1. Введение

Цель работы - изучение методики проведения испытаний на растяжение и определения механических свойств.

Задачи - провести испытания на растяжение различных материалов и определить показатели прочности и пластичности.

2. Теория. Общие положения

Механическими называют свойства, которые материал проявляет при действии на него внешних, механических сил со стороны других тел. Действие силы вызывает деформацию твердого тела, и в нем возникают напряжения. Напряжение является удельной величиной и определяется как отношение силы, действующей на тело, к площади его сечения:

(2.1)

;

где s – напряжение;

Р – сила;

F – площадь поперечного сечения (рис. 2.1).

Напряжение в системе СИ выражается в Н/м2 или МН/м2, т.е. МПа. На практике может быть использована размерность кгс/мм2, (1 кгс/мм2 » 9,81 МПа). В общем случае сила не перпендикулярна площадке, на которую она действует. Тогда ее, как и любой вектор, можно разложить на две составляющие: нормальную (перпендикулярную к площадке), создающую нормальное напряжение

(2.2)

и касательную, действующую в плоскости площадки и вызывающую касательное напряжение

(2.3)

Рис. 2.1. Схема нормальных сил

 

Рис. 2.2. Схема составляющих сил

В механических испытаниях определяют именно эти напряжения. Их же используют при определении усилий, необходимых для обработки металлов давлением и при расчетах деталей на прочность. Это связано с тем, что одни процессы при деформировании и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза), а другие - нормальными (разрушение отрывом).

Нормальные напряжения делят на растягивающие и сжимающие. Под действием механических сил твердое тело деформируется. Деформацией в механике называется процесс изменения взаимного расположения каких-либо точек твердого тела. Деформация может быть обратимой (упругой), исчезающей после снятия нагрузки, и необратимой - остающейся после снятия деформирующего усилия. Необратимую деформацию называют пластической или остаточной. При определенных условиях нагружения деформация может закончиться разрушением.

Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий.

Рис. 2.3.Схема процесса деформации

Даже незначительное усилие вызывает упругую деформацию, которая в чистом виде наблюдается только при нагрузках до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от нагрузки и упругим изменениям межатомных расстояний. При нагрузках выше точки А в отдельных зернах металла, ориентированных наиболее благоприятно относительно направления деформации, начинается пластическая деформация. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает и увеличение упругой, и пластической деформации (участок АВ). При нагрузках точки В возрастание упругой деформации прекращается. Начинается процесс разрушения, который завершается в точке С.

Механические свойства материалов: прочность, твердость, пластичность, вязкость, упругость определяются при различных условиях нагружения и разных схемах приложения усилий. Широко распространено испытание материалов на растяжение, по результатам которого можно определить в частности показатели прочности и пластичности материала.

Прочность - это способность материала сопротивляться пластической деформации под действием внешних нагрузок.

Пластичность - это способность материала проявлять, не разрушаясь, остаточную деформацию.

Условия приведения испытаний и порядок определения показателей механических свойств регламентированы стандартом ГОСТ 1497-84.

2.1. Показатели прочности

Сопротивление малым пластическим деформациям характеризуют предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести.

2.1.1. Предел пропорциональности

Предел пропорциональности - это напряжение, ниже которого соблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением и относительной деформацией:

(2.4)

,

где

Рпц - нагрузка при пределе пропорциональности.

2.1.2. Предел упругости

Предел упругости s0,05 - это условное напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,05% расчетной длины. Ввиду малости величины остаточной деформации на пределе упругости его иногда принимают равным пределу пропорциональности.

2.1.3. Предел текучести физический

Предел текучести физический - это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки:

(2.5)

.

Если на кривой деформации отсутствует четко выраженная площадка текучести (рис. 2.6, а), то определяют предел текучести условный.

2.1.4. Условный предел текучести

Условный предел текучести s0,2 - это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики:

(2.6)

.

2.1.5. Сопротивление значительным пластическим деформациям

Сопротивление значительным пластическим деформациям (для пластичных материалов) характеризуется пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление) sВ - это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке РМАХ, предшествовавшей разрыву образца:

(2.7)

.

2.2. Показатели пластичности

2.2.1. Относительное удлинение после разрыва

Относительное удлинение после разрыва d - это отношение приращения расчетной длины образца (lK – l0) после разрушения (рис. 2.4) к начальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:

(2.8)

Для определения длины расчетной части lK после разрыва части образца плотно прикладывают друг к другу (рис. 2.4) и измеряют расстояние между метками, которые ограничивали начальную расчета длину.

Рис. 2.4. Круглый образец после испытания на растяжение

2.2.2. Относительное сужение

Относительное сужение y - это отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения в шейке образца (F0 – FK) к начальной площади сечения F0, выраженное в процентах:

(2.9)

где F0 и FK - площади поперечного сечения образца до и после испытания соответственно.

2.3. Подготовка к испытанию

Для проведения испытаний рекомендуется применять круглые или плоские пропорциональные образцы (рис. 2.5), у которых начальная расчетная длина пропорциональна диаметру d0 или корню квадратному из площади сечения образца F0. Предпочтительны соотношения l0 = 5×d0 для круглых и для плоских образцов.

Рис. 2.5. Образцы для испытаний:

а – круглый образец; б – плоский образец.

L - общая длина; l - рабочая длина; l0 - начальная расчетная длина;

d0 - диаметр образца до испытания; а - толщина; b - ширина; R - радиус скругления.

Испытания на растяжение арматурных сталей имеют некоторые особенности. В железобетонных конструкциях сталь используется в состоянии поставки с сохранением поверхности. Механические свойства центральной части и поверхностных слоев могут заметно отличаться. Это отличие может быть вызвано ликвацией "С" и "Р", нагартовкой поверхности, различием структур из-за разных условий охлаждения после прокатки и т.п.

В стержнях периодического профиля напряжения, возникающие под нагрузкой, по длине распределяются тоже не равномерно, поэтому арматурную круглую и периодического профиля сталь диаметром от 3 до 80 мм по ГОСТ 12004-81 необходимо испытывать с необработанной поверхностью. В этом случае условия испытания наиболее полно соответствуют условиям работы арматурных стержней в железобетонной конструкции.

При испытании стержней периодического профиля используется понятие «номинальный диаметр». Номинальный диаметр dН для стержневой арматуры равен номинальному диаметру равновеликих по площади поперечного сечения круглых стержней (рис. 2.5). Площадь сечения в этом случае вычисляется по формуле

(2.10)

;

где

m - масса стержня [кг]; l - длина стержня [м]; r - плотность [кг/м3] (для стали – 7850 кг/м3).

Рис. 2.5. Сечение арматурного стержня периодического профиля

2.4. Диаграмма растяжения

Вид диаграммы растяжения зависит от природы материала и от его структурного состояния.

Рис. 2.6. Виды диаграмм растяжения различных материалов

а - для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом из упругой области в пластическую (медь, бронза, легированные стали);

б - для некоторых металлов в пластичном состоянии со скачкообразным переходом в пластическую область (малоуглеродистая сталь, некоторые отожженные бронзы);

в - для хрупких материалов (чугун, стекло, закаленная и неотпущенная сталь, силумин).

Рассмотрим стадии растяжения на примере малоуглеродистой стали (рис. 2.6, б).

Вначале до точки А зависимость между нагрузкой и удлинением изображается прямой линией, т.е. наблюдается прямая пропорциональность между удлинением и нагрузкой. Интенсивность возрастания нагрузки с ростом удлинения характеризует жесткость материала.

Ордината точки А соответствует нагрузке при пределе пропорциональности Рпц. До предела пропорциональности в образце возникают только упругие деформации. При дальнейшем растяжении образца начинается заметное отклонение линии от первоначального направления, приводящее в случае малоуглеродистой стали к появлению на диаграмме горизонтального или почти горизонтального участка. Это означает, что образец удлиняется без заметного возрастания растягивающей нагрузки. Материал как бы течет, поэтому нагрузка Рт, соответствующая горизонтальному участку (точка В) называется нагрузкой при пределе текучести.

В период течения в образце происходит пластическая деформация, возрастает количество дислокации и других дефектов. В результате этого металл упрочняется. Поэтому при дальнейшем растяжении нагрузка вновь начинает увеличиваться и достигает значения РМАХ, соответствующего ординате максимально удаленной точки С на кривой растяжения. При нагрузке РМАХ деформация образца локализуются, начинает образовываться шейка - местное уменьшение сечения. Нагрузку РМАХ называют нагрузкой на пределе прочности, или нагрузкой временного сопротивления. При нагрузке, соответствующей точке К, происходит разрыв образца.

Нагрузки Рпц, Рт, РМАХ и т.п. являются характеристиками данного образца. Свойства же материала характеризуют другими показателями.

 

3. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Активные клавиши

Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши:

W, S, A, D – для перемещения в пространстве;

F2, E – аналоги средней клавиши манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем – ставится);

F10 – выход из программы.

Рис. 3.1. Активные клавиши клавиатуры

Рис. 3.2. Функции манипулятора

Левая клавиша мыши (1) - при нажатии и удерживании обрабатывается (поворачивается, переключается) тот или иной объект.

Средняя клавиша (2) - при первом нажатии (прокрутка не используется) берется объект, при последующем – ставится (прикрепляется).

Правая клавиша (3) - появляется курсор–указатель (при повторном - исчезает).

Примечание: При появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и стороны.

3.2. Необходимые инструменты и материалы

Для проведения работы необходимы:

·    испытательная машина,

·    штангенциркуль,

·    образцы различных металлических материалов.

Для проведения испытаний могут быть использованы специальные или универсальные испытательные машины. Рассмотрим устройство испытательной машины на примере УММ-5 (Рис. 3.3, 3.4)

Рис. 3.3. Испытательная машина УММ-5

1 – место установки образца (кулачки); 2 – вращающийся винт; 3 – рукоятка переключения передач (используется 3 передачи); 4 – шкала динамометра; 5 – место выхода динамограмм

Рис. 3.4. Схема испытательной машины УММ-5

Машина УММ-5 имеет электромеханический привод (1) подвижного захвата (2), скорость перемещения которого может быть установлена с помощью рычага коробки скоростей.

С неподвижным захватом (3) связан рычажно-маятниковый силоизмеритель (4).

Возрастание усилия в верхнем неподвижном захвате (3) вызывает соответствующее отклонение маятника (5), происходит уравновешивание. Величина усилия показывается стрелкой на круговой шкале (6).

Рис.3.6. Круговая шкала и диаграммный аппарат

Машина имеет диаграммный аппарат (7), позволяющий записывать при испытании кривую деформации в координатах «сила – деформация».

 

4. Порядок выполнения работы

4.1. Проведение испытаний

Порядок работы следующий:

                        1.  Возьмите образец со стола.

Рис. 4.1. Стол с образцами

                        2.  Установите образец между кулачками.

Рис. 4.2. Зажатый между кулачками образец

                        3.  Включите УММ-5 (кнопка внизу «красная» - включить, «белая» - выключить).

Рис. 4.3. Кнопки электромеханического привода и рычаг коробки скоростей

                        4.  Установите передачу.

                        5.  Нажмите кнопку «ВНИЗ». Образец начнет растягиваться.

Рис. 4.4. Кнопки управления

 

Рис. 4.5. Шкала динамографа

1 – рукоятка управления пассивной стрелкой;

2 – активная стрелка (связана с замером);

3 – пассивная стрелка

При растягивании шкала показывает данные. Управление пассивной стрелкой происходит от рукоятки посередине шкалы (вращая рукоятку, можно вращать стрелку).

Во время работы из диаграммного аппарата «выезжает» лист с диаграммой.

Рис. 4.6. Диаграмма разрыва образца Ст3

                        6.  Постепенно образец в середине становится тоньше и длиннее за счет растяжения. В конце испытания образец рвется.

                        7.  Затем необходимо выключить УММ-5 (кнопка «СТОП»), либо машина выключится сама.

                        8.  Вытащите образец и положите его на стол для замера (две половинки образца ложатся друг к другу, образуя «целый» образец). Замер будет производиться при помощи штангенциркуля.

Рис. 4.7. Штангенциркуль

                        9.  Возьмите со стола штангенциркуль и укажите на образец. Одной губкой штангенциркуль встанет к месту замера на образце, а вторую можно двигать, тем самым производя замер в месте обрыва.

                    10.  Снимите динамограмму с УММ-5 и положите ее на стол. После того, как динамограмма оказалась на столе, имеется возможность растянуть ее на весь экран (щелчок на динамограмму растягивает ее на весь экран, повторный щелчок убирает ее обратно на стол).

                    11.  Сломанный образец нужно выкинуть в урну.

                    12.  Далее нижний кулачок поднимите (кнопка «ВВЕРХ») до положения, чтобы поместить новый образец.

                    13.  Пассивную стрелку (3) динамографа установите в нулевое положение.

Можно проводить дальнейшие испытания.

 

5. Контрольные вопросы

1. Что называется пределом текучести и пределом прочности?

2. Какие механические свойства материала можно определить по диаграмме растяжения?

3. На какой испытательной машине выполняется работа?

4. Какой применяется образец?

5. Как проводится нулевая линия и оси координат на диаграмме растяжения?

6. Как определяют предел текучести, если на диаграмме растяжения имеется участок, параллельный оси удлинения?

7. По какой величине относительного остаточного удлинения определяют условный предел текучести?

8. Как определяют условный предел текучести по диаграмме растяжения?

9. На какую площадь сечения образца нужно делить максимальную нагрузку, которую выдержал образец до разрушения, при определении предела прочности?

10. Для какого участка диаграммы растяжения справедлив закон Гука?

11. Как изменяются свойства материала, если он подвергался предварительной вытяжке за предел текучести?

 

6. Отчет по практике

1. Изучите основные теоретические положения и условия проведения испытаний на растяжение.

2. Испытайте на растяжение образцы различных материалов с записью диаграммы растяжения. Результаты занесите в протокол (таблица 6.1).

3. Обработайте результаты, определите механические свойства испытанных материалов и сравните их с табличными значениями.

Таблица 6.1

Протокол испытаний на растяжение

 

7. Список использованной литературы

1. Прожерин А.Е., Накорнеева Т.Д., Денисов П.Ю. Механические свойства конструкционных материалов (испытание на растяжение): Методические указания. – Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2002. – 12 с.

2. Беляев Н.М. Лабораторные работы по сопротивлению материалов: Учебное пособие для вузов. – М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. – 278 с.

 

8. Авторы

Лабораторная  работа

«Испытание материалов на растяжение»

 

Методическое обеспечение: Прожерин А.Е., ст. преподаватель.

 

Редактор: Яковлев О.В.

 

3D графика: Елесин А.С.

 

Script программирование: Кузьминых А.П.