Статические испытания

Статические испытания

Статическими называют такие испытания, при которых прикла­дываемая внешняя сила (нагрузка) медленно возрастает. Нагружение может осуществляться различными способами: растяжением, сжатием, изгибом или кручением. Наиболее распространенными являются испытания на растяжение.

Если металлический образец подвергнуть одноосному растя­жению, то его размеры и форма изменятся (при сохранении по­стоянного объема): длина образца уве­личится, а площадь поперечного сече­ния уменьшится. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешней силы, называют деформациями, а процесс, их вызывающий, — деформированием. Если через некоторое время прекратить деформирование, то дефор­мации в металле или исчезнут полностью, и, следовательно, размеры и форма испытуемого образца восстановятся или только несколько уменьшатся. Дефор­мации, исчезающие при разгрузке, называют упругими, а не исчезаю­щие — остаточными, или пластическими. В пер­вом случае деформирование упругое, а во втором — упруго-пластическое.

В начале процесса нагружения в металле появляются упругие деформации. Затем при достижении определенной величины напря­жения, называемой, пределом упругости к упру­гим деформациям добавляются пластические (упруго-пластическая стадия). По мере деформирования способность металла к пластиче­скому деформированию уменьшается, так как развитие его сопро­вождается упрочнением. И наконец, когда способность металла к пластическому деформированию будет полностью исчерпана, про­изойдет его разрушение. Зависимость между нагрузкой (или на­пряжением) и величиной деформации обычно представляют в виде диаграммы деформации.

Диаграмма деформации при растяжении

Диаграмма деформации при растяжении

На рис. 1 приведена диаграмма деформации при растяжении металлического образца. По оси ординат откладывают величину напряжения σ н/м² (ньютон на кв. метр), т. е. величину внешней силы Р, отнесенную к единице площади поперечного сечения F об­разца, подвергнутого деформированию σ=P/F. По оси абсцисс диаграммы наносят значение относительного удлинения того же образца δ. Относительным удлинением называют отношение приращения длины образца Δl после растяжения к его первоначальной длине lₒ, выраженное в процентах,

δ=Δl/lₒ·100.

Относительное удлинение является характеристикой пластич­ности.

Кривая растяжения на диаграмме деформации характеризует поведение металла при его деформировании. Линия 0А на кривой растяжения показывает развитие в металле процесса упругой деформации. Удлинение образца при этом незначительно. Тангенс угла наклона прямой 0А к оси абсцисс пропорционален модулю упругости Е, который равен отношению напряжения к отно­сительному удлинению в области упругой деформации. Модуль упругости характеризует упругие свойства металла. До точки А на кривой деформация возрастает пропорционально увеличению напряжения; выше точки А пропорциональность нарушается. Ве­личину напряжения, соответствующую началу нарушения пропор­циональности, называют пределом пропорциональ­ности σp.

При дальнейшем повышении напряжения у некоторых металлов на кривой растяжения появляется горизонтальный уча­сток, называемый площадкой текучести. Напряжение, при котором наблюдается деформация образца без заметного увеличения на­грузки, называют пределом текучести σs. При еще большем повышении напряжения в металле развивается пласти­ческая деформация (криволинейный участок кривой растяжения); при напряжении, соответствующем на кривой точке В, у образцов из пластичных металлов появляется шейка, а затем металл разру­шается. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшест­вовавшей разрушению образца, называют временным со­противлением разрыву σB.

Предел прочности σB характеризует сопротивление большим, а предел текучести σB — малым пластическим деформациям.

Другой характеристикой пластичности, получаемой при испы­тании на растяжение, является относительное сужение площади поперечного сечения ψ. Относительным сужением называют отношение величины уменьшения площади поперечного сечения образца ΔF после растяжения к первоначальной площади поперечного сечения Fo выраженное в процентах:

ψ=ΔF/Fo ·100.

У хрупких металлов (разрушающихся без значительных пла­стических деформаций) величины δ и ψ близки к нулю, у пластичных они составляют несколько десятков процентов.

Таким образом, при статических испытаниях на растяжение определяют важнейшие механические характеристики металлов: прочностные σB, σs (реже σp) и пластические δ и ψ.

Величина предела текучести σs, является отправной при расче­те деталей машин и конструкций на прочность. Допускаемое на­пряжение σдопн/м² выбирают в зависимости от величины σs по урав­нению:

σдопs/n,

где n — запас прочности, зависящий от условий работы изделий. По величине допускаемого напряжения σдоп и величине действую­щей нагрузки Р(н) находят путем расчета поперечное сечение F(м²) изделия из уравнения:

F=P/σдоп.

В этом случае при работе изделий напряжения, возникающие в них, будут ниже предела текучести материала.

Все указанные механические характеристики (кроме модуля упругости Е) зависят от структуры металлов и называются поэтому структурно-чувствительными.

Диаграмму деформации с площадкой текучести (рис. 1) имеют только низкоуглеродистая сталь и отожженная алюминиевая и марганцовистая бронза. У большинства же металлов и сплавов, в том числе и у средне- и высокоуглеродистых сталей, площадка текучести на диаграмме деформаций отсутствует. В этом случае определяют условный предел текучести σ0,2, т. е. напряжение, при котором деформация (остаточное удлинение) составляет 0,2% от расчетной длины образца.

При определении величин σs (или σ0,2), σB, σp  соответствующие им нагрузки обычно относят к первоначальной площади поперечного сечения образца. Однако у пластичных металлов при напряжениях, превышающих σs, площадь поперечного сечения непрерывно умень­шается, а при напряжении, равном σB, у образцов при испытании образуется шейка. Поэтому более правильно относить нагрузку не к первоначальной площади поперечного сечения образца, а к дей­ствительной, образующейся в процессе деформирования. Такое на­пряжение называют истинным, а диаграмму, показывающую зависимость между истинным напряжением S и истинным удлине­нием ε — диаграммой истинных напряжений, (рис. 2, а). Предел текучести на диаграмме истинных напряжений обозначают Ss, а напряжение, при котором происходит разрушение, — Sк. Величина Sк для хрупких металлов равна σB, а для пластичных всегда больше σB. На диаграмме истинных напряжений имеется два участка прямой; участок ОА соответствует стадии упругой деформа­ции, а участок АВ — стадии пластической деформации. Пластическая деформация значительно больше упругой, поэтому участок прямой, характеризующий упругую деформацию, почти совпадает с осью ординат. Диаграмма истинных напряжений для этого слу­чая приведена на рис. 2, б.

Диаграмма истинных напряжений при растяжении

Диаграмма истинных напряжений при растяжении

Тангенс угла α наклона прямой АВ к оси абсцисс на диаграмме истинных напряжений характеризует модуль упрочне­ния D, определяющий способность металла к пластической деформации. Чем больше величина модуля упроч­нения D, тем больше способность ме­талла к упрочнению (наклепываемость).

При расчете детали на прочность может оказаться, что наиболь­шие напряжения действуют не в плоскости поперечного сечения, а в какой-либо иной. Поэтому необходимо определить значения на­пряжений для сечений, расположенных произвольно к направле­нию действующей внешней силы. В этом случае вектор напряжения σn будет не перпендикулярен к исследуемой произвольной площад­ке AB и его следует разложить на две составляющие — нормаль­ное (растягивающее) напряжение σн и касательное (тангенциальное) напряжение τ (рис. 3).

Напряжения при растяжении образца

Напряжения при растяжении образца

Нормальные напряжения могут вызывать упругие деформации и приводить к разрушению металла путем отрыва (хрупкое разру­шение). Тангенциальные напряжения вызывают пластические деформации сдвига и приводят к разрушению металла путем сдви­га (вязкое разрушение). Нормальные и касательные напряжения имеют максимальные значения на различных площадках или сече­ниях образцов. Так, при растяжении максимальные нормальные напряжения возникают в поперечных сечениях образца, т. е. на площадках, перпендикулярных к направлению действующего уси­лия, максимальные же касательные напряжения — на площадках образца, наклоненных к направлению действующего усилия под углом α = 45°. Поэтому хрупкие изломы образцов или деталей при растяжении всегда происходят по поперечным сечениям, а вязкие (под влиянием касательных напряжений) — по косым сечениям, расположенным под углом 45°. Сопротивление хрупкому разруше­нию называют хрупкой прочностью, или сопротивлением отрыву St, а сопротивление вязкому разрушению — сопротивлением сдвигу tк. Определение сопротивле­ния отрыву ST приобретает все большее значение при оценке проч­ности материалов.

В значительно меньшей степени, чем испытание на растяжение, используют статические испытания на сжатие и изгиб; им подверга­ют обычно хрупкие металлы и сплавы, например, такие, как высо­коуглеродистые стали и чугуны.

Статические испытания металлов проводят на стандартных об­разцах и специальных машинах с автоматической записью диаграм­мы деформации. Наибольшее распространение получили машины напри­мер, типа ИМ-4Р и др.

В последнее время для оценки свойств металлов в малых объе­мах (например, металла сварного шва и околошовной зоны) приме­няют микромеханические испытания, при которых характеристики прочности и пластичности определяют на образцах весьма малых размеров.