Шпоры / Шпоры по сопромату по 20 тем / Статические испытания на растяжения
.doc2.7. Статические испытания на растяжение
Наиболее распространенным является испытание на растяжение статической нагрузкой. Его достоинства — однородность напряженного состояния образца в области, достаточно удаленной от головок (формы и размеры стандартных цилиндрических образцов показаны на рис. 2.32,а,б,в*; образец в показан в более крупном масштабе), сравнительная простота оборудования и методики эксперимента по сравнению с большинством других испытаний. Однородность (т. е. тождественность для всех точек тела) напряженного состояния позволяет легче обнаружить начало общей пластической деформации образца, что очень важно для определения соответствующих механических характеристик.
Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах с механическим или гидравлическим силообразованием. На рис. 2.33 показан общий вид одной из машин с механическим нагружением, дающей максимальную силу 5000 кгс (50 кН).
Перемещение винта 1, жестко связанного с нижним захватом 2 машины, осуществляется через систему передач вручную или от электродвигателя. Сила от верхнего захвата 3 через систему рычагов передается маятнику 4. Отклонение маятника вызывает поворот стрелки силоизмерительного устройства, что позволяет для любого момента испытания установить значение силы, растягивающей образец.
Нагружение образца осуществляется вследствие взаимного перемещения захватов, которое происходит настолько медленно, что ускорениями частиц материала в процессе деформирования можно пренебречь (как известно, это и является характеристикой статического нагружения).
Машина снабжена диаграммным аппаратом 6, который в процессе испытания вычерчивает график зависимости между силой F, растягивающей образец, и соответствующим удлинением . Поворот барабана пропорционален перемещению нижнего захвата машины (т. е. ), а перемещение карандаша вдоль образующей барабана пропорционально отклонению маятника (т. е. F).
На рис. 234 показан примерный вид диаграммы растяжения, полученной при испытании образца из малоуглеродистой стали. В начальной стадии испытания (до точки А с ординатой F ) зависимость между силой и удлинением линейна, т.е. справедлив закон Гука. При растягивающей силе Е„(точка В), почти не отличающейся от F , в образце возникают первые остаточные деформации. При некотором значении растягивающей силы F, наблюдается рост удлинения без увеличения нагрузки. Это явление называется текучестью металла. Соответствующий участок диаграммы (почти горизонтальная линия) называется площадкой текучести.
В этой стадии деформации полированная поверхность образца становится матовой и на ней можно обнаружить сетку линий, наклоненных к оси образца под углом примерно 45' (рис. 2.35). Это. так называемые линии Людерса — Чернова, представляющие собой следы сдвигов частиц материала. Направление указанных линий соответствует площадкам, на которых при растяжении образца возникают наибольшие касательные напряжения.
По окончании стадии текучести материал вновь начинает сопротивляться деформации, здесь связь между силой и удлинением нелинейна: удлинение растет быстрее нагрузки. Этот участок диаграммы называют зоной упрочнения. При силе, примерно равной F, на образце появляется местное утоньшение — шейка, в результате сопротивление образца падает и его разрыв происходит при силе, меньшей F.
Ясно, что сила и удлинения, соответствующие указанным характерным точкам диаграммы, зависят не только от свойств материала, но и от абсолютных размеров образца. Для получения механических характеристик материала (т. е. для того, чтобы исключить влияние абсолютных размеров образца) эту диаграмму перестраивают: все ординаты делят на начальную площадь поперечного сечения А, а все абсциссы — на начальную расчетную длину . В результате получают так называемую условную диаграмму растяжения в координатах: относительное удлинение , нормальное напряжение о. Эта диаграмма (рис. 2.36) подобна исходной (отличается от нее только масштабом). Условной эта диаграмма называется потому, что напряжения и деформации отнесены к начальным площади и длине образца.
На условной диаграмме растяжения (рис. 2.36) отмечены точки (н нх ординаты), соответствующие механическим характеристикам, которые могут быть получены прн статических испытаниях на растяжение.
— предел пропорциональности — наибольшее напряжение, до достижения которого справедлив закон Гука;
— предел упругости — наибольшее напряжение, до достижения которого в образце не возникает остаточных деформаций;
— предел текучести — напряжение, при котором происходит рост пластических деформаций образца при практически постоянной нагрузке *;
— предел прочности (или Временное сопротивление) — условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом до разрушения.
Можно пользоваться и таким определением: предел прочности это отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к начальной площади его поперечного сечения.
Отметим, что в определениях пределов пропорциональности, упругости и текучести не подчеркнуто, что это условные напряжения, т. е. отнесенные к первоначальной площади сечения образца. Это связано с тем, что до начала образования шейки площадь сечения образца почти не отличается от первоначальной. При максимальной нагрузке это различие весьма существенно, что и отражено в определении понятия «предел прочности».
В момент разрыва образца истинное, т. е. отнесенное к действительной, а не к начальной площади сечения образца, среднее напряжение в наиболее тонком месте шейки существенно выше предела прочности.
Строго говоря, понятия «предел прочности» и «временное сопротивление» не совсем тождественны. Первое из них относится к случаю, когда образец разрушается без образования шейки, что характерно для хрупких материалов. Второе относится к пластическим материалам, на образцах из которых перед разрушением появляется шейка. Временное сопротивление часто обозначают или ,. В нашем курсе эти понятия разграничивать не будем и примем указанное выше обозначение (в учебной и специальной литературе встречаются также обозначения общие для пластичных и хрупких материалов).
Определение предела пропорциональности непосредственно по диаграмме, автоматически записанной в процессе испытания (см. рис. 2.34), может быть выполнено лишь грубо приближенно. В случае необходимости получения наиболее точных значений испытание проводят, увеличивая нагрузку образца ступенями и замеряя с помощью тензометров соответствующие удлинения. Строя по этим данным график (или составляя таблицу), определяют ту нагрузку, при которой отклонение от закона пропорциональности равно обусловленному техническими условиями испытаний. Например, берут нагрузку, соответствующую той точке графика, для которой тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс на 20% меньше тангенса угла наклона его первоначального прямолинейного участка. Разделив эту нагрузку на площадь сечения образца, получают так называемый условный предел пропорциональности (подробнее см. [9]).
Для определения предела упругости также приходится вести нагружение образца ступенями. После каждой ступени нагрузки образец полностью разгружают и тщательно замеряют его длину. В результате определяют условный предел упругости — напряжение, при котором в образце впервые появляются остаточные деформации, имеющие заданную малую величину (например, 0,001, 0,003, 0,005%). Размер допуска остаточной деформации, принятый при определении условного предела упругости, указывают в виде индекса, например — условный предел упругости, соответствующий остаточной деформации 0001%.
Как уже говорилось, числовые значения пределов пропорциональности и упругости для большинства материалов почти совпадают, но физический смысл этих характеристик, конечно, различен.
Из изложенного следует, что определение пределов пропорциональности и упругости связано с необходимостью проведения весьма точных и трудоемких экспериментов. Поэтому при промышленных испытаниях в подавляющем большинстве случаев ограничиваются определением пределов текучести и прочности.
Пластичность материала оценивают значением относительного остаточного удлинения при разрыве, определяемого по соотношению
где — длины расчетной части образца, соответственно конечная (после разрыва) и начальная.
На диаграмме растяжения (см. рис. 2.36) Ь выражается отрезком OL
Для одного и того же материала значение Ь различно в зависимости от отношения расчетной длины к диаметру образца, при испытании которого она получена. Стандартные цилиндрические образцы имеют отношение = 10 или (см. рис. 2.32). Первые называют десятикратными или условно «длинными», а вторые — пятикратным и или условно «короткими» образцами. Полученное при испытании «длинных» образцов значение относительного остаточного удлинения при разрыве обозначают б, ~, а в случае «коротких» — б„при этом для данного материала всегда ) .
После разрыва образца замеряют его диаметр в наиболее тонком месте шейки (рис. 2.37), вычисляют соответствующую площадь сечения А и определяют относительное остаточное уменьшение площади начального сечения образца при разрыве:
Эта механическая характеристика, так же как и б, служит для оценки пластичности материала.
Остановимся дополнительно еще на некоторых вопросах, связанных со статическими испытаниями малоуглеродистой стали (и других пластичных материалов) на растяжение.
Опытным путем установлено, что при разгрузке образца, растянутого так, что в нем возникают напряжения выше предела упругости и даже выше предела текучести (например, от точки N диаграммы на рис. 2.38), линия разгрузки оказывается прямой, параллельной начальному участку ОА диаграммы. Следовательно, полная деформация образца состоит из двух частей — упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и остаточной (пластической).
Полное удлинение, соответствующее нагрузке выражается отрезком OL упругое — отрезком и пластическое— отрезком ОМ оси абсцисс диаграммы (рис. 2.38).
Упругая деформация и при напряжениях, больших предела пропорциональности, может быть определена по закону Гука, это следует из того, что линия разгрузки — прямая. Параллельность этой линии начальному участку диаграммы. указывает, что модуль упругости Е при разгрузке имеет то же значение, что и при нагружении в пределах справедливости закона Гука.
Если подвергнуть повторному нагружению образец, который был предварительно растянут до возникновения в нем напряжений, больших предела текучести, то оказывается, что линия нагрузки практически совпадает с линией разгрузки, а часть диаграммы, лежащая левее точки, от которой производилась разгрузка, не повторяется. Таким образом, в результате предварительной вытяжки материала за предел текучести его свойства изменяются: повышается предел пропорциональности
.и уменьшается пластичность. Это явление называют наклепом. В определенном смысле можно говорить, что в результате наклепа материал упрочняется (подробнее это будет разъяснено несколько ниже).
Уменьшение пластичности материала при наклепе подтверждается следующим. Пластичность материала характеризуется значением относительного остаточного удлинения при разрыве 5. При отсутствии наклепа значение Ь пропорционально отрезку OL оси абсцисс диаграммы (рис. 2.38), а при наклепе оно пропорционально меньшему отрезку , так как часть диаграммы, лежащая левее точки N, не повторяется. На рис. 2.39 представлена диаграмма растяжения, на которой показан процесс разгрузки и повторного нагружения, проведенный несколько раз.
Наклеп может быть также следствием холодной обработки металла. Например, при изготовлении клепаных конструкций отверстия для заклепок зачастую продавливают (пробивают) на специальных прессах. В результате материал у краев отверстия оказывается наклепанным, обладает повышенной хрупкостью и при действии переменных напряжений в этой зоне возможно появление трещин. Поэтому целесообразно пробивать отверстия меньшего диаметра, чем требуется, а затем рассверливать их до заданного размера. При этом наклепанная часть материала будет удалена.
В других случаях наклеп полезен и его создают специально. Например, провода, тросы, стержни для арматуры железобетонных конструкций зачастую подвергают предварительной вытяжке за предел текучести.
Подробно рассмотренная выше диаграмма растяжения, имеющая ясно выраженную площадку текучести, характерна лишь для малоуглеродистой стали и некоторых сплавов цветных металлов.
Диаграммы растяжения некоторых пластичных металлов н сплавов (например, среднеуглеродистой стали, меди, дюралюмина) не имеют площадки текучести. Для них вводится понятие условного предела текучести, представляющего собой напряжение, при котором относительное удлинение образца равно 0,2% (рис. 2.40). Условный предел текучести обозначают
В технической литературе и в таблицах ГОСТа обычно не разграничивают обозначения физического и условного пределов текучести, применяя единое обозначение ,.
Условный предел текучести определяют также для легированной стали и ковкого чугуна. С повышением содержания углерода прочность стали повышается, а ее пластичность падает. Это хорошо видно из представленных на рис. 2.41 диаграмм растяжения для качественной конструкционной углеродистой стали нескольких марок.
Хрупкие материалы, например чугун, характерны тем, что их разрушение происходит при очень малых остаточных деформациях. На рис. 2.42 приведена диаграмма растяжения чугуна, из которой видно, что даже в начальной стадии растяжения обнаруживается отклонение от закона Гука. При расчетах это отклонение не учитывают.
При испытании на растяжение образцов серого чугуна определяют предел прочности, обозначаемый . или . Для образцов из ковкого чугуна, кроме того, определяют относительное остаточное удлинение при разрыве 5.