Министерство образования и науки Российской Федерации

Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (НПИ)

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по курсу «Технология конструкционных материалов» для специальности 290300 «Промышленное и гражданское строительство»

Волгодонск

2006

УДК

Рецензент:

Утверждено на заседании кафедры «Технология сварочного и строительного производства»

Протокол №1 от 31 августа 2006г. и рекомендовано к внедрению в учебный процесс

Стасовский В.В.

Исследование механических и технологических свойств материалов. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Технология конструкционных материалов».- Волгодонск: Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета, 2006. – 40 стр.

Методические указания и задания разработаны в соответствии с государственным стандартом и программой курса «Технология конструкционных материалов». Содержат основные теоретические положения, нормативные требования, исходные данные и рекомендации по выполнению задания.

Методические указания предназначены для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство».

 Волгодонский институт (филиал)

Южно-Российского государственного

технического университета (НПИ), 2006

Лабораторная работа № 1

Определение характеристик прочности и пластичности металлических материалов при статическом растяжении.

Цель работы

Ознакомиться с проведением испытания на растяже­ние и определением показателей прочности и пластично­сти.

Задание

1. Изучить порядок подготовки образца для испыта­ния на растяжение; устройство разрывной испытатель­ной машины; порядок проведения испытания.

2. Провести испытание на растяжение образцов ста­ли.

3. Изучить методику определения по диаграмме рас­тяжения, автоматически вычерченной на машине при испытании, нагрузок пределов те­кучести и выносливости; методику определения удлинения.

4. Определить предел текучести — физический σ_Т или условный σ_02, предел прочности σ_В, относительное удлинение δ.

5. Написать отчет по работе.

Теоретическая часть

Механические свойства материалов.

Механические свойства характеризуются механическими напряжениями (прочность), деформациями (пластичность), работой (ударная вязкость), долговечностью (длительная прочность) и зависят от формы и размеров тела, состояния его поверхности, скорости нагружения, структуры, влия­ния окружающей среды, температуры и многих других факторов.

К основным механическим свойствам относятся: прочность - т. е. сопротивление материала деформации и разрушению; упругость - способность материала восстанавливать свою форму и объем после пре­кращения действия внешних сил или других причин, вызвавших дефор­мацию; пластичность - способность материала под действием внеш­них сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять ос­таточные деформации после устранения этих сил; твердость - сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела, например наконечника (индентора); ударная вязкость — способность материала сопротивляться действию ударных нагрузок; истираемость - способность материа­ла изнашиваться под влиянием сил трения.

Первое требование, предъявляемое к большинству изделий, - это до­статочная прочность.

Механические свойства определяются по результатам механических испытаний.

Механические испытания - это определение механических свойств материалов и изделий различными способами.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки различают механические испытания: статические (на растяжение, сжатие, твер­дость, изгиб, кручение); динамические или ударные (на удар­ную вязкость, твердость); усталостные (при многократном цикли­ческом приложении нагрузки).

Отдельную группу методов образуют длительные высокотемпе­ратурные механические испытания (на ползучесть, длительную прочность, релаксацию).

Механические испытания проводят при высоких и низких температу­рах, в агрессивных средах, при наличии надрезов и исходных трещин, не­стационарных режимах, облучении и акустических воздействиях и раз­личных других условиях.

Испытание на растяжение (ГОСТ 1497) широко применяют для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов.

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

При испытании на растяжение принимаются следующие обозначения и определения: рабочая длина l [м (мм)] - часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головкой или участком для захвата; начальная расчетная длина образца l₀ [м (мм)] — участок рабочей длины образца до разрыва, на котором определяется удлинение; конечная рас­четная длина образца l_К [м (мм)] - длина расчетной части после разрыва образца; начальный диаметр рабочей части цилиндрического образца до раз­рыва d₀ [м (мм)]; минимальный диаметр цилиндрического образца после его разрыва d_К [м (мм)]; начальная толщина рабочей части плоского об­разца или полосы b₀ [м (мм)], начальная ширина рабочей части плоского образца или полосы b_К [м (мм)]; начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца до разрыва F₀ [м² (мм²)]; минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва F_К [м² (мм²)]; осевая растягивающая нагрузка P [Н (кгс)] — нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания; условное нормальное напряжение σ [МПа (кгс/мм²)] - напряжение, определяемое отношением нагрузки P к началь­ной площади поперечного сечения образца; абсолютное удлинение образца ∆l [м (мм)].

Для испытания на растяжение применяют стандартные образцы, как правило, круглого или прямоугольного сечения. Цилиндрические образцы берутся диаметром 3 мм и более; образцы плоской формы обыч­но применяются для испытания листовых материалов толщиной 0,5 мм и более.

Образцы состоят из рабочих частей и головок, форма и размеры ко­торых соответствуют захватам машин.

Для пластичных материалов иногда применяют образцы без головок, устанавливаемые в зажимы с острыми насечками.

Для хрупких материалов (закаленные и неотпущенные стали, чугун, силикаты, цементы), переходы от головок к цилиндрической части образца выполняют плавными, в виде закруглений большого радиуса.

Места вырезки образцов указываются в ГОСТ 7564 или техничес­ких условиях.

Диаметр или ширина образцов должны выполняться с высокой точ­ностью и иметь ровную и гладкую поверхность. Длина рабочей части об­разцов должна быть больше.

В твердых телах, при растяжении и других нагрузках, различают два основных вида деформаций - упругую и пластическую, физическая сущность которых различна.

Влияние упругой (обратимой) деформации на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия выз­вавших ее сил (нагрузок), так как под действием приложенных сил про­исходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. Поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы под действием сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и крис­таллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

Даже незначительное приложенное напряжение вызывает упругую де­формацию. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зави­симостью от напряжения и упругим изменением размеров междуатомных расстояний.

При некоторых значениях напряжений начинается пластическая деформация в отдельных зернах металла. Дальнейшее уве­личение напряжений вызывает увеличение упругой и пластической (оста­точной) деформации.

При достижении напряжениями так называемого предела или порога упругости, деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Пластическая часть деформации остается.

Пластическая (остаточная, необратимая) деформация, остаю­щаяся после снятия нагрузки, связана с перемещением атомов внутри крис­таллов на относительно большие расстояния и вызывает остаточные из­менения формы, структуры и свойств без макроскопических нарушений сплошности металла (см. рис.1).

Рисунок 1. Схема процесса деформации металла.

При приложении растягивающей нагрузки в образце возникают одноосные напряжения, которые, первоначально, вызывают упругую деформацию (закон Гука).

Закон Гука - это основной закон, устанавливающий зависимость между напряжениями в упругом теле и вызываемыми ими деформациями. Графическая зависимость деформации от напряжения приведена на рис. 2. Для одностороннего (продольного) растяжения или сжатия закон Гука имеет вид σ = Eδ, где σ =P/F₀ - нормальное напряжение.

δ = ∆l/l — относительное удлинение, т. е. отношение абсо­лютного удлинения расчетной длины после разрыва к первоначальной длине образца; Е - модуль упругости, который представляет собой тангенс угла наклона отрезка 0А, этой прямой линии и характеризует крутизну ее подъема. Модуль упругости — это характеристика сопротивления мате­риалов упругой деформации.

Закон Гука справедлив лишь при напряжениях и деформациях, не пре­восходящих определенных пределов, свойственных данному материалу. На этом законе построены расчеты сопротивления материалов.

Рисунок 2. Деформация в зависимости от напряжения.

Графическое изображение зависимости между напряжениями (или нагрузками) и деформациями материала (или перемещениями при деформи­ровании) представляет собой диаграмму деформирования (см. рис. 1 и 2).

Испытательные машины имеют специальные приспособления, которые автоматически фиксируют диаграмму растяжения. На диаграмме по оси ординат откладываются действующие осевые нагрузки, а по оси абсцисс — абсолютные деформации.

На рис. 3 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма с постепенным переходом из упругой в пластическую область (рис. 3,а), свойственна большинству металлов в пластичном состоянии (легированные стали, медь, бронза).

Пластичные материалы разрушаются при больших остаточных деформа­циях (больших остаточных удлинениях, измеряемых после разрыва). Диа­грамма со скачкообразным переходом в пластическую область в виде четко обозначенной "площадки" текучести (рис. 3,б) свойственна неко­торым металлам. К таким металлам можно отнести мягкую углеродистую сталь, а также некоторые отожженные марганцовистые и алюминиевые бронзы.

На рис. 3.в дана диаграмма растяжения хрупких металлов. Хрупкие материалы разрушаются при малых остаточных деформациях. К хрупким материалам можно отнести закаленную и неотпущенную сталь, серый чугун, стекло, бетон и др.

Рис. 3. Диаграмма растяжения: а - для большинства металлов в пластичном состоянии с постепен­ным переходом из упругой в плас­тическую область, б — для некото­рых металлов в пластичном состо­янии со скачкообразным переходом в пластическую область, в - для хрупких металлов.

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рис. 4. По оси абсцисс откладывают абсолютные удлинения ∆l образца, а по оси ординат - значения растягивающей силы Р.

Рисунок 4. Характерные участки и точ­ки диаграммы растяжения

Сначала получим на первом участке диаграммы 0-1 прямолинейную зависимость между силой и удли­нением, что отражает закон Гука. При дальнейшем увеличении силы (за точкой 1) прямолинейная зависимость между Р и ∆l нарушается. Точка 1 соответствует пределу пропорциональности, т. е. наибольшему напряже­нию, при котором еще соблюдается закон Гука. Если нагрузку, соответст­вующую точке 1, обозначить Р_ПЦ, а начальную площадь сечения образца - F₀, то предел пропорциональности σ_ПЦ = Р_ПЦ/ F_0. Несколько выше точки 1 находится точка 1', соответствующая пре­делу упругости. Если нагрузку, соответствующую точке 1', обозначить Р_УП, то предел упругости σ_ПЦ = Р_УП/ F₀

По ГОСТу предел упругости задается и обозначается σ_0,05 — напряже­ние, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка об­разца, равного базе тензометра. За точкой 1' возникают уже заметные остаточные деформации. В точке 2 диаграммы частицы материала начинают переходить в область пластич­ности — наступает явление текучести образца.

На диаграмме растяжения получается горизонтальный участок 2-3 (площадка текучести), параллельный оси абсцисс. Для участка 2-3 харак­терен рост деформации без заметного увеличения нагрузки. Обозначим величину нагрузки, соответствующей площадке текучести 2-3, через P_Т. Напряжение σ_Т, отвечающее этой нагрузке, - это то напряжение, при ко­тором рост деформации происходит без заметного увеличения нагрузки, оно и является физическим пределом текучести.

Предел текучести (физический) — это механическая характе­ристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площад­ки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту пло­щадку (см. рис. 3,б), σ_Т = P_Т/ F₀.

Предел текучести устанавливает границу между упругой и упругопластической зонами деформирования. Даже небольшое увеличение на­пряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации.

Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, при­нимают условный предел текучести - напряжение, при ко­тором остаточная деформация образца достигает, определенного значения, установленного техническими условиями (большего, чем это установлено для предела упругости).

Обычно допуском для величины остаточной деформации при растяже­нии принято остаточное удлинение 0,2%. Эта величина называется условным пределом текучести: σ_0,2 = P_0,2/ F₀, где P_0,2 — нагрузка при условном пре­деле текучести.

При увеличении напряжении сверх предела текучести при растяжении в результате сильной деформации происходит упрочнение металла (из­менение его структуры и свойств) и сопротивление деформации увеличи­вается, поэтому за участком текучести, т. е. за точкой 3, наблюдается подъем кривой растяжения (участок упрочнения). До точки 4 удлинение образца происходит равномерно. Наибольшее значение нагрузки, пред­шествовавшее разрушению образца, обозначим P_MAX - Точка 4 характеризу­ет максимальное условное напряжение, возникающее в процессе испытания, называемое временным сопротивлением.

Временное сопротивление σ_В - условное напряжение, оп­ределяемое по отношению действующей силы к исходной площади по­перечного сечения образца и отвечающее наибольшей нагрузке P_MAX пред­шествовавшей разрушению образца: σ_В = P_MAX / F₀.

В момент, соответствующий нагрузке P_MAX, появляется заметное местное сужение образца (шейка). Если до этого момента образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредоточивается в области шейки.

Участку 4-5 соответствует быстрое уменьшение сечения шейки, вслед­ствие этого растягивающая сила уменьшается, хотя напряжение растет (см. рис. 5).

Рис. 5. Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения: а— образец до испытания (l₀ и d₀ — начальные расчетные длина и диаметр), б — образец, растянутый до максимальной нагрузки (l_Р и d_Р — расчетные длина и диаметр образца в области равномерной деформации), в — образец после разрыва (l_К, — конечная расчетная длина, d_К — минимальный диаметр в месте разрыва)

При дальнейшей деформации шейка сужается, и образец разрывается по наименьшему сечению F_К, где напряжения в действительности достигают наибольшего значения. Таким образом, нарастание пластической деформа­ции при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая де­формация до точки 4 и местная пластическая деформация от точки 4 до точки 5 — момента разрушения.

Моменту разрыва соответствует точка 5, усилие разрыва обозначим – P_К. Отношение разрывающего усилия к действительной площади сечения в месте разрыва F_К называется истинным сопротивлением разрыву: σ_К = P_К / F_К.