ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распростра­ненным методом исследования и контроля механических свойств металлов [I]. Использование этого метода для арбитражных и контрольных испытаний регламентируется Государственным стандартом.

Испытания на растяжение производятся на разрывных или универсаль­ных машинах, а также на прессах с применением реверсоров [2].

ГОСТ 1497—61 содержит основные требования к испытательным машинам, необходимые указания о форме и размерах образцов, определения понятий условного предела пропорциональности , условного предела упругости , пределов текучести (условного и физического), временного сопротив­ления (предела прочности), истинного сопротивления разрыву, относи­тельного удлинения и относительного сужения и, наконец, порядок про­ведения испытаний и расчета перечисленных характеристик [З].

В исследовательских целях испытания на растяжение используются зна­чительно шире, чем это предусмотрено ГОСТом для оценки однородности свойств металла различных плавок, полуфабрикатов, идентичности режимов термической обработки деталей. Следует отметить, что самый элементарный контроль по временному сопротивлению и удлинению позволяет одновременно получить широкую информацию о свойствах испытуемого металла, а именно, оценить его способность к равномерной и сосредоточенной деформации, а также (при условии записи диаграммы деформации) работу деформации и разрушения при статической нагрузке. При испытаниях с определением предела пропорциональности можно попутно, с очень небольшими дополни­тельными затратами времени, определить и значение модуля нормальной упругости Е— важнейшую расчетную характеристику конструкционного мате­риала- Специально поставленные испытания на растяжение позволяют опре­делить и другие, необходимые конструктору свойства: касательный и секу­щий модули в упруго-пластической области, коэффициент Пуассона и др.

Для установления соотношений между напряжениями и деформациями при различных видах напряженного состояния особое значение имеют диа­граммы истинных напряжений при растяжении (диаграммы S=S(е), где S— истинное нормальное напряжение и е—истинная деформация).

Ниже будут рассмотрены основные особенности напряженно-деформи­рованного состояния при растяжении и методика определения тех показате­лей прочности, пластичности и вязкости, которые не регламентируются ГОСТом.

Можно принять, что при нагружении осевыми силами образцов, узако­ненных ГОСТом, и нестандартных образцов, имеющих, однако, плавные пере­ходы к головкам и достаточную рабочую длину l, в средней части испытуе­мого стержня продольные растягивающие напряжения распределены равномерно; наибольшее значение они имеют в сечениях, перпендикулярных оси образца, где касательная составляющая напряжения равна нулю. По площад­кам, наклонным к оси стержня, действуют как нормальные о, так и касатель­ные т напряжения. Величина обеих составляющих зависит от угла наклона сечения относительно направления осевой нагрузки; в сечениях, расположен­ных под углом 45° к оси образца, касательные напряжения имеют наиболь­шее значение

Характер излома образцов при растяжении, как, впрочем, и при других видах испытания, позволяет в ряде случаев определить такую важную техни­ческую характеристику материала, как сопротивление отрыву 5;, когда разру­шение вызывается нормальными напряжениями (излом перпендикулярен ос» образца).

В течение последних 15—20 лет представления о характеристиках разру­шения существенно изменились. Экспериментально было показано, что разру­шение представляет собой процесс, развивающийся во времени. Поэтому сейчас о сопротивлении отрыву можно говорить лишь как о технической характери­стике, могущей в определенных условиях служить мерой хрупкости материала. Для оценки способности материала тормозить развитие очага разрушения все большее распространение получают такие характеристики как вязкость раз­рушения и коэффициент интенсивности напряжений (см. стр. 94).

При изломах, лежащих в плоскости действия наибольших касательных напряжений, разрушение называют вязким. Излом «чашечкой» свидетельствует о смешанном характере разрушения: дно «чашечки» образуется под действием нормальных напряжений, а губы среза примерно под углом 45°—под дейст­вием касательных напряжений.

Получаемые при испытаниях на растяжение диаграммы «нагрузка Р— приращение длины » чаще всего имеют вид, представленный на рис. 1. Вид диаграммы не меняется, если по оси ординат откладывать напряжение (Fо - площадь поперечного сечения образца), а по оси абсцисс—удлинение на единицу расчетной длины . Тип I диаграммы (рис. 1,а) присущ большинству конструкционных сталей, а также некоторым алюминиевым, титановым и магниевым сплавам. Многие алюминиевые и титановые сплавы деформируются при растяжении по типу II (см, рис. 1,6). Диаграмма растя­жения с площадкой текучести Т (тип III) свойственна железу, мягким угле­родистым сталям, некоторым сортам бронз. Для хрупких же материалов диа­грамма растяжения (см. рве. 1,г) заканчивается обрывом на начальном пря­молинейном участке.

Следует иметь в виду, что участок кривой Р—, записанный на диа­граммном приборе, отражает упругую деформацию образца и элементов испытательной машины.

Рассматривая диаграммы рис. I, можно заметить, что на участке до точ­ки п. существует прямая пропорциональность между приращением напряже­ния и приращением относительной деформации е: . Коэффициент пропорциональности Е, численно равный тангенсу угла наклона прямолиней­ного участка к оси деформаций, называется модулем нормальной упругости. Чем больше модуль упругости Е, тем меньше деформируется (удлиняется) материал под действием внешней нагрузки. При растягивающей нагрузке Р<Рпц разгрузка образца всякий раз приводит к исчезновению дефор­мации, возникшей в нем под действием приложенного усилия. Такая дефор­мация называется упругой.

Модуль упругости при растяжении вычисляют по формуле

где - степень нагружения в Н (кГ);

- база тензометра в мм;

- исходная площадь поперечного сечения образца в ;

- среднее приращение расчетной длины при нагружении на , в мм.

 

 

Приращение расчетной длины определяют с помощью тензометра, устанавливаемого на образец 1 в его рабочей части (рис. 2) так, что острия 4 планок 2 тензометра находятся на границе расчетной части l0 с одного конца, в другой конец l0 упираются призмы ромбического сечения 5, для удер­жания которых в планках 2 имеются углубления соответствующей формы. Каждая призма снабжена зеркалом 6, плоскость которого параллельна оси образца и измерительной линейке 7. Планки тензометра удерживаются на образце легкой струбциной 3.

При удлинении образца под нагрузкой на острие призмы изменяет положение от начальной точки b до точки d., поворачиваясь вместе с зеркалом на некоторый малый угол около точки 0. Экспериментатор через зрительную трубу 8, укрепленную вместе с линейкой с миллиметровыми делениями 7 на специальном штативе, наблюдает за отражением делений шкалы в зеркале.

При перемещении острия призмы на наблюдатель в зеркале увидит отражение деления а1; разность двух отсчетов В=а1—а характеризует дефор­мацию .

Из рис.2 видно, что и . По малости угла можно принять и, следовательно, . Расстояние L обычно выбирают так, чтобы . Тогда . Чтобы исключить влияние эксцентриситета, устанавливают два зеркала с призмами и наблюдения ведут через 2 зрительные трубы. Тогда

Пользуясь последним выражением, вычисляют приращение длины на каж­дой ступени нагружения.

Модуль упругости определяют в интервале нагрузок, лежащих ниже Рпц на 20—25%. Вообще говоря, чем ниже интервал нагрузок, в котором определяется модуль упругости, тем точнее получаемые результаты. Важно, однако, чтобы число ступеней нагружения было не менее пяти. Первый отсчет по тен­зометру берется при начальной нагрузке, равной 15—20% от предполагаемой Рпц (см. рис. 1,6). Ступень нагружения Р выбирается таким образом, чтобы между начальной нагрузкой и Р=0,7 Рпц было не менее пяти ступеней.

При испытании на растяжение цилиндрического или плоского образца одноосному (>0; =0) напряженному состоянию соответствует трех­осное деформированное состояние (>0; <0).

Обобщенный закон Гука устанавливает соотношение между поперечной () и продольной деформациями.

В упругой области

где Е - модуль нормальной упругости;

И - коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации).

Отсюда для одноосного растяжения получаем

 

(Знак минус указывает на то, что поперечная и продольная деформации отли­чаются по знаку).

Коэффициент Пуассона является одной из основных расчетных характе­ристик. Зная Е и , можно расчетным путем определить и модуль сдвига G и модуль объемной упругости K:

 

Коэффициент Пуассона при растяжении опреде­ляют на широких пластинах (рис. 3), обычно шири­ной 70 мм. Поперечный тензометр устанавливают таким образом, чтобы расстояние между остриями призмы и кромкой образца было не менее 10 мм. Желательно, чтобы число ступеней нагружения для определения было не менее 5. На каждой ступени нагружения значения продольной и поперечной де­формаций регистрируются одновременно. Рекомен­дуется, чтобы величина наибольшей нагрузки на пос­ледней ступени нагружения была на 20% меньше нагрузки на пределе пропорциональности (см. ниже). Начальная нагрузка принимается такой же, как и ' при определении модуля упругости.

 

 

При дальнейшем возрастании нагрузки в интер­вале между Рпц и Рв имеет место уже не пропорцио­нальное ей увеличение деформации. Нагрузка, при которой происходит отклонение от закона пропорциональности, определяет предел пропорциональности материала ­

Практически отклонения от прямолинейного участка кривой растяжения вначале настолько малы, что находятся в пределах точности измерения совре­менных тензометров. Поэтому в технике предел пропорциональности определяют как напряжение, при котором тангенс угла наклона касательной к оси нагрузок увеличивается на 50% (или же по особому соглашению на 10 или 25%) от значения на линейном упругом участке (см. рис. 1,6)1

Небольшое превышение нагрузки относительно Рпц не изменяет характера деформации, она остается упругой. Наибольшая нагрузка, которую выдержи­вает образец без появления остаточной деформации при разгрузке, определяет предел упругости материала. Вначале остаточное удлинение настолько мало, что его измерение связано с техническими трудностями. Поэтому обычно определяют условный предел упругости с минимальным допуском на остаточную деформацию: 0,05% по ГОСТу, 0,003—0,005% в исследовательских целях.

' При нагрузках Р>Руп наряду с ростом (пропорционально приложенному напряжению) упругой деформации, происходит накопление пластической де­формации, не исчезающей при разгрузке. Напряжение, при котором остаточное. относительное удлинение составляет 0,2% (см. рис. 1,6), называется условным пределом текучести и определяется как.

Важно представить, что не только условный предел текучести , но и условный предел упругости и условный предел пропорциональности характеризуют сопротивление материала малым пластическим деформациям.

Для материалов с диаграммой деформации типа III (см. рис. 1,в) опре­деляют не условный, а физический предел текучести, отвечающий точке т на диаграмме, когда в определенном интервале наблюдается рост деформации без увеличения внешнейнагрузки . Иногда на диаграммах растяжения вместо площадки текучести можно наблюдать так называемый зуб текучести (показан на диаграмме пункти­ром). В этом случае физический предел текучести можно определять как верхний предел текучести, соответствующий точке T', или же как нижний предел текучести на уровне площадки T.

Кривая растяжения пластических материалов может иметь максимум (в точке в на диаграммах типа I и III) или же обрываться при достижении наибольшей нагрузки (тип II). Временное сопротивление (предел прочности) определяют как . Величина пластической деформации, соответствующая точке в на диаграм­мах типа I, для разных материалов колеблется в довольно широких преде­лах—от 3—5% для высокопрочной малолегированной конструкционной стали до 25—50% для меди, некоторых сортов латуни и нержавеющей стали. В пос­ледние годы появились материалы (например, стали Марэйджинг), у которых максимум на диаграмме растяжения соответствует пластической деформации менее 1%; диаграммы подобного типа (Iа) наблюдаются также в состоянии деформационного старения или у сильно нагартованных металлов.

Обычно временное сопротивление рассматривают так же, как характери­стику сопротивления пластической деформации. Основным аргументом при этом является то обстоятельство, что при построении диаграмм истинных напряжений (см. ниже), истинное временное сопротивление SB=РB/FB (FB - фактическая площадь поперечного сечения в момент действия нагрузки РB) является лишь текущей ординатой кривой растяжения, т. е. и после достиже­ния максимальной нагрузки истинные напряжения продолжают расти. С дру­гой стороны, нельзя не считаться с тем, что у материалов с диаграммой де­формации типа II , как и Sв является конечной, а не текущей ординатой кривой и таким образом скорее характеризует сопротивление разрушению и сопротивление пластическому деформированию на стадии разрушения, а не только сопротивление пластической деформации.

Отчасти этим обстоятельством объясняется то, что для конструкционных алюминиевых, магниевых и титановых сплавов (диаграмма растяжения в ос­новном соответствует типу II) не удается установить определенной зависи­мости между временным сопротивлением и твердостью по Бринелю, Роквеллу или Виккерсу, являющейся бесспорной мерой сопротивления металла пластической деформации. Имеет, конечно, значение и то, что даже у мате­риала одной и той же марки различному уровню прочности (), достигаемому термической обработкой, соответствуют в общем случае разные значения пластической деформации (например, для стали типа 40ХНМА при обработке на =1700 Мн/м² (170 кГ/мм²) 4%, а при обработке на =1200 Мн/м' (120 кГ/мм²) =8%; в то же время, даже более строгие испытания на твер­дость методом вдавливания пирамиды, когда вследствие подобия отпечатков степень деформации вдавливания не зависит от нагрузки на индентор, величина пластической деформации составляет примерно 10%.

 

Подобно модулю упругости Е, характеризующему упрочнение материала в упругой области, в упруго-пластической области также существуют показа­тели интенсивности упрочнения. Наибольшее применение в расчетах на проч­ность нашли касательный модуль Et и секущий модуль Еs. Геометрический смысл этих модулей показан на рис. 4, а. Оба модуля с увеличением степени пластической деформации, т. е. с ростом напряжения, уменьшаются (см. рис. 4, б). Практически касательный модуль Е, удобно определять с помощью зеркальной линейки.

Долгое время считалось, что конечная точка диаграммы растяжения к ха­рактеризует истинное сопротивление разрыву Sк, которое определяли путем деления конечной нагрузки Pk на фактическую площадь поперечного сечения образца в месте разрыва Fк: S=Рк/Fк.

В соответствии с современными представлениями разрушение представ­ляет собой не мгновенный акт (в точке к), а развивающийся во времени про­цесс, так что фактическое начало разрушения может соответствовать какой-то промежуточной точке на участке в—к, а весь процесс заканчиваться при па­дающей вплоть 'до нуля нагрузке. Возможность экспериментального наблюде­ния процесса разрушения при статической нагрузке связана с созданием безынерционных измерительных систем, т. е. таких силоизмёрительных уст­ройств, у которых период собственных колебаний был бы во много раз меньше продолжительности изучаемого процесса.

В настоящее время величиной Sk пользуются редко. Значительно более широкое распростарнение получили предложенные Ирвином и Орованом в ка­честве констант разрушения для нехрупких материалов критический коэффи­циент интенсивности напряжений K1c или вязкость разрушения G1c, связанная с K1c соотношением . Величина K1c по существу характеризует концентрацию напряжений в вершине развивающейся трещины в момент пере­хода к неконтролируемому разрушению за счет упругой энергии, накопленной в системе «образец—испытательная машина».

Там, где это возможно, особенно при испытании новых материалов, реко­мендуется записывать диаграмму растяжения, используя для этого диаграмм­ные приборы с приемлемым масштабом записи. Площадь диаграммы , ограниченная кривой оевк (рис. 5), приближенно характеризует полную ра­боту, затраченную на деформацию вплоть до разрушения образца.

Удельный, на единицу объема расчетной длины, расход энергии характеризует среднюю вязкость или работоспособность материала. За вычетом площади мкм', соот­ветствующей работе упругой деформации, площадь кривой растяжения оевкм' является мерилом работы, израсходованной на пластическую деформацию до разрушения образца. Практически работа деформации определяется путем планиметрирования всей или части площади, ограниченной кривой растяже­ния. Строго говоря, мерилом работы деформации является площадь условной кривой растяжения в координатах (см. ниже).

При приемо-сдаточных испытаниях в соответствии с действующим ГОСТом пластичность при растяжении оценивается удлинением или сужением , подсчитываемым по формулам

 

 

где lк и Fк соответственно длина расчетной части и минимальная площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Для оценки конструкционной пластичности материала, кроме этих харак­теристик, может иметь особое значение способность к равномерной де­формации при растяжении, определяемая как остаточное удлинение или суже­ние, соответствующее максимуму на диаграмме растяжения типа I (см. рис. 5).

В пластической области при Рyn<Р<Рв образец в пределах расчетной длины деформируется равномерно, сохраняя начальную цилиндрическую или призматическую (плоские образцы) форму. При переходе за точку в форма образца существенно изменяется: появляется шейка (см., например, рис. 5) и деформация локализуется на небольшой длине, или, как говорят, наступает период сосредоточенной деформации.

Появление сосредоточенной деформации нарушает однородное распреде­ление напряжений в растягиваемом образце; наряду с осевыми в шейке воз­никают тангенциальные и радиальные напряжения, распределенные также неоднородно по сечению и достигающие максимума в центре.

Равномерное удлинение или равномерное сужение подсчитывают как

где lB и Fв — длина расчетной части и площадь поперечного сечения образца в момент достижения нагрузкой максимума (см. рис. 6). Технически величина равномерной деформации легко определяется на разрушенных образцах, на­пример, путем измерения диаметра на большей половине разорванного образца, примерно в середине между местом разрыва и концом расчетной длины.

Абсолютное удлинение образца после разрыва складывается из абсо­лютно равномерного удлинения и абсолютного сосредоточенного удлинения . В общем случае величина сосредоточенной деформации прямо пропорцио­нальна корню квадратному из площади поперечного сечения образца , а равномерное удлинение прямо пропорционально расчетной длине .

Отсюда относительное удлинение .

Таким образом, чтобы получать сопоставимые результаты по относитель­ному удлинению, необходимо, чтобы отношение расчетной длины к корню квадратному из площади сечения было одинаковым.

ГОСТ 1497—61 предусматривает определение удлинения на образцах

с и (для образцов круглого сечения соответственно и ).

Поскольку при влияние сосредоточенной деформации ска­жется сильнее, чем при , удлинение , определенное на коротких образцах, будет больше, чем определенное на длинных образцах. В междуна­родной практике удлинение иногда определяют на еще более короткой расчет­ной длине (;) и при этом получают еще более высокие показа­тели пластичности. Поэтому во всех случаях необходимо указывать, на какой расчетной длине определялось относительное удлинение.

Если при испытании на растяжение деформация протекает равномерно, вплоть до разрушения (диаграмма типа II на рис. 1, б), то вследствие по­стоянства объема при пластическом течении (1оF0=1кFк) между удлинением и сужением в любой-момент нагружения, включая разрыв, должна существо­вать однозначная связь .

Такое условное удлинение называют полным (отсюда и индекс «п»). Из приведенного соотношения следует, что в области равномерной деформации или при разрыве по типу II (см. рис. 1, б) численно удлинение бу­дет всегда больше, чем сужение. В тех же случаях, когда числен­ное значение больше, чем , разрыв обязательно происходит с образованием шейки (сосредото­ченной деформации). Ординаты кривых растяжения на рис. 6, полученные путем деле­ния действующей нагрузки на пер­воначальную площадь поперечного сечения растягиваемого образца, представляют собой условные напряжения . Дейст­вительные же напряжения в каждый момент растяжения бу­дут больше условных, поскольку площадь поперечного сечения об­разца с увеличением степени де­формации непрерывно уменьшает­ся. Чем больше степень деформа­ции, тем сильнее фактически дей­ствующие напряжения отличаются от условных (рис. 6). Характери­стики сопротивления малым пластическим деформациям практически не ме­няются при переходе от условных

напряжений к истинным.

Напряжения, получаемые путем деления нагрузки в каждый данный мо­мент деформации на площадь поперечного сечения образца в этот момент, называются истинными и означаются буквой S: .

Истинные диаграммы растяжения чаще всего изображают в координатах S, ; S, или S, , где условное полное сужение подсчитывается как . Реже встречаются диаграммы в координатах S-e, где е — истинная (или как ее еще называют «натуральная») деформация (см. рис. 6).

В отличие от условных деформаций , при определении истинной де­формации е учитывается изменение размеров образца в Процессе растяжения. Истинная деформация в каждый данный момент нагружения определяется как сумма бесконечно малых относительных деформаций dl/l при переменном l

. Истинная деформация при разрыве .

Важным свойством истинных деформаций является их аддитивность, т. е. при проведении процесса деформирования в несколько стадий истинную де­формацию на последней стадии можно представить как сумму истинных деформаций, определенных для каждой стадии в отдельности.

С полным удлинением и сужением истинная деформация связана следующими соотношениями:

. Действительно, , откуда . В то же время из закона постоянства объема при пластической деформации следует, что , но .

Истинные диаграммы растяжения в координатах S-e используются при исследовании соотношений между напряжениями и деформациями при разных видах напряженного состояния. С этой целью по исходным значениям S, е вычисляют истинные касательные (или октаэдрические) напряжения (tmax или tn) и сдвиги (gmax или gn), пользуясь следующими соотношениями:

Для некоторых важных конструкционных материалов (преимущественно для сталей невысокой и средней прочности, отожженных алюминиевых и медных сплавов), зная сопротивление деформации (tmax или tn), соответствующей определенным значениям gmax или gn, можно по данным испытания на растяжение определить сопротивление деформированию и при других, более сложных видах напряженного состояния.