1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ
Цель работы: изучить сопротивление малоуглеродистой стали растяжению до разрушения; получить диаграмму растяжения; определить основные характеристики прочности и пластичности материала образца; определить понятие "модуль упругости, Е" как физическую величину; определить марку стали.
Оборудование и инструменты: испытательная машина Р-5; образец (рис.1.1); штангенциркуль.
Рис.1.1
Теоретические предпосылки. Определение прочностных и пластических характеристик материала при растяжении позволяет судить о прочности материала при статических нагрузках, выбирать материал для проектируемой конструкции и расчитывать детали машин, элементы конструкций и сооружений на прочность.
Основные параметры определяют по диаграмме растяжения Р - Δ l (рис.1.2., в отчете, необходимо проставить характерные точки и необходимые величины), получаемой обычно с помощью записывающего устройства. На этапе нагружения до некоторой силы Рпц - предел пропорциональности - точка А, наблюдается прямо пропорциональная зависимость между удлинением Δ l образца и вызвавшей его силой Р (закон Гука). После разгрузки первоначальная длина образца восстанавливается, т.е. деформация упругая. При дальнейшем нагружении начинается некоторое отклонение от прямой, а после разгрузки деформация исчезает не полностью, т.е. появляется остаточная деформация. Сила Ру (точка В) вызывает в образце остаточную деформацию 0.001...0,005 %. По достижению нагрузкой некоторого значения Рт – предела текучести - точка С, деформация начинает расти быстрее нагрузки, а для некоторых материалов (мягкая сталь) образец удлиняется (течет) без увеличения нагрузки, а иногда при уменьшении ее. На диаграмме появляется так называемая "площадка текучести". После разгрузки имеется значительная остаточная деформация. У многих материалов явно выраженной "площадки текучести" на диаграмме нет, поэтому применяют термин «предел текучести условный σ 0,2 », представляющий собой напряжение, при котором относительное удлинение достигает 0,2% измеряемой длины образца. Дальнейшая деформация образца сопровождается увеличением нагрузки. Объясняется это упрочнением материала. Если с образца полностью снять нагрузку РF (на диаграмме - точка F), то упругая деформация Δ l у исчезнет, а Δ l ост останется, то есть перо самописца прочертит прямую линию FR, а с увеличением нагрузки переместится дальше по участку FD.
Свойства материала изменяются: пределы пропорциональности и текучести увеличиваются, площадка текучести исчезает, пластические свойства ухудшаются, а твердость повышается. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появлению шейки, нагрузка на образец достигает своего максимального значения Рв (точка D). Как только на образце начала образовываться шейка, нагрузка уменьшается (участок DК) и дальнейшее деформирование образца происходит за счет удлинения в зоне шейки. К моменту разрыва рабочая часть образца 1о удлинится на Δlобщ. После разрыва упругая часть общей деформации исчезнет, останется деформация Δ l ост. Отношение приращения расчетной длины образца к его первоначальной длине называется относительным остаточным удлинением:
В месте образования шейки сечение образцов резко уменьшится. Отношение уменьшения площади поперечного сечения в месте разрыва ΔА= Аo - Аш к начальной площади поперечного сечения образца:
называется относительным остаточным сужением. По величинам ψ и δ оценивают пластические свойства материала при испытании на растяжение.
Для многих материалов наблюдается пропорциональная зависимость между деформацией и напряжением в определенных пределах нагружения, выражаемая законом Гука, [МПа]:
,
где σ - нормальное напряжение; ε - относительная предельная деформация; Е - коэффициент пропорциональности, или модуль нормальной упругости, [МПа].
Тогда 
или 
.
Данные зависимости справедливы только в зоне упругих деформаций материала, т.е. при напряжениях, не превышающих предел пропорциональности σпц.
Если воспользоваться диаграммой напряжений при растяжении малоуглеродистой стали (см. рис 1.3), то видно, что модуль нормальной упругости стали, равный отношению нормального растягивающею напряжения к относительной продольной деформации при упругих деформациях (ε ≤ εпц), можно определить из треугольника ОА1А2, [МПа]:
Е= 
= 
=tgα1,
.
где α 1 - угол наклона начального (прямолинейного) участка диаграммы напряжений к оси абсцисс.
По аналогии очевидна справедливость выражения, [МПа]:
Е =(l0/А0) tgα ×104,
где lo - длина рабочей части образца, [м]; 
- площадь поперечного сечения образца до испытания, [м2]; α - угол наклона начального (прямолинейного) участка диаграммы растяжения к оси абсцисс.
Формула справедлива в случае построения машинной диаграммы в координатах Р – Δ l, [кг] – [мм].
Рис. 1.2
Организация работы и техника безопасности.
Эксперимент на машине Р-5 проводится преподавателем, ведущим лабораторные занятия. Студенты самостоятельно проводят все измерения и обработку экспериментальных данных. При проведении эксперимента необходимо соблюдать технику безопасности, предусмотренную «Общей инструкцией по технике безопасности для лаборатории сопротивления материалов».
Порядок проведения работы.
Построение диаграммы растяжения малоуглеродистой стали
1. Измерить диаметр do и длину 1о рабочей части образца в мм (рис.1.1а).
2. Произвести наблюдение за испытанием образца до разрыва и записать значение нагрузки, которую выдерживает образец, Рв, кг.
3. Обработать записанную машиной диаграмму растяжения: найти начало координат диаграммы. Для этого необходимо ось абсцисс (ось удлинения Δ l) совместить с нулевой линией диаграммы (рис. 1.2) Затем продолжить прямолинейный участок (участок пропорциональной зависимости между удлинением и нагрузкой) диаграммы до пересечения с осью абсцисс (точка О). Из точки О провести ось ординат (ось нагрузки Р).
4. Отметить на диаграмме ее характерные точки: А,В,С,D,K.
5. Спроектировать эти точки на вертикальную и горизонтальную оси и измерить отрезки в мм. На оси ординат: OA1, OB1, OC1, OD1, OK1; на оси абсцисс: OA2, OB2, OC2, OD2, OK2. Провести прямую КК3, параллельную участку АО, и измерить отрезок ОК3.
6. Измерить штангенциркулем конечную длину рабочей части разрушенного образца l к в мм. Для этого сложить обе половинки образца и измерить расстояние между метками (рис. 1.1,б)
7. Определить абсолютное остаточное удлинение образца, мм: Δ l ост = l к - l о
8. Определить масштабы диаграммы по осям нагрузок и удлинения, кг/мм:
μp= Pmax /OD1 , μ l =Δ l ост /OK3.
9. Определить значения нагрузок и деформаций, соответствующих характерным точкам диаграммы:
Рпц = ОА1μp; Ру = ОВ1 μp; Рт =ОС1μp; Рв = OD1μp; Рк = ОК1μp;
Δlпц = ОА2 μl; Δlу = ОВ2 μl; Δlт = ОС2 μl; Δlв = OD2 μl; Δlк = OK2 μl.
10. Измерить диаметр шейки dш, мм, в месте разрыва образца.
11. Вычислить механические характеристики пластичности и прочности материала испытываемого образца:
- относительное остаточное удлинение: 
;
- относительное сужение площади поперечного сечения: 
, где площадь поперечного сечения образца до испытания: 
;
- площадь поперечного сечения образца после разрыва в месте образования шейки: 
;
- предел пропорциональности, [МПа]: 
;
- предел упругости, [МПа]: σу = Ру/ Ао;
-предел текучести, [МПа]: 
- предел прочности (временное сопротивление разрыву), [МПа]: 
;
- напряжение, соответствующее моменту разрыва, [МПа]: 
;
12. Определить относительные деформации, соответствующие характерным точкам диаграммы:
; eу = Δ l у/ l0 
,
; 
,
13. Построить диаграмму растяжения в координатах σ-ε в произвольном масштабе. Диаграмма σ-ε (рис1.3) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения Р - Δl, но характеризует уже не свойства образца, а свойства материала.
14. Пользуясь приложением, сделать заключение - определить марку стали.
Рис. 1.3
Содержание отчета.
1. Название и цель работы.
2. Теоретические предпосылки (по желанию).
3. Эскизы образца до и после испытания.
4. Расчет механических характеристик материала.
5. Диаграмму напряжений σ-ε с указанием положения четырех характерных точек, соответствующих значениям напряжений – σпц, σу, σт, σв, σк и их значений в МПа.
Контрольные вопросы.
1. Какова цель работы?
2. Какие параметры характеризуют прочность материала?
3. Какие образцы применяют при испытании?
4. Какие параметры характеризуют пластичность материала?
5. Назовите характерные точки на диаграмме.
6. Что характеризует удельная работа деформации образца?
7. Какие деформации испытывает образец в процессе нагружения до разрушения?
8. В чем заключается разница между пластичным и хрупким материалом по характеру деформации?