Исследование характера упрочнения металла по индикаторной диаграмме растяжения

Цель испытания материалов состоит в том, чтобы оценить качество материала, определить его механические и эксплуатационные характеристики и выявить причины потери прочности.

Механические испытания обычно проводят для выяснения поведения материала в определенном напряженном состоянии. Такие испытания дают важную информацию о прочности и пластичности металла. В дополнение к стандартным видам испытаний может применяться специально разработанное оборудование, воспроизводящее те или иные специфические условия эксплуатации изделия. Механические испытания могут проводиться в условиях либо постепенного приложения напряжений (статической нагрузки), либо ударного нагружения (динамической нагрузки).

По характеру действия напряжения разделяются на растягивающие, сжимающие и сдвиговые. Скручивающие моменты вызывают особый вид сдвиговых напряжений, а изгибающие моменты – сочетание растягивающих и сжимающих напряжений (обычно при наличии сдвиговых). Все эти различные виды напряжений могут быть созданы в образце с помощью стандартного оборудования, позволяющего определять предельно допустимые и разрушающие напряжения.

Испытания на растяжение – один из самых распространенных видов механических испытаний. Тщательно подготовленный образец помещают в захваты мощной машины, которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. По этим данным может быть построена диаграмма напряжение – деформация. При малых напряжениях заданное увеличение напряжения вызывает лишь небольшое увеличение деформации, соответствующее упругому поведению металла. Наклон линии напряжение – деформация служит мерой модуля упругости, пока не будет достигнут предел упругости. Выше предела упругости начинается пластическое течение металла; удлинение быстро увеличивается до разрушения материала. Предел прочности при растяжении – это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в ходе испытания.

Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания «индентора» (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость – очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии. Такой контроль качества невозможно осуществить другими описанными выше методами механических испытаний.

В испытаниях на излом образец с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или разуглероживания и другие элементы гросс-структуры в сталях.

 

             1.2 Виды диаграмм растяжения и их качественные характеристики

Для испытаний на растяжение применяют разрывные машины, позволяющие в процессе испытания определять усилия и соответствующие им деформации образца. По этим данным строят первичную диаграмму растяжения, в которой по оси ординат откладывают усилия, по оси абсцисс — соответствующие им удлинения. Диаграмма растяжения может быть получена и автоматически при помощи специальных диаграммных аппаратов. Характер диаграммы растяжения зависит от свойств испытуемого материала. Типичный вид такой диаграммы для малоуглеродистой стали изображен на рисунке 3.

Рассмотрим характерные участки и точки этой диаграммы, а также соответствующие им стадии деформирования образца.

От начала нагружения до определенного значения растягивающей силы имеет место прямая пропорциональная зависимость между удлинением образца и силой. Эта зависимость на диаграмме выражается прямой ОА. На этой стадии растяжения справедлив закон Гука.

 

 

Рисунок 2-Пример диаграммы растяжения

 

Сила, при которой нарушается закон пропорциональности на диаграмме обозначена точкой А. Пределом пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука.

Вспомним, что деформация называется упругой, если она полностью исчезает после разгрузки. Допустим, что, постепенно повышая нагрузку будем при каждом ее значении производить полную разгрузку образца. Пока сила  не достигнет определенной величины, вызванные ею деформации будут полностыо исчезать при разгрузке. Процесс разгружения при этом будет изображаться той же линией, что и нагружение.

 

Обозначим через  наибольшее значение силы, при котором образец при разгрузке еще не дает остаточной деформации. Этому значению на диаграмме соответствует точка В, а упругой стадии растяжения образца — участок диаграммы ОВ.

После точки А при дальнейшем растяжении образца кривая растяжения становится криволинейной и плавно поднимается до точки С, где происходит переход к горизонтальному участку CD, называемому площадкой текучести. На этой стадии растяжения удлинение образца растет  при  постоянном значении  растягивающей силы, обозначаемой через . Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточным (пластическим) удлинением, не исчезающим после разгрузки. Начало пластической деформации соответствует наступлению некоторого критического состояния металла, которое может быть обнаружено не только по остаточным деформациям, но и по ряду других признаков. При пластической деформации повышается температура образца; у стали изменяются электропроводность и магнитные свойства; на полированной поверхности образцов, особенно плоских, заметно потускнение, являющееся результатом появления густой сетки линий, носящих название линий Чернова (линий Людерса). Последние наклонены к оси образца приблизительно под углом 450 и представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие сдвигов в тех плоскостях кристаллов, где действуют наибольшие касательные напряжения. В результате сдвигов по наклонным плоскостям образец получает остаточные деформации.

После достижения усилия  при дальнейшем растяжении образца деформация происходит, главным образом, на небольшой длине образца. Это ведет к образованию местного сужения в виде шейки (рисунок 4) и к падению силы несмотря на то, что напряжение в сечении шейки непрерывно растет. Падение растягивающей силы  наблюдается лишь при испытании образца в разрывной машине, ограничивающей скорость нарастания деформации. При нагружении путем подвешивания грузов разрушение произойдет при постоянной нагрузке, но со все возрастающей скоростью деформации.

 

 

 

Рисунок 3-Образование местного сужения (шейки)

 

Для металлов, не имеющих площадки текучести, предел текучести определяют условно как напряжение, при котором остаточная деформация составляет величину, установленную ГОСТом или техническими условиями. По ГОСТ 1497—61 величина остаточной деформации составляет 0,2% от измеряемой длины образца. Условные пределы текучести отмечают нижним индексом в соответствии с заданной величиной деформации.

Учитывая, что практически трудно установить начало отклонения от закона пропорциональности и начало появления первых остаточных деформаций, вводят также понятия условных предела пропорциональности и предела упругости.

Условным пределом пропорциональности называют наименьшее напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между напряжением и деформацией достигает некоторой величины, устанавливаемой техническими условиями (например, 0,002% от измеряемой длины образца), условным пределом упругости называют наименьшее напряжение, при котором остаточная деформация достигает заданной величины (обычно 0,001%—0,05% от измеряемой длины образца).

 

1.3 Основные параметры диаграмм

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкции при их минимальной массе.

Прочность – способность металла сопротивляться деформациям и разрушению. Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно нарастающей нагрузке. При испытании, как правило, записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие деформации с очень большой точностью определяют тензометрами.

 

 

 

Рисунок 4 - Диаграмма растяжения для двух металлов с разной пластичностью.

 

Чтобы исключить влияние размеров образцов, испытания на растяжение проводят на стандартных с определенным соотношением между расчетной длиной l0 и площадью поперечного сечения F0. Наиболее широко применяют образцы круглого сечения: длинные с l0/d0 = 10 или короткие с l0/d0 = 5 (где d0- исходный диаметр образца).

На рисунке 3 приведена диаграмма растяжения низкоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки a эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению σ = P/F0, где  P – приложенная нагрузка; F0- начальная площадь поперечного сечения образца.

Нагрузке в точке а, определяющей конец прямолинейного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности.

Теоретический предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением и деформацией:

σПЦ=PПЦ/F       (1.1)

Так как при определении положения точки а на диаграмме могут быть погрешности, обычно пользуются условным пределам пропорциональности, под которым понимают напряжение, вызывающее определенное отклонение от линейной зависимости, например tgα изменяется на 50% от своего первоначального значения.

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

σ= Eε,     (1.2)

где ε = (∆l/l0)×100 % - относительная деформация; ∆l - абсолютное удлинение, мм; l0- начальная длина образца, мм.

Коэффициент пропорциональности E, характеризующий упругие свойства материала, называется модулем нормальной упругости. При заданном напряжении с увеличением модуля уменьшается значение упругой деформации, т. е. возрастает жесткость конструкции. Поэтому значение модуля E также называют модулем жесткости. Значение модуля зависит от природы сплава и меняется незначительно при изменении его состава, структуры, термической обработки.

Теоретический предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

σуп = Pуп/F0    (1.3)

Если действующее напряжение в детали меньше σуп, то материал будет работать в области упругих деформаций. Из–за трудности определения σуп практически пользуются условным пределом упругости, под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005 – 0,05 % от начальной расчетной длины образца. В обозначении условного предела упругости указывают значение остаточной деформации, (например σ0,005).

Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по значениям. Для некоторых материалов, например, меди, предел упругости больше предела пропорциональности.

Предел текучести – физический и условный – характеризует сопротивление материала небольшим физическим деформациям.

Физический предел текучести - напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:

σт= Pт/F0    (1.4)

На диаграмме растяжения пределу текучести соответствует горизонтальный участок c – d, когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) – «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяют условный предел текучести – напряжение вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.2,б):

σ0,2= P0,2/F0   (1.5)

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объёму образца. В точке В, где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» - сужения поперечного сечения; деформация сосредотачивается на одном участке – из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент испытания называют временным сопротивлением.

Временное сопротивление разрыву – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

σв= Pв/F0    (1.6)

По своей физической сущности σв характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластической деформации. За точкой в (см. рис.1.2,а) вследствие развития шейки нагрузка уменьшается, в точке k при нагрузке Pк  происходит разрушение образца.

Истинное сопротивление разрушению – максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца S к = Pк /Fк , где  F – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Несмотря на то что нагрузка Pк < Pв вследствие образования шейки Fк < F0 и поэтому Sк значительно больше, чем σв.

Пластичность – способность тела (металла) к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Характеристиками пластичности являются относительное удлинение и относительное сужение.

Относительное удлинение:

δ = [(lк - l0)/l0]×100 = (∆lост/l0)×100%,   (1.7)