Файл: И.А. Паначев Испытание стали на растяжение (2004).pdf

1

ИСПЫТАНИЕ СТАЛИ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы: наблюдение за поведением образца из пластичного материала при растяжении, определение механических характеристик углеродистой стали и анализ характера разрушения.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Испытание на растяжение является основным и наиболее распространенным методом исследования и контроля механических свойств материалов. Такие испытания проводят с целью определения числовых характеристик, позволяющих оценить прочность и пластичность материала. Такие характеристики называют механическими. Испытания проводятся на разрывных и универсальных машинах и регламентируются Государственным стандартом.

ГОСТ 1497-61 содержит основные требования к испытательным машинам, необходимые указания о форме и размерах образцов, определения понятий условного предела пропорциональности σпц, услов-

ного предела упругости σ у , пределов текучести (условного – σ0,2 и физического σт), временного сопротивления (предела прочности) σп ч(σв), относительного удлинения δ и относительного сужения ψ и,

наконец, порядок проведения испытаний и расчета названных механических характеристик.

Получаемые при испытаниях на растяжение диаграммы “нагруз- ка-деформация” чаще всего имеют вид (рис. 1).

Тип I соответствует большинству конструкционных сталей, а так же некоторым алюминиевым, титановым, магниевым сплавам. Многие алюминиевые сплавы деформируются при растяжении по типу II. Диаграмма растяжения с площадкой текучести (III) свойственна мягким углеродистым сталям и некоторым сортам бронз. Для хрупких же материалов диаграмма растяжения заканчивается разрывом на начальном прямолинейном участке (IV). При испытаниях деформация растягиваемого образца сопровождается деформацией испытательной машины, которая воспринимает точно такую же нагрузку, какая приложена к образцу. Эта нагрузка вызывает не только удлинение образца, но и некоторую упругую деформацию станины, упругого элемента силоизмери-

2

теля, зажимов и других частей машины. Чем больше эта деформация, тем податливее или мягче испытательная машина.

Рис. 1. Основные типы диаграмм

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Опыт проводится в условиях комнатной температуры при статическом нагружении образца из стали 3. Скорость загружения характеризуется скоростью перемещения движущегося захвата машины. Испытуемый образец (1) закрепляется в подвижном (2) и неподвижном (3) захватах разрывной машины типа ИМ-12А (с механическим усилием до 12000 кг) или Р-5 (с механическим усилием до 5000 кг) и нагружается растягивающей силой до его разрушения. Обе машины снабжены устройством для записи диаграмм растяжения. На рис. 2 приведена принципиальная схема разрывной машины. При вращении червяка (4) от электромотора (5), пуск которого осуществляется кнопочным пускателем (6), начинает вращаться горизонтальная гайка (7) и навинчивается на винт подвижного захвата. Захват опускается вниз и вызывает растяжение образца. Усилие в образце создается через рычаг (8) и тягу (9) маятником (10). Величина усилия, пропорциональная отклонению маятника, фиксируется стрелкой на шкале силоизмерителя (11) и пером

3

(12) на бумаге диаграммного аппарата (13). Удлинение образца преобразуется через редуктор (14), валик (15) и пару конических шестерен во вращение диаграммного барабана (13).

11

Рис. 2. Схема испытательной машины ИМ-12-А

Сложение вращения барабана и перемещения “пера самописца” дает график поведения образца под нагрузкой – диаграмму растяжения.

Машина Р-5 имеет подобную схему и здесь не разбирается. Для обмеров образца используется штангенциркуль.

4

3. ОБРАЗЦЫ

Испытание стали на растяжение производится на стандартных образцах (ГОСТ 1497-81) цилиндрической формы (рис. 3). Образцы имеют рабочую часть и головки для закрепления в захватах испытательных машин. На рабочей части образца выделяется рисками расчетная длина lo =10do =100 мм, где do =10 мм – диаметр рабочей части.

а do

б do

lo = 10do

Рис. 3. Схемы стандартных образцов для испытательных машин ИМ-12 -А (а) и Р-5 (б)

4. ПОВЕДЕНИЕ ОБРАЗЦА ПРИ ИСПЫТАНИИ

После обмера и нанесения рисок образец закрепляется в захватах разрывной машины.

Настраивается аппарат для записи диаграммы растяжения в координатах Р–∆l. Кнопкой “ПУСК” включается электродвигатель, от которого через редуктор передается перемещение со строго заданной скоростью к подвижному захвату разрывной машины. В процессе нагружения наблюдают за поведением образца, шкалой силоизмерителя и диаграммой растяжения. На рис. 4 показана диаграмма растяжения (график зависимости удлинения образца от прикладываемой нагрузки) стального стержня.

5

Pmax Pт

Pпц

∆lполн

Рис. 4. Диаграмма растяжения образца из стали 3

На первоначальном этапе нагружения (участок 01) диаграмма линейна. Такое поведение соответствует закону Гука. При превышении нагрузки Pпц (точка “1” диаграммы) линейная зависимость нарушает-

ся, а после нагрузки Pт (точка “2”) некоторое время деформации рас-

тут при практически постоянной нагрузке.

Такое поведение материала называется текучестью, а участок диаграммы 2-2’ – площадкой текучести.

Участок 2’-3 соответствует ВТОРИЧНОМУ УПРОЧНЕНИЮ материала. Если начать разгрузку образца от некоторой точки Д, лежащей правее точки 2’, то линия разгрузки ДД1 пойдет параллельно прямой

01.

При последующем новом нагружении этого образца линия нагружения практически совпадает с линией разгрузки. При повторном достижении точки Д диаграмма пойдет по криволинейной ветви (Д3).

Следовательно, ПОЛНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ образца (0Д2) складывается из УПРУГОЙ (Д1Д2), которая исчезает при разгрузке, ОСТАТОЧНОЙ (0Д1). При предварительном вытягивании образцов увеличивается область нагрузок, при которых выполняется закон Гука и уменьшаются остаточные деформации.

6

Это явление называется НАКЛЕПОМ. Точка 3 соответствует максимальному усилию Pmax , после чего на образце появляется местное

сужение (ШЕЙКА), а нагрузка начинает падать. Разрыв обычно наступает в области шейки с образованием характерного “кратера”, а моменту разрыва на диаграмме соответствует точка 4.

Сопротивление деформированию и разрушению материала может быть оценено условной диаграммой напряжений σ −ε , которая строится в относительных величинах σ = P / F и ε = ∆l / l , определяемых путем соответствующих пересчетов первичных опытных данных, получаемых при испытании образца.

5.МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА

Врезультате испытаний стального образца на растяжение и вычисление значений напряжений в характерных точках диаграммы рас-

тяжения (Р − ∆l) получают механические характеристики испытуемого материала.

ПРЕДЕЛ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ – наибольшее напряжение, при котором еще сохраняется линейная зависимость между напряжениями и деформациями.

Пока напряжения в материале не превышают предела пропорциональности, деформация после снятия нагрузки почти полностью исчезает. Можно сказать, что до предела пропорциональности существует обратимая связь между напряжениями и относительным удлинением, выражающаяся в виде соотношения, именуемого законом Гука:

σ = Eε , (1)

где σ − нормальные напряжения, кг/см2; Е − модуль упругости первого рода, кг/см2 – величина, постоянная

для данного материала (модуль Юнга или модуль продольной упругости); чем больше модуль упругости, тем меньше деформируется материал под действием внешней нагрузки;

ε− относительная деформация. Предел пропорциональности:

7

ПРЕДЕЛ УПРУГОСТИ – напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой установленной малой вели-

чины (0,003÷0,005 %):

Необходимо отметить, что предел пропорциональности и предел упругости трудно поддаются определению. Кроме того, резко меняют свою величину в зависимости от принятого допуска. Поэтому обычно характеристики σпц и σ у в справочные данные не включаются.

Напряжение, при котором остаточные удлинения составляют 0,2 %, называется УСЛОВНЫМ ПРЕДЕЛОМ ТЕКУЧЕСТИ и определяется:

Пределы упругости и текучести принципиально не отличаются один от другого. Так как переход из упругой области в пластическую происходит постепенно, то определенной точки на диаграмме деформации, соответствующей скачкообразному переходу из упругой в пластическую область, не существует. Чем меньше допуск, тем выше точность, с которой улавливают появление первой пластической деформации, тем ниже сама величина предела.

Для материалов с диаграммой (рис. 1, тип III) определяют не условный, а ФИЗИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ, соответствующий точке на диаграмме, когда происходит рост пластических деформаций без заметного увеличения нагрузки:

Состояние, в котором металл находится в пластической области, дает возможность придавать материалу желательную для разных целей форму путем его обработки прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой, вытягиванием, изгибанием, и т.д. Такая обработка проводится обычно при высоких температурах и находит широкое применение в технике.

ВРЕМЕННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ или ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ – наибольшее напряжение за время испытания образца: