Испытание металлов на растяжение

Что такое «испытание металлов на растяжение«? Проведем простой опыт. Возьмем маленькую пружинку, например, такую, какие применяют в шариковых ручках. Плавно растянем ее немного и отпустим. Пружинка вернется к своей первоначальной длине. Повторим опыт, но на этот раз потянем пружинку посильнее. Сначала пружинка будет равномерно удлиняться с увеличением усилия, а затем вдруг начнет удлиняться значительно быстрее. Отпускаем пружинку — она уже не возвращается к исходной длине. Пружинка получила необратимое увеличение своей длины и уже не годится для прежнего применения.

Испытание на растяжение

Давным-давно инженеры разработали аналогичное испытание – испытание на растяжение – для оценки механических свойств металлов. Образец металла, часто круглый стержень (бывает и прямоугольный), растягивают на специальной машине. Требования к проведению испытания на растяжение для металлов, а также требования к образцам для испытания на растяжение определяет ГОСТ 1497-84. ГОСТ 7564-97 задает правила вырезки образцов для испытаний на растяжение из готовой продукции или полуфабрикатов.

Разрывная машина

Для испытаний металлов на растяжение применяют специальные машины. Такие машины называют «разрывная машина» или «машина для испытания на растяжение». Эти машины обеспечивают надежное центрирование образца в своих захватах, плавность нагружения образца при растяжении и его разгрузки, медленную скорость упругого и пластического деформирования образца. Нагрузка  прилагается вдоль оси стержня, как это схематически показано на рисунке. Требования к разрывным машинам определяет ГОСТ 7855-84.

diagramma-rastyazheniyaРисунок — Диаграмма деформирования при испытании металлов на растяжение

При испытании на растяжение с увеличением усилия растяжения стержень становиться все длиннее и это изменение длины обозначают как Δl, где знак Δ обозначает «изменение, приращение», а l – начальную длину образца. Понятно, что сила F величиной 50 кГ, приложенное к каждому из двух различных  стержней – тонкому и толстому — из одинакового материала даст им различное увеличение длины. Тонкий стержень растянется, естественно, больше.

Напряжения

Чтобы сравнивать механические свойства материалов независимо от диаметра образцов применяют понятие «напряжение», который означает попросту величину усилия, поделенную на площадь поперечного сечения образца. Когда к тонкому и толстому стержню прилагаются одни и те же напряжения, они оба удлиняются на одну и ту же величину. Понятно, что при этом усилие, прилагаемое к толстому стержню, будет больше чем усилие, прилагаемое к тонкому стержню – больше как раз во столько же раз, во сколько площадь его поперечного сечения больше площади поперечного сечения тонкого стрежня. Поскольку напряжение – это усилий на единицу площади, то единицей его измерения является Н/мм2 или кГ/мм2 (кгс/мм2), где Н – это ньютон, единица измерения силы в системе измерения СИ. Десять ньютонов равны одному килограмму (точнее 1 Н = 9,8 кГ(кгс)).

Диаграмма деформирования при испытании на растяжение

Когда при испытании на растяжение стержень растягивают вдоль его оси, то прилагаемые усилия называют «растягивающие усилия», а машину, которая  вызывает эти усилия – «разрывная машина» или «машина для испытания на растяжение». На рисунке показана типичная диаграмма деформирования, которую получают при испытании металлов на растяжение. Прилагаемое напряжение откладывается по вертикальной оси. Изменение длины образца откладывается по горизонтальной оси, но не в единицах длины, в относительных единицах  Δl/l, как это показано на рисунке 1. Эта единица называется «деформация». Диаграмму деформирования при испытании на растяжение чаще называют  «диаграмма растяжения».

Диаграмма растяжения

С помощью диаграммы растяжения ГОСТ 1497-84 задает определения механическим свойствам металлов: предел пропорциональности, предел текучести (физический и условный), временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение. Ниже кратко рассмотрим самые важные из них.

Упругий участок диаграммы растяжения

Диаграмму растяжения можно разделить на две области, как это показано на рисунке 1 – упругая область и пластическая область. Когда напряжение в металлическом стержне увеличивается, стержень удлиняется, также как и пружинка. Говорят, что в стержне возникают деформации.  До тех пор, пока эти напряжения и деформации не слишком велики, снятие нагрузки на стержень возвращает его к первоначальной длине. Эти деформации называют упругими.

Предел текучести

В конце упругого участка диаграммы растяжения напряжения в стержне достигают некоторого критического уровня, который называют «предел текучести», металл «сдается», точно также как и пружинка, описанная выше. Деформирование образца переходит в пластическую область диаграммы деформирования.

Временное сопротивление

При испытании металлов на растяжение на пластическом участке диаграммы растяжения – после прохождения предела текучести наблюдаются два важных явления:
1) для продолжения деформации образца для заданного приращения  деформации требуется меньшее увеличение напряжения, чем в упругой области;
2) при разгрузке образца — снятии напряжений — в образце остается остаточное, необратимое удлинение стержня как показано линией со стрелкой АВ.  Стержень нагружается до точки А, а затем нагрузка снимается: стержень удлинился от своей первоначальной длины на величину процентов, которые вычисляется как В×100.  Как показано на рисунке увеличение напряжения, которое требуется для продолжения пластической деформации достигает максимума в пластической области и затем немого падает перед тем как напряжения разрывают стержень на две части. Это максимальное напряжение обычно называют «временное сопротивление» или чаще – «прочность при растяжении».

Относительное удлинение

Кроме предела текучести и временного сопротивления диаграмма деформирования дает еще одну меру механических свойств металла – «относительное удлинение». Относительное удлинение характеризует пластические свойства металла. Относительное удлинение – это увеличение длины образца, которое происходит после прохождение предела текучести и до самого разрушения стержня. Его иногда называют остаточным удлинением, так оно остается в образце после его разрушения и его можно легко измерить. Остаточное удлинение образца на рисунке после того, как упругие деформации релаксировали, обозначено точкой С. Простым умножением деформации в точке С на 100 получаем величину относительного удлинения образца.

Сталь Ст3 по ГОСТ 380-2005