Диаграмма растяжения образца мягкой стали

Диаграмма растяжения показывает зависимость удлинения образца от продольной растягивающей силы.

Ее построение является промежуточным этапом в процессе определения механических характеристик материалов (в основном металлов).

Диаграмму растяжения материалов получают экспериментально, при испытаниях образцов на растяжение.

Для этого образцы стандартных размеров закрепляют в специальных испытательных машинах (например УММ-20 или МИ-40КУ) и растягивают до их полного разрушения (разрыва). При этом специальные приборы фиксируют зависимость абсолютного удлинения образца от прикладываемой к нему продольной растягивающей нагрузки и самописец вычерчивает кривую характерную для данного материала.

На рис. 1 показана диаграмма для малоуглеродистой стали. Она построена в системе координат F-Δl, где:
F — продольная растягивающая сила, [Н];
Δl — абсолютное удлинение рабочей части образца, [мм]

Диаграмма растяжения

Рис. 1 Диаграмма растяжения стального образца

Как видно из рисунка, диаграмма имеет четыре характерных участка:
I — участок пропорциональности;
II — участок текучести;
III — участок самоупрочнения;
IV — участок разрушения.

Построение диаграммы

Рассмотрим подробнее процесс построения диаграммы.

В самом начале испытания на растяжение, растягивающая сила F, а следовательно, и деформация Δl стержня равны нулю, поэтому диаграмма начинается из точки пересечения соответствующих осей (точка О).

На участке I до точки A диаграмма вычерчивается в виде прямой линии. Это говорит о том, что на данном отрезке диаграммы, деформации стержня Δl растут пропорционально увеличивающейся нагрузке F.

После прохождения точки А диаграмма резко меняет свое направление и на участке II начинающемся в точке B линия какое-то время идет практически параллельно оси Δl, то есть деформации стержня увеличиваются при практически одном и том же значении нагрузки.

В этот момент в металле образца начинают происходить необратимые изменения. Перестраивается кристаллическая решетка металла. При этом наблюдается эффект его самоупрочнения.

После повышения прочности материала образца, диаграмма снова «идет вверх» (участок III) и в точке D растягивающее усилие достигает максимального значения. В этот момент в рабочей части испытуемого образца появляется локальное утоньшение (рис. 2), так называемая «шейка», вызванное нарушениями структуры материала (образованием пустот, микротрещин и т.д.).

Стальной образец с образовавшейся "шейкой"

Рис. 2 Стальной образец с «шейкой»

Вследствие утоньшения, и следовательно, уменьшения площади поперечного сечения образца, растягиваещее усилие необходимое для его растяжения уменьшается, и кривая диаграммы «идет вниз».

В точке E происходит разрыв образца. Разрывается образец конечно же в сечении, где была образована «шейка»

Работа затраченная на разрыв образца W равна площади фигуры образованной диаграммой. Ее приближенно можно вычислить по формуле:

W=0,8Fmax∙Δlmax

По диаграмме также можно определить величину упругих и остаточных деформаций в любой момент процесса испытания.

Для получения непосредственно механических характеристик металла образца диаграмму растяжения необходимо преобразовать в диаграмму напряжений.

Предел пропорциональности >
Примеры решения задач >
Лабораторные работы >

Источник

Макеты страниц

Рассмотрим теперь диаграмму зависимости между силой и деформацией в целом. В качестве наиболее типичного материала выберем мягкую сталь с небольшим содержанием углерода. Будем откладывать по оси ординат силу, поделенную на первоначальную площадь поперечного сечения, по оси абсцисс — удлинение, отнесенное к первоначальной длине. В результате получим диаграмму, изображенную на рис. 74.

Рис. 74.

Горизонтальный участок диаграммы называется участком текучести, а соответствующее напряжение — пределом текучести . В начале участка текучести на диаграмме часто появляется зуб, напряжение поднимается выше предела текучести, причем деформация приблизительно следует закону Гука, а потом падает до величины и сохраняет на площадке текучести постоянное значение. После того как достигнута точка В на диаграмме, нагрузка начинает возрастать, материал вновь приобретает способность сопротивляться пластической деформации. Это явление носит название упрочнения. До точки С на диаграмме удлинение происходит равномерно, первоначально цилиндрический образец сохраняет цилиндрическую форму, утоньшаясь с ростом удлинения. Достижение силой максимального значения в точке С связано с появлением шейки, то есть местного сужения образца. Начиная с этого момента, все растяжение локализируется в области шейки; сечение в середине шейки быстро уменьшается, настолько быстро, что, хотя напряжение продолжает расти, растягивающая сила убывает. Таким образом, падение диаграммы после точки С не означает, что способность материала сопротивляться деформации уменьшается, наоборот, сопротивление продолжает расти, но эффект уменьшения площади сечения оказывается преобладающим. Вне области шейки при уменьшении силы падают и напряжения, поэтому после достижения точки С значительная часть длины образца не подвергается дальнейшей деформации. Наконец, в точке D происходит разрыв образца. Сила, соответствующая точке С, называется разрушающей силой, частное от деления разрушающей силы на первоначальную площадь поперечного сечения называется временным сопротивлением или пределом прочности . Нужно заметить, что не есть напряжение, при котором происходит разрыв; для определения последнего следовало бы разделить силу, соответствующую точке D, на площадь сечения шейки в момент разрыва. Эта величина больше, чем временное сопротивление, но и ее нельзя принять за физическую характеристику прочности, так как в шейке напряженное состояние является сложным.

Временное сопротивление вообще не является напряжением, так как оно определяется по первоначальной площади сечения, а к моменту достижения точки С сечение образца успевает существенно уменьшиться. Таким образом, временное сопротивление — это условная характеристика, являющаяся суммарным выражением целого ряда физических свойств. Процесс образования шейки можно трактовать как процесс потери устойчивости равномерного течения металла, малые отклонения от идеальной геометрической формы до достижения точки временного сопротивления мало сказываются на процессе деформирования, тогда как после достижения этой точки эти малые случайные отклонения неизбежно растут и приводят к образованию шейки.

Временное сопротивление чрезвычайно просто определяется на опыте, для этого не нужно измерять деформации, достаточно разорвать образец на машине и отметить при этом максимальное достигнутое значение силы. Поэтому до настоящего времени эта характеристика является основной для суждения о прочности металла и до недавнего времени величины допускаемых напряжений устанавливались в зависимости от временного сопротивления.

Вторая важная характеристика — это относительное удлинение при разрыве, то есть абсцисса точки D. Важность этой характеристики уже была указана выше, в § 58. Высококачественные легированные стали тем и отличаются от простых углеродистых, что при высоком временном сопротивлении они обнаруживают большое удлинение при разрыве.

Строя диаграмму растяжения, подобную изображенной на рис. 74, мы не вправе называть величину, откладываемую по оси ординат, напряжением, так как площадь поперечного сечения образца меняется в процессе растяжения. Величина, откладываемая по оси абсцисс, также не может быть названа, строго говоря, относительным удлинением, так как после точки С все удлинение локализируется в области шейки и отнесение его к общей первоначальной длине образца теряет смысл. Истинной диаграммой растяжения, в отличие от приведенной на рис. 74 условной диаграммы, называется диаграмма зависимости между напряжением и относительной деформацией. Для построения такой диаграммы необходимо относить силу каждый раз к фактической площади поперечного сечения. До точки С построение истинной диаграммы не встречает принципиальных затруднений, удлинение определяется обычным способом, наряду с измерением деформации производится измерение поперечных размеров образца и производится соответствующий перерасчет. Истинная диаграмма, показанная на рис. 75, идет всегда выше условной, приведенной на том же чертеже пунктиром. В точке С, соответствующей точке С условной диаграммы, касательная к истинной диаграмме не становится горизонтальной, в соответствии с тем, что было сказано выше.

Для дальнейшего построения приходится прибегать к гипотезам, относящимся к распределению напряжений и деформаций в шейке; таким образом, часть истинной диаграммы после точки С получается не как результат прямого эксперимента, а на основе некоторого пересчета. Метод подобного пересчета предложил Н. Н. Давиденков.

Рис. 75.

Другая возможность построения диаграммы растяжения, связывающей не условные, а истинные (с известным приближением) напряжения и деформации, заключается в том, что по оси абсцисс откладывается не удлинение в направлении действия растягивающей силы, а поперечная деформация. За меру поперечной деформации принимают относительное уменьшение площади поперечного сечения образца:

Здесь — первоначальная площадь поперечного сечения образца, F — минимальная площадь поперечного сечения деформированного образца. Пока удлинение равномерно, величины связаны между собою следующим образом:

Это легко установить, воспользовавшись условием неизменности объема (изменение объема происходит только за счет упругой деформации, а ею можно пренебречь, когда удлинение велико).

Рис. 76.

Для большинства металлов диаграмма а — от точки С, соответствующей образованию шейки, почти до точки разрыва D (рис. 76) является прямолинейной. Диаграмма характеризует зависимость истинного напряжения от истинной деформации при растяжении лучше, чем условная диаграмма, но и она не отражает сложного характера напряженного состояния в шейке.

Источник

Инструкция к лабораторной работе №2

по сопротивление материалов

Тема: «Определение механических характеристик

при растяжении стального образца»

Симферополь – 2014

Инструкция.

К лабораторной работе № 2 по сопротивлению материалов

Тема: «Определение механических характеристик при растяжении

стального образца»

Цель работы: Определить марки данной обезличенной, т.е. не имеющей

сертификата (паспорта), стали путем сравнения измеренных

механических характеристик этой стали с данными ГОСТа.

Содержание работы.

Диаграмма растяжения стали

Рассмотрим диаграмму растяжения, которая показывает зависимость между растягивающей силой F, действующей на образец, и вызываемой ею деформацией Δl (рис. 1)

На диаграмме можно указать пять характерных точек:

Рис.1Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали.

Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональность между нагрузкой F и удлинением Δl. (Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название закона Гука).

Величина силы Fпц (точка А), до которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.

Если испытуемый образец нагрузить растягивающей силой, не превышающей величину ординаты точки B (силы Fy), а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении. Следовательно, в этом случае в образце возникают только упругие деформации.

В случае, если растягивающее усилие выше Fy, при разгрузке образца деформации полностью не исчезают и на диаграмме линия разгрузки будет представлять собой прямую B’О’, уже не совпадающую с линией нагружения, а параллельную ей. В этом случае деформация образца состоит из упругой ΔlупрB’ и остаточной (пластической) ΔlостB’ деформации.

Таким образом, характерной особенностью точки B является то, что при превышении нагрузки Fy образец испытывает остаточные деформации при разгружении.

Выше точки В диаграмма растяжения значительно отходит от прямой (деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма имеет криволинейный вид), а при нагрузке, соответствующей Fт (точка С), переходит в горизонтальный участок. В этой стадии испытания в материале образца по всему его объему распространяются пластические деформации. Образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки.

Свойство материала деформироваться при практически постоянной нагрузке называется текучестью. Участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.

В процессе текучести на отшлифованной поверхности образца можно наблюдать появление линий (полос скольжения), наклоненных примерно под углом 45° к оси образца (рис. 2а). Эти линии являются следами взаимных сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями.

Рис. 2Образование линий сдвига (а) и местного сужения—шейки (б)

Линии сдвига называются линиями Чернова по имени знаменитого русского металлурга Д. К. Чернова (1839 — 1921), впервые обнаружившего их.

Удлинившись на некоторую величину при постоянном значении силы, т.е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочняться), и диаграмма поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше. В точке D усилие достигает максимального значения Fmax.

Наличие участка упрочнения (от конца площадки текучести до наивысшей точки диаграммы растяжения) объясняется микроструктурными изменениями материала: когда нагрузка на образец возрастает, микроскопические дефекты (линейные и точечные) группируются так, что развитие сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями, затрудняется, а потому сопротивление материала сдвигу начинает возрастать и приближаться к его сопротивлению отрыву.

При достижении усилия Fmax на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка (рис. 2б), быстрое уменьшение площади сечения которой вызывает падение нагрузки, и в момент, соответствующий точке К диаграммы, происходит разрыв образца по наименьшему сечению шейки.

До точки D диаграммы, соответствующей Fmax, каждая единица длины образца удлинилась примерно одинаково; точно так же во всех сечениях одинаково уменьшались поперечные размеры образца. С момента образования шейки вся деформация образца локализуется на малой длине (lш~ 2d0) в области шейки, а остальная часть образца практически не деформируется.

Абсциссы диаграммы растягивания OE, OF и FE, характеризующие способность образца деформироваться до наступления разрушения, соответствуют полному абсолютному удлинению образца Δlполн, остаточному абсолютному удлинению Δlост и абсолютному упругому удлинению образца Δlупр.

Для определения упругой деформации в момент разрыва необходимо из точки K диаграммы провести прямую KF, параллельную прямолинейному участку OA, так как упругие деформации при разрыве также подчиняются закону Гука.

При выполнении работы для выбора марки стали необходимо определить предел текучести, предел прочности и относительное удлинение образца после разрыва.

Пределом текучести называется условное напряжение, соответствующее нагрузкеFт (точка С):

где:

— предел текучести, кг/см2 (МПа);

— нагрузка, соответствующая наступлению стадии текучести, кг (кН);

— первоначальная площадь поперечного сечения образца (см2);

Пределом прочности при растяжении называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую способен выдержать материал при испытании и определяется отношением:

где:

— предел прочности, кг/см2 (МПа);

— разрушающая нагрузка, Т.е. максимальная нагрузка, которую способен выдержать образец при испытании до разрушения, кг (кН).

Относительное остаточное удлинение образца определяется соотношением:

где:

— длина образца после испытания, см;

— длина образца до испытания, см;

В соответствии с ГОСТ 380-60 углеродистая сталь обыкновенного качества должна иметь следующие механические свойства:

Таблица 1

Марка	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
Ст.0	—
Ст.1	—	320-400
Ст.2	190-220	340-420
Ст.3	220-240	380-400
		410-430
		440-470
Ст.4	240-260	420-440
		450-480
		490-520
Ст.5	260-280	500-530
		540-570
		580-620
Ст.6	300-310	600-630
		640-670
		680-720
Ст.7	—	700-740
		750-800

Указанные характеристики (см. таблицу №1) механических свойств стали могут быть определены при испытании на растяжение. Путем сравнения полученных величин с вышеуказанными требованиями ГОСТ 380-60 обезличенной стали может быть присвоена соответствующая марка.

Образец.

Образцы для испытания на растяжение обычно выполняются круглыми.

Для испытаний берут так называемый, нормальный длинный или нормальный короткий образец.

Для испытаний используем круглый цилиндрический стержень диаметром 7мм, с расчетной длиной 70мм, с утолщениями на концах, служащими для захвата образца в машине и с плавными переходами к этим утолщениям, для предотвращения концентрации напряжения.

а)

б)

Рис. 3Цилиндрический образец до испытания(а), после испытания(б).

Инструмент

а) Штангенциркуль — для обмера первоначальных размеров

поперечного сечения образца.

б) Карандаш для разметки образца по его длине.

Машина для испытаний.

В нашей лаборатории испытание на сжатие производится на силовой установке ПСУ-10. Испытательная машина ПСУ-10 предназначена для статических испытаний на сжатие, а так же на растяжение с использованием реверса.

Максимальное развиваемое машиной усилие 10 000 кг. Шкала силоизмерителя имеет 300 делений.

Возможно использование двух режимов работы: 5 000 кг (цена деления 16,7 кг) и 10 000 кг (цена деления 33,3 кг).

Рис. 4Устройство реверса. Рис. 5Реверс в установке.

Выполнение работы.

Получив все необходимое для работы и ознакомившись с машиной, необходимо измерить и разметить образцы.

Измерение диаметра образца следует производить с точностью до трех значащих цифр, причем размер находится как среднее арифметическое из четырех размеров, взятых в разных местах расчетной длины образца. По среднему размеру определяются площадь поперечного сечения образца и его расчетная длина. После зарисовки (фотографирования) эскиза образца с указанием его размеров приступают, при обязательном присутствии ассистента, к самому испытанию.

Так как величина нагрузки на образец измеряется величиной перемещения стрелки по шкале, то основное внимание испытателя, должно быть сосредоточено на показаниях циферблата.

Нагрузка, соответствующая явлению текучести, определяется по временной остановке стрелки, во время работы нагружающего механизма, а разрушающая нагрузка по максимальному отклонению (по часовой стрелке).

Как известно, в момент, соответствующий разрушающей нагрузке, при испытании малоуглеродистой стали, на образце появляется шейка, поэтому, когда стрелка начинает сдвигаться в направлении против часовой, нужно обратить внимание на появление шейки. После окончательного разрыва вынимают реверсор и исследуют характер разрушения разрушенного образца.

Для определения относительного удлинения при разрыве складывают возможно плотнее части разорванного образца и измеряют расстояние между кернами, соответствующими концам расчетной длины. Вид образца после разрыва также следует заэскизировать (сфотографировать) со всеми найденными размерами. В случае разрыва образца вне расчетной длины испытание считается неудавшимся и повторяется. Замеры и показания снимаются в системе кг и см и вычисления производятся с точностью до трех значащих цифр, а протокол испытания оформляется в соответствии с прилагаемой в конце инструкции формой, переводя в систему СИ (кН и МПа).

Сравнивая полученные результаты с требованиями ГОСТа для стали, приведенных выше марок, следует в конце работы сделать заключение, что на основании произведенных испытаний материал можно отнести к стали определенной марки. После окончания работы, весь инструмент в исправном состоянии должен быть сдан дежурному по лаборатории.

Таблицу с данными об испытаниях необходимо заполнять следующим образом. Первоначально полученный по шкале результат нагрузки в соответствии с ценой деления записывать единицами измерения «кг». Затем приводить результат в соответствие со стандартом СИ, переводя в «кН». Следует учесть, что 1 кг = 0,01 кН (т.е. чтоб получить «кН», надо результат в «кг» умножить на 0,01 или разделить на 100). Далее предел прочности или текучести вычисляется вначале как «кг/см2», а после приводится к системе СИ «МПа». При этом 1 кг/см2 = 0,1 МПа (т.е. чтоб получить «МПа», надо результат в «кг/см2» умножить на 0,1 или разделить на 10).

Форма отчета

Лабораторная работа №2

___________________

(ФИО, группа студента)

«Определение механических характеристик

при растяжении стального образца»

1. Необходимые приборы и инструменты:

Силовая установка ПСУ-10, штангенциркуль.

2. Эскиз образца до испытания и после испытания (фотография).

3. Журнал наблюдений при определении механических характеристик.

Вывод: в ходе выполнения лабораторный работы провели испытание стали на растяжение, определили марку данной стали путем сравнения измеренных

механических характеристик этой стали с данными ГОСТа.

Размеры расчетной части образца до испытания	Нагрузки, соответствующие пределам	Предел теку-чести, кг/см2	Предел прочности кг/см2	Размеры расчетной части образца после испытания
Расчет-ная длина, см	Диа-метр, см	Площадь поперечного сечения, см2	Теку-чести, кг (кН)	Прочнос-ти, кг (кН)	Расчет-ная длина, см	Диа-метр, см	Площадь поперечного сечения, см2	Относительное удлинение, %
5.97	0.59	0.273	868.4	1469.6	3180.95	5383.15	6.54	0.39	0.119	10.1

«___» _________ 201__ г. _______________

(подпись студента)

Дата добавления: 2016-03-28; просмотров: 5192 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов