Механические свойства, определяемые при статическом нагружении. Испытания на растяжение.

Введение
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 свойства металлов. Изучение методов определения характеристик различных материалов, среди которых широкое распространение нашли металлы и сплавы, представляет собой актуальную задачу, поскольку одним из недостатков, сдерживающих широкое использование некоторых материалов в технике, являются их относительно невысокие механические свойства.Целью данной работы являлось изучение механических свойств, определяемых при статическом нагружении, испытания на растяжение, характеристик пластичности материалов.1 Механические свойства, определяемые при статическом нагруженииСвойства материалов можно разбить на следующие основные группы:- механические;- тепловые (температурные);- химические (сопротивление металлов коррозии);- технологические;- электрические и магнитные.Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства: прочность, твердость, выносливость и др. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний. Многообразие условий службы материалов обуславливает проведение большого числа механических испытаний.Механические свойства материалов определяют поведение материала при деформации и разрушении под действием внешних нагрузок. Характеристики механических свойств получают при механических испытаниях.Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: - статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); - динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; - циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).Механические свойства при статическом нагружении определяют путем растяжения, сжатия, изгиба, кручения стандартных образцов определенной формы и размеров, изготовленных из исследуемого материала. Испытания проводят с помощью специальных машин и механизмов.В результате испытаний при статическом нагружении определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. Пластичность определяется при испытании металла на растяжение.Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла непосредственно на деталях.Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении – метод Бринелля, Роквелла, Виккерса и др.Упругость – свойство тел изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать исходную конфигурацию при прекращении внешних воздействий. Характеристики упругости определяются при испытании материалов (металлов) на растяжение.2 Испытание на растяжениеНа сегодняшний день существует несколько методик испытания образцов материалов. При этом одним из самых простых и показательных являются испытания на растяжение (на разрыв), позволяющие определить предел пропорциональности, предел текучести, модуль упругости и другие важные характеристики материала. Так как важнейшей характеристикой напряженного состояния материала является деформация, то определение значения деформации при известных размерах образца и действующих на образец нагрузок позволяет установить вышеуказанные характеристики материала.Испытания металлов на растяжение проводятся согласно ГОСТ 1497-84. Для этого используются стандартные цилиндрические (рис. 1, а) или плоские образцы с головками (рис. 1, б). абРисунок 1 – Образцы для испытаний металлов на растяжениеИспытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ – ε).Диаграмма растяжения металла представлена на рис. 2.Рисунок 2 – Диаграмма растяжения металлаНа диаграмме растяжения металла (рис. 2) есть несколько характерных участков:Участок ОА – участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.Участок ОВ – участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагруженииВыше точки В диаграмма растяжения отходит от прямой – деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма принимает криволинейный вид. При нагрузке, соответствующей Рт (точка С), диаграмма переходит в горизонтальный участок. В этой стадии образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки. Получение такого участка на диаграмме растяжения объясняется свойством материала деформироваться при постоянной нагрузке. Это свойство называется текучестью материала, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.После появления площадки текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма поднимается вверх. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax. При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение – шейка. Уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки и в момент, соответствующий точке K диаграммы, происходит разрыв образца.Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.Из этого испытания можно получить следующие характеристики прочности.Предел упругости (в МПа) – это наибольшее напряжение, после которого образец возвращается к прежней форме и размерам: (1)Предел пропорциональности (в МПа) – наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией МПа (2)Предел текучести – напряжение, при котором рост деформации происходит без заметного увеличения нагрузки:, МПа (3)Если площадка текучести по диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести 0,2 – напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2%: , МПа (4)Предел прочности (в МПа) – это наибольшее напряжение, которое металл выдерживает, не разрушаясь: (5)Предел прочности является обязательной характеристикой в стандартах классификации марок материалов.3 Характеристики пластичности материаловПластичность – свойство материала изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом. Показатели пластичности:- относительное удлинение рассчитывается как отношение прироста длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах δ = 100∙(lк – l0) / l0, (%). (6)где l1 – длина образца после разрыва, мм.- относительное сужение определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах: (7)или, (%), (8)где F1 – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм2.Относительное удлинение и относительное сужение являются одновременно и критериями надежности: материал, имеющий бóльшие значения δ и ψ, более надежен.Изменение размеров образцов в результате растяжения показано на рис. 3.Характеристики материалов σв; σ0,2; δ; ψ являются базовыми; они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в сертификаты, в паспорта приемочных испытаний, входят в расчеты прочности.а - до растяжения, б - после разрываРисунок 3 – Изменение формы и размеров образца при испытании на растяжение.
Заключение
В данной работе рассмотрены методы определения механических характеристик материалов. Установлены механические свойства, определяемые при статическом нагружении.Изучены методика, используемые образцы одного из наиболее распространенных методов испытаний – испытания на растяжение.Широкое применение испытания на растяжение обусловлено возможностью определения прочностных и пластических свойств материалов (металлов).К прочностным характеристикам металлов относятся предел прочности, предел текучести (условный или физический), предел пропорциональности, предел упругости, к пластическим характеристика – относительное удлинение и относительное сужение.Испытание металлов на растяжение является разрушающим методом контроля.
Список использованных источников
1. Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.2. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1989. – 374 с.3. Эшби М., Джонс Д. Конструкционные материалы. -М.: Интеллект, 2010. - 672 с.4. Материаловедение/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001 – 648 с.5. Блюменлуэр Х. Испытание материалов. Справочник. Пер. с нем. 1979. – 448 с.6. Заболеев-Зотов В.В. Современные способы исследования металлов. Учебное пособие. – Волгоград, 2002. – 356 с.7. Канарчук В.Е., Шевченко В.И. Методы исследования металлов. Учебное пособие – Киев.: НТК. 2002. – 398 с.8. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. Учебное пособие для профессионально-технических училищ. – М.: Машиностроение, 1990. – 456 с.