Диаграмма деформации при растяжении

СОДЕРЖАНИЕ

Введение и методические рекомендации …………………….…..
Лабораторная работа № 1. Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на
растяжение …………………………………………………………
Лабораторная работа № 2. Определение твердости металлов и сплавов ……………………………………………………………
Лабораторная работа № 3. Методы исследования качества,
структуры и свойств металлов и сплавов ………………………...
Лабораторная работа № 4. Пластическая деформация и
рекристаллизация металлов ……………………………………….
Лабораторная работа № 5. Диаграммы состояния двойных
систем, структура и свойства сплавов ……………………………
Лабораторная работа № 6. Диаграмма состояния
«железо-цементит». Структура, свойства и применение
железоуглеродистых сплавов ……………………………………..
Лабораторная работа № 7. Термическая обработка
углеродистых сталей …………………………………………….
Лабораторная работа № 8. Особенности упрочняющей
термической обработки легированных сталей ………………….
Лабораторная работа № 9. Упрочнение титановых сплавов
легированием и термической обработкой ………………………..
Лабораторная работа № 10. Термическая обработка
деформируемых алюминиевых сплавов ………………………….
Библиографический список ……………………………… … …

Введение и методические рекомендации

Лабораторные работы по курсу «Авиационное материаловедение» проводятся в целях более глубокого изучения основных тем курса, приобретения навыков в области термической обработки сталей, алюминиевых, титановых сплавов, ознакомления с механическими испытаниями и методами макро- и микроструктурного анализа металлов и сплавов, а также практической отработки ряда вопросов, связанных с использованием лабораторного оборудования: микроскопов, нагревательных печей, закалочных ванн, твердомеров, заточных, шлифовальных и полировальных станков и др.

Выполнению лабораторных работ должно предшествовать изучение соответствующих тем по материалам лекций и учебникам, знакомство с содержанием каждой работы по данному пособию. Для единообразного оформления лабораторных работ до выполнения каждой их них студенту необходимо в отдельной тетради или в специально выделенном месте конспекта по курсу лекций подготовить форму отчета, разработанную на кафедре. На все вопросы вводного раздела отчета (до практической части) должны быть даны необходимые ответы.

Для оценки характера изменения механических свойств в процессе деформации и различных видов термообработки проводится измерение твердости на приборе Роквелла. Если учесть, что твердость и предел прочности являются хорошо коррелирующимися свойствами материала, то по характеру изменения твердости можно судить о характере изменения прочности.

При изучении микроструктур сплавов и их зарисовке желательно пользоваться карандашом. На рисунках микроструктур в каждом случае необходимо делать выносные линии и указывать фазы и структурные составляющие.

По каждому пункту практических работ необходимо делать выводы или указывать значение определяемого параметра и давать его оценку.

Для сдачи лабораторных работ теоретического материала, приведенного в данном учебном пособии, недостаточно. Необходимо обращаться к курсу лекций и учебной литературе.

Лабораторная работа № 1

Определение механических свойств конструкционных

материалов путем испытания их на растяжение

Цель работы

1. Изучить методику испытаний металлов и сплавов на растяжение.

2. Ознакомиться с конструкцией и работой разрывной машины.

3. Провести испытания на растяжение двух образцов из разных материалов, получить диаграммы растяжения.

4. Определить положение характерных точек, рассчитать параметры в характерных и промежуточных точках.

5. На основании выполненных расчетов построить диаграмму зависимости условных напряжений от степени деформации.

6. Определить основные механические характеристики материалов и дать заключение о свойствах испытанных материалов.

Содержание работы

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) широко применяют для определения механических свойств конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов.

Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 20±15°С пределов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва.

При испытаниях на растяжение принимают следующие обозначения и определения:

- рабочая длина образца l (м, мм) - часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата;

- начальная расчетная длина образца l₀ (м, мм) - участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на котором определяется удлинение;

- конечная расчетная длина образца l_к (м, мм) - длина расчетной части образца после разрыва;

- начальный диаметр образца d₀ (м, мм) - диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытаний;

- диаметр образца после разрыва d_к (м, мм) - минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва;

- начальная площадь поперечного сечения образца F₀ (м², мм²) - площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний;

- площадь поперечного сечения образца после разрыва F_к (м², мм²) - минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва;

- осевая растягивающая нагрузка P (Н, кгс) - нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания;

- условное напряжение s (МПа, кгс/мм²) - напряжение, определяемое отношением нагрузки P к начальной площади поперечного сечения F₀ образца;

- истинное нормальное напряжение S (МПа, кгс/мм²) - напряжение, определяемое отношением нагрузки P к действительной в данный момент испытания площади поперечного сечения F образца;

- абсолютное удлинение образца Dl (м, мм) - приращение начальной расчетной длины образца в любой момент испытания;

- предел пропорциональности s_пц (МПа, кгс/мм²) - напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой «нагрузка-удлинение» в точке P_пц с осью нагрузки, увеличивается на 50% от своего значения на упругом (линейном) участке;

- условный предел упругости s_0,05 (МПа, кгс/мм²) - напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка рабочей части образца, равного базе измерения;

- модуль упругости E (МПа, кгс/мм²) - отношение приращения напряжения к соответствующему приращению деформации в пределах упругой деформации;

- предел текучести физический:

- нижний предел текучести s_т (МПа, кгс/мм²) - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

- верхний предел текучести s_тв (МПа, кгс/мм²) - напряжение, соответствующее первому пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца;

- предел текучести условный s_0,2 (МПа, кгс/мм²) - напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,2% длины рабочего участка образца;

- временное сопротивление (предел прочности) s_в (МПа, кгс/мм²) - максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения;

- относительное равномерное удлинение d_р (%) - отношение приращения длины участка в рабочей части образца до момента начала образования шейки (в т. в) для пластичных материалов или до разрыва в материалах, у которых шейка не образуется, к длине образца до испытания;

- относительное удлинение после разрыва d (%) - отношение приращения расчетной длины образца Dl_к = (l_к -l₀) после разрушения к начальной

расчетной длине l₀;

- относительное сужение после разрыва y (%) - отношение разности начальной F₀ и минимальной конечной F_к площадей поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца F₀;

Для испытаний на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы (рис. 1.1) диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм и более. Начальная расчетная длина цилиндрических образцов

l₀ =5d₀, l₀ =10d₀, а образцов квадратного или прямоугольного сечения -

l₀ = 5,65 (короткие) или l₀ = 11,3 (длинные). Применение коротких образцов предпочтительнее.

Образцы из тонких листов и лент толщиной от 0,5 до 3 мм изготавливают в соответствии с ГОСТ 11701-84.

Испытания проводят обычно на двух образцах.

Допускается применение непропорциональных образцов, для которых начальная расчетная длина l₀ устанавливается независимо от начальной площади поперечного сечения образца F₀.

Типы и размеры пропорциональных цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях к ГОСТ 1497-84.

Рис. 1.1. Образцы для испытаний на растяжение:

1 - плоский; 2 - цилиндрический

Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом крепления образцов в захватах разрывной машины.

По ГОСТ 1497-84 определяют место вырезки, способ изготовления, качество поверхности, предельные отклонения по размерам образцов.

В качестве испытательных применяют разрывные и универсальные машины различных систем. Машина должна обеспечивать: надежное центрирование образца в захватах, плавность нагрузки, скорость перемещения подвижного захвата не боле 0,1 мм/мин до предела текучести и не более

0,4 мм/мин за пределом текучести. Принципиальная схема разрывной машины Р-5 с рычажно-маятниковым силоизмерителем показана на рис. 1.2 (стрелками на схеме указаны движения элементов машины в процессе нагружения образца).

Испытываемый образец 1помещают в захваты, один из которых (2) называется активным, а другой (3) - пассивным. Активный за­хват располагается на подвижной траверсе 4, в которой имеются застопоренные (не вращающиеся) гайки 5. Привод активного захвата (создание силы Р ) осуществляется электромеханическим путем: вращательное движение вала электродвигателя 6 через червячный редуктор 7 и шестерни 8 и 9 передается винтам 10; вращаясь в застопоренных гайках, винты заставляют траверсу перемещаться поступательно.

На опоре11 верхней неподвижной траверсы установлен рычаг 12 маятникового силоизмерителя, связанный с тягой 13 пассивного захвата 3. Через систему рычагов и тяг силоизмерителя 12 - 16 нагруз­ка Р, действующая на образец, уравновешивается силой G маятникового груза 17. Отклонение маятника отначального положения (когда Р = 0) фиксируется по отсчетному устройству 18 со шкала­ми, проградуированными по силе Р .

При отклонении маятника поводок 19, жестко соединенный с рычагами 15 и 16 маятника, перемещает зубчатую рейку 20, которая вращает шестерню 21, сидящую на одной оси с рабочей стрелкой 22 отсчетного устройства силоизмерителя. При перемещении рабочая стрелка ведет засобой контрольную стрелку, которая фиксирует максимальное усилие. На циферблате отсчетного устройства нанесены три шкалы (А, Б и В), соответствующие различным диапазонам нагрузок (маши­на может быть настроена на создание предельных нагрузок: 1000, 2500 и 5000 кгс соответственно).

На одной оси с шестерней и рабочей стрелкой указателя на­грузок установлен шкив 23, который с помощью гибкого тросика 24 перемещает перо 25 самописца.

Для записи диаграммы Р = f(Dl) используют специальную бумажную ленту 26 (ЛПГ 320, ГОСТ 7836-75) с величиной наименьших делений 1,6 мм.

Одно такое деление по оси ординат (сила Р) при наладке машины на предельную нагрузку 1000 кгс соответствует 5 кгс, на 2500 кгс - 12,5 кгс, на 5000 кгс - 25 кгс.

При растяжении образца перемещению активного захвата в 1 мм будет соответствовать перемещение ленты по оси абсцисс (аб­солютная деформация Dl ) на 10, 50 или 100 мм.

Желаемый масштаб Dl (10:1, 50:1 или 100:1) обеспечивается настройкой масштабного преобразователя 27, который является на­страиваемым редуктором, передающим вращение на барабан 28 ленто­протяжного механизма от шестерни 29 через валик 30 и пару кони­ческих шестерен 31.

Одновременно деформация может контролироваться специальным счетчиком 32, одна единица показаний которого соответствует 0,2 мм перемещения подвижной траверсы 4.

Движение активного захвата без нагрузки может происходить с различной скоростью (от 1 до 100 мм/мин), которая контролиру­ется прибором 33.

Рис. 1.2. Принципиальная схема разрывной машины

Показанный на схеме груз 34 служит для возврата в исходное положение (к нулю) рабочей стрелки 22 и пера 25 при снятии на­грузки.

На этой же машине, применяя специальное приспособление, мож­но испытывать металлы на сжатие и изгиб.

Диаграмма деформации при растяжении

Записывающее устройство разрывной машины графически изобра­жает зависимость между действующей осевой нагрузкой и абсолютной деформацией образца.

На рис. 1.3 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма на рис. 1.3, а свойственна большинству металлов и сплавов. Для малоуглеродистой отожженной стали и некоторых отож­женных бронз характерна диаграмма с площадкой текучести, которая приве­дена на

рис. 1.3, б. Хрупкие металлы (чугун и др.) разрушаются при малых пластических деформациях (рис. 1.3, в).

а б в

Рис. 1.3. Диаграммы растяжения различных металлов

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на

рис. 1.4.

Первый участок диаграммы 0P представляет собой прямую линию, т.е. между Р и Dl соблюдается закон Гука. Напряжение в точке Р есть предел пропорциональности .

При дальнейшем увеличении силы прямолинейная зависимость нарушается.

Несколько выше точки Р находится точка «е». Напряжение в точке «е» есть предел упругости s_0,05, который вычисляют по формуле

. (1.1)

Предел упругости s_0,05 , как и предел пропорциональности, определяется расчетным или графическим способом.

Точно так же определяется и модуль упругости Е, МПа (кгс/мм²):

. (1.2)

Рис. 1.4. Характерные участки и точки диаграммы растяжения

За точкой «е» возникают заметные остаточные деформации, в точке S наблюдается переход к горизонтальной площадке S-S¢ (площадка текучести). Для участка S-S¢ характерен рост дефор­мации без заметного увеличения нагрузки. Если обозначить вели­чину нагрузки, соответствующую площадке текучести, через Р_т, то напряжение в этой точке можно вычислить по формуле

, (1.3)

что и является физическим пределом текучести.

Следует отметить, что иногда (особенно это характерно для малоуглеродистой стали) на площадке текучести появляется «зуб» или низкочастотные колебания нагрузки. Это объясняется особен­ностями строения испытываемых материалов.

В этом случае предел те­кучести определяется по верхней точке амплитуды «зуба» («зубь­ев») и называется верхним пределом текучести (рис. 1.5).

Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, определяют условный предел текучести

. (1.4)

Рис. 1.5. Определение верхнего предела текучести

Для нахождения величины Р_0,2 в масштабе диаграммы по оси абсцисс вправо от точки 0 (рис. 1.6) откладывают отрезок ОЕ, равный 0,002l₀, что составляет 0,2% от l₀, и из точки Е проводят прямую, параллельную прямой ОР, до пересечения с кривой растяжения в точке S . Ор­дината этой точки определяет нагрузку Р_0,2.

За площадкой текучести происходит упрочнение материала, и сопротивление деформации увеличивается, поэтому наблюдается увеличение нагрузки на кривой растяжения. До точки «в» образец деформируется равномерно.

Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, обозначается Р_в = Р_max. Напряжение в точке «в» называется временным сопротивлением, или пределом прочности:

. (1.5)

После точки «в», соответствующей максимальной силе Р_в, происходит заметное местное сужение образца (образуется шейка). Если до этого образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки. На участке в-к сечение образца быстро уменьшается, вследствие чего уменьшается растягивающая нагрузка. В точке «к» образец разрывается по наименьшему сечению шейки F_к.

Показателем пластичности материала является его абсолютное остаточное удлинение l_ост при разрыве (см. рис. 1.4, отрезок 0А₁), так как упругая деформация (отрезок А₁А₂) исчезает после разрыва:

Dl_ост =l_к - l₀ . (1.6)

Рис. 1.6. Определение местоположения точки S, соответствующей

условному пределу текучести

Размеры испытуемых образцов могут быть различными, поэтому характеристикой пластичности образца является не его абсолютное, а относительное остаточное удлинение после разрыва

. (1.7)

Другой характеристикой пластичности металла является относительное сужение Y после разрыва, выраженное в процентах:

. (1.8)

При определении s_пц, s_0,05, s_т и s_в соответствующую им нагрузку Р делим на начальную площадь поперечного сечения образца F₀. Напряжения эти называются условными. Однако при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. Напряжения, определенные по отношению при­ложенной нагрузки к действительной площади поперечного сечения образца в момент приложения этой нагрузки, называются истинными напряжениями:

. (1.9)

Диаграмма растяжения Р–Dl характеризует поведение образца из испытываемого материала с определенными геометрически­ми размерами. Чтобы исключить влияние размеров, диаграмму Р–Dl перестраивают в диаграмму s–e , где - напряжение, – относительная деформация. Диаграмма s–e – это та же диаграмма Р–Dl, построенная в масштабе 1/F₀ по оси ординат и в масштабе 1/l₀ – по оси абсцисс.

Как уже было сказа­но, для точного определения s_пц, s_0,05 и s_0,2 используются специальные тензометры и электрические силоизмерители. С меньшей точностью эти характерис­тики можно определить, воспользовавшись машинны­ми диаграммами и простейшим мерительным инструментом (линейка, штангенциркуль, микрометр).

Графическое определе­ние местоположения точки Р предела пропорциональ­ности состоит в следующем (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Определение местоположения точки Р,

соответствующей пределу пропорциональности

Произвольной горизонтальной прямой пере­секают кривую растяжения на линейном участке. Полученный отрезок ас де­лят на две равные части. Откладывают отрезок сd, который равен половине отрезка ас: ав=вс=сd. Из начала координат 0 проводят луч через точку d. Точку Р, соответствующую пределу пропорциональности, находят построением касатель­ной к кривой растяжения, параллельной лучу 0d.

Значение предела упругости s_0,05 принимается равным значению полученного предела пропорциональности s_пц из-за незначи­тельного различия между ними.

Численные значения механических характеристик позволяют оценить прочностные и пластические свойстве испытанного материала (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Оценка прочности и пластичности

Мате­риал	sв	Уровень прочности	d ,%	Уровень пластичности
кгс/мм2	МПа	пластичности
Стали	140-200 и более	1400-2000 и более	высокопроч­ные	>40	высоко- плас­тичные
80-140	800-1400	прочные	20-40	пластичные
20-80	200-800	средней прочности	10-20	средней пластичности
<20	<200	малопроч- ные	<10	малопластич­ные
Алюминиевые сплавы	>50	>500	высокопроч­ные	25-35	повышенной пластичности
35-40	350-400	нормальной прочности	20-25	пластичные
<35	<350	малопрочные	<20	малопластичные