1.2 Общие сведенья о статических испытаниях

Статическими называются такие испытания, при которых испытуемый материал подвергается воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.

Статические испытания проводятся при однократном и достаточно медленном действии нагрузки на изделие (образец).

При статических испытаниях металлов определяют упругие свойства, сопротивление малым начальным пластическим деформациям, сопротивление значительным пластическим деформациям, сопротивление разрушению, свойства, характеризующие пластичность, а иногда также статическую вязкость (в единицах работы).

Для полного выявления механических свойств необходимо проводить испытания материалов при различных способах нагружения (растяжение, сжатие, кручение, изгиб и т.п.) с различным соотношением максимальных касательных и максимальных нормальных (растягивающих) напряжений. При этом касательные напряжения определяют главным образом возможность пластической деформации, и после ее развития возможность разрушения вследствие среза.

Нормальные напряжения определяют преимущественно опасность хрупкого разрушения вследствие отрыва.

При статических испытаниях обычно пренебрегают силами инерции движущихся частей испытательной машины.

Деформации при статических испытаниях определяют измерением размеров деформированных образцов микрометром или штангенциркулем, а также по показаниям механических или электрических тензометров, укрепленных на образце.

5.3. Испытание на растяжение

Испытания на растяжение широко применяют для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов.

При статических испытаниях на растяжение определяются следующие характеристики: предел пропорциональности; предел упругости; предел текучести (условный и физический); временное сопротивление разрыву; истинное сопротивление разрыву; относительное удлинение и относительное сужение после разрыва.

Для испытания на растяжение применяют стандартные образцы как правило круглого (рис. 4) и прямоугольного сечения (рис. 5).

Рис. 4. Круглый образец для испытания на растяжение:

d₀ – начальный диаметр рабочей части цилиндрического образца до разрыва, мм; l₀ – начальная расчетная длина образца (участок рабочей длины до разрыва, на котором определяется удлинение), мм.

Рис. 5, а

Рис. 5, б

Рис. 5. Плоские образцы для испытаний на растяжение:

a₀ – начальная толщина рабочей части плоского образца, мм; b₀ – начальная ширина рабочей части плоского образца, мм; l₀ – начальная расчетная длина образца (участок рабочей длины до разрыва, на котором определяется удлинение), мм.

Цилиндрические образцы берутся диаметром 3 мм и более; образцы плоской формы обычно применяются для испытаний листовых материалов толщиной 0,5 мм и более.

Образцы состоят из рабочих частей и головок, форма и размеры которых соответствует захватам машин.

Для пластичных материалов применяют образцы без головок (рис. 5.5, б), устанавливаемые в зажимы с острыми насечками.

Для хрупких материалов (закаленные и неотпущенные стали, чугун, силикаты, цементы и др.) переходы от головок к цилиндрической части образца выполняются плавными, в виде закруглений большого радиуса.

Места вырезки образцов указываются в технических требованиях на испытываемую продукцию.

При вырезке и обработке образцов принимаются меры против возможного изменения свойств металла образцов вследствие нагрева или наклепа. Образцы, имеющие коробления, трещины, возникающие в результате механической или термической обработки, расслоения, поверхностные дефекты в виде инородных включений, плены и механические повреждения, испытаниям не подвергаются.

Испытательные машины состоят из механизмов нагружения, передачи растягивающей силы, центровки образцов, измерения растягивающего усилия.

На рисунке 6 представлена испытательная машина Р-100 для испытаний образцов на растяжение.

Нагружение образца осуществляется перемещением траверсы 2, связанных с помощью тяг 3 и поперечины 4 с поршнем гидравлического цилиндра 5. Усилие на образце определяется по давлению масла в рабочем цилиндре 5 при помощи специального торсионного силоизмерителя 1. Усилия отсчитываются по трем шкалам с делением от 0 до 20000 кгс (196 кН); от 0 до 50000 кгс (490 кН); от 0 до 100000 кгс (981 кН).

Рис. 6. Статическая машина Р-100 для испытания образцов на разрыв

Графическое изображение зависимости между нагрузкой и деформациями металла представляет собой диаграмму деформирования (см. рис. 3).

Испытательные машины имеют специальные приспособления, которое автоматически фиксируют диаграмму растяжения, т.е. график зависимости между силой, приложенной к образцу, и его абсолютным удлинением. На диаграмме по оси ординат откладываются действующие осевые нагрузки, а по оси абсцисс – абсолютные деформации.

На рисунке 7 представлены типичные диаграммы растяжения различных металлов.

Рис. 7. Диаграммы растяжения:

а – для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом из упругой в пластическую область; б – для некоторых металлов в пластическом состоянии со скачкообразным переходом в пластическую область; в – для хрупких металлов.

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рисунке 8.

Рис.8. Характерные участки и точки диаграммы растяжения

По оси абсцисс откладывают абсолютное удлинение Δl образца, а по оси ординат – значение растягивающей силы Р.

На первом участке диаграммы 0-1 получаем линейную зависимость между силой и удлинением, что отражает закон Гука. При дальнейшем увеличении силы (за точкой 1) прямолинейная зависимость между Р и Δl нарушается. Точка 1 соответствует пределу пропорциональности, т.е. наибольшему напряжению, при котором еще соблюдается закон Гука. Предел пропорциональности рассчитывается по формуле:

Несколько выше точки 1 находиться точка 1’, соответствующая пределу упругости:

Предел упругости задается и обозначается σ_0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка образца, равного базе тензометра.

За точкой 1’ возникают уже заметные остаточные деформации. В точке 2 диаграммы частицы материала начинают переходить в область пластичности – наступает явление текучести образца. На диаграмме растяжения получается горизонтальный участок 2-3 (площадка текучести), параллельный оси абсцисс. Для участка 2-3 характерен рост деформации без заметного увеличения нагрузки.

Предел текучести (физический) – это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту площадку:

Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести: напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определенного значения, установленного техническими условиями (большего, чем для предела упругости).

Обычно допуском для величины остаточной деформации при растяжении принято остаточное удлинение 0,2%.

Соответственно условный предел текучести рассчитывается по формул

При увеличении напряжений сверх предела текучести при растяжении в результате сильной деформации происходит упрочнение металла (изменение его структуры и свойств) и сопротивление деформации увеличивается, поэтому за участком текучести, т.е. за точкой 3 наблюдается подъем кривой растяжения (участок упрочнения). До точки 4 удлинение образца происходит равномерно. Наибольшее значение нагрузки, предшествующее разрушению образца, обозначим Р_макс. Точка 4 характеризует максимальное условное напряжение, возникающее в процессе испытания, называемое временным сопротивлением.

В момент, соответствующий нагрузке Р_макс, появляется заметное местное сужение образца (шейка). Если до этого момента образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки.

Участку 4-5 соответствует быстрое уменьшение сучения шейки, вследствие этого растягивающая сила уменьшается, хотя напряжение растет.

При дальнейшей деформации шейка сужается и образец разрывается по наименьшему сечению F_к, где напряжения в действительности достигают наибольшей величины. Таким образом, нарастание пластической деформации при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая деформация до точки 4 и местная пластическая деформация от точки 4 до точки 5 – момент разрушения.

Моменту разрыва соответствует точка 5, усилие разрыва обозначим Р_к. Отношение разрывного усилия к действительной площади сечения в месте разрыва называется истинным сопротивлением разрыву.

У пластичных металлов σ_в является характеристикой сопротивления пластической деформации, а у хрупких – характеристикой сопротивления разрушению.

Показателем пластической деформации является его абсолютное остаточное удлинение при разрыве (отрезок 0А₁ на рис.8), так как упругая деформация (отрезок А₁А₂) исчезает после разрыва.

Относительное сужение после разрыва – это отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца, в процентах: