4.2. Оборудование для механических испытаний.

Разрывная испытательная машина типа Р-20 предназначена для статических испытаний металлов, сплавов и изделий из них на растяжение. При применении дополнительных приспособлений могут производиться испытания на сплющивание и изгиб.

Машина (рис. 4.5) представляет собой установку, состоящую из нагружающего устройства и пульта управления. Нагружающее устройство предназначено для деформирования и разрушения испытываемого образца. Пульт управления служит для управления процессом нагружения образца и контроля за величинами нагрузок и деформаций. Пульт управления включает насосную установку с системой управления, силоизмеритель и диаграммный аппарат для записи диаграммы «нагрузка-деформация».

Нагружающее устройство выполнено вертикальным с гидравлическим приводом вертикального захвата и с механическим приводом нижнего захвата.

4.3. Испытания на растяжение

Наибольшее количество информации о механических свойствах металла (предел пропорциональности (условный), предел упругости (условный), предел текучести (физический или условный), временное сопротивление, истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение после разрыва, относительное сужение после разрыва) дает испытание на растяжение. Для этого испытания из изучаемого металла изготавливают образцы специальной формы (рис. 4.6). При этом виде испытания предусматриваются следующие общие определения и обозначения:

• рабочая длина образца, l, мм – часть образца между его головками или участками для захвата с постоянной площадью поперечного сечения;

• начальная расчетная длина образца l₀, мм – участок образца, на котором определяется удлинение;

• конечная расчетная длина образца l_к, мм – длина расчетной части после разрыва образца;

• начальный диаметр в рабочей части цилиндрического образца d₀, мм;

• минимальный диаметр цилиндрического образца после его разрыва d_к, мм;

• начальная толщина в рабочей части плоского образца или полосы а₀, мм;

• начальная ширина в рабочей части плоского образца или полосы b₀, мм;

• начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца F₀, мм²;

• минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва F_к, мм²;

• осевая растягивающая нагрузка Р, кгс, действующая на образец в данный момент испытания;

• начальный диаметр в рабочей части цилиндрического образца d₀, мм;

• минимальный диаметр цилиндрического образца после его разрыва d_к, мм;

• начальная толщина в рабочей части плоского образца или полосы а₀, мм;

• начальная ширина в рабочей части плоского образца или полосы b₀, мм;

• начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца F₀, мм²;

• минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва F_к, мм²;

• осевая растягивающая нагрузка Р, кгс, действующая на образец в данный момент испытания;

• условное нормальное напряжение σ, кгс/мм² – напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения образца F₀;

• истинное нормальное напряжение S, кгс/мм² – напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к действительной для данного момента испытания площади поперечного сечения образца;

• абсолютное удлинение образца Δl, мм.

Характеристики механических свойств, получаемые при испытании на растяжение, имеют следующие обозначения и определения:

• предел пропорциональности (условный) σ_пц, кгс/мм² – напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации Р-Δl в точке Р_пц с осью нагрузок увеличивается на 50 % своего значения на линейном упругом участке;

• предел упругости (условный) σ_0,05, кгс/мм² – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % от длины участке образца, равного базе тензометра;

• предел текучести (физический) σ_Т, кгс/мм² – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

• предел текучести (условный) σ_0,2, кгс/мм² – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики;

• временное сопротивление σ_,В, кгс/мм² – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрушению образца;

• истинное сопротивление разрыву S_к, кгс/мм² – напряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва F_к;

• относительное удлинение после разрыва δ, % - отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной величине;

• относительное сужение после разрыва ψ, % - отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца F₀.

Ф орма и размеры образцов. Для испытаний на растяжение применяются образцы с начальной расчетной длиной или диаметром от 3 мм и более или толщиной от 0,5 мм и более. Первые образцы называются «короткими», вторые – «длинными».

Образцы из хрупких металлов допускается изготавливать с начальной расчетной длиной . При испытаниях в натуральном виде изделий допускается применение образцов с иной расчетной длиной (условной).

Рабочая длина испытываемых образцов должна составлять:

• для цилиндрических образцов – не менее l₀+d₀;

• для плоских образцов – не менее .

Проведение испытаний и подсчет результатов. Величина нагрузки при испытании отсчитывается с точностью до 0,5 наименьшего деления шкалы силоизмерителя.

Предел пропорциональности (условный) σ_пц определяется с помощью тензометра следующим образом.

На испытуемый образец после его установки в захваты испытательной машины и приложения к нему нагрузки соответствующей начальному напряжению σ₀ (не более 10 % от ожидаемого предела пропорциональности σ_пц), производится установка тензометров.

Нагружение образца производится любым способом, обеспечивающим медленное возрастание нагрузки и возможность приостановки нагрузки с точностью до наименьшего деления шкалы силоизмерителя. Время выдержки под нагрузкой для снятия показаний на каждой ступени нагружения должно составлять не более 5 – 7 секунд.

До нагрузок, составляющих 70 – 80 % нагрузки ожидаемого предела пропорциональности Р_пц, образец нагружается крупными ступенями. В дальнейшем нагружение производится мелкими (Δδ ≈ 2 кгс/мм²) ступенями.

Когда приращение удлинения при малой ступени нагружения превысит среднее значение приращения (при той же ступени нагрузки) на начальном линейном упругом участке в 2 – 3 раза, то испытание для определения предела пропорциональности прекращается.

На упругом участке определяется средняя величина приращения удлинения на малую степень нагружения. Найденную величину увеличивают в соответствии с заданным допуском. По результатам испытаний определяется нагрузка Р_пц, соответствующая подсчитанному значению приращения удлинения.

В тех случаях, когда необходимо уточнить численное значение определяемой характеристики, допускается использование линейной инетрполяции.

Предел пропорциональности (условный), вычисляется по формуле:

. (4.1)

Пример определения предела пропорциональности  (условного).

Допуск на увеличение тангенса угла, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, - 50 % от его значения на линейном участке.

Испытуемый материал – сталь.

Размеры образца: диаметр d₀=10 мм начальная площадь поперечного сечения F₀ = 78,5 мм², начальная расчетная длина и база тензометра l₀ = 100 мм.

Начальное напряжение σ₀ =5 кгс/мм², что соответствует нагрузке Р₀= =392,5 кгс. Округленно принимаем Р₀ = 400 кгс.

Ожидаемый предел пропорциональности σ_пц = 70 кгс/мм². нагрузка Р, отвечающая 80 % нагрузке ожидаемого предела пропорциональности Р_пц, определяется из равенства:

Округленно принимаем Р равным 4000 кгс.

Для получения не менее четырех отсчетов в указанном интервале нагрузок крупная ступень нагружения определяется следующим образом:

кгс.

Дальнейшее нагружение производим мелкими ступенями по Р = 150 кгс (что соответствует приращению напряжения Δδ≈2 кгс/мм²) до заметного отклонения от закона пропорциональности со снятием показаний тензометров.

Результаты испытаний заносим в таблицу:

Нагрузка Р, кгс	Отсчеты по шкале тензометра*	Разность отсчетов по тензометру	Нагрузка Р, кгс	Отсчеты по шкале тензометра*	Разность отсчетов по тензометру
400	0	0	4600	127,5	5,0
1300	27,5	27,0	4750	131,5	4,0
2200	54,5	27,5	4900	136,0	4,5
3100	82,0	27,5	5050	141,0	5,0
4000	109,0	27,0	5200	145,0	4,0
4150	113,5	4,5	5350	149,5	4,5
4300	118,0	4,5	5500	156,0	6,5
4450	122,5	4,5	5650	164,0	8,0

* - Цена деления шкалы тензометра 0,002 мм.

Средняя величина приращения удлинения Δl на малую ступень нагрузки Р = =150 кгс составляет:

деления шкалы.

Найденную величину приращения удлинения на малую ступень нагрузки на линейном участке согласно установленному допуску увеличиваем на 50 %.

Искомое удлинение на ступень нагрузки Р = 150 кгс составит:

4,5 х 1,5 = 6,8 делений шкалы.

Искомая нагрузка, отвечающая пределу пропорциональности, находится на основании полученных результатов испытания. Для данного случая Р_пц = 5500 кгс.

Предел пропорциональности (условный) составляет:

кгс/мм².

Найденная нагрузка Р может быть уточнена путем применения метода линейной интерполяции:

5650 кгс – 5500 кгс = 150 кгс;

8 делений – 6,5 делений = 1,5 делений.

Добавочную нагрузку Р определяем из пропорции:

150 кгс – 1,5 делений

Р кгс – 0,3 делений,

где 0,3 деления – разность между заданным приращением удлинения (6,8 делений) и полученной разностью в 6,5 делений (при Р = 5500 кгс).

Добавочная нагрузка:

кгс.

Уточненная нагрузка Р_пц, соответствующая пределу пропорциональности (условному), составит:

кгс.

Предел пропорциональности σ_пц отвечающий вычисленной нагрузке:

кгс/мм².

Предел упругости (условный) σ_0,05 определяется следующим образом.

На испытуемый образец после его установки в захваты испытательной машины и приложения к нему нагрузки, отвечающей начальному напряжению σ₀ (не более 10 % от ожидаемого предела упругости σ_0,05), производится установка тензометра.

После установки тензометра образец необходимо нагрузить до напряжения σ₁=2σ₀ и после выдержки в течение 5 -7 секунд разгрузить до начального напряжения.

Начиная с нагрузки, составляющей 70 – 80 % нагрузки ожидаемого предела упругости Р_0,05, образец нагружают последовательно возрастающими нагрузками с измерением каждый раз остаточного удлинения после разгрузки до начального напряжения.

Испытание для определения предела упругости прекращается, когда остаточное удлинение при данной нагрузке превысит заданную величину допуска. По результатам испытаний определяется нагрузка Р_0,05, соответствующая заданному допуску на величину остаточного удлинения.

В тех случаях, когда необходимо уточнить численное значение определяемой характеристики, допускается использование линейной интерполяции.

Предел упругости (условный) σ_0,05, вычисляется по формуле:

. (4.2)

Пример определения предела упругости.

Размеры образца: диаметр d₀ = 10 мм, начальная площадь поперечного сечения F₀ = 78,5 мм², начальная расчетная длина и база тензометра l₀ = 100 мм.

Начальное напряжение σ₀ = 5 кгс/мм², что соответствует нагрузке Р₀ = =392,5 кгс. Округленно начальную нагрузку принимаем равной 400 кгс.

Допуск на величину остаточной деформации составляет 0,05 % от начальной расчетной длины образца (база тензометра).

Ожидаемый предел упругости σ_0,05 = 75 кгс/мм².

Определяем остаточное удлинение, равное 0,05 % от начальной расчетной длины образца, выраженное в делениях шкалы тензометра:

0,05 % от 100 мм составляет 0,05 мм. Так как одно деление шкалы тензометра соответствует 0,002 мм, то 0,05 мм составляет 25 делений шкалы тензометра.

Первую ступень нагрузки Р₁, составляющую 70 – 80 % нагрузки ожидаемого предела упругости Р_0,05, принимаем равной 4500 кгс.

В дальнейшем нагружение производим ступенями по Р = 150 кгс (Δσ ≈ 2 кгс/мм²) до тех пор, пока остаточное удлинение при Р₀ = 400 кгс достигнет или несколько превысит 25 делений шкалы тензометра.

За начальное принимаем произвольно выбранное по шкале тензометра деление «20».

Результаты испытания записываем в таблицу:

Нагрузка Р, кгс	Отсчеты по шкале тензометра*	Разность отсчетов по тензометру	Нагрузка Р, кгс	Отсчеты по шкале тензометра*	Разность отсчетов по тензометру
400	20,0	0,0	5250	27,5	7,5
4500	20,5	0,5	5400	30,5	10,5
4650	21,0	1,0	5550	33,5	13,5
4800	21,5	1,5	5700	37,5	17,5
4950	23,0	3,0	5850	43,5	23,5
5100	25,0	5,0	6000	52,5	32,5

По результатам испытаний находим нагрузку, предшествующую

вычисленному необходимому значению остаточного удлинения (25 делений по шкале тензометра).

Нагрузка, отвечающая пределу упругости (условному) σ_0,05:

Р_0,05 = 5850 кгс.

Предел упругости

кгс/мм².

Найденная нагрузка Р_0,05 может быть уточнена путем интерполяции:

6000-5850 = 150 кгс

32,5 делений – 23,5 делений = 9,0 делений

Добавочную нагрузку ΔР определяем из пропорции:

150 кгс – 9делений

Р – 1,5 делений,

где 1,5 деления – разность между заданным числом делений (25) и полученным (23,5) после снятия нагрузки Р = 5850 кгс.

Добавочная нагрузка:

кгс.

Уточненный предел упругости:

кгс/мм²

и ли с округлением σ_0,05 = 75 кгс/мм².

Предел текучести (физический) σ_Т определяется следующими методами:

• по диаграмме растяжения (рис. 4.7), полученной на испытательной машине, если масштаб диаграммы обеспечивает соответствие 1 мм ординаты не более 1 кгс/мм² напряжения образца;

• при массовых испытаниях нагрузка Р_Т может быть определена по явно выраженной остановке стрелки силоизмерительного устройства испытательной машины, обусловленной деформацией образца без заметного увеличения нагрузки.

Предел текучести (физический) σ_Т вычисляется по формуле:

; (4.3)

Предел текучести (условный) σ_0,2 (или при ином допуске на величину остаточной деформации) определяется следующими методами:

• с помощью тензометров по методике, указанной для определения предела упругости;

• графическим методом при масштабе по оси деформации диаграмм не менее 50 : 1.

Для определения нагрузки Р_0,2 по диаграмме испытаний вычисляется величина заданного остаточного удлинения, исходя из рабочей длины образца. Найденная величина увеличивается пропорционально масштабу диаграммы, и отрезок полученной длины ОЕ откладывается по сои абсцисс вправо от точки О (рис. ___). Начальная криволинейная часть диаграммы исключается. Из точки Е проводится прямая ЕР параллельно прямой ОА. Точка пересечения Р (с кривой растяжения) определяет высоту ординаты, т.е. нагрузку Р_0,2, отвечающую пределу текучести при заданном допуске на величину остаточного удлинения.

Для определения временного сопротивления σ_в испытуемый образец подвергается растяжению под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения.

Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, принимается за нагрузку P_max, соответствующую временному сопротивлению.

Временное сопротивление вычисляется по формуле:

. (4.4)

Для определения истинного сопротивления разрыву S_к испытуемый образец подвергается растяжению до разрушения под действием плавно приложенной нагрузки. Нагрузка в момент разрыва Р_к принимается за нагрузку, соответствующую истинному сопротивлению разрыва.

Истинное сопротивление разрыву S_к определяется по формуле:

. (4.5)

Для определения длины расчетной части образца после разрыва l_к разрушенные части последнего плотно складываются так, чтобы оси их образовывали прямую линию. Если после испытания в месте разрыва образуется зазор, обусловленный частичным выкрашиванием металла и другими причинами, то он включается в длину расчетной части образца после разрыва.

Относительное удлинение образца после разрыва δ вычисляется по формуле:

(4.6)

Для определения относительного сужения после разрыва цилиндрического образца измеряется минимальный диаметр в месте разрыва d_к в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

По среднему арифметическому из полученных значений вычисляется площадь поперечного сечения F_к.

Определение относительного сужения после разрыва для образцов с иной начальной формой поперечного сечения по рабочей части не рекомендуется.

При необходимости определения указанной характеристики для плоских образцов толщиной 2 мм вычисление площади поперечного сечения в месте разрыва производится путем умножения наибольшей ширины образца в месте разрыва на наименьшую толщину.

Относительное сужение после разрыва определяется по формуле:

(4.7)

Испытание считается недействительным:

• при разрыве образца по разметочным кернам (рискам), если при этом какая–либо механическая характеристика по своей величине не отвечает установленным требованиям;

• при разрыве образца в захватах испытательной машины или за пределами расчетной длины (если необходимо определить относительное удлинение);

• при разрыве образца по дефектам производства;

• при обнаружении двух и более шеек или двух (или более) мест разрыва;

• при обнаружении ошибок в проведении испытаний.

В указанных случаях испытание на растяжение должно быть повторено на образцах, изготовленных из той же партии или изделия.