6.11. Методы испытания механических свойств.

Прочностьметалла определяют, выполняяиспытания на растяжение, используя для этого разрывные машины (рис. 6.12,а). Для испытаний изготавливают стандартные цилиндрические или плоские образцы с утолщениями (уширениями) на концах для укрепления в захватах разрывной машины (рис.6.12,б). При этом необходимо соблюдать соотношения между начальной расчетной длиной образца (l₀) и начальной площадью поперечного сечения в его рабочей части (F₀). Образцы используют двух видов: с начальной длиной(короткие) или(длинные). При проведении испытаний образец закрепляют в захватах разрывной машины и растягивают его. При этом через систему передаточных механизмов самозаписывающий прибор автоматически вычерчивает диаграмму растяжения. По вертикальной оси откладывается нагрузкаР, по горизонтальной – абсолютное удлинениеΔl.Для малоуглеродистой стали (Ст3) такая диаграмма представлена на рис 6.13, в.

На диаграмме можно отметить характерные точки и участки. На участке 0Р_пцудлинениеΔlобразца увеличивается прямо пропорционально нагрузкеР_пц,называемойнагрузкой предела пропорциональности.

Пределом пропорциональностиσ_пцназывают наибольшее напряжение, до которого относительное удлинение образца остается прямо пропорциональным нагрузкеР_пц. Его определяют по формуле (в Н/м²или Па):

σ_пц = Р_пц/F₀ . (6.1)

Нагрузка Р_уп, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,005% расчетной длины, называютнагрузкой предела упругости.

Пределом упругостиσ_упназывают такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,005% первоначальной расчетной длины образца. Его определяют по формуле

σ_уп = Р_уп/F₀ .(6.2)

Выше точки Р_упкривая диаграммы растяжения плавно переходит в горизонтальный участок. При этом образец удлиняется без увеличения нагрузки (металл как бы течет).

Нагрузку Р_Т , при которой начинается течение металла, называют нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой – площадкой текучести.

а)	б)
	в) Рпц Руп РТ РВ РК
Рис. 6.12 Испытание на растяжение а) общий вид разрывной машины с механическим приводом типа ИМ-4Р; б) стандартные образцы для испытания на растяжение; в) диаграмма растяжения пластичного металла (упрощенная).

Пределом текучестиσ_Тназывают наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Его определяют по формуле

σ_Т = Р_Т /F₀ . (6.3)

За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой максимальной величины Р_В (процесс самоупрочнения), после которой на образце начинается образование местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки вызывает снижение нагрузки, и в точке Кпри нагрузкеР_кпроисходит разрыв образца. Наибольшую нагрузкуР_В, при которой начинается образование шейки, называютнагрузкой временного сопротивления при растяжении.

Временное сопротивление при растяжении (предел прочности)называют напряжениеσ_В , соответствующее наибольшей нагрузкеР_В. Определяют его по формуле

σ_В= Р_В /F₀ .[Н/мм²; (кгс/мм²)] (6.4)

Диаграммы растяжения стали различных марок приведены на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Диаграмма растяжения стали различных марок

а – монокристалл железа; б – поликристалл железа; в – сталь обычной прочности (типа ВСт3); г – сталь повышенной прочности (типа 09Г2С, 10ХСНД);

д – сталь высокой прочности (типа 16Г2АФ, 12Г2СМФ и др.)

Относительное удлинение() исужение() образца при испытании являетсяхарактеристикой пластичности. Относительное удлинение определяется как отношение приращения длины образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в процентахгдеl₁– длина образца после разрыва,l₀– расчетная длина образца.

Временное сопротивление алюминия составляет σ_в = 40…60 Н/мм², относительное удлинение = 40…50%. Для мягкой меди (в отожженном состоянии)σ_в = 190…215  Н/мм²; для твердой меди (в нагартованном состоянии)σ_в = 280…360  Н/мм²; относительное удлинение= 60% и 6% соответственно.

Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным являетсяметод Бринелля, когда в испытуемое тело под действием силыРвнедряется шарик диаметромD (рис. 6.14, а). Число твердости по БринеллюНВесть нагрузкаР, деленная на сферическую поверхность отпечатка (с диаметромd).

При методе Роквелла индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик) (рис. 6.14, б). В данном случае числом твердости является величина, обратная глубине вдавливания (h). Имеется три шкалы. При испытании алмазным конусом при Р = 150 кгс получаем твердоcтьHRC, то же при Р = 60 кгс –HRAи при вдавливании стального шарика при Р = 100 кгсHRB.

При методе Виккерсавдавливается алмазная пирамида и, измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (НV) (рис. 6.14, в).

а)	б)	в)
Рис. 6.14. Схема испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю для алюминия составляет НВ=25, для мягкой меди – НВ=45, для твердой меди – НВ=110.

Испытания на удар. Эти испытания позволяют определять способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявлять склонность металла к хрупкому разрушению при различных температурах.

Для испытаний применяют стандартные образцы квадратного или прямоугольного сечения с надрезом или без него (рис. 6.15). Образец устанавливают на двух опорах 6 стоек 3 специального копра (рис. 6.16). Маятник 1, падая с высоты Н(положениеI), разрушает образец 5 (положениеII) и по инерции поднимается на высотуh(положениеIII). Маятник останавливают ручкой 4 тормоза. РаботаА_н, затраченная на разрушение образца, определяется по шкале 2 в соответствии с формулой

A_н = P (H - h).(6.5)

Удельную ударную вязкостьопределяют по формуле

a_к = А_н/F_o,(6.6)

где А_н– работа, затраченная на разрушение образца, Дж/см²;

F₀– площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см².

Ударная вязкость помимо обозначения a_ктакже может обозначатьсяKCUилиKСV, где последние символы указывают на форму надреза в испытуемом образце (рис. 6.17).

Испытания проводят при положительной и отрицательной температурах.

Проба на изгиб предназначенадля определения пластичности металлапри изгибе до нужной степени, в зависимости от назначения металла; осуществляют ее в холодном или горячем состоянии. На установке, приведенной на рис. 6.12, выполняют следующие пробы на изгиб: до определенного угла (рис. 6.12,б), до параллельности сторон (рис. 6.12,в), до соприкосновения сторон (рис. 6.12,г). Испытуемый металл считается выдержавшим пробу, если на образце после изгиба отсутствуют трещины, надрывы, изломы и т.д. Тот или иной вид пробы на изгиб обычно оговаривается в технических условиях на поставку листового материала.

а) б)
Рис. 6.10. Образцы для испытания на удар с U-образным (а) и V-образным (б) надрезом	Рис. 6.11. Схема испытания на удар

а)	б)	в)	г)
Рис. 6.12. Схема испытаний на изгиб

Пробу на перегиб(испытания на перегиб) применяют для определения способности металла выдерживать повторные перегибы в холодном состоянии и осуществляется на специальном приборе или в слесарных тисках. Испытуемый образец из листовой или полосовой стали толщиной до 5 мм, проволоки и прутков фасонного сечения площадью до 120 мм²и т.д. зажимают в приборе или в тисках, приводят в исходное положение и затем осуществляют колебательные движения на 180° до появления трещины в образце. Число перегибов до наступления трещины является характеристикой этого испытания.

Испытания на усталость.Разрушение металлов под действием многократных (повторно-переменных) нагрузок, изменяющихся по величине и знаку, при напряжениях, меньших временного сопротивления на растяжение, называют усталостным. Способность металлов выдерживать большое число циклов называютвыносливостьюσ_ω, илициклической прочностью.

Испытания для определения прочности, пластичности, на изгиб и по определению твердости производят при комнатной температуре (+20⁰С).

Основные показатели механических свойств строительных сталей приведены в табл. 6.1, 6.2.

Таблица. 6.1

Основные марки строительных сталей и их механические характеристики

Группа прочности	Марка стали	Предел текучести, Н/мм2	Временное сопротивление, Н/мм2	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, Дж/см2, при t 0C
					+200	-200	-400	-700	После механич. старения
Обычной	ВСт3кп, ВСт3пс, ВСт3Гпс, ВСт3пс	185-285	365-390	25-27	50-100	30-50	–	–	30-50
Повышенной	09Г2, 09Г2С, 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД, 14Г2АФ, 10ХСНД, 10ХНДП	295-390	430-540	19-20	–	–	30-50	25-35	30
Высокой	16Г2АФ, 18Г2АФпс, 15Г2СФ т.о., 12Г2СМФ т.о., 12ГН2МФАЮ т.о.	Св. 440	Св. 590	14-20	–	–	40-50	30-35	30

Таблица. 6.2

Механические свойства строительной стали по ГОСТ 27772-88*

Наименование стали	Толщина полки (листа), мм	Механические характеристики			Ударная вязкость KCU, Дж/см2, при t 0C
		Предел текучести, Н/мм2	Временное сопротивление, Н/мм2	Относительное удлинение, %	-20	-40	-70	после механического старения
Фасонный прокат
С235	4-20	235	360	26	–	–	–	–
С245	4-20	245	370	25	–	–	–	29
С255	4-10	255	380	25	29	–	–	29
	10-20	245	370	25	29	–	–	29
С275	4-10	275	390	24	–	–	–	29
	10-20	275	380	23	–	–	–	29
Листовой прокат
С235	2-3,9	235	360	20	–	–	–	–
	4-40	235	360	26	–	–	–	–
С245	2-3,9	245	370	20	–	–	–	–
	4-10	245	370	25	–	–	–	29
	10-20	245	370	25	–	–	–	29
С255	2-3,9	255	380	20	–	–	–	–
	4-10	245	380	25	29	–	–	29
	10-20	245	370	25	29	–	–	29
С275	2-3,9	275	380	18	–	–	–	–
	4-10	275	380	24	–	–	–	29
	10-20	265	370	23	–	–	–	29
С345	2-3,9	345	490	15	–	–	–	–
	4-10	345	490	21	–	39	34	29
	10-20	325	470	21	–	34	29	29