Лабораторная работа №1. Изучение диаграммы растяжения. Определение механических характеристик малоуглеродистой стали.

 

Цель работы:

1.Получить диаграмму растяжения;

2.Определить характеристики прочности материала;

3.Определить характеристики пластичности материала.

I. НЕОБХОДИМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

1. Разрывная машина с силоизмерительным устройством Р-10;

2. Штангенциркуль;

3. Образцы (сталь).

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫРАБОТЫ

При определении качества конструкционных материалов, выпускаемых промышленностью, одним из основных видов испытаний являются испытания на растяжение. Результаты испытаний позволяют судить о прочности материалов при статических нагрузках, выбирать материал для проектируемой конструкции. Они являются основными при расчетах на прочность деталей машин и элементов конструкций.

Механические характеристики материалов зависят от многих факторов: вида нагружения, времени воздействия нагрузки, скорости нагружения, температуры, радиации и др. Наиболее простыми являются испытания материалов при комнатной температуре t =20⁰C и статическом нагружении, когда мин^-1.

Механические характеристики делятся на три группы:

- характеристики прочности;

- характеристики пластичности;

- характеристики вязкости.

Характеристиками прочности измеряют силовую реакцию твёрдых тел на воздействие внешних нагрузок. Эта реакция непостоянна в процессе нагружения и в ней явно прослеживаются несколько характерных зон (см. диаграмму нагружения). К характеристикам прочности относятся: предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, разрушающее напряжение. Дадим определение этих понятий в порядке возрастания значений их величин.

Предел пропорциональности – это наибольший уровень условного напряжения, при котором не наблюдается существенного нарушения закона Гука (каково удлинение, такова сила). Это напряжение определяют по формуле

,

где нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности; первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Предел упругости – это наибольший уровень условного напряжения, при котором материал проявляет упругие свойства, заключающиеся в том, что образец практически полностью восстанавливает свои первоначальные размеры после снятия внешней нагрузки. Его определяют по формуле

,

где нагрузка, соответствующая пределу упругости.

Предел текучести – это наименьший уровень условного напряжения, при котором наблюдается значительный рост деформаций образца при постоянной (или слегка уменьшающейся) нагрузке. Этот предел определяют по формуле

,

где нагрузка, соответствующая пределу текучести.

Если в поведении материала не прослеживается площадка текучести (см. диаграмму нагружения) и стрелка силоизмерителя не останавливается на некоторый промежуток времени, то определяют условный предел текучести, соответствующий относительной деформации образца или 0,2 %:

.

Предел прочности, чаще называемый временным сопротивлением, – это условное напряжение, соответствующее наибольшему уровню нагрузки, воспринимаемому образцом. Находят эту величину по формуле

,

где наибольшая нагрузка на образец.

Разрушающее напряжение – это напряжение, при котором происходит разрыв образца. Этот предел не имеет особого практического значения и используется только при изучении процесса образования трещин. Разрушающие напряжения делятся на условные и истинные:

условное; истинное,

где разрушающая нагрузка; площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Так как первоначальная площадь приблизительно в два раза превышает площадь разрыва , а разрушающая нагрузка составляет приблизительно 80 % от наибольшей нагрузки , то

; .

Характеристиками пластичности измеряют деформативную реакцию твёрдых тел, т.е. их способность изменять свои размеры под воздействием нагрузок. Пластичность материала характеризуют две величины:

- относительное остаточное удлинение образца (в процентах)

;

- относительное остаточное сужение поперечного сечения (в процентах)

.

В этих формулах , длина расчётной части и площадь сечения до нагружения; , то же после разрыва образца.

Характеристикой вязкости измеряют способность твёрдых тел сопротивляться импульсному и ударному воздействию нагрузок. Количественным показателем этой характеристики является удельная работа внешних сил, затрачиваемая на деформирование и разрушение единицы объёма материала:

,

где W – работа, совершаемая машиной на растяжение образца вплоть до его разрыва; объём расчётной части образца.

Для испытания на растяжение используются специально из­готовленные образцы, которые вытачиваются из прутка или выре­заются из листа. Основной особенностью этих образцов является наличие длинной, сравнительно тонкой рабочей части и усиленных мест (головок) по концам для захвата.

Проводятся ис­пытания цилиндрического образца, форма и размеры которого при­ведены на рис. 1.

Рис.1. Цилиндрический образец:

- расчетная длина образца, - рабочая длина образца, - длина конусообразной части образца, - длина головки образца, - полная длина образца, - диаметр сечения расчетной и рабочей длины, - диаметр основания конуса (у головки), - диаметр головки образца.

 

Для замера деформаций на расчетной части образца отме­чают отрезок, называемый расчетной длиной. Чаще всего применяются цилиндрические образцы, у кото­рых расчетная длина равна десяти диаметрам (длинные образцы) и образцы с расчетной длиной равной пяти диаметрам (короткие об­разцы). Чтобы результаты испытаний образцов прямоугольного и круглого сечений были сопоставимы, в случае прямоугольного сечения в качестве характеристики, опре­деляющей расчетную длину, принимается диаметр равновеликого круга.

На рис. 2 показан эскиз пропорционального цилиндрического образца до нагружения и после его разрыва.

Для получения сравнимых результатов испытаний образцы с цилиндрической или прямоугольной формой поперечного сечения рабочей части изготавливаются по ГОСТ 1497-84.

Рис. 2. Образец для испытания на растяжение: а – до нагружения; б – после разрыва

 

ДИАГРАММОЙ РАСТЯЖЕНИЯ называется график, показывающий функ­циональную зависимость между нагрузкой и деформацией при стати­ческом растяжении образца до его разрыва. Эта диаграмма вычерчивается автоматически на разрывной машине специальным приспособлением. В нашей лаборатории для этой цели используется разрывная машина Р-10.

На рис. 3 показан примерный вид параметрической диаграммы растяжения малоуглеродистой стали в координатах: абсолютное удлинение − нагрузка . В качестве параметра здесь выступает время нагружения, которое для простоты обычно не показывают.

Рис. 3. Диаграмма растяжения образца

 

Так как испытание проводят на гидравлической машине, в которой деформация является первичной ( ), а нагрузка вторичной ( ), то осью абсцисс (аргументом) является абсолютное удлинение , а осью ординат (функцией) – нагрузка F, т.е. фактически мы имеем зависимость , интерпретированную Гуком, проводившим опыты в упруго-пропорциональной зоне нагружения: «каково удлинение, такова сила». Однако в современной трактовке, с учётом того что в реальных условиях эксплуатации машин и сооружений первичной является нагрузка, функциональную зависимость обращают, полагая, что , и обсуждают, как изменяется деформация образца в зависимости от нагрузки (какова сила, таково удлинение).

На диаграмме растяжения OABCDEG показаны 7 характерных точек, соответствующих определённому уровню нагрузки и ограничивающих 6 различных зон деформирования:

OA – зона пропорциональности (линейной упругости);

AB – зона нелинейной упругости;

BC – зона упругопластических деформаций;

CD – зона текучести (пластических деформаций);

DE – зона упрочнения;

EG – зона закритических деформаций.

На участке OA смещение атомов монокристаллов пропорционально приложенной нагрузке. Дефекты кристаллической решётки практически не проявляются.

На участке OB материал ведёт себя упруго. Поведение кристаллической решётки на участке AB характеризуется небольшой нелинейностью. Нужно заметить, что на участке пропорциональности OA материал ведёт себя одновременно и как абсолютно упругий (т. B всегда выше т. A).

На участке BC наблюдается нарастающая нелинейность в деформировании кристаллической решётки. Для выхода новых дислокаций (нарушений строения кристаллов) на поверхность монокристаллов требуется всё меньшее приращение внешней нагрузки .

На участке CD, называемом площадкой текучести, происходит лавинообразный выход дислокаций на поверхность, что приводит к значительному удлинению образца при почти постоянном уровне нагрузки, когда .

На участке DE после выхода на поверхность большей части дефектов кристаллической решётки материал самоупрочняется, и образец всё ещё способен воспринимать некоторое приращение нагрузки. Однако расстояние между атомами постепенно достигает критического значения (приблизительно в два раза больше первоначального), за которым происходит «разрыв» внутренних связей. При подходе к т. E деформации начинают локализоваться в области наиболее слабого сечения, где зарождается шейка образца.

На участке EG заканчивается формирование шейки. Происходит лавинообразное разрушение связей, когда процесс деформирования уже необратим и временное равновесие между внутренними силами и внешней нагрузкой возможно только при уменьшении последней. В т. G происходит разрыв образца. Его размеры восстанавливаются на величину упругой деформации, которая на 2 – 3 порядка меньше остаточных пластических деформаций. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

На рис. 4 показана принципиальная схема универсальной гидравлической машины Р-10. На ней можно проводить испытания образцов при растяжении, сжатии и изгибе. Максимальное усилие, развиваемое машиной, составляет 10 тс или 100 кН.

Испытательная разрывная машина Р-10 состоит из нескольких механизмов: двигательного, передаточного, исполнительного, регистрирующего, управляющего. Каждый из механизмов скомпонован из нескольких узлов, в которые входят подвижные и неподвижные детали, называемые звеньями. Рассмотрим кратко состав механизмов и их функциональное предназначение.

I. Двигательный механизм. Он состоит из основного электродвигателя 1, предназначенного для работы масляного насоса 2, и вспомогательного электродвигателя, приводящего в движение червячно-винтовой механизм 7.

II. Передаточный механизм. Сюда входит система трубопроводов 3, соединяющих масляный насос 2 с цилиндром 10, в котором перемещается плунжер 12, передающий давление на поперечину 13, связанную с верхним захватом 8 а.

III. Исполнительный механизм. Он состоит из верхнего 8 а и нижнего 8 б захватов, позволяющих приложить к образцу 9 растягивающее усилие. Для замыкания силовой цепи нижний захват 8 б соединён червячно-винтовым механизмом 7 со станиной 6, связанной колоннами 5 с верхней траверсой 11, в которую жёстко вмонтирован рабочий цилиндр 10.

Рис. 4. Принципиальная схема разрывной машины Р-10:

1 – электродвигатель; 2 – масляный насос; 3 – трубопровод; 4 – регулятор давления;

5 – колонны; 6 – станина; 7 – червячно-винтовой механизм;

8 а – верхний захват; 8 б – нижний захват; 9 – образец; 10 – рабочий цилиндр;

11 – верхняя траверса; 12 – плунжер; 13 – поперечина; 14 – вторичный рычаг; 15 – зубчатая рейка;

16 – шкала; 17 – стрелка; 18 – первичный рычаг; 19 – трос; 20 – переключатель; 21 – перо;

22 – барабан; 23 – передача; 24 – плунжер силоизмерительного устройства; 25 – торсион

 

IV. Регистрирующий механизм. Он предназначен для визуального снятия приложенного в данный момент времени усилия на образец и фиксирования всего процесса нагружения. Силоизмерительное устройство состоит из трёх цилиндров с плунжерами 24, передающих давление на рычаги 18, 14, жёстко соединённые с торсионом 25. Рычаг 14 двигает зубчатую рейку 15, которая вращает стрелку 17 по шкале 16. Процесс нагружения образца непрерывно фиксируется с помощью диаграммного аппарата, состоящего из барабана 22 с закреплённой бумагой и пера 21. Угловая скорость вращения барабана и, следовательно, перемещение пера по окружности пропорциональны удлинению образца. Перемещение пера вдоль образующей барабана пропорционально развиваемому усилию.

V. Управляющий механизм. Сюда входит электрическая схема (на рис. 1 не показана) с кнопками включения основного и вспомогательного двигателей, штурвал управления регулятором давления масла 4 в гидравлической системе и переключатель шкалы 16 силоизмерительного устройства.

 

III. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Испытание образца на растяжение проводят в следующем порядке:

- измеряют штангенциркулем диаметр образца в 3 – 5 местах по длине и записывают его наименьшее значение в протокол испытания;

- намечают на поверхности образца начало и конец расчётной длины и записывают её значение в протокол испытания;

- устанавливают образец в захваты испытательной машины Р-10, создают незначительное натяжение путём опускания нижнего захвата и настраивают силоизмерительное устройство на нулевую нагрузку;

- закрепляют бумагу на барабан диаграммного устройства и опускают на неё перо;

- включают основной электродвигатель и регулируют первоначальную скорость нагружения приблизительно 20 кгс/с, наблюдая за движением стрелки;

- фиксируют показание стрелки силоизмерителя во время её остановки и записывают в протокол испытания значение нагрузки , соответствующей пределу текучести;

- фиксируют наибольшее отклонение стрелки и записывают в протокол испытания значение нагрузки ,соответствующей пределу прочности;

- фиксируют показание стрелки в момент разрыва образца и записывают в протокол испытания значение нагрузки , соответствующей разрушающему напряжению;

- вынимают части образца из захватов машины и, плотно приложив их друг к другу, измеряют наименьший диаметр шейки образца и расчётную длину и записывают их значения в протокол испытания;

- снимают бумагу с диаграммного аппарата и проводят координатные оси и F;

- измеряют ординаты диаграммы и , соответствующие нагрузкам и ;

- вычисляют приблизительное значение нагрузки , соответствующей пределу пропорциональности:

;

- находят приблизительное значение нагрузки , соответствующей пределу упругости:

;

- вычисляют площади сечения до испытания и после разрыва:

; ;

- вычисляют все характеристики прочности:

предел пропорциональности ;

предел упругости ;

предел текучести ;

предел прочности ;

разрушающее напряжение условное ;

разрушающее напряжение истинное ;

- определяют характеристики пластичности:

относительное остаточное удлинение ;

относительное остаточное сужение ;

- находят полную работу деформации, численно равную площади диаграммы растяжения:

;

- вычисляют характеристику вязкости:

удельная работа деформации ;

- устанавливают марку стали, используя справочные данные (таблица 1) и, в со­ответствии с этим решить, в каких конструкциях материал может найти применение. При выборе марки принимают ту строку, которая наиболее точно подходит по трём характеристикам: пределу текучести, пределу прочности и относительному удлинению (относительному сужению).

 

Таблица 1

Материал	Временное сопротивление (предел прочности) , МПа	Предел текучести , МПа	Относительное удлинение , %	Предел выносливости, МПа
Углеродистые стали обыкновенного качества
Ст 2кп	330...420	200…220	30…33	120…160	170…220	80…130
Ст2пс(сп)	340…440	210…230	29…32
Ст 3кп	370…470	220…240	24…27	120…160	170…220	100…130
Ст 3пс(сп)	380…490	230…250	23…26
Ст 4кп	410…520	240…260	22…25	-	190…250	-
Ст 4пс(сп)	420…540	250…270	21…24
Ст 5пс(сп)	500…640	270…290	17…20	170…220	220…300	130…180
Ст 6пс(сп)		300…320	12…15	190…250	250…340	150…200
Углеродистые качественные стали (нормализованные)
	340…420			120…150	160…220	80…120
	420…500			120…160	170…220	100…130
	500…600			170…210	200…270	110…140
	580…700			180…240	230…320	140…190
	610…750			190…250	250…340	150…200
	640…800			200…260	270…350	160…210
	690…900			220…280	310…380	180…220
Легированные стали
20Х	720…850	400…650		-	310…380	170…230
40Х	730…1050	650…900	15,5	240…340	320…480	210…260
45Х	850…1060	700…950		-	400…500	-
40ХН	1000…1450	800…1300	-	310…420	460…600	-
30ХГСА	1100…1700	850…1500		-	480…700	280…400
60Г				250…320	-	-

 

- делают вывод в форме, соответствующей поставленной цели лабораторной работы.