Механические и технологические испытания

При статических испытаниях для определения характеристик прочности и пластичности образец исследуемого материала подвергают действию постоянной или медленно и плавно (квазистатически) повышающейся нагрузки.

Наряду с простыми способами нагружения применяют также статистические испытания в условиях многоосного или комбинированного нагружения.

В зависимости от продолжительности испытания подразделяют на кратковременные и длительные.

Механические испытания изделий

При механических испытаниях образцы могут подвергаться внешним нагрузкам, которые вызывают в материалах деформации растяжения, сжатия, а от силовых моментов (изгиб, кручение, срез) возникают соответствующие деформации в направлении вектора действия нагрузки, которая имеет малые значения ускорений (статическое нагружение). При высоких значениях ускорений воздействующих факторов (динамическое нагружение) проводят испытания материалов на длительную прочность, износ, на циклические и ударные нагрузки. К таким видам механических испытаний относятся методы определения твердости различных материалов.

Испытания на растяжение

Из всех способов механических и технологических испытаний наибольшее распространение имеют испытания на растяжение. Их применяют при разработке новых материалов, при расчете их характеристик для определения размеров статически нагружаемых деталей и для контроля качества материалов.

Методика испытаний материалов при одноосном растяжении

При этих испытаниях исследуется поведение материала при одноосном нагружении. Растягивающая нагрузка равномерно распределена на все поперечное сечение образца, при этом гладкий ненадрезанный образец растягивают в испытательной машине в направлении оси образца до разрыва, а зависимость между растягивающей силой и изменением длины регистрируют в виде диаграммы нагрузка - абсолютное удлинение. Так как и нагрузка, и абсолютное удлинение зависят от формы и размеров соответствующих образцов, количественное сравнение материалов по диаграммам нагрузка - абсолютное удлинение невозможно. Если нагрузку F отнести к исходному поперечному сечению образца А0, а удлинение AL - к начальной расчетной длине L0, то получим диаграмму напряжение - относитель- ное удлинение. При этом нормальное напряжение, Н/мм ,

и относительное удлинение

На кривых напряжение - относительное удлинение (рис. 7.1) видно, что технические материалы значительно различаются по характеристикам прочности и пластичности.

Зависимость напряжения от относительного удлинения

Рис. 7.1. Зависимость напряжения от относительного удлинения: - стали низкоуглеродистые; 16 - чугуны; 2 - упругие материалы; 3 - пластичные материалы;

4 - пластмассы

Прямолинейные начальные части кривых характеризуют область упругих деформаций, в которой при условии квазитропности материалов справедлив закон Гука:

где Е - модуль нормальной упругости.

В пластичных материалах при напряжениях выше определенного значения происходит постепенный или резкий переход в область пластических деформаций. Дальнейшее повышение напряжения для металлических материалов приводит к упрочнению в результате пластической деформации, а для пластмасс - к ориентировке макромолекул, возникающей как следствие вытягивания. Конечная точка кривой напряжение - относительное удлинение соответствует разрушению образца.

При пересчете измеренных нагрузок и удлинений по формулам (7.1) и (7.2) не учитывают, что по мере растяжения поперечное сечение образца постоянно уменьшается. Так как в результате этого при больших деформациях имеются значительные отклонения от рассчитанных по формулам (7.1) и (7.2) напряжений и удлинений, действительно существующих в образце, говорят о диаграмме условное напряжение - деформация. Если же в каждый момент испытания действующую силу F отнести к наименьшему, т. е. наиболее деформированному, поперечному сечению Аы, получим истинное напряжение:

Также может быть рассчитано истинное относительное удлинение (р через сумму всех элементарных удлинений на длине L:

Так как для в < 0,10 In (1 - в) ~ е, то относительное удлинение в и истинное относительное удлинение (р для пластической деформации, меньшей 10 %, совпадают, зависимость между ойив (или <ср) описывается диаграммой истинное напряжение - деформация (рис. 7.1, кривая 16). Для большинства металлических материалов истинное напряжение связано с истинным относительным удлинением уравнением

где а - постоянная; п - показатель деформационного упрочнения.

Зависимость, описанную уравнением (7.6), называют также кривой текучести.

В пластичных материалах наблюдается местное сужение. Его начало образования можно определить как механическую неустойчивость, при которой уменьшение поперечного сечения начинает преобладать над упрочнением материала:

Из уравнения (7.7) получим изменение нагрузки, необходимое для дальнейшей деформации растягиваемого образца:

В точке неустойчивости и отсюда

На диаграмме истинное напряжение - изменение поперечного сечения q (рис. 7.2) касательная в точке неустойчивости определяется уравнением

где ан и Ан - соответственно, напряжение и площадь поперечного сечения в точке неустойчивости.

Определение характерных точек на диаграмме истинных напряжений

Рис. 7.2. Определение характерных точек на диаграмме истинных напряжений

Для Ан = 0 (т. е. для q = 100 %)

Так как касательная пересекает ось абсцисс на расстоянии Ан, начало механической неустойчивости однозначно определяется по диаграмме истинных напряжений.

Для сравнения различных материалов полезна также приведенная диаграмма напряжение - деформация, при построении которой все значения напряжения делят на базисное напряжение о0, а все значения относительного удлинения - на базисное относительное удлинение е0. Рамберг и Осгуд предложили выбрать в качестве базисного напряжения а0 точку пересечения секущей, тангенс наклона которой на диаграмме напряжение - деформация (рис. 7.3) равен 0,7Е (Е - модуль упругости). Тогда базисное относительное удлинение представляет собой упругое удлинение, соответствующее этому значению напряжения s0 = Е/а0. Если нанести безразмерные величины о/о0 и в/в0 на приведенной диаграмме напряжение - деформация, получим семейство кривых, которые характеризуются одинаковым подъемом и общей точкой пересечения.

Из приведенной на рис. 7.4 диаграммы выведем широко распространенное выражение зависимости относительного удлинения от напряжения для случая испытаний на растяжение.

Определение базисных значений для приведенной диаграммы напряжение - деформация

Рис. 7.3. Определение базисных значений для приведенной диаграммы напряжение - деформация: А - полученная точка базисного напряжения; tg (3 = Е; tg (3' = 0,7Е

Кривые напряжение - относительное удлинение для различных материалов т

Рис. 7.4. Кривые напряжение - относительное удлинение для различных материалов т

Разделив полуэмпирическое отношение на е0, получим

Подставляя s0 = Е/а0, имеем

Гак как пластическую деформацию в базисной точке можно записать также то получим

и подстановкой в уравнение (7.15) выведем соотношение

Результаты испытаний на пластическую деформацию различных материалов используются при разработке технологического оборудования по обработке листового металла методами штамповки и прессования. Кроме этого данные результаты испытаний могут быть полезными при создании изделий, обладающих упругими свойствами (пружины, мембраны, диафрагмы, рессоры и др.).

Свойства, определяемые при испытаниях на растяжение

Поясним характеристики, определяемые при испытании на растяжение, на примере диаграмм условное напряжение - относительное удлинение (рис. 7.5). На начальной стадии испытания наблюдается крутой подъем напряжения. Для этого участка диаграммы, соответствующего закону Гука, относительное удлинение пропорционально напряжению.

Введя в качестве коэффициента пропорциональности коэффициент удлинения а, получим

Величина, обратная коэффициенту удлинения а, есть модуль упругости Е, что определяет идентичность этой формулы закону Гука (7.3).

Характеристики, определяемые по диаграммам условное напряжение - относительное удлинение

Рис. 7.5. Характеристики, определяемые по диаграммам условное напряжение - относительное удлинение: а - без площадки текучести; б - с четко выраженной площадкой текучести; 1 - прямая Гука; sr - пластическая деформация разрыва; од - условное сопротивление разрыву; ов - временное сопротивление

Так как Е = tg р, то по углу наклона этой прямой можно рассчитать модуль упругости.

Ниже представлены значения модуля упругости Е для различных материалов:

Алмаз..............................................................................................120Т04

Вольфрам.......................................................................................35-104

Сталь...............................................................................................20-104

Чугун с пластинчатым графитом.................................................(5... 12)* 104

Стекло.............................................................................................(60... 75)-104

Алюминиевый сплав.....................................................................70* 103

Фарфор...........................................................................................55-103

Бетон...............................................................................................20* 103

Эпоксидная смола с кварцевым наполнителем..........................(120... 140)Т02

Пенопласт (в зависимости от типа и наполнителя)...................(55... 100) ТО2

Аминопласт (то же).......................................................................(50... 100) ТО2

Поливинилхлорид.........................................................................(30.. .35) 102

Полистирол....................................................................................(24.. .30) ТО2

ND-полиэтилен..............................................................................(5... 11 )• 102

НО-полиэтилен..............................................................................(0,8... 8,0)Т02

Резина.............................................................................................< 102

Следует иметь в виду, что для полимеров закон Гука справедлив только при очень малом времени нагружения /, с (рис. 7.6).

Отношение величины деформации в поперечном направлении гч к деформации в продольном направлении в при упругом продольном растяжении образца называют коэффициентом Пуассона р.

Предел упругости р# является максимальным напряжением, при котором после разгрузки образца остаточное изменение еще не возникает. Точно определить это значение практически невозможно, поэтому техническим условным пределом упругости называют напряжение, при котором появляется остаточная деформация, равная 0,01 % (oo,oi). Для точных измерений возможно также определение условного предела упругости при допуске остаточной деформации 0,005 % (00,005)-

Зависимость модуля упругости полиэтилена от времени нагружения

Рис. 7.6. Зависимость модуля упругости полиэтилена от времени нагружения

За пределом упругости в металлических поликристаллических материалах начинается пластическая деформация, развивающаяся вначале в отдельных кристаллитах (микропластичность). Поэтому кривые напряжение - деформация отклоняются от прямой, т. е. повышение напряжения отстает от роста деформации. Переход от микропластичности к макроскопическому течению для мягких углеродистых сталей и некоторых других материалов различают по ярко выраженному отклонению от монотонного хода кривых нагрузка - удлинение или напряжение - деформация.

Соответствующее напряжение называют пределом текучести ох, Н/мм , и определяют его как отношение к начальному поперечному сечению образца нагрузки FT, при которой на кривой нагрузка - удлинение обнаруживается немонотонность при одновременном появлении заметной остаточной деформации:

Если во время испытания наблюдается падение нагрузки, различают верхний отв и нижний охн пределы текучести.

Верхний предел текучести является наибольшим напряжением перед первым падением растягивающей нагрузки при увеличивающем удлинении.

Нижний предел текучести - наименьшее напряжение, при котором возникает явление текучести. При этом не стоит принимать во внимание колебания вследствие инерционности аппаратуры для измерения нагрузки.

Внезапное падение нагрузки на площадке текучести объясняют особенностями кинетики движения и размножения дислокаций в этих материалах.

При достижении верхнего предела текучести происходит отрыв отдельных дислокаций от блокирующих их чужеродных атомов (например, В, С и N в сталях). В начале пластической деформации незакрепленных - подвижных - дислокаций относительно немного, поэтому для того, чтобы образец растягивался со скоростью деформации, заданной перемещением захвата испытательной машины, они должны перемещаться с большой скоростью. Это обеспечивается интенсивным размножением дислокаций, требующим сравнительно высокого приложенного напряжения («зуб» текучести).

Затем при скачкообразном увеличении числа свободных дислокаций они уже могут двигаться с заметно меньшей скоростью (но при этом их суммарное перемещение будет достаточным для обеспечения заданной машиной скорости деформации). Так как скорость движения дислокаций пропорциональна действующей растягивающей нагрузке, то происходит падение нагрузки до нижнего предела текучести. Последующий горизонтальный участок кривой о-в, называемый площадкой текучести, характеризуется распространением полос скольжения (полос Людерса).

В полимерных материалах при удлинении > 0,1...0,5 % возникает скольжение цепей молекул. Для материалов типа пластомеров в вязком состоянии после снижения нагрузки, возможно, наблюдается текучесть вследствие вытягивания макромолекул. В этом случае также говорят о пределе текучести.

Возможно определение верхнего предела текучести отв в качестве технически используемой характеристики, хотя она значительно сильнее, чем другие характеристики, устанавливаемые при испытании на растяжение, зависит от условий эксперимента, в частности от формы образца и жесткости применяемых испытательных машин. Для материалов без четко выраженного предела текучести определяют условный предел текучести, который соответствует остаточной деформации 0,2 % (00,2).

При превышении предела текучести напряжение возрастает при одновременном увеличении деформации. Если способность к деформации образца исчерпана, наступает разрушение, которое может происходить (в зависимости от характера материала) или в области поднимающейся части кривой напряжение - деформация, или после превышения максимальной нагрузки. Самые высокие нагрузки Fmах, определенные в обоих случаях и отнесенные к начальному поперечному сечению, называют вре- менным сопротивлением при растяжении ов, Н/мм :

Если разрушение происходит в понижающейся части кривой о-в, можно определить другой показатель - условное сопротивление разрыву при растяжении gr, Н/мм :

Этот показатель применяют прежде всего для полимерных материалов; для металлов он представляет интерес только при фундаментальных металлофизических исследованиях. В качестве характеристики механических свойств качественных сталей часто приводят отношение предела текучести к временному сопротивлению отв или оод/ав.

Кроме перечисленных характеристик прочности, при испытаниях на растяжение определяют также характеристики пластичности: относительное удлинение после разрыва 5 и относительное сужение после разрыва vj/, а также удельную работу деформации образца при испытании до разрушения Ws.

Под относительным удлинением после разрыва 5 понимают отношение приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине Ь0:

где L - конечная расчетная длина образца после растяжения до разрыва.

Этот показатель состоит из равномерного и сосредоточенного удлинения. В то время как равномерное удлинение приводит к равномерному уменьшению поперечного сечения по всей расчетной длине, сосредоточенное удлинение, происходящее после превышения максимальной нагрузки, соответствует образованию шейки с существенно уменьшенным поперечным сечением в узко ограниченной области (рис. 7.7). На основе законов подобия Кика значения относительного удлинения после разрыва образцов с различным поперечным сечением сравнимы, если соотношение между расчетной длиной L0 и поперечным сечением образца А0 постоянно.

Внешний вид образцов после растяжения с равномерным и сосредоточенным удлинением

Рис. 7.7. Внешний вид образцов после растяжения с равномерным и сосредоточенным удлинением

Исходя из этого, установлены размеры пропорциональных образцов, применяемых для испытаний металлических материалов. Относительное удлинение после разрыва длинного пропорционального образца (L0 = 10do) обозначается 8ю, а для короткого пропорционального образца (Х0 = 55.

Между обоими показателями имеет место соотношение

При практическом определении относительного удлинения после разрыва не различают равномерной сосредоточенной деформации, а устанавливают более остаточное увеличение длины образца.

Чтобы определить абсолютное удлинение, необходимо на концы расчетной длины нанести метки, а после окончания испытания разорванные части образца аккуратно сложить друг с другом и измерить расстояние между метками.

Правильные значения удлинения после разрыва получают только в том случае, если расстояние от места разрыва до ближайшей метки на коротких пропорциональных образцах составляет не менее 7з, а на длинных - не менее V5 расчетной длины.

Наиболее высокие значения удлинения получают при разрыве образцов посередине расчетной длины, так как в этом случае деформация обеих половин образца симметрична (рис. 7.8).

Деформация образца, разорвавшегося в середине расчетной длины (а) и вне ее (б)

Рис. 7.8. Деформация образца, разорвавшегося в середине расчетной длины (а) и вне ее (б)

Для того чтобы определить относительное удлинение после разрыва образцов, разрушившихся вне указанных границ, применяют следующий способ.

На расчетную длину образца перед испытанием на равном расстоянии наносят N (чаще всего 10 или 20) делений (рис. 7.9). После испытания последнее деление на короткой части образца обозначают буквой А, а равноудаленное от места разрыва деление на длинной части образца - буквой В. Если п - число делений между А и В9 то относительное удлинение после разрыва можно определить следующим образом:

а) (N—ri) — четное число:

б) (N—ri) — нечетное число:

Для высокополимерных материалов подобное деление расчетной длины не применяют. При проведении испытания этих материалов часто используют направленно литые образцы, в которых уже при их изготовлении осуществляется ориентировка макромолекул. Это способствует тому, что разрыв происходит на конце расчетной длины в месте, обычно обуславливаемом технологией изготовления образцов.

Далее определяют для этих материалов сосредоточенное относительное удлинение после разрыва, соответствующее условному сопротивлению разрыва

Для математически обоснованного описания испытаний на растяжение в настоящее время предлагают определять характеристику eR как деформацию разрушения также и для металлических материалов.

Во время испытаний происходит изменение поперечного сечения Определение относительного удлинения после разрыва, происшедшего не посередине образца

Рис. 7.9. Определение относительного удлинения после разрыва, происшедшего не посередине образца

Относительное сужение, %, после разрыва образца

где Ав- поперечное сечение в месте разрыва.

Для круглых образцов

а для образцов прямоугольного сечения (рис. 7.10)

Определение поперечного сечения в месте разрыва образца прямоугольного сечения после испытания на растяжение

Рис. 7.10. Определение поперечного сечения в месте разрыва образца прямоугольного сечения после испытания на растяжение

По кривой напряжение - деформация можно также определить

о

удельную работу изменения формы, Н-мм/мм , совершаемую при деформации образца на испытательной машине:

Значение Ws определяют или путем планиметрирования площади, ограниченной кривой напряжение - деформация, или по величинам временного сопротивления при растяжении и относительного удлинения после разрыва с помощью соотношения

Сомножитель ^ < 1 называют коэффициентом полноты. При упругом нагружении получаем

а при 8ei= <зЕ / Е, соответственно,

Характеристики прочности, получаемые при испытании на растяжение, играют существенную роль при определении геометрических размеров статически нагруженных элементов несущих конструкций.

Модуль упругости определяет жесткость строительных сооружений и геометрическую устойчивость деталей машин и механизмов. Для предотвращения выхода их из строя вследствие пластической деформации или разрушения необходимо, чтобы действующие в конструкции напряжения были ниже предела текучести. Определение этой величины может также найти применение при выборе коэффициентов запаса, используемых в расчетах или эмпирических зависимостях в качестве меры уменьшения показателей предела текучести, временного сопротивления или условного сопротивления разрыву при растяжении, причем в существующей практике коэффициенты запаса прочности для разных материалов сильно различаются.

Характеристики пластичности при растяжении - относительное удлинение после разрыва, относительное сужение после разрыва и удельную работу деформации при испытании до разрушения - используют в качестве показателей, обусловливающих в какой-то мере вероятность хрупкого разрушения, а также для оценки обрабатываемости материалов. Показатель Ws / имеет большое значение для определения геометрических размеров пружин.

Применяемые машины и приспособления

Для проведения испытаний на растяжение образец закрепляют в захватах испытательной машины и растягивают до разрыва, измеряя нагрузку и удлинение образца. Поэтому машины, предназначенные для испытаний на растяжение, устроены так, что расстояние от одного захвата до другого можно увеличивать, причем один из них непосредственно связан с динамометром, а другой - с движущейся траверсой. Удлинение измеряют или по движению траверсы, или с помощью соответствующего измерительного прибора прямо на образце. Принципиальное устройство подобных управляющих деформацией образца испытательных машин представлено на рис. 7.11.

Нагрузки, создаваемые приводом, передаются через траверсу на образец. Движение осуществляется по отношению к станине, воспринимающей действующие нагрузки. В возникающую при этом силовую цепь включен электронный силоизмеритель.

Для измерения удлинения служит индуктивный или емкостный датчик, который устанавливают непосредственно на испытываемом образце.

Запись диаграммы нагрузка - удлинение производят с помощью двухкоординатного самописца.

Устройство испытательной машины на растяжение

Рис. 7.11. Устройство испытательной машины на растяжение: 1 - траверса; 2 - шпиндель; 3 - захваты; 4 - станина; 5 - силоизмерительное устройство; 6 - приводной механизм шпинделя; 7 - вращающаяся гайка для передвижения траверсы;

1о - расчетная длина растягиваемого образца

Для создания нагрузки применяют системы с механическим или гидравлическим приводом. Обычно испытательные машины с максимальной нагрузкой менее 105 Н имеют механический привод, а с максимальной нагрузкой более 105 Н - гидравлический. В случае механического привода (рис. 7.11) движение траверсы I осуществляется от двух шпинделей, которые приводятся во вращение с помощью червячного колеса и червяка или зубчатой передачи. Перемещение траверсы обеспечивается вращающимися гайками 7, установленными в движущейся траверсе. Между электромотором и шпиндельным механизмом встроена коробка передач, с помощью которой регулируют скорость перемещения траверсы и, соответственно, движущегося захвата.

Гидравлическое приводное устройство состоит из цилиндра, поршня и реверсивного вентиля. Для создания давления в цилиндре применяют регулируемый насос, работающий от электромотора. Путем соответствующей настройки этого насоса регулируют его производительность и отсюда скорость подачи поршня, который также связан с движущейся траверсой.

Следует заметить, что в описанных выше управляющих деформацией испытательных машинах приблизительно равномерную скорость перемещения захвата и, соответственно, постоянную скорость деформирования образца можно получить только при использовании механического привода. В гидравлических машинах этого невозможно достичь без дополнительного регулятора.

Так как соотношение между напряжением и деформацией зависит от скорости, для гарантии воспроизводимости получаемых характеристик испытание на растяжение следует производить с постоянной скоростью.

Для упругой области достаточно поддерживать заданную скорость увеличения напряжения. При определении показателей сЕ и от для стали нельзя, например, превышать 10 Н/(мм *с), что для области, в которой справедлив закон Гука, соответствует скорости деформации 0,005 %/с. В пластической области скорость деформации зависит от испытываемого материала и условий испытания, которые определяются конструктивными особенностями привода, захватов, силоизмерителя, а также части образца за пределами расчетной длины. Так как при движении траверсы на расстояние ST под действием нагрузки удлиняется не только образец Sp, но упруго деформируются пропорционально нагрузке все части машины SM, то

Такое же выражение можно записать для скоростей:

Расстояния или деформации относятся как скорости, поэтому для скорости деформации образца получим

или

При условии линейной зависимости между нагрузкой и деформацией вместо величин деформации можно ввести также податливость N (величину, обратную коэффициенту жесткости):

Из уравнения (7.41), зная податливость машины и применяемые размеры образца, вычисляют необходимую скорость увеличения напряжения, чтобы получить в зоне текучести определенную скорость деформации.

В этом случае требуется рассчитать податливость испытательной машины для обычно используемой формы образцов, захватов и области применяемых нагрузок, а также дополнительно проверить зазоры.

Испытательные машины с замкнутым контуром регулирования

Рис. 7.12. Испытательные машины с замкнутым контуром регулирования:

1 - устройство для измерения силы; 2 - испытуемый образец; 3 - устройство для измерения длины; 4 - привод; 5 - фактическая величина о; 6 - фактическая величина е; 7 - сравнение; 8 - заданная величина а; 9 - заданная величина г; 10 - счетчик заданных величин о и в

При испытании стали податливость образца почти всегда отличается от податливости испытательной машины. Только при этом условии возможны точные исследования в области текучести. Фиксация появления площадки текучести, не зависящего от испытательной машины, возможна только в том случае, если последняя обнаруживает незначительную податливость (жесткие испытательные машины). Подобное требование может быть обеспечено конструктивно при создании машин с очень жесткой станиной, а также путем предварительного нагружения упругих элементов, встроенных в цепь с образцом. Жесткость мягких испытательных машин с большой податливостью можно увеличить ввинчиванием образца в цилиндр из материала с высоким пределом упругости и нагружать образец вместе с ним.

Испытательные машины (рис. 7.12), обеспечивающие постоянную скорость деформации и непрерывный переход от упругой к пластической области, измеряют деформацию электронным измерителем удлинения, установленным непосредственно на образце, и преобразуют полученный сигнал в электрический для сравнения с заданным значением. Испытательные машины этого вида называют машинами с замкнутым контуром регулирования.

Если значения не совпадают, скорость привода с помощью регулирующей системы испытательной машины изменяется, пока сигнал ошибки не станет равным нулю (скорость деформации снова соответствует заданному значению).

Определение условного предела текучести

Для определения условных пределов упругости и текучести оод необходимы точные измерения деформации. Классическим измерительным прибором является зеркальный прибор Мартенса.

Если величина предела упругости примерно известна, измерительный прибор устанавливают на образец и начальный отсчет берут при нагрузке, составляющей ~90 % от нагрузки, которая соответствует ожидаемому пределу упругости. После повышения нагрузки ее поддерживают постоянной в течение 10 с, пока не стабилизируются показания измерителя деформации. Затем образец разгружают и измеряют остаточную деформацию.

Подобный процесс повторяют, повышая каждый раз напряжение от 100 до 200 Н/мм до получения требуемой остаточной деформации.

Если величина предела упругости неизвестна, начало ступенчатого нагружения нужно установить следующим образом. Поскольку в упругой области одинаковым значениям прироста нагрузки всегда соответствует постоянное приращение общей деформации, превышение этого значения приращения свидетельствует о достижении области микропластичности. После достижения этой области начинают последовательно нагружать и разгружать образец.

Таким же образом, т. е. путем последовательного нагружения и раз- гружения, определяют условный предел текучести (рис. 7.13). Применяемые при этом измерительные приборы должны обеспечить определение приращения, составляющего 0,05 % от измеряемой длины, но не меньше 0,01 мм.

Определение предела текучести с2 путем последовательного нагружения и разгружения

Рис. 7.13. Определение предела текучести с0>2 путем последовательного нагружения и разгружения

Для этого используют механические тензометры со стрелочными индикаторами. Для проведения описанных испытаний с многократным разгружением требуется много времени, поэтому на результаты измерений могут влиять процессы, протекающие в материалах (например, старение или ползучесть).

В связи с этим для определения условных пределов упругости и текучести целесообразно использовать новые методы. С помощью электронного измерителя деформации (рис. 7.14) можно определить условные пределы упругости и текучести как напряжения, соответствующие заданной величине деформации на записанной кривой (рис. 7.15).

Для их определения проводят линию, параллельную прямой Гука при заданной величине допуска пластической деформации. Точка пересечения этой прямой с записанной при испытании кривой дает нагрузку, а после расчета - напряжение, соответствующее условному пределу упругости или текучести. Для их определения по кривой нагрузка - удлинение при однократном нагружении, без промежуточных разгрузок, необходимо оборудовать применяемые испытательные машины регистрирующими измерителями нагрузки и удлинения (рис. 7.16).

Более старые машины, не имеющие электронных измерителей нагрузки и деформации, также можно дооборудовать регистрирующими приборами для измерения нагрузки и удлинения.

Индуктивный прибор для измерения деформации (инженеры Холле, Магдебург)

Рис. 7.14. Индуктивный прибор для измерения деформации (инженеры Холле, Магдебург)

Определение условных пределов упругости и текучести о,ш и оо,2 по диаграмме напряжение - деформация при однократном нагружении

Рис. 7.15. Определение условных пределов упругости и текучести о0,ш и оо,2 по диаграмме напряжение - деформация при однократном нагружении

Схема регистрации нагрузки и деформации

Рис. 7.16. Схема регистрации нагрузки и деформации: 1 - растягиваемый образец; 2 - датчик деформации; 5 - усилитель; 4 - регистрирующий барабан; F - регистрация нагрузки; AL - регистрация удлинения

Изготовление образцов и их форма

Под образцом понимают часть заготовки, которая в необработанном или определенным образом обработанном состоянии подвергается испытанию.

Заготовкой называют часть полуфабриката или готового изделия, предназначенного для отбора образца с целью проведения испытания. При изготовлении образца из заготовки следует обращать внимание на то, чтобы не изменить свойства материала. Поэтому рекомендуется для обработки применять специальный режущий инструмент. Иногда для вырезки металлического образца можно использовать кислородную резку или ножницы для резки листового материала, если предусмотрен припуск на последующую механическую обработку не менее 20 мм, чтобы удалить слои металла с измененными в результате такой резки свойствами.

Если поверхность образца шлифуют, следует обратить внимание на хорошее охлаждение, так как при шлифовке возможен местный нагрев, который может повлиять на свойства исследуемого материала.

При отборе заготовок для образцов от поковок последние изготавливают с утолщением в заранее оговоренных местах, и образцы вырезают из этих мест. Место отбора образца должно быть по возможности так расположено на поковке, чтобы оно охватывало место, наиболее нагружаемое в последующей эксплуатации. В литье образец изготавливают из заготовки, поперечное сечение которой должно соответствовать среднему сечению литых деталей из этого материала.

При проведении испытаний на растяжение следует учитывать, как был вырезан образец - из изделия или заготовки. Во избежание путаницы образцы на торцовой поверхности необходимо клеймить.

Для испытаний на растяжение используют различные типы образцов (рис. 7.17). Образцы с гладкими головками (например, рис. 7.17, а) закрепляют в прижимных губках захватов испытательной машины. Для точных измерений деформации малыми допусками целесообразно применять образцы с резьбовыми головками или с заплечиками, чтобы гарантировать тугую посадку в захватах.

Образцы полимерных материалов изготавливают или выборкой из больших фасонных деталей, или непосредственным формообразованием при помощи прессования, литья под давлением и экструзии. При определении механических свойств следует учитывать возможную анизотропию.

Для испытаний листов толщиной менее 5 мм применяют плоские образцы (рис. 7.17, б). Мелкие профили, трубы, штанги, фасонный и полосовой прокат можно испытывать необработанными. На концах тонких труб устанавливают заглушки.

Образцы для испытаний на растяжение

Рис. 7.17. Образцы для испытаний на растяжение: а - металлический образец с гладкой цилиндрической головкой (do - диаметр образца; 10 - расчетная длина образца; d - диаметр головки, d ~ 1,2do; Lv - длина образца, LV = L0 + d0; Lt- общая длина; h - высота головки); б - плоский металлический образец (а - толщина образца; b - ширина образца; В - ширина головки, В = 1,2b - Ъ мм; И - высота головки, h * - 10 мм); в и г - полимерные плоские образцы материала

Образцы для испытаний на растяжение с острым надрезом или наведенной усталостной трещиной

Рис. 7.18. Образцы для испытаний на растяжение с острым надрезом или наведенной усталостной трещиной: А - усталостная трещина

Для испытания на растяжение полимерных материалов (типа пла- стомеров) применяют образцы с заплечиками (рис. 7.17, в, г), а для эластомеров - цилиндрические образцы (рис. 7.17, а).

Для определения механических свойств материалов при объемном напряженном состоянии используют образцы с острым надрезом или с наведенной усталостной трещиной (рис. 7.18). Применение таких образцов особенно необходимо при проведении испытаний по методикам, разработанным в области механики разрушения.

Можно также подвергать испытаниям готовые элементы конструкций, такие как тросы, цепи или сварные и клепаные соединения. Для испытания корабельных цепей и канатов используют горизонтальные испыта-

и

тельные машины с длиной хода 7 м и растягивающей нагрузкой более ЮН.

Испытание на растяжение при высоких и низких температурах

При температуре, отличной от комнатной, образцы в течение всего процесса испытания должны иметь требуемую температуру испытаний. Для горячих испытаний на растяжение применяют электрические нагревательные печи с воздушной атмосферой, в которых с помощью необходимой циркуляции воздуха поддерживают постоянную температуру с максимальным отклонением ±2 °С. В определенных случаях надежны жидкие ванны с электрическим обогревом.

Для исследований при низких температурах применяют холодильные камеры, которые соединяются с холодильной машиной или с сосудом с жидким азотом.

При горячих испытаниях на растяжение для определения прочностных свойств образец нагревают до требуемой температуры и растягивают до достижения предела текучести, определенной степени пластической деформации или до разрыва. При этом определяют следующие характеристики: предел текучести as/T; временное сопротивление oB/j; относительное сужение после разрыва ff, предел упругости аеы/т9 относительное удлинение после разрыва 65/7 или аю/т(Т- температура испытания).

Следует иметь в виду, что величины свойств, полученные при горячих испытаниях, сильно зависят от скорости нагружения. На этом основании при определении физического или условного предела текучести устанавливают такую скорость нагружения, чтобы в каждый момент испытания увеличение деформации составляло бы 0,3 % расчетной длины в 1 мин или повышение напряжения 300 Н/мм в 1 мин. При этом исходят из того, что горячие испытания заканчиваются через определенное время, обычно через 20 мин. Так как это не всегда возможно, определяемые значения прочности представляют графически в зависимости от продолжительности опыта и интерполируют на выдержку 20 мин. Длину LB и площадь наименьшего сечения измеряют на охлажденном образце.

На рис. 7.19 показано, как изменяются диаграммы растяжения строительной стали в зависимости от температуры испытания. Так как для этого материала при температуре выше 600 К большое значение приобретает фактор времени, для определения механических свойств при высоких температурах лучше применять длительные испытания.

Кривые напряжение - деформация для строительной стали при температуре Т, К

Рис. 7.19. Кривые напряжение - деформация для строительной стали при температуре Т, К: а - 300; б - 400; в - 500; г - 600; д - 700; е - 800

На рис. 7.20 показано влияние низких температур на вид кривых напряжение - деформация для титана.

Кривые напряжение - деформация для титана при температуре Т, К

Рис. 7.20. Кривые напряжение - деформация для титана при температуре Т, К:

1 - 300; 2 - 200; 3 - 80; 4 - 4

Прерывистое скольжение, возникающее при температуре жидкого гелия, наблюдается у всех пластичных металлических материалов при их испытаниях на машинах с постоянной скоростью деформации.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >