Механические испытания

Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками: одни детали испытывают постоянно действующие нагрузки в одном направлении, другие — удары, третьи — нагрузки, изменяющиеся по величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных или низких температурах. Поэтому разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические испытания свойства металлов. Различают статические и динамические испытания.

Статическими называют такие испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной или медленно возрастающей нагрузке.

Динамическими называют испытания, при которых материал подвергают воздействию ударным нагрузкам.

Наиболее распространенными испытаниями являются испытания на твердость, статическое растяжение, ударную вязкость. Кроме того, иногда производят испытания на усталость, ползучесть и изнашивание, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение — распространенный способ механических испытаний металлов. При этих испытаниях по сечению образца создается однородное напряженное состояние, материал находится под действием нормальных и касательных напряжений.

Для статических испытаний используют, как правило, круглые образцы 1 (рис. 2.5) или плоские 2 (листовые). Образцы имеют рабочую часть и головки, предназначенные для закрепления их в захватах разрывной машины.

Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины /₀ к начальному диаметру (/₀/^/₀) называется кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5; 5 и 10. Самым распространенным является образец кратностью 5.

Расчетная длина /₀ берется несколько меньше рабочей длины /,. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части

Рис. 2.5. Образцы для статических испытаний на растяжение: 1 — круглый образец; 2 — плоский образец; /1 — длина рабочей части; /о — начальная расчетная длина

нормального круглого образца 20 мм. Образцы других диаметров называются пропорциональными.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. В тот момент, когда напряжение превзойдет прочность образца, он разорвется.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рис. 2.6 представлена схема испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.

Рис. 2.6. Схема испытательной машины: 1 — основание; 2 — винт; 3 — нижний захват (активный); 4 — образец; 5 — верхний захват (пассивный); 6 — силоизмерительный датчик; 7 — пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 — индикатор нагрузок; 9 — рукоятка управления; 10 — диаграммный механизм; 11 — кабель

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения (рис. 2.7) в координатах нагрузки Р; Д/ — абсолютное удлинение образца. На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА (прямолинейный) соответствует

упругой деформации (такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой называется законом пропорцио-

Рис. 2.7. Машинная диаграмма растяжения пластичной стали

нальности); участок ЛВ (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может появится небольшой горизонтальный участок ЛЛ’, называемый площадкой текучести. Образец удлиняется без увеличения нагрузки — металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация испытуемого образца, называется физическим пределом текучести.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали, а также для некоторых марок латуни. На диаграммах растяжения высокоуглеродистых сталей нет площадки текучести.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца.

При растяжении определяют показатели прочности и пластичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются напряжением а, равным отношению нагрузки к площади поперечного сечения образца (в характерных точках диаграммы растяжения).

К наиболее часто используемым показателям прочности материалов относятся: предел текучести, условный предел текучести, предел прочности.

Предел текучести а_т, МПа — наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

а._г= Р_Т/Р₀,

где Р_т — нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 2.7); Р₀ — площадь поперечного сечения образца до испытания.

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести, то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Условный предел текучести а₀₂, МПа — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца:

^а0,2 ⁼ Л)2 /^0’

где Р₀₂ — нагрузка, соответствующая остаточному удлинению

Д/_0>2 = 0,002/₀.

Предел прочности а_в, МПа — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_тах, предшествующей разрыву образца:

Лпах / ^0 •

Показатель пластичности. Пластичность — одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Наиболее часто используются следующие показатели пластичности.

Относительное удлинение 5, % — наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или другими словами, отношение абсолютного приращения расчетной длины образца Д/_р до нагрузки Р_тах к ее первоначальной длине (см. рис. 2.7):

8 = (Д/_р //о )100 = [(/_р — /о)//(,]! 00.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное сужение 1|/ (%) площади поперечного сечения:

_у=(А/’_р//^,0)100 = [(/-₀—р_рур₀]т,

где Е₀ — начальная площадь поперечного сечения образца; Е_р — площадь в месте разрыва.

У хрупких металлов относительное удлинение и относительное сужение близки нулю; у пластичных материалов они достигают нескольких десятков процентов.

Модуль упругости ? (Па) характеризует жесткость металла, его сопротивление деформации и представляет собой отношение напряжения в металле при растяжении к соответствующему относительному удлинению в пределах упругой деформации:

Е = а/ 8.

Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют показатели прочности (а_т, а₀₂, а_в) и показатели пластичности (8 и |/).

Испытания на твердость. Твердость — свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении твердосплавного наконечника (ин-дентора) в его поверхность. Испытания на твердость — самый доступный и распространенный способ механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

При испытании на твердость методом Бринелля в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром /) под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр с! отпечатка (рис. 2.8, а).