Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

мацию при растяжении, и незначительно для хрупких металлов.

Вместе с тем различие

между

величинами S

и а

в свою очередь

больше, чем

между

величинами S

и а

, поскольку при нагружении

до предела текучести деформация образца еще не столь значительна.

Для стали экспериментально определить S

сложно, тем более

что на испытательной машине трудно установить нагрузку, отвечаю-

щую моменту разрушения образца, так как при этом нагрузка быстро

снижается. Однако эти определения как более точные получают теперь

большее применение.

В практике заводских испытаний определяют условные напряже-

ния;

в литературе также чаще указывают значения о

ол

и а

Рис.

Де/рорпация

82. Схематическая диаграмма раотяжения

образцов из пластичных материалов

Рис. 83. Схематическая диаграмма

истинных

напряжений (при растя-

жении)

Хрупкие металлы при растяжении почти не испытывают пласти-

ческой деформации. Предел текучести этих металлов по своему абсо-

лютному значению почти такой же, как предел прочности. При дости-

жении

предела прочности происходит разрушение образца.

Измерения

длины и сечения образцов после их разрушения позво-

ляют определить пластичность испытанного материала.

Относительное

удлинение

б — отношение (в процентах) прираще-

ния

расчетной длины образца, остающегося после разрыва, к его

начальной расчетной длине:

6=:

100

о/о,

Абсолютное удлинение /

кон

— /

нач

, полученное при растяжении,

складывается из равномерного удлинения всего образца Д/

и сосре-

доточенного (местного) удлинения образца в шейке А/

Равномерное

удлинение Л/

зависит от свойств металла и пропор-

ционально

длине образца /, а сосредоточенное удлинение Д/

также

зависит от свойств металла, но не зависит или мало зависит от на-

чальной длины образца /.

Таким

образом, общее удлинение образца зависит от расчетной

длины и свойств металла образца и изменяется при изменении его

размеров. Для получения сравнимых результатов ГОСТ установлены

размеры образцов для испытаний на растяжение (см. с. 137).

141

Кроме

того, относительное удлинение зависит от места разрыва

образца; чем дальше от середины находится место разрыва, тем меньше

удлинение образца. Таким образом, относительное удлинение яв-

ляется условной характеристикой свойств металла и позволяет лишь

качественно судить, какой металл и в каком состоянии лучше вос-

принимает

пластическую деформацию.

Относительное

сужение

г]э — отношение (в процентах) наиболь-

шего уменьшения площади поперечного сечения образца к начальной

площади его поперечного сечения

Ha4

* нач

Площадь поперечного сечения круглого образца в месте разрыва

можно определить достаточно точно, так как сечение образца после

разрушения сохраняет форму круга. Более сложно рассчитать попе-

речное сужение на плоских образцах.

Пластичность определяет также способность материала к пере-

распределению, а следовательно, к снижению локальных пиковых

напряжений,

возникающих в местах расположения дефектов строе-

ния,

различных концентраторов напряжений. Поэтому при повышен-

ной

пластичности меньше опасность хрупких внезапных разрушений,

в этом

случае

для изделий можно назначать более высокие напря-

жения.

Для характеристики свойств материалов существенно, что абсо-

лютные значения пластичности (б, г|з) изменяются непропорцио-

нально

изменению прочностных свойств. Относительное удлинение

сужение, как правило, тем ниже, чем больше прочность (а

, а

0|2

Наоборот, пластичность металлов возрастает в

случае

снижения

прочности.

По

этим причинам часто приходится ограничивать предел проч-

ности,

который может быть достигнут термической обработкой. Для

конструкционных сталей cr

, как правило, не больше

110—150

кгс/мм

(кроме

мартенситно стареющих, указанных на с. 399).

Для

полимерных

материалов

используются такие же образцы, как

для металлов. В испытаниях этих материалов определяют главным

образом предел прочности (0

), а для более пластичных также и предел

текучести (сг

Необходимо, однако, учитывать отличия в условиях испытаний

образцов из полимерных материалов по сравнению с рассмотренными

выше испытаниями для металлов. Прочность этих материалов сильно

зависит от длительности испытания и снижается с увеличением вре-

мени

испытания. Поэтому при указании прочности полимерных

материалов необходимо приводить длительность испытания (если

оно

было несколько больше обычных кратковременных).

Кроме

того, механические свойства многих полимерных материа-

лов зависят от поглощения ими влаги. Необходимо учитывать влаж-

ность помещения, в котором они хранятся до испытания, а затем испы-

тываются.

142

Испытания

на

сжатие

В испытаниях на сжатие максимальные касательные напряжения

значительно (вдвое) превышают величину максимальных нормальных

сжимающих напряжений: x

max

raax

— 2. Поэтому сжатие — осевое

особенно объемное — является наиболее мягким способом нагру-

жения.

Испытания

на сжатие наиболее пригодны для хрупких материалов,

образцы которых разрушаются практически без пластической дефор-

мации,

следовательно, без уширения (образования бочки), а именно

для инструментальных сталей в состоянии высокой твердости (при

необходимости определения предела текучести), для белых и мало-

пластичных серых

чугунов

(а также горных пород, цементов).

Прочность

указанных металлов при сжатии по указанным причи-

нам

в 1,5—3 раза выше прочности, определяемой при растяжении.

Существенно, что при сжатии можно определять предел текучести

малопластичных металлов. Это выполняется при последовательном

нагружении возрастающими нагрузками (или разгружении) с заме-

ром остающейся деформации.

Для пластичных материалов испытания на сжатие малопригодны.

Они

не определяют достаточно отчетливо влияния структуры на

меха-

нические

свойства; кроме того, образцы таких материалов сильно

деформируются, принимая бочкообразную форму, и оказываются

условиях объемного неравномерного сжатия, что еще больше за-

трудняет определение механических свойств. При дальнейшем увели-

чении

нагрузки образцы сплющиваются; это не позволяет во многих

случаях

довести их до разрушения и определить сопротивление раз-

рушению и полную пластичность. Вместе с тем прочность пластичных

металлов при сжатии мало отличается от их прочности при растяже-

нии.

Относительное укорочение (б) и относительное уширение (i|)) об-

разца в испытаниях на сжатие (вместо удлинения и сужения при

растяжении)

определяются по формулам

Схематическая диаграмма сжатия приведена на рис. 84.

Результаты испытаний зависят от формы и размеров образцов.

По

ГОСТ

2055—43

следует

испытывать образцы диаметром от 10 до

25 мм и высотой, равной диаметру. Разрушение образцов малопла-

стичных металлов происходит обычно по плоскостям, направленным

под

углом

45° к оси образца.

Поэтому

истинные

напряжения,

определяемые при

сжатии,

меньше

условных

(в

отличие от

испытаний

на

растяжение).

143

Однако при испытании коротких образцов более значительное

влияние

оказывают силы трения

между

торцовыми поверхностями

образца и опорами; они затрудняют перемещение металла в этих

участках

и влияют на результаты ис-

пытаний.

Для устранения трения необ-

ходимо изменять форму образца или

применять

насадки разной формы, что

усложняет испытания. Вместе с тем ос-

лабление трения изменяет характер

разрушения: в образце возникают про-

дольные трещины, и вследствие измене-

ния

условий течения металла разруше-

ние

наступает при меньшей нагрузке.

Рис. 84. Схематическая диаграмма

сжатия:

а — хрупкого материала; б — пла-

стичного

материала

Испытания

на

кручение

В испытаниях на кручение величина

максимальных касательных напряже-

ний

близка к нормальным: т

шах

тах

0,8.

ЭТИ

испытания являются средними по жесткости по сравне-

нию

с испытаниями на растяжение и на сжатие.

Прочностные

свойства при кручении мало отличаются для боль-

шинства металлов от получаемых при растяжении. Тем не менее испы-

тания

на кручение, несмотря на несколько большую сложность вы-

полнения,

получают более широкое применение для пластичных,

а также для малопластичных металлов из-за ряда преимуществ по

сравнению с испытаниями на растяжение.

Образцы при кручении не образуют шейки, вследствие чего кру-

тящий

момент возрастает вплоть до их разрушения. Пластическая

деформация

протекает почти равномерно по длине образца. Это поз-

воляет более надежно определять деформации и напряжения в очень

пластичных, особенно чистых металлах. В испытаниях же на растя-

жение такие металлы образуют очень большую шейку; происходящее

при

этом неодинаковое изменение сечения растягиваемого образца

затрудняет точный расчет деформаций.

Малопластичные металлы, испытания которых на растяжение

представляют значительные затруднения, получают в испытаниях

на

кручение вполне измеримую деформацию, что позволяет опреде-

лить их основные механические свойства.

Вместе с тем испытания на кручение позволяют по виду излома

образцов определить характер разрушения. Излом, перпендикуляр-

ный

оси образца, указывает на вязкое разрушение (от среза), харак-

терное для пластичных металлов. Излом по винтовой линии образца

указывает на хрупкое разрушение (от отрыва).

Машина

для испытаний на кручение снабжена устройством, поз-

воляющим записывать в увеличенном масштабе кривую деформации

образца в координатах крутящий момент —

угол

закручивания.

Для определения

углов

закручивания, величина которых незна-

чительна, в частности углов, отвечающих моментам М

(при дости-

144

жении предела пропорциональности) и М

(при достижении предела

упругости), применяют экстензометры, в частности зеркальный

прибор.

Угол

закручивания определяется как разность

углов

(угло-

вых показателей) ф

ср

поворота сечений /

и /

, находящихся на

концах расчетной длины образца.

Для испытаний на кручение применяют цилиндрические образцы

(рис.

85), чаще всего диаметром 10 мм (и не менее 5 мм) и расчетной

длиной 100 мм, с головками квадратного сечения. Для менее пластич-

ных материалов (например, для сталей высокой твердости) переход

от цилиндрической части к головкам

делают

более плавным.

В испытаниях на кручение опре-

деляют:

модуль

упругости

при сдви-

ге G; характеристики

прочности:

пре-

дел пропорциональности т

пц

, услов-

ный

предел текучести т

0|3

, истинный

предел прочности т

, условный пре-

дел прочности х

пластичность

ме-

талла: относительный сдвиг при кру-

чении у.

Для определения

модуля

упруго-

сти при

сдвиге

G образец нагружают

крутящим моментом, соответствую-

щим начальному касательному на-

пряжению т

. Рекомендуется соглас-

но

ГОСТ

3565—58

принимать т

для

стали равным около 3 кгс/мм

, для

других

металлов —не более 10% от

ожидаемого предела пропорциональ-

ности.

Затем устанавливают зеркальный прибор, отмечают нулевое

значение

угла

закручивания и нагружают образец крутящим момен-

том, не выводящим напряжение в образце за предел пропорциональ-

ности.

Модуль упругости определяют по формуле

г _

~~ (<Pi — Ф

) 1

где М — крутящий момент (за вычетом начального), кгс/мм;

/ — расчетная длина образца, мм;

Ф1

Фг —

угловые

показатели (углы закручивания) на концах

расчетной длины, рад;

— полярный момент инерции, мм

(для цилиндрического

сечения /

= яс(

/32).

Предел пропорциональности т

пц

рассчитывают по формуле

пц

= MIW,

где W — момент сопротивления, мм

(для цилиндрического сечения

л d

/16).

145

Рис. 85.

Образцы для

на

кручение

испытаний

Крутящий

момент М определяют следующим образом. После на-

гружения образца крутящим моментом, соответствующим началь-

ному касательному напряжению, и установки зеркального прибора

догружают

образец последовательно вначале большими ступенями

(нагрузками до

двух

третей ожидаемого предела пропорциональности),

а затем малыми ступенями нагрузки и отмечают

угловую

деформацию

после каждого нагружения.

Нагружение малыми ступенями прекращают, когда угловая де-

формация

от нагружения малыми ступенями превысит в 2—3 раза

угловую

деформацию, созданную первым малым нагружением. По

полученным данным строят кривую кручения. На участке кривой,

на

котором еще не наблюдается отклонений от закона Гука, опреде-

ляют средний

угол

закручивания на

малую

ступень нагружения. Найденную

величину увеличивают на 50% и кру-

тящий

момент М

отвечающий этой

точке, принимают для расчета предела

пропорциональности.

Предел текучести т

можно опреде-

лять графически по диаграмме круче-

ния

(рис. 86), если она получена в боль-

шом

масштабе по деформации.

Эту же величину определяют по

Рис

VySr

формуле

= M/W.

Значение

крутящего момента М, отвечающего достижению предела

текучести, вычисляют по ГОСТ

3565—58.

Условный предел прочности т

определяют по формуле

= MJW,

где М

— наибольший момент кручения, предшествующий разру-

шению

образца.

Для определения истинного предела прочности т

образец

догру-

жают до наступления заметной пластической деформации. После

этого образец

догружают

небольшими, по возможности одинаковыми

ступенями и отмечают для нескольких ступеней крутящий момент М

соответствующие

угловые

показатели ц>

и ф

. Для нескольких

разностей ц>

— ср

, соответствующих точкам кривой непосредственно

перед разрушением, вычисляют удельный

угол

закручивания 9 в ра-

дианах:

где / — расчетная длина образца.

На

основании полученных данных строят участок кривой зави-

симости М от О и для точки кривой, соответствующей наибольшему

крутящему моменту, определяют графически величину

dM/dQ;

она

равна тангенсу

угла

наклона

между

касательной к данной точке

осью абсцисс (6).

146

Истинный

предел прочности определяют

по

формуле Людвика—

Кармана:

где

—

наибольший крутящий момент, предшествующий разру-

шению.

Относительный сдвиг

при

кручении

у (%)

определяют

по

формуле

(ФФ)Ч

у = -^ 100,

где

ф! и ф

—

угловые

показатели перед разрушением образца,

ф1

Для пластичных металлов,

которых величина упругой дефор-

мации

относительно мала

(по

сравнению

пластической), допускается

принимать

общий сдвиг, определенный

по

указанной формуле,

за

остаточный.

Для малопластичных металлов,

которых упругая деформация

относительно велика

(по

сравнению

пластической),

из

величины

общего сдвига, определенного

по

указанной формуле,

следует

вы-

честь

величину

упругого

сдвига

где

т —

предел прочности

при

кручении;

—

модуль сдвига исследуемого металла.

Испытания на изгиб

При

изгибе

соответствующих зонах образца

действуют

как

растя-

гивающие,

так и

сжимающие напряжения. Поэтому испытания

на из-

гиб являются более мягким способом нагружения,

чем

растяжение,

но

более жестким,

чем

сжатие.

Эти испытания применяют

для

малопластичных материалов,

главным образом

для

серых

белых чугунов, инструментальных

сталей

состоянии высокой твердости,

также

целью определения

влияния

коррозии (см.

гл.

VIII). Прочность этих материалов

при

изгибе

(из-за

влияния сжатой зоны) больше,

чем при

растяжении,

но

меньше,

чем

при

сжатии.

Недостатком испытаний

на

изгиб

(по

сравнению

испытаниями

на

растяжение

и на

сжатие) является

то, что при

изгибе

образце

создается неоднородное напряженное состояние.

Это

затрудняет

анализ

поведения металла

процессе нагружения.

Для пластичных металлов испытания

на

изгиб

не

применяют,

так

как

образцы

из

этих металлов изгибаются

до

соприкосновения обоих

Расчет является приближенным.

147

концов

без разрушения. Это не позволяет, как и в испытаниях на сжа-

тие,

определять сопротивление разрушению и максимальную пла-

стичность

Для испытаний на изгиб применяют образцы

круглого

или прямо-

угольного

(лучше

квадратного) поперечного сечения, которые по-

мещают концами на две опоры. Для устранения смятия в опорах

лучше

применять относительно малые нагрузки; это достигается

выбором длинных образцов с соотношением / : h ^ 10.

Рис.

87.

Схема испытаний

на

изгиб:

—

сосредоточенный;

б —

чистый

Рис.

88.

Распределение

на-

пряжений

при

изгибе:

— в

области

упругих

де-

формаций;

б — в

области

пластических деформаций

Испытывать на изгиб можно:

1) сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине пролета

(рис.

87); этот способ применяют чаще. Наибольший изгибающий

момент

М -2-1

"'изг— 4 '

двумя

разными нагрузками Я/2, приложенными на равных

расстояниях от опор (испытания на чистый изгиб); расстояние от

опоры

целесообразно принимать равным одной трети расчетной длины

образца (см. рис. 87). При чистом изгибе

хм Ра

Испытания

в условиях чистого изгиба

лучше

выявляют свойства

исследуемого

материала. В этом

случае

разрушение образца проис-

ходит

в том сечении на

участке

/, которое из-за особенностей строения

и,

в частности, макроскопической или микроскопической неоднород-

ности

данного материала является более ослабленным.

Однако напряженное состояние, возникающее при чистом изгибе,

более сложно, чем при сосредоточенном.

При

сосредоточенном изгибе образец разрушается чаще всего

месте приложения нагрузки Р, т. е. в произвольно выбранном

(относительно возможных дефектов внутреннего строения) сечении.

Для оценки таких материалов применяют технологические испытания в виде

многократного изгибания в противоположные стороны на 180° (пробы на перегиб).

Качество материалов характеризуется числом перегибов, которые

выдержал

испы-

туемый

образец до разрушения.

148

Прочность

при изгибе определяется по отношению

где W — момент сопротивления; для образцов круглого сечения

/32,

а для образцов прямоугольного сечения W =

/6.

Эти значения момента сопротивления соответствуют изгибу в области

упругих

деформаций (рис. 88, а).

При

изгибе пластичных металлов в зоне значительных пластиче-

ских деформаций и разрушения образца момент сопротивления

составляет для образцов прямоугольного сечения (рис. 88, б)

bhVA.

Для хрупких металлов, разрушение которых происходит при

изгибе без видимой пластической деформации (белые и серые чугуны,

высокоуглеродистые стали в закаленном состоянии без отпуска),

значения

момента сопротивления очень близки к указанным значе-

ниям

/6 и лй

№.

Для малопластичных металлов, разрушению которых предшест-

вует

небольшая пластическая деформация (закаленные инструмен-

тальные и

другие

стали с твердостью HRC 52—62), значение момента

сопротивления

лежит

между

и ЬЛ

/4 (для образцов прямоуголь-

ного сечения). Точный расчет момента сопротивления более сложен.

некоторым приближением его можно принимать как

6Л

• 1,2.

Для менее пластичных материалов чаще ограничиваются опреде-

лением прочности при изгибе

(а

изг

Величина прогиба, определяемая при разрушении, не может

надежно характеризовать пластичность таких материалов. Она зави-

сит главным образом от прочности испытуемого образца, так как доля

пластической деформации в этих случаях незначительна и, как

правило,

меньше упругой.

ИСПЫТАНИЯ

ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ

НАГРУЗКАХ

(на

усталость)

Испытания

применяют для характеристики поведения материала

как

пластичного, так и хрупкого в условиях повторно-переменного

приложения

нагрузки. В таких условиях металлы обнаруживают

более низкую прочность по сравнению с определяемой в статических

испытаниях.

Поскольку

многие детали работают в условиях повторно-перемен-

ных нагрузок (например, коленчатые валы в условиях симметрич-

ного цикла, шатуны в условиях асимметричного цикла и т. д.),

испытания

на усталость приобретают все большее значение. В спра-

вочниках и в литературе наряду со свойствами, определенными испы-

танием на растяжение и на

ударную

вязкость, указывают значения

предела выносливости.

Разрушение металла в

результате

повторно-переменных (усталост-

ных) нагрузок наступает внешне внезапно, без видимых признаков

149

пластической деформации, является хрупким

происходит под дей-

ствием нормальных напряжений. Излом

месте разрушения обнару-

живает

два

различных

по

виду участка. Меньший участок, приле-

гающий

поверхностным слоям, имеет гладкую (притертую) поверх-

ность

называется

областью

усталостного

излома;

больший участок

имеет

грубое

кристаллическое строение, характерное

для

излома

статических испытаниях.

Видимое

и,

казалось

бы,

внезапное разрушение металла

дейст-

вительности наступает

не

сразу. Сначала

наиболее напряженном

или

ослабленном участке

под

действием повторных нагрузок возни-

кает пластическая деформация, вызывающая небольшую трещину.

При

повторном

неоднократном приложении

снятии нагрузки

эта трещина увеличивается, постепенно превращаясь

участок

уста-

лостного излома,

ослабляет опасное сечение. Когда часть сечения

(объема), оставшаяся неразрушенной,

не

может выдержать всей при-

ложенной нагрузки, наступает быстрое (внезапное) разрушение

детали.

Свойство металла выдерживать большое число циклов перемен-

ных нагрузок называют

выносливостью.

Наибольшее напряжение,

которое выдерживает металл

без

разрушения

при

повторении боль-

шого, заранее заданного числа циклов переменных нагрузок, назы-

вают

пределом выносливости

Величина предела выносливости зависит

от

числа циклов пере-

менных нагрузок

характера самого цикла,

так

как нагрузки

могут

быть знакопеременными (растяжение

сжатие)

или без

изменения

знака.

Цикл может быть:

а) симметричным, если напряжения противоположны

по

знаку

равны;

б) асимметричным, если напряжения неодинаковы

по

величине

(хотя

могут

иметь одинаковый

знак).

При

симметричном цикле предел выносливости оказывается более

низким.

Его чаще определяют

этих условиях

число циклов

знако-

переменных нагружений устанавливают достаточно большим

(см.

с.

152).

Между пределом прочности

на

растяжение

пределом выносли-

вости

существует

приблизительная количественная зависимость.

Для стали предел выносливости, определенный

при

изгибе вращаю-

щихся гладких образцов, составляет

от

0,45

до

0,55a

или, что более

характерно, около

0,25S

Предел выносливости при кручении состав-

ляет

0,5-5-0,6

от

предела выносливости

при

изгибе

. Однако этими

зависимостями нельзя пользоваться

без

учета

следующих соображе-

ний:

1. Повышению предела прочности, достигаемому изменением

химического состава стали

применением термической обработки,

соответствует значительно меньшее возрастание предела выносливо-

ряде

случаев

определенный

предел

выносливости при повышенных напряже-

ниях

сравнительно небольшом

числе

циклов (малоцикловая выносливость).

условиях

симметричного цикла

для

пластичных металлов.

150