Золотаревский В.С. Механические свойства металлов
Подождите немного. Документ загружается.
ства
при
растяжении
оценивают
на
расчетной
длине,
границы
которой
достаточно
удалены
от
головок.
Длительное
время
наиболее
широкое
распространение
имели
машины
с
механическим
приводом
и
маятниковым
силоизмери
телем.
Они
отличаются
простотой,
компактностью
и
позволяют
записывать
диаграммы
растяжения
в
достаточно
большом
масш
табе.
Но
в
последние
годы
они
вытесняются
более
жесткими
и
точными
машинами
с
электротензометрическим
измерением
на
пряжений
и
деформаций.
На
рис.
83
показаны
общий
вид
(а)
и
кинематическая
схема
(6)
одной
из
таких
испытательных
машин
типа
УМЭ-1
ОТ.
Это
сложное
и
дорогое
устройство.
Однако
и
возможности,
которые
обеспечивает
эта
машина,
несравненно
лучше,
чем
у
машин
с
маятниковым
силоизмерителем.
Предельная
нагрузка
ее
0,1
МН,
причем
имеется
шесть
различных
диапазонов
нагрузки.
Жесткость
1/
К=45
МН/м.
Скорость
деформирования
может
изменяться
от
0,005
до
100
мм/мин
(всего
можно
задать
десять
скоростей).
Ма
шина
УМЭ-1
ОТ
является
универсальной:
на
ней
можно,
кроме
растяжения,
проводить
испытания
на
сжатие,
изгиб,
а
также
на
малоцикловую
усталость.
В
комп~ект
машины
входят
нагреватель
ные
устройства,
позволяющие
проводить
высокотемпературные
испытания.
Но
главное
достоинство
машины
-
высокая
точность
замера
усилий
и
деформаций,
обеспечиваемая
за
счет
примене
ния
тензометрических
датчиков.
Конструктивно
машина
УМЭ-1
ОТ
состоит
из
следующих
ос
новных
узлов
(см.
рис.
83,
а):
собственно
машина
1,
пульт
управ
ления
с
электронной
и
электроприводной
аппаратурой
2
и
на
гревательные
устройства,
включающие
шкаф
управления
3,
тер
мостат
(373
-
773
К)
и
печь
(773
-
1273
К).
Основание
15,
колон
ны
9
и
верхняя
траверса
10
образуют
жесткую
раму
машины
(см.
рис.
83,
6).
В
верхней
траверсе
крепится
силоизмерительный
дат
чик
(динамометр)
11,
представляющий
собой
полый
цилиндр
с
наклеенными
на
него
тензометрическими
датчиками
сопротив
ления.
Верхний
захват (для
цилиндрических
образцов
с
головка
ми)
выполнен
как
единое
целое
с
корпусом
динамометра.
Если
используются
сменные
захваты
(например,
для
плоских
образ
цов),
то
они
крепятся
к захватам
для
цилиндрических,образцов.
Нижний
захват
12
центрируется
при
сборке
машины
относитель
но
динамометра
и
крепится
к
столу
18,
который
перемещается
на
направляющих
втулках
8
по
колоннам
при
движении
грузового
160
8ИНта
16.
Грузовой
винт
соединен
с
двухскоростным
асинхрон
ным
электродвигателем
17
через
электромагнитную
муфту
7,
ко
робку
передач
6
и
разрезную
гайку
14.
Коробка
передач
обеспечи
вает
соотношение
чисел
оборотов
выходного
вала
к
входному
1 :
1;
1 :
10;
1 :
100;
1 :
1000
и
1 : 10000.
Сочетание
двухскоростноro
двигателр
с
такой
коробкой
передач
позволяет
получить
диапа
зон
скоростей
деформирования
0,005-100
мм/мин.
Рис.
83.
Схема
универсальной
машины
УМЭ-lОТ
6 - 3755
I
,-7-
[Q]
о
о
"
о
f--
o~
DI'j"
I
]
I
'"
~
2
l
~
([)
C::::::J
ё;$Р
а
161
На
рабочей
части
образца
устанавливают
тензометр,
имею
щий
базу
(длину)
50
мм,
на
которой
производится
измерение
деформации.
При
растяжении
образца
на
выходе
измерительных
мостов
тензометрических датчиков
силоизмерителя
и
деформа
ции
появляются
сигналы
разбаланса.
Они
усиливаются,
проходят
ряд
преобразований
и
ПОQ,тупают
на
вход
реверсивных
асинхрон
ных
электродвигателей
2
и
5.
Двигатель
2
связан
через
систему
передач
со
стрелкой
индика
тора
нагрузок
J
и
пером
самописца
З,
а
двигатель
5
вращает
диаг
раммный
барабан
4.
Перо
перемещается
и
записывает
диаграмму
растяжения.
Допускаемая
погрешность
при
записи
диаграмм
на
машине
УМЭ-I0Т
не
превышает
2%
от
измеряемой
величины.
Масштаб
по
оси
деформации
может
задаваться
от
100 : 1
до
1000
:
1.
Масштаб
по
оси
нагрузок
определяется
используемым
диапа
зоном
нагрузок
и
шириной
диаграммной
ленты,
которая
состав
ляет
500
мм.
Например,
при
использовании
диапазона
0-0,05
МН
1
мм
диаграммной
ленты
будет
соответствовать
100
Н.
Методика
nроведенuя
испытаний
на
растяжение
Основные
требования
к
методике
испытания
на
растяжение
оговорены
в
стандартах.
Эти
требования
следует
рассматривать
как
минимальные.
При
выполнении,
например,
исследовательс
ких
работ
они
могут
быть
значительно
повышены.
Соблюдение
стандартной
методики
испытания
особенно
важно
на
заводах
в
тех
случаях,
когда
результаты
являются
критерием
качества
про
дукции
или
ее
паспортными
характеристиками.
Каждый
образец
перед
испытанием
маркируют,
измеряют
и
размечают.
Маркировку
наносят
вне
пределов
рабочей
длины
об
разца.
Диаметр
цилиндрических
образцов
следует
измерять
с
точ
ностью
не
ниже
0,01
мм
при
do~IO
мм
и
0,05
мм
при
d
o
>10
мм.
С
такой
же
точностью
необходимо
.измерять
толшину
плоских
об
разцов,
соответственно
при
ao~2
и
а
о
>2
мм.
Начальная
расчетная
длина
образца
10
в
пределах
рабочей
длины
ограничивается
неглу
бокими
кернами
или
рисками
с
точностью
до
1 %
от
величины
10.
Все
размеры
после
испытания
определяют
с
точностью
не
ниже
0,1
мм.
Для
получения
более
точных
результатов
пользуются
ин
струментальными
микроскопами.
162
Каждый
размер
следует
измерять
несколько
раз.
Например,
ГОСТ
1497-84
обязывает
производить
замер
диаметра
в
середине
и
по
краям
рабочей
части
образца
с
последующим
определением
среднего
значения,
по
которому
рассчитывают
площадь
его
по
перечного
с..ечения.
Величина
нагрузки
должна
определяться
с
точностью
до
0,5
наименьшего
деления
индикатора
силоизмерительного
механиз
ма.
Диапазон
нагрузок
выбирают
таким
образом,
чтобы
силы
со
противления
образца
деформации,
по
которым
будут
определяться
прочностные
характеристики,
были
не
меньше
0,1
шкалы
выб
ранного
диапазона
и
не
ниже
0,04
предельной
нагрузки
испыта
тельной
машины.
При
этом
желательно,
чтобы
максимальная
сила
сопротивления
образца
находилась
во
второй
половине
шкалы.
Именно
при
таком
выборе
диапазона
нагрузок
будет
обеспечена
наибольшая
точность
расчета
характеристик
свойств.
К
методике
проведения
испытаний
на
растяжение
при
повы
шенных
и
отрицательных
температурах
предъявляют
ряд
специ
фических
требований.
При
высокотемпературных
испытаниях
на
гревательные
устройства
(термостаты
и
печи
самых
разнообраз
ных
конструкций)
должны
обеспечивать
равномерный
нагрев
образца
в
пределах
расчетной
длины
и
поддержание
заданной
температуры
в
установленных
пределах
в
течение
всего
времени
испытания.
Рекомендуется,
чтобы
длина
рабочего
пространства
печи
была
как
минимум
в
пять
раз
больше
начальной
расчетной
длины
образца.
При
высокотемпературных
испытаниях
следует
особое
внимание
уделять
надежности
крепления
головок
образ
цов
в
захватах,
иначе
возможно
сильное
искажение
результатов
из-за
деформации,
выскальзывания
из
захватов
и
преждевремен
ного
разрыва
образца
у
головок,
размягчающихся
при
нагреве.
Поэтому
при
высокотемпературных
испытаниях
используют
чаще
всего
цилиндрические
образцы
с
резьбовыми
головками,
или
плоские
с
отверстием,
в
которое
вставляют
проходящий
через
захват
поперечный
стержень
(см.
рис.
77,
д).
Точность
поддержа
ния
температуры
в
образце
тем
меньше,
чем
она
выше.
До
873
К
эта
точность
не
должна
быть
ниже
±3,
от
873
до
1173
- ±4,
от
1173
до
1473
К
-
±6
К.
Время
выдержки
при
температуре
испыта
ния,
а
также
скорость
нагрева
могут
существенно
сказываться
на
механических
свойствах.
Обычно
образцы
вьщерживают
5-30
мин.
Скорость
нагрева
до
заданной
температуры,
как
правило,
долж
на
быть
по
возможности
минимальной.
6·
163
При
повышенных
температурах
на
свойствах
многих
металлов
сильно
сказывается
окружающая
образец
среда.
В
частности,
при
нагреве,
выдержке
и
в
процессе
испытания
возможно
взаимо
действие
материала
образца
с
газами
воздуха.
За
счет
окисления,
азотизации
или
наводороживания
механические
свойства
могут
кардинально
изменяться.
Поэтому
при
высокотемпературных
ис
пытаниях
часто
приходится
использовать
вакуумные
печи
с
за
щитной
атмосферой,
например
инертными
газами
(чаще
всего
аргоном).
Тяги
захватов
при
этом
вводят
в
рабочее
пространство
печи
через
специальные
устройства
-
сильфоны,
позволяющие
захватам
перемещаться
без
разгерметизации
внутреннего
объема
печи
(рис.
84,
а).
Для
низкотемпературных
испытаний
между
захватами
маши
ны
устанавливают
сосуд
с
теплоизолирующими
стенками,
содер
жащий
охлаждающую
жидкость
(рис.
84,
б).
Емкость
такой
крио
камеры
должна
быть
достаточно
большой
для
того,
чтобы
обес
печить
быстрое
охлаждение
и
возможность
поддержания
задан
ной
темнературы
образца
при
испытании.
До
213
К
в
качестве
охлаждающей
среды используют
смесь
этилового
спирта
разных
сортов
с
сухим
льдом.
Диапазон
темпе
ратур
213
-
173
К
получается
в
смесях
чистого
этилового
спирта
с
жидким
азотом.
Использование
жидкого
азота
без
спирта
по
зволяет
получить
температуру
77
К.
Еще
более
низкие
температу
Рис.
84.
Схемы
испытания
на
растяжение
при
повышенных
(о)
и
отрицательных
темпера
турах
(6): J -
подвижный
захват;
2 -
силь
фон;
3 -
криостат
с
хладагентом;
4 -
обра
зец;
5 -
печь;
6 -
неподвижный
захват
164
ры
можно
получить
при
испы
таниях
в
средах,
содержащих
жидкий
водород
(до
20
К)
и
жидкий
гелий
(до
4
К).
Измене
ние температуры
охлаждающих
смесей
достигается
за
счет
из
менения
соотношения
компо
нентов.
Кроме
жидких
охладите
лей,
используются
холодильные
камеры
с
воздушной
атмосфе
рой.
Допускаемые
отклонения
от
заданной
температуры
испыта
ния
не
должны
быть
больше
±2
до
213
К
и
±5
ниже
213
К.
Время
вьщержки
при
температуре
ис
пытания
обычно
составляет
10-
20
мин
в
зависимости
от разме-
ра
образца.
Для
измерения
отрицательных
температур
рекомен
дуется
использовать
жидкостные
(нертутные)
или
термоэлектри
ческие
термометры
СО:1ротивления.
Прочностные
характеристики
при
растяжении
Механические
свойства
при
растяжении,
как
и
при
других
ста
тических
испытаниях,
могут
быть
разделены
на
три
основные
группы:
прочностные,
пластические
и
характеристики
вязкости.
Прочностные
свойства
-
это
характеристики
сопротивления
ма
териала
образца
деформации
или
разрушению.
Большинство
стан
дартных
прочностных
характеристик
рассчитывают по
положе
нию
определенных
точек
на
диаграмме
растяжения,
в
виде
ус
ловных
растягиваюших
напряжений.
В
гл.
111
анализировались
ди
аграммы
в
координатах
истинное
напряжение-истинная
де
формация,
которые
наиболее
точно
характеризуют
деформаци
онное
упрочнение.
На
практике
же
механические
свойства
обыч
но
определяют
по
первичным
кривым
растяжения
в
координатах
нагрузка-абсолютное
удлинение,
которые
автоматически
запи
сываются
на
диаграммной
ленте
испытательной
машины.
Для
поликристаллов
различных
металлов
и
сплавов
все
многообразие
этих
кривых
при
низких
температурах
можно
свести
в
первом
приближении
к
трем
типам
(рис.
85).
Диаграмма
растяжения
1
типа
характерна
для
образцов,
разру
шаюшихся
без
заметной
пластической
деформации.
Диаграмма
11
типа
получается
при
растяжении
образцов,
равномерно
дефор
мируюшихся
вплоть
до
разрушения.
Наконец,
диаграмма
11
1
типа
р
р
ь
р
ь
ь
I
л
!Jl
Рис.
85.
Типы
первичных
кривых
растяжения
165
характерна
для
образцов,
разрушающихся
после
образования
шейки
в
результате
сосредоточенной
деформации.
Такая
диаграмма
может
получиться
и
при
растяжении
образцов
разрушающихся
без
образования
шейки
(при
высокотемпературном
растяжении);
участок
bk
здесь
может
быть
сильно
растянут
и
почти
параллелен
оси
деформации.
Возрастание
нагрузки
до
момента
разрушения
(см.
рис.
85, 1/)
или
до
максимума
(см.
рис.
85,
1/1)
может
быть
либо
плавным
(сплошные
линии),
либо
прерывистым.
В
после
днем
случае
на
диаграмме
растяжения
могут, в
частности,
по
явиться
«зуб»
и
площадка
текучести
(пунктир
на
рис.
85, 1/, 1/1).
В
зависимости
от
типа
диаграммы
меняется
набор
характерис
тик,
которые
по ней
можно
рассчитывать,
а
также
их
физичес
кий
смысл.
На
рис.
86
(диаграмма
111
типа)
нанесены
характерные
точки,
по
ординатам
которых
рассчитывают
прочностные
харак
теристики
(а;
=Р/
F
o
).
Как
видно, на
диаграммах
двух
других
типов
(см.
рис.
85,
1,
11)
могут
быть
нанесены
не
все
эти
точки.
П
р
е
Д
е
л
про пор
Ц
и
о н
а
л
ь
н
о
с
т
и.
Первая
ха
рактерная
точка на
диаграмме
растяжения
-
точка
р
(см.
рис.
86).
Усилие
Рпи
определяет
величину
предела
nроnорциональности
-
напряжения,
которое
материал
образца
выдерживает
без
отклоне
ния
от
закона
Гука.
Приближенно
величину
Р
пи
можно
опреде
лить
по
точке,
где
начинается
расхождение
кривой
растяжения
и
продолжения
прямолинейного
участка
(рис.
87).
Для
того
чтобы
унифицировать
методику
и
повысить
точность
р
~r---------~~
__
рк
I------~--+_--~k
о
Рис.
86.
Характерные
точки
на
диаграмме
рас
тяжения,
по
которым
рассчитывают
прочно-
стные
характеристики
166
расчета
предела
пропорцио
нальности,
его
оценивают
как
условное
напряжение
(а
п
),
при
котором
отступление
от
линей
ной
зависимости
между
нагруз
кой
и
удлинением
достигает
оп
ределенной
величины.
Обычно
допуск
при
определении
а
пц
за
дают
по
уменьшению
тангенса
угла
наклона,
образованного
касательной
к
кривой
растяже
ния
в
точке
р
с
осью
деформа
ций,
по
сравнению
с
танген
сом
на
начальном
упругом
уча
стке.
Стандартная
величина
до-
р
р
а
о
L1l
о
lJ
~l
Рис.
87.
Графические
способы
определения
предела
пропорциональности
пуска
50%,
возможно
также
использование
10%-ного
и
25%-ного
допуска.
Его
величина
должна
указываться
в
обозначении
преде
ла
пропорциональности
-
О"пu50'
О"ПU25'
О"пцlO·
При
достаточно
большом
масштабе
первичной
диаграммы
ра
стяжения
величину
предела
пропорциональности
можно
опреде
лить
графически
прямо
на
этой
диаграмме
(см.
рис.
87).
В первую
очередь
продолжают
прямолинейный
участок
до
пересечения
с
осью
деформаций
в
точке
О,
которую
и
принимают
за
новое
на
чало
координат,
исключая
таким
образом
искаженный
из-за
не
достаточной
жесткости
машины
начальный
участок
диаграммы.
Далее
можно
пользоваться
двумя
способами.
По
первому
из
них
на
произвольной
высоте
в
пределах
упругой
области
восстанав
ливают
перпендикуляр
АВ
к оси
нагрузок
(см.
рис.
87,
а),
отклады
вают
вдоль
него
отрезок
ВС=
I/~B
и
проводят
линию
ос.
При
этом
tga'
=
tg
а/1,5.
Если
теперь
провести
касательную
к
кривой
растяжения
параллельно
ос,
то
точка
касания
р
определит
иско
мую
нагрузку
Рпu.
При
втором
способе
из
произвольной
точки
прямолинейного
участка
диаграммы
опускают
перпендикуляр
КU
(см.
рис.
87,
б)
на
ось
абсцисс
и
делят
его
на
три
равные
части.
Через точку
С
и
начало
координат
проводят
прямую,
а
параллельно
ей
-
каса
тельную
к
кривой
растяжения.
Точка
касания
р
соответствует
уси
лию
Рпц(tgа'=
tg
a/I,5).
167
Более
точное
определение
предела
пропорциоиальности
воз
можно
при
использовании
специальных
приборов
-
тензометров
-
ДЛЯ
измерения
малых
деформаций.
Выше
уже
был
описан
ре
зисторный
тензодатчик,
принцип
действия
которого
основан
на
измерении
электросопротивления
проводника
при
его
деформа
ции,
например
растяжением.
Используются
и
тензометры
с
дру
гими
принципами
действия:
оптико-механические
(зеркальные),
емкостные,
индуктивные,
дифференциально-трансформаторные,
механотронные
и
др.
На
рис.
88
показана
схема
часто
применяемого
зеркального
оптико-механического
тензометра
Мартенса.
С
двух
сторон
на
образце
1
при
помощи
пружины
3
держатся
две
легкие
пластинки
2.
Снизу
они
упираются
в
образец
остриями
4,
а
сверху
прижима
ют
к
нему
подвижные призмы
5
ромбического
сечения
с
зеркаль
цами
6.
Перед
началом
растяжения
призмы
устанавливают
так,
чтобы
их
большая
диагональ
была
нормальна
оси
образца.
Рассто
яние
'о
между
остриями
4
пластинок
и
призм
5
является
базой,
на
которой
измеряется
деформация.
Эта
база
колеблется
в
тензомет-
~
7
~
О
В
I
/
~
.
/
I
L
Рис.
88.
Схема
оптико-механического
тензометра
Мартенса
168
рах
Мартенса
от
50
до
200
мм
и
в
определенной
мере
влияет
на
точность
измерения
деформации
(чем
больше
база,
тем
выше
точность).
При
растяжении
образца
Fй
М
прижатые
к
нему
острия
призм
5
перемешаются
(см.
рис.
88,
пунктир),
а
противополож
ные
сохраняют
свое
положение
на
пластинках
2,
поворачиваясь
около
точки
С
на
какой-то
угол
а..
На
тот
же
угол
повернется
и
плоскость
зеркал
6.
В
результате
световой
зайчик
от
источника
света
7
перейдет
из
положения
О
на
шкале
8
в
положение
а.
Величина
Оа
-
это
увеличенное
удлинение
М.
В
зависимости
от
расстояния
L
и
длины
большой
диагонали
призм
К
получается
разный
коэффициент
увеличения
истинной
абсолютной
дефор
мации.
При
малых
углах
м
=
OaKj2L.
Обычно
подбирают
отношение
К/
L=I/250,
и
тогда
М
=
Оа/500.
Использование
двух
измерительных
установок
с
двух
противо
положных
сторон
образца
позволяет
учесть
искажения
из-за
его
неизбежного
изгиба
в
результате
пусть
малого,
но
всегда
имею
шегося
перекоса
в
захватах
машины.
Величину
удлинения
поэто
му
определяюг
как
среднеарифметическое
значение
из
отсчетов
по
двум
шкалам:
м
=
(Оа'+
Оа')/1000.
Как
видно
из
этой
формулы,
коэффициент
увеличения
доста
точно
велик
для
точного
измерения
малых
удлинений
(цена
деле
ния
шкалы
8
на
рис.
88
составляет
0,001
мм).
На
рис.
89,
а
дана
схема
дифференциального
конденсаторного
(емкостного)
датчика.
При
деформации
перемешается
средняя
пластина,
располагающяяся
между
обкладками
дифференциаль
ного
конденсатора
С
1
и
С
2
•
В
результате
нарушается
баланс
мосто
вой
схемы,
а
сигнал
разбаланса
после
усиления
фиксируется
как
мера
деформации.
у
индуктивных
тензометров
(см.
рис.
89,
б)
имеются
два ножа,
установленных
на
подшипниках.
Их
перемещение
в
результате
деформации
передается
на
ферритовые
сердечники
2
катушек
индуктивности
1,
з.
Здесь
также
используется
мостовая
схема,
в
169