Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Лабораторная работа "Испытание материалов на прочность"
Автор: Пикалов Сергей Владимирович
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Лабораторная работа "Испытание материалов на прочность"
Автор: Пикалов Сергей Владимирович
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1Испытания материалов на прочностьЦель работы:Ознакомиться с проведением испытания материалов на растяжение. Научиться определять показатели прочности и пластичности материалов. Оборудование и материалы для выполнения работыРазрывная машина МИРИ – 100К. Штангенциркуль. Измерительная линейка. Набор образцов. Порядок выполнения лабораторной работыПеред выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями. Выполнить в соответствии с заданием экспериментальную часть. Провести анализ полученных результатов и сделать выводы по результатам работы всей подгруппы. Содержание отчетаНазвание и цель работы. Сведения об определении механических характеристик прочности и пластичности. Протокол испытаний. Выводы по работе. Основные теоретические положенияОбразцы для испытаний. Для испытания на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы (из листового материала) диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм и более (рис. 1а,б).Для замера деформаций на расчетной части образца отмечают отрезок, называемый расчетной длиной. Наиболее распространены цилиндрические образцы, у которых выдерживается пропорциональное соотношение между начальной расчетной длиной l0 и диаметром d0: l0 = 5 d0 (короткие, пятикратные образцы) и l0 = 10 d0 (длинные, десятикратные). Такие образцы называют пропорциональными.У плоских образцов соотношение между расчетной длиной и размерами поперечного сечения остается таким же, как для цилиндрических образцов, но вместо диаметра фигурирует площадь поперечного сечения F0.Так как площадь поперечного сечения, то для короткого цилиндрического образца для длинного цилиндрического образца.Расчетную длину l0 с погрешностью до 1 % ограничивают на рабочей длине образца l кернами или рисками. При этом l должна составлять:отдо – для цилиндрических образцов;от до – для плоских образцов. Формы и размеры головок и переходных частей цилиндрических и плоских образцов определяются способом крепления образцов в захватах испытательной машины. Способ крепления должен предупреждать проскальзывание образцов в захватах, смятие опорных поверхностей, деформацию головок и разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам и в головках.Испытательная машина. Испытанию на растяжение подвергают конструкционные пластичные стали, инструментальные стали, находящиеся в отожженном состоянии, цветные металлы.Испытания на растяжение проводятся на испытательной машине (рис. 2) при условии ее соответствия требованиям ГОСТ 28840-90. Машина предназначена для статических испытаний образцов различных материалов на растяжение и изгиб: металлов и сплавов по ГОСТ 1497-84, ГОСТ 6996, ГОСТ 10006; пластмасс по ГОСТ 12262-80. Испытание на растяжение заключается в деформировании образца в условиях однородного и одноосного напряженного состояния до разрушения.Машина представляет собой агрегат, состоящий из стойки с системой управления 1, стойки для испытания на изгиб 2, стойки для испытания на растяжение 3 и насосной установки 4 (см. рис. 2). Стойка на растяжение состоит из корпуса 5, траверсы с верхним подвижным захватом 6, нижним неподвижным захватом 7 и рабочих цилиндров с колоннами 8. Основные характеристики:Наибольшая нагрузка – 100 кННаименьшая нагрузка – 2 кН Высота/ширина рабочего пространства – 400 ммРабочий ход активного захвата – 400 ммПределы допускаемой погрешности измерения нагрузки – ±1 %Диапазон захватываемых образцов: - круглых (диаметр) – 512 мм - плоских (толщина х ширина) – 5-20х40 мм - с головками (диаметр) – 515 ммПотребляемая мощность – 2,5 кВтМеханические испытания осуществляются путем деформирования образцов при контролируемой нагрузке, перемещении, деформации и скорости изменения параметров.Работа заключается в нагружении закрепленного в захватах образца испытательной нагрузкой. Нагружение осуществляется подачей рабочей жидкости (масло) к рабочим цилиндрам машины. Подача происходит в результате работы масленого насоса насосной установки 4. Контролируемое давление рабочей жидкости (масла) создаваемое в рабочих цилиндрах вызывает перемещение верхней траверсы 5. Образец при этом удерживается верхним и нижним захватами 6 и 7. Раскрывание и закрывание захватов происходит также при подаче рабочей жидкости в полости цилиндров захватов. Управление процессом испытания осуществляется с помощью системы управления на стойке 1.Машинная диаграмма растяжения Материалы для конструкционных материалов должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, пластичностью.Прочность – способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению. Пластичность–способность материала к пластической деформации без разрушения.Деформацию растяжения можно охарактеризовать абсолютным удлинением или абсолютной деформациейl, равной разности длин образца после растяженияlkи до него l0:l= lk–l0. При испытаниях автоматически вычерчивается первичная диаграмма растяжения (см. рис. 3) в координатах «Pl». На диаграмме «Р–l» выделяют три участка деформации.1. Участок упругой деформации до нагрузки Рупр. Упругая деформация полностью исчезает после снятия нагрузки. Пока сила Р не достигнет определенной величины, вызванные ею деформации будут исчезать при разгрузке. Процесс разгружения изобразиться той же линией, что и нагружение.Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональную зависимость между нагрузкой Р и удлинением l. Закон пропорциональности установлен Р. Гуком в 1670 г. 2. Участок равномерной пластической деформации от нагрузки Рупрдо нагрузки Рmax. При нагружении образца более Рупр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом.3. Участок сосредоточенной пластической деформации– от Рmax до Рк. После достижения максимального значения нагрузки Рmax в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка (рис. 4,б), в которой и протекает дальнейшее пластическое деформирование (деформация шейки). Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом. Быстрое уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки от Рmax до Рк. В момент, соответствующий точкеК диаграммы, происходит разрыв образца по наименьшему сечению шейки. При этом упругая деформация образца lупр исчезает, а пластическая lост остается (см. рис. 3).До точки D диаграммы во всех сечениях поперечные размеры образца уменьшались одинаково. С момента образования шейки вся деформация образца локализуется на малой длине (lш 2d0) в области шейки, а остальная часть практически не деформируется (рис. 4,б). Свойство материала деформироваться при практически постоянной нагрузке называется текучестью. Участок диаграммы растяжения АС, который в некоторых материалах может быть практически параллельным оси абсцисс, называется площадкой текучести.В процессе текучести на отшлифованной поверхности образца можно наблюдать появление линий (полос скольжения), наклоненных примерно под углом 450 к оси образца (рис. 4,а). Эти линии являются следами взаимных сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями. Для определения упругой деформации в момент разрыва необходимо из точкиК диаграммы провести прямую, параллельную прямолинейному участку ОА, так как упругие деформации при разрыве также подчиняются закону Гука.При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. За единицу механического напряжения в системе СИ принята единица паскаль (Па): 1Па = 1 Н/м2 и 1 кгс/мм2= 10 МПа.2. Диаграмма условных напряженийМеханические характеристики материаловЧтобы исключить влияние размеров и формы деталей, во-первых, испытания проводят на стандартных образцах ГОСТ 1497-84. Во-вторых, результаты пересчитывают на относительные величины: прикладываемую нагрузку – в механическое напряжение ; абсолютную деформацию – в относительную деформацию.Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений (рис. 5). Такое название объясняется тем, что площадь образца в процессе испытания изменяется.Предел пропорциональности. Значению нагрузки Рпц, при которой нарушается линейная зависимость между нагрузкой Р и удлинением l (закон пропорциональности), на диаграмме соответствует точка А. Напряжение, вызванное нагрузкой Рпц, называется пределом пропорциональности и вычисляется по формуле. (1.1)Таким образом, пределом пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука = Е,гдеЕ – модуль нормальной упругости или модуль жесткости. Модуль E графически изображается тангенсом угла наклона прямолинейного участка к оси абсцисс диаграммы условных напряжений . Величина модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении состава, структуры или после термической обработки. Например, для стали E = (2,02,2)105 МПа, для чугуна E = (0,751,6) 105 МПа. Предел упругости. Наибольшему значению нагрузки Руп, при которой образец еще не дает при разгрузке остаточной деформации, соответствует точка В. Упругой стадии растяжения образца – участок диаграммы ОВ.Наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается, называется пределом упругости. Это напряжение вызывается силой Руп и определяется по формуле. (1.2) Предел упругости является характеристикой, не связанной с законом Гука. ТочкаВ может располагаться как выше, так и ниже точки А. Эти точки, а следовательно и значения напряжений пц и упблизки и обычно различием между ними пренебрегают.Предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформации без увеличения растягивающей нагрузки. Величина предела текучести вычисляется по формуле. (1.3)У большой части технических металлов и сплавов на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести. В этом случае предел текучести определяется с допуском 0,2 %, т.е. – условный предел текучести (0,2) – напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины: (1.4)Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рmax, которую выдерживает образец. (1.5) Напряжение в момент отрыва образца. Обозначив через Рк величину растягивающей нагрузки в момент разрыва, получим. (1.6)Определяемое таким образом напряжение при разрыве образца не может быть использовано в качестве характеристики механических свойств металлов и сплавов. Оно получено делением нагрузки в момент разрыва на первоначальную площадь поперечного сечения образца, а не на действительную его площадь при разрыве, которая значительно меньше начальной, вследствие образования шейки. Механические характеристики пц,уп, т и в называютсяхарактеристиками прочности материалов. В практических расчетах оценка механических свойств преимущественно проводится по пределу текучести т и пределу прочности в. Например, для малоуглеродистой стали (0,2 % С), имеющей площадку текучести: т = 300 МПа, в = 450 МПа.Кроме перечисленных выше характеристик прочности материала при испытании на растяжение определяют также относительное удлинение после разрыва и относительное сужение после разрыва : (1.7) (1.8)где: l0 – первоначальная расчетная, а lk – конечная расчетная длина образца; – начальная площадь поперечного сечения, – площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва (рис. 4).Механические характеристики и являются характеристиками пластичности материала: чем они больше, тем материал пластичнее. Для сталей, например, = 8 45% , = 40 65% .Порядок проведения испытаний Перед испытанием необходимо ознакомиться сустройством машины МИРИ-100К и правилами поведения в лаборатории (вводный инструктаж).До испытания проводится измерение штангенциркулем размеров образца (см. рис. 1) по рабочей части l0 и d0 с погрешностью до 0,1 мм. Для этого проводится измерение длины рабочей зоны, отмеченной на образце накерненными точками и диаметра образца втрех сечениях расчетной зоны. За расчетный диаметр принимаетсясреднее значение по выполненным трем замерам. Рассчитывается начальная площадь поперечного сечения Fо. На рабочей части образца наносят метки на расстоянии 5 или 10 мм друг от друга. Благодаря меткам можно определить деформацию каждого 5 или 10-миллиметрового промежутка, так и всей рабочей длины образца. Образец устанавливается в захваты испытательной машины и производится его растяжение.1.Определение предела текучести и предела прочности. После проведения испытания по машинной диаграмме растяжения определяют нагрузку Рт, соответствующую пределу текучести, и наибольшую разрушающую нагрузку Pmax. Используя значения Рт, Pmax и площадь F0 по формулам (1.3 и 1.4) определяют прочностные характеристики материала т и в .Определение предела пропорциональности. Условный предел пропорциональности находится тогда, когда по диаграмме трудно точно определить точку, до которой сохраняется линейная зависимость между прикладываемой нагрузкой и удлинением образца.Величину нагрузки Рпц можно с некоторым приближением определить графически на диаграмме растяжения (см. рис. 9,а). Отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением должно достигнуть такой величины, когда тангенс угла наклона кривой деформации с осью нагрузок увеличится на 50% своего значения на линейном упругом участке.Из начала координат проводят прямую OM, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения. Проводят прямую линию АВ, параллельную оси абсцисс. На прямой АВ откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку nи начало координат проводят прямую Оn. Тангенс угла наклона прямой Оn к оси ординат () и будет на 50 % больше тангенса угла наклона прямолинейного участка диаграммы растяжения OM(). Параллельно линии Оnпроводят касательную линию CD к диаграмме растяжения. Точка касания К определяет нагрузку Рпц. В соответствии с формулой (1.1) рассчитывают значение предела пропорциональности пц . Обработка результатов испытаний1. Замерить конечную рабочую длину и диаметр в шейке образца с помощью штангенциркуля. 2. Снять в масштабе с диаграммы растяжения величины нагрузок Рпц ,Рт , Рmax, Р0,2 .3. Определить характеристики прочности пц ,т , в , 0,2 . 4. Вычислить значения характеристик пластичности и .5. Зарисовать диаграмму растяжения образца в координатах Рl, в масштабе, с указанием точек, соответствующих Рпц , Рт , Рmax, Р0,2 .6. Зарисовать диаграмму растяжения, пересчитанную в координаты ,пц , т, в , 0,2.7. Сравнить значения рассчитанных величин со значениями полученными машиной в автоматическом режиме и отраженными в протоколе испытаний.Протокол испытанийМарка материала _______________КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИКакие образцы применяются для испытания материалов на растяжение? Объясните принцип работы испытательной машины. Какой вид имеет диаграмма растяжения для пластичного материала, дляхрупкого материала? Чем объясняется наличие участка упрочнения на диаграмме растяжения? Как графически определить модуль продольной упругостиЕ? Что такое предел пропорциональности, предел упругости, предел прочности (временное сопротивление разрыву)? До какой точки диаграммы растяжения образец деформируется равномерно? Какие механические характеристики определяют прочностные свойстваматериала? Какие механические характеристики определяют пластические свойстваматериала? Как определить расчетную длину образца после испытания?
