4 Випробування на розтягування 4.1 Визначення характеристик міцності під час розтягування

4 Випробування на розтягування 4.1 Визначення характеристик міцності під час розтягування

Найбільшу кількість інформації про механічні властивості металів дає випробування на розтягування. Для цього випробування з досліджуваного металу виготовляють зразки спеціальної форми (рис. 4.1).  

 

Рисунок  4.1 – Зразки для випробування розтягування: 1– головки; 2 – робоча частина

Зразок закріплюють у захватах випробувальної машини. Робоча частина зразка (lо) – довжина зразка між головками для захвату. Випробувальна машина простої конструкції подана на рис. 4.2. Нижній захват машини переміщається вниз під дією робочого гвинта машини, захоплюючи за собою нижній кінець зразка. Верхній захват, прямуючи за зразком, також переміщається вниз. При цьому важіль А вагової системи, на якому є пересувний вантаж Q, прямує угору. Пересуваючи вантаж Q вліво, можна примусити важіль А зберегти горизонтальне положення і вся вагова система збереже при цьому своє початкове положення. Елементи вагової системи, як правило, роблять досить потужними і їх деформації будуть незначними.

 

Рисунок 4.2 – Схема будови машини з механічним приводом і важільним силовимірником

Тому деформаціями решти елементів випробувальної машини (колон, поперечин, робочого гвинта та ін.) можна знехтувати. У зв'язку з цим положення верхнього захвату залишиться незмінним у процесі випробування зразка на розтягування. Нижній захват, переміщаючись вниз під дією робочого гвинта, деформує зразок, подовжуючи його. Метал надає цьому подовженню тим більший опір, чим більша створена деформація. Як правило, спочатку опір металу пропорційний подовженню, але потім ця залежність стає складнішою і становить предмет  особливого   розгляду. У деяких металів ця залежність із самого початку деформації нелінійна. Вантаж Q (див. рис. 4.2), переміщаючись вліво у міру збільшення опору зразка,  весь  час підтримує важіль А в горизонтальному положенні. Із співвідношення плечей вагової системи і положення вантажу Q на важелі А можна визначити силу опору зразка, створену в ньому деформацією.

Таким чином, випробувальна машина деформує зразок і заміряє попутно силу опору металу створеної деформації. Залежність між деформацією і опором зразка дуже зручно подавати  графічно  у  вигляді  діаграми  розтягування (рис. 4.3). По осі абсцис, як правило, відкладають створену деформацію ?l (подовження зразка), а по осі ординат – відповідну їй силу Р опору металу. Деформацію ?l вимірюють в одиницях довжини, а опір металу Р  - в одиницях сили. Форма діаграми залежить від властивостей випробовуваного металу.

 

а                                                   б

Рисунок  4.3 – Діаграми розтягування: а – без полички текучості; б – з поличкою текучості

Характеристики опору металу деформації, його міцність і здатність витримувати деформацію, що задається, можна встановити за допомогою діаграми розтягування. Більшість металів і сплавів на першій стадії деформації знаходить прямо пропорційну залежність між опором металу і його деформацією:

                                             Р = k?l,                                     

де   k – коефіцієнт пропорційності.

Коефіцієнт k залежить від довжини, площі поперечного перерізу зразка і від властивостей металу. Позначимо:

l – довжина зразка сталого перерізу;

Р – площа поперечного перерізу;

Е – коефіцієнт, залежний від властивостей випробовуваного металу.

Залежність, відому під назвою закону Гука, можна подати у вигляді

                                                                              

Якщо  і , то закон Гука можна написати в такому вигляді:

                                                                                

де ? – нормальне напруження;

      ? – відносне подовження.

Коефіцієнт пропорційності Е між напруженням ? і відносним подовженням ?, називають модулем нормальної пружності, або модулем Юнга. Оскільки  безрозмірна величина, то модуль пружності Е повинен мати ту саму розмірність, що і ?, тобто одиниця сили.

Як бачимо з діаграми розтягування, пропорційність між Р і ?l зберігається лише до деякої межі. Силу Рпц, до якої зберігається пряма пропорційність між Р і ?l, називають межею пропорційності. Після цього залежність між Р і ?l стає криволінійною і не піддається опису єдиним математичним рівнянням. У процесі випробування на розтягування сила Р опору металу досягає максимуму Рmax. В цей час у пластичних металів з'являється місцеве звуження – шийка. Завдяки звуженню в шийці опір Р при подальшій деформації падає і зразок руйнується при Рруйн < Рmах. У крихких металів шийка не утворюється і руйнування відбувається при Рруйн = Рmах.

Дуже часто залежність між Р і ?l подають у вигляді діаграми, зображеної на рис. 4.3 б.  Характерна  на цій діаграмі поява горизонтальної ділянки після відхилення від закону Гука. Це свідчить про те, що у металу перестає збільшуватися опір деформації, незважаючи на наростання подовження. Описуючи це явище, застосовують вираз «метал тече». Силу, при якій відбувається подовження металу, називають межею текучості.

Точці початку текучості на діаграмі передують ще дві характерні точки. Одна з них, уже зазначена, відповідає відхиленню від закону Гука, – Рпц.

Інша характерна точка на діаграмі визначається силою Рпр – межа пружності. Обидві сили Рпц  і Рпр визначають умовно із зазначенням допуску на їх величину деформації. Для визначення Рпц указують умовно прийняту величину відхилення від закону Гука. Для визначення Рпр указують умовно прийняту величину залишкового подовження, яке виявляється після розвантаження зразка. Практично для металів значення Рпц і Рпр з урахуванням допуску при їх визначенні дуже близькі між собою. На цій підставі їх часто ототожнюють, що є лише спрощенням.

Дуже часто по осях координат відкладають відносну деформацію і напруження:

 

де  l0 – первинна довжина зразка;

     F0 – початкова площа поперечного перерізу зразка.

Вигляд діаграми не змінюється, оскільки l0 і F0 – сталі величини. На рис. 4.4 дані діаграми розтягування в координатах ? – ?. Ці діаграми прийнято називати умовними діаграмами розтягування. На відміну від них діаграми, побудовані в координатах Р - ?l, можна назвати початковими діаграмами розтягування. Їх називають іноді машинними діаграмами розтягування, коли вони записуються автоматично самописним приладом, яким часто забезпечують випробувальну машину.

 

а                                                б

Рисунок 4.4 – Умовні діаграми розтягування: а – без полички текучості;   б – з поличкою текучості

На умовних діаграмах розтягування, як правило, фіксуються такі характеристики міцності металу: межа пропорційності ?пц=Рпц/F0, межа пружності  ?пр=Рпр/F0,  межа текучості  ?т=Рт/F0, тимчасовий опір ?в=Рв/F0.

У разі, коли на діаграмі розтягування немає явно вираженої межі текучості, визначають так звану умовну межу текучості. Під умовною межею текучості розуміють напруження, при якому залишкове подовження досягає умовної величини, що задається. Як правило, цей допуск беруть 0,2% від довжини зразка. Умовну межу текучості позначають ?0,2, де індекс 0,2 означає зазначений допуск на залишкову деформацію. Таке саме позначення беруть і для межі пружності. Наприклад,  ?0,01 – це межа пружності, визначена за допуском на залишкову деформацію 0,01% від довжини зразка.

При визначенні межі пропорційності ?пц необхідно зазначити допуск, при якому одержують цю характеристику. Як допуск беруть відхилення тангенса кута нахилу дотичної до кривої ? - ? від тангенса кута нахилу початкової прямолінійної ділянки діаграми розтягування до осі напруження (рис. 4.5). За ГОСТом це відхилення повинне становити 50% від первинного значення тангенса:

tg?? = 1,5tg?.

Якщо в стандартах або технічних умовах на металопродукцію зазначається інший допуск на відхилення tg?, то він повинен бути даний у вигляді індексу при позначенні межі пропорційності (наприклад, ?пц25 або  ?пц10).

Крім характеристик, що оцінюють опір металу деформації, визначають характеристики пружних властивостей при розтягуванні й пластичних властивостей металу. До характеристик пружних властивостей належать модуль Юнга Е і коефіцієнт Пуассона (µ). Модуль Юнга Е (інакше модуль подовжньої пружності, або модуль пружності I роду) є коефіцієнтом пропорційності між ? і ? в законі Гука:

? = Е?.

З діаграми ? - ? (див. рис. 4.5) бачимо, що  

                                     

Коефіцієнт Пуассона µ характеризує поперечну деформацію зразка металу при розтягуванні. Так, якщо круглий зразок мав до деформації діаметр d0, то після подовження зразка цей розмір скоротиться і дорівнюватиме .

Відносне зменшення діаметра буде

                                              .                           

 

Рисунок  4.5 – Визначення межі пропорційності

У межах області пружних деформацій металу відношення відносної зміни лінійного поперечного розміру до відносного подовжнього подовження є характеристикою властивостей металу і називається коефіцієнтом Пуассона: