Рассказ испытываемый 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
— Здрасьте, а шо это у Вас?
-Детали, изготовленные методом 3D печати.
-А шо, крепкие получаются? Машину и дом напечатаешь мне? Ну-ка дай, я на прочность проверю…
*ХРЯК*
-…Опа!Не выдержала! Ну, это ваще как-то не очень, только игрушки делать из пластика этого, баловство одно…
Приветствуем, уважаемые читатели портала!
Вы тоже хотя бы раз сталкивались с подобными индивидами, предпочитающими измерять прочность чего угодно с помощью силушки своих рук? Мы сталкиваемся с этим постоянно. Причем, даже если бедная деталька так и не покорилась недюжинной силе проверяющего, ясности в вопрос прочности пластика это едва ли приносило больше – сила воздействия на наши выставочные образцы разниться от одного сомневающегося к другому. И раз уж случилось, что именно наша компания уже давно носит на себе клеймо организации, крайне серьезно относящейся к вопросу сбора всех технических характеристик наших материалов, мы решили, что пора разобраться и с этой проблемой раз и навсегда!
Поэтому мы решили не останавливаться на достигнутом и провести те испытания, которые так интересовали многих наших клиентов в частности и посетителей портала в целом. Мы говорим об испытаниях наших пластиков на изгиб, растяжение и сжатие.Итак, обо всем по порядку!
В этот раз мы подошли к процессу испытаний довольно серьезно (даже по нашим педантичным меркам) и обратились с нашей проблемой в Центр Испытаний, Сертификации и Стандартизации Функциональных Материалов и Технологий (ЦИСС ФМТ).
Данный Центр создан при поддержке государственных научных компаний, Правительства Москвы и Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова. Цель работы Центра — обеспечение малых и средних предприятий Москвы возможностью сертификации и проведения испытаний своих продуктов на самом современном мировом уровне.
Преимуществами данного Центра являются квалифицированные сотрудники, (зачастую, как мы узнали, выпускники-отличники Химфака МГУ), уникальное для России испытательное оборудование и чрезвычайно профессиональный подход к делу.
Так что за чистоту результатов мы можем смело ручаться – эти ребята ни специально, ни случайно ошибок в цифрах не допустят!
Перейдем к конкретике.
В нашем случае для испытаний использовалась Универсальная испытательная машина с серво-электромеханическим приводом для статических испытаний материалов на растяжение, сжатие и изгиб Tinius Olsen 300ST
Для справки — Tinius Olsen – имя ставшее нарицательным. С 19 века до настоящего времени этот бренд является эталоном качества физико-механических испытаний.
Вот так выглядит эта красавица, произведенная суровыми учеными-скандинавами:
[IMG ID=67552 WIDTH=723 HEIGHT=406]
[IMG ID=67553 WIDTH=849 HEIGHT=477]
Внушает больше доверия, нежели руки скептически настроенных знакомых, не так ли? J
А пример работы данной машины заинтересовавшиеся читатели могут посмотреть на официальном канале Tinius Olsen ниже:
Следующим необходимым шагом следует вернуться в далекие школьные годы на уроки физики и вспомнить определения некоторых явлений и величин, о которых далее будет идти речь. Те, кто может похвастаться хорошей памятью школьной программы или имеет честь постоянно прибегать к этой информации, может упустить эту часть рассказа.
Прим: Дабы не увеличивать и без того большое количество информации в посте, определения прошли небольшую редактуру под данный конкретный случай.
Изгиб — вид деформации, при котором происходит искривление осей прямых брусьев или изменение кривизны осей кривых брусьев, изменение кривизны/искривление срединной поверхности пластины или оболочки.
Растяжение/сжатие— вид продольной деформации стержня или бруса, возникающий в том случае, если нагрузка к нему прикладывается по его продольной оси (равнодействующая сил, воздействующих на него, нормальна поперечному сечению стержня и проходит через его центр масс).
Прочность —
свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. Иначе говоря, это свойство конструкции выполнять назначение, не разрушаясь в течение заданного времени.
Модуль упругости —
общее название нескольких физических величин, характеризующих способность твёрдого тела упруго деформироваться (т.е. не постоянно) при приложении к нему силы.
Максимальную нагрузку
тут следует понимать под определением максимальной силы, приложенной к испытательному образцу. Сила, в свою очередь, определяется как физическая величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело других тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной возникновения в нём деформаций и напряжений.
Предел прочности на сжатие/растяжение
— пороговая величина переменного механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) сожмет/разорвет тело из конкретного материала — тело разрушится или неприемлемо деформируется.
Прочитали? Респект за серьезный подход к ознакомлению!
Итак, с целью, способом и процессом испытаний, испытателями и оборудованием для всего этого мы разобрались. Вдобавок вникли в определения. Чего же не хватает? Ну конечно, результатов самих испытаний. Милости просим ознакомиться с цифрами!
Глава 1. ИЗГИБ
Объектом испытаний выступили образцы наших пластиков формы параллелепипедов, их толщина 3 мм, ширина 13 мм, длина 60 мм.
Испытания стандартными методами для изгибных свойств неармированных и армированных
пластмасс и электроизоляционных материалов ASTM D790 – 03.
Итак, самым прочным при изгибе показал себя материал REC PLA
За ним с отставанием в 18 Мпа следует REC RELAX
Замыкает тройку REC ETERNAL.
REC ABS и REC HIPS расположились на 4 и 5 месте.
Очевидно, что и максимальная нагрузка прямо пропорциональна увеличению прочности.
Хотелось бы также отметить, что гибкие материалы, по понятным всем причинам, следует рассматривать в несколько ином ключе. Поэтому соревноваться REC FLEX и REC RUBBER будут только между собой.
Глава 2. РАСТЯЖЕНИЕ
Использовалась напечатанная двусторонняя лопатка толщиной 3мм, шириной и длиной 13 и 165 мм соответственно. Результат стандартного метода испытаний для прочности при растяжении пластмасс ASTM D638 – 14:
В испытании на растяжение вперед выдвинулся наш новый материал на основе PET-G REC RELAX.
В спину ему дышат совсем чуть-чуть менее прочные REC ETERNAL и REC PLA на втором и третьем местах соответственно.
Глава 3. СЖАТИЕ
На этом этапе использовались цилиндры диаметром 12,5 мм и высотой 25,5 мм. Испытывались стандартным методом испытаний сжимающих свойств твердых пластмасс ASTM D695 – 15.
В сжатии REC PLA наверстал отставание по очкам и снова взял первенство. Его прочность при сжатии превосходит ETERNAL в 1,4 раза, а RELAX в полтора раза. Достойно!
Также предлагаем сравнить характеристики ABS пластика для 3D печати с литьевым ABS, чтобы ответить на вопрос, насколько литые изделия прочнее напечатанных (характеристики взяты с https://himcompany.com):
Выводы
Итак, теперь стоит сделать мощный концентрат из всего вышенаписанного:
Вывод 1:
Самые прочные, если гнуть:
1. REC PLA
2. REC RELAX
3. REC ETERNAL
Самые прочные, если тянуть:
1. REC RELAX
2. REC ETERNAL
3. REC PLA
Самые прочные, если сжимать:
1. REC PLA
2. REC ETERNAL
3. REC RELAX
Вывод 2:
Напечатанные модели из ABS пластика имеют ту же прочность, что и литые при сжатии и изгибе, но не дотягивают до их показателей при растяжении. Модуль упругости при сжатии находится на уровне 75% от «литьевых» показателей.
На этом все, друзья, спасибо за внимание, надеемся, данная информация была для Вас полезной! (А если Вам кажется, что не была – не спешите загадывать наперед, возможно, она пригодится в будущем!)
А если пропустили прошлые исследования, рассказы о них Вы можете найти здесь, на портале 3DToday по ссылкам:
Вредность 3D печати. Часть 1. https://3dtoday.ru/blogs/rec/the-dangers-of-3d-printing-mystery-solved-3-part-one/
Вредность 3D печати. Часть 2. https://3dtoday.ru/blogs/rec/the-harmfulness-of-3d-printing-part-2-the-main/
Масло- и бензостойкость материалов REC https://3dtoday.ru/blogs/rec/oil-and-gasoline-resistance-of-materials-rec/
Материалы для 3D печати REC «Испытание огнем» https://3dtoday.ru/blogs/rec/materials-for-3d-printing-rec-trial-by-fire/
Диэлектрические свойства материалов REC https://3dtoday.ru/blogs/rec/dielectric-properties-of-materials-rec/Если Вас заинтересовали полный отчет о проведенном исследовании или результаты предыдущих наших испытаний, вы сможете найти все это на нашем новом сайте – rec3d.ru
Напоминаем, что Черная Пятница в компании REC продолжается! Сегодня последний день, когда Вы можете приобрести лучшие филаменты для 3D печати со скидкой в 30%!
У вас есть вопросы? Пишите комментарии, звоните, связывайтесь с нами в соц сетях или по почте. И не забывайте, что мы всегда рады гостям в нашем офисе. У нас в шоуруме много всего интересного!
Наша почта: potok@rec3d.ru
Телефон: +7 (800) 775-7331 (бесплатно из любой точки России)
Офис: г. Москва, ул. Годовикова д. 9, строение 1, подъезд 1.19, офис 2.3. Технопарк «Калибр».
Спасибо за внимание и удачной печати!
Источник
Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации и разрушению под действием механических сил (нагрузки).
К основным механическим свойствам относят:
— прочность
— пластичность
— ударную вязкость
— твердость
Прочность – это способность металла не разрушаться под действием механических сил (нагрузки).
Пластичность – это способность металла изменять форму (деформироваться) под действием механических сил (нагрузки) без разрушения.
Ударная вязкость определяет способность металла противостоять ударным (динамическим) механическим силам (ударным нагрузкам).
Твердость – это способность металла сопротивляться проникновению в него других более твердых материалов.
Виды и условия механических испытаний металлов
Для определения механических свойств выполняют следующие
виды испытаний:
— испытания на растяжение;
— испытания на статический изгиб;
— испытания на ударный изгиб;
— измерение твердости.
К условиям испытаний образцов относятся: температура, вид и
характер приложения нагрузки к образцам.
Температура проведения испытаний:
— нормальная (+20°С);
— низкая (ниже +20°С, температура 0…-60°С);
— высокая (выше+20°С, температура +100…+1200°С).
Вид нагрузок:
Характер приложения нагрузки:
— нагрузка возрастает медленно и плавно или остаётся постоянной — статические испытания;
— нагрузка прилагается с большими скоростями; нагрузка ударная — динамические испытания;
— нагрузка многократная повторно-переменная; нагрузка изменяется по величине или по величине и направлению (растяжение и сжатие) — испытания на выносливость.
Образцы для механических испытаний
Механические испытания выполняют на стандартных образцах. Форма и размеры образцов устанавливаются в зависимости от вида испытаний.
Для механических испытаний на растяжение используют стандартные цилиндрические (круглого сечения) и плоские (прямоугольного сечения) образцы. Для цилиндрических образцов в качестве основных приняты образцы диаметром dо=10 мм короткий lо=5×do = 50 мм и длинный lо=10×do = 100 мм.
Короткий круглый образец
Длинный круглый образец
Плоские образцы имеют толщину равную толщине листа, а ширина устанавливается равной 10, 15, 20 или 30 мм.
Плоский образец без головок для захватов разрывной машины
Плоский образец с головками
Механические свойства, определяемые при статических испытаниях
Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно.
При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла:
— предел текучести (σ т);
— предел прочности или временное сопротивление (σ в);
— относительное удлинение (δ);
— относительное сужение (ψ).
Предел текучести – это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел прочности – это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Относительное удлинение – это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания.
Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания.
При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке Рm.
При максимальной нагрузке Рmax в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность.
Механические испытания на ударный изгиб
Динамическими называют испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором напряжений) одним ударом маятникового копра.
Стандарт предусматривает образцы с надрезами трех видов:
образец U – образный с радиусом R = 1 мм (метод KCU);
образец V – образный с радиусом R = 0.25 мм (метод KCV);
образец I – образный с усталостной трещиной (метод КСТ).
Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
После испытания по шкале маятникового копра определяют работу удара, которую затрачивают на разрушение образца. Площадь сечения образца определяют до разрушения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
Твердостью называется свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации в поверхностном слое при вдавливании шарика, конуса или пирамиды. Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения изделия. Широкое применение нашли три метода определения твердости:
— твердость по Бринеллю (единица твердости обозначается HB);
— твердость по Роквеллу (единица твердости обозначается HR);
— твердость по Виккерсу (единица твердости обозначается HV).
Определение твердости по Бринеллю заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10 мм в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки.
Твердость по Бринеллю обозначают цифрами и буквами НВ, например, 180 НВ. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность металла и меньше пластичность. Чем мягче металл, тем меньше устанавливают нагрузку на приборе. Так при определении твердости стали и чугуна нагрузку принимают 3000 Н, никеля, меди и алюминия – 1000 Н, свинца и олова – 250 Н.
Определение твердости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1.6 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро )и основной (Р) нагрузок и в измерении глубины внедрения наконечника (h). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указание шкалы. Например, 60 HRC (твердость 60 по шкале С).
Определение твердости по Виккерсу заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв с высокой твердостью. Твердость по Виккерсу обозначается цифрами и буквами HV, например, 200 HV.
Испытания на статический изгиб
Технологические испытания на статический изгиб служит для определения способности металла воспринимать заданный по форме и размерам загиб. Аналогичные испытания проводят и на сварных соединениях.
Испытанию на загиб подвергают образцы из листового и фасонного (пруток, квадрат, уголок, швеллер и др.) металла. Для листового металла ширина образца (b) принимается равной двойной толщине(2•t), но не менее 10 мм. Радиус оправки указывается в технических условиях.
Различают три вида изгиба:
— загиб до определенного угла;
— загиб вокруг оправки до параллельности сторон;
— загиб вплотную до соприкосновения сторон (сплющивание).
Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является признаком того, что образец выдержал испытание.
Источник