Глава 4. Механические испытания и свойства материалов

Глава 4. Механические испытания и свойства материалов

4.1. Общие положения

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение материалов под действием приложенных внешних механических сил. В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, обычно представляющих собой напряжения и деформации, при которых происходят изменения физического и механического состояния материала. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их состояния в процессе эксплуатации.

Контроль механических свойств начинается еще при производстве ме­талла на металлургических заводах. При изготовлении изделий металл подвергается различной технологической обработке (меха­нической, термической и др.), под воздействием которой происходят изме­нения в структуре и механических свойствах. Поэтому необходим контроль механических свойств металла и на различных стадиях изготовления изделий.

При проведении механических испытаний стремятся воспроизвести условия воздействия на материал, которые имеют место при эксплуата­ции изделий. Основными признаками, позволяющими классифицировать виды механических испытаний, являются:

• способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, цикличе­ское нагружение и др.);

• скорость нагружения (статическая, динамическая);

• протяженность процесса испытания во времени (кратковременная, дли­тельная).

В результате механических испытаний материалов определяют следую­щие характеристики^*): прочность, твердость, упругость, пластичность, вяз­кость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.

4.2. Испытания на растяжение

Это наиболее распространенный вид испытаний,позволяющий получить достаточно полную ин­формацию о механических свойствах материала. Методы этих испытаний стандартизованы (ГОСТ 1497-84). Для испытаний используют образцы с рабочей частью в виде цилиндра или стержня прямоугольного сечения, например, часто применяют цилиндрические образцы, форма и размеры которых приведены на рис.4.1. Геометрические параметры образцов на растяже­ние должны отвечать следующим соотношениям: ; ;, гдеl_р – начальная расчетная длина образца, F₀ – начальная площадь поперечного сечения расчетной части образца.

Рис.4.1. Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения: а – образец до испытания (l₀ и d₀ – начальные расчетные длина и диаметр); б – образец, растянутый до максимальной нагрузки (l_р и d_р – расчетные длина и диаметр образца в области равномерной деформации);

в – образец после разрыва (l_к – конечная расчетная длина; d_к – минимальный диаметр в месте разрыва)

Для цилиндриче­ских образцов отношение расчетной начальной длины l₀ к начальному диа­метру d₀ называют кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с крат­ностью 2,5, 5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью 5.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в за­хватах испытательной машины. На рис.4.2 представлена принципиальная схема типичной испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автома­тической записи диаграммы растяжения.

Рис.4.2. Схема испытательной машины:

1 – собственно машина;

2 – винт грузовой;

3 – нижний захват (активный); 4 – образец;

5 – верхний захват (пассивный); 6 – силоизмерительный датчик; 7 – пульт управления с электро­приводной аппаратурой;

8 – индикатор нагрузок;

9 – рукоятки управления;

10 – диаграммный механизм;

11 – кабель

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистриру­ет первичную (машинную) диаграмму растяжения в коорди­натах нагрузка – абсолютное удлинение образца (рис.4.3). На диа­грамме растяжения пластичных металлических материалов (рис.4.3, а) можно выделить три характерных участка: участок ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; участок АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС – также криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. в точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

Рис.4.3. Схема машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных

материалов: а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести

В области упругой деформа­ции (участок ОА) зависимость между нагрузкой и абсолют­ным упругим удлинением образ­ца пропорциональна и извест­на под названием закона Гука:

,

где k = EF₀ /l₀ – коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения F₀ и длины l₀) и свойств материа­ла (параметр Е).

Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Е, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:

,

где – нормальное напряжение; – относительная упру­гая деформация.

При переходе от упругой деформации к упругопластической для неко­торых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения мо­жет проявляться небольшой горизонтальный участок, который называют площадкой текучести АA' (рис.4.3, а). Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести (рис.4.3, б).

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым со­противляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом се­чении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца. На участке ОАВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, а на участке ВС деформа­ция практически вся сосредоточена в зоне шейки.

При растяжении определяют показатели прочности и пла­стичности материалов. Показатели прочности характеризуются напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. К наиболее часто используемым показателям прочности материалов относятся следующие:

• предел текучести (физический) , МПа – это наи­меньшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без за­метного изменения нагрузки:

,

где Р_Т – нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис.4.3, а);

• условный предел текучести , МПа – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца (если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести):

,

где P_0,2 – нагрузка, соответствующая остаточному удлинению (рис.4.3, б);

• временное сопротивление (предел прочности) , МПа –напряжение, соответствующее наибольшей нагрузкеР_max, предшествующей разрыву образца:

;

• истинное сопротивление разрыву S, МПа – на­пряжение, определяемое отношением нагрузки Р_k в момент разрыва к пло­щади поперечного сечения образца в месте разрыва F_k :

.

Показатели пластичности:

• относительное предельное равномерное удлинение , % –отношение абсолютного приращения расчетной длины образца до нагрузки Р_max к ее первоначальной длине (см. рис.4.3, а):

;

• относительное удлинение после разрыва , %– отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к первоначальной длине:

;

• относительное сужение после разрыва , % – отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения:

.