Диаграмма растяжения стали площадка текучести

Механические характеристики материалов, то есть величины, характеризующие их прочность, пластичность, упругость, твердость, а также упругие постоянные Е и v, необходимые конструктору для выбора материалов и расчетов проектируемых деталей, определяют путем механических испытаний стандартных образцов, изготовленных из исследуемого материала.

Большая заслуга в установлении единообразных во всем мире методов испытаний материалов принадлежит русскому профессору Н.А. Белелюбскому (1845—1922) — президенту Международного общества испытания материалов.

Вопросы проведения лабораторных испытаний материалов в настоящей книге не излагаются, с ними читатель может ознакомиться в специальной литературе.

В данном параграфе мы подробно рассмотрим диаграмму, полученную в процессе наиболее распространенного и важного механического испытания, а именно испытания на растяжение низкоуглеродистой стали (например, стали СтЗ) при статическом нагружении.

В процессе этого испытания специальное устройство испытательной машины автоматически вычерчивает диаграмму, выражающую зависимость между растягивающей силой и абсолютным удлинением, то есть в координатах (F, Д/). Для изучения механических свойств материала независимо от размеров образца применяется диаграмма в координатах «напряжение — относительное удлинение» (а, в). Эти диаграммы отличаются друг от друга лишь масштабами.

На рис. 2.6 представлена диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали. Эта диаграмма имеет следующие характерные точки.

Точка А соответствует пределу пропорциональности. Пределом пропорциональности апц называется то наибольшее напряжение, до которого деформации растут пропорционально нагрузке, то есть справедлив закон Гука (для стали СтЗ а пц * 200 МПа).

Точка А практически соответствует также и пределу упругости. Пределом упругости сУуп называется то наибольшее напряжение, до которого деформации практически остаются упругими.

Точка С соответствует пределу текучести. Пределом текучести стх называется такое напряжение, при котором в образце появляется заметное удлинение без увеличения нагрузки (для стали СтЗ оТ * 240 МПа).

Рис. 2.6

При достижении предела текучести поверхность образца становится матовой, так как на ней появляется сетка линий Людерса — Чернова, наклоненных к оси под углом 45°. Эти линии впервые были описаны в 1859 г. немецким металлургом Людерсом и независимо от него в 1884 г. русским металлургом Д.К. Черновым (1839—1921), предложившим использовать их при экспериментальном изучении напряжений в сложных деталях. Предел текучести является основной механической характеристикой при оценке прочности пластичных материалов.

Точка В соответствует временному сопротивлению или пределу прочности.

Временным сопротивлением ав называется условное напряжение, равное отношению максимальной силы, которую выдерживает образец, к первоначальной площади его поперечного сечения (для стали СтЗ ств « 400 МПа). При достижении временного сопротивления на растягиваемом образце образуется местное сужение — шейка, то есть начинается разрушение образца. В определении временного сопротивления говорится об условном напряжении, так как в сечениях шейки напряжения будут больше.

Пределом прочности стпч называется временное сопротивление образца, разрушающегося без образования шейки. Предел прочности является основной механической характеристикой при оценке прочности хрупких материалов.

Точка D соответствует напряжению, возникающему в образце в момент разрыва во всех поперечных сечениях, кроме сечений шейки.

Точка М соответствует напряжению, возникающему в наименьшем поперечном сечении шейки в момент разрыва. Это напряжение можно назвать напряжением разрыва.

С помощью диаграммы растяжения в координатах (а, е) определяем модуль упругости первого рода:

где р„ — масштаб напряжений; — масштаб относительных удлинений; а — угол, который составляет с осью абсцисс прямая линия диаграммы до предела пропорциональности.

Для большинства углеродистых сталей предел пропорциональности можно приблизительно считать равным половине временного сопротивления.

Деформация образца за пределом упругости состоит из упругой и остаточной, причем упругая часть деформации подчиняется закону Гука и за пределом пропорциональности. Это проявляется в том, что если нагрузку снять, то образец укоротится в соответствии с прямой TF диаграммы. При повторном нагружении того же образца его деформация будет соответствовать диаграмме FTBD. Таким образом, при повторном растяжении образца, ранее нагруженного выше предела упругости, механические свойства материала меняются, а именно — повышается прочность (предел упругости и пропорциональности) и уменьшается пластичность. Это явление называется наклёпом.

В некоторых случаях наклеп нежелателен (например, при пробивке отверстий под заклепки увеличивается возможность появления трещин возле отверстий), в других случаях наклеп создается специально (например, цепи подъемных машин, арматура железобетонных конструкций, провода, тросы подвергаются предварительной вытяжке за предел текучести). Проволока, полученная волочением, в результате наклепа имеет значительно большую прочность, чем точеный образец из того же материала.

Степень пластичности материала может быть охарактеризована (в процентах) остаточным относительным удлинением Д и остаточным относительным сужением У шейки образца после разрыва;

где /0 — первоначальная длина образца; 1Р — длина образца после разрыва; А0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца; Аш — площадь наименьшего поперечного сечения шейки образца после разрыва.

Чем больше А и Т, тем пластичнее материал.

Материалы, обладающие очень малой пластичностью, называют хрупкими. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести, у них при разрушении не образуется шейка.

Диаграмма сжатия стали до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, причем результаты испытаний сталей на растяжение и сжатие равноценны.

Результаты испытаний на растяжение и сжатие чугуна значительно отличаются друг от друга; предел прочности при растяжении в 3…5 раз ниже, чем при сжатии. Иными словами, чугун значительно хуже работает на растяжение, чем на сжатие.

Отметим, что ярко выраженную площадку текучести имеют только диаграммы растяжения низкоуглеродистой стали и некоторых сплавов цветных металлов. На рис. 2.7 показан для сравнения вид диаграмм растяжения сталей с различным содержанием углерода; из рисунка видно, что с повышением процента содержания углерода увеличивается прочность стали и уменьшается ее пластичность.

Рис. 2.7

Для пластичных материалов, диаграммы растяжения которых не имеют ярко выраженной площадки текучести (средне- и высокоуглеродистые, легированные стали) или совсем ее не имеют (медь, дюралюминий), вводится понятие условного предела текучести — напряжения, при котором относительное остаточное удлинение образца равно 0,2%. Условный предел текучести также обозначим через ах (иногда его обозначают Стод).

Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие условно, так как в зависимости от характера действующей нагрузки хрупкий материал может получить пластические свойства, и, наоборот — пластичный материал приобретает свойства хрупкого. Так, например, деталь из пластичного материала при низкой температуре или при ударной нагрузке разрушается без образования шейки, как хрупкая.

Ползучесть. Последействие. Релаксация напряжений

Все конструкционные (то есть обладающие прочностью) материалы при длительной эксплуатации, даже при постоянных условиях нагружения, в большей или меньшей степени могут медленно, самопроизвольно и необратимо изменять свои деформации и напряжения. Это свойство материалов называется ползучестью.

Если ползучесть возникает при постоянных напряжениях, то это необратимое явление называется последействием.

Если происходит изменение напряжений при постоянной деформации, то процесс носит название релаксации напряжений, то есть их уменьшения.

Примером последействия может служить увеличение размеров лопаток газовых турбин, длительное время работающих при больших центробежных силах в условиях высоких температур. Примером релаксации напряжений может служить происходящий с течением времени процесс ослабления затяжки болтовых соединений, в особенности работающих в условиях высоких температур.

Для сталей и чугунов при температуре до 300 °С явление ползучести несущественно. Для металлов с низкой температурой плавления (свинец, алюминий), для бетона, дерева и для высокополимерных материалов (резина, каучук, пластмасса) ползучесть весьма заметна и при комнатных температурах.

Основными механическими характеристиками ползучести материалов являются установленные экспериментальным путем предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом ползучести апп называется наибольшее напряжение, при котором деформация происходит за промежуток времени, не превышающий предельного значения, заданного техническими условиями.

Пределом длительной прочности одп называется условное напряжение, равное отношению нагрузки, при которой происходит разрушение испытываемого образца через определенный промежуток времени, к первоначальной площади поперечного сечения образца.

Время испытаний образцов зависит от условий работы конструкций и происходит в течение десятков, сотен и тысяч часов.

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

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.

«___» _________ 201__ г. _______________

(подпись студента)

Дата добавления: 2016-03-28; просмотров: 5099 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Читайте также:

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

© 2015-2020 lektsii.org — Контакты — Последнее добавление