Лабораторные по сопротивлению материалов 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).

Образцы для испытания на растяжение

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.

Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Условная диаграмма напряжений при растяжении

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);

Определение предела упругости и условного предела текучести

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

Виртуальная лаборатория сопротивления материалов – это интерактивное программное обеспечение, предназначенное для имитационного выполнения лабораторных работ по курсу сопротивления
материалов студентами технических специальностей высших и средних учебных заведений.

В лабораторный практикум вошли лабораторные работы, охватывающие основные темы из курса сопротивления материалов: растяжение, сжатие, кручение, изгиб, теория напряжённого состояния, теория
прочности, устойчивость, динамические нагрузки. Виртуальные лабораторные работы выполнены в режиме интерактивной трехмерной графики.

Виртуальная лаборатория соответствует современным образовательным стандартам и является эффективным дополнением к реальной лабораторной базе учебных заведений.

В состав программного комплекса входят 12 имитационных лабораторных работ:

Испытание образцов материалов на растяжение;
Испытание образцов материалов на сжатие;
Испытание образцов материалов на кручение;
Определение постоянных упругости изотропных материалов;
Прямой изгиб стержня;
Косой изгиб стержня;
Исследование напряжений и перемещений в плоской раме;
Исследование напряжений в стержне большой кривизны;
Сложное напряженное состояние;
Экспериментальная проверка теоремы о взаимности работ;
Устойчивость сжатого стержня;
Определение ударной вязкости материала.

Виртуальная лаборатория реализована в виде комплекса кроссплатформенных графических приложений, поставляемых под различные операционные системы: Microsoft Windows, Linux, MacOS, iOS,
Android. По желанию заказчика возможна браузерная реализация программных продуктов на основе технологии HTML5. Графическая составляющая программного обеспечения использует программный
интерфейс и компонентную базу OpenGL. Язык интерфейса программ: русский/английский.

Минимальные системные требования:

процессор: Intel/AMD, не менее 1,6 ГГц;
ОЗУ: не менее 1 Гб;
видеопамять: не менее 512 Мб;
разрешение экрана: не менее 1024x768x32;
ОС: Microsoft Windows, Linux, MacOS, iOS, Android;
поддержка OpenGL версии 2.0;
стандартная клавиатура и компьютерная мышь с колесом прокрутки;
средства воспроизведения звука (аудиоколонки или наушники).

*Примечание! В операционных системах Windows 7 и выше программы необходимо запускать от имени администратора! Настроить запуск от имени администратора Вы
можете в свойствах ярлыков программ.

Дополнительные документы:

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Определение механических характеристик материала при растяжении. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Испытания на растяжение образцов материалов проводятся с целью экспериментального
определения механических характеристик: предела текучести, предела прочности, истинного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва. При испытании на
растяжение образец определенной формы и размеров из исследуемого материала прочно закрепляется своими концами (головками) в захватах испытательной машины и подвергается непрерывному плавному
деформированию до разрушения. При этом регистрируется зависимость между растягивающей нагрузкой и удлинением расчетной части образца в виде диаграммы растяжения образца.