Испытание материалов на растяжение

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы: получение навыков проведения механических испытаний образца на растяжение; изучение поведения пластичных и хрупких материалов при растяжении до разрушения. Задачи: построение диаграммы растяжения и диаграммы условных напряжений; определение основных характеристик: предела пропорциональности, предела текучести (условного предела текучести), предела прочности, удельной работы деформации образца, относительного удлинения и относительного сужения; определение марки материала по результатам исследований. Условия проведения испытаний.

Выбор материалов для изготовления деталей машин, механизмов, приборов, строительных конструкций, инструментов, бытовой техники и пр. определяется совокупностью их механических свойств – конструктивной прочностью. Для определения конструктивной прочности используют два вида оценки: прочностные свойства, определяемые независимо от особенностей изготавливаемых из них изделий и условий их службы; свойства материалов, непосредственно связанные с условием службы изделия и определяющие их долго-вечность и надежность. Одним из методов оценки прочностных свойств, относящихся к первой группе, является испытание материалов на растяжение.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Решение задач по математике

Для испытаний применяют пропорциональные цилиндрические (рис. 1.1, а) или плоские (рис. 1.1, б) образцы. Наиболее распространены цилиндрические образцы, у которых расчетная дли-на в пять раз превышает диаметр (т.н. короткие пятикратные образцы). Для короткого образца между начальной расчетной длиной и площадью поперечного сечения существует зависимость .

Для фиксирования начальной длины на образце (еще до проведения испытаний) с помощью керна намечают метки (на рис. 1.1 они изображены в виде точек). 6 Испытания на растяжение производят на специальных испытательных машинах (рис. 1.2) по методике, указанной в ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом их крепления в захватах испытательных машин.

Испытание материалов на растяжение

Диаграмма растяжения и ее анализ Суть испытаний заключается в следующем. Образец (рис. 1.1) закрепляют в захватах испытательной машины (рис. 1.2) и растягивают до разрыва, измеряя нагрузку (кгс или Н) и удлинение образца (мм). Графическое представление полученной кривой в координатах называется диаграммой растяже-ния. Типичный вид диаграммы растяжения малоуглеродистой стали изображен на рис. 1.3.

Испытание материалов на растяжение

Рис. 1.3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали На диаграмме выделяют несколько характерных участков и точек. Прямолинейный участок OC указывает на пропорциональность между нагрузкой P и удлинением образца ?l . Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название – закон Гука. Если образец нагрузить в пределах упрP , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не об-наружится.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Соединения кремния степень окисления —4
Нормальный элемент Вестона
Некоторые свойства функций. Периодические функции

Такой характер деформирования образца называется упругим. 8 Участок CB соответствует равномерной (т.е. по всему объёму материала) пластической деформации, а участок правее точки B – сосредоточенной пластической деформации. При нагружении образца силой превышающей упрP появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое де-формирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования.

Упрочнение металла при деформировании называется наклёпом. Выше точки С линия диаграммы растяжения значительно отклоняется от первоначальной прямой линии (деформация начинает расти более интенсивно) и при нагрузке TP (точка Д ) на графике может наблюдаться горизонтальный участок (более наглядно показан на рис. 1.4, линия 2). В этой стадии испытания в материале образца пластические деформации распространяются по всему его объёму. Образец получает значительное остаточное удлинение, практически без увеличения нагрузки.

Испытание материалов на растяжение

Рис. 1.4. Характерные виды диаграмм растяжения: 1 – сталь легированная; 2 – сталь Ст 3; 3 – чугун; 4 – латунь 1 2 3 4 Площадка текучести 9 Свойство материала деформироваться при практически по-стоянной нагрузке называется текучестью, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести. Во время испытаний на площадке текучести может наблюдаться внезапное падение нагрузки, что объясняется особенностями размножения и перемещения дислокаций в поликристаллических материалах.

Материалы, для которых присутствует область текучести, называются вязкими (или пластичными), для которых она практически отсутствует – хрупкими. Характерные диаграммы растяжения для некоторых конструкционных материалов приведены на рис. 1.4. При дальнейшем увеличении нагрузки (выше точки Д , рис. 1.3), претерпев состояние текучести, материал снова приоб-ретает способность сопротивляться растяжению, при этом пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп, все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца (наблюдается т.н. равномерная пластическая деформация).

После достижения максимального значения нагрузки maxP в наиболее слабом месте (обычно в средней части образца) появляется мест-ное сужение – шейка (рис. 1.5 и рис. 1.6, а), в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование (т.е. имеет место сосредоточенная пластическая деформация). В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с раз-витием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение метал-ла, нагрузка уменьшается от max P до кP (рис. 1.3) и при нагрузке кP происходит разрушение образца (рис. 1.6).

При этом упругая деформация образца упрl? исчезает, а пластическая (остаточная) остl сохраняется (рис. 1.3). Пунктирная наклонная линия на рис. 3 проводится параллельно прямой OC . Таким образом, полная деформация (удлинение) образца полнl складывается из остаточной (пластической) деформации ост l и упругой деформации . В местах разрыва некоторых пластичных материалов (например, алюминия), на одной из частей разрыва может 10 наблюдаться чашка, а на другой конус (рис. 1.7, а). При разрыве хрупких материалов шейка не образуется (рис. 1.6, б и 1.7, б).

Испытание материалов на растяжение

Диаграмма условных напряжений. Механические ха-рактеристики материала Ординаты диаграммы растяжений в координатах не являются качественными характеристиками материала, посколь-ку растягивающая образец сила P зависит от площади сечения, а удлинение образца – от его длины.

Чтобы исключить влияние размеров образца и получить диаграмму не образца, а самого ма-териала и дать количественную оценку механическим свойствам, диаграмму растяжений, полученную в ходе испытаний (т.н. ма-шинную диаграмму) перестраивают в координатах путём деления абсцисс – на первоначальную фиксированную длину об-разца 0l (мм), а ординат P (Н) на первоначальную площадь сече-ния образца 0A (мм2), т.е.: 0 (1.2) Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений или диаграммой деформаций.

С помощью неё можно определить прочностные характеристики материала, к которым относятся: 1) Предел пропорциональности ПЦ? – наибольшее напря-жение, после которого нарушается справедливость закона Гука , где E – модуль продольной упругости. При этом угол наклона к оси абсцисс прямолинейной части диаграммы. Предел пропорциональности (МПа) определяется по форму-ле: – максимальное усилие на диаграмме растяжения (Н), после которого линейная зависимость исчезает.

12 Обычно при практических расчётах для невязких (хрупких) материалов отклонение от закона Гука не учитывают, т.е. криво-линейную часть диаграммы заменяют условной, прямолинейной.

При аналитическом способе определения величины с допус-ком 50% необходимо установить значение напряжения, при котором уменьшается на 50% по сравнению с тангенсом угла наклона максимального значения на линейном (упругом) участке. Для этого следует рассчитать тангенс угла наклона линии графи-ка к оси абсцисс на i -ом участке диаграммы: ?? , (1.4) и проследить за его изменением. Для проверки правильности найденного значения усилия , и соответствующего предела пропорциональности можно воспользоваться графическим способом.

Пусть точка K (рис. 1.8) соответствует значению ПЦ P , найденного аналитическим способом. Через точку K параллель-ную оси абсцисс проводят прямую АK , и откладывают на ней отрезок KD , в два раза меньший отрезка . Тан-генс угла наклона прямой OD к оси ординат будет, очевидно, на 50% больше тангенса угла наклона прямолинейного участка диа-граммы растяжения. Поэтому касательная к диаграмме NK , про-веденная параллельно D, должна иметь точку качания, совпа-дающую с точкой K .

Если визуальное расхождение является су-щественным, то результаты аналитического способа определения значений необходимо пересмотреть. 2) Предел текучести Т– напряжение, при котором проис-ходит рост деформации без заметного увеличения растягиваю-щей нагрузки. Если на диаграмме условных напряжений присут-ствует явно выраженная площадка текучести (рис. 1.4, линия 2), то предел текучести определяется по формуле: (1.5) 13 Рис. 1.8. Графический способ определения условного предела пропорциональности.

Если на площадке текучести наблюдается внезапное паде-ние нагрузки, то выделяют, соответственно, верхний BТ. и ниж-ний HТ пределы текучести. Для материалов без чётко выраженного предела текучести (рис. 1.4, линии 1, 3, 4), определяют условный предел текучести 2,0 , который соответствует остаточной деформации, равной 0,2%. В этом случае поступают следующим образом. Сначала определяют величину остаточной деформации в виде отрезка: – начальная длина образца до проведения испытаний на растяжение (рис. 1.1).

Затем по оси абсцисс, вправо от начала координат, отмеря-ют отрезок равный величине 1OO (рис. 1.9). Через начало коор-динат O и точку К , соответствующую ординате предела пропор-циональности (рис. 1.8), проводят прямую OK . И, наконец, через 14 точку 1O проводят прямую FO1 , параллельную прямой OK , где точка F лежит на линии графика диаграммы растяжения. Орди-ната точки F будет соответствовать величине силы 2,0P , по зна-чению которой и определяют условный предел текучести: . (1.7) Рис. 1.9.

Графический способ определения условного предела текучести 3) Предел прочности (временное сопротивление) B? – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке ВP (рис. 1.4), предшествующей разрыву образца: . (1.8) Предел прочности на диаграмме соответствует точке, в ко-торой касательная параллельна оси абсцисс. 15 Кроме перечисленных выше характеристик прочности ( , при испытании на растяжение определяют также относительное удлинение после разрыва и относительное сужение после разрыва .

Относительное удлинение: , первоначальная расчетная длина образца конечная расчетная длина образца. Разность в данном случае можно принять равной ве-личине остаточной деформации: . 5) Относительное сужение: , – начальная площадь поперечного сечения образца; КA – площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва Механические характеристики являются характери-стиками пластичности материала: чем они больше, тем материал пластичнее.

Для большинства сталей, . С помощью диаграммы также может быть определена удельная работа деформации при растяжении образца или статическая вязкость (Дж/мм3)1, вычисляемая по формуле:работа, затраченная на разрушение образца – начальный объём расчетной части образца (мм3). Начальный объём определяется по формуле: соответственно площадь поперечного сечения и начальная длина образца (см. рис 1.1).

Работа, затраченная на пластическую

деформацию пропорциональна площади диаграммы растяжения – площадь диаграммы, см2. Определяется непосредствен-но из построенной диаграммы число полных квадратов (размер одного квадрата 1 см ?1 см) – на рисунке выделены серым цветом, число неполных квадратов – на рисунке белым цветом;

n – масштаб усилий (Н/см), численно равный величине усилия , соответствующего 1 см дли-ны по оси ординат; m – масштаб удлинений (мм/см), численно равный величине удлинения (мм), соответствующего 1 см длины по оси абсцисс. Линия ME проводится параллельно отрезку OK , который соответствует упругой деформации (см. также рис. 1.3). Как было указано ранее, отрезок ост ?l соответствует величине остаточной (пластической) деформации.

Удельная работа пластической деформации при испытании образца до разрушения, наряду с характеристиками пластично-сти, используется в качестве показателя, определяющего в какой-то мере вероятность хрупкого разрушения, а также для оценки обрабатываемости материала. Показатель статической вязкости имеет большое значение, например, для определения геометрических параметров пружин. 17 Рис. 1.10. К нахождению работы, затраченной на растяжение

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Варианты заданий см. табл. 1.1 и 1.2 (Приложение 8, Задание №1). Исходные данные и результаты расчета внести в специальную форму (см. далее «Отчёт по работе»). 1. Карандашом выполнить эскиз образца для проведения испытания на растяжение (рис. 1.1, а), указав необходимые геометрические размеры (мм), согласно варианта задания. 2.

Заполнить таблицу испытаний , согласно исходным данным. 3. Определить приращения величин , а также по формуле, начиная со второго значения испытаний. 18 4. На миллиметровой бумаге, выбрав масштаб, в координатах построить диаграмму растяжения. На осях ко-ординат поставить числовые значения. 5. Путём деления абсцисс на первоначальную фиксированную длину образца 0 l , а ординат P на первоначальную площадь сечения образца , , преобразовать координатные оси ? , т.е. преобразовать диаграмму растяжения в диаграмму условных напряжений (вторую линию графика строить не требуется – графики совпадут).

На осях координат поставить числовые значения (безразмерная величина) и . Таким образом, график будет иметь двойные оси. 6. Анализируя изменение величины определить вели-чину нагрузки и значение предела пропорциональности по формуле. 7. Путём графических построений проверить правильность определения величины . При необходимости внести корректировки. 8. По диаграмме деформации, в зависимости от её вида, определить предел текучести или условный предел текучести , используя формулы ). 9.

Определить значение предела прочности В по формуле . 10. Изобразить на диаграмме деформации обозначения и числовые значения прочностных свойств. 11. Используя исходные данные, по формулам определить, соответственно, величины относительного удлинения и относительного сужение . 2 Миллиметровую бумагу можно распечатать на принтере, используя специальную программу, имеющуюся в сети Интернет в свободном доступе, например на сайтах: или с использованием программы Graph Paper Printer v.5.4.0.2. 19 12.

Определить площадь под кривой на диаграмме де-формации и рассчитать удельную работу деформации при растяжении, используя формулы . 13. Используя справочные данные «Механические свойства сталей» (Приложение 7.1), и полученные значения прочностных характеристик и характеристик пластичности определить марку исходного материала, для которого табличные и рассчитанные величины совпадают в боль-шей степени. Вопросы для самопроверки:

1. Какие виды оценки применяются при определении конструктивной прочности? 2. Какие виды образцов применяют при проведении испытаний на растяжение? 3. Каким образом на практике фиксируется начальная длина образца? 4. В чём заключается суть испытаний на растяжение? Какое оборудование для этого необходимо? 5. Какие характерные участки можно выделить на диаграмме растяжений? 6. Что такое диаграмма условных напряжений?

С какой целью она строится? 7. Какие материалы называю вязкими, а какие хрупкими? 8. Чем диаграммы растяжений для вязких (пластичных) материалов отличаются диаграмм растяжений для хрупких материалов? 9. Дайте понятия остаточной деформации. Что такое наклеп? 10. Какие механические свойства характеризуют прочность материала? 11. Как по диаграмме деформаций определить прочностные характеристики для пластичных материалов?

12. Каким образом можно определить предел текучести материала, не имеющего на диаграмме напряжений характерной площадки текуче-сти? 13. Дайте понятие нижнему и верхнему пределу текучести. Вследствие чего происходит явление снижения нагрузки? 14. Какие характеристики пластичности вы знаете? Как определить их значения? 15. Как на практике можно определить удельную работу деформации (статическую вязкость)? На что затрачивается работа?