Необходимые исходные сведения

Наиболее важными свойствами металла, необходимыми для расчета конструкций, механизмов и деталей машин, являются механические свойства (прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и др.). Механические свойства определяют в условиях нагружения металла, близких к рабочим. Механическое испытание может быть:

а) статическим, когда приложенная нагрузка сравнительно медленно и плавно растет (испытание на растяжение и сжатие, кручение, изгиб);

б) динамическим, если нагрузка прилагается ударом и возрастает с большой скоростью (испытание на ударную вязкость);

в) повторно-переменным, если нагрузка действует на металл многократно (испытание на усталость).

Статические и ударные испытания можно производить как при комнатных, так и при пониженных или повышенных температурах. Если металл предназначается для работы при повышенных температурах, то обычно производят или длительные испытания при нагреве (испытания на ползучесть), или определяют жаростойкость, жаропрочность и т.д.

Большинство инженеров информацию о механических свойствах получают из справочников. Для грамотного использования информации из справочников необходимо ясное представление о методе испытания и физическом смысле полученных характеристик. Поэтому необходимо подробнее ознакомиться с механическими свойствами, получаемыми при испытаниях на растяжение, которые имеют важное значение при расчетах конструкций и деталей машин на статическую прочность.

Метод испытания на растяжение. Испытания на одноосное растяжение выполняются согласно стандартам: ГОСТ 1497-84* - для испытания при комнатной температуре; ГОСТ 9651-84* - при высоких (до 1473 К) и ГОСТ 11150-84 - при низких (до 173 К) значениях температуры.

На практике для испытания на растяжение используют стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержня с прямоугольным сечением (плоские образцы).

Стандартный цилиндрический образец для испытания при комнатной температуре (рис. 3.1) имеет размеры, между которыми должны существовать определенные соотношения. Рабочая длина l цилиндрических образцов должна быть не менее l ₀ + d ₀ . Расчетная длина l ₀ коротких образцов равна 5.65 , длинных образцов - 11,3 , где F₀ - начальная площадь поперечного сечения в рабочей части. Для цилиндрических образцов l ₀ = 5d ₀ (короткие образцы) и l ₀ = 10 d ₀ (длинные образцы).

Рис. 3.1. Эскиз стандартного цилиндрического образца для испытаний при комнатной температуре:

l и l₀- рабочая и начальная расчетные длины; d₀ - начальный диаметр рабочей части; Р - нагрузка (схема действия сил при нагружении)

Машины для испытания на растяжение разнообразны. Мно­гие из них универсальны и могут использоваться при проведе­нии других статических испытаний.

Испытательные машины независимо от марки состоят из приводного устройства, обеспечивающего плавное деформиро­вание образца, силоизмерительного механизма, записывающего устройства, регистрирующего кривую изменения силы в зави­симости от деформации образца. Они оснащены захватами (нижним и верхним), в которые закрепляется стандартный обра­зец. Захваты прикрепляются соответственно к верхней и нижней траверсам.

У машины разрывной марки 1958У-10 верхняя траверса не­подвижная. При испытании на растяжение нижняя траверса с захватом приводится в движение системой электропривода ре­версивным вращением ходовых винтов.

По мере перемещения нижней траверсы закрепленный об­разец растягивается. Значение прилагаемой силы (нагрузки Р) фиксируется силоизмерителем, а устройство измерения дефор­мации фиксирует удлинение образца (Δl). Записывающее уст­ройство регистрирует кривую изменения силы в зависимости от характера деформации образца.

Таким образом, вырисовывается диаграмма растяжения об­разца в координатах Р= Δl. Испытание продолжается до разру­шения образца.

На диаграмме выявляются характерные точки - значения нагрузки при определенных значениях Д/. Форма кривой диа­граммы и характерные нагрузки зависят от структуры и свойств материала образца (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Типы кривых растяжения для образцов:

а - разрушающихся без заметной пластической деформации;

б - равномерно деформирующихся вплоть до разрушения;

 в, г-разрушающихся после образования шейки

Эти точки и используются для определения прочностных характеристик по формуле

σ = P / F₀ ,

где σ - условное напряжение, которое возникает в материале образца под действием силы Р; F₀ - площадь поперечного сече­ния образца до испытания.

Определение предела пропорциональности. Точка а - первая характерная точка на диаграмме растяжения. Ее ордината (нагруз­ка Р_ПЦ) определяет предел пропорциональности - напряжение, ко­торое материал выдерживает без отклонения от закона Гука:

Приближенно Р_ПЦ можно определить по точке, в которой начинает нарушаться прямолинейная зависимость между нагрузкой и удлинением.

Для повышения точности расчета предел пропорциональности определяют, как условное напряжение, вызывающее заданное отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением. Обычно это отклонение задают как уменьшение тангенса угла наклона, образованного касательной к кривой растяжения в точке с осью деформаций на 50 % (или 10 и 25 %). Тогда предел пропорциональности обозначается σ_ПЦ50, σ_ПЦ25, σ_ПЦ10

При определении предела пропорциональности можно оценить и модуль нормальной упругости Е по закону Гука:

 _,

где σ_ПЦ - напряжение в металле; Е - модуль нормальной упруго­сти; Δl- абсолютное удлинение; /₀ - начальная расчетная длина образца. Значение Е зависит от природы сплава, мало изменяется при изменении его состава, структуры, термообработки.

Определение предела упругости. Второй характерной точ­кой на первичной диаграмме растяжения является точка с (см. рис. 3.2). По нагрузке, отвечающей этой точке, рассчиты­вают условный предел упругости - напряжение, вызывающее заданное остаточное удлинение, равное 0,05 % (иногда 0,005 %):

В ряде случаев предел упругости принимают равным пределу пропорциональности из-за их незначительного отличия.

Определение предела текучести. Если на диаграмме растя­жения (см. рис. 3.2, а, б, в) нет площадки текучести, то опреде­ляют условный предел текучести - напряжение, которое вызы­вает заданное остаточное удлинение, равное 0,2 % (иногда 0,1 или 0,3 %):

где Р_0,2 - нагрузка условного предела текучести.

В тех случаях, когда диаграмма растяжения имеет площадку текучести (см. рис. 3.2, г), определяют физический предел теку­чести - напряжение, при котором деформация образца происхо­дит без увеличения нагрузки Р_τ:

Условные пределы пропорциональности, упругости и текучести характеризуют сопротивление материалов малым деформациям. Они лишь незначительно отличаются от истинных напряжений, определяемых как отношение соответствующих нагрузок к истинной площади поперечного сечения образца. Поэтому эти условные значения позволяют оценить уровни напряжений, под действием которых та или иная деталь может работать, не подвергаясь остаточной деформации или подвергаясь деформации на заданное значение.

Определение предела прочности. На участке db происходит интенсивная пластическая деформация. До точки b рабочая часть образца сохраняет первоначальную форму. Удлинение на этом участке равномерно распределяется по расчетной длине. В точке b эта равномерность нарушается и в какой-то точке образца вблизи концентратора напряжений начинается интенсивная местная деформация с образованием шейки. Шейка сужается, начиная от точки b вплоть до разрушения образца в точке к. При этом одновременно уменьшается нагрузка от максимального значения Р_MAX до конечного Р_К.

По максимальной нагрузке P_MAX на первичной диаграмме растяжения определяют условный предел прочности (временное сопротивление):

Значение этой величины характеризует прочность материалов лишь приблизительно. В момент достижения точки b площадь поперечного сечения образца F_b < F₀ а значение  замет­но меньше истинного напряжения: S_b = P_MAX / F_b - При переходе в область пластических деформаций (правее точки а на диаграмме растяжения) изменение сечения образца становится уже замет­ным и отнесение нагрузки к исходному (до деформации) сече­нию дает лишь условные напряжения. Если учитывать измене­ния сечения при деформации и относить нагрузку к фактиче­скому его значению, то можно получить истинные напряжения в данный момент деформации:

На практике пользуются также диаграммой истинных на­пряжений, ее строят обычно в координатах S-ψ, где по оси абсцисс откладывают относительное сужение (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Диаграммы истинных (1) и условных (2) напряжений

Примерно до точки и различие между истинными и условным напряжением невелико:

При дальнейшей дефор­мации истинные напряжения увеличиваются и достигают максимального значения S_K в момент, предшествующий разрушению

где S_K - истинное конечное сопротивление разрушению; Р_К - нагрузка в конечный момент разрушения образца; F_K - площадь поперечного сечения образца в шейке в момент разрыва.

По результатам испытания на растяжение можно определить также характеристики пластичности материала, относительное удлинение δ и сужение ψ соответственно следующим формулам:

 ,

где l₀ и l_K- соответственно начальная и конечная расчетные длины образца; Δl - абсолютное удлинение образца, определяемое изменением длины образца после разрыва или по диаграмме растяжения (рис. 3.2, в); F₀ и FK - соответственно начальная и конечная площади поперечного сечения образца.

У пластичных материалов относительное сужение более точно характеризует их максимальную пластичность, и она определяется только на круглых образцах.