Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость

Испытания на растяжение относят к самым распространенным видам механических испытаний, при которых определяется прочность и пластичность материала. Результаты экспериментальных исследований механических свойств материала при одноосном растяжении обычно изображают в виде графиков зависимости напряжения от деформации (рис. 2.3). Чаще всего испытания проводят при «комнатной» температуре, т. е. при
t = 20 °С (или Т = 293 К), и при постоянной и достаточно малой скорости деформации ( ). При этом силу Р, растягивающую образец, относят к первоначальной площади поперечного сечения F₀, а удлинение образца Dl – к первоначальной расчетной длине образца l₀:

(2.12)

т. е. не учитывают изменение площади поперечного сечения образца и предполагают равномерное деформирование образца по его длине.

Условный предел прочности s_В определяется как отношение максимальной силы P_max к первоначальной площади поперечного сечения образца:

(2.13)

Рис. 2.3. Условная диаграмма растяжения

Для определения действительного предела прочности S_b максимальную силу P_max необходимо относить к действительной площади перечного сечения образца. Поскольку длина образца после деформации , а площадь поперечного сечения равна F, то согласно постоянству объема до и после деформации: ,

откуда и . (2.14)

На диаграмме растяжения (см. рис. 3.5) наблюдаются области упругой деформации, исчезающей после снятия вызвавшей ее нагрузки, и пластической. Между напряжениями и деформациями в области упругости соблюдается закон Гука:

, (2.15)

где E – модуль упругости при растяжении (модуль Юнга).

Модуль упругости Е является константой материала, характеризующей его жесткость. Величина Е выражает сопротивляемость материала упругой деформации при растяжении. Следует отметить, что величина модуля упругости даже для одного и того же материала не является постоянной и колеблется в некоторых пределах. Однако в инженерных расчетах этой разницей можно пренебречь и принять для большинства материалов одно и то же значение Е как при растяжении, так и при сжатии. Модуль упругости является коэффициентом пропорциональности между нормальным напряжением σ и относительной деформацией ε и выражается зависимостью:

Е = σ/ε = tg α, (2.16)

где α – угол наклона прямолинейной части диаграммы растяжения σ = f (ε) к оси абсцисс.

Аналогично при сдвиге величина G является коэффициентом пропорциональности между касательным напряжением τ и относительным сдвигом γ и называется модулем упругости при сдвиге или модулем сдвига. Величина G выражается зависимостью:

G = τ/γ. (2.17)

В связи с тем, что при растяжении или сжатии материал испытывает как продольные ε, так и поперечные ε₁ деформации, их отношение может быть выражено через коэффициент поперечной деформации, называемый также коэффициентом Пуассона μ:

μ = ε₁/ ε. (2.18)

Коэффициент Пуассона так же, как и модули упругости, является характеристикой упругих свойств материала. Все три константы упругости материала связаны между собой следующей зависимостью:

G = Е/2(1 + μ). (2.19)

Наибольшее напряжение, при снятии которого остаточные деформации не превышают некоторой заданной малой величины (обычно менее 0,2%), называют пределом упругости s_У.

Если за участком пропорциональности напряжения и деформации следует площадка текучести, соответствующая увеличению деформации при постоянном напряжении (рис. 3.9), то это напряжение называют пределом текучести s_Т. При отсутствии таковой площадки пределом текучести считают напряжение, соответствующее некоторому установленному небольшому уровню деформации (например, 0,2%) – s_0,2.

Область справедливости закона Гука устанавливается пределом пропорциональности s_ПЦ. Поскольку пропорциональность напряжения деформации обычно выполняется во всей области упругости, при практических расчетах предел пропорциональности принимают равным пределу упругости (или меньше).

Для использования диаграмм растяжения при других, более сложных схемах деформирования напряжение заменяют интенсивностью напряжений s_i , а деформацию – интенсивностью деформаций .

Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением. Относительное удлинение δ – это относительное приращение (l_K – l₀) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l₀, выраженное в процентах:

(2.20)

Относительное сужение ψ – это соотношение разности начальной и конечной площади (S₀ – S_K) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади S₀ поперечного сечения, выраженное в процентах:

(2.21)

Испытания на растяжение не всегда оценивают склонность материала к хрупкому разрушению, поэтому применяют испытания для определения ударной вязкости, отличающиеся от обычных испытаний на растяжение тем, что образец испытывается на изгиб при ударном (динамическом) нагружении.

Ударная вязкость – способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом работы А к площади его поперечного сечения S в месте надреза до испытания: КС = А/S.

Рис. 2.4. Схема испытания на ударную вязкость: а) образец, б) маятниковый копер

Для испытания (ГОСТ 9454–78) изготавливают стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусков с надрезом. Форма надреза может быть округлой, V–образной и в виде трещины. Испытывают образцы на маятниковых копрах. Свободнопадающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затраченная на излом образца (рис. 2.4).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлических материалов, работающих при отрицательных температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас его вязкости, тем он надежнее.

Определение твердости

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты (резцы, сверла, фрезы и т. д.), а также поверхностно упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла, Виккерса и др. (рис. 2.5).

Способ Бринелля (ГОСТ 9012–59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой закаленный шарик (индентор). Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытуемого металла. Испытание выполняют на приборе ТШ (твердомер шариковый): столик прибора с установленным на нем образцом поднимают до соприкосновения с шариком. Груз опускается и вдавливает шарик в испытуемый образец. На поверхности образца образуется отпечаток. Чем больше диаметр отпечатка, тем металл мягче.

Рис. 2.5. Схемы определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки F к площади поверхности отпечатка шарика диаметром D:

НВ = , МПа. (2.22)

Диаметр отпечатка измеряют оптической лупой, значение твердости
определяют по таблице. Метод прост, достаточно точен и пригоден для

измерения твердости материалов до НВ 6500 (средний уровень твердости).

Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013–59). Способ назван по имени американского металлурга ХХ века С. П. Роквелла, разработавшего этот метод.

По способу Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора в виде конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стального закаленного шарика диаметром 1/16 дюйма, т. е. 1,588 мм (шкала В). Значение твердости отсчитывают по циферблату индикатора, установленного на приборе.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мкм:

, . (2.23)

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999–75) – от названия английского военно-промышленного концерна «ВИККЕРС» – в поверхность образца вдавливается алмазный индентор (наконечник), имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н в зависимости от твердости образца.

Числовое значение твердости определяют следующим образом: замеряют с помощью микроскопа длину обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и по среднему значению длины диагонали находят в таблице соответствующее значение твердости.

Для измерения твердости металлов в малых объемах (например, в зернах металла) применяют способ определения микротвердости, подобный способу Виккерса.

Таблица 2.1

Перевод величин твердости

d10, мм	По Бринеллю НВ, МПа	По Роквеллу	По Виккерсу НV, МПа
НRА	НRС	НRВ
2,34		84,5	65,0	–
2,50		81,0	59,0	–
2,60		79,0	56,0	–
2,68		78,0	53,0	–
2,78		76,0	50,0	–
2,88		74,5	47,5	–
2,98		73,0	44,0	–
3,10		71,0	41,0	–

Для соизмерения значений твердости, определенных различными способами, применяются переводные таблицы (пример: табл.2.1).

Для оценки механических свойств материалов и приблизительного значения предела прочности можно использовать значение твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля. Эмпирическое соотношение выглядит следующим образом:

σ_В ≈ 0,33НВ_мах ,

где σ_В – временное сопротивление, НВ_мах – максимальное значение твердости при нагрузке, с которой начинается плавное понижение твердости.

2.5. Упругая и пластическая деформации, наклеп
и рекристаллизация

Любая деформация может осуществляться в твердых телах путем относительного смещения атомов. В твердых телах различают упругую деформацию (исчезающую после устранения воздействия, вызвавшего ее) и пластическую (оставшуюся после удаления нагрузки).

Упругая деформация для твердых тел обычно мала и пропорциональна приложенному напряжению и величина смещения атомов из положения равновесия не превышает расстояния между соседними атомами. Смещение атомов из положения равновесия является реакцией на действие внешних сил на все твердое тело или его отдельную часть. В любых условиях нагружения действие внешних сил на тело уравновешивается противодействием межатомных, стремящихся вернуть атомы в положение минимума потенциальной энергии.

Однако увеличение потенциальной энергии тела за счет смещения атомов из положения равновесия не происходит безгранично. При достижении определенного предела потенциальной энергии атомы получают возможность смещаться на расстояния большие, чем межатомные расстояния ненагруженного твердого тела. В этом случае после снятия внешних усилий атомы не возвращаются в свои исходные положения равновесия, а занимают новые положения устойчивого равновесия. Сумма смещений атомов в новые положения равновесия создает пластическую деформацию или остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.

Под нагрузкой атомы всегда смещены из положений равновесия, так как действие внешних сил уравновешивается действием внутренних сил, вызванных смещением атомов из положений равновесия. Отсюда следует, что в условиях пластического деформирования общая (полная) деформация содержит как пластическую составляющую, так и упругую, исчезающую после снятия деформирующих сил.

Основным механизмом пластической деформации является движение дислокаций (dislocatio – смещение, перемещение). Осуществляется пластическая деформация скольжением и двойникованием (рис. 2.6).

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.

Рис. 2.6. Схема пластической деформации скольжением (а) и двойникованием (б).

Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.

Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций r. По мере увеличения плотности дислокаций r сопротивление пластическому деформированию уменьшается (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций

Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций r_кр. когда начинается взаимодействие силовых полей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.

Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформированию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислокаций до очень малого значения.

Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σ_В, σ_0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, КСU) – уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристаллической структуры, которые затрудняют движение дислокаций, и, следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обработка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.

Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плотности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к увеличению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.

Второй способ – создание металлов и сплавов с бездефектной структурой, – является более прогрессивным. В настоящее время получают кристаллы небольших размеров (длиной 2–10 мм и толщиной 0,5–2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.

а)

б)

в)

Рис. 2.8. Образование текстуры: а) в стружке, б) в соединительном крюке железнодорожного вагона, полученного ковкой из куска катаного круга из среднеуглеродистой стали;

в) в головке болта, полученной осадкой, в основной части, полученной вытяжкой, в гайках, из которых одна была выточена из пруткового проката, а другая – откована

При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в направлении деформации, образуется так называемая текстура (textura – ткань, связь, строение) – анизотропная поликристаллическая или аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориентировкой. Текстуры могут быть осевыми – с предпочтительной ориентировкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими – с ориентировкой относительно особой плоскости и полными – при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 2.8). Текстура создает анизотропию свойств.

Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения металла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве наклепанного металла в нем протекают следующие процессы:

· частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между собой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата);

· уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противоположных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свободных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации);

· зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристаллизации) (рис. 2.9а).

а)

б)

в)

Рис. 2.9. Рекристаллизация холоднодеформированной стали:
а) зарождение новых мелких недеформированных зерен; б) конец первичной
рекристаллизации; в) вторичная рекристаллизация

Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами (первичная рекристаллизация) (рис. 2.9б, 2.10), в результате чего полностью снимается наклеп, созданный при пластическом деформировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения (рис. 2.10). Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 10¹⁰–10¹² см^-2 до 10⁶–10⁸ см^-2.

При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повышением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным – процесс вторичной (собирательной) рекристаллизации) (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Изменение прочности, пластичности и зернистого строения
в процессе нагрева деформированного металла

Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного металла и восстановление его пластичности называют температурным порогом рекристаллизации Т_ПР.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллизации снижается с повышением степени деформации, увеличении длительности нагрева или уменьшении величины зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации Т_ПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4Т_ПЛ, для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)Т_ПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5–0,6)Т_ПЛ.