Испытание малоуглеродистой стали растяжение
Лабораторная работа №3 Испытания на растяжение малоуглеродистой стали
Цель работы:
1.Получить диаграмму растяжения;
2. Определить характеристики прочности материала;
3.Определить характеристики пластичности материала.
Оборудование и приборы:
1.Испытательная разрывная машина WР 300;
2.Штангенциркуль;
3.Образцы (сталь).
Теоретическая часть
При определении качества конструкционных материалов, выпускаемых промышленностью, одним из основных видов испытаний являются испытания на растяжение. Результаты испытаний позволяют судить о прочности материала при статических нагрузках, выбирать материал для проектируемой конструкции. Они являются основными при расчетах на прочность деталей машин и элементов конструкций.
Механические характеристики материалов зависят от многих факторов: вида нагружения, времени воздействия нагрузки, скорости нагружения, температуры, радиации и др.
Наиболее простыми являются испытания материалов при комнатной температуре t=20°С и статическом нагружении, когда dέ /dt~0,01мин-1
Механические характеристики делятся на три группы:
-характеристики прочности;
-характеристики пластичности;
-характеристики вязкости.
Характеристиками прочности измеряют силовую реакцию твердых тел на воздействие внешних нагрузок.Эта реакция постоянна в процессе нагружения и в ней явно прослеживаются несколько характерных зон (см.диаграмму нагружения).К характеристикам прочности относятся: предел пропорциональности, предел упругости. Предел текучести, предел прочности, разрушающее напряжение. Дадим определение этих понятий в порядке возрастания значений их величин.
Предел пророрциональности-это наибольший уровень условного напряжения при котором не наблюдается существенного нарушения закона Гука (каково удлинение, такова сила). Это напряжение определяется по формуле
где Fpγ нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности; Aпервоначальная площадь поперечного сечения образца.
Предел упругости – это наибольший уровень условного напряжения, при котором материал проявляет упругие свойства, заключающиеся в том, что образец практически полностью восстанавливает свои первоначальные размеры после снятия внешней нагрузки. Его определяют по формуле
где Fe нагрузка, соответствующая пределу упругости.
Предел текучести – это наименьший уровень условного напряжения, при котором наблюдается значительный рост деформаций образца при постоянной (или слегка уменьшающейся) нагрузке. Этот предел определяют по формуле
где Fy нагрузка, соответствующая пределу текучести.
Если в поведении материала не прослеживается площадка текучести (см. диаграмму нагружения) и стрелка силоизмерителя не останавливается на некоторый промежуток времени, то определяют условный предел текучести, соответствующий относительной деформации образца έ=0,002 или 0,2 %:
Предел прочности, чаще называемый временным сопротивлением, – это условное напряжение, соответствующее наибольшему уровню нагрузки, воспринимаемому образцом. Находят эту величину по формуле
где Fu наибольшая нагрузка на образец.
Разрушающее напряжение – это напряжение, при котором происходит разрыв образца. Этот предел не имеет особого практического значения и используется только при изучении процесса образования трещин. Разрушающие напряжения делятся на условные и истинные:
Условное
истинное
где Ffy разрушающая нагрузка; A1— площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.
Так как первоначальная площадь A приблизительно в два раза превышает площадь разрыва A1, а разрушающая нагрузка Ffy составляет приблизительно 80 % от наибольшей нагрузки Fu, то
Характеристиками пластичности измеряют деформативную реакцию твёрдых тел, т.е. их способность изменять свои размеры под воздействием нагрузок. Пластичность материала характеризуют две величины:
— относительное остаточное удлинение образца (в процентах)
— относительное остаточное сужение поперечного сечения (в процентах)
В этих формулах ℓ0, A0 длина расчётной части и площадь сечения до нагружения; ℓ1, A1 то же после разрыва образца.
Характеристикой вязкости измеряют способность твёрдых тел сопротивляться импульсному и ударному воздействию нагрузок. Количественным показателем этой характеристики является удельная работа внешних сил, затрачиваемая на деформирование и разрушение единицы объёма материала:
где W – работа, совершаемая машиной на растяжение образца вплоть до его разрыва; V0=A0ℓ0- объём расчётной части образца.
Для испытания на растяжение используются специально изготовленные образцы, которые вытачиваются из прутка или вырезаются из листа. Основной особенностью этих образцов является наличие длинной, сравнительно тонкой рабочей части и усиленных мест (головок) по концам для захвата.
Проводятся испытания цилиндрического образца, форма и размеры которого приведены на рис. 1.
Рис.1. Цилиндрический образец:
ℓ0=10d — расчетная длина образца, ℓ1=12,5√F — рабочая длина образца, ℓ2=10√F−ℓ0∕2 — длина конусообразной части образца, ℓ3=d — длина головки образца, L — полная длина образца , d=1,13√F — диаметр сечения расчетной и рабочей длины, d1=1,5√F — диаметр основания конуса (у головки), d2=2√F — диаметр головки образца.
Для замера деформаций на расчетной части образца отмечают отрезок, называемый расчетной длиной. Чаще всего применяются цилиндрические образцы, у которых расчетная длина равна десяти диаметрам (длинные образцы) и образцы с расчетной длиной равной пяти диаметрам (короткие образцы). Чтобы результаты испытаний образцов прямоугольного и круглого сечений были сопоставимы, в случае прямоугольного сечения в качестве характеристики, определяющей расчетную длину, принимается диаметр равновеликого круга.
На рис. 2 показан эскиз пропорционального цилиндрического образца до нагружения и после его разрыва.
Для получения сравнимых результатов испытаний образцы с цилиндрической или прямоугольной формой поперечного сечения рабочей части изготавливаются по ГОСТ 1497-84.
Рис. 2. Образец для испытания на растяжение: а – до нагружения; б – после разрыва
ДИАГРАММОЙ РАСТЯЖЕНИЯ называется график, показывающий функциональную зависимость между нагрузкой и деформацией при статическом растяжении образца до его разрыва. Эта диаграмма вычерчивается автоматически на разрывной машине специальным приспособлением. В нашей лаборатории для этой цели используется разрывная машина Р-10.
На рис. 3 показан примерный вид параметрической диаграммы растяжения малоуглеродистой стали в координатах: абсолютное удлинение Δℓ(t) − нагрузка F(t). В качестве параметра здесь выступает время нагружения, которое для простоты обычно не показывают.
Так как испытание проводят на гидравлической машине, в которой деформация является первичной (), а нагрузка вторичной (), то осью абсцисс (аргументом) является абсолютное удлинение Δℓ, а осью ординат (функцией) – нагрузка F, т.е. фактически мы имеем зависимость F=f(Δℓ), интерпретированную Гуком, проводившим опыты в упруго-пропорциональной зоне нагружения: «каково удлинение, такова сила». Однако в современной трактовке, с учётом того что в реальных условиях эксплуатации машин и сооружений первичной является нагрузка, функциональную зависимость обращают, полагая, что Δℓ=f(F), и обсуждают, как изменяется деформация образца в зависимости от нагрузки (какова сила, таково удлинение).
На диаграмме растяжения OABCDEG показаны 7 характерных точек, соответствующих определённому уровню нагрузки и ограничивающих 6 различных зон деформирования:
OA – зона пропорциональности (линейной упругости);
AB – зона нелинейной упругости;
BC – зона упругопластических деформаций;
CD – зона текучести (пластических деформаций);
DE – зона упрочнения;
EG – зона закритических деформаций.
На участке OA смещение атомов монокристаллов пропорционально приложенной нагрузке. Дефекты кристаллической решётки практически не проявляются.
На участке OB материал ведёт себя упруго. Поведение кристаллической решётки на участке AB характеризуется небольшой нелинейностью. Нужно заметить, что на участке пропорциональности OA материал ведёт себя одновременно и как абсолютно упругий (т. B всегда выше т. A).
На участке BC наблюдается нарастающая нелинейность в деформировании кристаллической решётки. Для выхода новых дислокаций (нарушений строения кристаллов) на поверхность монокристаллов требуется всё меньшее приращение внешней нагрузки .
На участке CD, называемом площадкой текучести, происходит лавинообразный выход дислокаций на поверхность, что приводит к значительному удлинению образца при почти постоянном уровне нагрузки, когда .
На участке DE после выхода на поверхность большей части дефектов кристаллической решётки материал самоупрочняется, и образец всё ещё способен воспринимать некоторое приращение нагрузки. Однако расстояние между атомами постепенно достигает критического значения (приблизительно в два раза больше первоначального), за которым происходит «разрыв» внутренних связей. При подходе к т. E деформации начинают локализоваться в области наиболее слабого сечения, где зарождается шейка образца.
На участке EG заканчивается формирование шейки. Происходит лавинообразное разрушение связей, когда процесс деформирования уже необратим и временное равновесие между внутренними силами и внешней нагрузкой возможно только при уменьшении последней. В т. G происходит разрыв образца. Его размеры восстанавливаются на величину упругой деформации, которая на 2 – 3 порядка меньше остаточных пластических деформаций. У многих материалов разрушение происходит без заметногообразования шейки.
Источник
Механическими испытаниями называется экспериментальное исследование механических свойств материалов на специальных образцах, форма и размеры которых устанавливаются государственными стандартами (ГОСТ) или техническими условиями (ТУ). Механические испытания преследуют несколько целей.
- 1. При изложении теории растяжения-сжатия прямого бруса уже появлялась необходимость в некоторых исходных экспериментальных предпосылках, в первую очередь в законе Гука, устанавливающем зависимость между напряжениями и деформациями. Строго говоря, этот закон применим лишь в тех пределах, в которых он находит прямое экспериментальное подтверждение. Так, если сталь проявляет упругие свойства в сравнительно широком диапазоне напряжений и закон Гука для нее является весьма точным, мягкие металлы, например свинец, получают пластическую деформацию уже при очень малых нагрузках и вряд ли могут считаться упругими вообще. Следовательно, прежде чем распространять выводы технической механики на тот или иной материал, предварительно необходимо подвергнуть данный материал всестороннему механическому испытанию. Особенно это важно иметь в виду при использовании новых строительных материалов.
- 2. При рассмотрении простейших задач растяжения-сжатия пришлось также столкнуться с константами Е и v, характеризующими свойства материала. Эти величины далеко не одинаковы для различных материалов (см. табл. 2.1), поэтому для использования материала в ответственной конструкции необходимо экспериментально установить его механические характеристики: совокупность числовых показателей, полученных в лабораторных условиях в результате деформирования образцов из данного материала. Знание поведения материала под нагрузкой вплоть до разрушения необходимо для выявления в первую очередь тех характеристик, которые позволяют решать одну из основных задач технической механики — обеспечение прочности элементов конструкций.
- 3. Некоторые основные гипотезы технической механики могут быть экспериментально проверены и подтверждены лишь в ограниченном количестве частных случаев, тогда как теория придает им универсальный характер. По этой причине одной из важнейших задач механических испытаний является выяснение опытным путем справедливости различных гипотез и установление границ их практической применимости.
Наиболее распространенным является испытание на растяжение цилиндрического образца статической нагрузкой. Опыт на растяжение прост методически и требует сравнительно несложного оборудования. Его основное достоинство заключается в возможности исследования однородного напряженного состояния (когда поведение материала во всех точках одинаково). Только при таком напряженном состоянии можно установить необходимые механические характеристики, не прибегая к упрощающим гипотезам.
Для того чтобы результаты испытания одного и того же материала в разных лабораториях были сравнимы, образцы должны иметь стандартные форму и размеры. Один из возможных вариантов представлен на рис. 2.20. Цилиндрические уширения (головки) служат для захвата образца зажимами испытательной машины. Конические участки необходимы для плавного перехода от утолщенных головок к средней цилиндрической части диаметром do, которая на участке между двумя рисками, отстоящими на расстоянии 0,5d0 от основания конуса, представляет собой рабочую часть образца. Согласно принципу Сен-Венана (см. параграф 2.2), напряженное состояние на этом участке не зависит от способа приложения нагрузки к головкам и поэтому может считаться однородным.
Рис. 2.20
Отношение длины рабочей части (расчетной длины) к диаметру нормируется. Для так называемых нормальных образцов lQ/dQ = 10, для укороченных l0/d0 = 5. Это отношение можно выразить через площадь поперечного сечения образца А0. Учитывая, что А0 = = tuIq/4, получим
Тогда для нормальных образцов
а для укороченных
При изучении механических свойств листовых материалов приходится испытывать плоские образцы прямоугольного сечения. В этом случае ширину сечения назначают втрое больше толщины, а для определения расчетной длины зависимости (2.8) и (2.9) особенно удобны.
Испытание на растяжение проводят на специальных разрывных или универсальных машинах. Образец, закрепленный в захватах машины, подвергается принудительному удлинению путем перемещения одного из захватов. Растягивающая сила создается с помощью механического или гидравлического устройства. Перемещение захвата производится непрерывно и плавно со скоростью не более 20 мм/мин. При таких условиях ускорения частиц материала в процессе деформирования образца столь малы, что имеются все основания считать нагружение статическим.
Результаты испытания наиболее наглядно проявляются на графике зависимости между нагрузкой F, растягивающей образец, и соответствующим удлинением А/. Этот график называется диаграммой растяжения. Он вычерчивается автоматически, с помощью специального диаграммного аппарата, представляющего собой барабан с намотанной миллиметровой бумагой, по которой перемещается самопишущее устройство (перо или карандаш). Поворот барабана пропорционален удлинению, поступательное движение самописца пропорционально силе F.
Будущее, однако, принадлежит универсальным машинам с управлением от микроЭВМ и выводом результатов испытания на дисплей или плоттер. В учебных целях используют также компьютерные программы для проведения виртуальных испытаний образцов, материал которых изучен в процессе реальных экспериментов и полученные результаты введены в базу данных программы.
Чтобы исключить влияние абсолютных размеров образца и судить о механических свойствах непосредственно материала, диаграмму перестраивают в другом масштабе: все ординаты делят на первоначальную площадь поперечного сечения А0, а все абсциссы — на первоначальную расчетную длину /0. В результате получается график зависимости между нормальным напряжением
и деформацией
Этот график называется диаграммой напряжений. Для низкоуглеродистой строительной стали марки СтЗ (содержание углерода не более 0,22%) он имеет вид, представленный на рис. 2.21. Под графиком, в соответствии с его очертанием, иллюстрируются характерные стадии деформирования образца с начала нагружения до разрыва.
В начальной стадии нагружения, на участке ОВ, зависимость носит линейный характер, что подтверждает справедливость закона Гука (2.4). Наибольшее напряжение, до которого соблюдается этот закон (точка В на диаграмме), называется пределом пропорциональности арг (старое обозначение опц). Для указанной стали он составляет приблизительно 195—200 МПа.
Из рис. 2.21 очевидно, что модуль Е = а/г пропорционален тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс: Е = (ma/me)tga, где та и т? — масштабы ординат и абсцисс. Если по достижении точки В сбросить нагрузку до нуля, то график разгрузки совпадет с графиком нагружения. Это говорит о том, что при напряжениях a рг возникают упругие деформации.
Однако граница области упругой работы материала лежит несколько выше точки В, там, где деформации растут уже быстрее напряжений, закон Гука нарушается и диаграмма начинает искривляться. Напряжение, соответствующее наибольшей деформации, которая полностью исчезает после разгрузки (точка С на диаграмме), называется пределом упругости ое (ау). Для стали марки СтЗ он составляет 205—210 МПа.
Точки В и С лежат столь близко друг к другу, что на практике их обычно считают совпадающими, полагая арг ~ е. При достаточно точных измерениях далеко не все точки ложатся на прямую
0 В вследствие неизбежной неоднородности материала и конструктивных несовершенств испытательной машины. По этим же причинам и деформация при разгрузке исчезает не полностью, в связи с чем опытным путем устанавливают лишь условные, технические значения указанных пределов. Так, технический предел упругости считается достигнутым, если впервые появляющаяся остаточная деформация равна некоторому допустимо малому значению, установленному ГОСТ или ТУ (например, 0,001, 0,003, 0,005% и т.п.).
После точки С продолжается дальнейшее искривление диаграммы, и в точке D она переходит в почти горизонтальный участок — площадку текучести. Здесь материал «уподобляется» жидкости и течет. Стрелка силоизмерительного механизма испытательной машины на время останавливается, т.е. образец удлиняется при фактически постоянной нагрузке. Соответствующее напряжение называется пределом текучести ау (от). Он легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала. Для стали указанной марки оу = 215—255 МПа в зависимости от способа раскисления (кипящая, полуспокойная, спокойная), вида проката (листовой, фасонный) и его толщины.
Наличие у материала площадки текучести положительно сказывается на работе конструкций (параграфы 2.8, 2.11). По протяженности площадка у низкоуглеродистой стали находится в диапазоне относительных удлинений г = 0,2—2,5%.
Образование площадки текучести является следствием запаздывания пластических деформаций. При небольшом содержании углерода (0,2—0,25%) перлитовые участки занимают всего около 25% площади шлифа[1] (см. рис. 1.2) и расположены неравномерно. Основную массу составляют ферритовые зерна, соприкасающиеся друг с другом непосредственно или через тонкие цементитовые прослойки. Перлитовые скопления и на первых порах указанные прослойки способны задерживать развитие пластических деформаций. Однако после достижения предела текучести хрупкая це- ментитовая сетка начинает разрушаться, и воспринимаемые ею усилия передаются на зерна феррита. Последние деформируются, и в них появляются необратимые сдвиги по плоскостям, наклоненным приблизительно под углом 45° к оси образца (параграф 3.1). Целостность материала не нарушается, но образец удлиняется. Механизм удлинения в упрощенном виде показан на рис. 2.22, а. Эта стадия деформирования может быть установлена визуально благодаря отскакиванию окалины или тонко нанесенной краски. Поверхность же предварительно отполированного образца становится матовой, а указанные сдвиги проявляются в виде сетки полос, называемых линиями Людерса — Чернова[2] (рис. 2.22, б).
Рис. 2.22
Дальнейшее развитие деформаций в материале сдерживается более прочными и жесткими включениями перлита, поэтому для того чтобы в образце появились общие плоскости скольжения, сдвиги в отдельных зернах феррита должны обтекать перлитовые включения или раскалывать их слабые участки. Это возможно только при увеличении нагрузки. Следовательно, после прекращения текучести сталь снова способна противостоять деформированию: она «самоупрочняется».
В стадии самоупрочнения материал работает упругопластически. Зависимость между напряжениями и деформациями подчиняется, как на участке CD (см. рис. 2.21), криволинейному закону, но с большим нарастанием деформаций, т.е. диаграмма имеет более пологий характер.
Если из некоторой точки К, лежащей выше предела упругости, произвести разгрузку, то график пойдет по прямой КК, приблизительно параллельной прямой ОБ начального нагружения. Отрезок КК2 представляет собой деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, т.е. упругую деформацию ее. Отрезок ОК{ отражает остаточную, пластическую, деформацию ер/. Полная деформация гк, соответствующая напряжению ак, характеризуется суммарным отрезком ОК2 = ОК + К{КЪ т.е. гк = zpt + ге.
В процессе испытания на растяжение продольное удлинение сопровождается поперечным сужением. И та и другая деформации распределяются по расчетной длине образца равномерно. Однако скорость пластического деформирования слоев материала различна. В стадии самоупрочнения наружные слои получают большие скорости и смещения, чем внутренние, заторможенные. В результате на наиболее слабом участке (обычно около середины образца) образуется местное сужение — шейка (рис. 2.23, а). Соответствующее напряжение (наивысшая точка диаграммы Н) называется пределом прочности материала си (апч). Это напряжение представляет собой условную характеристику, которая численно равна отношению наибольшей нагрузки, выдерживаемой образцом, к первоначальной площади его сечения (см. формулу (2.10)). Для стали марки СтЗ ои = 345—390 МПа в зависимости от тех же обстоятельств, которые влияют на предел текучести.
Рис. 2.23
К моменту образования шейки пластические деформации достигают полного развития. Их усредненное по расчетной длине значение составляет 20—25%. Резкое возрастание разности скоростей смещения смежных слоев приводит к возникновению собственных микронапряжений, которые могут превзойти сопротивление отрыву и вызвать появление микротрещин. В дальнейшем происходит процесс роста и слияния микротрещин в макротрещину, которая располагается перпендикулярно оси образца. После того как макротрещина достигает критического размера, наступает процесс быстрого разрушения материала с возникновением конического углубления, называемого чашечкой (рис. 2.23, б). На дне чашечки, которое образовано непосредственно трещиной, разрушение имеет характер отрыва в результате действия максимальных нормальных напряжений. Края же (кольцевая перемычка) разрушаются вследствие сдвига в направлении наибольших касательных напряжений (параграф 3.1). Такое разрушение принято называть вязким (пластическим).
На диаграмме моменту разрушения соответствует точка L. Нисходящий характер участка HL объясняется тем, что площадь поперечного сечения шейки быстро уменьшается и для дальнейшего деформирования образца требуется все меньшая нагрузка. Таким образом, создается впечатление, что разрушение происходит при напряжении gl, которое меньше предела прочности ом. В действительности дело обстоит несколько иначе.
Формула (2.10) для данного эксперимента является условной и по существу не дает истинного значения напряжений материала, так как площадь поперечного сечения образца все время уменьшается. Отсюда следует и условный характер построенной диаграммы. Если же обратиться к диаграмме истинных напряжений о = N/A = F/А, где А — переменная площадь сечения, то окажется, что и за точкой, характеризующей предел прочности, напряжение непрерывно возрастает вплоть до разрыва (штриховая линия на рис. 2.21).
Истинное напряжение разрушения выше предела прочности на 60—70%. Было бы, однако, ошибкой ориентироваться на напряжение отах в вопросе определения наибольшей нагрузки, которую способен выдержать образец до разрыва. Повышение истинных напряжений между точками Н и L’ связано с резким уменьшением рабочей площади образца, что, как отмечалось ранее, требует меньшей нагрузки для завершения процесса разрушения.
Таким образом, диаграмма напряжений (2.10), несмотря на свою условность, весьма показательна. Во-первых, она четко устанавливает упругие характеристики материала (Е, срп ое) и позволяет получить ясное представление об областях его работоспособности (восходящие участки диаграммы). Кроме того, диаграмма дает достоверные значения прочностных характеристик (ву, ои), поскольку деформации в упругой стадии работы стали малы и ошибки в определении площади сечения не существенны, а фактическое сечение в стадии самоупрочнения отличается от первоначального не более чем на 5—10%. Наконец, основным преимуществом диаграммы является то, что она получается непосредственно из опыта. Истинная же диаграмма после наступления текучести получается не в результате эксперимента, а на основе пересчета с учетом уменьшающейся площади. Она служит главным образом целям теоретических исследований в области металловедения.
После проведения испытания определяют еще две характеристики материала:
• относительное остаточное удлинение при разрыве
• относительное остаточное поперечное сужение при разрыве
где /( — расчетная длина образца (расстояние между рисками) после разрыва; А — площадь его поперечного сечения в месте разрыва, равная для цилиндрического образца nd/4 (dx — минимальный диаметр шейки (см. рис. 2.23, а)).
Параметры ег и ц/г являются мерой пластичности материала. Их не следует смешивать с величинами е и г’ [см. формулы (2.2), (2.6) и (2.11)], которые характеризуют деформативность материала только в упругой стадии его работы (или, что то же, в пределах справедливости закона Гука). Для рассматриваемой стали гг = 23—27%, |/г = 60—70%, причем вторая характеристика более показательна, так как величина ег позволяет судить только об условном, среднем (равномерном) относительном удлинении образца по всей его расчетной длине (отрезок OL на диаграмме). На самом деле с началом образования шейки удлинение становится неравномерным и о де- формативности материала можно судить по местному относительному удлинению в суженном сечении образца
Источник