Лабораторная работа № 8 испытание материалов на растяжение

Цель работы: определение характеристик механических свойств углеродистой стали при испытании на растяжение.

Конструкционные материалы – это твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механической нагрузке.

Конструкционные материалы можно разбить на следующие типы:

1. Металлы и сплавы (стали, чугуны, цветные металлы и т. д.).

2. Неметаллические материалы (полимеры, пластмассы, древесные материалы, резины и т. д.).

3. Композиционные материалы. Это материалы, объединенные разными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, называется матрицей (связующим). Матрицы могут быть полимерными, металлическими и т. д. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим. Эти компоненты, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Прообразом современных композиционных материалов считается железобетон.

Несмотря на достигнутые успехи в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.), основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и сплавы. Поэтому только они и рассматриваются в данном курсе (из-за ограниченного объема часов).

Под металлами понимают вещества, обладающие металлическим блеском, высокими пластичностью, тепло- и электропроводностью, прочностью. К металлам относятся не только чистые металлы, но и сплавы.

В качестве конструкционных материалов в основном используются сплавы, так как они обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.

Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства, так как они характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний. К числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла, относятся испытания на растяжение, которые рассмотрены в лабораторной работе № 8.

Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности _в и относительное остаточное удлинение ). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала, т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность. Например, в контактных проводах троллейбусов и трамваев благодаря высокой прочности бронза стала применяться вместо меди.

Для сравнения в таблице 8.1 приведены механические свойства некоторых проводников [2].

Таблица 8.1

Материал	Предел прочности в, МПа	Относительное удлинение , %
Алюминий мягкий (АМ)	80	10−18
Алюминий твердый (АТ)	160−170	1,5−2
Медь мягкая (ММ)	260−280	18−35
Медь твердая (МТ)	360−390	0,5−2,5
Бронза	800−1200	1,5−10

Для определения механических характеристик прочности и пластичности проводят испытания на растяжение образцов из исследуемого материала в испытательных машинах. В лабораторной работе испытываются образцы из углеродистой конструкционной стали, которая и в энергетике нашла широкое применение (из нее делают опоры линий электропередач, порталы и осветительные вышки на подстанциях и т. д.).

Углерод в сталь вводится специально, т. к. с повышением его содержания существенно возрастает прочность стали.

Углеродистые стали относятся к числу самых распространённых конструкционных материалов [5]. Объём их производства достигает 85 % от общей выплавки стали. Достоинствами углеродистых сталей являются удовлетворительные механические свойства в сочетании с технологичностью обработки и низкой стоимостью.

Углеродистые стали подразделяются на три основные группы [5]:

− обыкновенного качества;

− качественные стали (общего назначения);

− стали специального назначения (котельную, мостовую, судостроительную и др.).

Углеродистые стали обыкновенного качества характеризуются значительным содержанием вредных примесей, неметаллических включений, газов. Они обозначаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств их подразделяют на три группы: А, Б, В. Эти стали применяются для изготовления металлоконструкций, ненагруженных деталей машин и механизмов, крепёжных деталей, рельсов и т. д.

Углеродистые качественные стали имеют меньшее по сравнению со сталями обыкновенного качества содержание вредных примесей и неметаллических включений. Поставляют их в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали маркируют двухзначными цифрами от 05 до 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь Ст20 содержит в среднем 0,20 % углерода. Эти стали применяют в машиностроении и приборостроении для изготовления кузовов автомобилей, корпусов, зубчатых колёс, осей и т. д.

Углеродистые стали специального назначения отличаются хорошей обрабатываемостью, они предназначены в основном для приготовления деталей массового производства. При обработке, например, автоматных сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка. Котельная сталь хорошо сваривается. Из неё изготавливают котлы, судовые топки, камеры горения газовых турбин и т. д.

Испытание на растяжение относится к числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла. К преимуществам такого испытания относятся: сравнительная простота эксперимента и возможность получить растяжение в чистом виде.

Для испытания используются стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержни с прямоугольным сечением (плоские образцы). Размеры образцов устанавливает ГОСТ 1497-84.

На рисунке 8.1 показан цилиндрический образец для испытания (до и после испытаний). На рисунке 8.2 показано изображение образца на экране монитора.

Рис. 8.1 Образец до и после испытаний

Отношение начальной расчетной длины рабочей части образца к начальному диаметруd_o, т. е. k = , называют кратностью образца. Применяются образцы с кратностью 2, 5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностьюk = 5 (такой образец испытывается в лабораторной работе).

Рис. 8.2. Цилиндрический образец для испытания на растяжение: − начальная длина рабочей части;d_o − начальный диаметр; L – полная длина образца

На рисунке 8.3 приведена фотография испытательной машины ZDM-10, а на рисунке 8.4 – изображение испытательной машины на экране ЭВМ.

Рис. 8.3. Испытательная машина ZDM-10

Рис. 8.4. Изображение испытательной машины на экране монитора

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении. В процессе испытания диаграммный механизм машины непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – абсолютное удлинение образца ℓ (рис. 8.5). У образца удлинение небольшое (всего 6−10 мм), поэтому для наглядности на диаграмме удлинение откладывается в масштабе (в лабораторной работе масштаб = 100/6). На экране монитора удлинение без масштаба обозначено dℓ, так как на клавиатуре нет знака ,а в масштабе – dℓ_m.

Рис. 8.5. Машинная (первичная) диаграмма растяжения пластичного материала с площадкой текучести

Начальный криволинейный участок диаграммы не учитывают, так как он образуется за счет выборки зазоров в узлах машины и местного обмятия головок образца в захватах, т. е. не характеризует свойств испытуемого материала. За начало координат диаграммы принимают точку пересечения оси абсцисс с прямой, проходящей через начальный участок диаграммы.

На диаграмме растяжения материалов можно выделить несколько характерных участков (рис. 8.5). Прямолинейный участок ОА соответствует упругой деформации образца. Дальнейшее возрастание нагрузки (участок АВ) приводит к появлению пластической (остаточной) деформации. Причем у некоторых материалов наблюдается интенсивная пластическая деформация при неизменной нагрузке (участок BB′). Такой участок диаграммы называется площадкой текучести. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести (см. рис. 8.8).

До максимальной нагрузки (рис. 8.5, точка C) происходит равномерная деформация образца по всей его рабочей части. А затем образец в наиболее слабом месте утончается (это место называется шейкой), и на участке СD идет пластическая деформация при снижении нагрузки. В точке D происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

По диаграмме растяжения определяют характеристики механических свойств металла. Причем в качестве характеристики прочности принимают не нагрузку Р, а условное напряжение , определяемое отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца F_о

.

По оси абсцисс откладывается относительное удлинение =ℓ/ℓ_o (в о. е.) или =ℓ/ℓ_o ∙100 %. (Так как на клавиатуре нет буквы , то она заменена на букву E).

На рисунке 8.6 приведены диаграммы условного и истинного напряжений.

Диаграмма напряжений называется условной (приближенной), потому что напряжения найдены по начальной площади поперечного сечения образца F_о, и не учитывает уменьшения сечения (рис. 8.6а). Если в процессе испытания постоянно измерять диаметр образца и вычислять истиное напряжение с учетом сужения, то на этой диаграмме (рис. 8.6б) напряжение возрастает вплоть до разрыва образца.

В лабораторной работе рассматривается условная диаграмма напряжений (рис. 8.7). По этой диаграмме определяются основные характеристики прочности и пластичности.

Рис. 8.6. Диаграммы напряжений: а) условная; б) истинная

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Рассмотрим основные характеристики прочности.

В области упругой деформации (участок ОА, рис. 8.5) зависимость между напряжением  и относительной деформацией пропорциональна и известна под названием закона Гука:

 = Е·,

где Е – модуль Юнга или модуль нормальной упругости измеряется в МПа и характеризует жесткость материала. Чем выше Е, тем материал жестче, т. е. меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка.

Предел пропорциональности (_пц) − это напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает некоторого значения, установленного техническими условиями. В качестве технического условия обычно берут следующее: при напряжении _пц тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, увеличивается на 50 % по сравнению с линейным участком (более подробно определение основных показателей прочности и пластичности изложено в самой лабораторной работе).

Предел текучести (_т) – это напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки (рис. 8.7).

У большинства материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Рис. 8.7. Определение основных характеристик прочности

Условный предел текучести (_0.2) – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца (рис. 8.9). Здесь отрезок OA равен 0,2 % от ℓ_o.

Рис. 8.8. Определение условного предела текучести _0.2

Предел прочности (временное сопротивление, _в) – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (рис. 8.7).

Напряжение при разрыве (σ_к) – это напряжение, соответствующее моменту разрушения образца (рис. 8.7).

Показатели пластичности. Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки.

Выше уже была рассмотрена абсолютная (ℓ) и относительная (ε) деформация под действием нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка ( < σ _пц), то возникает только упругая деформация, и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . А если напряжение > σ _пц, то после снятия нагрузки разгрузка образца идет по прямой, параллельной упругой деформации OA (например, по прямой DF, рисунок 8.5). Отрезок OF соответствует остаточной деформации образца. Относительное остаточное удлинение в этом случае определяется как

 = _.