ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВЯТСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУ ВПО ВятГУ)

Факультет автоматизации

машиностроения

Кафедра материаловедения и

технологии материалов

Механические свойства металлических материалов

Методические указания

к лабораторной работе

Дисциплины: «Технологические процессы в машиностроении», «Материаловедение», Технология конструкционных материалов», «Художественное материаловедение»

Для студентов все форм обучения специальностей 1500405, 151001, 150202, 261001

Киров 2009

УДК 620.22:621.7: (07)

ИНПИ ВятГУ У 00693

Составители: кандидат технических наук, доцент О.Б. Лисовская., кандидат технических наук, профессор Л.П. Кочеткова, ст. преподаватель В.А. Лисовский

Рецензент: кандидат технических наук, доцент Д.И. Василевич

.

Редактор Е.Г. Козвонина

Подписано в печать Бумага офсетная Заказ

Усл. печ. л Печать матричная Тираж

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного составителем.

610 000, г. Киров, ул. Дрелевского, 55.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП Вят ГУ

© Вятский государственный университет, 2009.

Цель работы – практически ознакомиться с методом испытаний металлов на растяжение, на удар; научиться определять по диаграмме растяжения основные механические характеристики прочности и пластичности.

1 Общая характеристика основных механических свойств

Механические свойства – это характеристики поведения материала под действием внешних механических сил. Под воздействием внешних нагрузок происходит изменение формы и размеров тела (деформация), возможно его разрушение. К механическим свойствам относятся:

прочность – способность материала сопротивляться разрушению;

пластичность – способность материала пластически деформироваться без разрушения;

упругость – свойство восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия внешних сил;

твердость – сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела;

ударная вязкость – сопротивление материала разрушению под действием ударных нагрузок;

выносливость – свойства материала противостоять усталости.

Механические свойства зависят от химического состава, внутреннего строения (структуры) и условий эксплуатации материалов. Характеристики механических свойств определяются путем испытания образцов на различных испытательных машинах. Механические испытания в зависимости от способа приложения нагрузки могут быть:

а) статические, если нагрузка на образец в процессе испытания возрастает медленно и плавно, и при этом совершается медленная деформация испытуемого образца (испытания на растяжение, изгиб, сжатие, кручение);

б) динамические, если нагрузка на образец действует резко в течение незначительного времени (испытания на ударную вязкость);

в) повторно-переменные (статические или динамические), если нагрузка на образец прилагается многократно.

2 Испытание металлических материалов на растяжение

2.1 Основные характеристики

При испытании материалов на растяжение определяются характеристики прочности, пластичности и упругости. Эти механические свойства являются критериями конструкционной прочности деталей, работающих в условиях статического нагружения. Они используются и для приближенной оценки прочности деталей, работающих в других условиях.

Испытания проводятся на разрывной машине. Машина имеет механизмы для нагружения образца и для измерения растягивающего усилия. На образец усилия передаются с помощью захватов. Стандартные образцы для испытания на растяжение применяют либо круглого сечения (диаметром не менее 0,5 мм), либо плоские (толщиной не менее 0,5 мм). Формы и размеры образцов нормируются в соответствии с ГОСТ 1497–84.

Образец (рисунок 1) состоит из рабочей части и головки. Между расчетной длиной образца l₀ и диаметром d₀ должна соблюдаться зависимость: l₀ = 10 d₀ (длинный образец) или l₀ = 5 d₀ (короткий образец).

Рисунок 1 – Цилиндрический образец для испытания на растяжение

В процессе испытания диаграммный аппарат записывает зависимость между приложенной нагрузкой и деформацией образца в виде диаграммы растяжения в координатах: нагрузка (P) – абсолютное удлинение образца ∆ l=l_K – l₀, где l_K – текущая длина, l₀ – начальная длина образца.

Типичные диаграммы растяжения показаны на рисунке 2. Для большинства пластичных материалов характерна диаграмма растяжения с постепенным, переходом из упругой в пластическую область (рисунок 2, а). Для некоторых пластичных материалов (например, низкоуглеродистая сталь) свойственна диаграмма растяжения с переходом в пластическую область в виде площадки текучести (рисунок 2, б). Диаграмма на рисунке 2,в получается при растяжении образцов, изготовленных из малопластичных материалов, разрушающихся при малых остаточных деформациях (например, серый чугун).

Рисунок 2 – Диаграммы растяжения: а – с постепенным переходом из упругой в пластическую область, б – с переходом а пластическую область в виде площадки текучести, в – для хрупких материалов

На рисунке 3 показаны характерные точки диаграммы растяжения, по которым определяют механические свойства. До точки Р_пц зависимость Р – ∆l выражена прямой линией. Это значит, что изменение длины образца прямо пропорционально нагрузкам. Прямолинейный участок диаграммы соответствует упругой деформации, ордината точки Р_пц – нагрузке предела пропорциональности. До точки Р_пц имеет силу закон Гука – удлинение образца прямо пропорционально приложенному усилию.

Рисунок 3 – Характерные точки на диаграмме растяжения, по которым рассчитывают характеристики прочности

Ордината точки «е», расположенная в непосредственной близости от точки Р (остаточное удлинение здесь равно 0,05 - 0,005% от расчетной величины), определяет нагрузку предела упругости Р_упр .

За участком пропорциональности следует характерный горизонтальный участок S – S', который показывает, что образец деформируется без увеличения нагрузки; металл как бы течет. Через какое-то время течение металла прекращается – наступает предел текучести. Силу Р_т, при которой происходит течение металла, называют силой предела текучести, а площадку на диаграмме – площадкой текучести.

За площадкой текучести следует пологий криволинейный участок диаграммы S' – В. Этот участок называют зоной упрочнения металла. Точка В диаграммы соответствует наибольшей нагрузке, которую выдерживает образец во время испытания Р_в. При этом в образце появляется резкое местное сужение – «шейка». В дальнейшем здесь и произойдет разрыв образца на две части. Момент разрушения образца соответствует точке К на диаграмме.

Непластичные материалы не удлиняются пластично и не образуют шейку на образце. На диаграмме растяжения (рисунок 2, а, в) нет выраженного участка текучести. После достижения максимальной нагрузки образец разрушается без пластичного удлинения.

Так как диаграмма Р – ∆l не учитывает фактических размеров образца, изменяющихся при его растяжении, то для получения сравнимых результатов испытания диаграмму строят в относительных координатах «напряжение – относительная деформация», где на оси ординат откладывают напряжение σ = P/F₀, a по оси абсцисс – величину относительной деформации δ = ∆l / l₀ (рисунок 4) ; здесь F₀ и 1₀ – первоначальные площади сечения и длина образца (рисунок 4). При этом характер кривой не изменяется, так как каждая из координат исходной диаграммы делится на постоянную величину.

До σ_пц соблюдается закон Гука: σ = Е ∙ δ, где Е – коэффициент .пропорциональности является физической константой материала и называется модулем упругости; δ – относительное удлинение образца. Модуль упругости Е определяет жесткость материала, пропорционален тангенсу наклона прямолинейного участка кривой растяжения и на диаграмме характеризует крутизну подъема этого участка. Чем больше Е, тем меньшую деформацию получает металл при одинаковом напряжении, тем больше его жесткость. Каждый металл имеет определенный модуль упругости, фактически не зависящий от структуры и обработки.

а б

Рисунок 4 – Диаграммы напряжение – относительная деформация: а – для пластичных материалов, б – для непластичных материалов

Согласно ГОСТ 1497-84, при испытании на растяжение определяют следующие характеристики:

1. Предел пропорциональности σ_пц – наибольшее напряжение, до которого соблюдается прямая пропорциональность между напряжением и деформациями

σ_пц = Р_пц /F₀, МПа (кгс/мм²), (1)

где F₀ - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца.

2. Предел упругости σ_0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,05%

σ_0,05 = Р_0,05/F₀, МПа (кгс/мм²). (2)

Если не требуется высокая точность, то можно условно принять σ_пц = σ_0,05 и не делать специальных вычислений.

3. Предел текучести (физический) σ _т – напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки (рисунок 4, а)

σ _т = P_T/F₀, МПа (кгс/мм²). (3)

Если на диаграмме площадка текучести отсутствует (рисунок 4, б), то определяют условный предел текучести σ_0,2 – напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2%

σ_0,2 ⁼ P_0,2 /F₀ , МПа (кгс/мм²). (4)

4. Предел прочности (временное сопротивление) σ_в – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_в, предшествующей разрыву

σ_в = Р_в / F₀, МПа (кгс/мм²). (5)

Напряжения σ_0,05, σ_т, σ_пц, σ_в – стандартные характеристики прочности материала. Кроме этих свойств, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности – относительное удлинение и относительное сужение.

5. Относительное удлинение δ – отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине

, (6)

где l₀ – расчетная длина образца до разрыва, мм; l₀ – расчетная длина образца после разрыва, мм.

6. Относительное сужение ψ – отношение разности начальной площади поперечного сечения образца F₀ и минимальной площади поперечного сечения после разрыва F_K к начальной площади поперечного сечения

(7)

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен материал (может пластически деформироваться без разрушения). Пластичные материалы меньше подвержены опасности внезапного (хрупкого) разрушения, поэтому их надежность выше.

Вышеперечисленные характеристики механических свойств являются наиболее типичными для большинства металлов и сплавов и указываются во всех справочниках и других документах, рекомендующих эти материалы для различного применения в технике. Во многих случаях этих характеристик оказывается достаточно для правильного выбора материала по назначению.