Лабораторная работа №1 определение механических характеристик сталипри растяжении

При статическом нагружении основным видом испытаний является испытание на растяжение. Будучи достаточно простым, испытание на растяжение позволяет определить наиболее важные прочностные, упругие и пластические характеристики материалов, называемые механическими характеристиками, которые используются при расчетах на прочность и жесткость как при растяжении, так и при других видах деформаций.

В настоящей лабораторной работе выполняется испытание на растяжение малоуглеродистой стали, имеющей широкое применение в машиностроении. Этот материал выбран также потому, что в его диаграмме растяжения наиболее четко проявляются основные качественные состояния, возникающие в процессе нагружения пластичного материала, вплоть до разрушения.

Цель испытаний состоит в изучении поведения стального образца при растяжении и определении основных механических характеристик.

Установлено, что на результат испытаний оказывают влияние форма и размеры образца. Для получения сопоставимых результатов испытания выполняются на специальных стандартных образцах установленной формы и размеров.

На рисунке 1 показаны нормальные образцы круглого и прямоугольного поперечного сечения. По концам образцы оканчиваются головками, необходимыми для закрепления в захватах машины. Деформирование и разрушение происходит в средней части образца (стержне), которая соединяется с головками коническими или радиальными сопряжениями. Расчетная длина образца, на которой определяются деформации, равняются расстоянию между двумя точками А и В, расположенными на расстоянии 5-10 мм от мест сопряжения.

Рис. 1

Между длиной l0 и диаметром d₀, или площадью поперечного сечения F, принято такое соотношение:

l₀=10d₀ = 11,3

В лаборатории Коломенского филиала МГМУ (МАМИ) испытания на растяжение проводятся на испытательной машине ГРМ1, схема которой показана на рис. 2.

Рис. 2

Основными узлами испытательной машины являются:

• собственно, испытательная машина,

• пульт управления, включающий силоизмерительную и насосную установку,

• пульсатор.

Испытательная машина 1 является двухколонным вертикальным агрегатом с гидравлическим приводом перемещения подвижной траверсы. Неподвижная рама составлена из основания 2 и траверсы цилиндра 3, соединенных двумя колоннами 4. В траверсе 3 размещается рабочий цилиндр с поршнем. Поршень укреплен на подвижной раме, состоящей из поперечины 5 и подвижной рамы 6, которые связаны двумя ходовыми винтами 7. Подвижная траверса в нижней своей части снабжена универсальной головкой 8 с набором приспособлений для захвата образца при испытании на растяжение. Эти приспособления, главным образом шаровые опорные поверхности, должны обеспечить центральное приложение продольной силы на образец. Нижняя головка 9 укреплена на основании. Верхняя часть подвижной траверсы служит столом, на котором устанавливается нижняя часть приспособлений для испытания образцом на сжатие и изгиб.

Маятниковый силоизмеритель включает: гидравлический цилиндр и плунжер динамометра, сообщающийся с рабочим цилиндром, маятник с грузом 10. Динамометр 11, барабан 12 для автоматической записи диаграммы, соединенный нитью с подвижным захватом машины 13.

Динамометр имеет 4 шкалы – 4 диапазона измерения усилий: от 0 до 5000кГс, до 10000кГс, до 25000 кГс и до 50000 кГс, которые применяются в зависимости от размеров образца и желаемой точности отсчета.

Насосный агрегат 14 включает заполненный маслом бачек, в котором закреплен вертикальный насос 15, а также систему клапанов и приспособлений, обеспечивающих статическое нагружение, стабилизацию давления, гидроторможение при разрыве образца и другие необходимые гидропрессу качества.

Пульсатор 16 представляет собой одноплунжерный гидронасос ипредназначен для создания пульсирующих нагрузок на образец.

Остановимся подробнее на диаграмме растяжения, которая вычерчивается записывающим прибором машины в процессе испытания образца. Диаграмма растяжения вычерчивается в координатах Р-Σl, где Р - величина растягивающего усилия в кГ, а Σl абсолютное удлинение образца в см. Такая диаграмма для малоуглеродистой стали показана на рис.3. В начальной стадии нагружения от 0 до Р_nзависимость между силой и деформацией линейная, а сами деформации упругие, т.е. после снятия внешней нагрузки они исчезают.

Рис. 3

Затем интенсивность деформации возрастает, к упругим деформациям добавляются пластические, на диаграмме появляется кривая до силы Р_T, за которой деформации растут без какого-либо увеличения нагрузки.Наступает так называемая текучесть материала. Текучесть материала сопровождается появлением на поверхности хорошо отшлифованного образца сетки прямых, наклоненных к оси образца примерно под углом 45° и называемых линиями Чернова. Они возникают в результате деформаций сдвига по направлениям действия максимальных касательных напряжений τ_max. Переход к площадке текучести не всегда происходит плавно. Часто упругопластические деформации поднимаются вне площадки текучести, а затем наблюдается срыв и падение напряжений и на диаграмме получается так называемый "зуб текучести" (на рис. 3 показан пунктиром). Текучесть фиксируется только на известном промежутке диаграммы, до величины относительного удлинения в 2,5-3%. Затем наступает 3-я стадия работы стали - стадия упрочнения, в которой наряду с упругими деформациями проявляются общие остаточные деформации. При снятии нагрузки в этой зоне разгрузка происходит по прямой, параллельной прямой 1-й.-упругойстадии с остаточной деформацией Σl_ост. Вторичное нагружение совпадает с прямой разгрузки. В зоне максимальной нагрузки общие деформации уступают место местным деформациям, возникающим в наиболее слабом участке стебля образца (рис. 4). Образуется так называемая шейка, поперечное сечение которой резко сокращается. При этом снижается также и внешняя нагрузка. Местная деформация в районе шейки завершается разрывом образца. Общая деформация образца перед разрывом равняется сумме упругой деформации Σl_упр.которая исчезает после разрыва, и остаточной деформации Σl_ост.

Рис. 4

Диаграмма Р-∆l зависит от механических свойств и размеров образца. Для исключения влияния размеров и определения механических характеристик материала, машинная диаграмма (Р-∆l)перестраивается в диаграмму в координатах (σ- ε), где

и

Полученная таким образом диаграмма (рис. 5) подобна машинной, но отличается от нее масштабами абсцисс и ординат.

Рис. 5

Напряжения на всех стадиях определяются из отношения силы Р к первоначальной площади поперечного сечения А₀, которая в процессе деформирования образца, особенно после образования шейки, меняется. Относительное удлинение является средней деформацией на длине . Истинное же удлинение в месте образования шейки оказывается значительно больше среднего. Истинная диаграмма σ-ε после точки С показана пунктиром. На диаграмме (σ-ε фиксируются предельные напряжения, соответствующие переходу материала из одного качественного состояния в другое. Такими предельным напряжениями являются:

Предел пропорциональностиσ_пц - максимальное напряжение, до которого справедлив закон Гука. С пределом пропорциональности практически совпадает предел упругости σ_у - максимальное напряжение, до которого полностью сохраняются упругие свойства материала.

Предел текучестиσ_r - минимальное напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.

Предел прочности (временное сопротивление) (σ_пц - наибольшее условное напряжение в образце перед разрушением, получаемое от деления максимальной силы Р_maxна первоначальную площадь F₀.

Относительное остаточное удлинение - средняя остаточнаядеформация на длине , определяемая из отношения

,

где l₁, - длина рабочей части образца после разрыва.

Относительное остаточное сужение поперечною сечения в касте разрыва определяется по формуле:

где. А₁, - площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. У некоторых материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. Как пример, на рис. 6 показаны диаграммы растяжения углеродистой и легированной сталей, а также алюминия. В этом случае предел текучести определяется как напряжение, соответствующее некоторой принятой величине остаточного удлинения, например 0.2%

где - величина нагрузки, соответствующей ε₀=0,002.

Для определения на диаграмме σ - ε по оси абсцисс откладывается ε₀=0,002, а через эту точку проводят пряну», параллельную прямолинейному участку диаграмма. Точка пересечения прямой с диаграммой определяет ординату. По диаграмме растяжения может быть определен модуль продольной упругости материала Е. Он равняется тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы, подсчитанного с учетом масштабов σ и ε диаграммы (tgα = ).

Важным показателем способности материала воспринимать некоторые динамические, в первую очередь ударные нагрузки, является его энергоемкость, которая определяется величиной потенциальной энергии, накапливаемой в единице объема материала перед разрушением. Удельная энергоемкость материала может быть определена как площадь диаграмм

σ - ε (рис. 6).

Рис. 6