ISopromat.ru

Статическое растяжение

Машина для испытаний на растяжение с электромеханическим приводом

Статическое растяжение — одно из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов.

Основные характеристики, определяемые при испытании[править | править код]

При статическом растяжении, как правило, определяются следующие характеристики материала.

• Характеристики прочности:
  • предел пропорциональности,
  • предел текучести,
  • предел прочности (временное сопротивление разрушению),
  • истинное сопротивление разрыву.
• Характеристики пластичности:
  • относительное остаточное удлинение,
  • относительное остаточное сужение.
• Характеристики упругости:
  • модуль упругости (модуль Юнга).
• Прочие характеристики:
  • коэффициент механической анизотропии
  • коэффициент (модуль) упрочнения

Основные типы материалов[править | править код]

Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие состоит в том, что первые деформируются в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (lк − l0)/l0, где l0 и lк — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответствии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:

• пластичные (δ ≥ 10 %);
• малопластичные (5 % < δ < 10 %);
• хрупкие (δ ≤ 5 %).

Существующие материалы могут быть изотропными или анизотропными. В последнем случае из-за различия характеристик в различных направлениях необходимо произвести не одно, а несколько испытаний.

Образцы для испытаний на статическое растяжение[править | править код]

Цилиндрический пятикратный образец

Цилиндрический пятикратный образец после разрушения

Для испытаний на статическое растяжение используют образцы как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры.

Образцы круглого сечения, как правило, имеют рабочую длину, равную четырём или пяти диаметрам — т. н. короткие образцы или десяти диаметрам — т. н. нормальные образцы. Перед началом испытания замеряется диаметр образца (обычно 6, 10 или 20 мм) для вычисления напряжения σ и для расчёта относительного остаточного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ — ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещениям конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.

Диаграмма растяжения пластичного материала[править | править код]

Рис. 1. Типичная диаграмма σ — ε для малоуглеродистой стали

1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)

2. Предел текучести (верхний)

3. Точка разрушения

4. Область деформационного упрочнения

5. Образование шейки на образце

Рис. 2. Типичная диаграмма σ — ε для алюминиевых сплавов

1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)

2. Условный предел текучести (σ0.2)

3. Предел пропорциональности

4. Точка разрушения

5. Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2 %)

Микроструктура доэвтектоидной стали (0,7 % углерода)

Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A0, где A0 — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l0 ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.

Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:

Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.

По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Холла-Петча:

После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 — 2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σВ) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» — область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).

Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 1 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций.

Для многих материалов, например, с Г. Ц. К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2. Основное отличие — отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2 % (σ0.2).

После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения σ) за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца. Соответствующий (последний) участок диаграммы называют зоной местной текучести, так как пластические деформации продолжают интенсивно развиваться только в области шейки.

Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S — e (истинное напряжение S = P/A, где A — текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = ln(l+Δl/l), где l — текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в «шейке» образца. Поэтому различие между диаграммами истинных и условных напряжений наблюдается только после предела прочности — до точки 1 они практически совпадают друг с другом.

Образцы из пластичного материала разрушаются по поперечному сечению с уменьшением диаметра в месте разрыва из-за образования «шейки».

Диаграмма растяжения хрупкого материала[править | править код]

Диаграмма растяжения и диаграмма условных напряжений хрупких материалов по виду напоминает диаграмму, показанную на рис. 2 за тем исключением, что не наблюдается снижения нагрузки (напряжения) вплоть до точки разрушения. Кроме того, данные материалы не получают таких больших удлинений как пластичные и по времени разрушаются гораздо быстрее. На диаграмме хрупких материалов уже на первом участке имеется ощутимое отклонение от прямолинейной зависимости между нагрузкой и удлинением (напряжением и деформацией), так что о соблюдении закона Гука можно говорить достаточно условно. Так как пластических деформаций хрупкий материал не получает, то в ходе испытания не определяют предела текучести. Не имеет особенного смысла также рассчитывать и относительное сужение образца, так как шейка не образуется и диаметр после разрыва практически не отличается от исходного.

Влияние скорости деформации и температуры на прочностные характеристики[править | править код]

Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 — 0,07 мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести) (источник???).

В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:

где — скорость деформации; — астотный фактор, — активационный объём; — напряжение течения; — экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации.

Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочности даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.

Стандарты на проведение испытаний[править | править код]

• ГОСТ 6996-66
• ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
• ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78) Пластмассы. Метод испытания на растяжение
• ASTM E-8 и ASTM E-8M

Литература[править | править код]

• Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. 3-е изд. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974
• М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.
• А. Н. Васютин, А. С. Ключ. Влияние температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию малоуглеродистых и низколегированных сталей. Заводская лаборатория, 1985, № 4.

См. также[править | править код]

• Растяжение-сжатие

Диаграмма растяжения. Механические характеристики материала.

Содержание:

• Диаграмма растяжения. Механические характеристики материала.

Диаграмма растяжения. Механические характеристики материала.

• Растянуть фигуру. Механические свойства материала. В предыдущей главе, определяя размер поперечного сечения и рассчитывая деформацию, мы можем понять явление, которое происходит в этом процессе, чтобы полностью понять механические свойства материала при его сжатии и разрушении не только в рамках пропорциональности (модуль, предел пропорциональности), но и в стадии разрушения (предел прочности на растяжение). Что касается разницы в механических свойствах, то материал может быть

хрупким или пластичным при простом растяжении и сжатии и при нормальной температуре. Хрупкие материалы разрушаются очень малыми остаточными деформациями. В пластических материалах разрушение происходит только после значительного остатка деформации. К материалам первого типа относятся, например, чугун, камень, бетон и др. Пластик содержит низкоуглеродистую сталь, медь и др. Во-первых, давайте рассмотрим поведение обоих типов материалов при испытаниях на растяжение вплоть до разрушения. Для этого эксперимента изготавливают

образец призматической формы с круглым или прямоугольным поперечным сечением-46 Людмила Фирмаль

экспериментальных исследований растяжения и сжатия[гл. 1Р В рабочей части коленного образца деление наносят через долю каждого сантиметра или сантиметра так, чтобы можно было определить изменение длины образца после проведения эксперимента, образец помещают на станок и фиксируют края. Если один конец образца медленно перемещается в осевом направлении, стержень растягивается постепенно увеличивающейся нагрузкой без удара или соударения. В эксперименте регистрируется количество последовательных значений нагрузки и измеряется соответствующее увеличение длины запланированной нагрузки на образец. Результат измерения может быть наиболее четко выражен в виде так

называемой диаграммы растяжения., При черчении по вертикальной оси, с постоянной масштабной нагрузкой, она откладывается в горизонтальном-абсолютном УД Фигура. 17. Автоматически рисует эту диаграмму, когда образец растягивается. Около Подкладка. При разрыве образца шротом из стали-фигура пластического материала-малый угол-имеет вид, показанный на рисунке. 17. Все совсем не так.- Фигура. 18. Часть фигуры до точки А, которая соответствует пределу пропорциональности вайи, представляет собой прямую линию. Ордината ОАИ — это величина растягивающей силы, соответствующая пропорциональному пределу АП, то есть

• максимальному напряжению, превышение которого вызывает отклонения от закона крюка. Когда напряжение возрастает сверх величины авто, деформация начинает расти быстрее, чем нагрузка, и фигура имеет вид кривой с восходящей выпуклостью. Кроме того, происходит резкое изменение работы материала, и при определенном значении растягивающей силы OCi, материал»течет»; чтобы увеличить деформацию, почти не нужно увеличивать растягивающую силу. На диаграмме формируется горизонтальная (или почти горизонтальная) область. Напряжение, при котором этот материал течет-рост деформации при постоянной (почти) нагрузке-называется пределом текучести<ZT. Для исследуемого материала это значение составляет приблизительно 2400 кг / см*. Во время протекания материала на поверхности образца появляются в более

или менее резкой степени так называемые линии Людерса, которые легко обнаружить при травлении образца. Эти линии§ 11 растягиваются рисунок 47 Они обусловлены взаимным движением частиц материала, Когда происходит значительная деформация образца. После образования предела текучести материал снова начинает сопротивляться дальнейшему растяжению, и для увеличения удлинения D / необходимо увеличить усилие. Точка D на рисунке соответствует максимальной нагрузке. На этом этапе поведение образца снова резко меняется. До этого весь стержень участвует в удлинении, и каждая единица его длины имеет примерно одинаковую длину, а также одинаковую длину поперечных размеров образца во всех сечениях. 19)

С момента, когда нагрузка достигает величины ODb, деформация в основном концентрируется в одном Людмила Фирмаль

месте образца, а небольшая часть образца вблизи этого места подвергается затем максимальному напряжению. Для уменьшения площади деформируемой части для дальнейшего удлинения стержня требуется меньшая сила и меньшее усилие. Наконец, когда окно загружается, происходит разрыв. Когда вы приостанавливаете свой эксперимент с нагрузкой меньше Oa19 и выгружаете образец, соотношение между силой и удлинением выражается той же прямой линией, что и при загрузке OA. После снятия нагрузки удлинение исчезло-произошла только упругая деформация. Когда образец выгружается из точки Z диаграммы между C и D, образец в этом случае представляет собой прямую линию ZOb, которая почти

параллельна линии OA, когда диаграмма выгружается, таким образом, образец в этом случае не возвращается к своему первоначальному размеру, а сегмент упругости 0^0% представляет собой удлинение образца и изменяется пропорционально соответствующей точке на рисунке обычно выше, но очень близко к точке L, что соответствует пределу пропорциональности. Напряжение, которое вызывает остаточную деформацию, небольшое (около 0,001-04,003%) называется пределом упругости<zu. 17) поскольку нагрузка, вызывающая это напряжение, измеряется по ординате точек IAD A и B, считается, что упругие

и пропорциональные пределы обычно совпадают. Поэтому часто говорят, что материал подчиняется закону крюка до тех пор, пока не достигнет предела упругости, но правильнее было бы сказать предел пропорции. Фигура. 19.48 экспериментальное исследование[гл.] Максимальное растягивающее усилие образца выражается в продольном Оди, которое часто называют разрывной нагрузкой, поскольку необходимо начать разрушение. Предел прочности при растяжении характеризует величину усилия, необходимого для разрыва сердцевины материала при растяжении; для мягкой стали это значение достигает-4000 кг! См.диаграмму, на которой представлены величины нагрузок, связанных с различными механическими свойствами материала, и на ней обозначено количество вертикальных осей Таблица 4 суммирует те, которые задают эти нагрузки и соответствующие

им характеристики(напряжения). Для получения любого из пределов, указанных в таблице, соответствующая нагрузка делится на первую площадь поперечного сечения. Т а б л и Ц А4. Механические свойства материала. Прочитай Наименование соответствующего напряжения и его Oai нагрузка, соответствующая появлению остаточной деформации OBT нагрузка, соответствующая явлению потока нагрузки в конце прямой части (увеличение величины деформации при постоянной нагрузке) OCI максимальная нагрузка ODT Пределы дозирования до АБ предел прочности или предел прочности предел упругости предел текучести Все эти механические свойства (пропорциональность, упругость, текучесть и предел прочности) зависят от способности материала противостоять тенденции

внешних сил деформировать и разрушать образец при растяжении. Абсцессы на тестовой диаграмме характеризуют еще одно свойство материала-способность деформироваться более или менее до того, как произойдет разрушение. Сегмент O3o4 (рис. 17) приведем объем упругой деформации образца в момент разрыва, которая исчезает по мере возникновения разрыва. Длина OO3=D / 0 представляет собой оставшийся отрезок интервала выборки I после разрыва. Это значение увеличивается по мере увеличения длины выбранной области измерения, и материал становится более пластичным.§ W натяжение рисунок 49 Отношение относительного удлинения D / o к исходной длине участка I принимается за меру пластичности материала, то есть способности испытывать значительные

деформации при разрушении. Величина этого отношения, выраженная в процентах, обозначается буквой 8 и называется остаточным удлинением образца после разрыва, а марка обычно используемой стали колеблется от 8 до 28%. Следовательно, 8=^. Сто Следует отметить, что величина остаточного удлинения образца во многом зависит от формы образца, главным образом от отношения его длины к площади поперечного сечения. Поэтому в лабораторной практике после разрыва образца остаточное удлинение принято измерять не по всей его длине, а только в части, называемой расчетной. В образцах с круглым поперечным сечением расчетная

длина чаще всего выделяется как 10 D, а иногда как 5d. в образце с прямоугольным поперечным сечением расчетная длина назначается таким образом, что для круглого поперечного сечения той же площади F, что и прямоугольник, соотношение длины и диаметра остается неизменным. Например, для образцов с прямоугольным поперечным сечением рассчитана длина в соответствии с принятой длиной для образцов в круглом сечении 10rf.、

Смотрите также:

• Решение задач по сопротивлению материалов