МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

учреждение образования

«Барановичский ГОСУДАРСТВЕННый университет»

Лабораторная работа № 1

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Барановичи

БарГУ

2008

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Запрещается:

1. Приступать к работе, не ознакомившись с инструкцией по технике безопасности.

2. Эксплуатировать машину при давлении, превышающем допустимое.

3. Переключать диапазоны измерения усилия при работающей нагрузке.

4. Не поправлять пальцами сегменты захватов при включенном насосе.

5. Не дотрагиваться руками до образца и захвата во время работы машины.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы: изучить поведение материала при растяжении до разрушения, получить диаграмму растяжения и установить основные механические характеристики материала образца.

Теоретическое обоснование

Испытание на растяжение является наиболее распространенным видом испытания материалов, так как при нем наиболее ярко выявляются характеристики прочности и пластичности материалов. При определении качества материала, выпускаемого металлургической промышленностью, одним из основных видов испытания является испытание на растяжение.

При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики материалов:

а) предел пропорциональности — наибольшее напряжение, до которого справедлив закон Гука;

б) предел упругости — наибольшее напряжение, при котором в образце не возникает остаточных деформаций (допускается не более 0,05%);

в) предел текучести — напряжение, при котором образец получает значительные остаточные деформации без заметного изменения нагрузки;

г) предел прочности (временное сопротивление) — наибольшее напряжение, которое выдержал образец до разрушения;

д) относительное остаточное удлинение — характеристика пластичности материала;

е) относительное остаточное сужение — также характеристика пластичности материала.

На рис.1 показана диаграмма растяжения малоуглеродистой стали. Она изображена в осях ,

где — нормальное напряжение,

А₀ — первоначальная площадь поперечного сечения;

— относительное удлинение, где— абсолютное удлинение,— первоначальная длина образца.

Участок ОА представляет собой наклонную прямую. На этом участке деформации прямо пропорциональны напряжениям, т. е. применим закон Гука

или .

Из треугольника ОАА₂ видно, что модуль продольной упругости Е представляет собой .

После точки А диаграмма искривляется и закон Гука неприменим. Точка А является пределом пропорциональности . До точкиВ в материале не появляется остаточных деформаций. Если образец разгрузить, то он примет исходные размеры. Точка В соответствует пределу упругости . Далее на диаграмме наблюдается горизонтальный участокСD. При постоянной нагрузке происходит значительный рост пластических деформаций. Этот участок называют площадкой текучести, а напряжение, соответствующее ему — пределом текучести .

Рисунок 1

Далее диаграмма снова идет вверх, но более плавно, чем на участке ОА, т. е. деформации нарастают быстрее, чем нагрузка. В точке Е у образца образуется шейка и нагрузка падает. Точка Е, при которой образец выдержал наибольшую нагрузку, является временным сопротивлением или пределом прочности .

Поскольку напряжение определяют как частное силы на первоначальную площадь поперечного сечения, а при растяжении площадь сечения уменьшается, то истинное напряжение (показано пунктирной линией) выше условного и для точки М разрыва образца определяется по формуле

,

где — усилие при разрыве образца;

— площадь поперечного сечения в месте разрыва.

При испытании образца на растяжение кроме указанных пределов определяют две характеристики пластичности:

(1)

, (2)

где l₁ и l — соответственно длина разорванного и первоначальная длина образца.

Относительное остаточное удлинение зависит от первоначальной длины образца, так как образование шейки приводит к большому увеличению длины образца в этом месте. Чем короче образец, тем больше. Значение относительного остаточного суженияне зависит от длины образца и этимудобнее.

Величину можно определить по диаграмме растяжения. Она равна отрезкуОМ₁. В момент разрушения (точка М) образец имел полную деформацию (остаточную плюс упругую), определяемую отрезком ОМ₂. При разрушении образца исчезает нагрузка, а следовательно, и упругая деформация. Упругая деформация изменяется по закону Гука, т. е. по прямой под углом . ОтрезокМ₁М₂ представляет собой упругую деформацию в точкеМ. Разность отрезков ОМ₂ и М₁М₂ дает относительную остаточную деформацию . Следует отметить, что значение, определяемое по диаграмме будет соответствовать длине проточенной, а не расчетной части образца, а следовательно, будет несколько меньше, чем определенное по формуле (1).

Если образец нагрузить выше предела упругости до точкиК, а затем разгрузить, то он получит остаточную деформацию, определяемую отрезком ОК₁. При повторном нагружении образца диаграмма пойдет из точки К₁ до точки К по наклонной прямой. В результате при повторном нагружении предел пропорциональности переходит в точку К (точку предварительного нагружения), а относительное остаточное удлинение будет измеряться отрезком К₁М₁, что меньше ОМ₁. Явление повышения предела пропорциональности и снижения пластичности при повторных нагружениях называют наклепом. Наклеп в большинстве случаев — нежелательное явление, так как снижает пластичность материала. Но детали, подверженные наклепу лучше сопротивляться усталостному разрушению. Наклепу подвергают также грузовые цепи с целью уменьшения вытяжки при работе.

Некоторые марки стали, цветные металлы и их сплавы не имеют площадки текучести (см. рис. 2). Для них находят условный предел текучести . За него принимают напряжение, дающее остаточную деформацию 0,2%. Для нахожденияна оси абсцисс откладывают 0,2% и проводят прямую, параллельнуюОА до пересечения с диаграммой. Это и будет . Прямую проводят не перпендикулярно, а под углом, потому что с увеличением нагрузки возрастают упругие деформации по закону Гука, т. е. по прямой параллельнойОА.

Рисунок 2

Диаграмма растяжения хрупких материалов (см. рис. 3) не имеет площадки текучести, а представляет собой кривую малой кривизны, заменяемую на прямую (показано пунктирной линией). Закон Гука применим до . Предел прочности хрупких материалов уменьшается с увеличением диаметра образца.

Рисунок 3

При деформации и разрушении образца из мягкой стали совершается работа .

, (3)

где — величина наибольшей нагрузки;

—абсолютная остаточная деформация, ;

—коэффициент полноты диаграммы, для мягкой стали .

Для других случаев значение работы определяют по формуле .

, (4)

где F_n — нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности.

Объем рабочей части образца равен

(5)

Удельная работа, затраченная на разрушение единицы объема образца, характеризующая вязкость материала, равна

(6)

Вязкость материала характеризует его способность сопротивляться динамическим нагрузкам.