Лабораторная работа № 1

 

СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

 

Цель работы: определение характеристик прочности и пластичности ста­ли и чугуна при растяжении.

Оборудование: машина УММ-10 с максимальным усилием 10 т (98 кН),

образцы стандартные, штангенциркуль.

Теоретическая часть

Механические характеристики материалов, позволяющие оценить прочностные и деформативные свойства материалов, определяют путем механических испытаний, проводимых в лабораторных условиях на специ­альных испытательных (разрывных) машинах.

Наибольшую информацию о механических свойствах материалов можно получить из статических ис­пытаний на растяжение.

При испытаниях на растяжение стандартный об­разец закрепляют в захватах испытательной машины и плавно (статически) нагружают растягивающей силой (см. рис. 5).

При такой нагрузке образец удлиняется. Далее нагрузку увеличивают до разрушения (разрыва) образца.

Конструкционные материалы по  характеру деформирования  под на­грузкой вплоть до разрушения делятся на две группы: пластичные — до момента разрушения эти материалы претерпевают значительные остаточ­ные деформации (малоуглеродистая сталь, алюминий, медь и др.), хрупкие — к моменту разрушения получают малые деформации (чугун, бетон, неор­ганическое стекло и др.). Эта классификация не является строгой, так как деформирование зависит от условий, в которых оно протекает (температу­ра, скорость нагружения и т.д.), и материал при одних условиях деформа­ции может вести себя как пластичный, а при других — как хрупкий. Поэто­му точнее говорить не о пластичных и хрупких материалах, а о пластичном или хрупком состоянии материалов в рассматриваемых условиях протека­ния деформации.

В специальном устройстве испытательной машины — диаграммном аппарате графически записывается зависимость между величиной растяги­вающей силы F и удлинением образца Dl.

График зависимости между удлинением образца Dl и нагрузкой F называется диаграммой растяжения. Для типичного представителя пла­стичных материалов — малоуглеродистой стали, диаграмма растяжения имеет вид, показанный на рис. 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Диаграмма имеет пять характерных точек. Точка 1 расположена в конце прямолинейного участка — при нагрузках, меньших F_пц, зависимость между удлинением и силой линейна, так как подчиняется закону Гука. Точка 2 лежит в конце участка, соответствующего упругой деформации. Если при нагрузках, меньших F_yпp, разгрузить образец, он примет первона­чальную длину, то есть остаточных деформаций не будет. Точка 3 отмеча­ет начало горизонтального участка (площадки текучести). При достижении нагрузкой величины F_т, образец начинает удлиняться практически без увеличения на­грузки. Это явление называется текучестью. Точка 4 соответствует макси­мальной нагрузке, воспринимаемой образцом. Участок за площадкой теку­чести до точки 4 называется участком упрочнения. На этом участке мате­риал снова приобретает способность сопротивляться деформации — после завершения текучести для дальнейшего увеличения деформации требуется и дальнейшее увеличение нагрузки. На последнем участке рост деформа­ции происходит при уменьшении нагрузки: по достижении нагрузкой ве­личины F_max в каком-то поперечном сечении образца происходит местное сужение, называемое шейкой, развитие которой заканчивается разрывом (разрушением) образца (точка 5) при нагрузке F_к.

Диаграмму напряжений при растяжении получают из диаграммы растяжения, переходя от нагрузок к соответствующим напряжениям

,

где А₀ — первоначальная площадь поперечного сечения образца, и от удли­нений к относительным линейным деформациям

,

где l₀ — первоначальная длина расчетной части образца.

Диаграмма напряжений малоуглеродистой стали, показана на рис. 7.

Пунктиром показана истинная диаграмма напряжений, построенная с уче­том уменьшения площади поперечного сечения А в процессе испытания. Напряжения, соответствующие точкам 1 — 4, обозначаются соответ­ственно: s_пц (предел пропорциональности), s_упр (предел упругости), s_т (предел текучести), s_пч (предел прочности или временное сопротивление). Эти величины называются механическими характеристиками материала.

На рис. 8 показана диаграмма растяжения чугуна, представителя хрупких материалов. На этой диаграмме обычно выделяют одну характерную точку, соот­ветствующую наибольшей нагрузке F_max воспринимаемой образцом, по которой определяется предел прочности s_пч материала. Диаграмма напря­жений чугуна при растяжении выглядит подобным образом. Разрушение чугунного образца происходит по какому-то поперечному сечению образ­ца без образования шейки.

 

По результатам испытаний образцов определяют основные механические характеристики прочности материалов – предел текучести s_т и предел прочности s_пч (временное сопротивление s_в).

 

Экспериментальная часть

Изучение поведения пластичных и хрупких материалов при растяжении проводится на примере малоуглеродистой стали и чугуна, при статическом деформировании, комнатной температуре. При отсутствии концентраторов напряжений малоуглеродистая сталь находится в пластичном состоянии, чугун — в хрупком.

Результаты испытаний зависят от формы и размеров образца. Для то­го чтобы сопоставить результаты испытаний, проведенных в разное время, в различных местах образцы из одного и того же материала изготавливают определенных стандартных размеров и формы. В данной лабораторной ра­боте используются образцы круглого поперечного сечения с соотношени­ем площади поперечного сечения и расчетной длины  .

Расчетная длина образца — это та часть его длины, деформация кото­рой на основании принципа Сен-Венана не зависит от того, каков закон распределения нагрузки, растягивающей образец, то есть та часть его дли­ны, в пределах которой образец действительно работает на центральное растяжение (см. рис. 9). Расчетная длина образца измеряется между двумя точками на его по­верхности.

Утолщения по концам образца нужны для того, чтобы через них передавать нагрузку от испытательной машины. Плавный переход от средней части образца к утолщениям уменьшает влияние концентра­ции напряжений. После установки образца на испытательной машине его статически нагружают до разрушения.

Машина автоматически в определенном мас­штабе строит диаграмму растяжения. Параллельно характерные значения нагрузки можно фиксировать по измерительному прибору испытательной машины.

Характеристики прочности материалов определим по формулам:

,  .

Для пластичного материала кроме предела текучести и предела прочности рассчитывается сопротивление разрушению — напряжение в шейке при разрыве образца: .

Пластические свойства материалов оцениваются остаточным отно­сительным удлинением

и остаточным сужением

.

Эти величины являются характеристиками пластичности материала.

Результаты испытаний заносятся в таблицу 3.

Таблица 3

Результаты испытаний

Размеры образца			Сталь	Чугун
	До опыта	первоначальный диаметр поперечного сечения d0, мм
		первоначальная площадь поперечного сечения А0, мм2
		расчетная длина образца до опыта l0, мм
	После опыта	диаметр шейки dш, мм
		площадь поперечного сечения шейки Аш, мм2
		расчетная длина образца после опыта lk, мм
Предельные на­грузки	FТ, кг
	Fmax, кг
	Fk, кг
Характеристики прочно­сти	sТ, МПа
	sпч, МПа
	sk, МПа
Характе­ристики пластич­ности	d, %
	y, %

Механические характеристики при растяжении некоторых конструкционных материалов приведены в табл. 4.

Таблица 4

 

Марка материала	Предел текучести sт, МПа	Предел прочности sпч, МПа	Относительное удлинение d,  %
Сталь 20 Сталь 45 Сталь 45 Х Чугун СЧ 15 Чугун СЧ 35 Дюралюминий твердый D 1 Латунь Л 68 твердая	250 360 850 — — 240 520	420 610 1050 150 350 420 660	25 16 9 — — 15 30

 

 

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.
2. Эскизы испытываемых образцов до и после опыта.
3. Диаграммы растяжения при растяжении стали и чугуна.
4. Расчет механических характеристик по результатам испытаний (данные сводятся в табл. 4).
5. Описание характера разрушения образцов.
6. Выводы.