Лабораторна робота №1

1 Визначення механічних характеристик сталі при розтягу

Мета роботи: вивчити поведінку сталевого зразка при розтягуванні до руйнування та визначити основні механічні характеристики матеріалу.

1.1 Короткі теоретичні відомості

Випробування на розтяг є одним з основних і найпоширеніших видів випробувань. Одержані в результаті експерименту характеристики дозволяють оцінювати міцність та пластичність матеріалу при статичних навантаженнях і вважаються основними при розрахунках на міцність деталей машин та елементів конструкцій.

Такі характеристики визначають на підставі діаграми розтягу, яка записується за допомогою пристрою для побудови діаграм в координатах [розтягуюча сила ] ~ [абсолютне видовження Δl ]. На рис. 1.1 показано загальний вигляд діаграми розтягу маловуглецевої сталі, на якій виділено характерні точки і ділянки різних етапів навантаження.

На початковому етапі навантаження, котрий триває до деякого значення сили (точка А), спостерігається прямо пропорційна залежність між видовженням зразка Δl і розтягуючою силою Р (іншими словами – на ділянці ОА виконується закон Гука). Якщо на цьому етапі дослід припинити і виконати розвантаження, то початкова довжина зразка відновиться, тобто деформація матеріалу є пружною.

Напруження, спричинене силою , називається границею пропорційності й обчислюється за формулою

,

де – площа попереччя зразка.

Отже, границею пропорційності називається найбільше напруження, до якого матеріал підпорядковується закону Гука.

Рисунок 1.1 – Діаграма розтягу маловуглецевої сталі

в координатах

Після точки А при подальшому навантаженні зразка діаграма розтягу стає криволінійною. Точка В відповідає найбільшому значенню сили , при якому зразок ще не зазнає залишкових деформацій. Ця сила спричинює в матеріалі зразка напруження

.

Найбільше напруження , до якого залишкова деформація при розвантаженні не виявляється, називається границею пружності.

Враховуючи, що на практиці досить проблематично точно виявити початок перших залишкових деформацій, вводять поняття умовної границі пружності . Це найменше напруження, при якому залишкова деформація досягає заданого значення (зазвичай в діапазоні 0,001…0,05% від виміряної довжини зразка).

Коли сила, що розтягує зразок, набуде деякої величини (точка С) видовження починає зростати швидше, ніж зусилля розтягу, а для низки пластичних матеріалів (наприклад м’які сталі) зразок подовжується (як прийнято казати –“тече”) без збільшення навантаження. На діаграмі з’являється горизонтальна ділянка, так звана “площадка текучості”. Відношення

називають границею текучості.

Отже, границею текучості зветься найменше напруження, при якому деформація зразка відбувається при сталому розтягуючому зусиллі. Загалом текучість пояснюється взаємними зсувами частинок (кристалів) матеріалу. На поверхні полірованого зразка крізь лупу можна бачити косі штрихи – лінії зсуву, які називають лініями Чернова-Людерса (неозброєним оком видно, що поверхня тмяніє). Більшість цих ліній нахилена до осі зразка під кутом 45°, що відповідає теоретично знайденому положенню площадок зсуву.

Для металів, на діаграмі розтягу яких відсутня площадка текучості, границю текучості визначають умовно як напруження, при якому залишкова деформація є величиною, регламентованою стандартами чи технічними умовами. Згідно з ДСТУ EN 10002-1:2006 чи ранішим ГОСТ 1497 – 84, залишкова деформація становить 0,2% від вимірюваної довжини зразка, а умовну границю текучості позначають символом .

Після стадії текучості матеріал знову починає чинити опір подальшому деформуванню. Цьому процесу відповідає висхідна ділянка СD (рис. 1.1) діаграми розтягу, що зветься ділянкою зміцнення. Точка D відповідає найбільшому зусиллю , яке може витримати зразок. Під дією цього зусилля в матеріалі виникає напруження, яке називають границею міцності

(іноді це напруження називають – тимчасовий опір та використовують позначення ).

Отже, границею міцності зветься найбільше напруження, яке може витримати зразок не руйнуючись.

Подальше розтягування призводить до появи місцевого звуження зразка (утворення “шийки”) і руйнування. Як тільки на зразку починає утворюватись шийка (зазвичай це можна спостерігати візуально), розтягуюче зусилля зменшується (ділянка DK). На цьому етапі навантаження суттєво деформується лиш невелика ділянка зразка в зоні шийки. Розтягуючу силу в момент розриву зразка позначимо . Дійсне напруження в момент руйнування називають дійсним опором розриву

,

де – площа попереччя зразка в місці розриву.

В момент руйнування робоча частина зразка подовжилась на величину . Після руйнування пружна частина повного видовження зникає, залишається . Відносне залишкове видовження зразка при розриві

,

де – довжина робочої частини зразка після розриву.

В місці утворення шийки площа попереччя зразка зменшилась на величину . Відносне залишкове звуження при розриві

,

де  –  початкова площа попереччя зразка,

 – площа попереччя в місці розриву зразка.

Чим вищі значення і , тим матеріал більш пластичний.

Описані механічні характеристики поділяють на дві групи:

– характеристики пружності та міцності матеріалу (границя пропорційності і границя пружності – , ; границя текучості та границя міцності – , );

– характеристики пластичності матеріалу (залишкове відносне видовження та залишкове відносне звуження ).

Повернемось до діаграми (рис. 1.1). Якщо навантаження зразка зупинити на ділянці СD і розвантажити, то цей процес буде зображено лінією , що майже паралельна ділянці пружності Пружне видовження зразка зникне. Якщо зразок відразу знову навантажити, то процес повторного навантаження зобразиться лінією , що майже співпадає з лінією розвантаження. При подальшому навантаженні (після точки М) крива продовжується так, ніби проміжного розвантаження не було. Отож, у матеріалу зразка після попереднього деформування підвищились границя пропорційності , границя пружності (порівняйте ділянки ОВ і М₁М) та границя текучості (при зникненні площадки текучості), однак зменшилась величина залишкової деформації. Це явище називають наклепом.

Якщо наклепаний зразок повторно навантажити не відразу, а через деякий час (біля 100год.), то підвищаться не лише величини і , але і границя міцності . Така зміна властивостей матеріалу наклепаного зразка називається природним старінням.

З

Рисунок 1.2 – Діаграма розтягу маловуглецевої сталі

в координатах

вичайно, що записана пристроєм машини діаграма в координатах P~Δl не дає повного уявлення про ті чи інші властивості матеріалу, оскільки параметри (P, Δl) залежать від розмірів конкретного зразка. Для отримання кількісних оцінок властивостей матеріалу машинну діаграму перебудовують в діаграму (рис. 1.2) шляхом ділення зусилля Р на початкову площу попереччя , а видовження зразка на його початкову довжину . Тут, точкам О, А, В, С, D, К початкової діаграми відповідають точки 0, a, b, c, d, k. На цій діаграмі зазначені основні механічні характеристики пружності, міцності і пластичності. Також із діаграми бачимо, що

,

тобто модуль пружності при розтягу дорівнює тангенсу кута нахилу прямолінійної ділянки діаграми до осі абсцис. Слід зазначити, що низхідна ділянка діаграми dk має умовний характер, оскільки дійсна площа попереччя зразка при утворенні шийки і початкова площа значно відрізняються одна від одної. Розділивши розтягуючу силу на дійсну площу попереччя зразка, можна знайти дійсне напруження, та побудувати відповідну діаграму (рис. 1.2 – штрихова лінія).