Механические испытания металлов

Цель работы: ознакомиться с испытательным оборудованием для определения основных механических характеристик; провести механические испытания предложенных марок сталей; по результатам испытаний определить предел прочности, предел текучести, предел пропорциональности, относительное удлинение, относительное сужение.

Приборы и оборудование: образцы, применяемые для различных видов испытаний; диаграммы растяжения.

Основные понятия. Механические свойства - это характеристики материала, определяющие его поведение под действием приложенных внешних механических сил.

Механические свойства металлов определяют испытаниями специальных образцов.

Испытания механических свойств проводят при различных нагрузках – статических, динамических и циклических. Статические нагрузки медленно возрастают от нуля до максимальной величины; динамические возрастают быстро, за доли секунд; циклические нагрузки характеризуются многократным изменением по направлению или по величине. В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания.

К статическим испытаниям обычно относят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и на твердость; к динамическим – испытания на удар; циклическим способом проводят различные испытания металла на усталость.

По длительности приложения нагрузки механические испытания делятся на кратковременные и длительные. В большинстве случаев проводят кратковременные испытания длительностью несколько минут. Длительные испытания проводят, как правило, для определения механических свойств металлов, которым предстоит работать в особо ответственных конструкциях и сложных условиях в течение длительного периода времени.

В зависимости от температуры различают испытания при пониженной (ниже 0ºС), обычной (20ºС) и повышенной (выше 20ºС) температурах. Температуру испытания выбирают в зависимости от рабочей температуры изделий.

Испытание на растяжение. Механические свойства металлов наиболее полно могут быть установлены при статических испытаниях на растяжение гладких образцов. Испытание на растяжение проводят на специальных круглых образцах, а для листового материала на плоских образцах (см. рис.14), в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Рис. 14. Образцы для испытаний на разрыв:

а – круглый; б - плоский

Расчетная длина круглого образца l₀ , мм обычно берется равной десяти или пяти диаметрам. Диаметр рабочей части нормального круглого образца равняется 20 мм. Образцы других размеров называют пропорциональными. Стандартные размеры которых приведены в табл.5.

Таблица 5

Стандартные размеры образцов

Наименование образца	Расчетная длина l0,мм	Диаметр образца d0, мм	Площадь поперечного сечения F0,мм2	Кратность l0 d0
Нормальный длинный	200	20	314	10
Нормальный короткий	100	20	314	5
Пропорциональный длинный	11,3 F0	Произвольный	Произвольный	10
Пропорциональный	5,65 F0	Произвольный	Произвольный	5

При испытании на растяжение образец, установленный в захватах машины, деформируется при плавно возрастающей нагрузке и характеристики свойств металла определяют в условиях одноосного напряженного состояния.

Образцы из разных материалов разрушаются в результате испытаний различно.

В процессе испытаний на растяжение на разрывных машинах записывается диаграмма в координатах нагрузка (Р, Н)– удлинение

(∆l, мм) образца (диаграмма растяжения).

Такая диаграмма вычерчивается автоматическим устройством, при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва испытываемого образца. Диаграммы растяжения будут иметь вид, показанный на рис. 15.

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается.

Усилие, приходящееся на 1 мм² поперечного сечения образца, называется напряжением и обозначается σ, МПа.

Рис 15. Типы диаграмм растяжения:

а – без площадки текучести; б – с площадкой текучести.

Напряжения, характеризующие сопротивление металла деформированию, подразделяются на условные и истинные.

Условные напряжения  определяются как отношение действующей нагрузкиР, Н к площади поперечного сечения до испытанияF₀ , мм² (8):

. (8)

Истинные напряжения S, МПа, представляют собой отношение действующей нагрузки Р, Н, отрезокОЕк площади поперечного сечения в данный моментF, мм² (9):

. (9)

Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали представлена на рис. 16.

Рис. 16. Кривая растяжения низкоуглеродистой стали

Определение характеристик прочности. Максимальное напря- жение, до которого сохраняется прямолинейная зависимость между нагрузкой и деформацией, или, иначе говоря, остается справедливым закон Гука (10), называетсяпределом пропорциональности:

. (10)

Напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки образец продолжает деформироваться, называется физическим пределом текучести. Участок «вс» на диаграмме растяжения (рис.16) называетсяплощадкой текучести. Наименьшая нагрузка на участке текучестиР_т,Н, отнесенная к первоначальной площади поперечного сеченияF_0, мм², определяет значение физического предела текучести (11):

(11)

Так как для ряда материалов на диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 15, а) , то в этом случае определяется условный предел текучести_0,2 , мм.

Под условным пределом текучести _0,2 понимают напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% от первоначальной расчетной длины образцаl₀ . Условный предел текучести определяется по формуле

. (12)

Для определения условного предела текучести на диаграмме растяжения по оси абсцисс от начала координат откладывают величину, равную 0,2% от l₀ (отрезок ОЕ на рис.17).

Рис.17. Схема определения условного предела текучести

Через точку Е проводят прямую, параллельную участку пропор- циональности диаграммы. Ордината точки А пересечения этой прямой с диаграммой растяжения определяет нагрузку, соответствующую условному пределу текучести.

Предел текучести является обязательной характеристикой металла по ГОСТу.

Точка В на диаграмме растяжения отвечает максимальной нагрузке, выдерживаемой образцом при испытании. В этой точке деформация из равномерной переходит в местную, и на образце начинает образовываться шейка.

Напряжение, отвечающее максимальной нагрузке Р_В в процессе испытания, называетсяпределом прочности (13):

. (13)

Разрушение образца при растяжении происходит в точке К при нагрузке Р_К, Н. Отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения образца после разрушенияF_К, мм², представляет собойистинное сопротивление разрыву (14):

. (14)

Определение характеристик пластичности.Абсолютное оста- точное удлинениеl_К, мм (15), определяется разностью между длиной образца после разрываl_К, мм, и его первоначальной длинойl₀,мм:

. (15)

Относительное удлинение, % (17), представляет собой отношение абсолютного удлинения к первоначальной длине образца

(16)

где  - относительное удлинение, %.

Для получения одинаковых значений относительного удлинения для одного и того же материала, испытываемого на различных образцах, необходимо чтобы образцы имели определенное соотношение между расчетной длиной l₀, мм, и площадью поперечного сечения (или диаметром). Относительное удлинение, определенное на длинном образце (l₀/d₀=10),обозначается через₁₀ % , а на коротком образце – через₅, %.

Относительное сужение , % - характеристика пластичности, которая определяется как отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади сечения образца (17):

(17)

где F₀ – начальное поперечное сечение образца,F_К – площадь сечения образца в шейке после разрыва.

Относительное сужение характеризует способность к местной пластической деформации в направлении, перпендикулярном действию сил. Оно определяется только для образцов круглого сечения.

Изменение размеров образца в результате растяжения показано на

рис. 18.

Рис. 18. Образцы стали:

а - до растяжения; б - после разрыва

Характеристики материалов _В,_0,2, ,  являются базовыми; они включаются в ГОСТ на постановку конструкционных материалов, в сертификаты, в паспорта приемочных испытаний, входят в расчеты прочности.

Определение ударной вязкости.В условиях эксплуатации конструкционные материалы испытывают более сложное нагружение, чем при статических испытаниях гладких образцов. В особенности это относится к металлам, которые под влиянием определенных условий службы склонны переходить в хрупкое состояние при действии низких температур, наличия концентраторов напряжений, увеличения абсолютных размеров, повышения скорости деформирования и других факторов.

Ударные испытания надрезанных образцов проводятся для оценки вязкости материалов и установления склонности его к переходу в хрупкое состояние.

Под вязкостью понимают способность материала поглощать работу внешних сил за счет пластической деформации.

Ударная вязкостьравна работе, затраченной при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенной к площади поперечного сечения в месте надреза.

Ударную вязкость определяют на маятниковом копре, принципиальная схема которого приведена на рис. 19. Груз весом Q , первоначально поднятый на высотуН, свободно падает и в нижнем положении разрушает установленный на опорах образец квадратного сечения. Часть кинетической энергии падающего груза расходуется на разрушение образца, а ее оставшаяся часть идет на поднятие груза на высотуh.

Груз весом Qпервоначально поднят на высотуН, свободно падает и в нижнем положении разрушает установленный на опорах образец квадратного сечения. Часть кинетической энергии падающего груза расходуется на разрушение образца, а ее оставшаяся часть идет на поднятие груза на высотуh.

Рис.19. Схема действия копра и эскиз образца

Энергия, затраченная на разрушение образца, подсчитывается по формуле (18):

(18)

Ударная вязкость определяется из выражения (19):

(19)

Выгодное отличие испытаний на ударную вязкость состоит в совмещении при испытаниях концентрации напряжений (надрез) и ударной изгибающей нагрузки, позволяющем создать большую неравномерность поля напряжений.

Для определения ударной вязкости применяют надрезанные посередине длины образцы различных типов (рис. 20).

Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с концентраторами напряжений трех видов:

U с радиусомR=1мм;

V cрадиусомR=0,25мм;

Т – усталостная трещина.

В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается KCU, KCV илиKCT.

Поскольку наиболее распространены испытания на удар образцов с

U-образным надрезом, в справочниках чаще всего проводится обозначение ударной вязкостиKCU, МДж/м².

Рис. 20. Образцы для испытаний на удар:

а – U-образный надрез; б – V-образный надрез; в – образец с трещиной

Определение предела выносливости. Многие детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются повторно-переменным (циклическим) напряжениям, что может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже_0,2.

Разрушение металлов и сплавов в результате многократного повторно-переменного напряжения носит название усталости,а свойство металлов сопротивляться усталости называетсявыносливостью (ГОСТ 23207-78).

Природа усталостного разрушения заключается в следующем. Металлы, как известно, состоят из большого числа различно ориентированных зерен, которые вследствие анизотропии оказывают неодинаковое сопротивление действию внешних сил. Зерна, неблагоприятно расположенные по отношению к направлению действия внешних сил, оказываются слабыми, и пластичная деформация в них произойдет при напряжениях ниже предела текучести, в других же зернах приложенная нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.

Многократная пластическая деформация при действии повторно-переменных нагрузок приводит к образованию микротрещины, которая, увеличиваясь, превращается в зону усталостного разрушения.

Исследования на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают максимальное напряжение цикла, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).

Предел выносливости при симметричном цикле обозначается _-1. Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу.

Для этого используют не менее десяти образцов, каждый из которых испытывается до разрушения только на одном уровне напряжений.

По результатам испытаний отдельных образцов в координатах «напряжение-число циклов» строят кривую, по которой и определяют предел выносливости _-1 (рис. 21).

Для тех металлов и сплавов, у которых нет горизонтального участка выносливости, испытания, ограничивают определением «ограниченного предела выносливости», который для сталей равен 10 млн., а для цветных сплавов 100 млн. циклов.

_-1

Напряжение  / мм²

Рис. 21.Схема испытания и кривая выносливости