеней. Перед очередной операцией вытяжки деталь подвергается отжигу, в результате которого наклеп снимается.