Основні характеристики, що визначаються при розтязі

Механічні характеристики, що можуть бути визначені при випробуваннях на розтяг можуть бути розділені на три основні групи: міцностні, пластичні та характеристики в’язкості.

Перехід від пружної до пластичної деформації матеріалу характеризується чотирма критичними рівнями напружень, а саме:

Þ межою пропорційності σ_пц,

Þ межою пружності σ_пр,

Þ верхньою σ_т^в та нижньою σ_т^н межами плинності.

Þ умовною межою плинності σ₀₂ (для матеріалів у яких відсутній “зуб" та "поличка" плинності)

Границя (межа) пропорційності – це максимальний рівень напружень, при якому виконується закон Гука. Його визначають як відхилення від лінійної залежності між навантаженням та загальною (пружною плюс пластичною) деформацією. Це відхилення вказується в позначці границі пропорційності: σ_{пц 50,} σ_{пц 25,} σ_{пц 10}.

Експериментальне визначення границі пропорційності σ_пц полягає в знаходженні точки Р_пц на діаграмі розтягу, де спостерігається відхилення від лінійної залежності.

= , (1.1)

де F₀ - початкова площа зразка. В багатьох випадках σ_пц визначають за допуском (50%, 25%, 10%) на величину зміни тангенса кута нахилу дотичної до початкової ділянки кривої деформації зразка.

Границя (межа) пружності – найбільше напруження, при якому закон Гука вже не виконується, але при знятті навантаження в зразку залишкової деформації майже немає (величина залишкової деформації, як правило – 0,005%).

Величину напруження σ_пр, яке відповідає границі пружності розраховують за формулою:

= , (1.2)

де Р_пр - навантаження, при якому спостерігається певна величина залишкової деформації ( 0,05%).

Зазвичай границі пропорційності та пружності дуже близькі одна до одної, іноді їх можна розглядати як одну точку.

Верхня σ_т^в та нижня σ_т^н границі плинності - характеризують рівні напружень, при яких спостерігається, "зуб" та "поличка" плинності. "Поличці" плинності відповідає деформація, яка характеризує рівень пластичної деформації в смузі Чернова-Людерса. Більшість ліній Чернова-Людерса нахилені під кутом 45 – 50⁰ до осі розтягування, тобто приблизно відповідають положенню площадок найбільших дотичних напружень. Для металів та сплавів, у яких ці особливості на діаграмах розтягу відсутні, границю плинності визначають як напруження, при якому величина деформації складає 0,2%.

Значення верхньої та нижньої границі плинності розраховують наступним чином:

= , (1.3)

 

= , (1.4)

де Р_т^в та Р_т^н - зусилля при досягненні "зуба" та "полички" плинності, відповідно.

В разі необхідності визначити умовну границю плинності використовують залежність:

= , (1.5)

де Р₀₂ - навантаження, якому на діаграмі розтягу відповідає величина залишкової деформації 0,2%.

 

Механічні властивості матеріалу при деформаціях поза границею плинності характеризуються:

Þ границею міцності σ_в,

Þ показником деформаційного зміцнення n,

Þ рівномірною деформацією е_р,

Þ істинним S_k та умовним σ_к напруженнями руйнування,

Þ відносним звуженням Ψ.

Границя міцності (тимчасовий опір руйнуванню) σ_в - рівень напружень, який відповідає точці Р_mах на діаграмі розтягу зразка. При цьому навантаженні починається утворення "шийки", тобто локалізація пластичної деформації в певному перерізі зразка. Якщо при розрахунках напруження враховувати зменшення площі поперечного перерізу зразка в процесі пластичної деформації, то на діаграмі „напруження-деформація" зникає максимум, який відповідає σ_в. Це означає, що границя міцності характеризує несівну здатність зразка з даного матеріалу, а не механічні властивості самого матеріалу.

Відповідно до визначення, σ_в розраховують як:

= , (1.6)

де Р_max - максимальне зусилля на діаграмі розтягу зразка.

Умовне напруження руйнування σ_к - визначається як відношення величини навантаження в момент руйнування до початкової площі поперечного перерізу зразка. В момент руйнування площа поперечного перерізу може в кілька разів бути меншою за початкову, тому не має певного фізичного змісту.

Умовне напруження руйнування розраховується за формулою:

= , (1.7)

де Р_к - зусилля в момент руйнування зразка.

Умовна деформація – визначається як відповідна величина видовження.

Відносне видовження на границі плинності δ_т, рівномірне видовження δ_р та величина відносного видовження зруйнованого зразка δ_к розраховуються за формулами:

= , (1.8)

= , (1.9)

= , (1.10)

де U_т, U_р, U_к - абсолютні значення відповідних видовжень (рис.5), l₀ - довжина робочої частини зразка (рис.7).

Залежності (1.1) - (1.10) дозволяють побудувати умовну діаграму деформації (див.рис.6).

Рівномірна деформація е_р - визначає граничну величину пластичної деформації, при якій починається локалізація пластичної деформації в "шийці", тобто відбувається перехід від рівномірної до нерівномірної деформації зразка. Вона розраховується за формулою:

= , (1.11)

Істинне напруження в цій точці S_в модна розрахувати таким чином:

= *, (1.12)

Істинне напруження руйнування S_k - середнє значення напружень в “шийці", при яких порушується цілісність зразка. Розраховується за формулою:

= , (1.13)

де F_к - площа зразка в місці зламу.

Відносне звуження Ψ_k - міра пластичної деформації матеріалу в "шийці" в момент руйнування. Його розраховують за формулою:

= , (1.14)

де - діаметр зразка в місці зламу. За рівнем пластичності металеві матеріали можна розділити на три групи: малопластичні (Ψ<0,3), середньопластичні (0,3<Ψ<0,6) та високопластичні (Ψ>0,6).

Для побудови істинної діаграми деформації (див.рис. 6) необхідно також розрахувати величину деформації в “шийці" зразка е_к за формулою:

= , (1.15)

Показник деформаційного зміцнення n - характеризує інтенсивність деформаційного зміцнення матеріалу на ділянці від е_т до е_р, тобто при рівномірній деформації зразка. Розраховується за формулою:

, (1.16)

де е_т = δ_т (при відсутності "зуба" та "полички" плинності - е_т =0,002). Проте, при наявності явища деформаційного зміцнення у всіх металевих матеріалів, вони суттєво відрізняються між собою за рівнем схильності до реалізації цього процесу. За величиною деформаційного зміцнення всі матеріали ділять на мало-, середньо- та високоміцні. Схильність до деформаційного зміцнення можна визначити за формою деформаційної кривої на ділянці рівномірної пластичної деформації. Чим більша різниця між рівнями σ_т та σ_в, тим більше матеріал схильний до деформаційного зміцнення.

 

При випробуваннях на розтяг можна визначити і значення пружних модулів досліджуваного матеріалу. Найпростіше розрахувати значення модуля Юнга Е та коефіцієнт Пуасона μ.

Модуль Юнга, який є коефіцієнтом пропорційності між напруженням і деформацією в умовах пружної одновісної деформації розраховується за формулою:

(1.17).

В свою чергу, значення коефіцієнта Пуассона, який характеризує деформацію в двох перпендикулярних напрямках, можна знайти за формулою:

(1.18),

де Δd – зміна діаметру зразка в процесі випробувань на ділянці пружної деформації. Для багатьох металів μ ~ 0,25 ÷0,3. Взагалі, коефіцієнт Пуассона змінюється в інтервалі від 0 до 0,5. Нульове значення мають матеріали, поперечний переріз яких не змінюється при розтязі (наприклад, пробка), а значення 0,5 мають дуже пластичні матеріали (наприклад, гума).

 

При визначенні похибок величин механічних характеристик, необхідно користуватися теорією похибок непрямих вимірів, відповідно до якої, відносна похибка δ_U величини U, яка є функцією (х, y, …) визначається наступним чином:

= , (1.19)

де Δх і Δу - абсолютні похибки, які визначаються шляхом безпосередніх вимірів величин х та у .Величина абсолютної похибки ΔU:

, (1.20)

, (1.21)

Відповідно, залежності для розрахунку похибок основних механічних характеристик σ_т^в, σ_в, S_k, е_р, Ψ_к матимуть вигляд:

, (1.22)

, (1.23)

, (1.24)

, (1.25)

При визначенні похибки для Ψ_к зручніше спочатку розрахувати абсолютну похибку ΔΨ_к, а потім відносну - δ_Ψ :

= , (1.26)

= (1.27)

Хід роботи:

1. Ознайомитись з пультом керування розривної машини.

2. Виміряти довжину робочої частини (базу) та діаметр зразка, визначити абсолютну та відносні похибки цих вимірів.

3. Встановити зразок в захвати розривної машини та провести випробування, записати діаграму розтягу зразка.

4. Виміряти за допомогою інструментального мікроскопа діаметр зразка в місті зламу та оцінити похибку цих вимірів.

5. Розрахувати істинні та умовні напруження і деформації та інші необхідні характеристики.

6. Побудувати істинну та умовну діаграми деформації (на одному графіку).

7. Розрахувати похибки визначення основних механічних характеристик σ_т^в, σ_в, S_k, е_р, Ψ_к .

8. Зробити висновки щодо рівня міцності, пластичності та здатності до деформаційного зміцнення досліджуваного матеріалу.