Главная

Лабораторная работа

Тема: Изучение диаграммы растяжения. Определение механических характеристик малоуглеродистой стали.

Видеоролик по лабораторной работе №1

Цель работы:

1.Получить диаграмму растяжения;

2.Определить характеристики прочности материала;

3.Определить характеристики пластичности материала.

I. НЕОБХОДИМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

1. Разрывная машина с силоизмерительным устройством Р-10;

2. Штангенциркуль;

3. Образцы (сталь).

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

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.

Механические характеристики материалов зависят от многих факторов: вида нагружения, времени воздействия нагрузки, скорости нагружения, температуры, радиации и др. Наиболее простыми являются испытания материалов при комнатной температуре t=20⁰C и статическом нагружении, когда мин^-1.

Механические характеристики делятся на три группы:

- характеристики прочности;

- характеристики пластичности;

- характеристики вязкости.

Характеристиками прочности измеряют силовую реакцию твёрдых тел на воздействие внешних нагрузок. Эта реакция непостоянна в процессе нагружения и в ней явно прослеживаются несколько характерных зон (см. диаграмму нагружения). К характеристикам прочности относятся: предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, разрушающее напряжение. Дадим определение этих понятий в порядке возрастания значений их величин.

Предел пропорциональности – это наибольший уровень условного напряжения, при котором не наблюдается существенного нарушения закона Гука (каково удлинение, такова сила). Это напряжение определяют по формуле

где - нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности; - первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Предел упругости – это наибольший уровень условного напряжения, при котором материал проявляет упругие свойства, заключающиеся в том, что образец практически полностью восстанавливает свои первоначальные размеры после снятия внешней нагрузки. Его определяют по формуле

где - нагрузка, соответствующая пределу упругости.

Предел текучести – это наименьший уровень условного напряжения, при котором наблюдается значительный рост деформаций образца при постоянной (или слегка уменьшающейся) нагрузке. Этот предел определяют по формуле

где - нагрузка, соответствующая пределу текучести.

Если в поведении материала не прослеживается площадка текучести (см. диаграмму нагружения) и стрелка силоизмерителя не останавливается на некоторый промежуток времени, то определяют условный предел текучести, соответствующий относительной деформации образца или 0,2 %:

Предел прочности, чаще называемый временным сопротивлением, – это условное напряжение, соответствующее наибольшему уровню нагрузки, воспринимаемому образцом. Находят эту величину по формуле

где - наибольшая нагрузка на образец.

Разрушающее напряжение – это напряжение, при котором происходит разрыв образца. Этот предел не имеет особого практического значения и используется только при изучении процесса образования трещин. Разрушающие напряжения делятся на условные и истинные:

- условное;

- истинное,

где - разрушающая нагрузка; - площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Так как первоначальная площадь приблизительно в два раза превышает площадь разрыва , а разрушающая нагрузка составляет приблизительно 80% от наибольшей нагрузки , то

Характеристиками пластичности измеряют деформативную реакцию твёрдых тел, т.е. их способность изменять свои размеры под воздействием нагрузок. Пластичность материала характеризуют две величины:

- относительное остаточное удлинение образца (в процентах)

- относительное остаточное сужение поперечного сечения (в процентах)

В этих формулах - длина расчётной части и площадь сечения до нагружения; - то же после разрыва образца.

Характеристикой вязкости измеряют способность твёрдых тел сопротивляться импульсному и ударному воздействию нагрузок. Количественным показателем этой характеристики является удельная работа внешних сил, затрачиваемая на деформирование и разрушение единицы объёма материала:

где W – работа, совершаемая машиной на растяжение образца вплоть до его разрыва; - объём расчётной части образца.

Для испытания на растяжение используются специально изготовленные образцы, которые вытачиваются из прутка или вырезаются из листа. Основной особенностью этих образцов является наличие длинной, сравнительно тонкой рабочей части и усиленных мест (головок) по концам для захвата.

Проводятся испытания цилиндрического образца, форма и размеры которого приведены на рис. 1.

Рис.1. Цилиндрический образец:

- расчетная длина образца, - рабочая длина образца, - длина конусообразной части образца,

- длина головки образца, L - полная длина образца, - диаметр сечения расчетной и рабочей длины,

- диаметр основания конуса (у головки), - диаметр головки образца.

Для замера деформаций на расчетной части образца отмечают отрезок, называемый расчетной длиной. Чаще всего применяются цилиндрические образцы, у которых расчетная длина равна десяти диаметрам (длинные образцы) и образцы с расчетной длиной равной пяти диаметрам (короткие образцы). Чтобы результаты испытаний образцов прямоугольного и круглого сечений были сопоставимы, в случае прямоугольного сечения в качестве характеристики, определяющей расчетную длину, принимается диаметр равновеликого круга.

На рис. 2 показан эскиз пропорционального цилиндрического образца до нагружения и после его разрыва.

Для получения сравнимых результатов испытаний образцы с цилиндрической или прямоугольной формой поперечного сечения рабочей части изготавливаются по ГОСТ 1497-84.

Рис. 2. Образец для испытания на растяжение: а – до нагружения; б – после разрыва

ДИАГРАММой РАСТЯЖЕНИЯ называется график, показывающий функциональную зависимость между нагрузкой и деформацией при статическом растяжении образца до его разрыва. Эта диаграмма вычерчивается автоматически на разрывной машине специальным приспособлением. В нашей лаборатории для этой цели используется разрывная машина Р-10.

На рис. 3 показан примерный вид параметрической диаграммы растяжения малоуглеродистой стали в координатах: абсолютное удлинение − нагрузка F(t). В качестве параметра здесь выступает время нагружения, которое для простоты обычно не показывают.

Рис. 3. Диаграмма растяжения образца

Так как испытание проводят на гидравлической машине, в которой деформация является первичной (), а нагрузка вторичной (), то осью абсцисс (аргументом) является абсолютное удлинение , а осью ординат (функцией) – нагрузка F, т.е. фактически мы имеем зависимость , интерпретированную Гуком, проводившим опыты в упруго-пропорциональной зоне нагружения: «каково удлинение, такова сила». Однако в современной трактовке, с учётом того что в реальных условиях эксплуатации машин и сооружений первичной является нагрузка, функциональную зависимость обращают, полагая, что , и обсуждают, как изменяется деформация образца в зависимости от нагрузки (какова сила, таково удлинение).

На диаграмме растяжения OABCDEG показаны 7 характерных точек, соответствующих определённому уровню нагрузки и ограничивающих 6 различных зон деформирования:

OA – зона пропорциональности (линейной упругости);

AB – зона нелинейной упругости;

BC – зона упругопластических деформаций;

CD – зона текучести (пластических деформаций);

DE – зона упрочнения;

EG – зона закритических деформаций.

На участке OA смещение атомов монокристаллов пропорционально приложенной нагрузке. Дефекты кристаллической решётки практически не проявляются.

На участке OB материал ведёт себя упруго. Поведение кристаллической решётки на участке AB характеризуется небольшой нелинейностью. Нужно заметить, что на участке пропорциональности OA материал ведёт себя одновременно и как абсолютно упругий (т. B всегда выше т. A).

На участке BC наблюдается нарастающая нелинейность в деформировании кристаллической решётки. Для выхода новых дислокаций (нарушений строения кристаллов) на поверхность монокристаллов требуется всё меньшее приращение внешней нагрузки .

На участке CD, называемом площадкой текучести, происходит лавинообразный выход дислокаций на поверхность, что приводит к значительному удлинению образца при почти постоянном уровне нагрузки, когда

На участке DE после выхода на поверхность большей части дефектов кристаллической решётки материал самоупрочняется, и образец всё ещё способен воспринимать некоторое приращение нагрузки. Однако расстояние между атомами постепенно достигает критического значения (приблизительно в два раза больше первоначального), за которым происходит «разрыв» внутренних связей. При подходе к т. E деформации начинают локализоваться в области наиболее слабого сечения, где зарождается шейка образца.

На участке EG заканчивается формирование шейки. Происходит лавинообразное разрушение связей, когда процесс деформирования уже необратим и временное равновесие между внутренними силами и внешней нагрузкой возможно только при уменьшении последней. В т. G происходит разрыв образца. Его размеры восстанавливаются на величину упругой деформации, которая на 2 – 3 порядка меньше остаточных пластических деформаций. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

На рис. 4 показана принципиальная схема универсальной гидравлической машины Р-10. На ней можно проводить испытания образцов при растяжении, сжатии и изгибе. Максимальное усилие, развиваемое машиной, составляет 10 тс или 100 кН.

Испытательная разрывная машина Р-10 состоит из нескольких механизмов: двигательного, передаточного, исполнительного, регистрирующего, управляющего. Каждый из механизмов скомпонован из нескольких узлов, в которые входят подвижные и неподвижные детали, называемые звеньями. Рассмотрим кратко состав механизмов и их функциональное предназначение.

I. Двигательный механизм. Он состоит из основного электродвигателя 1, предназначенного для работы масляного насоса 2, и вспомогательного электродвигателя, приводящего в движение червячно-винтовой механизм 7.

II. Передаточный механизм. Сюда входит система трубопроводов 3, соединяющих масляный насос 2 с цилиндром 10, в котором перемещается плунжер 12, передающий давление на поперечину 13, связанную с верхним захватом 8а.

III. Исполнительный механизм. Он состоит из верхнего 8а и нижнего 8б захватов, позволяющих приложить к образцу 9 растягивающее усилие. Для замыкания силовой цепи нижний захват 8б соединён червячно-винтовым механизмом 7 со станиной 6, связанной колоннами 5 с верхней траверсой 11, в которую жёстко вмонтирован рабочий цилиндр 10.

Рис. 4. Принципиальная схема разрывной машины Р-10:

1 – электродвигатель; 2 – масляный насос; 3 – трубопровод; 4 – регулятор давления;

5 – колонны; 6 – станина; 7 – червячно-винтовой механизм;

8а – верхний захват; 8б – нижний захват; 9 – образец; 10 – рабочий цилиндр;

11 – верхняя траверса; 12 – плунжер; 13 – поперечина; 14 – вторичный рычаг; 15 – зубчатая рейка;

16 – шкала; 17 – стрелка; 18 – первичный рычаг; 19 – трос; 20 – переключатель; 21 – перо;

22 – барабан; 23 – передача; 24 – плунжер силоизмерительного устройства; 25 – торсион

IV. Регистрирующий механизм. Он предназначен для визуального снятия приложенного в данный момент времени усилия на образец и фиксирования всего процесса нагружения. Силоизмерительное устройство состоит из трёх цилиндров с плунжерами 24, передающих давление на рычаги 18, 14, жёстко соединённые с торсионом 25. Рычаг 14 двигает зубчатую рейку 15, которая вращает стрелку 17 по шкале 16. Процесс нагружения образца непрерывно фиксируется с помощью диаграммного аппарата, состоящего из барабана 22 с закреплённой бумагой и пера 21. Угловая скорость вращения барабана и, следовательно, перемещение пера по окружности пропорциональны удлинению образца. Перемещение пера вдоль образующей барабана пропорционально развиваемому усилию.

V. Управляющий механизм. Сюда входит электрическая схема (на рис. 1 не показана) с кнопками включения основного и вспомогательного двигателей, штурвал управления регулятором давления масла 4 в гидравлической системе и переключатель шкалы 16 силоизмерительного устройства.

III. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Испытание образца на растяжение проводят в следующем порядке:

- измеряют штангенциркулем диаметр образца в 3 – 5 местах по длине и записывают его наименьшее значение в протокол испытания;

- намечают на поверхности образца начало и конец расчётной длины и записывают её значение в протокол испытания;

- устанавливают образец в захваты испытательной машины Р-10, создают незначительное натяжение путём опускания нижнего захвата и настраивают силоизмерительное устройство на нулевую нагрузку;

- закрепляют бумагу на барабан диаграммного устройства и опускают на неё перо;

- включают основной электродвигатель и регулируют первоначальную скорость нагружения приблизительно 20 кгс/с, наблюдая за движением стрелки;

- фиксируют показание стрелки силоизмерителя во время её остановки и записывают в протокол испытания значение нагрузки , соответствующей пределу текучести;

- фиксируют наибольшее отклонение стрелки и записывают в протокол испытания значение нагрузки , соответствующей пределу прочности;

- фиксируют показание стрелки в момент разрыва образца и записывают в протокол испытания значение нагрузки , соответствующей разрушающему напряжению;

- вынимают части образца из захватов машины и, плотно приложив их друг к другу, измеряют наименьший диаметр шейки образца и расчётную длину и записывают их значения в протокол испытания;

- снимают бумагу с диаграммного аппарата и проводят координатные оси и F;

- измеряют ординаты диаграммы и , соответствующие нагрузкам и ;

- вычисляют приблизительное значение нагрузки , соответствующей пределу пропорциональности:

- находят приблизительное значение нагрузки , соответствующей пределу упругости:

- вычисляют площади сечения до испытания и после разрыва:

- вычисляют все характеристики прочности:

предел пропорциональности

предел упругости

предел текучести

предел прочности

разрушающее напряжение условное ;

разрушающее напряжение истинное

- определяют характеристики пластичности:

относительное остаточное удлинение

относительное остаточное сужение

- находят полную работу деформации, численно равную площади диаграммы растяжения:

- вычисляют характеристику вязкости:

удельная работа деформации

- устанавливают марку стали, используя справочные данные (таблица 1) и, в соответствии с этим решить, в каких конструкциях материал может найти применение. При выборе марки принимают ту строку, которая наиболее точно подходит по трём характеристикам: пределу текучести, пределу прочности и относительному удлинению (относительному сужению).

Таблица 1

Материал	Временное сопротивление (предел прочности) , МПа	Предел текучести , МПа	Относительное удлинение , %	Предел выносливости, МПа
Углеродистые стали обыкновенного качества
Ст 2кп	330...420	200…220	30…33	120…160	170…220	80…130
Ст2пс(сп)	340…440	210…230	29…32
Ст 3кп	370…470	220…240	24…27	120…160	170…220	100…130
Ст 3пс(сп)	380…490	230…250	23…26
Ст 4кп	410…520	240…260	22…25	-	190…250	-
Ст 4пс(сп)	420…540	250…270	21…24
Ст 5пс(сп)	500…640	270…290	17…20	170…220	220…300	130…180
Ст 6пс(сп)	600	300…320	12…15	190…250	250…340	150…200
Углеродистые качественные стали (нормализованные)
10	340…420	210	31	120…150	160…220	80…120
20	420…500	250	25	120…160	170…220	100…130
30	500…600	300	21	170…210	200…270	110…140
40	580…700	340	19	180…240	230…320	140…190
45	610…750	360	16	190…250	250…340	150…200
50	640…800	380	14	200…260	270…350	160…210
60	690…900	410	12	220…280	310…380	180…220
Легированные стали
20Х	720…850	400…650	12	-	310…380	170…230
40Х	730…1050	650…900	15,5	240…340	320…480	210…260
45Х	850…1060	700…950	9	-	400…500	-
40ХН	1000…1450	800…1300	-	310…420	460…600	-
30ХГСА	1100…1700	850…1500	7	-	480…700	280…400
60Г	710	420	11	250…320	-	-

- делают вывод в форме, соответствующей поставленной цели лабораторной работы.

Форма отчета по лабораторной работе

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

РАСТЯЖЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА

С ПОСТРОЕНИЕМ ДИАГРАММЫ

Машина: Разрывная Р-10

Диаметр образца, мм		Расчётная длина, мм

Эскизы образцов (до и после испытания)

Таблица значений, снятых с диаграммы, построенной самописцем в осях F,

№	Координаты точки на диаграмме	Марка стали
1	Сила в кН, соответствующая пределу пропорциональности
2	Сила в кН, соответствующая пределу текучести
3	Сила в кН, соответствующая пределу прочности
4	Сила в кН, соответствующая разрыву образца

Обработка результатов эксперимента

Площади сечения до испытания и после разрыва:

Таблица вычисления координат точек диаграммы растяжения в осях σ, ξ

№	Координаты точки на диаграмме	Марка стали
1	Предел пропорциональности в МПа
2	Предел текучести в МПа
3	Предел прочности в МПа
4	Разрушающее напряжение условное в МПа
5	Разрушающее напряжение истинное в МПа
7	Относительное остаточное удлинение
8	Относительное остаточное сужение
9	Полная работа деформации
10	Удельная работа деформации

Диаграммы в осях F,

F
0

Диаграммы в осях

0

После определения характеристик испытываемого материала по таблицам ГОСТа устанавливают марку стали, из которой изготовлен образец (см. табл. 1) и, в соответствии с этим решить, в каких конструкциях материал может найти применение.

Анализ результатов, выводы

Подпись студента_________________________

Подпись преподавателя____________________

Вопросы для подготовки к защите работы

- Какова цель лабораторной работы?

- Что изучает наука о сопротивлении материалов?

- Какие глобальные методы использует наука о сопротивлении материалов?

- Какие задачи решают теоретическими методами исследования?

- Какие задачи решают экспериментальными методами исследования?

- Что представляет собой криссталическое строение металлов?

- Какие силы не влияют на прочность материалов?

- Когда возникают внутренние силы упругости?

- Какой физический характер имеют внутренние силы упругости?

- Чему равно среднее расстояние между узлами криссталической решетки?

- По какому признаку материалы условно делятся на пластичные и хрупкие?

- Какие известны простые случаи нагружения?

- Что обозначает понятие "напряжение"?

- Как математически определяют напряжение?

- В каких единицах измеряют напряжение?

- На какие компоненты раскладывают полное напряжение в точке?

- Что обозначает понятие "перемещение"?

- На какие виды подразделяют перемещения?

- Что обозначает понятие "деформация"?

- На какие виды подразделяют деформации?

- Дать определение абсолютной и относительной продольных деформаций. Указать из размерность.

- Как математически определяют линейные деформации?

- Как математически определяют угловые деформации?

- На какие принципиальные типы подразделяют испытательные машины?

- Какой режим работы обеспечивает рычажная машина?

- Какой режим работы обеспечивает гидравлическая машина?

- Какие испытательные машины дают более адекватные результаты?

- Почему используют в основном гидравлические машины?

- На какой машине проводятся испытания? Опишите её конструкцию.

- Из каких основных механизмов состоит разрывная машина Р-10?

- Как работают силоизмерительное и записывающее устройство?

- Какую скорость нагружения обеспечивают при статическом испытании?

- Какие по форме поперечного сечения образцы предусматривает ГОСТ?

- Какое соотношение между диаметром и длиной рабочей зоны образца предусматривает ГОСТ?

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

- Почему диаграмму растяжения следует называть параметрической?

- Почему за ось абсцисс при построении диаграммы растяжения принимают абсолютное удлинение?

- С какой целью обращают функциональную зависимость нагрузки от удлинения?

- Какой вид имеет диаграмма растяжения малоуглеродистой стали?

- Сколько характерных зон деформирования имеет диаграмма растяжения?

- Как называют зоны деформирования диаграммы растяжения?

- Как проходит процесс деформирования на различных участках диаграммы?

- Показать для произвольной точки диаграммы условных напряжений полную, упругую и остаточную деформации.

- Почему диаграмма растяжения, полученная на машине, имеет начальный криволинейный участок O₁A?

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

- Как определяется начало координат машинной диаграммы ?

- Как вычисляются масштабы машинной диаграммы растяжения и диаграммы условных напряжений?

- Как вычисляются условные и истинные напряжения, соответствующие разрыву образца?

- Каково приблизительное очертание диаграммы истинных напряжений?

- Почему в инженерной практике используется диаграмма условных, а не истинных напряжений?

- Чему равен тангенс угла наклона первоначального прямолинейного участка (от начала испытания до предела пропорциональности) диаграммы условных напряжений к оси абсцисс?

- От каких факторов зависят механические характеристики материалов?

- На какие группы делят механические характеристики?

- Какую реакцию твёрдых тел измеряют механическими характеристиками прочности?

- Что относят к характеристикам прочности?

- Как отличают истинное разрушающее напряжение от условного?

- Для какого участка диаграммы справедлив закон Гука?

- Что называется пределом пропорциональности?

- Что называется пределом упругости?

- Что называется пределом текучести?

- Что называется площадкой текучести и при испытании каких материалов она бывает на диаграмме растяжения?

- Покажите на диаграмме растяжения зону упругости и объясните ее суть.

- Что называется пределом прочности?

- Как определить параметры, характеризующие пластичность материала?

- Что подразумевается под истинным напряжением?

- Объясните, почему образец разрушается при нагрузке меньшей, чем максимальная.

- Из каких частей состоит полная деформация и чему она равна?

- 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?

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

- Как используют в технике явление наклёпа? Приведите примеры.

- Когда появляется шейка на образце?

- Какой точке диаграммы растяжения соответствует момент зарождения шейки образца?

- Чем характеризуется удельная работа разрыва и как её определяют?

- На основании каких данных испытаний определяют марку стали?

- Какую способность твёрдых тел измеряют характеристикой вязкости?

- Что является количественным показателем вязкости материала?

- Какими размерами характеризуют пропорциональный образец?

- На какую величину восстанавливаются размеры образца после его разрыва?

---

email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

Теоретическая механика Строительная механика

Прикладная механика Детали машин Теория машин и механизмов

00:00:00