В. А. Жилкин

6.2. Машины для испытания материалов

Для производства опытов на растяжение и сжатие существует ряд машин, которые позволяют провести эксперимент и достаточно точно измерить силу, действующую на испытуемый образец. Для проведения испытаний на растяжение образец закрепляют в захват испытательной машины и растягивают до разрыва, измеряя нагрузку и удлинение образца. Один захват непосредственно связан с динамометром, а другой – с движущейся траверсой. Удлинение измеряют или по движению траверсы, или с помощью соответствующего измерительного прибора прямо на образце. Принципиальное устройство подобных управляющих деформацией образца испытательных машин представлено на рис. 6.5.

Нагрузки, создаваемые приводом, передаются через траверсу на образец. Движение траверсы 1 осуществляется от двух шпинделей 2, которые приводятся во вращение с помощью червячного колеса и червяка или зубчатой передачи. Перемещение траверсы обеспечивается вращающимися гайками 7, установленными в движущейся траверсе.

До недавнего времени при испытании образцов, изготовленных как из металлов, так и из растительных материалов, использовали машины с маятниковым силоизмерителем, принципиальная схема которого приведена на рис. 6.6. Пассивный захват 2 через рычаг 1 кинематически связан

208

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

с маятником 3, угол отклонения которого нелинейно зависит от действия нагрузки P:

sin	rP	.	(6.9)
	mgL

Рис. 6.5

Рис. 6.6

С помощью стрелки 4, связанной с маятником, по предварительно отградуированной шкале 5 можно произвести отсчет нагрузки. Как следует из формулы (6.9), шкала нелинейная, с неравномерной разбивкой по закону синуса, что создает значительные неудобства. Поэтому такие шкалы применяются в основном при нагрузках до 0,5 кН. При более высоких нагрузках, когда можно допустить повышение абсолютной погрешности механизма, маятник соединяется со шкалой через корректирующий синусный механизм рычажного

209

В. А. Жилкин

или кулачкового типа с гибкой связью. При этом шкала силоизмерителя выполняется круговой с равномерной разбивкой делений. Типичными представителями таких машин являются Р-5, Р-0.5, 2161Р-5, 2162Р-50. В настоящее время чаще всего изготавливают машины с электрическим силоизмерителем. Все современные машины этого типа (например, 2038Р-0.5, 2166Р-5, 2054Р-5) выдают информацию в цифровой форме и имеют выход на вычислительную и управляющие системы.

Это существенно расширяет потенциальные возможности машины.

Для измерения удлинений служит тензодатчик, индуктивный или емкостный датчик, который устанавливают непосредственно на образце.

Запись диаграммы нагрузка-удлинение производят с помощью двухкоординатного самописца. Для создания нагрузки применяют системы с механическим или гидравлическим приводом. Обычно испытательные машины с максимальной нагрузкой <105 Н имеют механический привод, а с максимальной нагрузкой >105 Н – гидравлический.

Гидравлическое приводное устройство состоит из цилиндра, поршня и реверсивного вентиля. Для создания давления в цилиндре применяют регулируемый насос, работающий от электромотора. Путем соответствующей настройки этого насоса регулируют его производительность, а отсюда – скорость подачи поршня, который также связан с движущейся траверсой. Так как соотношение между напряжением и деформацией зависит от скорости деформирования образца, для гарантии воспроизводимости получаемых характеристик испытание на растяжение следует проводить с постоянной скоростью.

В управляющих деформацией испытательных машинах приблизительно равномерную скорость перемещения захвата и соответственно постоянную скорость деформирования образца можно получить только при использовании механического привода. В гидравлических машинах этого невозможно достичь без дополнительного регулятора.

210

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

При упругой работе материала образца скорость деформирования не должна превышать 2…50 мм/мин.

Методы испытаний на растяжение материалов стандартизованы. В стандартах обычно приводятся основные требования к применяемому испытательному оборудованию, режимы, методика проведения и обработки результатов испытаний.

В практике механических испытаний используют два режима:

заданного деформирования (жесткое нагружение); заданного нагружения (мягкое нагружение).

В первом случае снимается характеристика зависимости нагрузки от удлинения образца, во втором случае – зависимость деформации от нагрузки. Результаты испытаний в зависимости от режима работы машины могут существенно различаться, т. е. несопоставимы. Машины с мягким нагружением используются крайне редко.

6.3. Образцы для испытания материалов на растяжение

Для проведения испытаний металлов (ГОСТ 1497-84) на растяжение используют стандартные образцы круглого (рис. 6.7) или прямоугольного сечений, у которых отношение расчетной длины L0 к диаметру поперечного сечения d0 равно десяти (в случае некруглого поперечного сечения вместо диаметра принимают F0 , где F0 – площадь поперечного сечения образца).

Если по каким-либо причинам изготовить стандартные (нормальные) образцы невозможно, применяют пропорцио-

нальные образцы – меньшего сечения, но с тем же соотношением размеров. Такие образцы называются пропорциональ-

ными. При испытаниях на малых машинах с автоматической записью диаграммы пользуются малыми (кратными) образцами, у которых L0/d0 = 5. Во всех случаях на концах образцов имеются головки для захвата их машиной, форма и размеры которых зависят от конструкции приспособлений

211

В. А. Жилкин

для захвата. Между рабочей частью и головками образца обеспечиваются плавные переходы размеров. Поверхность рабочей части выполняется ровной, чистой.

Рис. 6.7

Форма и размеры образцов, используемые при изучении физико-механических свойств растений и их тканей, не гостированы.

6.4.Определение физико-механических характеристик материала при растяжении

Испытательная машина, снабженная диаграммным аппаратом, позволяет получить график зависимости между силой P, растягивающей образец, и соответствующей абсолютной деформацией L. На рис. 6.8 показан примерный вид диаграммы растяжения, полученной при испытании образца

212

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

из малоуглеродистой стали. Её условно разбивают на четыре зоны: зона упругости, зона общей текучести, зона упрочне-

ния и зона местной текучести.

Зона упругости – участок диаграммы OB. В начальной стадии испытания (до точки A с ординатой Pпр) зависимость между силой и удлинением линейна, т.е. справедлив закон Гука. На участке AB зависимость P = P( L) нелинейная, но материал сохраняет упругие свойства, т.е. при разгрузке образца точка B совпадет с точкой A. Участок AB называют участ-

ком нелинейной упругости.

Зона общей текучести – участок диаграммы BG. В данной зоне пластическая деформация охватывает весь объем материала.

Рис. 6.8

Сопротивление материалов рассматривает материал как сплошную среду, лишенную структурных особенностей. Поэтому описание результатов испытаний основывается на феноменологическом подходе, использующем экспериментальные факты без объяснения внутренних процессов,

213

	В. А. Жилкин
	происходящих в материале при деформации образца, кото-
	рые связаны со структурным строением материала и не мо-
	гут быть объяснены средствами механики сплошной среды.
	Однако иметь даже самое общее представление о физиче-
	ских процессах, происходящих в материале при нагружении,
	необходимо. Реальный механизм пластической деформации
	отличается сложностью, большим многообразием процес-
	сов, сопровождающих необратимые сдвиги в кристалличе-
	ской решетке, связанные с ее особого рода дефектами, на-
	зываемыми дислокациями.
	Теория дислокаций возникла в 20–30-х гг. прошло-
	го столетия. В настоящее время она детально разработана
	и подробно рассматривается в разделе физики твердого
	тела, а также в руководствах по механическим свойствам
	материалов.
	При значении растяги-
	вающей силы PT наблюдает-
	ся рост удлинения без увели-
	чения нагрузки. Это явление
Рис. 6.9	называется текучестью ме-
	талла. Участок диаграммы
	CD (почти горизонтальная линия) называется площадкой
	текучести.
	В этой стадии деформации образца его полированная
	поверхность становится матовой и на ней можно обнару-
	жить систему линий, наклоненных к оси образца под углом
	примерно 450 (рис. 6.9). Это так называемые линии Людерса-
	Чернова, представляющие собой следы сдвигов частиц ма-
	териала. Направление указанных линий соответствует пло-
	щадкам, на которых при растяжении образца возникают
	максимальные касательные напряжения.
	Зона упрочнения – участок диаграммы GE. После окон-
	чания стадии текучести материал вновь начинает сопротив-
	ляться деформации, здесь связь между силой и удлинением
	нелинейная: удлинение растет быстрее нагрузки. Образец
	практически в пределах всего участка сохраняет первона-

214

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

чальную форму, а его удлинение равномерно распределяется по рабочей длине. В конце участка при силе, примерно равной PB, на образце появляется местное утончение – шейка, что приводит к уменьшению усилия сопротивления образца

деформированию.

Зона местной текучести – участок диаграммы EF. Деформация образца локализуется в области шейки, усилия в поперечных сечениях образца падают, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки постоянно растёт. Разрушение образца происходит при силе РВИ (точка F на диаграмме P = P( L)), меньшей PB. Вследствие образования шейки распределение напряжений по сечению становится неравномерным, а частицы материала в этом месте испытывают растяжение не только в продольном, но также в радиальном и окружном направлениях. Это приводит к образованию внутри шейки поперечной трещины.

Опыт показывает, что если образец нагрузить в пределах зоны упругости (линия OA), а затем начать его разгружать, то разгрузка будет проходить по линии OA и образец после снятия нагрузки придет в прежнее, первоначальное состояние. Если образец нагрузить до некоторой точки G, то в процессе разгрузки зависимость между силой и удлинением будет изображаться линией GH, параллельной прямой OA. В точке G образец имеет полное удлинение OJ. После разгрузки упругая часть удлинения JH исчезает, а сохраняется остаточное, или пластическое, удлинение OH. Деформация,

соответствующая остаточному (пластическому) удлинению, называется пластической. За пределами зоны упругости OB деформация образца является упруго-пластической.

Пластичность (от греч. plastikós – годный для лепки, по-

датливый, пластичный) – свойство твёрдых тел необратимо изменять свои размеры и форму (т. е. пластически деформироваться) под действием механических нагрузок.

Пластичность кристаллических тел (или материалов) связана с действием различных микроскопических механизмов пластической деформации, относительная роль каждого

215

В. А. Жилкин

из которых определяется внешними условиями: температурой, нагрузкой, скоростью деформирования.

Полное удлинение образца в точке F складывается из упругого и остаточного удлинений:

Lполн Lост Lупр .

При разрушении полное удлинение образца уменьшается на величину упругой части Lупр и будет представлять только остаточное удлинение Lост .

При испытании на растяжение образца его усилия

иудлинения зависят не только от свойств материала, но и от

абсолютных размеров образца. Для того чтобы исключить влияние абсолютных размеров образца, диаграмму P = P( L)

перестраивают: все ординаты делят на начальную площадь

поперечного сечения F0, а все абсциссы – на начальную расчетную длину L0.

Врезультате получают так называемую условную диаграмму растяжения в координатах: относительное удлинение

– нормальное напряжение (диаграмма – впервые была построена Яковом Бернулли). Конечно, эта диаграмма (рис. 6.10) подобна исходной. Диаграмма называется условной, так как напряжения и деформации отнесены к начальной площади и к начальной расчетной длине образца.

На условной диаграмме растяжения отмечены точки

иих ординаты, соответствующие механическим характеристикам, которые могут быть получены при статических испытаниях на растяжение:

P

пр Fпр

0

P

y Fy

0

–предел пропорциональности – наибольшее напряжение, до достижения которого справедлив закон Гука;

–предел упругости – наибольшее напряжение, до достижения которого в образце не возникает остаточных деформаций;

216

т Pт F0

в Pв F0

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

– предел текучести – напряжение, при котором происходит рост пластических деформаций образца при практически постоянной нагрузке;

– предел временного сопротивления (или предел прочности) – условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом до разрушения.

Численное значение пределов пропорциональности и упругости, несмотря на различный физический смысл этих характеристик, для большинства материалов почти совпадают, что вызывает определенные сложности при проведении экспериментов. Поэтому при промышленных испытаниях в большинстве случаев ограничиваются определением пределов текучести и прочности.

При удлинении образца его поперечные размеры уменьшаются (следовательно, уменьшается и площадь его поперечного сечения). Это явление не оказывает влияния на вид диаграммы растяжения вплоть до площадки текучести, и если при вычислении напряжений брать действитель-

ную площадь поперечного сечения, то оказывается, что ис-

тинной диаграмме растяжения соответствует штриховая линия на рис. 6.10, в соответствии с которой напряжения в материале образца возрастают вплоть до точки разрушения. Однако в большинстве практических случаев для проектирования оказывается вполне достаточно условной диаграммы растяжения, построенной в предположении неизменности площади поперечного сечения образца.

При разгрузке образца, растянутого так, что в нем возникают напряжения выше предела текучести (например, из точки G (рис. 6.10)), линия разгрузки оказывается прямой, параллельной начальному участку OA диаграммы. Следовательно, полная деформация состоит из двух частей – упругой упр , исчезающей после снятия нагрузки, и остаточной (пластической) ост :

упр ост .

217

В. А. Жилкин

Рис. 6.10

Параллельность линии разгрузки начальному участку этой диаграммы указывает на то, что модуль упругости E при разгрузке имеет ту же величину, что и при нагружении, в пределах справедливости закона Гука.

Если образец, который был предварительно растянут до возникновения в нем напряжений, больших предела текучести, подвергнуть повторному нагружению, то оказывается, что линии нагрузки практически совпадают с линией разгрузки, и часть деформации, лежащая левее точки, от которой производилась разгрузка, не повторяется.

Таким образом, в результате предварительной вытяжки материала за предел текучести его свойства изменяются: по-

вышается предел пропорциональности и уменьшается пластичность. Это явление называют наклепом, или нагартовкой.

Наклёп возникает при вытяжке, холодной прокатке металла, в процессе штамповки и т.д. Часто наклёп играет положительную роль и применяется для упрочнения поверхностного слоя детали, повышения упругости проволоки, канатов и т.п. В тех случаях, когда наклёп вреден, его устраняют отжигом.

218

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

Наличие ярко выраженной площадки текучести на диаграмме растяжения (рис. 6.10) характерно лишь для малоуглеродистой стали и некоторых сплавов цветных металлов.

Диаграммы растяжения некоторых пластичных металлов и сплавов (например, среднеуглеродистой стали, меди, дюралюминия) не имеют площадки текучести. Для них вводится понятие условного предела текучести, представляющего собой напряжение, при котором относительная остаточная деформация образца составляет ост 0,2 % (рис. 6.11), в некоторых случаях ост 0,5 %. Условный предел текучести обозначают 0,2 или 0,5 .

Рис. 6.11

Пластичность материала оценивается относительными величинами:

остаточного удлинения при разрыве – Lк L0 100 %;

L0

остаточного сужения при разрыве – F0 Fк 100 %,

F0

где Lк , L0 – длины расчетной части образца, соответственно конечная и начальная;

Fк , F0 – площади поперечных сечений образца, соответственно конечная и начальная.

219

В. А. Жилкин

Величина в меньшей степени зависит от формы образца по сравнению с , поэтому является более точной характеристикой свойства пластичности. Чем больше и , тем более пластичным считается материал.

Свойство, противоположное пластичности, называется хрупкостью.

Хрупкость – это способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях.

У пластичных материалов характеристики пластичности достигают следующих значений: 30 %, 50 %

ивыше. Для хрупких материалов и находятся в пределах 2 5 %.

Весьма пластичными являются медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и т. д. Менее пластичные материалы – это дюралюминий, бронза, легированные стали. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, керамика, камень, бетон, стекло,стеклопластик и др.

Пластичные материалы проявляют большее сопротивление отрыву частиц, чем сдвигу их друг относительно друга,

иразрушаются, главным образом, от сдвига частиц в плоскостях действия наибольших касательных напряжений. Именно вследствие сдвига частиц увеличивается длина образца из пластичного материала при его растяжении, а место разрушения в шейке имеет вид кратера, стенки которого наклонены к оси образца под углом 450. Дном этого кратера является поверхность первоначальной внутренней трещины, возникающей после образования шейки.

Хрупкие материалы, наоборот, обладают большим сопротивлением сдвигу, чем отрыву, и разрушаются при растяжении внезапно от отрыва частиц материала по плоскости поперечного сечения. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет зоны текучести и зоны упрочнения. При испытании

хрупких материалов определяют, как правило, одну характеристику материала – предел прочности в . Типичная диаграмма растяжения таких материалов приведена на рис. 6.12.

220

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

Хрупкие материалы подчиняется закону Гука только на начальном участке диаграммы до напряжений пр , не превышающих 30% от в . Разрыв образцов происходит внезапно при очень малых остаточных деформациях без образования шейки. В расчетах отклонение от закона Гука не учитывают и криволинейную диаграмму заменяют прямой линией, проведенной из начала координат через точку А диаграммы, соответствующую напряжению, при котором определяют деформацию. Таким образом, для хрупких материалов модуль упругости из-

меняется в зависимости от принимаемой величины Рис. 6.12 деформации и называется секущим.

Деление материалов на хрупкие и пластичные является условным, так как свойства материалов зависят от температуры, скорости и вида нагружения. Один и тот же материал в одних условиях ведет себя как хрупкий, в других – как пластичный. Например, мрамор при одноосном растяжении разрушается как хрупкий материал, а при всестороннем сжатии проявляет пластические свойства. Поэтому правильнее говорить о пластичном и хрупком характере разрушения материала. Первое происходит при больших, а второе при сравнительно малых остаточных деформациях.

При решении вопросов, связанных с проектированием новых сельскохозяйственных машин, возникает потребность в знании физико-механических свойств растений. Необходимые механические характеристики определяются так же, как

идля металлов, из опытов на растяжение. Но в отличие от металлов физико-механические свойства растений чрезвычайно изменчивы и зависят от сорта растений, агротехники, климатических условий, общей и поверхностной влажности исследуемого материала, относительной влажности воздуха

иего температуры. Они характеризуются неоднородностью

ианизотропией физико-механических свойств.

Проверка закона Гука на растительных тканях показала, что зависимость между усилием и удлинением выражена

221

В. А. Жилкин

прямой линией почти до начала разрушения, но деформации при одних и тех же усилиях зависят от скорости приложения усилий и температурно-влажностных условий испытания образцов24. На рис. 6.13 приведена диаграмма растяжения стебля пшеницы при одинаковой скорости деформирования образца, но в разные дни.

Рис. 6.13

Ориентировочные значения модулей упругости стеблей:

пшеницы 25 000…59 000 МПа;

льна 15 000…33 000 МПа;

конопли 13 000…37 000 МПа;

а также временного сопротивления свежих стеблей:

льна 180…200 МПа; конопли 100…150 МПа.

6.5.Определение физико-механических характеристик металлов и дерева при сжатии

На практике испытанию на сжатие подвергаются в основном хрупкие материалы и сплавы (чугун, бетон, керамика, фарфор, дерево и т. д.), которые лучше сопротивляются

24 Физико-механические свойства с.-х. растений как основание для проектирования с.-х. машин // Труды лаборатории технологических процессов ВИСXOM. M. : ВИСХОМ, 1939. 214 с.

222

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

сжатию, чем растяжению, и применяются для изготовления деталей, работающих на сжатие. Для пластичных материалов испытание на сжатие обычно является дополнением к испытанию на растяжение и проводится по необходимости. Это объясняется тем, что для таких материалов предел пропорциональности и предел текучести при сжатии одинаков с их значениями при растяжении. Характеристики, аналогичные пределу прочности, остаточному относительному удлинению и остаточному относительному сжатию при испытании на сжатие пластичных материалов, получить нельзя.

При испытании на сжатие применяют короткие образцы (h 3d, где h – высота образца, а d – его диаметр) цилиндрической формы или образцы в виде кубиков.

а

б

в

г

д

Рис. 6.14

В процессе сжатия на торцах образца возникают силы трения, направленные по радиусам к центру и препятствующие свободному расширению образца в горизонтальном направлении (рис. 6.14, б). В результате образец вместо цилиндрической принимает бочкообразную форму, при этом распределение напряжений в сечениях образца становится неравномерным. Для уменьшения влияния сил трения на результаты испытаний вводятся различные смеси (вазелин, солидол), прокладки из материала (тефлона, фторопласта, пропитанной парафином фильтровальной бумаги) с низким коэффициентом трения между торцевыми поверхностями образца и опорными плитами; используют образцы, имеющие

223

В. А. Жилкин

на торцах коническую поверхность, выполненную так, чтобы тангенс угла конусности α равнялся коэффициенту трения (рис. 6.14, в). Однако полностью устранить силы трения

иобеспечить в образце при испытании линейное напряженное состояние не представляется возможным, что является принципиальным недостатком испытаний на сжатие.

При сжатии образца из пластичного материала, как

ипри растяжении, сначала имеет место линейная зависимость

от , затем площадка текучести и зона упрочнения. Но в отличие от растяжения площадка текучести едва намечается,

ив дальнейшем нагрузка все время возрастает. Возрастание происходит потому, что при сжатии образец из пластичного материала не разрушается, а постепенно сплющивается в тонкий диск при одновременном увеличении площади сечения (рис. 6.14, г). Определить предел прочности пластичного материала при сжатии очевидно невозможно, так как он просто не существует. Сравнительная диаграмма растяжения и сжатия для пластичного материала приведена на рис. 6.14, д.

Устали пределы пропорциональности и текучести, модули продольной упругости при растяжении и сжатии практически равны. Это позволяет считать, что сталь одинаково работает на растяжение и сжатие.

а

б

в

Рис. 6.15

Иные свойства при сжатии проявляют хрупкие материалы. Образцы из таких материалов при сжатии разрушаются внезапно. Характер разрушения хрупких материалов при

224

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

сжатии зависит от величины сил трения. Если силы трения на торцах образца велики, то он разрушается путем среза (рис. 6.15, а), если они малы, то путем отрыва (рис. 6.15, б). Сравнительная диаграмма растяжения и сжатия хрупкого материала приведена на рис. 6.15, в. Качественные особенности у обеих кривых одинаковы, но сравнение пределов прочности при растяжении в,р и сжатии в,сж показывает, что хрупкие материалы, как правило, значительно лучше работают на сжатие, чем на растяжение. Например, у чугуна предел прочности при сжатии в среднем в три раза больше, чем при растяжении.

Физико-механические свойства анизотропных материалов зависят от направления приложения сжимающих усилий. Испытания на сжатие ортотропного материала древесины проводят на образцах кубической формы, вырезанных в направлениях вдоль и поперек волокон (рис. 6.16, б и в). Диаграммы сжатия деревянного образца вдоль волокон (кривая 1) и поперек волокон (кривая 2) представлены на рис. 6.16, а. Из диаграммы видно, что образец, испытанный вдоль волокон (кривая 1), до разрушения претерпевает сравнительно небольшие остаточные деформации. После достижения наибольшего значения сжимающей силы P начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки. В процессе разрушения дерево расслаивается, волокна отделяются одно от другого и переламываются, на боковой поверхности кубика образуются поперечные складки и продольные трещины.

При испытании на сжатие поперек волокон диаграмма имеет другой характер (кривая 2). Сначала линия диаграммы идет по наклонной прямой, затем вычерчивается слабо изогнутая кривая (кубик быстро деформируется почти без увеличения нагрузки), которая, если древесина не имеет пороков, может пойти вверх после того, как образец будет достаточно спрессован. Значительный рост деформации без увеличения нагрузки позволяет считать, что грузоподъемность образца уже исчерпана. Поэтому за разрушающую нагрузку Pmax

225