И.А. Паначев Испытание стали на растяжение (2001)

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра сопротивления материалов

ИСПЫТАНИЕ СТАЛИ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Методические указания к лабораторной работе № 2 по сопротивлению материалов

для студентов всех специальностей

Составитель И.А. ПАНАЧЕВ Утверждены на заседании кафедры Протокол № 1 от 31.08.2000 Рекомендованы к печати методической комиссией направления 550100 Протокол № 7 от 9.09.2000 Электронная копия хранится в

библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

2

ИСПЫТАНИЕ СТАЛИ НА РАСТЯЖЕНИЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Наблюдение за поведением образца из пластичного материала при растяжении, определение основных механических характеристик углеродистой стали: пределов пропорциональности, упругости, текучести, прочности (временного

удельной работы разрушения.

Испытание на растяжение является основным и наиболее распространенным методом исследования и контроля механических свойств материалов. Такие испытания проводят с целью определения числовых характеристик, позволяющих оценить прочность и пластичность материала. Такие характеристики называют механическими. Испытания проводятся на разрывных и универсальных машинах и регламентируются Государственным стандартом.

ГОСТ 1497-61 содержит основные требования к испытательным машинам, необходимые указания о форме и размерах образцов, определения понятий условного предела пропорциональности σ пц, условного предела упругости σ у, пределов текучести (условного – σ 0.2 и физического σ т), временного сопротивления (предела прочности) σ пч (σ в ), относительного удлинения δ и относительного сужения ψ и, наконец, порядок проведения испытаний и расчета названных механических характеристик.

Получаемые при испытаниях на растяжение диаграммы "нагруз- ка-деформация" чаще всего имеют вид, показанный на рис.1.

Тип I соответствует большинству конструкционных сталей, а также некоторым алюминиевым титановым, магниевым сплавам. Многие алюминиевые сплавы деформируются при растяжении по типу II. Диаграмма растяжения с площадкой текучести (III) свойственна мягким углеродистым сталям и некоторым сортам бронз. Для хрупких же материалов диаграмма растяжения заканчивается разрывом на начальном прямолинейном участке (IV). При испытаниях деформация растягиваемого образца сопровождается деформацией испытательной машины, которая воспринимает точно такую же нагрузку, какая приложена к образцу. Эта нагрузка вызывает не только удлинение образца, но и некоторую упругую деформацию станины, упругого элемента силоизмерителя, зажимов и других частей машины. Чем

3

больше эта деформация, тем податливее или мягче испытательная машина.

Рис.1. Основные типы диаграмм

ОБОРУДОВАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Опыт проводится в условиях комнатной температуры при статическом нагружении образца из стали 3. Скорость загружения характеризуется скоростью перемещения движущегося захвата машины. Испытуемый образец закрепляется в подвижном (2) и неподвижном (3) захватах разрывной машины типа ИМ-12А (с механическим усилием до 12000 кг) или Р-5 (с механическим усилием до 5000 кг) и нагружается растягивающей силой до его разрушения. Обе машины снабжены устройством для записи диаграмм растяжения. На рис.2 приведена принципиальная схема разрывной машины. При вращении червяка (4) от электромотора (5), пуск которого осуществляется кнопочным пускателем (6), начинает вращаться горизонтальная гайка (7) и навинчивается на винт подвижного захвата. Захват опускается вниз и вызывает растяжение образца. Усилие в образце создается через рычаг

(8) и тягу (9) маятником (10). Величина усилия, пропорциональная отклонению маятника, фиксируется стрелкой на шкале силоизмерителя (II) и пером (12) на бумаге диаграммного аппарата (13). Удлинение

4

образца преобразуется через редуктор, валик и пару конических шестерен во вращение диаграммного барабана (13).

Рис.2. Схема испытательной машины ИМ-12-А

Сложение вращения барабана и перемещения пера самописца дает график поведения образца под нагрузкой – диаграмму растяжения.

Машина Р-5 имеет подобную схему и здесь не разбирается. Для обмеров образца используется штангенциркуль.

ОБРАЗЦЫ. Испытание стали на растяжение производится на стандартных образцах (ГОСТ 1497-81) цилиндрической формы (рис. 3). Образцы имеют рабочую часть и головки для закрепления в захватах испытательных машин. На рабочей части образца выделяется рисками расчетная длина lo = 10 dо = 100 мм, где dо = 10 мм – диаметр рабочей части.

5

ПОВЕДЕНИЕ ОБРАЗЦА ПРИ ИСПЫТАНИИ. После обмера и нанесения рисок образец закрепляется в захватах разрывной машины.

10 мм

Рис.3. Схемы стандартных образцов для испытательных машин ИМ-12 -А (а) и Р-5 (б)

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.

На первоначальном этапе нагружения (участок 01) диаграмма линейна. Такое поведение соответствует закону Гука. При превышении нагрузки Рпц (точка "1" диаграммы) линейная зависимость нарушается, а после нагрузки Рт (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.

6

∆ l

∆ l полн.

Рис. 4. Диаграмма растяжения образца из стали 3

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 (ОД2) складывается из УПРУГОЙ (Д1Д2), которая исчезает при разгрузке, ОСТАТОЧНОЙ (ОД1). 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 Рмах, 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 σ - ε , которая строится в относительных величинах σ = P / F и ε = ∆ ll, определяемых путем соответствующих пересчетов первичных опытных данных, получаемых при испытании образца.

7

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА

В результате испытаний стального образца на растяжение и вычисления 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 (рис.1, тип III, точка 1).

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:

рода, кг/см2, величина постоянная для данного материала (модуль Юнга или модуль продольной упругости); чем больше модуль упругости, тем

ПРЕДЕЛ УПРУГОСТИ (рис.1, тип III, точка 2) - напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой установленной малой величины (0,003÷ 0,005%):

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 σ пц и σ у в справочные данные не включаются.

ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ – напряжение, при котором остаточные удлинения составляют 0,2 %, называются условным пределом текучести и определяется по формуле

8

Пределы упругости и текучести принципиально не отличаются один от другого. Так как переход из упругой области в пластическую происходит постепенно, то абсолютной величины напряжения, т.е. 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 (тип III) (рис.1) определяют не условный, а физический предел текучести, отвечающий точке 3 на диаграмме, когда происходит рост пластических деформаций без заметного увеличения нагрузки.

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 (рис.1, тип III, точка 4):

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 "В" (рис.1) деформация образца равномерна. После точки "В" она концентрируется в одном месте (наиболее слабом) и начинает образовываться шейка – местное сужение образца.

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

9

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

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОСТАТОЧНОЕ УДЛИНЕНИЕ (δ ):

где lo и l1 – длины расчетной части образца до и после разрыва; Fш – площадь сечения шейки после разрыва.

где Vо = Fо . lo – объем расчетной части образца. По величине обычно

оценивают способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1.Произвести осмотр и обмеры образца, проверить наличие рисок на расчетной части.

2.Закрепить образец в захватах, закрыть предохранительные шторки.

3.Начать загружение включением пускателя. Наблюдать за работой диаграммного аппарата, обратив особое внимание на образование шейки после начала уменьшения усилия и величину усилия Рмах.

4.Обработать полученную диаграмму.

4.1.Спрямить нелинейность диаграммы в начале испытания, вызванную неплотностями в машине. Отметить характерные точки 0,1, 2, 3, 4.

4.2.На точке 4 провести прямую 401, параллельную прямой 01.

4.3.Измерить абсциссы Хi и ординаты Уi (мм) характерных точек диаграммы и занести их в таблицу.

4.4.Замерить отрезок 001 (в мм), соответствующий полной остаточной деформации.

10

4.5.Измерить диаметр шейки и длину расчетной части образца после разрыва с помощью штангенциркуля, сложив для этого обе половинки образца вместе.

4.6.Определить остаточную деформацию ∆ lост = l1 − lo.

4.7.Найти масштаб удлинений:

4.11.Вычислить по формулам (4) и (5) относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.

4.12.Подсчитать площадь диаграммы растяжения S (мм2) и

вычислить полную работу разрыва А= S.Мр . М∆ l.

4.13.Вычислить удельную работу разрушения "а" по формуле (6).

4.14.Построить по значениям σ i и ε i ДИАГРАММУ УСЛОВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ (график зависимости σ i ε i ).