ОБРАЗЦА

 

Цель работы: определить механические характеристики материала образца.

 

Все материалы, применяемые в машиностроении, а также в промышлен­ном и гражданском строительстве, делятся на пластичные и хрупкие. Раз­рушению первых предшествуют значительные пластические деформации, разрушению вторых - сравнительно небольшие деформации (иногда толь­ко упругие). К пластичным материалам относятся многие марки стали (кроме инструментальных, пружинных и некоторых других специальных сталей), бронза, латунь, алюминиевые сплавы и другие материалы; к хруп­ким - специальные стали, чугун, камень, бетон, керамика, стекло и др.

Свойства пластичности и хрупкости определяются не только приро­дой материала, но и другими факторами: температурой, характером и ско­ростью нагружения и т.п. Поэтому более правильно говорить не о плас­тичных и хрупких материалах, а о пластичных и хрупких состояниях мате­риала.

Один и тот же материал оказывает различное сопротивление разру­шению в зависимости от вида деформации - растяжение (сжатие), изгиб, кручение, срез, а также в зависимости от характера приложенных нагру­зок - статические, повторно-переменные, ударные. Определение механичес­ких характеристик материала при различных видах деформации и нагруже­ния производится путем соответствующих лабораторных испытаний.

Наиболее важные и полные сведения о механических свойствах мате­риалов получают путем испытания на растяжение образцов медленно воз­растающей нагрузкой. В результате этих испытаний определяются следую­щие механические характеристики: предел пропорциональности , пре­дел упругости, предел текучести, временное сопротивление,относительное удлинение после разрываотносительное сужение после разрыва.

Характеристики,,,, называются характеристи­ками прочности,и- характеристиками пластичности.

Испытания на растяжение производятся либо на цилиндрических образцах, либо на плоских (рис.1). Образцы состоят из рабочей части длиной постоянного поперечного сечения и утолщенных концевых частей (головок), которыми образец закрепляется в захватах испытатель­ной машины.

На рабочей части образца наносятся две риски на расстояниидруг от друга, называемое расчетной длиной. В зависимости от соотноше­ния между расчетной длиной и площадью поперечного сечения различают образцы длинные (= II,3= 10 )и короткие (= 5.65= 5 ).

Испытания на растяжение производятся на специальных испытатель­ных машинах, которые автоматически записывают зависимость между рас­тягивающей нагрузкой F и абсолютным удлинением образца . Такие зависимости называются диаграммами растяжения.

На рис.2 представлена диаграмма растяжения образца из малоугле­родистой стали.

Начало диаграммы от точки 0 представляет прямую линию, что ука­зывает на пропорциональную зависимость между нагрузкой и удлинением образца (закон Гука). Предел ом пропорциональностиназывается наибольшее напряжение, до которого справедлив закон Гука. Точка А , соответствующая пределу пропорциональности , устанавливается на диаграмме с учетом заданного стандартом отклонения от закона Гука. В соответствии с ГОСТ 1497 - 84 положение точки А определяется путем проведения касательной к диаграмме растяжения, тангенс угла наклона которой к оси ординат на 50больше соответствующего тангенса угла наклона на начальном линейном участке.

Предел пропорциональности определяется как отношение:

 

=, (1)

 

где - нагрузка, соответствующая точке А;

- начальная площадь поперечного сечения образца.

Для стали Ст 3 предел пропорциональности= 210 МПа.

Пределом упругости, называется наибольшее напряжение, при котором в материале не возникают остаточные деформации. На

 

диаграмме растяжения пределу упругости соответствует точка В. Предел упругости равен отношению

 

=, (2)

 

где - нагрузка, соответствующая точке B.

Для стали Ст 3 предел упругости= 220 МПа.

 

 

 

 

Рис.1

 

Рис.2

 

Если нагрузка, растягивающая образец меньше F_e , то после ее снятия образец полностью восстанавливает первоначальную форму и раз­меры.

На практике различием между и , обычно пренебрегают и считают их совпадающими [3] , [4] .

При дальнейшем растяжении образца деформации растут быстрее нагрузки, причем от точки С (рис.2) деформации растут без увеличе­ния нагрузки - материал течет. На диаграмме вычерчивается горизонта­льная линия CD, называемая площадкой текучести. В этот момент по­верхность образца покрывается сет­кой тончайших ортогональных линий (рис.3), называемых линиями Чернова-Людерса, которые хорошо заметны на полированной поверхности образ­ца. Эти линии наклонены к оси образ­ца приблизительно под углом45° и представляют следы скольжения в кристаллах под действием максималь­ных касательных напряжений.

В период текучести образец получает значительное остаточное удлинение, достигающее двух и более процентов [5] .

Пределом текучести (физическим) называется напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения наг­рузки. Предел текучести равен отношению

 

=, (3)

 

где - нагрузка, соответствующая точке площадке текучести.

Для стали Ст 3 предел текучести= 230 МПа.

Многие материалы, как например, высокоуглеродистые и легированные стали, бронза, латунь, дюраль и др. не имеют явно выраженной площадки текучести. Для таких материалов определяется условный предел текучести- напряжение, при которой остаточное удлинение достигает 0,2% от измеряемой длины образца. Условный предел текучести опреде­ляется как отношение

 

=, (4)

 

где - нагрузка, соответствующая относительной остаточной дефор­мации, равной 0,2%.

После стадии текучести материал оказывает возрастающее сопро­тивление растяжению и диаграмма идет вверх по кривой DE , называе­мой участком упрочнения. Удлинение образца сопровождается увеличением нагрузки, но более медленным, чем на начальном участке OA.

Напряжение , соответствующее наибольшей нагрузке , называется временным сопротивлением. Временное сопротивление опреде­ляется как отношение

=, (5)

Для стали Ст 3временное сопротивление = 380 МПа.

До момента достижения нагрузкой максимального значения удлине­ния распределялись равномерно по длине образца; диаметр d₀ изме­нялся незначительно и так же равномерно по длине. Поэтому форма образ­ца оставалась цилиндрической.

С момента достижения наибольшей нагрузки деформация образ­ца сосредотачивается в одном месте. Это ведет к образованию местногосужения поперечного сечения в виде шейки (рис.4) и к падению нагруз­ки (рис.2). При нагрузке, соответ­ствующей точке Р происходит раз­рушение образца.

Отрезок 0К на горизонтальной оси диаграммы представляет остаточ­ное удлинение образца после разрыва, a KG- - упругую деформацию, исчезающую после разрыва.

Относительным удлинением после разрыва называется отношение

=, (6)

где - конечная расчетная длина образца.

Для стали Ст 3≥ 21%.

Относительное удлинение зависит от размеров образца. Пол­ное удлинение образца можно рассматривать состоящим из двух слагае­мых: равномерного удлинения цилиндрической части и местного удлинения в зоне шейки. Увеличение расчетной длины вследствие образования шейки представляет большую часть полного увеличения и практически одно и то же как для короткой расчетной длины, так и для длинной. Поэ­тому, чтобы получать сравнимые результаты необходимо применять стан­дартные образцы пятикратной или десятикратной длины, для которых остаточное удлинение обозначается соответственно и .

Относительным сужением после разрыва называется отношение

 

=, (7)

 

где А₁ - минимальная площадь поперечного сечения образца в зоне шейки.

Площадь диаграммы OABCDMEPG представляет полную рабо­туW, затраченную на разрыв образца. Величина этой работы зависит как от механических характеристик материала, так и от размеров образ­ца. Чтобы исключить размеры образца принято относить работу W к объему образцаV₀ = А₀.

Отношение

=, (8)

 

называется удельной работой и характеризует способность материала сопротивляться ударному действию нагрузки: чем больше удельная работа, тем лучше материал сопротивляется ударным нагрузкам [3] .

Если испытуемый образец разгрузить в одной из точек зоны упроч­нения, например, при нагрузке, соответствующей точке М (рис.2), то в процессе разгрузки зависимость между силой F и удлинением изобразится прямой МN, параллельной участкуOA . После снятия нагрузки образец не принимает первоначальные размеры: отрезок ON представляет остаточное удлинение, а отрезок NH - упругую деформа­цию, исчезающую после снятия нагрузки.

При повторном нагружении этого образца зависимость между нагрузкой и удлинением изобразится прямой NM. Следовательно, предел пропорциональности материала повысится и будет равен тому напряже­нию, до которого первоначально был растянут образец.

При дальнейшем увеличении нагрузки кривая диаграммы совпадет с МЕР. Остаточное удлинение образца при повторном растяжении будет меньше на величину ON ,чем в образце, не подвергавшемся предвари­тельной пластической деформации.

Таким образом, предварительное растяжение за предел текучести повышает предел пропорциональности стали и уменьшает остаточное уд­линение после разрыва, т.е. делает ее более хрупкой.

Так как площадь диаграммы NMEPG меньше площади OABCDMEPG, то предварительно растянутый за предел текучести образец будет хуже сопротивляться ударным нагрузкам.

Явление повышения упругих свойств материала и результате предварительного пластического деформирования называется наклепом [6].

Наклеп проявляется еще в большей степени после старения (дли­тельная выдержка образца после наклепа). В этом случае еще больше повышается предел пропорциональности и кроме того, увеличивается вре­менное сопротивление.

Подготовка образца к испытанию

1. Измеритьдиаметр d₀ рабочей части образца с точностью до 0,01 мм. Измерение выполнить не менее, чем в трех местах (в середине и по краям рабочей части).

По наименьшему диаметру вычислить начальную площадь попереч­ного сечения образца.

2. На рабочей части образца нанести (карандашом, мелом и т.д.) две риски на расстоянии: = 10d₀ друг от друга, где d₀ = 10 мм - номинальный диаметр.

Проведение испытания

1. Установить образец в захватах испытательной машины.

2. Взаписывающее устройство установить лист миллиметровой бумаги.

3. Плавно нагружать образец усилием до разрушения.

4. Извлечь из захватов машины обе части образца. Из записывающего устройства извлечь диаграмму растяжения

 

Результаты испытаний

Таблица 1

 

Вариант	, см	, см	, кН	, кН	, кН
	0,60	11,8			35,0
	0,50	12,5			28,3
	0,40	11,9			36,5
	0,70	11,8			41,0
	0,65	12,3			34,5
	0,53	12,6			30,0
	0,42	12,0			47,0
	0,61	12,3			30,0
	0,55	11,5			44,7
	0,45	12,8			28,3

 

По окончании испытаний, используя табл. 2, следует сделать вывод, какой марки стали соответствует исследуемый образец, а также нарисовать эскиз образца до и после испытания.

 

Механические характеристики сталей

 

Вариант	марка стали	, МПа	, МПа	, %	ГОСТ
	Ст 1				380-71
	Ст 2				380-71
	Ст 3				380-71
	Ст 4				380-71
	Ст 5				380-71
	Ст 6				380-71
	15К				5520-62
	09Г2				19281-73
	15ХСНД				5632-72
	М16С				6713-75

Таблица 2

 

Обработка результатов испытания

 

1.Обработка образца:

1.1. Сложить плотно обе части образца в месте разрыва.

1.2. Измерить наименьший диаметр образца в зоне шейки с точностью до . Вычислить площадь сечения и опре­делить характеристику пластичности .

1.3. Измерить расстояние между рисками с точностью до и определить характеристику пластичности .

2.Обработка диаграммы растяжения:

2.1. На диаграмме растяжения установить:

точку- в конце прямолинейного участка,

точкии - в том месте, где диаграмма горизонтальна,

точку- в том месте, где диаграмма достигает максимума.

 

2.2. Измерить в мм ординаты точеки результаты умножить на масштаб диаграммы. Полученные соответственно значе­ния записать в журнал лабораторных работ.

2.3. Вычислить характеристики прочности.

2.4. Вычислить полную работу W затраченную на разрыв образца

 

W = (9)

 

где - коэффициент полноты диаграммы.

2.5. Вычислитьудельную работу .

3. В журнале лабораторных работ начертить диаграмму растяжения и

вы­полнить эскиз образца до и после испытания.

 

Контрольные вопросы

 

1. В каких координатах строится диаграмма растяжения?

2. Запишите закон Гука при растяжении.

3. Всегда ли на диаграмме растяжения имеется площадка текучести?

4. Укажите значение предела текучести для стали марки Ст 3.

5. Что называется временным сопротивлением?

6. Какие изменения механических характеристик соответствуют явлению наклепа?

7. Какая механическая характеристика зависит от размеров образца?

8. Укажите соотношение между диаметром и расчетной длинной образца.

9. Укажите характеристики пластичности?

10. Перечислите в порядке возрастания характеристики прочности.

11. Что называют условным пределом текучести?