Испытание на растяжение
Основой выбора материала для деталей конструкционного назначения являются механические свойства. Конструкционная прочность изделий в условиях изменяющегося сложнонапряженного состояния может быть определена только на стенде, однако для конструкторских расчетов используются данные, полученные при испытаниях материалов на стандартных образцах и постоянной схеме напряженного состояния. Одним из таких методов испытаний является метод статических испытаний на растяжение, позволяющий определить отдельные критерии прочности и надежности материала.
Испытания на растяжение регламентирует ГОСТ 1497-84 (в редакции I990 г.). Сущность метода заключается в одноосном нагружении образцов специальной формы и размеров (рис. 3.1) растягивающим усилием с определенной скоростью и записью на диаграммной ленте кривой Р – D l , где Р- усилие нагружения, D l – абсолютное удлинение образца (рис. 3.2 а).
Рис. 3.1. Форма и размеры образцов для испытаний на растяжение:
а – цилиндрический; б – плоский
Для определения механических свойств применяются следующие характеристики образцов:
- рабочая длина образца ( l ) – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата;
- начальная расчетная длина образца ( l 0) – участок рабочей длины образца между метками, нанесенными до испытания, на котором определяется удлинение;
- конечная расчетная длина образца ( l k) – длина расчетной части после разрыва образца;
- площадь поперечного сечения образца после разрыва (Fk) – минимальная площадь поперечного сечения расчетной части образца после разрыва
Рис. 3.2. Диаграммы растяжения: а) машинная диаграмма;
б) в условных напряжениях; в) в истинных напряжениях;
1,2,3 – для хрупких, обычных и пластичных материалов, соответственно
Такой переход возможен ввиду однородного напряжённого состояния по всему сечению образца с преобладанием нормальных напряжений и коэффициентом жесткости нагружения равным 0,5 (k=tmax/smax где – s max , t max – максимальные значения растягивающих и касательных напряжений). Кривая (2) (рис. 3.2, б) построена в условных напряжениях, т.к. все возрастающая нагрузка делится на первоначальную площадь поперечного сечения образца Fо в условиях равномерного удлинения расчетной длины образца. Однако после достижения усилия Рmax начинается этап сосредоточенного удлинения с уменьшением поперечного сечения образца (образование "шейки"). Если текущую нагрузку делить на соответствующие данному моменту поперечные сечения образца, то осуществляется переход от кривой Р – D l к кривой S-d – диаграмме растяжения в истинных напряжениях (рис. 3.2, в). В пределах упругости кривые растяжения в условных и истинных напряжениях совпадают, при нагрузках, больших чем Pmax, истинные напряжения продолжают расти при падающем усилии нагружения за счет интенсивного уменьшения площади поперечного сечения образца в шейке.
Ввиду трудоемкости определения текущей площади поперечного сечения образца, в практике используются условные напряжения, хотя они дают менее объективную информацию.
Диаграмма растяжения обычных и пластичных материалов в любых координатах состоит из трех участков: ОА – упругая деформация, АВ – равномерная пластическая деформация, ВС – сосредоточенная пластическая деформация "шейки". Для хрупких материалов диаграмма растяжения имеет только участок упругой деформации ОД с разрушением образца в точке Д.
При испытаниях на растяжение определяются характеристики сле-
дующих свойств материалов:
1. Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия усилия;
а) предел пропорциональности– напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между усилием и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации в точке с осью усилий, увеличивается на 50 % от своего значения на упругом (линейном) участке
б) модуль нормальной упругости – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации.
Модуль нормальной упругости характеризует "жесткость" материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия и является коэффициентом пропорциональности в законе Гука.
в) коэффициент Пуассона – отношение величины относительной деформации в поперечном направлении (d1) к относительной продольной деформации (d)
2. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием приложенной нагрузки;
а) временное сопротивление (предел прочности) ,– напряжение, со-
ответствующее наибольшей нагрузке Рmax, предшествующей разрыву образца
б) предел текучести физический – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки
где РТ – нагрузка, соответствующая площадке текучести (кривая 3, рис. 3.2, б);
в) предел текучести условный – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от рабочей длины образца (кривая 2, рис. 3.2, б)
г) истинное сопротивление разрыву – напряжение, определяемое отношением усилия РК в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва FK
3. Пластичность – способность материала деформироваться без разрушения.
а) относительное удлинение после разрыва – отношение приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине, выраженное в процентах.
б) относительное сужение после разрыва – отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах
Значения механических свойств некоторых марок сталей представлены в таблице 3.2.
При статических испытаниях на растяжение должны соблюдаться следующие определенные условия.
На практике наибольшее распространение получили цилиндрические образцы, относительное удлинение которых зависит от длины и диаметра.
Наиболее часто применяются короткие образцы с кратностью 5.