Форма образцов на растяжение
Лабораторная работа № 1
Цель работы – изучить поведение малоуглеродистой стали при растяжении и определить ее механические характеристики.
Основные сведения
Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.
Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.
В таких случаях, кроме металлографических исследований, определяются главные механические характеристики на образцах, взятых из зоны разрушения конструкции. Образцы изготавливаются по ГОСТ 1497-84 и могут иметь различные размеры и форму (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Образцы для испытания на растяжение
Между расчетной длиной образца lо и размерами поперечного сечения Ао (или dо для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:
В испытательных машинах усилие создается либо вручную — механическим приводом, либо гидравлическим приводом, что присуще машинам с большей мощностью.
В данной работе используется универсальная испытательная машина УММ-20 с гидравлическим приводом и максимальным усилием 200 кН, либо учебная универсальная испытательная машина МИ-40КУ (усилие до 40 кН).
Порядок выполнения и обработка результатов
Образец, устанавливаемый в захватах машины, после включения насоса, создающего давление в рабочем цилиндре, будет испытывать деформацию растяжения. В измерительном блоке машины есть шкала с рабочей стрелкой, по которой мы наблюдаем рост передаваемого усилия F.
Зависимость удлинения рабочей части образца от действия растягивающей силы во время испытания отображается на миллиметровке диаграммного аппарата в осях F-Δl (рис. 1.2).
В начале нагружения деформации линейно зависят от сил, потому участок I диаграммы называют участком пропорциональности. После точки В начинается так называемый участок текучести II.
На этой стадии стрелка силоизмерителя как бы спотыкается, приостанавливается, от точки В на диаграмме вычерчивается либо прямая, параллельная горизонтальной оси, либо слегка извилистая линия — деформации растут без увеличения нагрузки. Происходит перестройка структуры материала, устраняются нерегулярности в атомных решетках.
Далее самописец рисует участок самоупрочнения III. При дальнейшем увеличении нагрузки в образце происходят необратимые, большие деформации, в основном концентрирующиеся в зоне с макронарушениями в структуре – там образуется местное сужение — «шейка».
На участке IV фиксируется максимальная нагрузка, затем идет снижение усилия, ибо в зоне «шейки» сечение резко уменьшается, образец разрывается.
При нагружении на участке I в образце возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические — остаточные деформации.
Если в стадии самоупрочнения начать разгружать образец (например, от т. С), то самописец будет вычерчивать прямую СО1. На диаграмме фиксируются как упругие деформации Δlу (О1О2), так и остаточные Δlост (ОО1). Теперь образец будет обладать иными характеристиками.
Так, при новом нагружении этого образца будет вычерчиваться диаграмма О1CDЕ, и практически это будет уже другой материал. Эту операцию, называемую наклеп, широко используют, например, в арматурных цехах для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней.
Диаграмма растяжения (рис. 1.2) характеризует поведение конкретного образца, но отнюдь не обобщенные свойства материала. Для получения характеристик материала строится условная диаграмма напряжений, на которой откладываются относительные величины – напряжения σ=F/A0 и относительные деформации ε=Δl/l0 (рис. 1.3), где А0, l0 – начальные параметры образца.
Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали
Рис. 1.3. Условная диаграмма напряжений при растяжении
Условная диаграмма напряжений при растяжении позволяет определить следующие характеристики материала (рис. 1.3):
σпц – предел пропорциональности – напряжение, превышение которого приводит к отклонению от закона Гука. После наклепа σпц может быть увеличен на 50-80%;
σу – предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05%. Напряжение σу очень близко к σпц и обнаруживается при более тонких испытаниях. В данной работе σу не устанавливается;
σт – предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформаций при постоянной нагрузке.
Иногда явной площадки текучести на диаграмме не наблюдается, тогда определяется условный предел текучести, при котором остаточные деформации составляют ≈0,2% (рис. 1.4);
Рис. 1.4. Определение предела упругости и условного предела текучести
σпч (σв) – предел прочности (временное сопротивление) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке;
σр – напряжение разрыва. Определяется условное σур и истинное σир=Fр/Аш, где Аш – площадь сечения «шейки» в месте разрыва.
Определяются также характеристики пластичности – относительное остаточное удлинение
δ = (l1 – l0)∙100% / l0,
где l1 – расчетная длина образца после разрыва,
и относительное остаточное сужение
ψ = (А0 — Аш)∙100% / А0.
По диаграмме напряжений можно приближенно определить модуль упругости I рода
E=σпц/ε=tgα,
причем после операции наклепа σпц возрастает на 20-30%.
Работа, затраченная на разрушение образца W, графически изображается на рис. 1.2 площадью диаграммы OABDEO3. Приближенно эту площадь определяют по формуле:
W = 0,8∙Fmax∙Δlmax.
Удельная работа, затраченная на разрушение образца, говорит о мере сопротивляемости материала разрушению w = W/V, где V = A0∙l0 – объем рабочей части образца.
По полученным прочностным и деформационным характеристикам и справочным таблицам делается вывод по испытуемому материалу о соответствующей марке стали
Контрольные вопросы
- Изобразите диаграмму растяжения образца из малоуглеродистой стали (Ст.3). Покажите полные, упругие и остаточные абсолютные деформации при нагружении силой, большей, чем Fт.
- На каком участке образца происходят основные деформации удлинения? Как это наблюдается на образце? Какие нагрузки фиксируются в этот момент?
- Объясните, почему после образования шейки дальнейшее растяжение происходит при все уменьшающейся нагрузке?
- Перечислите механические характеристики, определяемые в результате испытаний материала на растяжение. Укажите характеристики прочности и пластичности.
- Дайте определение предела пропорциональности.
- Дайте определение предела упругости.
- Дайте определение предела текучести.
- Дайте определение предела прочности.
- Как определить предел текучести при отсутствии площадки текучести? Покажите, как это сделать, по конкретной диаграмме.
- Какие деформации называются упругими, какие остаточными? Укажите их на полученной в лабораторной работе диаграмме растяжения стали.
- Как определяется остаточная деформация после разрушения образца?
- Выделите на диаграмме растяжения образца из мягкой стали упругую часть его полного удлинения для момента действия максимальной силы.
- Какое явление называется наклепом? До какого предела можно довести предел пропорциональности материалов с помощью наклепа?
- Как определяется работа, затраченная на разрушение образца? О каком свойстве материала можно судить по удельной работе, затраченной на разрушение образца?
- Как определить марку стали и допускаемые напряжения для нее после проведения лабораторных испытаний?
- Чем отличается диаграмма истинных напряжений при растяжении от условной диаграммы?
- Можно ли определить модуль упругости материала по диаграмме напряжений?
- Как определить работу, затрачиваемую на деформации текучести лабораторного образца?
Испытание материалов на сжатие >
Краткая теория >
Примеры решения задач >
Источник
ОКСТУ 0909
Дата введения 1986-01-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством черной металлургии СССР
РАЗРАБОТЧИКИ
В.И.Маторин, Б.М.Овсянников, В.Д.Хромов, Н.А.Бирун, А.В.Минашин, Э.Д.Петренко, В.И.Чеботарев, М.Ф.Жембус, В.Г.Гешелин, А.В.Богачева
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 17.07.84 N 2514
3. Стандарт соответствует СТ СЭВ 471-88 в части испытаний листов и лент толщиной от 0,5 до 3,0 мм
4. ВЗАМЕН ГОСТ 11701-66
5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
6. Срок действия продлен до 01.01.96* Постановлением Госстандарта СССР от 25.03.91 N 319
__________________
* Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации. (ИУС N 11-12, 1994 год). — Примечание «КОДЕКС».
7. ПЕРЕИЗДАНИЕ (февраль 1993 г.) с Изменениями N 1, 2, утвержденными в октябре 1987 г., марте 1991 г. (ИУС 1-88, 6-91)
Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение тонких листов и лент из черных и цветных металлов толщиной до 3,0 мм для определения при температуре (20)°C характеристик механических свойств:
предела пропорциональности;
предела текучести физического;
предела текучести условного;
временного сопротивления;
относительного равномерного удлинения;
относительного удлинения после разрыва.
Стандарт соответствует СТ СЭВ 471-88 в части испытаний листов и лент толщиной от 0,5 до 3,0 мм.
Термины, применяемые в настоящем стандарте, и пояснения к ним — по ГОСТ 1497-84.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ
1.1. Вырезку заготовок для образцов и изготовление образцов проводят по ГОСТ 1497-84.
1.2. Для испытания применяют пропорциональные плоские образцы с начальной расчетной длиной или , a для испытания листов и лент толщиной от 0,5 до 3,0 мм и с .
Тип и размеры образцов должны указываться в нормативно-технической документации на правила отбора заготовок и образцов или на металлопродукцию.
При наличии указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию допускается испытывать ленту с учетом допусков на размеры, предусмотренные для испытываемой металлопродукции. При ширине испытываемой ленты менее 12,5 мм начальная расчетная длина должна быть не менее 50 мм.
Не допускается правка заготовок или образцов, деформирование их изгибом или местным перегибом.
1.3. Форма, размеры и предельные отклонения по ширине плоских пропорциональных образцов приведены в обязательном приложении 1.
При наличии указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию допускается применять пропорциональные плоские образцы других размеров.
1.4. Рабочая длина образцов должна составлять от до .
При разногласиях в оценке качества металла рабочая длина образцов должна составлять .
Примечание. При использовании тензометров или испытательной машины с автоматическим определением относительного удлинения после разрыва выбор рабочей и расчетной части длин образца должен соответствовать требованиям ГОСТ 1497-84.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
2. АППАРАТУРА
2.1. Разрывные и универсальные испытательные машины — по ГОСТ 28840-90.
2.2. Штангенциркули, микрометры — по ГОСТ 1497-84.
Допускается применение других измерительных средств, обеспечивающих измерение с погрешностью, не превышающей указанную в п. 3.2.
2.3. Тензометры с относительной ценой деления — по ГОСТ 1497-84.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. Установленную начальную расчетную длину ограничивают с погрешностью до 1% на рабочей части образца кернами, рисками или другими метками, исключающими повреждение поверхности образца.
Для пересчета относительного удлинения после разрыва с отнесением места разрыва к середине и для определения относительного равномерного удлинения по всей рабочей длине образца рекомендуется наносить риски, керны или иные метки через каждые 5 или 10 мм.
3.2. Погрешность определения начальной площади поперечного сечения не должна превышать ±2% (при предельной погрешности измерения ширины образца ±0,2%).
(Измененная редакция, Изм. N 2).
3.3. Измерение размеров образцов до испытания проводят не менее чем в трех местах — в средней части и на границах рабочей длины образца.
За начальную площадь поперечного сечения образца в его рабочей части принимают наименьшее из полученных значений на основании произведенных измерений с округлением по табл.2.
Таблица 2*
_________________
* Табл.1. (Исключена, Изм. N 2).
мм
Площадь поперечного сечения | Округление |
До 10,00 включ. | До 0,010 |
Св. 10,00 до 20,00 включ. | До 0,05 |
Св. 20,0 | До 0,1 |
Начальная площадь поперечного сечения ленты , мм, полученная методом плющения проволоки, вычисляется по формуле
где — наименьшая толщина, мм;
— наименьшая ширина, мм.
3.4. Измерение начальной и конечной расчетной длины проводится штангенциркулем при значении отсчета по нониусу 0,1 мм.
3.5. Образцы маркируют на головках или участках для захвата.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1. Определение предела пропорциональности , предела текучести физического , предела текучести условного (или иным установленным допуском), временного сопротивления и относительного удлинения после разрыва проводят при испытании пропорциональных образцов по п. 1.2. Проведение испытаний и обработка результатов — по ГОСТ 1497-84.
Определение относительного равномерного удлинения проводят на образцах с начальной расчетной длиной по ГОСТ 1497-84.
4.2. Округление вычисленных результатов испытаний проводят в соответствии с табл.3.
Таблица 3
Характеристика механических свойств | Интервал значений характеристики | Округление |
Предел пропорциональности, Н/мм (кгс/мм) | ||
Предел текучести физический, Н/мм (кгс/мм) | До 100 (до 10,0) | До 1,0 (0,1) |
Предел текучести условный, Н/мм (кгс/мм) | (св. 10,0 до 50,0) | До 10 (1) |
Временное сопротивление, Н/мм (кгс/мм) | ||
Относительное равномерное удлинение, % | До 10,0 | До 0,1 |
Относительное удлинение после разрыва, % | Св. 25 | До 1 |
4.1; 4.2. (Измененная редакция, Изм. N 2).
4.3. Допускается определение коэффициента пластической анизотропии , показателя деформационного упрочнения и неравномерности пластической деформации . Определение указанных характеристик механических свойств и пример определения приведены в приложении 2.
4.4. Результаты испытаний не учитываются по ГОСТ 1497-84 с дополнением: при разрыве образца на расстоянии менее 1/4 от ближайшей метки, ограничивающей расчетную длину.
4.5. При применении образцов, начальная расчетная длина которых или , относительное удлинение обозначают символами или .
При применении образцов, начальная расчетная длина которых , символ обозначают символом, обозначающим начальную расчетную длину образца , в миллиметрах.
Например, или — относительное удлинение после разрыва с начальной расчетной длиной , равной 50 или 80 мм, шириной 12,5 или 20 мм соответственно.
Сопоставления значений относительного удлинения после разрыва при пропорциональных образцах возможны только в случаях, когда начальная расчетная длина и начальная площадь поперечного сечения сравниваемых образцов одинаковы или связаны одинаковым коэффициентом пропорциональности, равным, например, отношению .
(Измененная редакция, Изм
. N 2).
4.6. Результаты испытаний записывают в протокол, форма которого приведена в приложении 3.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (рекомендуемое). ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ ПЛОСКИЕ ОБРАЗЦЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рекомендуемое
Черт.1. Пропорциональные образцы с головками
Пропорциональные образцы с головками
Черт.1
Таблица 1
мм
До 1,7 включ. | 12,5 | 40 | 15-20 | 25-40 | 20 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 40 | 15-20 | 25-40 | 30 | |||
До 1,7 включ. | 12,5 | 40 | 15-20 | 25-40 | 20 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 40 | 15-20 | 25-40 | 30 | |||
От 0,5 до 3,0 | 10,0 | 40 | 15-20 | 25-40 | 20 |
Черт.2. Пропорциональные образцы без головок
Пропорциональные образцы без головок
Черт.2
Таблица 2
мм
До 1,7 включ. | 12,5 | 45 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 45 | |||
До 1,7 включ. | 12,5 | 45 | |||
Св. 1,7 до 3,0 | 20,0 | 45 | |||
От 0,5 до 3,0 | 10,0 | 45 |
Примечания:
1. Образцы с головками применяются при испытании преимущественно высокопрочных материалов, обладающих повышенной хрупкостью и твердостью, с целью исключения проскальзывания образца, а также преждевременного разрушения его в захватах испытательной машины.
2. Размеры головок не являются обязательными и зависят от способа крепления образца в испытательной машине.
В образцах, имеющих головки с отверстиями диаметром = 20 мм при = 20 мм и = 50 мм или диаметром 15 мм при = 12,5 мм и = 30 мм, отклонения центров отверстий от оси образца допускаются не более 0,05 мм.
Таблица 3
Предельные отклонения размеров образцов
мм
Начальная ширина образца | Предельное отклонение начальной ширины | Допускаемая разность наибольшей и наименьшей начальной ширины по длине рабочей части образца |
Не более 12,5 | ±0,2 | 0,04 |
20 | ±0,5 | 0,05 |
(Измененная редакция, Изм. N 2).
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (рекомендуемое). ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПЛАСТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ R, ПОКАЗАТЕЛЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ n И НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ A
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Рекомендуемое
1. Термины, применяемые в приложении 2, и пояснения к ним
Термин | Пояснения |
Коэффициент пластической анизотропии | Соотношение между пластическими свойствами в плоскости прокатки и по толщине образца, относительная деформация которого равна величине |
Показатель деформационного упрочнения | Способность металла к упрочнению при равномерной пластической деформации |
Неравномерность пластической деформации | Мера рассеяния величин относительных пластических деформаций рабочей части образца, относительная деформация которого равна величине |
Начальное равномерное относительное удлинение | Относительное удлинение, измеренное при действующем на образец напряжении, величина которого выше предела текучести, но не более чем на 20 Н/мм (2 кгс/мм) |
Конечное равномерное относительное удлинение | Относительное удлинение, измеренное в процессе ступенчатого (через 3% удлинения) нагружения образца в момент, когда различие между наибольшей и наименьшей шириной (-) участков на рабочей длине образца достигает минимального значения |
Начальная расчетная длина образца по тензометру | Длина рабочей части образца между ножами тензометра до испытания, равная базе тензометра (, ) |
Расчетная длина образца по тензометру при нагрузке | Длина расчетной части образца по тензометру при напряжении, величина которого выше предела текучести, но не более чем на 20 Н/мм (2 кгс/мм); |
Расчетная длина образца по тензометру при нагрузке | Длина расчетной части образца по тензометру при относительной деформации ; |
Осевая растягивающая нагрузка | Нагрузка, действующая на образец при достижении расчетной длины по тензометру |
Осевая растягивающая нагрузка | Нагрузка, действующая на образец при достижении расчетной длины по тензометру |
Ширина образца | Ширина рабочей части образца, равная среднему арифметическому значению измерений ширины всех участков, измеренная при относительной деформации |
Конечная ширина образца | Ширина рабочей части образца, равная среднему арифметическому значению измерений ширины, произведенных в сечениях, расположенных в средней части и на границах расчетной длины по тензометру при относительной деформации |
Максимальная ширина участка образца | Максимальная ширина участка рабочей части образца при относительной деформации |
Минимальная ширина участка образца | Минимальная ширина участка рабочей части образца при относительной деформации |
(Измененная редакция, Изм. N 2).
2. Характеристики , , определяют по формулам:
3. Округление характеристик , , производят в соответствии с таблицей.
Обозначение характеристики | Пределы значений | Округление |
Не ограничены | До 0,01 | |
Не ограничены | До 0,01 | |
Не более 20,0 | До 0,1 | |
Св. 20,0 | До 0,5 |
4. Пример.
Испытываемый материал — низкоуглеродистая тонколистовая сталь; = 40%, = 10%, = 17%.
Размеры образца: ширина = 12,5 мм, толщина = 0,8 мм, начальная расчетная длина мм, принимаем = 80 мм.
Определяем расчетные длины по тензометру:
=4·12,5=50 мм;
=50(1+0,01·10)=55 мм;
=50(1+0,01·17)=58,5 мм.
Начальную расчетную длину образца =80 мм разбиваем на 8 участков нанесением рисок через 10 мм.
Измеряем с помощью микрометра ширину рабочей части образца до испытания в средней части и на границах рабочей длины, определяем начальную ширину рабочей части образца , как среднее арифметическое из трех измерений:
мм.
Устанавливаем на образец тензометр и производим нагружение образца. При достижении по тензометру значения , равного 55 мм, фиксируем нагрузку , равную 3030 Н (310 кгс).
При дальнейшем нагружении образца фиксируем нагрузку , соответствующую расчетной длине = 3150 H (325 кгс). Определяем ширину участков образца и :
мм;
мм.
Получаем: = 11,37 мм, =11,30 мм.
Вычисляем коэффициент пластической анизотропии :
, после округления = 1,98.
Вычисляем показатель деформационного упрочнения :
Вычисляем неравномерность пластической деформации :
после округления = 5,7%.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (справочное). ПРОТОКОЛ испытаний на растяжение плоских образцов на машине
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочное
Мар- | Номер плавки | Началь- | Началь- | Началь- | Конеч- | Наи- | Нагруз- | Времен- | Предел теку- | Относи- | Относи- |
Текст документа сверен по:
официальное издание
М.: Издательство стандартов, 1993
Источник