Поведение образца при испытании

После обмера и нанесения рисок образец закрепляется в захватах

разрывной машины.

Настраивается аппарат для записи диаграммы растяжения в координатах Р–∆l. Кнопкой “ПУСК” включается электродвигатель, от которого через редуктор передается перемещение со строго заданной скоростью к подвижному захвату разрывной машины. В процессе нагружения наблюдают за поведением образца, шкалой силоизмерителя и диаграммой растяжения. На рис. 4 показана диаграмма растяжения (график зависимости удлинения образца от прикладываемой нагрузки) стального стержня.

Рис. 4. Диаграмма растяжения образца из стали 3

На первоначальном этапе нагружения (участок 01) диаграмма линейна. Такое поведение соответствует закону Гука. При превышении нагрузки Pпц (точка “1” диаграммы) линейная зависимость нарушается, а после нагрузки Pт (точка “2”) некоторое время деформации растут при практически постоянной нагрузке.

Такое поведение материала называется текучестью, а участок диаграммы 2-2’ – площадкой текучести.

Участок 2’-3 соответствует ВТОРИЧНОМУ УПРОЧНЕНИЮ материала. Если начать разгрузку образца от некоторой точки Д, лежащей правее точки 2’, то линия разгрузки ДД1 пойдет параллельно прямой 01.

При последующем новом нагружении этого образца линия нагружения практически совпадает с линией разгрузки. При повторном достижении точки Д диаграмма пойдет по криволинейной ветви (Д3).

Следовательно, ПОЛНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ образца (0Д2) складывается из УПРУГОЙ (Д1Д2), которая исчезает при разгрузке, ОСТАТОЧНОЙ (0Д1). При предварительном вытягивании образцов увеличивается область нагрузок, при которых выполняется закон Гука и уменьшаются остаточные деформации.

Это явление называется НАКЛЕПОМ. Точка 3 соответствует максимальному усилию Pmax , после чего на образце появляется местное сужение (ШЕЙКА), а нагрузка начинает падать. Разрыв обычно наступает в области шейки с образованием характерного “кратера”, а моменту разрыва на диаграмме соответствует точка 4.

Сопротивление деформированию и разрушению материала может быть оценено условной диаграммой напряжений  - ε , которая строится в относительных величинах  = P / F и ε = ∆l / l , определяемых путем соответствующих пересчетов первичных опытных данных, получаемых при испытании образца.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА

В результате испытаний стального образца на растяжение и вычисление значений напряжений в характерных точках диаграммы растяжения (Р -∆l) получают механические характеристики испытуемого материала.

ПРЕДЕЛ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ – наибольшее напряжение, при котором еще сохраняется линейная зависимость между напряжениями и деформациями.

Пока напряжения в материале не превышают предела пропорциональности, деформация после снятия нагрузки почти полностью исчезает. Можно сказать, что до предела пропорциональности существует обратимая связь между напряжениями и относительным удлинением, выражающаяся в виде соотношения, именуемого законом Гука = Eε , (1)

где -нормальные напряжения, кг/см2;

Е - модуль упругости первого рода, кг/см2 – величина, постоянная для данного материала (модуль Юнга или модуль продольной упругости); чем больше модуль упругости, тем меньше деформируется материал под действием внешней нагрузки;

ε - относительная деформация.

Предел пропорциональности:

 пц=Рпц/F₀ (2)

ПРЕДЕЛ УПРУГОСТИ – напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой установленной малой величины (0,003/0,005 %):

 упр = Py/F₀ (3)

Необходимо отметить, что предел пропорциональности и предел упругости трудно поддаются определению. Кроме того, резко меняют свою величину в зависимости от принятого допуска. Поэтому обычно характеристики Ϭпц и Ϭу в справочные данные не включаются.

Напряжение, при котором остаточные удлинения составляют

0,2 %, называется УСЛОВНЫМ ПРЕДЕЛОМ ТЕКУЧЕСТИ и определяется:

 _0,2 = P_0,2 /F₀ (4)

Пределы упругости и текучести принципиально не отличаются один от другого. Так как переход из упругой области в пластическую происходит постепенно, то определенной точки на диаграмме деформации, соответствующей скачкообразному переходу из упругой в пластическую область, не существует. Чем меньше допуск, тем выше точность, с которой улавливают появление первой пластической деформации, тем ниже сама величина предела.

Для материалов с диаграммой (рис. 1, тип III) определяют не условный, а ФИЗИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ, соответствующий точке на диаграмме, когда происходит рост пластических деформаций без заметного увеличения нагрузки:

 _m = P_m / F₀ (5)

Состояние, в котором металл находится в пластической области, дает возможность придавать материалу желательную для разных целей форму путем его обработки прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой, вытягиванием, изгибанием, и т.д. Такая обработка проводится обычно при высоких температурах и находит широкое применение в технике.

ВРЕМЕННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ или ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ – наибольшее напряжение за время испытания образца:

 _в = P_max / F₀ (6)

Здесь Fo – первоначальная площадь поперечного сечения образца, и поэтому все названные напряжения являются УСЛОВНЫМИ.

При определении ИСТИННЫХ напряжений надо использовать истинную площадь сечения образца в каждый данный момент времени.

До точки “b” (рис. 1) деформация образца равномерна. После точки “b” она концентрируется в одном месте (наиболее слабом) и начинает образовываться шейка.

Процесс деформирования от момента образования шейки до разрушения происходит при уменьшающейся растягивающей силе. Если подсчитать истинные напряжения  ист = P / Fист, диаграмма будет иметь вид кривой с возрастающими напряжениями вплоть до разрушения образца. Такая диаграмма называется ИСТИННОЙ.

При приемо-сдаточных испытаниях, в соответствии с действующим ГОСТом, пластичность при растяжении оценивается относительным остаточным удлинением или относительным остаточным сужением.

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОСТАТОЧНОЕ УДЛИНЕНИЕ

δ = (l₁ – l₀) / l₀ (7)

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОСТАТОЧНОЕ СУЖЕНИЕ

Ψ = (F₀ – F_ш ) / F₀ (8)

где lо– длина расчетной части образца до разрыва;

l₁ – длина расчетной части образца после разрыва;

Fш – площадь сечения шейки после разрыва.

УДЕЛЬНАЯ РАБОТА, ЗАТРАЧЕННАЯ НА РАЗРУШЕНИЕ (а):

a = A/V = A/F₀ l₀ (9)

где V_o = F_ol_o – объем расчетной части образца. По величине а обычно оценивают способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

l = 100мм d = 10мм l₁ = 127мм d_ш = 8,28мм

Номера точек	Диаграмма растяжения					Диаграмма условных напряжений
	Xi, мм	Yi, мм	Pi, мм	∆l, мм	 i, кг/см^2		εi, %
1	26	82	2414,1	3,49	30,75		0,035
2	30	87	2561,2	3,9	33,6		0,039
3	32	89	2620,1	4,16	33,4		0,042
4	173	124	3650,6	22,5	46,5		0,23
5	201	88	2590,7	26,13	33		0,26

Вертикальный масштаб – масштаб сил

М_р = Р_max / y_max = 3650/124 = 29,44 кг/мм

Горизонтальный масштаб – масштаб удлинения

M_∆l = ∆l_{образец} / ∆l_{диаграмма}= 0,13мм/мм

∆l_i = x_i * M∆l, мм

P_i = y_i * M_p, мм

F = πd² /4 = 3,14*100/4 = 78,5

F_ш = πd_ш /4 = 6,5

О тносительное остаточное удлинение

δ = (l₁ – l) *100 % / l = 27%

характеристики

пластичности

Относительное остаточное сужение

Ψ = (F – F_ш)*100% / F = 91,7%

 = P/F, кг/мм²

характеристики

ε = ∆l/l прочности

Удельная работа разрушения

а = А/V

А – полная работа, затраченная на разрушение образца

M_{диаграмма} = М_р * М∆l = 29,44*0,13 = 3,8кг*мм/мм²

А = S_{диаграммы} * M_{диаграмма} = 3650*3,8 = 13870кг*мм

V – Объем испытуемой части образца

V = F*h = 78,5*100 = 7850

а = 13870/7850 = 1,77

Вывод: Опытным путем мы определили механические характеристики материала сталь 3 и, пронаблюдав за поведением образца при растяжении, поняли, что удельная работа разрушения характеризует сопротивляемость материала действию механических нагрузок.