4. Испытание на растяжение образцов композиционных сверхпроводников

4.1 Цель работы

Проведение контроля однородности механических свойств Nb₃Sn композиционных сверхпроводников для ИТЭР по длине. Получение навыков проведения испытаний на растяжение. Определение показателей прочности и пластичности сверхпроводников для ИТЭР.

2. Теоретическое введение

Основная проблема получения сверхпроводящих композитов состоит в различии между механическими свойствами структурных составляющих. Это вызывает необходимость изучения механических свойств сверхпроводников на основе Nb₃Sn на различных стадиях изготовления, а также исследования взаимосвязи этих свойств с конструктивными и технологическими параметрами, без знания которых невозможно разработать технологию, надежно обеспечивающую получение технических сверхпроводников с высокими характеристиками. Такие исследования актуальны как с точки зрения совершенствования технологии изготовления сверхпроводников на основе Nb3Sn, так и с точки зрения анализа поведения сложных композиционных материалов в процессе их деформации при изготовлении ТНЭ и диффузионной термообработки секций готового соленоида.

Испытание на одноосное растяжение – самый распространенный вид испытанийдля оценки механических свойств металлов и сплавов.Его производят путем деформации (растяжения) образца с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации. По результатам этих испытаний строится диаграмма растяжения.

Машинная диаграмма растяжения образца представляет собой зависимость нагрузкиР(кГ)от удлинения образца Δl(мм).Рассмотрим механические свойства, определяемые в испытаниях на растяжение, с помощью диаграммы растяжения представленной на рис.5.

Рис. 5Характерные точки на диаграмме растяжения

Предел пропорциональности.

Вначале, до точки Р_пц, идет прямая линия (рис.5). Это значит, что удлинения пропорциональны нагрузкам, прилагаемым к испытываемому образцу. Нагрузка, соответствующая точке Р_пц, называется нагрузкой предела пропорциональности. Предел пропорциональности σ_пц – это максимальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука (σ = Eε).До предела пропорциональности в металле возникают только упругие деформации. Если нагрузку удалить, то образец возвратится в первоначальное состояние и остаточного удлинения в образце не будет обнаружено. Величина σ_пцв инженерных расчетах указывает напряжение, до которого конструкция может работать без остаточных деформаций.

При дальнейшем повышении нагрузки прямолинейность нарушается, и кривая начинает отклоняться в сторону, т. е. произойдет нарушение пропорциональности между напряжением и удлинением и начнут возникать остаточные удлинения.

Предел упругости.

Следующая характерная точка на первичной диаграмме растяжения Р_упр – нагрузка предела упругости. Предел упругостиσ_упр – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05% (σ_0,05), иногда меньше – вплоть до 0,005% (σ_0,005). Он характеризует сопротивление материала пластической деформации, которая обеспечивается движением ограниченного числа наиболее подвижных дислокаций. Технический смысл предела упругости состоит в том, что он характеризует предельное напряже-ние, которое допустимо при работе упругих элементов.

Пределы пропорциональности и упругости очень близки и практически могут совпадать.

Предел текучести.

Малоуглеродистые стали, многие металлы и сплавы, особенно с о.ц.к. решеткой, характеризуются наличием на кривой растяжения зуба и площадки текучести или только площадки текучести (пунктир на рис. 5).

Площадка текучести означает пластическую деформацию при постоянном напряжении, называемом физическим пределом текучестиσ_т. Нагрузка Р_тсоответственно называется нагрузкой при физическом пределе текучестиσ_т.

В случае возникновения зуба различают нагрузку Р_т^вверхнего предела текучестиσ_т^в(вершина зуба) и нагрузку Р_т^ннижнего предела текучестиσ_т^н.

Одна из возможных причин появления зуба и площадки текучести в о.ц.к. металлах следующая. Дислокации в исходном положении закреплены атмосферами Коттрелла, в частности атомами углерода в стали, и вплоть до верхнего предела текучести возможна только упругая деформация. При напряжении σ_т^в часть дислокаций отрывается от примесных атмосфер и пластическая деформация развивается при меньшем напряжении, некоторое время не требуя его повышения – возникает площадка на кривой растяжения (площадка текучести). Деформация на площадке текучести может достигать 1%.Течение при постоянном напряжении σ_т заканчивается, когда взаимодействие движущихся дислокаций приводит к деформационному упрочнению.

С уменьшением размера зерен (или субзерен) увеличивается число барьеров на пути скользящих дислокаций и физический предел текучести возрастает в соответствии с соотношением Холла-Петча:

σ_т= σ₀+ kd^-1/2,

где σ_т и k – константы материала;

d – размер зерна.

Если при растяжении образца не образуется горизонтальной площадки и «зуба», то за нагрузку предела текучести принимают ту нагрузку, которая вызывает остаточное удлинение, равное 0,2%расчетной длины образца, и обозначается Р_0,2– нагрузка при условном пределе текучести σ_0,2.Т.еусловный предел текучести σ_0,2– это напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%.

Пластическая деформация при пределе текучести σ_0,2,в отличие от предела упругости, происходит путем массового скольжения дислокаций.

Предел текучести σ_0,2, характеризующий сопротивление материала малым пластическим деформациям, широко используют в инженерных расчетах конструкций, так как одно из главных требований к нагруженным деталям состоит в том, чтобы их остаточные деформации были не больше определенной величины.

Временное сопротивление.

После предела текучести напряжение металла начинает увеличиваться до точки Р_в(которая соответствует максимальной нагрузке), где оно достигает максимума.

Временное сопротивление σ_в – это напряжение, соответствующее максимальной нагрузке на кривой растяжения.

Точка Р_в соответствует окончанию равномерной пластической деформации и началу образования шейки (локального сужения). Резкое уменьшение поперечного сечения в шейке приводит к снижению сопротивления образца растяжению. Локализация деформации заканчивается разрушением образца в его наименьшем сечении.

Хотя временное сопротивление в литературе часто называют пределом прочности, но таковым, т.е. характеристикой предельного состояния непосредственно перед разрушением, оно далеко не всегда является. В случае образования шейки разрушение наступает не при максимальной нагрузке P_в, а в точке, которой соответствует меньшая нагрузка Р_к. В этом случае характеристикой предельного состояния служит истинное сопротивление разрыву:

,

где F_k – поперечное сечение образца в месте разрыва.

Следовательно, в отличие от других рассмотренных выше прочностных свойств, величина S_кявляется не условным, а истинным напряжением при разрушении.

Рис. 6Зависимость условного σ и истинного S растягивающего напряжения от деформации ε

Временное сопротивление σ_вв случае образования ярко выраженной шейки на образцах фактически является характеристикой сопротивления большим пластическим деформациям, а не сопротивления разрыву.

Таким образом, физический и технический смысл временного сопротивления различен у материалов с разным типом кривых растяжения. Но все же, если исключить хрупкие материалы, то величину σ_в следует рассматривать как характеристику сопротивления значительным пластическим деформациям, а величины σ_т,σ_0,2 - какхарактеристики сопротивления малым пластическим деформациям. Эти характеристики являются самыми распространенными в технике прочностными свойствами промышленных металлов и сплавов.