Испытание стали при растяжении

Учреждение образования

«Гомельский государственный технический университет

Имени П. О. Сухого»

Кафедра «Сельскохозяйственные машины»

П. Е. Родзевич, Кирилюк С.И., Миренков В.В.

Механика материалов

Практикум

к лабораторным работам по одноименному курсу для студентов дневной и заочной форм обучения машиностроительного и механико-технологического факультетов

Гомель 2013

Авторы-составители: П. Е. Родзевич, Кирилюк С.И., Миренков В.В.

Механика материалов: Практикум к лабораторным работам по одноименному курсу для студентов дневной и заочной форм обучения машиностроительного и механико-технологического факультетов. – Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», 2013. – 70 с.

В лабораторном практикуме описаны методики проведения лабораторных работ.

© Учреждение образования «Гомельский государственный

технический университет имени П.О. Сухого», 2013

Содержание

Лабораторная работа № 1. Определение механических характеристик материалов при растяжении-сжатии………………………………………………………………….   Лабораторная работа № 2. Определение модуля продольной упругости и коэффициента поперечной деформации стали………………………..………   Лабораторная работа № 3. Испытание материалов на срез…………………………………………………………………………   Лабораторная работа № 4. Определение механических свойств материалов при кручении…………………………...   Лабораторная работа № 5. ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРИИ ИЗГИБА ПРЯМОГО СТЕРЖНЯ…………………………………………..   Лабораторная работа № 6.Определение момента защемления однопролетной статически неопределимой балки……………………………………………..   Лабораторная работа № 7. Опытная проверка теории удара………………………………………………………………………

Лабораторная работа № 1

Определение механических характеристик материалов при растяжении-сжатии

Цель работы: исследование поведения материалов в процессе растяжения-сжатия, определение их механических характеристик, построение диаграмм растяжения-сжатия.

Приборы и материалы:

1. Универсальная разрывная машина Instron5969

2. Линейка металлическая.

3. Штангенциркуль.

4. Образцы различных материалов.

Теоретическая часть

Одна из ведущих инженерных наук - механика материалов - призвана дать ответ на вопрос о степени надежности деталей и узлов машин, приборов, летательных аппаратов, судов, элементов зданий и т.п. Понятие “надежность” можно определить как способность элемента конструкции или всей конструкции (системы) функционировать в заданных пределах изменения параметров, характеризующих состояние систем. В механике материалов такими параметрами, прежде всего, служат деформация и напряжение, для которых устанавливаются границы, обеспечивающие прочность, жесткость и устойчивость элементов конструкций. Элемент конструкции считается прочным, если под действием внешних факторов он не разрушается; жестким, если изменения геометрических размеров его вследствие деформации не превышают заданных значений; и устойчивым, если сохраняется первоначальная форма равновесия его. Обычно процесс эксплуатации конструкций происходит в условиях влияния внешней среды и в течение некоторого отрезка времени.

Рассмотрим понятия деформации и напряжения на примере одноосного растяжения (сжатия) прямолинейного стержня (рис.1.1).

в)

б)

а)

Рис. 1.1. Схема растяжения прямолинейного стержня

Если стержень, имеющий начальную длину , подвергнуть действию продольной растягивающей (ила сжимающей) силы , то длина стержня увеличится (или уменьшится) на величину (рис. 1.1б), которую называют абсолютным удлинением. Отношение

(1.1)

называется относительным удлинением или относительной продольной деформацией. При растяжении , при сжатии . Относительное удлинение безразмерно.

При деформации растяжения (сжатия) прямолинейного стержня расстояние между материальными частицами этого тела меняется, что приводит к появлению внутренних напряжений. При определении внутренних силовых факторов в механике материалов используют метод сечений. Если мысленно провести плоскость 1 (рис.1.1а) через интересующую нас точку и рассмотреть условия равновесия отсеченной части, то можно определить внутренние силовые факторы.

При одноосном растяжении-сжатии внутренняя сила в сечении (рис. 1.1в).

Сила распределяется по площади поперечного сечения равномерно. Отношение

(1.2)

называется нормальным напряжением, имеющим размерность .

При выполнении эксперимента диаграммным аппаратом регистрируется зависимость , которую в дальнейшем перестраивают в координатах (рис.1.2).

б)

а)

Рис. 1.2. Диаграммы для малоуглеродистой стали:

а) диаграмма растяжения в координатах ;

б) диаграмма растяжения в координатах

Величину нормального напряжения определяют по формуле

,

где - начальная площадь поперечного сечения;

- диаметр образца.

Зона носит название зоны упругости. Здесь наблюдается прямая пропорциональность между силой и удлинением (рис. 1.2а) и соответственно между напряжением и относительной деформацией (рис. 1.2б). Уравнение прямой носит название закона Гука

,

где - модуль упругости первого рода, геометрическим смыслом которого является тангенс угла наклона начального участка кривой растяжения (рис.1.2б).

Величина силы, для которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для высококачественных сталей эта величина имеет большее значение. Для таких металлов, как медь, алюминий, свинец, она оказывается в несколько раз меньшей.

Зона называется зоной общей текучести, а отрезок диаграммы - площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Однако в большинстве случаев при испытании материалов на растяжение и сжатие площадка не обнаруживается, и диаграмма растяжения образца имеет вид кривой, показанной на рисунке 1.3.

Рис. 1.3. Диаграммы растяжения:

1 – алюминий и отожженная медь;

2 – высококачественная легированная сталь

Зона называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но более медленным (иногда в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться так называемая шейка - местное сужение образца (рис.1.4). По мере растяжения образца шейка быстро прогрессирует. Когда относительное уменьшение площади сечения сравняется с относительным возрастанием напряжения, сила достигает максимума (точка ).

Рис. 1.4. Образование шейки в месте будущего разрыва

В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой называется зоной местной текучести. Точка соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить (точка рис.1.5), то в процессе разгрузки зависимость между силой и удлинением изобразится прямой . Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой . При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок ). Отрезок представляет собой остаточное удлинение (его называют также пластическим удлинением).

Соответственно

Рис. 1.5. Схема разгрузки образца

При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой и далее - кривой так, как будто промежуточной разгрузки не было. В этом процессе интересно то, что в пластически деформированном образце как бы увеличивается предел пропорциональности . Это явление носит название наклепа.

По диаграмме растяжения в координатах можно определить следующие механические характеристики материалов: , , , , .

- предел пропорциональности (наибольшее напряжение, до которого справедлив закон Гука);

- условный предел текучести. Обычно его определяют при остаточной деформации равной 0,002 или (рис. 1.6). Тогда вводят обозначение .

- временное сопротивление разрыву или предел прочности (максимальное напряжение, которое выдерживает образец перед разрушением);

- относительное удлинение образца после разрыва,

где - расстояние между фиксированными точками после разрыва.

Рис. 1.6. Диаграмма растяжения высокоуглеродистой и легированной стали

При испытании на сжатие пластичные и хрупкие материалы ведут себя по-разному (рис. 1.7).

б)

а)

Рис. 1.7. Варианты деформирования и разрушения различных материалов:

а) пластичный материал;

б) хрупкий материал

Испытание на сжатие проводят на коротких цилиндрических образцах, располагаемых между параллельными плитами. Для пластичного материала (сталь, медь и т.п.) диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рисунке 1.8а. Здесь тоже образуется площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем в результате увеличения поперечного сечения нагрузка резко возрастает, и образец принимает бочкообразную форму (рис. 1.7а).

Довести такой образец до разрушения практически не удается. Испытуемый цилиндр сплющивается в тонкий диск, и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии для пластичных материалов не может быть найден.

Образцы из хрупких материалов (чугун) разрушаются с образованием трещин в плоскостях действия максимальных касательных напряжений под углом к оси образца (рис. 1.7б). Сопоставление предела прочности хрупких материалов при растяжении с пределом их прочности при сжатии показывает, что эти материалы выдерживают более высокие нагрузки сжатия, нежели растяжения.

а)

б)

в)

г)

Рис. 1.8. Диаграммы сжатия:

а) сталь (медь);

б) чугун;

в) дерево вдоль волокон;

г) дерево поперек волокон

Постановка опыта

Испытание стали при растяжении

2.1.1. Для испытания на растяжение применяются (согласно ГОСТ 1497-73) цилиндрические образцы диаметром 3 мм с начальной расчетной длиной (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Эскиз образца

Начальную расчетную длину размечают неглубокими углублениями от керна, рисками или иными метками (точки и на рисунке 1.9).

2.1.2. Головки на концах образца служат для закрепления его в захватах машины. Образцы, имеющие коробления, трещины, возникающие в результате механической или термической обработки, расслоения, поверхностные дефекты в виде инородных включений (песчаные, шлаковые, газовые раковины и т.д.), испытаниям не подвергаются.

2.1.3. С помощью штангенциркуля измеряются начальные длина образца и диаметр с точностью до 0,1 мм.

2.1.4. Определяется начальная площадь поперечного сечения .

2.1.5. Образец закрепляется в захватах испытательной машины, проверяется работа диаграммного аппарата, после чего машина пускается в ход.

2.1.6. В процессе испытания ведется наблюдение за поведением образца вплоть до его разрушения, а также за диаграммой, которая автоматически записывается с помощью диаграммного аппарата.

2.1.7. После остановки машины обе части образца извлекаются из захватов, соединяют их по линии излома и измеряется расстояние между двумя рисками (точками и ) , а также диаметр в месте сужения , с точностью до 0,1 мм.

2.1.8. Величину максимальной нагрузки при испытании отсчитывают по шкале силоизмерителя с точностью до одного деления шкалы. Следует иметь в виду, что максимальная нагрузка при растяжении образцов из пластичных материалов отличается от разрушающей . Из диаграммы растяжения (рис. 1.2а) видно, что максимальная нагрузка достигается в точке , а разрушение происходит в точке , т.е. . Это объясняется тем, что к моменту достижения максимальной нагрузки в образце в месте будущего разрыва начинает образовываться “шейка” (местное сужение). Следовательно, для разрушения образца требуется меньшая нагрузка.

2.1.9. Результаты измерений сводятся в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Результаты опытов на растяжение и сжатие

Материалы	Вид испытаний	Параметры образца
До опыта	После опыта
, мм	, мм	, мм2	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм2	, Н
Сталь	растяжение
Медь	сжатие
Чугун	сжатие
Дерево вдоль волокон	сжатие
Дерево поперек волокон	сжатие