Испытание материалов при осевом растяжении

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КАФЕДРА «ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ДИСЦИПЛИНЫ»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ

МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ОСЕВОМ РАСТЯЖЕНИИ

Методические указания

к лабораторной работе № 2

по дисциплине «Сопротивление материалов»

РПК «Политехник»

Волгоград

2006

УДК 539. 3/.6 (07)

О 62

Определение основных механических характеристик конструкционных материалов при осевом растяжении: Методические указания к лабораторной работе № 2 по дисциплине «Сопротивление материалов» / Сост. . , ; Волгоград, гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 17 с.

Содержат краткую теорию, сведения об используемых в работе оборудовании, приборах и образце, порядок проведения работы и форму отчета, а также перечень контрольных вопросов.

Подготовлены в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Сопротивление материалов» и предназначены в помощь студентам, обучающимся по направлениям: 140200.

Ил. 5. Табл. 4. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент: к. т. н., доцент

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

© Волгоградский

государственный

технический

университет 2006

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Тема: определение механических характеристик конструкционных материалов при осевом растяжении.

Цель работы: изучение опытным путем поведения пластичной стали при растяжении вплоть до разрушения. Определение основных механических характеристик.

Время проведения: 2 часа.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Исследуемые свойства

В данной лабораторной работе предстоит исследовать опытным путем такие свойства материалов как прочность и пластичность.

Прочность – это способность материала сопротивляться действующим нагрузкам, не разрушаясь.

Пластичность – это способность материала сохранять измененную форму и размеры после устранения нагрузок.

Пластической называют деформацию, которая остается в теле после снятия нагрузок.

При проектировании и расчете элементов инженерных конструкций необходимо знание механических свойств применяемых материалов. К числу таких свойств в первую очередь и относятся прочность и пластичность.

К характеристикам прочности относятся: предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности или временное сопротивление.

Характеристиками пластичности являются: относительное остаточное удлинение, относительное сужение образца при разрыве, удельная работа деформации.

Для пластичных материалов, к числу которых относится малоуглеродистая сталь, основным испытанием, дающим возможность определить перечисленные выше механические характеристики, является испытание на растяжение.

Все перечисленные характеристики прочности и пластичности могут быть найдены из диаграммы растяжения. Поэтому основной задачей испытания является получение диаграммы растяжения – графика зависимости между растягивающей образец силой и его удлинением. Испытание производится с помощью разрывных машин, снабженных специальным

аппаратом для автоматической записи диаграммы растяжения.

1.2. Машинная диаграмма растяжения

Графическое изображение зависимости между нагрузками (напряжениями) и деформациями представляет собой диаграмму растяжения.

Испытательные машины имеют специальные приспособления, которые автоматически фиксируют диаграмму растяжения в координатах: нагрузка – F, абсолютное удлинение рабочей части образца – Δℓ.

На диаграмме растяжения пластичной стали (рис. 1) различают следующие характерные участки:

ОА – участок прямой пропорциональной зависимости между растягивающим усилием и абсолютным удлинением. Нагрузка Fпц, соответствующая точке А диаграммы, называется нагрузкой, соответствующей пределу пропорциональности.

ОВ – участок упругих деформаций. При этом нагрузка Fу,, определяемая ординатой точки В, называется нагрузкой, соответствующей пределу упругости. Точки А и В пластичной стали, как правило совпадают, т. е. можно считать, что Fпц = Fу.

СС’– площадка текучести, ей соответствует нагрузка FT. Здесь наблюдается заметный рост пластической деформации при практически неизменной нагрузке.

С’D – участок упрочнения. Здесь материал приобретает способность снова сопротивляться растяжению. Нагрузка Fmax, определяемая ординатой точки D диаграммы называется нагрузкой, соответствующей пределу прочности.

DE – участок снижения сопротивления образца вследствие образования шейки. Точка Е соответствует разрушению образца, ее ордината FP – разрушающей нагрузке

В процессе растяжения образца из пластичной стали с ним происходят следующие видимые изменения. Так, если приостановить испытания при нагрузке, несколько превышающей значение FT и осмотреть поверхность рабочей части образца, то на ней заметим линии, расположенные примерно под углом 45° к оси образца – линии Чернова-Людерса. Это следы сдвигов в кристаллах феррита, совпадающие практически с плоскостями действия максимальных касательных напряжений.

При достижении нагрузкой максимального значения на образце в самом слабом месте появляется местное сужение – шейка.

С этого момента продольная деформация зависит не столько от длины образца, сколько от его диаметра. Этим объясняется необходимость иметь для стандартных образцов определенное соотношение между длиной образца и его диаметром. При этом деформация образца приобретает местный характер – происходит течение материала в области шейки, и в связи с быстрым уменьшением сечения образца, в этом месте для развития деформации требуется меньшая нагрузка. Этим и объясняется падение нагрузки за точкой D диаграммы.

Если довести значение нагрузки до FN > FT и затем выключить машину, то линия NN1 оставленная самописцем (диаграмма разгрузки) окажется параллельной первоначальному прямолинейному участку OA диаграммы (рис. 2).

Отрезок ОN1 соответствует остаточной деформации, полученной образцом, а отрезок N1N2 – упругой ее части.

1. 3. Диаграмма условных напряжений

Диаграмма растяжения пластичной стали в координатах F — Δℓ зависит от размеров образца. Чем длиннее образец, тем больше его абсолютное удлинение при одной и той же нагрузке.

Для того, чтобы исключить влияние размеров образца на диаграммы, что в свою очередь позволит их сравнивать для различных материалов, на основании машинной диаграммы в координатах F — Δℓ строят условную диаграмму напряжений в координатах s — e.

Условной эту диаграмму называют по той причине, что:

во-первых, величину напряжений получают путем деления соот-

ветствующих значений нагрузок на первоначальную площадь поперечного сечения образца Ао:

,

т. е.

где dо – диаметр рабочей части образца до испытания;

во-вторых, величину относительной продольной деформации получают путем деления соответствующего значения абсолютной деформации Δℓ на первоначальную длину образца ℓо, т. е.:

.

Диаграмма в координатах s — e для пластичной стали имеет вид, показанный на рис.3.

Точки A, B, C, D, E – характерные точки диаграммы.

Им соответствуют следующие механические характеристики прочности:

·  точке A – предел пропорциональности – это то наибольшее напряжение, до которого деформации в материале растут пропорционально напряжениям (справедлив закон Гука);

·  точке B – предел упругости – это то наибольшее напряжение, до которого в материале отсутствует остаточная деформация;

·  точке C – предел текучести – это напряжение, при котором в материале наблюдается заметный рост пластической деформации при практически постоянной нагрузке;

·  точке D – предел прочности – это условное максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения, причем для пластичных материалов данную характеристику условно называют временным сопротивлением и обозначают σв.

·  точке Е – условное напряжение при разрыве – это условное напряжение, соответствующее моменту разрыва образца;

·  точке К – истинный предел прочности – истинное напряжение, соответствующее моменту разрыва образца,

где Аш – площадь сечения образца в самом тонком месте (в месте разрыва).

Из диаграммы напряжений очевидно, что опасным напряжением для пластичного материала является предел текучести, т. к. нормальная работа элементов конструкций невозможна в случае самопроизвольной значительной пластичной деформации.

Для оценки пластических свойств материала служат характеристики пластичности:

·  относительное остаточное удлинение:

,

где ℓк – длина рабочей части образца после разрыва;

относительное остаточное сужение:

,

Чем выше значение характеристик пластичности, тем более пластичен материал.

2. Краткие сведения об оборудовании и образце

2. 1. Оборудование

Для испытания стального образца на растяжение в данной работе используются машины Р – 5, Р — 10 и РМ — 200.

РМ-200 — разрывная машина, предназначенная для статических испытаний при нормальной температуре стандартных образцов металлов по ГОСТ1497 – 84. Наибольшая предельная нагрузка 200 кН.

Р-5, Р-10 – разрывные испытательные машины, предназначенные для статических испытаний материалов на растяжение. При использовании дополнительных приспособлений на этих машинах можно проводить испытания на сжатие и изгиб. Развивают максимальное усилие соответственно 50 кН (5 т) и 100 кН (10 т).

Испытательные машины состоят из механизмов нагружения образца, передачи растягивающей силы, центровки образца, измерения растягивающего усилия.

Кроме того, машины снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения.

Машины имеют гидравлический привод, обеспечивающий деформацию путем перемещения поршня гидравлического цилиндра.

Расположение образца, предназначенного для испытания, в этих машинах вертикальное. Передача усилия на образцы осуществляется с помощью захватов. Для уменьшения эксцентричности приложения нагрузки применяют самоцентрирующиеся шаровые опоры.

Нагружение образца осуществляется вследствие взаимного перемещения захватов, которое происходит настолько медленно, что ускорением частиц материала в процессе деформирования можно пренебречь (это и является характеристикой статического нагружения).

Нижний захват связан с электродвигателем и является подвижным. Верхний захват связан со стрелкой силоизмерителя, что позволяет для любого момента испытания установить значение силы, растягивающей образец.

2.2. Образец

Для проведения испытания на растяжение используются плоские или цилиндрические образцы, форма и размеры которых определены ГОСТ 1497 – 73.

В данной работе используются цилиндрические образцы с соотношением длины ℓо и диаметра d0 рабочей части 1 :1.

Концевые части образцов (головки) массивные по сравнению с рабочей частью и служат для установки образца в захваты машины см. рис. 4.

Переход от рабочей части образца к головкам осуществляется плавно во избежании концентрации напряжений.

Для испытания могут быть использованы так называемые «малые» образцы с соотношением размеров ℓо = 5 × d.

Рис. 4

3. ПОРЯДОК Выполнения работы

3.1.  Подготовка к эксперименту

1.  Записать в отчет тему и цель работы, наименование испытательной машины, и измерительного инструмента; материал образца.

2.  Изобразить рисунок образца до испытания.

3.  Измерить с помощью штангенциркуля диаметр рабочей части образца (часть образца с наименьшим диаметром – рабочая).

4.  Измерить длину ℓо рабочей части образца.

5.  Вычислить площадь поперечного сечения образца. Все записать в табл. 1 отчета.

3.2. Экспериментальная часть

1.  Установить образец в захваты машины.

2.  Включить машину и наблюдать за процессом растяжения образца и шкалой силоизмерителя.

3.  Зафиксировать нагрузку, соответствующую пределу пропорциональности (Fпц) и пределу упругости (Fу), т. е., соответствующую окончанию прямолинейного участка диаграммы.

4.  Зафиксировать нагрузку, соответствующую пределу текучести (Fт), т. е., соответствующую моменту испытания, когда стрелка силоизмерителя остановится.

5.  Зафиксировать максимальную нагрузку (Fmax).

6.  Зафиксировать нагрузку в момент разрыва (Fр).

7.  Снять диаграмму с пишущего устройства машины.

3.3.  Обработка опытных данных

1.  Сложить плотно обе части образца в месте разрыва и измерить длину рабочей части ℓк и диаметр dш в месте разрыва. Записать в табл. 1 отчета.

2.  Вычислить площадь поперечного сечения в месте разрыва по формуле . Записать в табл. 1.

3.  Изобразить рисунок образца после испытания.

4.  Определить абсолютное остаточное удлинение, соответствующее моменту разрыва образца по формуле .

5.  Произвести обработку машинной диаграммы растяжения (рис. 5).

5.1. На диаграмму нанести координатные оси. Ось абсцисс совместить с нулевой линией диаграммы, а для проведения оси ординат (оси нагрузок) найти начало координат – т. е. продолжить прямолинейный участок диаграммы до пересечения с осью абсцисс. Таким образом из рассмотрения исключается начальный криволинейный участок диаграммы, который возникает вследствие первоначального обжатия головок образца в захватах машины.

5.2. Через точку Е (рис. 5), соответствующую разрыву образца провести прямую, параллельную прямолинейному участку OA диаграммы до пересечения с осью Δℓ в точке Е1.

5.3. Отрезок ОЕ1, есть абсолютное остаточное удлинение, соответствующее моменту разрыва образца, .

5.4. Измерить отрезок ОЕ1, в мм и вычислить масштаб по оси Δℓ.

.

5.5. Опустить перпендикуляры из точек А, С, С¢, D и Е на ось Δℓ.

5.6. Измерить отрезки ОА1, ОС1, ОС¢1, ОD1, ОЕ’1 и их длину занести в табл. 2.

5.7. Вычислить абсолютные удлинения, соответствующие характерным точкам диаграммы:

и т. д.

Результаты записать в табл. 3.

5.8. Измерить длину перпендикуляра DD1 и вычислить масштаб диаграммы по оси ординат.

.

5.9. Измерить длину перпендикуляров АА1, CC1, EE1 и их значения записать в табл. 2 отчета.

5.10. Вычислить нагрузки, соответствующие точкам А, С, и E диаграммы F – ∆ℓ:

Fпц = mF × АА1, Fр = mF ×ЕЕ1.

Результаты записать в табл. 3.

5.11. Вычислить значения относительных деформаций, соответствующих характерным точкам диаграммы (табл. 4):

и т. д.

5.12. Определить характеристики прочности по соотношениям, приведенным в п. 1.3. и занести их в табл. 3.

5.13. Изобразить диаграмму растяжения в координатах s — e.

Записи в отчете представлять подробно: формула, численные значения исходных величин, ответ.

Пример:

МПа (н/мм2).

5.14.Определить характеристики пластичности (относительное удлинение и относительное сужение образца), используя формулы раздела 1.3.

6. Записать выводы, в которых отразить особенности процесса растяжения пластичного материала:

·  что происходит с образцом при достижении нагрузкой значений FТ, Fmax;

·  как соотносятся нагрузки Fp и Fmax;

·  какие напряжения являются опасными для пластичного материала.

Ниже приводится форма отчета по лабораторной работе.

Лабораторная работа № 2

Тема:

Цель:

Испытательная машина:

Измерительный инструмент:

Материал образца:

Рисунок образца до испытания

Таблица 1.

Данные образца

Абсолютное остаточное удлинение

Рисунок образца после испытания

Машинная диаграмма растяжения

Таблица 2

Определение масштабов диаграммы

по оси F

по оси Δℓ

Результаты испытаний

Таблица 3.

Таблица 4.

Определение характеристик пластичности.

Условная диаграмма напряжений

Выводы:

Выполнил студент гр.

Контрольные вопросы

1.  Что называется пластической деформацией?

2.  Что такое пластичность?

3.  Что такое прочность?

4.  Что называется диаграммой растяжения?

5.  В каких координатах изображается машинная диаграмма растяжения?

6.  Какие характерные изменения происходят с образцом при достижении нагрузкой значения FT? Fmax?

7.  Чем объясняется падение нагрузки за точкой D диаграммы?

8.  Как выглядит диаграмма разгрузки в области упругих деформаций? За пределом текучести?

9.  Почему диаграмму растяжения в координатах s — e называют условной?

10.  Назовите механические характеристики прочности, соответствующие характерным точкам А, В, С, Д, Е диаграммы.

11.  Что называется пределом упругости? Пределом пропорциональности? Пределом текучести? Пределом прочности?

12.  Что такое абсолютное удлинение?

13.  Что такое относительное удлинение?

14.  Какие характеристики пластичности вам известны? Как определить их величину?

15.  Какой отрезок оси Δℓ диаграммы соответствует абсолютному остаточному удлинению образца в момент разрыва? Как его найти?

16.  Для какого участка диаграммы справедлив закон Гука?

17.  Для произвольной точки диаграммы в зоне упрочнения указать отрезки на оси Δℓ соответствующие полной, упругой и остаточной деформациям.

18.  На какую площадь необходимо разделить максимальную нагрузку, чтобы получить величину предела прочности?

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Феодосьев материалов. М.:Изд-во МГТУ, 2000 – 592c.

2.  и др. Сопротивление материалов. Киев: Высшая школа, 1986. – 775с.

3.  Степин материалов. М.: Высшая школа, 1988. – 367с.

4.  Сопротивление материалов. Лабораторный практикум./, и др. М.: Дрофа, 2004. – 352с.

Для заметок

Составители: Светлана Григорьевна Корзун

Александр Владимирович Белов

Наталья Георгиевна Неумоина

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ОСЕВОМ РАСТЯЖЕНИИ

Под редакцией авторов

Темплан 2006 г., поз. № 17.

Подписано в печать г. Формат 60×84 1/16.

Бумага листовая. Гарнитура ”Times“.

Усл. печ. л. 1,06. Усл. авт. л. 0,88.

Тираж 100 экз. Заказ №

Волгоградский государственный технический университет

400131 Волгоград, просп. им. , 28.

РПК «Политехник»

Волгоградского государственного технического университета

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.