18

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТных свойств МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей всех форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2009

Цель работы: изучить методику испытания прочности и пластичности материалов при растяжении и научиться по результатам испытания оценивать сопротивление материалов растягивающим статическим нагрузкам.

Основные понятия Механические свойства материалов

Целью механических испытаний материалов является определение тех свойств, которые с наибольшей полнотой будут характеризовать надежность работы соответствующих изделий (деталей машин, приборов и конструкций, а также инструментов) в заданных условиях эксплуатации. Совокупность таких механических свойств можно называть конструктивной прочностью.

В качестве критериев оценки конструктивной прочности принимают разные сочетания механических свойств. Можно выделить следующие группы критериев:

- оценки прочностных свойств материалов, определяемые часто независимо от особенностей изготовляемых из них изделий и условий их эксплуатации;

- оценки свойств материалов непосредственно связанных с условиями эксплуатации изделий и определяющие их долговечность и надежность (усталостная прочность, контактная выносливость, износостойкость, коррозионная стойкость и др.);

- оценки прочности конструкций в целом, определяемые при стендовых и эксплуатационных испытаниях. При таких испытаниях выявляется влияние не только материала, но и всех технологических операций изготовления изделий и конструктивных факторов.

В данной лабораторной работе основное внимание будет уделено оценке прочностных свойств материалов, которые обычно определяют в условиях растяжения при статическом нагружении (пределы прочности, текучести, пропорциональности, а также ха­рактеристики пластичности).

Прочностью материала называют его способность сопротивляться деформации и разрушению при действии механических сил. Пластичность материала представляет его склонность приобретать остаточную деформацию без разрушения под действием механических сил.

Для испытания на растяжение исполь­зуют разрывные испытательные машины. Для испытаний используют образцы пропорциональные цилиндрические (рис. 1) или плоские (рис. 2). Для плоских образцов соотношение между шириной и толщиной в рабочей части не должно превышать 8:1.

Рис. 1. Типы пропорциональных цилиндрических образцов для испытаний на растяжение (ГОСТ 1497-84)

Рис. 2. Типы пропорциональных плоских образцов (ГОСТ 1497-84):

а — тип I, плоские образцы с головками; 6 — тип II, плоские образцы без головок

Испытания на растяжение

При растяжении образца до разрушения графически фиксируют зависимости между приложенным уси­лием и удлинением образца, получая диаграммы дефор­мации (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма деформации материала

Деформация образца при нагружении сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодина­ковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие в конечном счете к пол­ному разрушению образца в целом.

При испытании на растяжение согласно ГОСТ 1497-84 определяют следующие ха­рактеристики:

1. Предел пропорциональности σ_пц – отвечает напряжению, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой нагрузка-удлинение в точке Р_пц с осью нагрузок увеличивается на 50 % от своего значения на упругом (линейном) участке. На рис. 4 показано определение предела пропорциональности графическим способом. В этом случае из начала координат диаграммы растя­жения, записанной от электрического силоизмерителя и измери­теля деформации, проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком этой диаграммы. Затем на произвольном уровне проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и на ней откладывают отрезок rn равный половине отрезка mr. Через точку п и начало координат проводят прямую On и параллельно ей – касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет нагрузку Р_пц в ньютонах, отвечающую пределу про­порциональности:

где F_o – начальное поперечное сечение образца.

Размеры пропорциональных цилиндрических образцов III типа и плоских образцов для испытания на растяжение приведены в табл. 1 и табл. 2 соответственно.

Таблица 1

Размеры пропорциональных цилиндрических образцов III типа, мм

Номер образца	d0	l0=5d0	l=10d	D	h1	h2	r
1	25	125	250	45	30	5	5
2	20	100	200	34	25	5	5
3	15	75	150	28	20	3	3
4	10	50	100	16	10	3	3
5	8	40	80	13	10	3	2
6	6	30	60	12	10	2,5	1,5
7	5	25	50	11	10	2,5	1,5
8	4	20	40	9	8	2,5	1,5
9	3	15	30	7	7	2,0	1,5

Таблица 2

Размеры пропорциональных плоских образцов, мм

Номер образца	a0	b0	l0=5,65	l0=11,3	B	h1
1	25	30	155	310	40	100
2	24	30	155	310	40	100
3	23	30	150	300	40	90
4	22	30	145	290	40	90
5	21	30	140	280	40	80
6	20	30	140	280	40	80
7	19	30	135	270	40	80
8	18	30	130	260	40	80
9	17	30	125	250	40	80
10	16	30	125	250	40	80
11	15	30	120	240	40	70
12	14	30	115	230	40	70
13	13	30	110	220	40	70
14	12	30	105	210	40	60
15	11	30	105	210	40	60
16	10	30	100	200	40	60
17	9	30	90	180	40	50
18	8	30	85	170	40	50
19	7	20	70	140	40	50
20	6	20	65	130	40	50
21	5	20	60	120	40	50
22	4	20	50	100	40	50
23	3	20	45	90	30	40

2. Предел упругости а_0,05 – напряжение, при котором оста­точное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Определяют предел упругости расчетным (по разгрузке и нагрузке) и графическим способами. При использовании способа нагрузки с допуском на величину полного удлинения (упругого + остаточного) образец после уста­новки на него тензометра нагружают равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению 70-80 % от предпола­гаемого предела упругости σ_0,05. Дальнейшее нагружение про­водят более мелкими ступенями с выдержкой не более 7 с.

Вычисляют величину допуска на полное удлинение суммиро­ванием определенного среднего упругого удлинения и рассчитан­ного остаточного удлинения.

Определяют нагрузку Р_0,05, соответствующую установленному допуску на полное удлинение образца. Для уточнения значения Р_0,05 допускается применение метода линейной интерполяции.

Графическим способом предел упругости σ_0,05 определяют _по начальному участку диаграммы растяжения, записанной от электрических силоизмерителя и измерителя деформации (рис. 4). Удлинение определяется на участке, равном базе измерителя деформации.

Для определения нагрузки Р_0,05 вычисляют соответствующее остаточное удлинение с учетом базы измерителя деформации. Найденное значение увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси абсцисс вправо от начала координат О. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой ОА. Точка пере­сечения Р с диаграммой растя­жения определяет искомую на­грузку Р_0,05. Масштаб по оси удлинения должен быть не менее 100 : 1 при базе измери­теля деформации 50 мм и более и не менее 200 : 1 при базе из­мерителя менее 50 мм; по оси нагрузки 1 мм диаграммы дол­жен соответствовать не более 10 МПа.

Предел упругости σ_0,05 вы­числяют по формуле, МПа:

.

Рис. 4. Схема определения предела про­порциональности σ_пц при растяжении

Рис. 5. Схема определения предела упру­гости σ_0,05 при растяжении

3. Модуль упругости Е – отношение приращения напря­жения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации; модуль упругости определяют расчетным способом с помощью тензометров и графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения, записанной от элек­трических силоизмерителя и измерителя деформации.

Модуль упругости вычисляют по формуле, МПа:

,

где – приращение нагрузки; – среднее приращение удлинения; – начальная расчетная длина образца; F_о – на­чальная площадь поперечного сечения.

4. Предел текучести физический (нижний предел текучести) – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Верхний предел текучести – напряжение, соответству­ющее верхнему пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца.

Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики. Упомянутые пределы текучести определяют по диаграмме растяжения, полученной на испытательной машине, если 1 мм диаграммы по оси нагрузок соответствует не более 10 МПа:

МПа

Соответствующие нагрузки Р_т, Р_тв, Р_тн для различных видов диаграммы растяжения представлены на рис. 6.

Предел текучести условный определяют расчетным спосо­бом с применением тензометров так же, как и предел упругости . Для определения графическим методом сначала вы­числяют величину остаточного удлинения с учетом установленного допуска исходя из рабочей длины образца. Найденное значение увеличивают про­порционально масштабу диаграммы рас­тяжения и полученный отрезок длины откладывают по оси удлинения от точки О до точки Е (см. рис. 6). Из точки Е проводят прямую параллельно прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяет нагрузку Р_0,2, соответствующую условному пределу те­кучести , МПа:

.

Рис. 6. Схема определения предела текучести при растяжении

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

5. Временное сопротивление (предел прочности) σ_в – напря­жение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_тах, предшеству­ющей разрыву образца. Временное сопротивление вычисляют по формуле, МПа:

6. Относительное удлинение (после разрыва) – одна из харак­теристик пластичности материалов, равная отношению прираще­ния расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине , %:

7. Относительное равномерное удлинение – отношение при-ращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

8. Относительное сужение после разрыва , как и относи­тельное удлинение – характеристика пластичности материала и определяется как отношение разности F_o и минимальной F_к площади поперечного сечения образца после разрушения к на­чальной площади поперечного сечения F_o, выраженное в про­центах.