Статическое растяжение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Статическое растяжение является одним из наиболее распространённых способов проверки механических свойств.

[править] Основные характеристики, определяемые при статическом растяжении

При статическом растяжении, как правило, определяются следующие характеристики материала:

• предел пропорциональности,
• предел текучести,
• предел прочности (временное сопротивление разрушению),
• относительное удлинение,
• относительное сужение и
• модуль упругости (модуль Юнга).

При испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т.н. "шейки" (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).

[править] Диаграмма статического растяжения

Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A₀, где A₀ - исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l₀ , где l₀ - начальная длина рабочей части образца).

Рис. 1. Типичная диаграмма σ - ε для малоуглеродистой стали
1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)
2. Предел текучести (верхний)
3. Точка разрушения
4. Область деформационного упрочнения
5. Образование шейки на образце

Начальный участок является линейным. На нём дествует закон Гука:

Рис. 2. Типичная диаграмма σ - ε для алюминиевых сплавов
1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)
2. Предел текучести (σ_0.2)
3. редел пропорциональности
4. Точка разрушения
5. Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2%)

Затем начинается область пластической деформаци. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. С целью изученя и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.

По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т.н. "зуб текучести" и затем площадка предела текучести. Явление "зуба" текучести связано с дислокационным механизмом деформации. а начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Петча-Холла:

После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 - 2,5%) начинается деформационное упрочнение, видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σ_В) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т.н. "шейка" - область сосредоточенной деформации. Расположение "шейки" зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, "шейка" и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 1 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций.

Микроструктура заэвтектоидной стали (0,7% углерода)

Для многих материалов, например, с Г.Ц.К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2. Основное отличие - отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2% (σ_0.2).

После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения σ) за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца.

Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S - e (истинное напряжение S = P/A, где A - текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = Δl/l, где l - текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в "шейке" образца.

[править] Влияние скорости деформации и температуры на прочностные характеристики

Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 - 0,07 мм.мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек^{− 1} скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести). В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:

где - скорость деформации; - астотный фактор, - активационный объём; - напряжение течения; - экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации. Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочноти даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.

[править] Образцы для испытаний на статическое растяжение

Цилиндрический пятикратный образец

Цилиндрический пятикратный образец после разрушения

Для испытаний на статическое растяжение испоьзуют образцы, как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры. Образцы круглого сечения, как правило имеют рабочую длину равную четырём или пяти диаметрам. Перед началом испытания замеряется диаметр образца для вычисления напряжения σ и для рассчёта относительного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ-ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещения конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.

Образец с экстензометром на разрывной машине

[править] Основные производители машин для испытаний на растяжение

Машина для испытаний на растяжение с электромеханическим приводом

• INSTRON (Великобритания)
• ZWICK (Германия)
• НПФ "ИПО Точмашприбор", г. Армавир (Россия)

[править] Стандарты на проведение испытаний

• ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
• ASTM E-8 и ASTM E-8M

[править] Библиография

• Я.Б. Фридман. Механические свойства металлов. Изд. 3, в 2-х частях. М., "Машиностроение", 1974
• М.Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. Изд. второе, М., "Металлургия", 1979.
• А.Н. Васютин и А.С. Ключ. Влияние температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию малоуглеродистых и низколегированных сталей. "Заводская лаборатория", 1985, №4.