Испытание на растяжение-сжатие. Диаграммы испытаний

Для проведения испытаний на растяжение (ГОСТ 1497-84) используют стандартные образцы круглого или прямоугольного сечения, у которых отношение расчетной длины к диаметру поперечного сечения равно десяти (рис.1.9, а). В случае некруглого сечения вместо диаметра принимают . Если по каким-либо причинам изготовить стандартные образцы невозможно, применяют так называемые пропорциональные образцы – меньшего сечения, но с тем же соотношением размеров (табл.1.2). При испытаниях на малых машинах с автоматической записью диаграммы пользуются малыми (кратными) образцами, у которых (рис.1.9, б). Для испытания листовых материалов используют плоские образцы (рис.1.9, в). Во всех случаях на концах образцов имеются головки для захвата их машиной, форма и размеры которых зависят от конструкции приспособлений для захвата. Между рабочей частью и головками образца обеспечиваются плавные переходы размеров. Поверхность рабочей части выполняется ровной, чистой.

Рис.1.9

Образцы для других видов испытаний материалов (сжатие, срез) имеют круглое или прямоугольное (квадратное) постоянное сечение без головок по концам; соотношение расчетной длины и размеров сечения оговаривается ГОСТ 9017-74, 10180-78, 25503-80 и др. (табл.1.2)

Таблица 1.2. Типы образцов для испытаний

Материал	Образец	Форма образца	Расчетная длина , мм	Поперечные размеры, мм
Растяжение
Сталь	Стандартный	Цилиндр
Короткий	Произвольная	11,3	-
Цилиндр
Пропорциональный	Произвольная	5,65	-
Цилиндр
Сжатие
Чугун		Цилиндр		30...60
Камень		Кубик
Цемент		Кубик
Бетон		Кубик	100; 150	100; 150
Кирпич		Параллелепипед		120х160

Наиболее ценные сведения при изучении характера деформируемости каждого материала можно получить из диаграмм испытания образцов. В процессе его исследования на машине специальным приспособлением записывается диаграмма испытания, связывающая нагрузку на образец с его продольной деформацией . По данным, полученным из опытной диаграммы, или же по результатам наблюдений за опытом строят диаграмму растяжений, т.е. график, связывающий напряжение ( ) с относительной продольной деформацией ( ) во всех стадиях деформирования образца. Диаграмма отражает условные напряжения, так как площадь сечения расчетной части образца принимается постоянной независимо от его удлинения. На диаграмме растяжений (рис.1.10), типичной для пластичного материала (низкоуглеродистой стали) при его растяжении, можно отметить два участка: прямолинейный и криволинейный , а также четыре характерные точки.

Прямолинейный отрезок диаграммы соответствует состоянию материала образца, описываемому законом Гука; наклон прямой к оси абсцисс характеризует степень сопротивляемости материала деформированию в упругой стадии, т.е. его жесткость. В пределах закона Гука тангенс угла наклона прямой к оси e определяется величиной Е: . Точка соответствует его пределу пропорциональности , т.е. наибольшему напряжению, до которого материал следует закону Гука, которое определяется как отношение силы, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, к начальной площади поперечного сечения образца

Рис.1.10 Рис.1.11

Участок диаграммы до точки отражает состояние материала образца, испытывающего только упругие деформации. Эта точка соответствует пределу упругости. Под пределом упругости понимается такое наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций, т.е. после полной разгрузки последняя точка диаграммы совпадает с начальной точкой 0. Численные значения пределов пропорциональности и упругости получаются очень близкими, поэтому при испытаниях часто ограничиваются определением только предела пропорциональности.

Участок диаграммы в окрестности точки - почти горизонтальная прямая (площадка текучести). Это означает, что образец при каком-то значении напряжения способен удлиняться без заметного увеличения нагрузки. Такое состояние материала названо текучестью. При текучести значительно развиваются пластические деформации. При этом у образца повышается температура, изменяются электропроводность и магнитные свойства.

Образование пластической деформации в отдельных кристаллах образца происходит уже в начальной (упругой) стадии испытания. Однако эти деформации настолько малы, что не обнаруживаются обычными приборами для измерения малых деформаций. С увеличением нагрузки пластическая деформация начинает накапливаться в микрообъемах образца, а с наступлением текучести эти очаги пластической деформации, сливаясь, захватывают ужемакрообъемы образца металла. Необратимо деформированные области образца оказывают повышенное сопротивление дальнейшему деформированию (материал упрочняется), и поэтому пластические деформации начинают развиваться в зонах, еще не подверженных этим деформациям. В дальнейшем пластическая деформация, переходя от одной зоны к другой, распространяется на весь объем рабочей части образца. Особенно наглядно фронт распространения пластической деформации вдоль образца можно наблюдать при испытании плоских полированных образцов. На поверхности таких образцов в момент возникновения очагов пластической деформации появляются темные наклонные полосы, которые, как правило, с осью образца составляют углы, приблизительно равные 45⁰ (линии Чернова-Людерса). Эти линии представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие необратимых сдвигов, происходящих в кристаллах под действием наибольших касательных напряжений.

Ордината точки на диаграмме соответствует пределу текучести материала образца. Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит рост деформаций без заметного увеличения нагрузки и определяется как отношение силы, соответствующей точке к начальной площади поперечного сечения образца

Если площадка текучести на диаграмме сильно наклонена к оси абсцисс или не совсем прямолинейна, различают верхний и нижний предел текучести. У материалов, не имеющих на диаграмме явно выраженной площадки текучести (рис.1.11), принимают условный предел текучести , при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2%.

Дальнейшее удлинение образца (участок диаграммы , следующий за площадкой текучести) сопровождается возрастанием нагрузки, правда, менее интенсивным, чем на начальном этапе (участок ). Это означает, что образовавшиеся в период текучести материала новые связи усиливаются, материал упрочняется. Указанный участок диаграммы называется зоной упрочнения.

Точка на диаграмме характеризуется наибольшей ординатой, соответствующей пределу прочности, или временного сопротивления, материала , т.е. отношению максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения

При этом в каком-то из сечений образца обнаруживается наиболее слабое место, в котором начинают концентрироваться пластические деформации, образуя так называемую шейку. Последующий рост деформации образца происходит лишь в результате удлинения суживающейся шейки (участок диаграммы ) и сопровождается постепенным ослаблением сил упругости. Напряжения в сечениях образца несколько снижаются, а в поперечном сечении растущей шейки быстро возрастают, достигая к моменту разрыва наибольшего значения. Сила, соответствующая точке , называется разрушающей , а напряжение – истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), которое равно

где - площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Истинное сопротивление разрыву значительно больше предела прочности . Например, для низкоуглеродистой стали Ст3 =380 МПа; =800...1000 МПа.

Истинное напряжение в месте разрыва образца к моменту его разрыва наиболее полно характеризует силу взаимодействия между частицами перед их отрывом друг от друга. Причем отрыв частиц происходит по центральной части поперечного сечения шейки, остальная часть скалывается под углом 45⁰, с образованием по периметру сечения характерного венчика (рис.1.12, а). Такая форма разрушения наблюдается только у пластичных материалов.

Рис.1.12

Рассмотренные выше пределы пропорциональности и упругости характеризуют упругие свойства материала. Пределы текучести и прочности являются характеристиками прочности материала. Пластичность материала оценивают относительными остаточными деформациями, накопленными образцом до его разрушения: относительным остаточным удлинением

и относительным остаточным сужением площади сечения образца при разрыве

где и - начальные длина и площадь сечения образца; , - длина и площадь сечения образца, измеренные после его разрушения.

Сложенные части разорванного образца из пластичного материала длиннее исходного на величину остаточной деформации. Упругая часть деформации при разрушении образца исчезает. О ее величине можно судить по диаграмме (см. рис.1.10), если спроецировать точку на ось абсцисс по направлению линии (точка ). Наличие в материале упругих деформаций при его работе за пределом упругости подтверждается в опытах наклоном линии к оси абсцисс, которая появится на диаграмме, если в процессе опыта прекратить нагружение и произвести разгрузку образца с той же скоростью. После исчезновения упругой деформации (отрезок ) образец окажется удлиненным на величину остаточной деформации (отрезок ).

Повторное нагружение разгруженного образца позволяет получить укороченную диаграмму , являющуюся продолжением начального участка полной диаграммы. Линия повторного загружения практически совпадает с линией разгрузки . Аналогичная картина наблюдается при разгрузке и повторном загружении образца для любой точки , выбранной на участке диаграммы.

Укороченная диаграмма характерна для образцов, изготовленных из материала, в результате холодной обработки (ковки, штамповки, вытяжки) получившего наклеп (упрочнение материала). Модуль упругости материала при этом практически не изменится, так как линии и почти параллельны, точки и на укороченной диаграмме окажутся намного выше, площадка текучести исчезнет. Это означает, что при наклепе повышаются прочностные свойства материала, но снижаются свойства пластичности и он становится ближе к хрупким материалам, у которых диаграмма испытаний очень короткая, так как образцы разрушаются при весьма малых остаточных деформациях.

Наклеп наблюдается не у всех материалов и даже не у всех металлов, таких, например, как свинец, олово и др. Явление наклепа широко используют в технике – упрочняют детали, подвергая их при изготовлении пластическому деформированию. Например, цепи и канаты подъемных машин подвергают предварительной вытяжке, чтобы устранить остаточные удлинения, которые могут возникнуть во время их работы. Аналогичной обработке подвергают также некоторые виды арматуры железобетонных конструкций, цилиндры гидравлических прессов, турбинные диски, пружины и другие элементы машин и механизмов.

Следует заметить, что после предварительной вытяжки металла в некотором направлении его механические свойства изменяются (металл наклепывается) при работе на растяжение только в том же направлении; при работе на сжатие в этом же направлении его свойства почти не изменяются. Последнее обстоятельство имеет большое значение для материала, который подвергается действию переменных напряжений.

В некоторых случаях явление наклепа является нежелательным. Например, оно встречается во многих технологических процессах – прокатке стержней, резании листового материала, штамповке тонкостенных изделий, пробивании отверстий в листах под заклепки и т.п. Для устранения вредного влияния наклепа материала обычно отжигают или удаляют ту часть материала, которая получила наклеп.

В зависимости от характеристик пластичности материалы подразделяют на пластичные и хрупкие. К хрупким относят материалы с малым относительным остаточным удлинением при разрыве ( ), например чугун, бетон, стекло. Диаграмма растяжения хрупких материалов, например чугуна (рис.1.11), не имеет площадки текучести. Для хрупких материалов при испытании на растяжение определяют в основном только предел прочности . Образец из хрупких материалов разрушается без образования шейки и зон сдвига. В результате отрыва частиц на нем появляется поперечная трещина, способствующая мгновенному разрушению (рис.1.12, б). На поверхности излома видна крупнозернистая структура материала.

Считают, что источником хрупкого разрушения являются различного рода структурные (микроскопические трещины с острыми углами и др.) и возникающие в ходе деформации дефекты. Трещиноподобные дефекты в материале способствуют более быстрому процессу разрушения, так как создают увеличение (концентрацию) напряжений в углах трещины. Концентрация напряжений может появиться и в местах включений, например в сером чугуне около включений графита в виде чешуек. Чтобы избежать концентрации напряжений у таких включений графита, им придают шаровидную форму, что достигается модифицированием чугуна магнием и некоторыми другими элементами. Напряжения, возникающие около концентраторов напряжений, создают благоприятные условия для распространения трещины разрушения по всему сечению, перпендикулярному оси образца.

Деление материалов на пластичные и хрупкие вообще условно, так как механические свойства их зависят от состояния, обусловленного условиями эксплуатации. Пластичные материалы при низких температурах разрушаются хрупко, а хрупкие при высоких давлениях проявляют незаурядные свойства пластичности.

Для испытаний на сжатие изготавливают короткие образцы: для металлов - цилиндры с отношением высоты к диаметру в пределах 1,5...3, для других материалов - кубики (см. табл.1.2). Применение более длинных образцов недопустимо, так как такие образцы могут искривляться и тем самым искажать результаты испытаний. Следует обратить внимание на некоторую условность получаемых результатов из-за наличия сил трения в опорных поверхностях образца. Поэтому стараются ослабить влияние сил трения введением различных смазок или приданием конусной формы торцевым поверхностям образца.

Испытание на сжатие осуществляется обычно при помощи тех же испытательных машин с применением специальных приспособлений (реверсоров).

Диаграмма сжатия пластичных материалов (рис.1.13) на начальном участке практически не отличается от диаграммы растяжения. Модуль упругости, коэффициент Пуассона, пределы пропорциональности, упругости и текучести пластичных материалов при сжатии имеют те же значения, что и при растяжении, поэтому пластичные материалы редко испытывают на сжатие. Деформация сжатия протекает подобно деформации растяжения. Вначале постепенно нарастают упругие деформации, а затем за пределом упругости более интенсивно накапливаются пластичные. Разрушения образцов пластичных материалов не происходит (рис.1.15, а), они постепенно укорачиваются, принимают бочкообразную форму, поэтому предела прочности при сжатии для таких материалов не существует.

У хрупких материалов (чугун, камень, бетон) диаграммы сжатия также однотипны (рис.1.14). Разрушение образцов происходит при малых деформациях. В образцах после некоторого укорочения появляются наклонные (примерно под углом 45⁰) трещины (рис.1.15, б), которые постепенно раскрываются. На диаграмме (рис.1.14) наивысшая точка соответствует появлению первой трещины. Возникновение и раскрытие новых трещин происходит уже при снижающейся на образец нагрузке. Дальнейшее сжатие образца приводит к разрушению, которое начинается выкрашиванием частичек материала из трещиноватых зон, после чего остаются две приторцовые зоны в виде усеченных конусов. Трение по торцовым плоскостям, воспринимающим сжимающую нагрузку, предохраняет эти зоны от разрушения.

Рис.1.13 Рис.1.14

Рис.1.15

При испытании хрупких материалов на сжатие определяют в основном предел прочности как напряжение, соответствующее максимальной нагрузке. Предел прочности при сжатии хрупких материалов, как правило, значительно выше предела прочности при растяжении . Например, для чугуна .

Характер деформации сжатия образцов из древесины зависит от направления нагрузки: вдоль волокон или поперек (рис.1.16). Сопротивление сжатию вдоль волокон значительно выше, чем поперек. Разрушение образцов, нагруженных вдоль волокон, происходит в виде своеобразного излома (рис.1.15, в) в результате потери местной устойчивости стенок ряда волокон древесины, проявляющейся в образовании характерной складки. Оно может также сопровождаться обмятием торцов образца и появлением продольных трещин. Образцы, нагруженные поперек волокон, в упругопластической стадии постепенно сминаются (рис.1.15, г). Разрушающая нагрузка определяется условно. Она соответствует деформации сжатия образца на 1/3 своей первоначальной высоты. Сопротивление древесины сжатию вдоль волокон значительно больше сопротивления поперек волокон (в 8...10 раз).

Испытание пластмасс производится в основном на растяжение. Образцы для опытов формуются или штампуются. Только при использовании волокнистых или слоистых пластмасс они вытачиваются. Диаграммы термопластов, получающих в процессе формования обратимые свойства, напоминают диаграммы пластичных материалов. Диаграммы реактопластов, при отвердении получивших необратимые свойства, ближе к диаграммам хрупких материалов. Реактопласты обладают более высокой прочностью и жесткостью. Свойства пластмасс в значительной степени зависят от наполнителей.

Рис.1.16

На практике часто возникает необходимость оценить механические свойства не материала, а готовой детали. При изготовлении детали свойства материала могут значительно измениться, например, после термообработки. Так как вырезать из детали образец для испытаний, как правило, невозможно, используют косвенный способ оценки предела прочности материала детали по его твердости.

Под твердостью материала понимают его способность оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Метод испытания на твердость относится к неразрушающим методам контроля материала. Для целого ряда материалов установлена корреляционная связь твердости с прочностью, поэтому на практике для определения предела прочности пользуются определением числа твердости, что в ряде случаев имеет свои преимущества. Они могут быть использоваться вне лаборатории. Просто, легко и быстро, без повреждения детали (конструкции), даже с многократной повторностью можно определить твердость, а по ней прочность. И хотя характеристики твердости не используются непосредственно при расчете конструкций, они нашли широкое применение для оценки свойств материала.

Для определения твердости металлов используют несколько способов испытания. Наибольшее применение получили методы определения твердости по Бринеллю ( ), Роквеллу ( ) и Виккерсу ( ). Во всех случаях о величине твердости судят по величине полученного отпечатка. Различие заключается в виде используемого индентора и уровня прикладываемой к нему нагрузки. Выбор метода часто определяется твердостью испытываемого материала. В испытаниях по Бринеллю в поверхность испытываемой детали вдавливается стальной шарик. Число твердости равно отношению силы вдавливания шарика к площади поверхности полученного отпечатка (рис.1.17). При определении твердости стали используется закаленный шарик диаметром =10 мм при силе =30 кН.

. (1.14)

Рис.1.17

Метод Бринелля применяется для металлов и сплавов, твердость которых не превышает 450 единиц. При большей твердости испытываемого материала наблюдается деформация индентора (шарика), что приводит к искажению получаемых результатов. Для сталей существует связь между числом твердости и временным сопротивлением, выражаемая следующим образом:

. (1.15)

Аналогичная пропорциональная связь существует и для цветных металлов.

По методу Роквелла в поверхность исследуемой детали вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120⁰ или стальной шарик диаметром 1,588 мм ( ). При нагрузках 60 и 150 кгс в качестве индентора используется алмазный конус, и определяемая твердость обозначается соответственно и . При нагрузке 100 кгс в качестве индентора используется стальной шарик. Определяемая при этом твердость обозначается . Выбор индентораи нагрузки связан в основном с твердостью испытываемого материала. Мерой твердости является глубина проникновения индентора, которая выражается в условных отвлеченных единицах.

В испытаниях по Виккерсу производится вдавливание в испытываемый объект алмазного наконечника, имеющего форму квадратной пирамиды с углом между противоположными гранями 136⁰. Число твердости по Виккерсуопределяется делением нагрузки в кгс на площадь боковой поверхности получившегося пирамидального отпечатка в мм². Применяются нагрузки 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс. Нагрузка выбирается в зависимости от толщины и твердости испытываемого материала. С помощью оптической системы с большой точностью измеряется диагональ отпечатка . Далее по таблицам находят число твердости или подсчитывают по формуле . Для этого метода, отличающегося высокой точностью измерения диагонали отпечатка, очень важна чистота поверхности образца, которая должна быть достаточно высокой. Важную роль играет также время выдержки под нагрузкой. При обозначении числа твердости по Виккерсу обязательно указывается время выдержки, например, обозначает число твердости 540, полученной при нагрузке 20 кгс, действующей в течение 30 сек.

Определение твердости по Виккерсу является более совершенным, чем определение ее методами Бринелля и Роквелла. К числу основных преимуществ указанного метода следует отнести: полное геометрическое подобие отпечатков в зависимости от прилагаемой нагрузки, т.е. независимость измеренной твердости от величины используемой нагрузки при испытании; возможность определения твердости на азотированных, цементированных поверхностях, а также на тонких листовых материалах; хорошее совпадение значений твердости по Виккерсу и Бринеллю в пределах 100-450 единиц.