Художественная культура и искусство Курс лекций по истории искусства Теория машин и механизмов Математический анализ Электротехника и электроника Расчеты электрических цепей Начертательная геометрия Примеры выполнения заданий
контрольной работы
Лекции и задачи по физике Компьютерная  безопасность Информационные системы Получение электрической энергии Атомная физика
Испытание на сжатие Испытание на кручение Испытание материалов на выносливость Расчет на жесткость Расчет на прочность Понятие о напряжениях Объёмные деформации

Испытание материалов и определение их физико-механических характеристик

Определение основных механических характеристик стали на растяжение

Ц е л ь р а б о т ы: изучение процесса деформирования при растяжении образца из малоуглеродистой стали, определение основных механических характеристик прочности, пластичности и марки стали.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь р а б о т ы. При определении качества конструкционных материалов, выпускаемых промышленностью, одним из основных видов испытаний являются испытания на растяжение. Результаты испытаний позволяют судить о прочности материалов при статических нагрузках, выбирать материал для проектируемой конструкции. Они являются основными при расчетах на прочность деталей машин и элементов конструкций.

Определение коэффициента запаса прочности.

Д и а г р а м м а р а с т я ж е н и я м а л о у г л е р о д и с т о й с т а л и. На специальных испытательных машинах получают автоматически диаграмму растяжения стандартного образца в координатах: нагрузка - удлинение . На этой диаграмме можно выделить характерные участки (рис. 2.1.). Небольшой криволинейный начальный участок  является результатом обжатия головок образца в захватах и устранения зазоров в узлах машины. Его исключают, апроксимируя участок  до пересечения с осью абсцисс, и получают начало координат - . Участок  называют зоной упругости. Здесь материал подчиняется закону Гука и удлинение прямо пропорционально нагрузке до некоторой силы   (точка ). После снятия нагрузки деформация  исчезает. Деформацию, которая полностью исчезает, после снятия нагрузки называют упругой деформацией. При увеличении нагрузки до  (участок ) начинается отклонение от прямой и после разгрузки появляются остаточные деформации (фиксируют при появлении остаточных деформаций  = 0,001-0,005%).

Участок  называют зоной общей текучести, а горизонтальную его часть – площадкой текучести. Здесь без заметного увеличения нагрузки  происходит существенное удлинение образца. Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточными (пластическими) деформациями, не исчезающими после разгрузки образца.


Участок   называют зоной упрочнения, т.к. материал вновь способен сопротивляться растяжению с повышением нагрузки до  (точка ). Затем на участке  на образце появляется местное сужение – шейка. Участок  называют зоной местной текучести, т.к. здесь удлинение образца происходит за счет деформации в зоне шейки вплоть до момента разрыва в точке  при нагрузке . Упругая деформация  при этом исчезнет и образец получит полную остаточную деформацию после разрыва .

Рис. 2.1. Диаграмма растяжения Рис. 2.2. Диаграмма растяжения

 малоуглеродистой стали высокоуглеродистой стали

О с н о в н ы е м е х а н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и м а т е р и а л а. Диаграмма, показанная на рис. 2.1., характеризует свойства не материала, а образца, т.к. при испытании нескольких образцов из одного и того же материала, но различных размеров, получают различные подобные по форме диаграммы. Для получения данных о свойствах материала эти диаграммы затем перестраивают в координатах , поделив соответственно, нагрузки  на площадь поперечного сечения образца до нагружения , а удлинение   на длину его расчетной части до нагружения . В итоге все машинные диаграммы   для различных образцов «лягут» одна на другую при их построении в одинаковом масштабе в координатах . Такая зависимость получила название - условная диаграмма растяжения материала. По этой диаграмме определяют следующие механические характеристики материала:

а) характеристики прочности:

предел пропорциональности – это максимальное напряжение до которого материал подчиняется закону Гука :

  (2.1)

предел упругости (условный) – это напряжение, при котором в материале возникают остаточные деформации не более e = 0,05%:

  (2.2)

предел текучести (физический) – это напряжение, при котором происходит рост пластической деформации без заметного увеличения нагрузки

 . (2.3)

У высокоуглеродистых сталей, цветных металлов, пластмасс и ряда других материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае, например, для высокоуглеродистой стали (рис. 2.2) определяют  условный предел текучести при нагрузке , соответствующей остаточному удлинению образца :

  (2.4)

предел прочности (временное сопротивление) – это отношение максимальной силы, которую может выдержать образец, к его начальной  площади

 . (2.5)

Кроме того, можно получить истинное сопротивление разрыву

 . (2.6)

где - площадь поперечного сечения образца в зоне разрыва шейки;

б) характеристики пластичности:

относительное остаточное удлинение после разрыва

   (2.7)

относительное остаточное сужение после разрыва

    (2.8)

Удельная работа – характеризует способность материала поглощать энергию при разрыве, вязкость материала и сопротивляемость его воздействию динамических нагрузок:

  (2.9)

где   - работа, затраченная на разрыв образца и равная площади диаграммы , вычисляется с учетом масштабов нагрузки и удлинения по приближенной формуле: 

 

  - объём расчетной части образца до испытания.

Из всех выше перечисленных характеристик в инженерной практике используются основные характеристики:  т.к. их определение не вызывает технических затруднений.

Влияние повторных нагрузок на механические свойства материалов. Наклеп. Если разгрузить образец после достижения в нем напряжений выше предела текучести , например, в точке  диаграммы, то перо самописца прочертит линию , параллельную линии . При этом упругая деформация  исчезнет, а останется пластическая (остаточная) - .

При повторном нагружении перо самописца прочертит линию, практически совпадающую с линией разгрузки, т.е. получат диаграмму . Из её рассмотрения видно, что площадка текучести исчезла, а предел пропорциональности материала вырос до уровня напряжений, при которых была произведена разгрузка образца. Часть диаграммы, расположенная левее линии , окажется отсеченной, т.е. начало координат фактически переместится в точку . Остаточное удлинение после разрыва будет меньше, чем в образце, не подвергавшемся предварительной пластической деформации, т.е. .

Явление повышения предела пропорциональности после пластической деформации материала при повторном нагружении называется наклепом*. При этом понижаются пластические свойства материала.

О п и с а н и е и с п ы т а т е л ь н о й м а ш и н ы и о б р а з ц о в. Работа выполняется, например, на универсальной гидравлической испытательной машине марки МУП-50, развивающей максимальное усилие 50 т. Машина предназначена для испытаний образцов материалов и элементов конструкций статическими и динамическими нагрузками. Частота динамического нагружения может изменяться от 315 до 930 циклов в минуту, допускаемая погрешность показаний при

статических нагрузках ±1% от измеряемой нагрузки, начиная с 4% от предельной нагрузки машины.

Машина (рис. 2.3) состоит из основания 1, на котором установлена на двух колоннах 2 траверса цилиндра 3. В траверсе 3 установлена гидравлическая пара – рабочий цилиндр 4 и поршень 5. На подушку поршня через шар 6 и конус 7 опирается подвижная рама, которая состоит из подвижной поперечны 8 и стола 10 с верхним захватом 24, соединенных двумя тягами 9. Электромеханический привод 26 нижнего захвата 25 служит только для регулировки последнего по высоте при настройке машины на испытание, т.е. при установке образца в захваты машины 24 и 25. Маслопровод 11 предназначен для слива утечки масла из верхней части рабочего цилиндра 4 в бак 28 насосной установки. Маслопровод 21 соединяет рабочий цилиндр 4 с цилиндром 17 маятникового силоизмерителя 20. Маслопровод 12 соединяет рабочий цилиндр 4 с насосом 27. Машина снабжена самопишущим диаграммным аппаратом 22, для записи диаграммы в координатах: нагрузка – перемещение. Привод барабана диаграммного аппарата осуществляется канатиком 23 от подвижной рамы (стола 10). Под воздействием давления масла плунжер 18 силоизмерителя сместится и через тягу 19 вызовет пропорциональное усилию отклонение маятника 20 и связанной с ним посредством зубчатой рейки 16 и зубчатого колеса 15 стрелки 13. Одновременно пером 14, закрепленным на рейке 16, усилие будет записано на диаграмме.

Образцы для испытаний. Для определения механических характеристик материалов используют стандартные цилиндрические и плоские образцы согласно ГОСТ 1497-73 (рис. 2.4): а) длинный (деся-

 * - студенту предлагается самостоятельно подобрать примеры полезного и вредного действия наклепа.


Рис. 2.3. Схема гидравлической испытательной машины МУП-50

тикратный) образец, у которого расчетная длина  или

; б) короткий (пятикратный) образец, у которого  или .

Расчетной длиной  образца называется длина его цилиндрической части, в пределах которой производится измерение остаточного удлинения после разрыва. Конические переходы обеспечивают уменьшение концентрации напряжений и исключают вероятность


Рис. 2.4. Эскиз цилиндрического длинного образца

разрушения образца у головок. Поверхность образца тщательно обрабатывают.

Для определения продольных деформаций на рабочей части образца наносят риски через 5 или 10 мм с помощью специальной делительной машины. Аналогичную форму имеют и плоские образцы.

М е т о д и к а п р о в е д е н и я о п ы т а и о б р а б о т к а р е з у л ь т а т о в: 1. Для испытания предлагаются круглые или плоские образцы, изготовленные из малоуглеродистой стали. Затем для цилиндрических образцов измеряют штангенциркулем с ценой деления 0,1 мм в трех сечениях по длине диаметр , а для плоских – ширину  и высоту  поперечного сечения. По наименьшему из полученных размеров определяют . Замеряют расчетную длину образцов также с точностью 0,1 мм и заносят все данные в журнал наблюдений.

2. Вставляют образец в захваты 24 и 25 машины. Слегка натянув образец, проверяют диаграммный аппарат и наносят ось абсцисс диаграммы, проворачивая барабан 22 вручную.

Включают машину и начинают нагружение. В точке  диаграммы сбрасывают нагрузку практически до нуля, а затем снова повышают её (демонстрация наклепа) и доводят образец до разрушения. При этом скорость нагружения не должна превышать 0,1 длины образца в минуту, иначе будут получены завышенные значения механических характеристик.

3. Вынимают разрушенный образец из захватов машины, замеряют диаметр его в месте разрыва  и длину после разрыва , сложив обе его части. Если при испытании образец разрушится около одной из его головок, то длину его после разрыва  определяют по схеме, приведенной на рис. 2.5. Длина отрезков   и  выбирается


 Рис. 2.5. Схема приведения места разрыва образца

так, чтобы сумма  охватила необходимое число размеченных отрезков (для длинного образца – 10).

5.Зная масштаб полученной диаграммы, определяют значения  и вычисляют характеристики прочности  и  по формулам (2.3) и (2.5), а истинное значение сопротивление разрыву  - по формуле (2.6).

6.Определяют характеристики пластичности и  по формулам (2.7) и (2.8).

7.Вычисляют удельную работу , затраченную на разрыв образца, по формуле (2.9).

  8.На основании справочных данных (см. Приложения – Таблица П.1) определяется марка стали для образцов по полученным ,  и . Остальные показатели характеризуют, но не определяют марку материала.

Обработка результатов опыта производится согласно требованиям раздела 4.

Содержание отчёта

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Испытательная машина (тип, марка).

4. Эскизы образцов (до и после испытания).

5. Исходные данные:

5.1. Диаметр образца до испытания .

5.2. Площадь поперечного сечения до испытания .

5.3. Диаметр образца после испытания в месте шейки .

5.4. Площадь поперечного сечения в месте шейки.

5.5. Расчётная длина образца до испытания .

5.6. Длина образца после испытания .

6. Копия машинной диаграммы растяжения образца. Масштаб нагрузок. Масштаб удлинения.

7. Результаты испытания:

7.1. Нагрузка, соответствующая пределу текучести .

7.2. Нагрузка, соответствующая пределу прочности.

7.3. Нагрузка в момент разрыва образца .

8. Основные механические характеристики прочности:

8.1. Предел текучести .

8.2. Предел прочности .

8.3. Истинное напряжение разрыва .

9. Основные механические характеристики пластичности после разрыва.

9.1. Относительное остаточное удлинение .

9.2. Относительное остаточное сужение .

10. Прочие механические характеристики.

10.1. Работа сил растяжения .

10.2. Удельная работа деформации а.

11. Анализ результатов. Выводы.

Вопросы для самоконтроля

Какова цель лабораторной работы?

Для чего нужна диаграмма растяжения материала, и в каких координатах она строится?

На какой машине проводятся испытания? Опишите её конструкцию.

Как работают силоизмерительное и записывающее устройство?

Какие образцы применяют при испытании на растяжение? Назовите их основные характеристики.

Почему диаграмма растяжения, полученная на машине, имеет начальный криволинейный участок ?

Что характеризует диаграмма растяжения, построенная в координатах : свойства образца данных размеров или свойства ма-

 териала?

Как определяется начало координат машинной диаграммы ?

Какие зоны имеет диаграмма растяжения? Опишите их.

 Для какого участка диаграммы справедлив закон Гука?

Что понимают под пределом пропорциональности, пределом упругости, пределом текучести и пределом прочности?

Для каких материалов определяют условный предел текучести? Какова методика его расчета?

 Какие деформации называют упругими и какие остаточными (пластическими)? Как их определить на диаграмме растяжения?

  Чем отличаются друг от друга диаграммы растяжения при пластичном и хрупком разрушении материалов?

 Какие характеристики прочности материалов Вам известны?

 Какие характеристики пластичности материалов Вам известны?

 Что называют наклёпом? Как изменяются механические свойства материала после наклёпа?

 Как используют в технике явление наклёпа? Приведите примеры.

 Когда появляется шейка на образце?

 Чем характеризуется удельная работа разрыва и как её определяют?

 На основании каких данных испытаний определяют марку стали?

Для пластичных материалов (сталь, алюминий, медь и др.) испытания на сжатие являются дополнением к испытаниям на растяжение. Хрупкие материалы (чугун, цемент, бетон и др.) на сжатие работают значительно лучше, чем на растяжение, и обычно применяются в сжатых элементах конструкций. Поэтому хрупкие материалы испытывают, главным образом, на сжатие. Результаты испытаний на сжатие зависят от условий проведения опыта. Практически очень трудно добиться приложения сжимающей силы точно по оси образца.
Содержание и задачи курса сопротивление материалов