14

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Филиал государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

“Уфимский государственный нефтяной технический университет” в г. Салавате

(Филиал ГОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)

Кафедра “Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки”

Согласовано утверждаю Зав. Кафедрой опнн, доцент Зам. Директора по учебной работе ______________н.М. Захаров _______________г.И. Евдакимов

______________ _______________

Методические указания к лабораторной работе № 1 испытание на растяжение образцов из малоуглеродистой стали

Дисциплина "Сопротивление материалов"

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда Доцент кафедры ОПНН

____________ Г.В. Мангуткина ___________ Р.Р. Газиев

____________ ___________

Салават 2008

Методические указания предназначены для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения специальности 240801 “Машины и аппараты химических производств” и рекомендуются к применению при выполнении лабораторных работ по дисциплинам “Сопротивление материалов”, “Механика”.

© Филиал ГОУ ВПО “Уфимский государственный нефтяной технический университет” в г. Салавате , 2008

Лабораторная работа № 1

Испытание на растяжение образцов из малоуглеродистой стали

Цель работы:

1 Ознакомление с методикой проведения испытания на растяжение.

2 Определение механических характеристик материала.

3 Проверка явления наклепа.

1 Теоретическая часть

Испытание на растяжение является одним из основных видов испытания материалов, позволяющим выявить наиболее важные их свойства. Для испытания применяются лабораторные образцы цилиндрической формы (рисунок 1) или плоской формы, размеры и режим нагружения которых соответствуют ГОСТ 1497-84. Между расчетной длиной образца 1₀ и размерами поперечного сечения А₀ (или d₀ для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:

-у длинных (десятикратных ) образцов 1₀ ≥ 11,3 ( или 1₀ ≥10 d₀);

-у коротких (пятикратных ) образцов 1₀ ≥ 5,65 ( или 1₀ ≥ 5 d₀ ).

Образцы изготавливают с головками на концах для закрепления их в захватах испытательной машины. Кроме этого, головки препятствуют развитию деформаций в прилегающих к ним участкам.

Испытание проводится на универсальной испытательной машине УММ-5 с электромеханическим приводом, предназначенной для статических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и срез. Принципиальная схема такой винтовой машины представлена на рисунке 2.

Электродвигатель 1 через коробку скоростей и червячную шестерню 2 вращает гайку 3, вследствие чего нагружающий винт 4 перемещается вдоль оси, увлекая за собой нижний захват 6 (винт можно вращать и вручную при помощи рукоятки 5). В клиновых обоймах захватов 6 и 8 помещаются специальные приспособления для зажима головок цилиндрических или плоских образцов. Рычаг 9 имеет две опоры 10, 11, позволяющие воспринимать как сжимающую, так и растягивающую нагрузки. От рычага через промежуточные звенья силоизмерительного механизма усилие передается штанге маятника 12, который под нагрузкой отклоняется на некоторый угол. При отклонении маятника перемещается рейка 13, поворачивающая зубчатое колесо со стрелкой 14, указывающей на круговой шкале 15 силоизмерителя действующую нагрузку.

Диаграммный барабан 17 при деформации образца поворачивается зубчатой рейкой 18, прикрепленной к кронштейну нижнего захвата машины. Перо 16 пишущего устройства жестко связано с рейкой 13 и перемещается пропорционально отклонению маятника, т.е. пропорционально нагрузке. Меняя грузы на маятнике, можно получить четыре диапазона нагрузок в 10 20, 25 и 50 кН, при которых 1 мм на диаграммном аппарате по оси нагрузок соответствует усилию в 50, 100, 125 и 250 Н.

Рисунок 1 – Образец для испытания на растяжение

Рисунок 2- Принципиальная схема испытательной машины УММ – 5

Запись диаграммы по оси деформаций производится в двух масштабах 1:1 или 5:1, т.е. 1 мм по оси абсцисс диаграммы растяжения соответствует удлинению образца на 0,1 или 0,02 мм соответственно.

Лабораторный образец закрепляется в захватах испытательной машины и подвергается нагружению на одноосное растяжение. При этом записывающее устройство вычерчивает в определенном масштабе диаграмму растяжения - график зависимости между растягивающей нагрузкой F и удлинением образца ∆ l (рисунок 3). Чтобы получить диаграмму, характеризующую только механические свойства материала (исключающую влияние исходных размеров образца), первичную диаграмму перестраивают в координатах σ-ε (рисунок 4). Она называется условной диаграммой, т.к.. ординаты ее получают делением значений силы F на первоначальную площадь А₀ поперечного сечения образца (σ = F/А₀), а абсциссы - делением абсолютных удлинений расчетной части образца ∆l на первоначальную ее длину (ε = ∆l / 1₀). Механические характеристики материала определяются по условной диаграмме. Если делить в каждый момент времени растягивающую нагрузку на текущую площадь поперечного сечения образца (что сложно осуществить в процессе растяжения образца), можно получить значения истинных напряжений и построить так называемую истинную диаграмму напряжений (рисунок 4, штриховая линия ), которая чаще всего служит для теоретических исследований.

Рассмотрим характерные участки и точки диаграммы растяжения.

На участке ОА диаграмма имеет линейную зависимость между удлинением и растягивающей силой и характеризует упругую стадию работы материала. На этом участке выполняется закон Гука, выраженный через абсолютные деформации, мм

(1)

или через относительные деформации

. (2)

Если образец на участке ОА разгрузить, то упругая деформация исчезает. Ордината точки А конца прямолинейного участка соответствует нагрузке пропорциональности F_ПЦ, отношение которой к начальной площади сечения образца А₀ определяет предел пропорциональности материала образца, МПа

(3)

Предел пропорциональности есть наибольшее напряжение, до которого выполняется закон Гука.

В непосредственной близости к пределу пропорциональности находится предел упругости - наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается. За предел упругости принимается напряжение, при котором имеет место незначительная относительная деформация равная 0,05 %. Значения величин σ_пц и σ_у практически совпадают и считаются равными.

Рисунок 3-Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Рисунок 4- Условная и истинная диаграмма напряжений

За пределом упругости на участке АВ диаграмма приобретает криволинейное очертание, переходящее в отрезок ВС, почти параллельный оси абсцисс. Этот отрезок, называемый площадкой текучести, отображает состояние текучести материала образца, при котором его удлинение возрастает при постоянной нагрузке. Удлинение образца в стадии текучести происходит за счет пластической деформации материала, которая происходит равномерно по всей длине образца.

Ордината точки В соответствует нагрузке, отношение которой к площади определяет предел текучести, МПа

(4)

Пределом текучести называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии. Четко выраженную площадку текучести имеют, как правило, малоуглеродистые стали. У высокоуглеродистых, легированных сталей и ряда других металлов площадки текучести и на диаграмме растяжений не наблюдается. В этом случае определяют так называемый условный предел текучести , представляющий то напряжение, при котором относительное остаточное удлинение составляет 0,2 % (рисунок 5).

Рисунок 5- Определение условного предела текучести

Явление текучести сопровождается перестройкой структуры материала происходит устранение нерегулярностей в атомной решетке, в результате чего увеличивается сопротивляемость материала возрастающей нагрузке. Наступает так называемая стадия самоупрочнения. На участке упрочнения СД диаграммы образец равномерно удлиняется и сужается по всей длине Нагрузка возрастает и достигает наибольшего значения F_mах, которое соответствует ординате точки Д диаграммы.

Условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке F_max называется пределом прочности или временным сопротивлением материала

(5)

С момента, когда нагрузка достигает наибольшего значения, дальнейшая остаточная деформация приобретает местный характер, концентрируясь около наиболее слабого участка (имеющего случайные нарушения структуры материала образца в виде пузырьков, шлаковых включений, царапин и т.д.), где начинается образование так называемой "шейки", т.е. местного сужения поперечного сечения образца. Площадь сечения образца в месте образования шейки резко уменьшается, что сопровождается снижением усилия, необходимого для дальнейшего растяжения образца до его разрыва. Это уменьшение нагрузки изображается ниспадающим отрезком ДЕ диаграммы. Точка Е соответствует моменту разрушения образца и характеризуется силой разрыва F_Р. В момент разрыва образца определяются два значения напряжений – условное и истинное:

(6)

(7)

где А_ш - площадь сечения шейки в месте разрыва, мм².

При нагружении образца в пределах участка ОА в нем возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические (остаточные) деформации. Если начать разгружать образец за площадкой текучести на участке упрочнения СД (например, от точки К.), то перо самописца будет вычерчивать прямую КО₁ параллельно участку ОА. При этом на диаграмме будут фиксироваться как упругие (О₁О₂), так и остаточные (ОО₁) деформации; в таком состоянии образец будет обладать иными по сравнению с начальным состоянием механическими характеристиками. Так, если повторно нагружать образец, будет вычерчиваться диаграмма , характеризующая материал с другими свойствами. Такое явление предварительного пластического деформирования за пределом текучести в холодном состоянии называется наклепом. При наклепе исчезает площадка текучести; повышается (на 50-80%) исходный предел пропорциональности до того напряжения, с которого была начата разгрузка (точка К), а также уменьшается остаточное удлинение ( вместо ). Изменение указанных параметров улучшает упругие свойства материала, но, в то же время, понижает его пластичность и вязкость. В инженерной практике в ряде случаев явление наклепа нежелательно и его устраняют, например, термообработкой в виде отпуска - нагревом до 650-700 °С. В других случаях, наоборот, наклеп полезен и его создают искусственно, например, для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней.

Все механические характеристики, полученные при растяжении образцов, можно разделить на четыре группы.

1.1 Характеристики прочности

Основными характеристиками прочности материалов, которые используются в практических расчетах как предельные напряжения, являются предел прочности (временное сопротивление разрыву) и предел текучести .

Предел текучести является напряжением, опасным обычно для пластичного материала, а предел прочности - для хрупкого.

1.2 Характеристики пластичности материала

Мерами пластичности материала образца являются две механические характеристики:

-относительное остаточное удлинение

(8)

-относительное остаточное сужение

(9)

где 1_к - расчетная длина образца после разрыва, мм;

А_Ш - площадь "шейки" образца после разрыва, мм².

В зависимости от величины относительного остаточного удлинения материалы делятся на пластичные при > 5 % и хрупкие при < 5%. Пластичность материала характеризует его технологические качества, например, ковкость. Детали из хрупкого материала сохраняют свою форму до разрушения.

1.3 Характеристики упругости материала

Характеристиками упругости материала являются: предел упругости σ_у (который принимается равным пределу пропорциональности σ_у ≈ σ_пц) и модуль упругости I-го рода Е, который может быть определен по диаграмме напряжений как тангенс угла наклона прямолинейного участка к оси абсцисс (рисунок 3),

. (10)

После операции наклепа модуль упругости Е возрастает на 20-30 %.

1.4 Энергетические характеристики материала

Энергетическими характеристиками материала являются полная Р и удельная работа р, затраченная на разрушение образца. Полная работа графически изображается площадью диаграммы растяжения образца в координатах F - ∆1 (рисунок 3). Приближенно полную работу можно вычислить по формуле

(11)

где F_mах - наибольшая нагрузка на образец, Н;

∆1 - полная деформация образца, мм;

η - коэффициент заполнения диаграммы, определяется экспериментально (для углеродистых сталей принимается равной η = 0,8 ).

Удельная работа, затраченная на разрыв образца, Дж/м³, представляет собой работу, отнесенную к единице объема его рабочей части

, (12)

где V = A₀l_p ,- объем рабочей части образца, м³.

Чем большую работу надо затратить на разрыв образца, тем большую энергию в состоянии поглотить материал, не разрушаясь, и тем лучше он будет сопротивляться ударным и другим нагрузкам.