Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБразованию



СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)



КАФЕДРА СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

И СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ

С Б О Р Н И К

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ :

«СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ»

Владикавказ – 2006

Составители: Хосаев Х.С., Басиев К.Д.

Редактор Николайченкова Н.Е.

Компьютерная верстка Гугкаева Р.А.

 Издательство "Терек" СКГМИ(ГТУ), 2005

Сдано и подписано в печать 14.12.05 Формат 60 х 84 ¹/₁₆.

Тираж 100 экз. Объем 2,5 усл. п. л. Заказ №___________

Подразделение оперативной полиграфии СКГМИ

Владикавказ, ул. Николаева, 44

Лабораторная работа 1 Испытание мягкой стали на растяжение

Цель работы. Определение основных механических характеристик малоуглеродистой стали путем снятия диаграммы растяжения стандартного образца; ориентировочная оценка марки испытуемой стали.

Постановка задачи. Испытание на растяжение проводят при статическом нагружении образца, т. е. нагрузку к испытываемому образцу прикладывают плавно, без толчков и ударов, с постепенным нарастанием по времени. Испытанию на растяжение подвергают образцы в форме стержней круглого или прямоугольного сечения (рис. 1).

Рис. 1. Стандартная форма образцов: а – круглого сечения,

б – прямоугольного сечения .

Некоторые результаты испытаний в значительной мере зависят от формы образца, главным образом от отношения его длины к площади поперечного сечения . Поэтому в образцах с прямоугольным поперечным сечением расчетная длина образца такова, чтобы сохранилось соотношение , что соответствует для круглого сечения образца соотношению .

Образцы изготавливаются так, чтобы их длина между головками несколько превышала расчётную длину .

Утолщения у головки служат для закрепления образца в захватах машины. После закрепления образца в захватах медленное перемещение одного захвата по направлению оси стержня вызывает его растяжение.

При этом отмечают ряд последовательных величин нагрузки и замеряют соответствующие им длины

.

Результаты измерений наглядно изображают на диаграмме растяжения, которая на современных испытательных машинах вычерчивается автоматически в заранее заданном масштабе. По вертикальной оси откладывают в определённом масштабе растягивающие нагрузки , а по горизонтальной – абсолютное удлинение . В зависимости от материала образца диаграммы растяжения имеет различный вид (рис. 2).

Рис. 2. Диаграммы растяжения для одинаковых по размерам образцов из стали: а – литой, в - никелевой, г – марганцовистой и бронза (б).

При испытании образцов из малоуглеродистой стали диаграмма растяжения имеет вид, показанный на рис. 3.

Первая часть диаграммы до точки A, соответствующая пределу пропорциональности образца , прямая линия. Так как до начала деформации образца происходит выбор захватами, то на диаграмме машина вычерчивает криволинейное начало.

Рис. 4.

Рис. 3. Диаграмма растяжения образца малоуглеродистой стали.

Чтобы исключить влияние предварительного обжима и ликвидировать зазоры в начале следует продолжить отрезок диаграммы до оси абсцисс, в пересечении с которой получим точку О. Прямая ОА соответствует нагрузке , поделив которую на площадь сечения образца, получим предел пропорциональности материала, т. е. то предельное напряжение, выше которого нарушается справедливость закона Гука: .

Для малоуглеродистой стали величина 200 МПа. При дальнейшем увеличении растягивающей силы за величину диаграмма имеет криволинейный характер, причём от точки , именуемой «критической», деформации растут без дальнейшего возрастания растягивающей силы – материал «течёт», т. е. напряжение, при котором материал «течет», называется пределом текучести и обозначается . В случае, если явно выраженная площадка текучести на диаграмме отсутствует, то рекомендуется определять величину условного предела текучести как напряжение, соответствующее остаточному удлинению , . Откладывая величину по оси абсцисс диаграммы, проводят наклонную линию ВС параллельно ОА (рис. 4) до пересечения с кривой растяжения. Точка пересечения, определяющая высоту ординаты, будет равна величине напряжения

.

Во время течения материала на поверхности образца появляются в более или менее резкой степени так называемые линии Чернова-Лидерса, которые называют взаимными перемещениями частиц материала при наступлении значительных деформаций образца . За площадкой текучести кривая диаграммы снова устремляется вверх , нагрузка растет и достигает максимума в точке C. Величина называется разрушающей нагрузкой, а условное напряжение , соответствующее , - пределом прочности или временным сопротивлением материала. (Условным это напряжение считается потому, что оно вычисляется по первоначальной площади поперечного сечения образца, а не по действительной, несколько уменьшившейся площади в момент нагрузки ). Пока нагрузка не достигла максимального значения , деформация равномерно распределяется по всему образцу. Когда нагрузка достигает величины , деформация в основном сосредотачивается в одном месте образца. Небольшой участок образца около этого места подвергается дальнейшему растяжению. Это ведет к появлению местного сужения, образуется так называемая “шейка”. Вследствие уменьшения площади в деформирующейся части образца для дальнейшего удлинения нужна меньшая нагрузка. Поэтому на диаграмме наблюдается падение нагрузки, продолжающееся до разрыва образца. Истинное напряжение в материале образца у шейки, несмотря на падение нагрузки, все время возрастает (уменьшение поперечного сечения идет быстрее уменьшения нагрузки). После снятия нагрузки удлинение исчезает – мы имели лишь упругую деформацию. Если мы разгрузим образец от некоторой точки К, лежащей между точками B и C, то диаграмма изобразится прямой OА. Образец в этом случае не вернется к первоначальным размерам. Отрезок КН будет представлять упругое удлинение, отрезок ОК – остаточное, а отрезок ОН – полное удлинение. Если после этой разгрузки образец подвергнуть повторному нагружению, то линия повторной нагрузки почти совпадет с прямой КК, по которой шла разгрузка. Из этого следует, что материал, подвергнутый пластичному деформированию в холодном состоянии, повышает свой предел пропорциональности до напряжения, с которого была начата разгрузка. Это явление получило название «наклепа».

Изучая диаграмму, мы наметили на ней ряд ординат, выражающих величину нагрузок, связанных с различными механическими характеристиками материала. В табл. 1 приведена сводка этих нагрузок и соответствующих им характеристик (напряжений) с обозначением. Для получения любого из указанных в табл. 1 пределов соответствующую нагрузку делят на первоначальную площадь поперечного сечения стержня (F).

Таблица 1

Механические характеристики

Соответствующая нагрузка		Соответствующее напряжение
Концу прямолинейного участка ОА	Рп	предел пропорциональности	σп =
Появлению остаточных деформаций	Ру	предел упругости	σу =
Появлению текучести	Рт	предел текучести	σт =
Наибольшая нагрузка	Ра	предел прочности или временное сопротивление	σв =

Механические характеристики (пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности) характеризуют способность материала сопротивляться стремлению внешних сил деформировать и разрушать образец при растяжении. Абсциссы диаграммы характеризуют способность материала в большей или меньшей степени деформироваться, прежде чем наступит разрушение. Отрезок (см. рис. 3) – величина упругой деформации образца к моменту разрыва, исчезающая в тот же момент, как произошло разрушение. Длина - величина остаточного удлинения образца после разрыва. Она тем больше, чем больше длина образца и пластичнее материал. Отношение к образца принимается за меру пластичности материала. Величина этого отношения, выраженная в процентах, обозначается и называется остаточным относительным удлинением образца после разрыва. Для обычных марок стали колеблется в пределах от 6 до 28 %.

Таким образом, .

Для оценки пластичности материала при испытании на растяжение также используется и другая величина, так называемое остаточное относительное сужениесечения :

,

где F₁ – площадь шейки в месте разрыва.

Для оценки качества испытанного материала важно также определить количество работы, затраченное на его разрушение. Чем больше работы необходимо затратить для разрыва образца, тем больше энергии в состоянии поглотить материал не разрушаясь, тем лучше он будет сопротивляться ударным нагрузкам, поглощая кинетическую энергию удара. Оказывается, что эта работа в определенном масштабе выражается площадью диаграммы растяжения. Рассмотрим часть этой диаграммы в пределах применимости закона Гука (рис. 5).

Какому-либо значению силы (отрезок В₁В₂) соответствует удлинение . Увеличим нагрузку на , тогда удлинение увеличится на и растягивающая сила ,средняя величина которой , совершит работу :

.

О

Рис. 5.

тбрасывая малую величину второго порядка , получаем: . Графически работа изобразится площадью прямоугольника высотой P и основанием . Рассматривая постепенное возрастание силы как ряд последовательных прибавлений элементарных нагрузок , получаем, что работа, производимая внешними силами, представится суммой элементарных прямоугольников. При непрерывном увеличении P, т. е. при бесконечно малых и эта сумма обратится в площадь треугольника ОВ₁В₂ , равную . Такие рассуждения можно применить и к полной площади диаграммы, которая выражает собой полную работу А, затраченную на разрыв образца длиною и площадью F . Чтобы получить величину, характеризующую лишь материал, а не образец, принято делить работу А на объём образца. Это отношение называется полной удельной работой, которую надо затратить на разрушение единицы объёма данного материала путем растяжения. Чем эта величина больше, тем надежнее воспринимает материал ударные нагрузки. Таким образом, величина d характеризует косвенно ударную вязкость материала.

Выводы из полученных результатов испытаний сводятся к определению качества материала по его механическим характеристикам.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Перед установкой образца в захваты машины замеряют его длину и диаметр d при помощи штангенциркуля с точностью до 0,1 мм. Результаты обмера заносят в соответствующие графы журнала наблюдений. По результатам обмера подсчитывают начальную площадь поперечного сечения и объём рабочей части образца . Затем образец устанавливают в зажимы машины. Заправив бумагу в барабан записывающего устройства, включают нагрузочное устройство и внимательно следят за стрелкой силоизмерителя, чтобы зарегистрировать силу, соответствующую пределу текучести материла. При достижении этой нагрузки стрелка либо на короткое время останавливается, либо резко уменьшается скорость её движения. После разрыва образца машина останавливается. Части разорванного образца складывают вместе и замеряют длину после разрыва и диаметр шейки d, которые заносят в соответствующие графы журнала наблюдений. Обработка диаграммы начинается с определения начала координат 0 путем продолжения прямоугольного участка до пересечения с осью абсцисс. Измерив ординаты точек (А,В,С,Д),определив значения Р_п , Р_т , Р_в , находят соответствующие им напряжения , , . Кроме того, определяется истинное напряжение в момент разрыва:

,

где – площадь поперечного сечения шейки.

Вычислив удлинение , определяют характеристики пластичности: относительное остаточное удлинение и относительное поперечное сужение .

Определив площадь диаграммы , вычисляют полную работу

, ,

где m₁ – масштаб усилий и m₂ – масштаб удлинений.

Удельная работа a даёт характеристику вязкости материала. Все полученные данные, занесенные в журнал наблюдений, и результаты вычислений сравнивают с таблицами ГОСТа с целью установления марки стали, из которой изготовлен образец.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт о проделанной работе должен иметь следующее содержание:

1. Схема испытательной машины и её характеристики.

2. Эскиз и размеры образца до и после испытания.

3. Диаграмма растяжения, вычерченная в масштабе с удалением всех характерных точек.

4. Вычисление основных механических характеристик материала.

Таблица 2

Размер образца
до опыта	после опыта
Диаметр Расчётная (первоначальная) длинна образца Площадь поперечного сечения образца Объём образца	1. Длинна образца после разрыва 2. Площадь сечения шейки

ВЫЧИСЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА

Абсолютное удлинение после разрыва .

Относительное удлинение после разрыва .

Относительное сужение площади поперечного сечения .

Площадь диаграммы растяжения .

Полная работа .

Удельная работа, затраченная на разрыв, .

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности, .

Предел пропорциональности материала образца .

Нагрузка, соответствующая пределу текучести, .

Предел текучести материала образца .

Максимальная нагрузка на образец .

Предел прочности материала образца .

Нагрузка в момент разрыва .

Истинное напряжение в момент разрыва .

Вывод: марка материала образца……………

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какой вид имеет диаграмма растяжения образцов из малоуглеродистой стали? Нарисуйте её и поясните все стадии деформации.

2. В каких координатах строится диаграмма растяжения?

3. Что такое упругая стадия деформации?

4. Какие деформации называются упругими и какие пластичными?

5. Расскажите об устройстве испытательной машины.

6. Как работает силоизмерительный узел?

7. Что такое текучесть материала?

8. Что такое предел прочности?

9. Что такое предел пропорциональности?

10. При какой нагрузке возникает на образце шейка?

11. Какие материалы называются пластичными?

12. Какие характеристики материала определяют его пластичность?

13. Какие характеристики определяют способность материала воспринимать ударную нагрузку?

14. Что такое “наклеп”?

15. Как определить марку стали, если механические характеристики её известны?

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляев Н. М. Сопротивление материалов

2. Беляев Н. М. Лабораторный практикум по курсу сопротивления материалов.

3. Ердаков В. И., Минин Л. С. Лабораторный практикум по курсу сопротивления материалов.

4. Синяговский И. С., Двоеглазова А. Л., Засова А. Ф., Баловниев Г. Г. Руководство к лабораторным работам по сопротивлению материалов.