3. Описание лабораторной установки

Образцы для определения основных механических характеристик при растяжении могут быть круглого или прямоугольного поперечного сечения. Для удобства закрепления в машине они имеют на концах утолщения, называемые головками. Основная рабочая часть образца, контролируемая при испытании, имеет длину, кратную 5 или 10 диаметрам (если образцы цилиндрические) или 5-10 размерам ширины, если поперечное сечение образца прямоугольное. Контрольная длина образца отмечается рисками, наносимыми на стержне. Между головками и рабочей частью образца выполнен плавный переход (рис. 1).

Рис. 1

Для испытания на сжатие применяют цилиндрические образцы с отношением высоты к диаметру, равным (см. рис.7).

Механические испытания на растяжение и сжатие проводят на специальных машинах, снабженных записывающими устройствами, автоматически вычерчивающими график зависимости между силой, растягивающей или сжимающей образец, и абсолютной продольной деформацией удлинения или укорочения . В лаборатории сопротивления материалов СЗТУ растяжение и сжатие образцов осуществляют на испытательных машинах ИМ-4а или Р-5, принципиальная схема машины приведена на рис. 2. Устройство и принцип действия этих машин подробно объясняется преподавателем на занятиях в лаборатории.

Рис. 2

4. Порядок выполнения работы

Растяжение образцов из малоуглеродистой стали. Рекомендуется обратить внимание на особенность диаграммы растяжения (рис. 3). В начале испытания на ней легко заметить прямолинейную часть ОА, соответствующую линейной зависимости между нагрузкой и деформацией. При дальнейшем нагружении на диаграмме появляется горизонтальный участок – площадка текучести. В этот момент материал образца как бы «течет» - идет процесс удлинения, без заметного роста нагрузки (рис. 3) – участок .

После стадии текучести материал снова начинает сопротивляться возрастающей нагрузке. Это явление называется деформационным упрочнением (участок ). Дальнейшее увеличение нагрузки до некоторого максимального значения приводит к образованию шейки - местного сужения образца (рис.1, б), вследствие чего его сопротивление растяжению резко уменьшается и образец разрушается.

На диаграмме растяжения можно указать характерные точки, определяющие основные характеристики прочности материала.

Рассмотрим характерные участки и точки диаграммы растяжения, приведенной на рис. 3. Участок ОА – прямая линия. Зона работы материала на этом участке соответствует упругой деформации, которая исчезает после снятия нагрузки с образца. Здесь справедлив закон Гука. Напряжение, соответствующее предельному значению упругой работы материала, где нагрузка на образце отмечена значением силы (точка А диаграммы) называется пределом пропорциональности ( ) и определяется как

,

где А₀ - первоначальная площадь поперечного сечения образца.

После точки А диаграмма принимает криволинейное очертание. Участок АВ – упругая нелинейная деформация. Напряжение, соответствующее нагрузке в точке В диаграммы, называется пределом упругости ( ) и определяется по формуле

.

Выше точки В диаграммы – до точки С остаточная деформация в образце возникает только в отдельных, слабых зернах металла. По мере повышения нагрузки пластическая деформация постепенно распространяется на весь объем деформируемого материала – металл начинает течь (точка С диаграммы). Появляется горизонтальный участок диаграммы – площадка текучести; свидетельствующая о росте удлинения образца без видимого увеличения нагрузки.

Напряжение, соответствующее нагрузке , определяющей положение площадки текучести, называется пределом текучести ( ) материала и определяется формулой

.

Это напряжение, при котором происходит интенсивная деформация образца без заметного увеличения нагрузки. Его называют еще физическим пределом текучести.

Не во всех металлических материалах при деформации возникает площадка текучести, чаще на диаграммах она отсутствует. Для таких материалов определяется условный предел текучести, как напряжение, которое соот-ветствует остаточной деформации, составляющей 0,2 % от исходной расчетной длины образца (рис. 4):

.

Чтобы найти условный предел текучести, необходимо вычислить величину удлинения, равную 0,2 % от первоначальной расчетной длины образца . Отрезок , равный полученному удлинению, надо отложить на оси абсцисс

диаграммы (рис. 4). Из точки провести прямую , параллельную прямой ОА. Точка пересечения этой прямой с кривой диаграммы растяжения и определит величину нагрузки ,соответствующую условному пределу текучести.

После предела текучести материал снова приобретает способность сопротивляться увеличению нагрузки.

Диаграмма растяжения (см. рис. 3) после точки С имеет криволинейное очертание выпуклостью вверх – деформации растут значительно быстрее, чем нагрузка.

В точке D диаграммы нагрузка на образец достигает наибольшей величины и служит для определения величины временного сопротивления или предела прочности

.

Временным сопротивлением (пределом прочности) называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом.

На участке DE диаграммы площадь сечения в зоне шейки уменьшается более интенсивно, чем нагрузка Р.

В момент разрушения можно вычислить истинное напряжение при разрыве

,

где - площадь поперечного сечения шейки после разрыва образца.

При испытании на растяжение определяют также две характеристики пластичности материала, а именно: остаточное относительное удлинение и относительное сужение площади сечения в месте разрыва . Обе эти величины вычисляются в процентах.

Относительное остаточное удлинение при разрыве определяется по формуле

,

где - исходная расчетная длина образца, - длина, замеренная между кернами плотно составленного после разрушения образца. Абсолютное остаточное удлинение образца может быть приближенно определено по диаграмме растяжения (см. рис. 3).

Относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца вычисляется по формуле

,

где А₀- площадь сечения образца до испытания.

Полученная диаграмма растяжения (рис. 3) характерна для пластичных материалов, т. е. для материалов, способных получать значительные остаточ-ные деформации и к моменту разрушения.

Растяжение образца из чугуна. Растяжение чугунного образца проводится на той же машине. Форма и размеры чугунного образца такие же, как и у стального.

Чугун в обычных условиях – хрупкий материал.

На диаграмме растяжения (рис. 5) отсутствует площадка текучести, нет

явления упрочнения. Процесс разрушения происходит без образования шейки (рис. 6, б). Считается, что вплоть до разрушения хрупкий материал работает в пределах упругости. На диаграмме растяжения определяется лишь одна механическая характеристика – предел прочности . Предел прочности вычисляется делением максимальной нагрузки на первоначальную площадь поперечного сечения А₀.

Рис. 6

Сжатие образца из малоуглеродистой стали. Получаемая в результате испытания диаграмма сжатия приведена на рис. 7,а. Изменение знака кривизны

диаграммы после прохождения точки А^´ объясняется ростом нагрузки вследствие значительного увеличения поперечного сечения сжимаемого об-разца.

Нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности, определяется на диаграмме в точке А, где прекращается линейная зависимость между силой и деформацией (прямая переходит в кривую).

Условный предел текучести определяется так же, как и при растяжении, по величине остаточной деформации, равной .

При испытании пластичных материалов таких, как железо, медь, алюминий, разрушения при сжатии вообще не происходит. Образцы сжимаются в тонкие диски без разрушения.

Испытание пластичных материалов на сжатие имеет следующую особенность: между образцом и сжимающими его поверхностями возникают силы трения, которые мешают свободной деформации торцевых поверхностей образца, в то время как средней части по высоте образца деформироваться в поперечных сечениях они не мешают. В результате образец при деформации получает бочкообразную форму (рис. 7,б).

По диаграмме сжатия стали определяются две характеристики прочности:

предел пропорциональности

и условный предел текучести

,

где А₀ - первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Сжатие образца из чугуна. Образцы из хрупких и малопластичных материа-

.

лов при испытании на сжатие можно довести до разрушения. Диаграмма сжатия хрупкого образца приведена на рис. 8.

Типы возможных разрушений хрупких материалов при сжатии показаны на рис. 9. При сжатии хрупких неметаллических материалов может начаться

выкрашивание боковых частей образца по очертанию поверхности двух конусов, как показано на рис. 9, а.

Рис. 9

Хрупкие металлические материалы разрушаются путем сдвига по плоскости, наклоненной под углом около 45⁰ к оси образца, вдоль которого действует сжимающая сила Р, на рис. 9,а показан характер разрушения цементного образца, на рис. 9,б – чугунного образца. Разрушение материалов слоистой или волоконной структуры (деревянный образец, сжимаемый вдоль волокон) происходит с образованием трещин, параллельных оси стержня (рис. 9,в). При смазке силы трения в поверхностях соприкосновения образца с плитой машины оказываются незначительными и образец имеет возможность свободно деформироваться в поперечном направлении. Когда поперечная деформация образца достигает предельной величины, образец разрушается с образованием ряда вертикальных трещин.

Величина предела прочности чугуна определяется по диаграмме сжатия (рис. 8)