Диаграмма растяжения образца на разрывной машине
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]
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.).
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
При проектировании строительных конструкций, машин и механизмов инженеру необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформационные свойства материалов. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в экспериментальных лабораториях на соответствующих испытательных машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных – испытания на твердость, сопротивляемость ударным и переменным нагрузкам, противодействие высоким температурам и т.д. Подробное описание всех видов механических испытаний и применяемых при этом машин и приборов приводится в специальной литературе. Мы же рассмотрим лишь испытания металлов на растяжение.
Наибольшую информацию о механических свойствах металлов можно получить из статических испытаний на растяжение. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТом.
Для испытания на растяжение применяют образцы специальной формы – цилиндрические (рис.26). Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l0, на которой определяется удлинение, и головки с переходным участком, форма и размеры которых зависят от способов их крепления в захватах машины. Различают длинные образцы с отношением l0/d0 = 10 и короткие — l0/d0=5. Размеры образцов делают стандартными для того, чтобы результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, были сравнимы.
Рис. 26
Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах. В зависимости от метода приложения нагрузки машины бывают с механическим или гидравлическим приводом. Они обычно выпускаются с вертикальным расположением образца. Передача усилия на образец осуществляется через захваты. Разрывная машина снабжена устройством для автоматической записи в определенном масштабе диаграммы растяжения, т.е. графика зависимости между растягивающей силой Р и удлинением образца Dl. На рис.27 представлена диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали.
В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией – справедливость закона Гука.
Рис. 27
Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена Рпц и используется для вычисления предела пропорциональности:
sпц=, (47)
где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца.
Пределом пропорциональности sпц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией.
Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е, как тангенс угла наклона этой прямой.
После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости:
sуп=. (48)
Пределом упругости sуп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.
У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают.
При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок СД – площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка Рт, соответствующая точке Д, используется при определении физического предела текучести:
sт=. (49)
Пределом текучести sт называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов.
Зона ВД называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом происходит изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной, образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения Рmax – точка Е на диаграмме. Это усилие используется для вычисления временного сопротивления или предела прочности:
sв=. (50)
Пределом прочности называется напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, достигнутой в ходе испытаний.
Зона ДЕ называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечное сечение изменяется незначительно, но также равномерно.
При максимальном или несколько меньшем усилии на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения – шейка. Дальнейшая деформация происходит в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точке К, называется разрушающей Рк, а напряжения – истинным сопротивлением разрыву:
Sк=, (51)
где Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Зона ЕК называется зоной местной текучести.
Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.
Относительное удлинение после разрыва d (%) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:
%. (52)
Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение d уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах. Кроме того, относительное удлинение зависит и от места расположения шейки (разрыва) на расчетной длине образца. При возникновении шейки в средней части образца местные деформации в области шейки могут свободно развиваться и относительное удлинение будет больше, чем в случае, когда шейка возникает ближе к головке образца, тогда местные деформации будут стеснены.
Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва y (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:
%. (53)
Диаграмма растяжения характеризует свойства образца, так как зависит от его размеров. Для оценки механических свойств материала диаграмму растяжения перестраивают в координатах «напряжение-деформация»: все ординаты делят на первоначальную площадь поперечного сечения F0, а все абсциссы – на первоначальную длину рабочей части l0. В результате получаем диаграмму напряжений, которая имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, так как F0 и l0 постоянны. Эта диаграмма является условной, поскольку при ее построении не учитывается изменение значений F0 и l0 в процессе испытания.
Поэтому определенные ранее пределы пропорциональности, текучести и прочности являются условными. Истинные же напряжения в каждый момент нагружения будут больше условных. Заметное отклонение истинных напряжений от условных происходит после предела текучести, так как сужение сечения становится более значительным. Особенно сильно возрастает разница между напряжениями после образования шейки. Диаграмма напряжений, построенная с учетом сужения площади поперечного сечения и местного увеличения деформаций, называется диаграммой истинных напряжений.
Некоторые диаграммы растяжения не имеют ярко выраженной площадки текучести, например, для низколегированных сталей, сплавов алюминия (рис.28). В этих случаях вместо физического предела текучести определяют условный предел текучести s0,2 (точка Д) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от рабочей длины образца.
Рис. 28
Источник
Федеральное агентство по образованию
Министерство образования Российской Федерации
Томский политехнический университет
__________________________________________________________________
УТВЕРЖДАЮ
Декан МСФ
Р.И. Дедюх
«___»__________2009 г.
Испытания материалов на растяжение
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Материаловедение» для студентов немашиностроительных специальностей
Томск 2009
УДК 620.18:669.018.252:548.53.
Испытания материалов на растяжение.
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Материаловедение» для студентов немашиностроительных специальностей. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 15 с.
Составители: ассистент, Ю. Н. Петренко
доцент, Е. П. Чинков
Рецензент: доцент, к.т.н. Ю. П. Егоров
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры «Материаловедение и технология металлов» «5» ноября 2009 г.
Зав. кафедрой МТМ
доцент, к.т.н. Ю.П. Егоров
Одобрено учебно-методической комиссией МСФ.
Председатель учебно-методической комиссии
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Испытания материалов на растяжение
Цель работы:
1. Ознакомиться с проведением испытания материалов на растяжение.
2. Научиться определять показатели прочности и пластичности материалов.
Оборудование и материалы для выполнения работы
1. Разрывная машина МИРИ – 100К.
2. Штангенциркуль.
3. Измерительная линейка.
4. Набор образцов.
Порядок выполнения лабораторной работы
1. Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями.
2. Выполнить в соответствии с заданием экспериментальную часть.
3. Провести анализ полученных результатов и сделать выводы по результатам работы всей подгруппы.
Содержание отчета
1. Название и цель работы.
2. Сведения об определении механических характеристик прочности и пластичности.
3. Протокол испытаний.
4. Выводы по работе.
Основные теоретические положения
Рис. 1. Цилиндрические (а) и плоские (б) образцы, применяемые
при испытании на растяжение:
d0 — начальный диаметр образца, а0 — начальная толщина, b0- начальная ширина,
l0 — начальная расчетная длина, l -рабочая длина, D — диаметр головок,
В — ширина захватов, L — общая длина образца
Образцы 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:
от до – 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 кН
Наименьшая нагрузка – 2 кН
Высота/ширина рабочего пространства – 400 мм
Рабочий ход активного захвата – 400 мм
Пределы допускаемой погрешности измерения нагрузки – ±1 %
Диапазон захватываемых образцов:
— круглых (диаметр) – 5¸12 мм
— плоских (толщина х ширина) – 5-20х40 мм
— с головками (диаметр) – 5¸15 мм
Потребляемая мощность – 2,5 кВт
Механические 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 деформацией Dl, равной разности длин образца после растяжения lk и до него l0:Dl = lk– l0.
При испытаниях автоматически вычерчивается первичная диаграмма растяжения (рис. 3) в координатах «P ~ Dl ».
На диаграмме «Р–Dl» выделяют три участка деформации.
Рис. 3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
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 Dl. Закон пропорциональности установлен Р. Гуком в 1670 г.
2. Участок равномерной пластической деформации от нагрузки Рупр до 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 точке К диаграммы, происходит разрыв образца по наименьшему сечению шейки. При этом упругая деформация образца Dlупр исчезает, а пластическая Dlост остается (см. рис. 3).
а) б)
Рис. 4. Образование линий сдвига (а) и местного сужения –
шейки (б) при испытании образца на растяжение
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 точки К 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.
Источник