4.2.2. Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Наиболее часто применяют испытание на растяжение, позволяющее по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла и сплава.

При испытании на специальных разрывных машинах (ГОСТ 7855- 68) с механическим или гидравлическим приводом образец растягивают двумя равными и противоположными силами, приложенными к его оси. Машины снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжений в координатах «нагрузка  деформация».

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497-84)  цилиндрические диаметром от 3 мм и более или плоские толщиной от 0,5 мм и более, рис. 4.1. Плоские образцы обычно применяют для испытаний листовых материалов. Длина расчётной части образца l₀ зависит от площади поперечного сечения F₀. Расчётную длину образца выбирают по формуле l₀=5,65 (F₀)^1/2 (короткий образец) или l₀=11,3(F₀)^1/2 (длинный образец). Перед испытанием на образцы наносят расчётную длину l₀ неглубокими кернами, рисками или другими метками.

Зависимость между силой и абсолютной деформацией записывают с помощью диаграммного аппарата машины или отдельного двухкоординатного потенциометра в виде диаграммы растяжения. Однако зависимость между удлинением и нагрузкой будет меняться с изменением размера образца. Для того чтобы ис-

Рис. 4.1 Цилиндрические образцы для испытания на растяжение

ключить влияние размеров образца на характер диаграмм, т.е. для получения удельных механических характеристик, эти первичные диаграммы перестраивают в координатах (P/F₀)  (l/l₀), где P  растягивающая сила; F₀  исходное сечение в расчётной части образца до испытания; l  абсолютное удлинение; l₀  расчётная длина до испытания. Следует заметить, что полученные механические свойства являются условными, так как усилие в соответствующей точке относится к исходному поперечному сечению образца F_0. На диаграмме условных напряжений нагрузка после достижения максимального значения понижается, как будто образец разупрочняется. В действительности это не так. При испытании образца наблюдается неравномерное его растяжение, образование «шейки» вблизи места разрыва. Для построения диаграммы истинных напряжений необходимо нагрузку разделить на сечение образца, измеренное при этой нагрузке.

Наиболее типичные три типа диаграммы растяжения, рис. 4.2. Для большинства пластичных материалов (например, легированные стали, медь, бронза) характерна диаграмма растяжения с постепенным переходом от упругой в пластическую область (рис. 4.2, а). Для некоторых пластичных материалов (например, низкоуглеродистая сталь) свойственна диаграмма растяжения с переходом в пластическую область в виде чётко выраженной площадки текучести (рис. 4.2, б).

При разрушении образцов, изготовленных из малопластичных материалов, разрушающихся при малых остаточных деформациях (например, закалённая и низкоотпущенная сталь, чугун и др.), характерно хрупкое разрушение (рис. 4.2, в).

а) б) в)

Рис. 4.2 Диаграммы растяжения:

а  диаграмма материала значительной пластичности; б  диаграмма со скачкообразным переходом из упругой в пластическую область; в  диаграмма материала в хрупком состоянии

Рис. 4.3 Характерные точки на диаграмме растяжений, по которым рассчитывают характеристики прочности

1  диаграмма истинных напряжений; 2  диаграмма условных напряжений

Для определения механических свойств на диаграмме растяжений отмечаются характерные точки, по которым определяют: предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, временное сопротивление разрыву, истинное сопротивление разрыву, рис. 4.3.

Для упругой области нагружения характерна прямая пропорциональная зависимость между P и l (участок ОР_пц на рис. 4.3). Это означает, что изменение длины образца прямо пропорционально нагрузкам. Основной характеристикой прочности в этой области является модуль продольной упругости Е (модуль Юнга), определяемый тангенсом угла наклона, упругой линии диаграммы растяжений Pl. Приближённо величину Е можно рассчитать делением задаваемого прироста напряжения на каждой последовательной ступени нагружения на среднюю величину приращения относительной, упругой деформации в той области, где сохраняется постоянство этой характеристики. Приращение деформации измеряют тензометрами большой точности и чувствительности. В настоящее время величину Е определяют не при растяжении по ГОСТ 1497-84, а различными динамическими способами.

Условное наибольшее напряжение, задаваемое с определённым допуском, до которого деформация прямо пропорциональна нагрузке, называется пределом пропорциональности. Зная нагрузку Р_ПЦ и начальную площадь поперечного сечения образца F_0, рассчитывают предел пропорциональности _ПЦ:

_ПЦ = Р_ПЦ / F_0. (4.1)

При определении предела пропорционально­сти допускается некоторая условность, связанная с трудностью точного определения значения на­грузки, которая соответствует пределу пропор­циональности. Величину _ПЦ определяют непо­средственно по показаниям зеркального тензо­метра при последовательном нагружении образца или графическим методом по машинной диа­грамме растяжения. Графический метод пригоден только в тех случаях, если масштаб диаграммы по оси деформации не менее 50 : 1 и по оси нагрузки  не более 10 МПа/мм. При определении _ПЦ гра­фическим методом проводят прямую ОМ, совпа­дающую с условно прямолинейным участком диа­граммы, рис. 4.4. На этой прямой откладывают отрезок Kn, равный половине отрезка ТК. Точки n и O соединяют прямой и параллельно этой пря­мой проводят касательную CD к кривой растяже­ния. Точка касания прямой CD с диаграммой рас­тяжения и есть Р_ПЦ.

Условное напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% (иногда меньше  0,005%) от расчётной длины образца, называется пределом упругости. Допуск указывается в обозначении предела упругости (например, _0,05,_0,02). Зная нагрузку Р_УПР и начальную площадь поперечного сечения образца F_0, рассчитывают предел упругости _УПР:

_УПР = Р_УПР / F_0. (4.2)

При определении _УПР графическим методом расчёт ведут аналогично случаю с _ПЦ, рис. 5.5.

Условное напряжение, при котором деформация образца происходит без заметного увеличения роста нагрузки, называется физическим пределом текучести. Положение площадки текучести ss на диаграмме растяжения определяет нагрузку Р_Т, знание которой позволяет рассчитать физический предел текучести _Т :

_Т = Р_Т / F_0. (4.3)

Условное напряжение, при котором остаточная деформация (удлинение) достигает 0,2% от расчётной длины образца, называется условным пределом текучести. Его определение целесообразно, когда на диаграмме растяжения нет ярко выраженной площадки текучести, тогда находят нагрузку Р_0,2, аналогично приведенной ранее методике, рис. 5.6. Зная нагрузку Р_0,2 и начальную площадь поперечного сечения образца F_0, рассчитывают условный предел текучести _0,2:

_0,2 = Р_0,2 / F_0. (5.4)

Величины _ПЦ, _0,05, _Т, _0,2, характеризуют сопротивление малым пластическим деформациям. Сопротивление значительным пластическим деформациям характеризуются временным сопротивлением. Обычно максимальная нагрузка в этом случае совпадает с началом образования шейки на образце.

Рис. 4.5 Схема примерного определения предела упругости по диаграмме растяжения

Рис. 4.6 Схема определения условного предела текучести по диаграмме растя­жения

Отношение наибольшей нагрузки P_В, отмеченной за время испытания, к первоначальной площади поперечного сечения образца F₀, называется временным сопротивлением (или пределом прочности) _В:

_В = Р_В / F_0. (4.5)

Отношение нагрузки в момент разрыва образца P_К к площади поперечного сечения в шейке образца после разрыва F_К называется истинным сопротивлением разрыву S_К:

S_К = Р_К / F_К. (4.6)

Пластические свойства материалов при растяжении оценивают по значениям относительного удлинения  и относительного сужения  образцов после разрыва.

Относительным удлинением образца называется отношение приращения расчётной длины образца после разрыва к первоначальной расчётной длине, выраженной в процентах:

 = [(l_К  l₀)/l₀] 100%, (4.7)

где l_К  длина расчётной части образца после разрыва. Для её определения разрушенные части образца плотно складываются так, чтобы их оси образовывали прямую линию.

Относительным сужением образца называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади, выраженное в процентах:

 = [(F₀  F_К)/F₀] 100%, (4.8)

где F_К  площадь поперечного сечения после разрыва.

Для определения относительного сужения измеряют минимальный диаметр образца после разрыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По среднему арифметическому из полученных значений рассчитывают площадь поперечного сечения F_К.

Определение механических свойств металлов и сплавов имеет важное значение и широко используется в промышленности. В качестве обязательных контролируемых свойств, при сдаче готовой продукции металлургических заводов, являются характеристики: временное сопротивление разрыву (предел прочности) _В, предел текучести _0,2, относительное удлинение , относительное сужение .