7

Испытание механических свойств при растяжении. Анализ диаграмм растяжения

Цель работы: Приобретение навыков работы с диаграммами растяжения материалов и определение стандартных характеристик прочности и пластичности.

Теоретические положения

1. Введение

Определение механических свойств металлов при растяжении с небольшими скоростями нагружения является наиболее старым и распространенным способом. При этих испытаниях материалов определяются: упругие свойства; свойства, характеризующие сопротивление малым пластическим деформациям (напряжения начала деформирования); свойства, характеризующие сопротивление большим пластическим деформациям (напряжения временного сопротивления деформированию и напряжение разрушения); свойства, характеризующие равномерную и сосредоточенную пластичность.

Простота (одноосность) напряженного состояния при растяжении сохраняется только до образования шейки (максимальная нагрузка).

В первом приближении макроскопическая связь между нагрузками, действующими на поликристаллическое тело, и вызываемыми ими деформациями изображается диаграммой (рис.1), полученной экспериментальным путем по результатам испытаний на растяжение.

Рис.1 Изменение абсолютного удлинения в зависимости от растягивающей нагрузки при растяжении.

Абсолютное удлинение l меняется в зависимости от нагрузки вначале линейно (ОА на рисунке 1), а затем заметно отклоняется от линейности, что соответствует переходу в область пластических (остаточных) деформаций и характеризуется непрерывным уменьшением тангенса угла наклона кривой к оси абсцисс.

Пластической называют деформацию остающуюся после снятия нагрузки. Величина остаточной деформации в момент разрушения служит мерой пластичности материала. Если величина пластической деформации перед разрушением мала, то материал называют хрупким. В металлах любому виду разрушения (вязкому или квазихрупкому) предшествует пластическая деформация, которая при квазихрупком разрушении очень мала, локализована в микрообъемах и практически не выявляется при обычных методах измерения макродеформации. В этом случае необходимо подобрать такие условия испытания, например, повысить температуру или понизить скорость испытаний, так, чтобы можно было выявить пластичность материала.

Переход в пластическую область обычно обнаруживается не только по прямому признаку - появлению остаточной деформации, но и по уменьшению наклона прямой с увеличением степени деформации (особенно при испытании малопластичных материалов).

Для возможности сравнения результатов испытаний, различных по размерам образцов, а также по ряду других соображений целесообразно установить связь между удельными и относительными величинами, т.е. между условным напряжением  и относительным удлинением .

; , где

P - растягивающая нагрузка (сила);

F₀ - площадь поперечного сечения до испытания.

l - абсолютное изменение длины образца;

l₀ - расчетная длина образца до испытания.

Так как значения P и l делятся на постоянные для данных условий испытания величины, то вид диаграммы, приведенной на рисунке 1, не меняется при переходе от координат P - l к координатам  - .

Прямолинейный участок диаграммы ОА, на котором отношение удлинения к напряжению является постоянной величиной, характеризует упругую деформацию, причем величина этого отношения (/ = Е) определяет "жесткость" материала в виде модуля упругости 1 рода - Е.

Напряжения ниже точки А практически не вызывают измеримой остаточной деформации и относительно этой точки могут быть установлены (с определенным допуском на точность измеряемых деформаций) предел упругости _у , а также предел пропорциональности _пц . Здесь и далее условные напряжения получаются делением соответствующей нагрузки на исходную площадь поперечного сечения образца - F₀ .

Предел упругости _у - условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций заданной величины ( 0,001; 0,003; 0,005% ). Допуск на остаточную деформацию обычно указывается в индексе при _у .

Предел пропорциональности _пц - условное напряжение, соответствующее отклонениям от линейного хода диаграмм деформации (от закона Гука), задаваемым определенным допуском: например, увеличением тангенса угла наклона касательной к диаграмме растяжения на 25 или 50% при переходе от прямолинейного участка к криволинейному.

Для реальных поликристаллических металлов определение _у и _пц связано с большими методическими трудностями, так как включает в себя измерение очень малых остаточных деформаций. Поэтому значительно чаще определяют условный предел текучести _0,2 , соответствующий условному напряжению, при котором остаточная деформация достигает 0,2% от рабочей длины образца. Величину _0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести.

В тех случаях, когда диаграмма деформации имеет площадку текучести (рис 2а), измеряют предел текучести (физический) _т - условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке площадки текучести, когда деформация образца происходит без увеличения нагрузки. Иногда распространение деформации по длине образцов из пластичных материалов при напряжениях, соответствующих площадке текучести, носит волнообразный характер: вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести (рис 2а).

Когда имеется зуб текучести, вводятся понятия о верхнем ^в_т и нижнем ^н_т пределах текучести. Падение деформирующего напряжения, возникающее при этом, свидетельствует о деформационном разупрочнении, которое происходит в результате вырывания дислокаций из атмосфер атомов внедрения - атмосфер Котрелла.

а	б

Рис.2. Диаграмма растяжения металлов, дающих площадку (а) и зуб (б) текучести

Если при испытании образцов на растяжение не образуется шейка (местное локальное сужение поперечного сечения), то образец разрушается при максимальной нагрузке, отвечающей точке В на рисунках 1 и 2. Деление этой нагрузки на площадь начального поперечного сечения дает величину, называемую пределом прочности или временным сопротивлением _в - это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом. В тех случаях, когда окончание растяжения сопровождается образованием шейки, диаграмма деформации подобна изображенной на рисунке 2. Нагрузка в момент разрыва и напряжение, отнесенное к исходному сечению в точке D, могут оказаться меньше, чем напряжение в предыдущий момент растяжения. Однако, и в этом случае временное сопротивление определяется применительно к точке В, т.е. относительно максимальной нагрузки, момент достижения которой совпадает с началом образования шейки, что соответствует переходу от равномерной деформации всей рабочей части образца к сосредоточенной деформации в определенном сечении.

При переходе в область пластических деформаций (правее точки А рисунки 1, 2) изменение сечения образца становится значительным и отнесение нагрузки к исходному (до деформации) сечению не дает истинного значения деформирующих напряжений, а только их условную величину.

Истинные деформирующие напряжения определяются при делении нагрузки, определенной в данный момент времени на минимальную площадь поперечного сечения образца, определенную в тот же момент времени. Истинное напряжение отличается от условного тем сильнее, чем ярче выражена локализация деформации в шейке, т.е. чем сильнее меняется сечение в ходе деформации по сравнению с исходным. В случае хрупких материалов (чугун, закаленная сталь, литые алюминиевые сплавы и т.п.) различие между истинным и условным напряжениями может быть небольшим.

Целесообразно также различать условные и истинные деформации. Отношение изменения длины к начальной длине дает условное удлинение :

,

отношение изменения длины в каждый момент времени к величине длины в каждый момент времени дает величину истинного удлинения е:

где l_к и l₀ - конечная и начальная длины образца.

Величина истинного сужения определяется по формуле:

где F_к и F₀ - конечное и начальное сечения образца;

 -относительное сужение поперечного сечения.