Испытательные машины, измерительные приборы

Для испытаний применяют разрывные машины[8] с механическим или гидравлическим приводом. Принцип работы и основные элементы испытательных машин любого типа следующие. Подвижная траверса 1 (рис. 1.6) с закреплённым на ней активным захватом 2, перемещаясь вниз, создаёт в образце 3 усилие растяжения F, которое передаётся через пассивный захват 4 силоизмерителю 5. Работа силоизмерителя основана либо на отклонении маятника-противовеса через систему рычагов[9], либо (как показано на рисунке) на методе тензометрии. Нагрузка отсчитывается по шкале 6 силоизмерителя. На диаграммном аппарате 7 автоматически вычерчивается машинная диаграмма. Привод диаграммного аппарата осуществляется либо механической передачей от стрелки силоизмерителя (координата F) и перемещения подвижной траверсы (координата ∆ℓ), либо, как показано на рисунке, средствами электроники: силоизмеритель, тензометр 8 → усилители → электродвигатели → перо самописца. На станине 9 крепятся электропривод машины, перечисленные выше узлы, а также органы управления.

Измерительные при­боры: штангенциркуль с ценой деления 0,1 мм, микрометр с ценой деления 0,01 мм, тензо­метр с ценой деления 0,002 мм для определения предела про­порциональности и предела упругости и 0,02 мм для опре­деления предела текучести.

Рис. 1.6. Схема испытательной машины

Подготовка и проведение испытаний.

Обработка результатов

При вычислении скорости перемещения захвата во время подготовки испытания необходимо ориентироваться на ограничения, накладываемые ГОСТом 1497-84 на скорость нагружения и скорость относительной деформации. Они зависят не только от скорости перемещения захвата, но и от податливости испытательной машины и образца (длины, площади поперечного сечения, модуля упругости материала).

Для нахождения характеристик сопротивления малым пластическим деформациям (предела текучести, предела упругости), определяемых по участку диаграммы в непосредственной близости к упругому 0А (см. рис. 1.1 и 1.2), скорость нагружения задаётся в единицах [напряжение/время]: V = 1…30 МПа/с.

Для определения временного сопротивления скорость задаётся в единицах [длина образца/время]: V < 0,4ℓ₀ мм/мин.

В соответствии с предварительно выполненными расчётами применительно к стальному образцу ℓ₀ = 50 мм, d₀ = 10 мм установить скорость перемещения захвата V < 0,5 мм/мин.

Измерение диаметра рабочей части до испытаний проводят микрометром с точностью 0,01 мм.

Начальную расчётную длину ℓ₀ с погрешностью до 1 % ограничивают по рабочей длине образца кернами, рисками или иными метками.

Заправить диаграммный аппарат бумагой. Выбрать масштаб диаграммы с учётом максимально достижимого усилия (по оси ординат). При определении физического предела текучести σ_т и временного сопротивления σ_в ограничения на масштаб по оси удлинения не вводятся, поскольку нагрузку F_т можно определить даже по кратковременной остановке стрелки силоизмерителя, а максимальную нагрузку F_max – по показаниям контрольной стрелки. Для определения условного предела текучести σ_0,2 масштаб диаграммы по оси удлинения должен быть не менее 50:1. Для определения предела упругости σ_0,05 масштаб диаграммы по оси удлинения должен быть не менее 100:1 при базе тензометра 50 мм и более и не менее 200:1, если база тензометра менее 50 мм.

Проведите испытания на разрыв образцов из пластичного и хрупкого материалов с записью полной машинной диаграммы растяжения.

Снимите с барабана испытательной машины бумагу с записью диаграммы растяжения и в соответствии с целью работы определите характеристики прочности и пластичности.

Для определения конечной расчетной длины образца ℓ_к разрушенные части образца плотно складывают так, чтобы их оси образовывали прямую линию. Определение конечной расчетной длины образца ℓ_к проводится измерением расстояния между метками, ограничивающими расчётную длину.

Измерение диаметра d_к проводится штангенциркулем в шейке (см. рис. 1.4) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с точностью 0,1 мм и последующим вычислением среднего значения.

Полученные величины характеристик прочности и пластичности округлите до трех значащих разрядов и запишите в таблицу (см. протокол к данной лабораторной работе, табл. 1.2).

Исходные данные и результаты испытаний внесите в протокол испытаний (см. там же табл. 1.1).

Изобразите вид разрушенных образцов в районе разрыва.

Сопоставьте найденные механические характеристики испытанных материалов с данными, выписанными из стандартов и справочников по конструкционным материалам. Подсчитайте отклонение в процентах найденных характеристик от справочных.

Оцените влияние термообработки (в частности, закалки с отпуском) на вид кривой растяжения и величину предела текучести.

Ориентируясь на диаграммы растяжения, помещённые на стенде в лаборатории механических испытаний, сделайте вывод о влиянии термообработки на характеристики прочности и пластичности.

Ориентируясь на таблицу механических характеристик сталей различных марок, помещённую на стенде, сделайте вывод о влиянии содержания углерода в стали на характеристики прочности и пластичности.

1.1.3. Рекомендации по оформлению отчета

Отчет по лабораторной работе выполняется на листах стандартного формата А4 с угловой надписью по ГОСТу 5293-60 (форма 2) на первом листе и состоит из следующих разделов:

Название и цель работы.

Теоретическая часть, содержащая сведения о характеристиках проч­ности и пластичности и их определения.

В разделе «Оборудование, образцы» указать марку испытательной машины, завод-изготовитель, тип силового привода (механический, гид­равлический), обозначение шкал силоизмерителя и диапазон измеряемых нагрузок. Указать принцип измерения сил и деформаций (рычажно-меха­нический, тензометрический или иной).

Результаты экспериментов, их обработка, анализ полученных данных.

Заключение (выводы) по работе.

К отчету прилагаются обработанные диаграммы растяжения образцов в нормализованном и закаленном состояниях. Результаты испытаний оформляются в виде табл. 1.1 (см. протокол к лабораторной работе № 1).

Вопросы для самопроверки

1. Какими механическими характеристиками оценивается прочность материала, а какими – пластичность?

2. В какой момент растяжения образца начинает образовываться местное сужение – шейка?

3. Какие формы поперечного сечения образцов рекомендует ГОСТ?

4. Какие соотношения между продольными и поперечными размерами образцов рекомендует ГОСТ?

5. Дайте определение рабочей и расчётной длины образца. В чём различие между ними и чем оно обусловлено?

6. Для каких конструкционных материалов диаграмма растяжения может иметь площадку текучести?

7. В пределах какого участка диаграммы растяжения сохраняет силу закон Гука?

8. Хрупкое разрушение отличается от пластичного отсутствием шейки. Как, по вашему мнению, выглядит диаграмма растяжения образца с хрупким характером разрушения?

9. Дайте определение физическому пределу текучести. Укажите его размерность.

10. Дайте определение условному пределу текучести. Укажите его размерность.

11. Опишите последовательность процедур, выполняемых при определении условного предела текучести.

12. Какая из характеристик прочности имеет большее значение: предел упругости или условный предел текучести? Ответ сопроводите рисунком и комментарием.

13. Дайте определение временному сопротивлению (пределу прочности). Укажите его размерность.

14. Дайте определение истинному сопротивлению разрыву. Укажите его размерность.

15. Какая из характеристик прочности имеет большее значение: временное сопротивление или истинное сопротивление разрыву? Ответ сопроводите рисунком и комментарием.

16. Что называется пределом пропорциональности? Укажите его размерность. Какова последовательность операций для его определения?

17. Как будет изменяться различие между временным сопротивлением и истинным сопротивлением разрыву с уменьшением пластичности материала? Ответ сопроводите рисунком и пояснением.

18. Назовите ориентировочные значения характеристик прочности и пластичности конструкционных сталей, применяемых в общем машиностроении.

19. Приведите формулы, по которым вычисляются характеристики пластичности, укажите их размерность.

20. Расшифруйте записи: δ₅, δ₁₀.

21. Вводятся ли ограничения на масштаб записи диаграммы растяжения по оси деформаций для определения физического предела текучести и временного сопротивления? Ответ обоснуйте.

22. Вводятся ли ограничения на масштаб записи диаграммы растяжения по оси деформаций для определения предела упругости? Ответ обоснуйте.

23. В чём заключается явление наклёпа материала? Каковы последствия наклёпа?

24. Известно, что, начиная с первого момента растяжения образца, все его поперечные сечения в пределах расчётной длины начинают уменьшаться. Продолжается ли этот процесс вплоть до разрыва? Ответ обоснуйте, сопроводите рисунком.

25. Дайте определения деформациям (упругой и пластической).

26. Если в момент достижения максимальной нагрузки F_max на образце сравнить истинное S и условное (техническое) σ напряжения, то какое из них будет выше?

27. С какого момента испытаний в образце из пластичного металла начинает образовываться местное сужение? Как называется эта область образца?

28. При обработке диаграммы растяжения малоуглеродистой стали (см. рис. 1.1) определили как физический, так и условный пределы текучести. В каком соотношении между собой находятся их числовые значения?

29. Перечислите характеристики прочности, вычисление которых невозможно без точного знания расположения начала координат диаграммы растяжения.

30. Для вычисления каких механических характеристик не используют значения начальной площади поперечного сечения образца?

31. Какие механические характеристики вычисляют с использованием сведений о размерах разрушенного образца?

32. Какие механические характеристики определяют без использования сведений о начальных размерах образца?

33. Опишите вязкий характер разрушения образца из пластичного материала и сделайте соответствующий эскиз.

34. Как влияет термообработка (закалка с отпуском) на характеристики прочности стали?

35. Как влияет термообработка (закалка с отпуском) на характеристики пластичности стали?

36. Как изменяются характеристики прочности и пластичности стали в зависимости от содержания углерода?