Порядок выполнения работы

Диаграмма растяжения

В процессе испытания ведется наблюдение за поведением образца, за диаграммой на мониторе компьютера, и за показаниями стрелки силоизмерителя машины.

Типичный вид диаграммы растяжения малоуглеродистой стали - зависимость между растягивающей силой F, действующей на образец, и вызываемой ею деформацией образца Δl изображен на рис. 1.7.

Рис.1.7.

Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали - Ст3.

(F - растягивающая сила, Δ l = l _{конечная длина} – l _{начальная} - абсолютное удлинение образца).
Рассмотрим характерные участки и точки этой диаграммы, а также соответствующие им стадии деформирования образца.

От начала нагружения до определенного значения растягивающей силы F _пц (точка А) имеет место прямая пропорциональная зависимость между силой F и удлинением Δl (участок ОА): F_пц = kΔl.

Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название За­кона Гука. Величина силы F _пц, до которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.

Напряжение, вызванное этой силой, называется пределом пропорциональности и вычисляется по формуле:

σ _пц = F_пц /A,

где А - площадь поперечного сечения образца.

Таким образом, пределом пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука.

Известно, что деформация называется упругой, если она полностью исчезает после разгрузки. Допустим, что, постепенно повышая нагрузку F, будем при каждом ее значении производить полную разгрузку образца.

Пока сила F не достигнет определенной величины F _y (точка B), вызванные нею деформации будут полностью исчезать при разгрузке. Процесс разгружения при этом будет изображаться той же линией, что и линия нагружения.

Участок диаграммы ОВ соответствует упругой стадии растяжения образца и называется участком упругости.

Наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается, называется пределом упругости. Это напряжение вызывается силой F _y и определяется по формуле:

σ _у = F_y/A.

Предел упругости является характеристикой, не связанной с законом Гука. Точка В может располагаться как выше, так и ниже точки А. Эти точки, а следовательно, и значения напряжений σ _пц и σ _у близки друг другу и обычно различием между ними пренебрегают.

В случае, если растягивающее усилие выше F_y (точка B′), при разгрузке образца деформации полностью не исчезают и на диаграмме линия разгрузки будет пред­ставлять собой прямую B′О′, уже не совпадающую с линией нагружения, а параллельную ей. В этом случае деформация образца состоит из упругой Δl _упр и пластической (остаточной) Δl _ост деформации.

Выше точки В при дальнейшем растяжении образца кривая растяжения становится криволинейной и плавно поднимается до точки С, где наблюдается переход к гори­зонтальному участку, называемому участком текучести. На этой стадии растяжения удлинение образца растет при постоянном значении растягивающей силы F _т. Такой процесс деформации называется текучестью материала и сопровождается остаточным (пластическим) удлинением, не исчезающим после разгрузки.

Пределом текучести σ _т называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии F _т, и вычисляемое по формуле:

σ _т = F_т /A

Начало пластической деформации соответствует наступлению некоторого критического состояния металла, которое может быть обнаружено не только по остаточным деформациям, но и по ряду других признаков. При пластической деформации повышается температура образца, у стали изменяются электропроводность и магнитные свойства. В процессе текучести на отшлифованной поверхности образца можно на­блюдать появление линий (полос скольжения), наклоненных примерно под уг­лом 45⁰ к оси образца (рис.1.8, а). Эти линии являются следами взаимных сдви­гов кристаллов, вызванных касательными напряжениями.

Рис.1.8

Линии сдвига называются линиями Чернова по имени знаменитого рус­ского металлурга Д. К. Чернова (1839 – 1921), впервые обнаружившего их.

Удлинившись на некоторую величину при постоянном значении силы, т.е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочняться). Этот участок диаграммы С Д называется участком упрочнения (рис.1.7).

В точке D усилие достигает максимального значения F _проч. Наличие участка упрочнения (от конца площадки текучести до наивыс­шей точки диаграммы растяжения) объясняется микроструктурными измене­ниями материала: когда нагрузка на образец возрастает, микроскопические де­фекты (линейные и точечные) группируются так, что развитие сдвигов кри­сталлов, вызванных касательными напряжениями, затрудняется, а потому со­противление материала сдвигу начинает возрастать и приближаться к его со­противлению отрыву.

Если процесс растяжения остановить в пределах участка С Д, например, в точке А", и начать разгружать образец, то деформация его будет исчезать пропорционально снимаемой нагрузке, т. е. по прямой А"О"", параллельной прямой АО. При повторной нагрузке этого образца линия нагрузки совпадет с прямой А"О"", т.е. увеличится участок пропорциональности. При дальнейшем увеличении растягивающей силы кривая диаграммы совпадет с кривой A" CK. Часть диаграммы, расположенная левее линии А"О"", окажется отсеченной. т.е. начало координат переместится в точку О"" (Рис.1.7, Рис.1.8.а).

Остаточное удлинение после разрыва будет меньше, чем в образце, не подвергавшемся предварительной пластической деформации.

Таким образом, предварительная вытяжка образца за предел текучести изменяет некоторые механические свойства стали - повышает ее предел пропорциональности, т.е. делает ее более упругой, и уменьшает остаточное удлинение, т.е. делает ее более хрупкой (Рис.1.8.а).

Рис.1.8.а. Диаграммы растяжения:

слева - полная для предварительно незагруженного образца,

справа-укороченная для предварительно загруженного до точки. К образца
Изменение свойств материала в результате деформации за пределом текучести называется наклепом. После операции наклепа модуль упругости Е возрастает на 20-30 %.

При достижении усилия F _проч (точка D) на образце появляется местное сужение, так называемая шейка (Рис. 1.8, б). Под действием силы далее быстро уменьшается площадь ее сече­ния, что вызывает падение нагрузки, и в момент, соответствующий точке K диаграммы и силе Fк, происходит разрыв образца по наименьшему сечению образца - в шейке.

До точки D диаграммы, соответствующей F _проч., каждая единица длины образца удлинилась примерно одинаково; точно так же во всех сечениях одина­ково уменьшались поперечные размеры образца.

С момента образования шейки вся деформация образца локализуется на малой длине (l _ш ≈ 2d₀) в области шейки, а остальная часть образца практически не деформируется:
Рис 1.8,б

Диаграмма условных напряжений.Механические характеристики материалов.

Координаты диаграммы растяжения F −Δl (рис.1.7) не являются ка­чественными характеристиками материала, т. к. растягивающая образец сила F зависит от площади сечения, а удлинение образца Δl – от его длины. Чтобы исключить влияние размеров образца и получить диаграмму, ха­рактеризующую поведение не образца, а самого материала, диаграмму растяжения перестраи­вают в координатах σ −ε (напряжение - относительное удлинение) путем деления ординат F на первоначальную пло­щадь сечения образца A ₀, а абсцисс Δl на первоначальную длину образца l. Это равносильно изменению масштабов по обеим осям.

Перестроенная таким образом диаграмма называет­ся диаграммой условных напряжений (рис.1.9).

Рис. 1.9.

Диаграмма условных напряжений.
Название диаграмма условных напряжений объясняется тем, что площадь образца в процессе испытания в действительности изменяет­ся. До образования шейки (точка D) эти изменения незначительны, а вот на участке DK (Рис.1.9) с образованием шейки действительная площадь поперечного сечения образца и первоначальная площадь А _о , по которой определяются ординаты диаграммы, значительно отличаются друг от друга.

Деля величину силы на действительную площадь поперечного сечения образца А, можно получить значения истинных напряжений и построить кривую истинных напряжений диаграммы DH. Таким образом, на рис.1.9 участок DK - условная диаграмма, а участок DH - истинная диаграмма напряжений образца.

Прямолинейный участок диаграммы ОА соответствует участку упругости образца. Закон Гука в данных координатах имеет вид:

 

σ = E ε

Из диаграммы напряжений σ- ε видно, что
tg α = σ / ε = E,
т.е. модуль упругости (Модуль Юнга) при растяжении равен тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс.
Относительное удлинение образца:

ε = Δl / l ∙ 100 %,

относительное сужение образца:

Ψ = ΔА /А l ∙ 100 %

после разрыва являются характеристиками пластичности материала.

В зависимости от величины этого удлинения материалы делят на пластичные, у которых ε > 5% и хрупкие, у которых ε < 5%. Соответственно, чем больше относительное сужение, тем пластичней материал. К пластичным материалам относится малоуглеродистая сталь, медь, свинец, и др., к хрупким - закаленная сталь, чугун, стекло, камень, бетон и др.
Сравнивая рис. 1.7 и рис. 1.9, видим, что ординатам характерных точек диа­граммы растяжения F (F_пц, F_{пц А"}, F_y, F_т, F _проч, F _{разр )} соответствуют следующие механические характеристики материала образца:

– предел пропорциональности σ_пц= F_пц /A

– предел упругости σ_у = F _y/A

– предел пропорциональности при повторной

нагрузке (наклеп) σ_y" = F_{пц А"} /A

– предел текучести σ_т = F_т /A

– временное сопротивление растяжению

(предел прочности при растяжении ) σ _проч = F_проч /A

– истинное напряжение в момент разрыва

(Aш – площадь поперечного сечения шейки) σ _{разр. ист} = F_pазр /A _ш

– условное напряжение в момент разрыва

(не учитывается диаметр шейки!!!) σ _{разр. усл} = F_pазр /A

–абсолютное остаточное удлинение образца Δl = l_кон - l_нач

– относительное остаточное удлинение образца ε = 100Δl / l %

– абсолютное остаточное сужение площади

поперечного сечения ΔА = А – А_ш

– относительное остаточное сужение площади

поперечного сечения Ψ = 100ΔА /А %.

З аметим, что площадка текучести есть у сравнительно немногих металлов - малоуглеродистой стали, латуни и некоторых оттоженных марганцовистых и алюминиевых бронз. Большинству же металлов свойственен постепенный переход в пластическую область. Для сравнения на рис. 2а изображены диаграммы растяжения нескольких металлов: кривая 1- бронзы, 2 - углеродистой стали, 3 - никелевой стали, Рис.2,а

4-марганцовистой стали.

Р азрыв образцов из хрупких материалов происходит при весьма незначительном удлинении и без образования шейки. При испытании на растяжение хрупких материалов определяют обычно только максимальную нагрузку. На рис. 2, б приведена диаграмма

Рис.2,б растяжения хрупкого материала - серого чугуна.

Порядок выполнения работы

• 
  Ознакомиться с испытательной машиной.
• 
  Обмерить с помощью штангенциркуля и микрометра длину и диаметр рабочей части образца.
• 
  Зарисовать в журнале работ эскиз образца, указав размеры его рабочей части.
• 
  Заложить образец в захваты машины и проверить готовность машины к испытанию.
• 
  Включить машину и следить за состоянием испытуемого образца, показаниями силоизмерителя и диаграммой на дисплее компьютера.
• 
  В зоне упругости с помощью тензометра замерять удлинения образца при равных приращениях нагрузки.
• 
  После прохождения площадки текучести снять нагрузку и вновь нагрузить образец, продолжая испытание до его разрыва.
• 
  После разрушения образца выключить машину, вынуть обе части разорвавшегося образца.
• 
  Установить обе части образца в струбцину, замерить длину рабочей части и диаметр шейки после испытания и внести их в базу.
• 
  Распечатать диаграмму растяжения в координатах «усилие – абсолютная деформация» и «напряжение – относительная деформация».
• 
  Записать характеристики прочности и пластичности материала образца и указать их размерность.
• 
  Определить модуль упругости Е (модуль Юнга).
• 
  Определить с помощью таблиц марку стали, из которой изготовлен образец.

Пример обработки опытных данных
Лабораторная работа № 2.

Испытание на растяжение образца из низкоуглеродистой стали
Цель испытания:

1. Получить диаграмму растяжения и исследовать процесс растяжения образца из малоуглеродистой стали вплоть до его разрушения.

2, Экспериментально подтвердить справедливость закона Гука при растяжении и определить значение модуля упругости Е.

3. Определить механические характеристики материала образца (предел пропорциональности σ _пр., предел упругости σ _упр., предел текучести σ _тек., временное сопротивление (предел прочности ) σ _проч., истинное напряжение в месте разрыва образца σ _{разр.ист}., условное напряжение в момент разрыва σ _{разр.усл. .}, относительное остаточное удлинения ε и относительного остаточного сужения площади поперечного сечения Ψ (в %).

4. Определить марку стали, пользуясь справочной таблицей.
Машины и материалы:

Испытательная разрывная машина ГМС - 50, тензометр, штангенциркуль, образец из низкоуглеродистой стали.
Схема ГМС-50:

связанные с верхним захватом образца 4, 5- неподвижная станина, соединенная с нижним захватом образца. 6 - измерительный цилиндр, 7- маятник, 9 стрелочный механизм, ПК, дисплей.

Схемы образца:
До разрыва: После разрыва:

Схема крепления рычажного тензометра на образце:

Таблица наблюдений:

Результаты испытания:
Данные размеров образца до опыта и после опыта заносим в базу данных Программы испытания образцов. По полученным с помощью ПЭВМ диаграмме растяжения образца - зависимости F-∆ l (Рис.1.) и диаграмме напряжений (σ - ε) ((Рис.2) определяем механические и пластические характеристики материала.

Рис.1.Диаграмма растяжения Рис.2.Диаграмма напряжений

–

- предел пропорциональности σ_пц= F_пц /A=