Испытания материалов на растяжение и сжатие при статическом нагружении кратко

Обновлено: 02.07.2024

Механические статические испытания – вид разрушающих исследований, при котором испытуемый образец подвергается единичному воздействию с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. К ним относят следующие испытания:

на растяжение;
на сжатие;
на изгиб.

При статических испытаниях определяют механические свойства – к примеру, прочность и пластичность. Без этих характеристик нельзя выполнить прочностной расчет конструкции. По результатам проведения разрушающих методов контроля проверяют правильность подобранных материалов, выбранных режимов и технологий, проводят оценку квалификации сварщиков.

Статические испытания на растяжение (Испытания на статическое растяжение)

Основным видом статических испытаний являются испытания на растяжение, которые стандартизированы и проводятся при повышенной, пониженной и комнатной температуре.

Методика проведения статических испытаний на растяжение заключается в подаче нагрузки на стандартизированный образец до момента его разрушения. Для испытаний используют цилиндрические или призматические образцы с определенными размерами.

Данные испытания позволяют выяснить значения следующих параметров:

предел текучести;
предел прочности;
предел упругости;
относительное удлинение и сужение.

Выполним испытания на растяжение согласно требованиям ГОСТ 1497, ГОСТ 6996, ГОСТ 11701, ГОСТ 10006, ГОСТ Р ИСО 4136, ГОСТ Р ИСО 5178 и др.

Испытания на статическое сжатие

Испытания на сжатие применяют существенно менее часто по сравнению с растяжением, поскольку сжатие не позволяет выявить все механические параметры. Пластичный материал в ходе сжатия не разрушается, а преобразуется в диск, что не дает возможности зафиксировать соответствующее разрушающей силе напряжение. В связи с этим испытание на сжатие чаще применяют к металлам и сплавам с высокой хрупкостью – хорошим примером таковых может служить чугун.

Статические испытания на сжатие выполняют согласно ГОСТ 25.503 на разрывной универсальной машине. Результаты испытания существенно зависят от формы и линейных размеров образцов. С целью исключения возможной потери устойчивости при испытании на сжатие используют короткие образцы. Чем больше длина образца, тем сильнее будет влияние изгиба.

В ходе испытаний на сжатие выявляют следующие показатели:

предел прочности;
предел текучести;
предел упругости;
относительное укорочение.

Испытания на статический изгиб

Испытания на статический изгиб осуществляют с целью определения предельной пластичности металла при изгибе (способности выдерживать пластическую деформацию). Данный параметр определяется углом изгиба, вызывающего в изогнутой зоне сварного шва, металла или полимера появление первой трещины, расширяющейся в ходе испытаний.

Заказать механические статические испытания

Это стандартные испытания: оборудование — стандартная разрывная машина, стандартный образец (круглый или плоский), стандартная методика расчета.

На рис. 22.1 представлена схема испытаний ( — начальный диаметр поперечного сечения; — начальная длина).

На рис. 22.2 изображена схема образца до (рис. 22.2 а) и после (рис. 22.2 б) испытаний ( — диаметр шейки, сужения перед разрывом).

Образец закрепляется в зажимах разрывной машины и растягивается до разрыва. Машина снабжена прибором для автоматической записи диаграммы растяжения — зависимости между нагрузкой и абсолютным удлинением (рис. 22.3 — диаграмма растяжения для малоуглеродистой стали).

Полученная диаграмма пересчитывается и перестраивается (рис. 22.4 — приведенная диаграмма растяжения первого типа).

Особые точки диаграммы растяжения обозначены точками 1, 2, 3, 4, 5:

1) точка 1 соответствует пределу пропорциональности: после нее прямая линия (прямая пропорциональность) заканчивается и переходит в кривую;

участок 01 — удлинение растет пропорционально нагрузке; подтверждается закон Гука;

2) точка 2 соответствует пределу упругости материала: материал теряет упругие свойства — способность вернуться к исходным размерам;

3) точка 3 является концом участка, на котором образец сильно деформируется без увеличения нагрузки. Это явление называют текучестью; текучесть — удлинение при постоянной нагрузке;

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Механические характеристики материала определяются в результате испытания образца на специальных прессах. Форма образца может быть различной, но чаще всего стержень с участком постоянного поперечного сечения (круглого или прямоугольного) длиной . Концы образца имеют специальные утолщения для их закрепления в испытательной машине.

Перед началом испытания материала на растяжение замеряется площадь поперечного сечения () средней части образца. Значение растягивающей силы (P) и удлинения его средней части () в каждый момент нагружения определяются специальными устройствами. При испытании нагрузка увеличивается медленно и плавно.

Современные испытательные машины снабжены записывающим прибором, который при испытании образца автоматически вычерчивает график зависимости между нагрузкой (P) и абсолютным удлинением (). График называется диаграммой растяжения (или диаграмма Бернулли).

Рассмотрим диаграмму растяжения для стали марки Ст. 3 (рис. 2.3). Эта диаграмма характеризует поведение данного образца , но не материала , из которого он сделан.

В начальной стадии испытания, до точки А с ординатой , зависимость между силой (P) и удлинением () носит линейный характер, что свидетельствует о линейной деформируемости образца. Затем диаграмма искривляется и при некотором значении растягивающей силы наблюдается значительный рост удлинения образца без увеличения нагрузки (текучесть материала). Практически горизонтальный участок диаграммы BC называется площадкой текучести, а точка B – критической точкой диаграммы.

При некотором значении растягивающей силы , соответствующем критической точке B (см. рис. 2.3), на поверхности образца, если он, например, полирован, заметно появление сначала нескольких полосок, параллельных между собой и расположенных под углом примерно к оси образца. Далее появляется вторая система линий, пересекающая первую и наклоненную к оси под тем же углом, что и первая. Такая система сопряженных линий называется линиями Людерса – Чернова, представляющие собой следы сдвигов частиц материала. Направления линий Людерса-Чернова соответствует площадкам, на которых при растяжении возникают наибольшие касательные напряжения.

За точкой C диаграммы удлинение образца начинает расти быстрее нагрузки. Число линий Людерса – Чернова растет, они сливаются друг с другом и, наконец, теряют ясность своих очертаний. Этот участок диаграммы растяжения называется зоной упрочнения.

В наивысшей точке диаграммы D при силе равной на образце внезапно появляется местное сужение – шейка, которая представляет собой результат накопления деформаций сдвига.

Сопротивление образца растяжению, после образования шейки, падает и его разрыв происходит в точке K при нагрузке:

При разрыве образца, как правило, появляется поперечная трещина в центре тяжести поперечного сечения (посредине шейки), а остальная часть сечения скалывается под углом к оси образца так, что на одной части разорванного образца образуется выступ, а на другой – кратер.

Линия разгрузки образца KL оказывается прямой и параллельной начальному участку диаграммы ОА. Следовательно, полная деформация образца состоит из двух частей: упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и остаточной (пластической).

Опыт применения материалов в машиностроении показывает, что их поведение в конструкциях зависит от целого ряда факторов – скорости и способа приложения нагрузок, температуры, формы изделия, его структуры и т.д. Поэтому проведение механических испытаний материалов позволяет определить его поведение в условиях эксплуатации. Проводя такие испытания, стремятся имитировать условия, возможно более близкие к реальным. Испытание на растяжение – одно из важнейших, поскольку именно в условиях растягивающих усилий большинство материалов обладает наименьшей прочностью.

Цель испытаний
Предел прочности при растяжении
Закон Гука
Модуль упругости
Предел текучести
Метод смещения
Альтернативные методы
Деформация

Цель испытаний

Испытание на растяжение проводят для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов. Стандартом установлена методика статических испытаний, целью которых является определение следующих механических характеристик:

Предела пропорциональности;
Константы упругости;
Предела текучести – условного и физического;
Временного сопротивления;
Истинного сопротивления на разрыв;
Относительного сужения и удлинения образца после его разрыва.

В ряде случаев исследуются и дополнительные показатели, например, длительная прочность (ползучесть) конструкции.

Указанные параметры исследуются на стандартных образцах круглого или призматического поперечного сечения, форма и размеры которых определяет ГОСТ 7564-97. Для хрупких материалов форма образцов исключает резкие перепады в сечениях. Образцы получают штамповкой, литьём или механической обработкой (последнее - для материалов повышенной хрупкости).

Предел прочности при растяжении

Записанные диаграммы различаются характером перехода необратимых деформаций в деформации разрушения. Постепенный переход от одного участка к другому характерен для пластичных материалов, к которым относится большинство металлов и сплавов. При этом остаточные деформации сравнительно велики, и образуют перед разрывом образца так называемую площадку текучести, когда деформация увеличивается, а прикладываемое усилие практически не изменяется.

Хрупкие материалы разрушаются при малых остаточных деформациях, а площадка текучести отсутствует. К таким материалам относят закалённую и не отпущенную сталь, серый чугун, стекло, бетон и др.

Таким образом, пределом прочности (или временным сопротивлением) называют условное напряжение, которое рассчитывается относительно силы, действующей на образец к к изначальной площади его поперечного сечения. Предел прочности соответствует максимальной нагрузке, которая предшествовала разрушению и определяется в МПа. Визуальной мерой временного сопротивления считается появление местного сужения образца, называемого шейкой. Именно в области шейки растяжение образца происходит наиболее интенсивно.

Испытание на растяжение ГОСТ 1497-84 является обязательным для всех видов конструкционных материалов.

Закон Гука

Это – основной закон, устанавливающий зависимость между напряжениями и деформациями в упругом теле. Закон Гука справедлив для начальных деформаций, которые пропорциональны прикладываемым к телу напряжениям.

Для продольного растяжения критерием пропорциональности вышеуказанных физических величин является показатель упругости, который называется модулем Юнга. Для подавляющего большинства конструкционных материалов модуль Юнга – постоянная величина, характеризующая жёсткость.

В более точных расчётах иногда принимают во внимание температурную зависимость константы упругости, которая, однако, проявляет себя лишь при температурах от 88 К.

Закон Гука справедлив лишь при напряжениях и деформациях, которые не превышают пределов, свойственных данному материалу. На применении этого закона основаны все вычисления, принятые в сопротивлении материалов.

Модуль упругости

Модуль упругости – это характеристика сопротивления материала упругой деформации. Он равен отношению напряжения к вызванной им упругой деформации.

Различают модуль упругости при осевом растяжении (уже описанный ранее модуль Юнга) и модуль упругости при сдвиге, характеризующий касательные напряжения в материале. Иногда, в условиях всестороннего сжатия говрят о модуле объёмной упругости.

Модуль нормальной упругости и модуль сдвига зависят от материала образца. Они важны при расчётах на прочность, жёсткость, устойчивость, а также являются мерой силы межатомной связи. Чем больше модуль упругости, тем меньшую деформацию получает металл при одинаковой нагрузке. Рассматриваемая величина измеряется в МПа или ГПа. Для металлов значение модуля сдвига обычно выше, чем модуля продольной упругости.

Предел текучести

Метод испытания на растяжение не является единственной технологией экспериментального определения эксплуатационных показателей. Важным параметром считается также предел текучести – напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения.

Предел текучести является границей, которая разделяет зоны упругого и упруго-пластического деформирования, которые наблюдались в исследованном образце. Выше этого параметра даже незначительное увеличение напряжений или нагрузок вызывает значительные (и необратимые) деформации образца.

Для материалов, которые не имеют на диаграмме чётко выраженной площадки текучести, принимают так называемый условный предел текучести. Под ним понимают удельную нагрузку, когда необратимые изменения формы превышают установленный максимум. Этот максимум обычно устанавливается техническими условиями на материал и обязательно должен превышать те показатели, которые известны относительно предела упругости.

Критерием остаточной деформации считается удлинение образца на 0,2 %.

Метод смещения

Испытания на постоянное смещение - иногда также называемые испытаниями на постоянную деформацию, используются при оценке ползучести, когда режим нагружения определяет степень релаксации материала. Используются изогнутые в форме буквы U образцы, в которых релаксация менее значительна (только внешние волокна могут подвергаться значительному напряжению). Нижележащий упруго напряженный материал сопротивляется деформации только внешних волокон. Таким образом, ползучесть может быть ограничена, в отличие от испытания на растяжение, где постоянно наблюдается смещение зон образца.

Испытание со смещением на обратный U-образный изгиб в настоящее время разрабатывается как стандарт ISO. Оно используется преимущественно в ядерной промышленности.

Альтернативные методы

Альтернативные методы непрямых испытаний на растяжение включают:

Тестирование на разрыв полых эластичных образцов;
Испытание на изгиб балки;
Модифицированные испытания на растяжение по методу Франклина-Дюссо.

Устройства для таких испытаний используют раздельные захваты, фиксирующие образец. Применяются для оценки прочности горных пород, а также в механике разрушения, при выяснении трещиностойкости конструкций.

Деформация

ГОСТ 1497-84 предусматривает установление двух деформационных характеристик – остаточного сужения образца и и его абсолютного удлинения. Оба показателя оцениваются в процентах или относительных единицах. Являются механическими характеристиками материала, и принимаются во внимание при оценке его способности выполнять поставленные эксплуатационные задачи.

Параметры деформации приводятся для комнатных температур испытывавшихся образцов.

Читайте также: