Теоретические сведения

Лабораторная работа № 1

по дисциплине «Механика разрушения»

для специальности 1-54 01 02 – «Методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов»

Определение механических характеристик

И характеристик пластичности

При статических испытаниях на растяжение стального образца

Составитель: канд. техн. наук, доцент И.М. кузменко

Могилев, 2011г.

Цель работы

Изучить особенности поведения стали при растяжении, методику определения ее механических и пластических характеристик, методику построения диаграммы растяжения и эпюры остаточных относительных удлинений по длине образца.

Теоретические сведения

2.1 Диаграммы деформирования

Механические характеристики материалов – числовые значения, характеризующие прочность, жесткость, пластичность, упругость, вязкость и другие свойства. Они определяются экспериментально, на основе результатов испытаний образцов по диаграммам деформирования.

Практически на каждый вид испытаний разработаны соответствующие Стандарты, в которых регламентированы все этапы их проведения: вид, размеры, требования к механической обработке образцов, требования к испытательным машинам, методика проведения и обработки результатов испытаний.

Испытательные лаборатории оснащены универсальными и специальными машинами, позволяющими проводить определение различных характеристик материалов. В СНГ испытательное оборудование производится в Российской Федерации – (АО «Точприбор», г. Иваново и «ИПО Точмашприбор», г. Армавир).

Наиболее важными и чаще всего используемыми в расчетах на прочность и жесткость являются механические характеристики материалов, которые определяются по результатам испытаний образцов на растяжение и сжатие.

Испытания проводятся на универсальных испытательных машинах, которые снабжены устройствами, показывающими нагрузку, которая передается на образец – так называемые силоизмерительные устройства. Эти машины снабжаются также устройствами (самописцами), с помощью которых записывается так называемая диаграмма деформирования – вычерчивается график «удлинение образца – нагрузка на образце».

В настоящее время, в связи с развитием компьютерной и микропроцессорной техники многие этапы испытаний автоматизированы.

Диаграммы деформирования строятся при различных видах нагружения: при растяжении, при сжатии, при изгибе, при кручении и т.д.Методику построения диаграмм рассмотрим на примере испытаний на растяжение.

Испытанию обычно подвергаются цилиндрические или плоские образцы определенных размеров, устанавливаемых Стандартом. На рисунке 1 а показан вид цилиндрического образца.

При выборе размеров образца, исходя из его диаметра d₀, определяется так называемая расчетная (рабочая)длина l₀. При определении общей длины образцов предусматриваются участки (головки) для обеспечения размещения образца в захватах машины.

Обычно, в соответствии со Стандартом, расчетная длина составляет для нормальных образцов l₀ = 10 d₀.

Рисунок 1 – Цилиндрический образец для испытаний на растяжение

Порядок проведения испытаний следующий.

Образец устанавливается в захватах машины и плавно нагружается. В результате нагружения образец деформируется. В процессе испытания производится запись нагрузки и удлинения образца – самописец испытательной машины вычерчивает диаграмму растяжения (диаграмму деформирования).

Диаграммы, изображенные на рисунке 2, характерны для пластичных материалов, например, малоуглеродистой стали или отожженной меди (а), для хрупких материалов – чугун (б), для некоторых хрупко-пластичных материалов – латуни, марганцовистые и алюминиевые бронзы (в). Большинство металлов и сплавов дают диаграмму, изображенную на рисунке 2 г.

Рисунок 2 – Диаграммы растяжения различных материалов

Затем, используя диаграмму, полученную на самописце, строят так называемую машинную диаграмму. Рассмотрим подробнее процесс деформирования образца из малоуглеродистой стали на примере машинной диаграммы (рисунок 3).

При малых значениях силы F между нагрузкой и удлинением имеет место прямая пропорциональная зависимость.

Материал деформируется, подчиняясьзакону Гука (прямая ОА). В точке А нагрузка будет равна F_пц. (нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности материала).

Если образец нагрузить до нагрузки, не превышающей указанную выше, то после снятия нагрузки он полностью восстановит свои форму и размеры. В этой зоне образец испытывает только упругие деформации.

Рисунок 3 – Машинная диаграмма деформирования малоуглеродистой стали

При дальнейшем увеличении нагрузки деформации будут расти несколько быстрее нагрузки – кривая АВ. И если образец разгрузить в точке В, то в материале появятся незначительные по величине остаточные деформации, характеризуемые отрезком ОВ₁.

Обычно их определяют в относительных величинах: относительные линейные деформации, определяются отношением абсолютной линейной деформации к исходной длине (в данном случае – к расчетной длине образца). Например,если образец, длиной 1 м растягивается некоторой силой и получает абсолютную деформацию 1 мм, то относительная деформация его составит:

.

Для точки В эти деформации составят всего 0,001% и не будут опасными для конструкции. Допускают, что остаточные деформации для этой точки не должны превышать 0,05%. Считается, что до точки В диаграммы материал сопротивляется нагружению упруго.

Нагрузка F_у – нагрузка, соответствующая пределу упругости материала.Участок диаграммы ОВ – зона упругих деформаций.

Дальнейшее увеличение нагрузки вызовет значительные по величине деформации, при этом на данной диаграмме фиксируется постоянство нагрузки при увеличении деформации – материал «течет».

На диаграмме – так называемая площадка текучести (практически это прямая ВС). В точке С текучесть заканчивается, а нагрузка F_Т соответствует пределу текучести. Измеренная в этот момент остаточная деформация обычно не превышает 0,2 %. Участок диаграммы ВС – зона упруго пластических деформаций.

На поверхности деформированного образца появляются полосы Чернова-Людерса (располагаются приблизительно под углом 45⁰ к направлению действия нагрузки), в которых локализуется деформация. Температура стали повышается, изменяются электропроводность и магнитные свойства.

Дальнейшее нагружение и деформирование образца идет с увеличением нагрузки и деформации (кривая СD). Зависимость между исследуемыми параметрами криволинейная. В точке D отмечается максимальная нагрузка, которую может выдержать образец. Эта нагрузка соответствует пределу прочности материала F_В. Участок диаграммы CD – зона упрочнения.

При достижении этой нагрузки на образце образуется шейка: наблюдается постепенное местное сужение. Деформация образца локализуется в области шейки (кривая DE), диаметр уменьшается и, при достижении определенного его значения, происходит разрушение образца. Фиксируется нагрузка в момент разрушения.

Площадь поперечного сечения образца уменьшается, поэтому на графике фиксируется снижение нагрузки. Участок диаграммы DЕ – зона местной текучести.

Как отмечалось, диаграммы используются для определения механических характеристик. При их построении не фиксируется изменение (уменьшение) площади поперечного сечения в процессе нагружения (растяжения) образца. Они называются условными диаграммами деформирования (рисунок 4.а).

Рисунок 4. Условная (а) и истинная (б) диаграммы растяжения

Начиная с точки В, сначала не очень явно, а на участке местной текучести – значительно изменяется площадь сечения. При углубленном анализе свойств материалов исследователи учитывают изменение площади сечения измерением ее в процессе нагружения – такие диаграммы называют истинными (рисунок 4 б).

Нагрузка, однако, не может характеризовать механические свойства материала, т.к. ее величина зависит от конкретных размеров образца. Поэтому основные механические характеристики вычисляют по формулам, используя данные, полученные при проведении испытаний.

Полученная в процессе испытания диаграмма (машинная диаграмма) обычно перестраивается в относительных координатах: нормальное напряжение σ – относительная продольная деформация ε (рисунок 5). Такие диаграммы дают возможность сравнивать результаты испытаний, полученные в разных лабораториях.

Как будет показано ниже, нормальные напряжения при растяжении определяются по формуле:

,

где A – площадь поперечного сечения.

Относительная продольная деформация определяется формулой:

,

где ℓ – длина образца.

Следовательно, диаграммы P – Δℓ и σ – ε будут отличаться только масштабом.

2.2 Механические характеристики материалов (характеристики прочности).

Механические характеристики определяются делением соответствующей нагрузки на начальную площадь поперечного сечения образца F₀.

Предел пропорциональности – наибольшее напряжение, при котором материал образца следует закону Гука:

.

Предел упругости – максимальное напряжение, при котором образец деформируется без остаточных деформаций:

.

Предел текучести – напряжение, при котором деформации растут без видимого увеличения нагрузки:

.

Рисунок 5 – Условная диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Предел прочности – максимальное напряжение, которое может выдержать образец без разрушения:

.

Эта характеристика имеет также названия временное сопротивление или условный предел прочности, т.к. определяется исходя из первоначальной площади поперечного сечения образца, которая изменилась в результате деформации к моменту действия силы F_В, и не является максимальным напряжением.

Истинное сопротивление разрыву - напряжение, соответствующее моменту разрушения образца:

,

где – площадь поперечного сечения шейки образца в месте разрыва.

является истинным пределом прочности стали, но не применяется в инженерных расчетах, т.к. соответствует полному исчерпанию несущей способности материала.

Значения механических характеристик приводятся в учебниках по сопротивлению материалов, а также в справочной литературе.

Например, эти характеристики для стали Ст. 3 имеют значения в пределах:

≈ σ_у = 200 МПа; = 220 – 260МПа; σ_В = 340 – 420 МПа.

Если после нагружения образца выше F_пц (выше точки В) разгрузить его в зоне упрочнения (например, в точке К) – в материале образца сохранятся остаточные деформации, определяемые его пластическими свойствами (рисунок 6). Поведение материала подчиняется закону разгрузки и повторного нагружения.

Рисунок 6 – К закону разгрузки и повторного нагружения

При этом линия разгрузки на диаграмме пойдет по линии КМ, параллельной ОА. При повторном нагружении линия на диаграмме пойдет по МК и далее до предела прочности. Таким образом, материал не проходит участок упруго-пластических деформаций, т.е. повышаются упругие свойства материала. Это явление носит название наклеп. Наклеп может оказывать как положительное, так и отрицательное действие. В машиностроении (при обработке резанием) используется в совмещении с поверхностно пластическим деформированием (ППД). При этом повышается износостойкость и усталостная прочность рабочих поверхностей.

Полная деформация материала образца для точки К (ε_полн.) характеризуется отрезком ОМ₁ и состоит из упругой деформации ε_упр. (отрезок ММ₁) и остаточной деформации ε_ост. (отрезок ОМ):

ε_полн = ε_упр. + ε_ост..

2.3 Хрупкость и пластичность.

Один и тот же материал в разных условиях может находиться как в хрупком, так и в пластичном состоянии.

Пластичность – свойство материала деформироваться с остаточными деформациями без нарушения сплошности и образования трещин.Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости.

Хрупкость – свойство материала к моменту разрушения претерпевать весьма малые деформации, т.е. к моменту разрушения брус практически не изменяет своих размеров.

Материал, находящийся в пластическом состоянии, одинаково хорошо воспринимает как растягивающие, так и сжимающие нагрузки. Хрупкий материал плохо воспринимает растяжение и достаточно хорошо – сжатие.Более опасным является хрупкое состояние материала.

Опасными для пластичных материалов являются напряжения, равные пределу текучести , т.к. при достижении этого значения в материале возникают пластические деформации, которые могут привести к выходу из строя элемента конструкции.

Для хрупких материалов, не получающих при нагружении остаточных деформаций, опасными будут напряжения, равные пределу прочности σ_В – наступает разрушение.

Для чугуна при испытаниях на сжатие предел прочности имеет значения σ_Вс до 380 МПа, на растяжение σ_Вр – до 140 МПа.

Если материал деформируется без площадки текучести (рисунок 2 г), то определяют так называемый условный предел текучести: напряжение, при котором остаточная деформация образца составляет 0,2%. Условный предел текучести обозначается σ_0,2.

При испытаниях некоторых материалов затруднительно точно определить предел упругости. В этих случаях определяют условный предел упругости σ_0,05 – напряжение, при котором относительная линейная деформация образца равна 0,05%.

2.4 Характеристики пластичности.

Пластичность материала оценивается двумя характеристиками, которые определяются по результатам испытаний образцов: относительным удлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение: ,

где ℓ_к – конечная длина образца (расстояние между крайними рисками после разрыва),

ℓ_н – начальная (расчетная) длина образца.

Относительное сужение: ,

где A_н – начальная площадь поперечного сечения образца (до нагружения),

A_к – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрыва (в шейке).

Величина характеризует свойства пластичности более точно, чем , поскольку в меньшей степени зависит от формы образца. Для стали Ст. 3 значение составляет 50 – 60%.

Чем пластичнее материал, тем больше и . К числу наиболее пластичных материалов относятся медь, алюминий, латунь, малоуглеродистые стали и др.

Менее пластичными являются дюралюминий и бронза.

К числу слабо пластичных материалов относится большинство легированных сталей.

Для хрупких материалов величина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2 – 5%, а в ряде случаев измеряется долями процента.

К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая сталь, камень, бетон, стекло, стеклопластики и др.

Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура и др.) и вида напряженного состояния хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные – как хрупкие.

Например, чугунный образец в условиях всестороннего сжатия ведет себя как пластичный материал. И наоборот, стальной образец с выточкой разрушается при небольшой деформации.

Хрупкие материалы плохо сопротивляются действию ударной нагрузки. Способность материала сопротивляться ударам характеризуется величиной удельной работы деформации, которая определяется как отношение работы А, затраченной на разрушение образца, к единице объема , т.е. объема рабочей части образца .

Полная работа, затраченная на разрыв образца, представляет собой площадь диаграммы, заключенную между кривой ОАДЕ и осью абсцисс (см. рисунок 3). Для вычисления этой площади нужен планиметр. Однако эту площадь можно определить в достаточной степени точно по формуле . Здесь:

– нагрузка, соответствующая пределу прочности (берется из диаграммы);

– остаточная деформация (берется из диаграммы: рисунок 3, отрезок ОЕ₂);

– коэффициент полноты диаграммы; для мягкой стали он берется в пределах 0,8 – 0,9.

Тогда удельная работа деформации будет определяться формулой

(нм/м³).

Удельную работу также называют "статической вязкостью". Она является чувствительной характеристикой изменения структурного состояния материала, способности материала поглощать энергию при разрыве, сопротивляться действию динамических нагрузок, развитию трещин.

Для исследования характеристик пластичности,по результатам испытания строится эпюра остаточных удлинений.На рисунке 7 приведена «идеальная» эпюра.

Рисунок 7 Эпюра относительных остаточных удлинений

Перед испытанием на поверхности образца наносится ряд рисок (в нашей лабораторной работе – 10 рисок), делящих рабочую часть образца на равные части. Расстояние между рисками ℓ_i. После испытания длины частей измеряют, они оказываются неодинаковыми и равными ℓ_iкон.. Наибольшую длину обычно имеют участки, расположенные вблизи шейки.

Значения абсолютных остаточных удлинений каждой i-той части определяют по формуле

.

Относительную деформацию каждой i-той части (в процентах) определяют по формуле

По этим данным строят эпюру относительных остаточных удлинений . При проведении испытаний шейка может быть смещена относительно середины рабочей части образца.

План выполнения лабораторной работы

1 Ознакомиться с методическими указаниями, обратив внимание на соблюдение правил техники безопасности.

2 Ознакомиться с планом выполнения лабораторной работы.

3 Подготовить образец для проведения опыта, для чего необходимо замерить диаметр образца d₀, отложить на образце рабочую длину l₀ =10d₀ и разбить это расстояние на 10 равных частей. Длина каждой части l_i.

4 Произвести предварительные расчеты в соответствии с протоколом испытания.

5 Закрепить образец в машине так, чтобы крайние риски были на одинаковом расстоянии от захватов, подать нагрузку на образец и нагружать до разрушения образца.

6 По показаниям силоизмерителя в процессе нагружения снять значения сил: , , и записать в соответствующую таблицу отчета.

Поиск по сайту: