2.8. Методы испытания механических свойств.

Прочность металла определяют, выполняя испытания на растяжение, используя для этого разрывные машины (рис. 2.7,а). Для испытаний изготавливают стандартные цилиндрические или плоские образцы с утолщениями (уширениями) на концах для укрепления в захватах разрывной машины (рис. 2.7,б). При этом необходимо соблюдать соотношения между начальной расчетной длиной образца (l₀) и начальной площадью поперечного сечения в его рабочей части (F₀). Образцы используют двух видов: с начальной длиной (короткие) или (длинные). При проведении испытаний образец закрепляют в захватах разрывной машины и растягивают его. При этом через систему передаточных механизмов самозаписывающий прибор автоматически вычерчивает диаграмму растяжения. По вертикальной оси откладывается нагрузка Р, по горизонтальной – абсолютное удлинение Δl. Для малоуглеродистой стали (Ст3) такая диаграмма представлена на рис 2.7,в.

На диаграмме можно отметить характерные точки и участки. На участке 0Р_пц удлинение Δl образца увеличивается прямо пропорционально нагрузке Р_пц, называемой нагрузкой предела пропорциональности.

Пределом пропорциональности σ_пц называют наибольшее напряжение, до которого относительное удлинение образца остается прямо пропорциональным нагрузке Р_пц. Его определяют по формуле (в Н/м² или Па):

σ_пц = Р_пц/F₀ . (2.1)

Нагрузка Р_уп, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,005% расчетной длины, называют нагрузкой предела упругости.

Пределом упругости σ_уп называют такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,005% первоначальной расчетной длины образца. Его определяют по формуле

σ_уп = Р_уп/F₀ . (2.2)

Выше точки Р_уп кривая диаграммы растяжения плавно переходит в горизонтальный участок. При этом образец удлиняется без увеличения нагрузки (металл как бы течет).

Нагрузку Р_Т , при которой начинается течение металла, называют нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой – площадкой текучести.

Пределом текучести σ_Т называют наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Его определяют по формуле

σ_Т = Р_Т /F₀ . (2.3)

За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой максимальной величины Р_В (процесс самоупрочнения), после которой на образце начинается образование местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки вызывает снижение нагрузки, и в точке К при нагрузке Р_к происходит разрыв образца. Наибольшую нагрузку Р_В, при которой начинается образование шейки, называют нагрузкой временного сопротивления при растяжении.

Временное сопротивление при растяжении (предел прочности) называют напряжение σ_В , соответствующее наибольшей нагрузке Р_В. Определяют его по формуле

σ_В= Р_В /F₀ . [Н/мм²; (кгс/мм²)] (2.4)

Диаграммы растяжения стали различных марок приведены на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Диаграмма растяжения стали различных марок

а – монокристалл железа; б – поликристалл железа; в – сталь обычной прочности (типа ВСт3); г – сталь повышенной прочности (типа 09Г2С, 10ХСНД);

д – сталь высокой прочности (типа 16Г2АФ, 12Г2СМФ и др.)

Относительное удлинение () и сужение () образца при испытании является характеристикой пластичности. Относительное удлинение определяется как отношение приращения длины образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в процентах где l₁ – длина образца после разрыва, l₀ – расчетная длина образца.

Временное сопротивление алюминия составляет σ_в = 40…60 Н/мм², относительное удлинение  = 40…50%. Для мягкой меди (в отожженном состоянии) σ_в = 190…215  Н/мм²; для твердой меди (в нагартованном состоянии) σ_в = 280…360  Н/мм²; относительное удлинение  = 60% и 6% соответственно.

Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля, когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D (рис. 2.9,а). Число твердости по Бринеллю НВ есть нагрузка Р, деленная на сферическую поверхность отпечатка (с диаметром d).

При методе Роквелла индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик) (рис. 2.9,б). В данном случае числом твердости является величина, обратная глубине вдавливания (h). Имеется три шкалы. При испытании алмазным конусом при Р = 150 кгс получаем твердоcть HRC, то же при Р = 60 кгс – HRA и при вдавливании стального шарика при Р = 100 кгс HRB.

При методе Виккерса вдавливается алмазная пирамида и, измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (НV) (рис. 2.9,в).

Твердость по Бринеллю для алюминия составляет НВ=25, для мягкой меди – НВ=45, для твердой меди – НВ=110.

Испытания на удар. Эти испытания позволяют определять способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявлять склонность металла к хрупкому разрушению при различных температурах.

Для испытаний применяют стандартные образцы квадратного или прямоугольного сечения с надрезом или без него (рис. 2.10). Образец устанавливают на двух опорах 6 стоек 3 специального копра (рис. 2.11). Маятник 1, падая с высоты Н (положение I), разрушает образец 5 (положение II) и по инерции поднимается на высоту h (положение III). Маятник останавливают ручкой 4 тормоза. Работа А_н, затраченная на разрушение образца, определяется по шкале 2 в соответствии с формулой

A_н = P (H - h). (2.5)

Удельную ударную вязкость определяют по формуле

a_к = А_н/F_o, (2.6)

где А_н – работа, затраченная на разрушение образца, Дж/см²;

F₀ – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см².

Ударная вязкость помимо обозначения a_к также может обозначаться KCU или KСV, где последние символы указывают на форму надреза в испытуемом образце (рис. 2.10).

Испытания проводят при положительной и отрицательной температурах.

Проба на изгиб предназначена для определения пластичности металла при изгибе до нужной степени, в зависимости от назначения металла; осуществляют ее в холодном или горячем состоянии. На установке, приведенной на рис.2.12, выполняют следующие пробы на изгиб: до определенного угла (рис. 2.12,б), до параллельности сторон (рис. 2.12,в), до соприкосновения сторон (рис. 2.12,г). Испытуемый металл считается выдержавшим пробу, если на образце после изгиба отсутствуют трещины, надрывы, изломы и т.д. Тот или иной вид пробы на изгиб обычно оговаривается в технических условиях на поставку листового материала.

Пробу на перегиб (испытания на перегиб) применяют для определения способности металла выдерживать повторные перегибы в холодном состоянии и осуществляется на специальном приборе или в слесарных тисках. Испытуемый образец из листовой или полосовой стали толщиной до 5 мм, проволоки и прутков фасонного сечения площадью до 120 мм² и т.д. зажимают в приборе или в тисках, приводят в исходное положение и затем осуществляют колебательные движения на 180° до появления трещины в образце. Число перегибов до наступления трещины является характеристикой этого испытания.

Испытания на усталость. Разрушение металлов под действием многократных (повторно-переменных) нагрузок, изменяющихся по величине и знаку, при напряжениях, меньших временного сопротивления на растяжение, называют усталостным. Способность металлов выдерживать большое число циклов называют выносливостью σ_ω, или циклической прочностью.

Испытания для определения прочности, пластичности, на изгиб и по определению твердости производят при комнатной температуре (+20⁰С).

Основные показатели механических свойств строительных сталей приведены в табл. 2.1, 2.2.

Таблица. 2.1