Испытание на растяжение

Цель работы: Изучение поведения материала при растяжении и опытное определение основных механических характеристик пластичного и хрупкого материалов.

Задачи работы:

1.Освоить методику испытаний лабораторных образцов

на расстояние.

2.Экспериментально определить механические характеристики материалов и сопоставить их с теоретическими значениями.

Основные сведения

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом исследования и контроля механических свойств материала. Для испытания на растяжение применяются стандартные образцы, имеющие круглую (рис. 1.1) или прямоугольную форму поперечного сечений.

l₀

Р

l₁

l

ис. 1.1. Образец для испытания на растяжение

d₀ -диаметр образца; l₀ - расчетная длина образца; l₁ - длина

цилиндрической части образца (рабочая); l- полная длина;

d - диаметр головки;

Для получения сравнимых результатов испытаний различных материалов рекомендуется использование нормальных десятикратных образцов, у которых l₀= 10d₀.Возможны короткие образцы: l₀ = 5d₀.

Испытываются образцы на специальных машинах. В процессе испытания устанавливается зависимость между передаваемой на образец нагрузкой Р и его абсолютным удлинением l - диаграмма растяжения (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца

Диаграмма характеризуется следующими отличительными участками:

ОА - прямолинейный участок, соответствующий закону Гука;

АВ - пропорциональность между приращением нагрузки и абсолютным удлинением нарушается, но пластических деформаций еще нет;

ВС - появляются пластические деформации, рост нагрузки замедляется, а затем почти прекращается при одновременном росте деформаций. Явление значительного роста деформаций без заметного увеличения нагрузки называется текучестью, а горизонтальный или почти горизонтальный участок диаграммы называете площадкой текучести.

На стадии общей текучести полированная поверхность образца покрывается сеткой тонких линий, называемых линиями сдвига. Это  следы плоскостей скольжения частиц материала друг относительно друга. Они наклонены к оси бруса под углом, близким к 45°, и практически совпадают с плоскостями действия максимальных касательных напряжений;

СD - называют зоной упрочнения. Материал вновь приобретает свойство оказывать сопротивление нагрузке, но с ростом удлинения образца нагрузка возрастает значительно медленнее, чем на упругом участке;

точка D - соответствует Р_max .Равномерное до этого уменьшение поперечных размеров образца нарушается появлением местного утоньшения - шейки. Деформация образца приобретает местный характер течения материала в области шейки. Однородное до этого напряженное состояние нарушается. В шейке возникает трехосное растяжение, которое часто приводит к появлению микротрещин до того, как образец разрушится.

В связи с быстрым уменьшением диаметра образца в шейке для развития деформаций требуется меньшая нагрузка (участок DЕ), DЕ - зона разрушения, точка Е - разрыв образца.

Если образец нагрузить усилием р_m, причем Р_т< Р_м< Р_в, а затем начать разгружать, то разгрузка будет проходить по прямой М примерно параллельно ОА. После разгрузки деформация образца уменьшится, но полностью не исчезнет.

L = l_ynp - определяет величину исчезающей, т.е. упругой, деформации.

О = l_ост- определяет величину остаточной, т.е. пластической, деформации.

При повторном нагружении образца на диаграмме получается линия М, а затем кривая МDЕ. Следовательно, после предварительной нагрузки изменяются свойства материала: повышаются упругие свойства, но уменьшается пластичность. Явление изменения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называется наклепом.

Полученная диаграмма растяжения в координатах Р -  l является по существу характеристикой образца, изготовленного из определенного материала.

Чтобы получить характеристику только материала, диаграмму растяжения строят в координатах  -  (рис. 1.3), которая называется условной диаграммой растяжения.  и  определяются по формулам :

 = P/F,  = l/l₀.

Э та диаграмма подобна диаграмме в координатах Р  l.

_в

Рис. 1.3. Примерный вид условной диаграммы растяжения для

малоуглеродистой стали

На диаграмме (рис. 1.3) отмечены точки, соответствующие механическим характеристикам прочности:

_пц- предел пропорциональности; _у- предел упругости; _т- предел текучести;

_в - предел прочности.

Для материалов, у которых на диаграмме растяжения отсутствует площадка текучести, вводится условный предел текучести _0,2- напряжение, при котором в образце накапливается остаточная деформация  = 0,2%. Это напряжение соответствует точке С (рис. 1.4), которую можно определить, если отложить

 = 0,002 в масштабе диаграммы и провести прямую НС параллельно ОА.

Рис. 1.4. Примерный вид условной диаграммы растяжения для алюминия

На практике не только предел текучести, но и предел пропорциональности и предел упругости определяются по допускам на остаточную деформацию, так как улавливание положения точек А и В (рис. 1.3) зависит от чувствительности и точности применяемых измерительных приборов.

Характеристиками пластичности материала являются относительное остаточное удлинение образца при разрыве

и относительное сужение площади поперечного сечения образца при разрыве

где l_k - длина рабочей части образца после разрушения; F_ш- площадь поперечного сечения образца в "шейке" к моменту разрыва, а Потребная работа на разрыв образца оценивается удельной работой деформации

а = А/F₀l₀ .

где А - работа, потребная для доведения образца до разрыва, численно равна площади OABCDEF (рис. 1.2). Ее можно вычислить по формуле

A =  P_max l,

- коэффициент заполнения диаграммы.

Например: для малоуглеродистой стали  = 0,8... 0,9

Удельная работа является энергетической характеристикой. Чем больше энергии в состоянии поглотить материал не разрушаясь, тем лучше он будет сопротивляться ударным нагрузкам, поглощая кинетическую энергию.

Диаграмма растяжения для хрупких материалов имеет свои особенности

(рис. 1.5). На диаграмме нет явно выраженного прямолинейного участка, т.е. напряжения не всегда пропорциональны удлинению. Площадка текучести отсутствует. Площадь диаграммы не велика.

Рис. 1.5. Диаграмма растяжения для хрупкого материала (чугун)

Разрушение образца из хрупкого материала происходит внезапно, без образования "шейки" при незначительных удлинениях. Важнейшими механическими характеристиками для хрупких материалов являются: предел прочности, относительное остаточное удлинение и удельная работа

деформации.

Отдельные справочные данные по характеристикам некоторых материалов:

Рис. 1.6. Условные характеристики

а) малоуглеродистая сталь (растяжение);

б) малоуглеродистая сталь (сжатие);

в) серый чугун (растяжение);

г) серый чугун (сжатие).

Свойство	Материал
Весьма пластичные	Чистый свинец Алюминий литой Медь отожженная
Пластичные	Латунь ненагартованная» Железо электролитическое Отожженная малоуглеродистая сталь
Хрупко-пластичные	Закаленная углеродистая сталь (Ст.50) Пружинная и рессорная сталь Ковкий чугун Металлокерамика
Хрупкие и весьма хрупкие	Серый литейный чугун Инструментальная сильнозакаленная сталь (У10 -У12) Белый или зеркальный чугун

Рис. 1.7 Зависимость механических характеристик малоуглеродистой

стали от температуры.

Механические характеристики некоторых материалов

Харак- теристика	Материал
	Сталь					Дюраль Д 6	Алюм. сплав	Латунь	Сте-кло-плас тик-тинк	Дерево
	10	50	40Х		ЗОХГСА					Вдоль воло- кон	Попе рек воло кон
Е10-3 мПа G10-5мПа 		(2,0-2,2) (0,8-0,81] (0,25-0,3)				0,7 0,27 0,32	0,7 0,27 0,35	1,0 0,35 0,35	0,35  	0,1 0,05 	0,006  
вмПа тмПа тмПа  %	340 210 140 31	640 380 220 14		1000 800  10	1100 850  10	180/500 50/380 30/250 8/20	180/250 100/200 60/120 6/23	350/670 140/500 70/260 50/10	400   	30   	   

* В числителе даны характеристики для мягкого состояния материла, в знаменателе - для твердого.