ЛАБ РАБОТА МЕХАНИКА 22.2.14

Краткие сведения о материалах

К основным материалам, из которых изготавливаются элементы несущих конструкций, относятся сталь, алюминиевые сплавы, древесина, пластмассы и др.

Сталь чаще других материалов используется в конструкциях промышленных и общественных зданий, мостов, резервуаров, башен и т. п. Она представляет собой сплав железа с углеродом. По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (0,09…0,25%), среднеуглеродистые (0,25…0,46%) и высокоуглеродистые (0,46…0,75%). Сплавы с содержанием углерода свыше 2% относятся к чугунам. Для улучшения различных физико-механических свойств стали в их состав добавляют легирующие элементы — кремний (С), молибден (М), марганец (Г), никель (Н), хром (X) и др. Такие стали называют легированными. По количеству легирующих примесей они подразделяются на низколегированные (сумма легирующих элементов — 1,8…2,5%), среднелегированные (2,5…8%) и высоколегированные (свыше 8%).

Углеродистая сталь обычного качества поставляется по трем группам — А, Б и В, при этом в несущих строительных конструкциях применяются стали группы В: А — по механическим свойствам; Б — по химическому составу; В — по механическим свойствам и химическому составу.

Сталь применяют при изготовлении листового и профильного проката. В стальном прокате используют различные марки углеродистой и низколегированной сталей. Наиболее широко в строительных конструкциях применяются сталь прокатная угловая равнополочная и неравнополочная, двутавры, швеллеры и другие профили. Сортамент на эти виды проката приводятся в справочниках.

Цветные металлы и их сплавы играют второстепенную роль и применяются в тех случаях, когда это экономически целесообразно или невозможно применение стали. В строительных конструкциях чаще используются алюминиевые сплавы, в которые добавляются легированные элементы из магния, марганца, кремния, цинка и др.; менее широкое применение находят титановые сплавы.

Древесина — древнейший строительный материал. В основных элементах строительных конструкций используют хвойную древесину, так как она содержит меньше пороков, чем лиственная древесина, а также содержит смолы, что оказывает лучшее сопротивление увлажнению и загниванию.

Конструкции из пластмасс начали применяться в нашей стране и за рубежом с середины XX в. Конструкционные пластмассы используют в составе элементов несущих и ограждающих строительных конструкций. Из наиболее прочных стеклопластиков выполняют основные элементы несущих конструкций. Прозрачные стеклопластики применяют в элементах ограждающих конструкций зданий. Сверхлегкие пенопласты используют в средних слоях легких ограждений покрытий и стен.

Испытания материалов на растяжение и сжатие

При проектировании машин и механизмов необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформативные свойства материалов.

Рис. 1

Испытания на растяжение. Наибольшую информацию о механических свойствах металлов можно получить из статических испытаний на растяжение. Для испытания на растяжение применяют образцы специальной формы — цилиндрические (рис. 1, а) или плоские (рис. 1, б). Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l0, на которой определяется удлинение, и головки с переходным участком, форма и размеры которых зависят от способов их крепления в захватах машины. Различают длинные образцы с отношением lo/d0 =10 и короткие — lo/do = 5. Размеры образцов делают стандартными для того, чтобы результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, были сравнимы.

Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах. Все машины снабжены устройством для автоматической записи в определенном масштабе диаграммы растяжения, т. е. графика зависимости между растягивающей силой F и удлинением образца Δl.

В настоящее время начинают широко применяться испытательные машины нового поколения — универсальные машины с использованием современной микроэлектроники, которая позволяет полностью автоматизировать ход испытаний и управлять им, начиная от пуска машины до вывода полученных результатов измерений на дисплей и графопостроитель.

Испытания на сжатие. Для испытания металлов на сжатие применяются цилиндрические образцы с отношением высоты к диаметру в пределах 1,5…3. Применение более длинных образцов недопустимо, так как такие образцы могут искривляться и тем самым искажать результаты испытаний. Испытание на сжатие осуществляется обычно при помощи тех же испытательных машин с применением специальных приспособлений (реверсоров).

Диаграммы растяжения пластичных и хрупких материалов

Диаграмма низкоуглеродистой стали. Записанная с помощью специального устройства на испытательной машине диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали изображена на рис. 2.

В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией — справедливость закона Гука. Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена через Fпц и используется для вычисления предела пропорциональности:

,

Рис. 2

где А0 – первоначальная площадь поперечного сечения.

Пределом пропорциональности σпц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией. Для СтЗ предел пропорциональности приблизительно равен σпц =195…200 МПа.

Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е.

После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости.

Пределом упругости σуп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.

Предел упругости характеризует начало перехода от упругой деформации к пластической.

У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают. Для стали СтЗ σуп = 205…210 МПа.

При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок CD площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка FT, соответствующая точке D, используется при определении физического предела текучести:

.

Физическим пределом текучести σТназывается наименыиее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов. Для стали СтЗ σТ =220…250 МПа.

Зона BD называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом у образца повышается температура, изменяются электропроводность и магнитные свойства.

Образование пластической деформации в отдельных кристаллах образца происходит уже в начальной стадии испытания. Однако эти деформации настолько малы, что не обнаруживаются обычными приборами для измерения малых деформаций. С увеличением нагрузки пластическая деформация начинает накапливаться в микрообъемах образца, а с наступлением текучести эти очаги пластической деформации, сливаясь, захватывают уже макрообъемы образца металла. Описанные явления вызывают изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной. Образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения Fmax — точка Е на диаграмме. Усилие Fmax используется для вычисления временного сопротивления:

.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением.

Для стали марки СтЗ временное сопротивление σВ =370…470 МПа.

Зона DE называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечные сечения изменяются незначительно и также равномерно.

При максимальном усилии или несколько меньшем его на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения — шейка (а иногда и две). Дальнейшая деформация происходит в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точке К, называется разрушающей FK, а напряжения — истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), которые равны

,

где АК — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Зона ЕК называется зоной местной текучести. Истинные напряжения в момент разрыва (в шейке) в образце из стали СтЗ достигают 900… 1000 МПа.

Иногда временное сопротивление называют пределом прочности. Строго говоря, такое допустимо только в том случае, когда разрыв образца происходит без образования шейки. Это имеет место с хрупкими материалами, например с чугуном. Тогда наибольшая нагрузка практически совпадает с моментом разрушения и предел прочности оказывается почти равным истинному напряжению при разрыве (о диаграмме чугуна см. ниже). У пластичных материалов, например у стали марки СтЗ, наибольшее значение нагрузки не соответствует ее значению при разрушении образца и за характеристику прочности (условную) принимается временное сопротивление.

Интересен механизм разрушения образца из низкоуглеродистой стали. Образец разрушается, как правило, с образованием «чашечки» на одной его части и «конуса» — на другой (рис. 3). Этот излом называют чашечным или изломом «чашечка — конус».

Рис. 3

Под действием растягивающих напряжений материал перемычек между порами разрушается, поры сливаются, в результате чего появляется центральная трещина в направлении, перпендикулярном оси растяжения. Образование трещины вблизи центра сечения, объясняется тем, что в этой области вследствие возникающего неоднородного напряженного состояния, при котором нормальное напряжение достигает на оси образца максимального значения, материал обладает пониженной способностью к пластической деформации. Это в значительной мере способствует началу разрушения образца, которое на данной стадии имеет хрупкий характер. Однако в остальной части вблизи поверхности материал продолжает растягиваться пластически.

Затем трещина начинает распространяться в обе стороны по направлению к поверхности, образуя дно будущей чашечки. Увеличение размеров трещины происходит за счет дальнейшего присоединения новых пустот в результате разрыва перемычек и ранее образовавшейся центральной зоны трещины.

Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.

Относительное удлинение после разрыва δ (%) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле

.

где lK – расчетная длина образца; lО – первоначальная длина образца.

Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение δ уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах. Кроме того, относительное удлинение зависит и от места расположения шейки (разрыва) на расчетной длине образца. При возникновении шейки в средней части образца местные деформации в области шейки могут свободно развиваться и относительное удлинение будет больше, чем в случае, когда шейка возникает ближе к головке образца, тогда местные деформации будут стеснены.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва ψ (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

.

где АК – площадь сечения образца в месте разрыва; АК – начальная площадь поперечного сечения образца.

Иногда при вычислении значения ψ для цилиндрических образцов пользуются формулой

.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называется наклепом.

Наклеп наблюдается не у всех материалов и даже не у всех металлов, таких, например, как свинец, олово и др. Оно широко используется в технике. Иногда наклеп создают искусственно. Например, цепи и канаты подъемных машин подвергают предварительной вытяжке, чтобы устранить остаточные удлинения, которые могут возникнуть во время их работы.

Следует заметить, что после предварительной вытяжки металла в некотором направлении его механические свойства изменяются (металл наклёпывается) при работе на растяжение только в том же направлении; при работе на сжатие в этом же направлении его свойства почти не изменяются. Последнее обстоятельство имеет большое значение для материала, который подвергается действию переменных напряжений.

В некоторых случаях явление наклепа является нежелательным. Например, оно встречается во многих технологических процессах — прокатке стержней, резании листового материала, штамповке тонкостенных деталей, пробивании отверстий в листах под заклепки и т. п. Для устранения вредного влияния наклепа материал обычно отжигают или удаляют ту часть материала, которая получила наклеп.

Механизм образования деформации. Реальные технические металлы и их сплавы состоят из большого числа кристаллических зерен, или кристаллитов, ориентированных произвольным образом. Так называются кристаллы неправильной формы и неодинаковых размеров. Размеры кристаллитов могут сильно отличаться друг от друга: от 0,0005 до 2…3 мм2. Форма, размеры и расположение зерен оказывают влияние на свойства металлов. Так, уменьшение размеров зерен приводит к увеличению прочности на разрыв, а также пластичности и вязкости.

Внутри кристалла находятся атомы металла, расположенные в определенном порядке. Они образуют более или менее правильную трехмерную кристаллическую решетку.

При отсутствии нагрузки атомы металла, находящиеся в узлах кристаллической решетки, колеблются относительно равновесных положений. Между атомами действуют либо силы притяжения, либо силы отталкивания. Сила взаимодействия между двумя соседними атомами складывается из этих сил. При расположении атомов на расстоянии r0 сила взаимодействия между ними равна нулю и атомы находятся в равновесном положении. Любая попытка незначительного перемещения атомов из этого положения приводит к возникновению сил, стремящихся вернуть их в прежнее состояние. Когда все атомы перемещаются из своих прежних положений в эквивалентные узлы кристаллической решетки на одно межатомное расстояние начинается пластическое деформирование.

Можно сказать, что касательные напряжения, при которых начинается пластическая деформация, равны:

,

где Gмодуль упругости при сдвиге.

В растянутом стержне наибольшие касательные напряжения, возникающие на площадках, наклоненных под углом 45° к оси стержня, равны:

.

Принимая

получим, что

или .

Основным механизмом пластического деформирования металлов является скольжение, т. е. смещение одной части кристаллической решетки относительно другой по плоскостям скольжения, ориентированным в кристалле определенным образом.

Диаграммы сжатия различных материалов

Диаграмма низкоуглеродистой стали. Начальный участок диаграммы является прямолинейным — до точки А (рис. 4). Угол наклона совпадает с углом наклона аналогичного участка диаграммы растяжения. Это свидетельствует о том, что модуль упругости у стали при растяжении и сжатии можно принимать одинаковым. После точки А диаграмма плавно переходит в кривую, подобную диаграмме растяжения. Площадка текучести здесь выражена слабо. При дальнейшем нагружении, когда развиваются значительные пластические деформации, образец сплющивается, принимая бочкообразную форму. Обычно на этом испытание заканчивают, так как образец разрушить не удается, не удается определить и предел прочности. Значения предела пропорциональности и предела текучести при растяжении и сжатии практически одинаковы.

Сталь Чугун Древисина

Рис. 4

Диаграмма чугуна с самого начала имеет почти линейную зависимость (рис. 4). На этом участке диаграммы форма и размеры образца изменяются незначительно. При приближении к максимальной нагрузке кривая диаграммы становится более пологой и образец принимает слегка бочкообразную форму. Когда нагрузка достигает наибольшего значения, на поверхности образца появляются трещины, угол наклона которых приблизительно равен 45°. Наступает разрушение чугунного образца. Разрушение материала происходит в основном от сдвигов по площадкам с наибольшими касательными напряжениями.

Диаграмма древесины относится к анизотропному материалу, сопротивляемость которой внешней нагрузке зависит от расположения волокон при испытании. Диаграммы сжатия древесины вдоль (кривая 1) и поперек (кривая 2) волокон показаны на рис. 4.

При сжатии образца вдоль волокон на участке ОА древесина работает почти упруго и рост деформаций фактически происходит пропорционально увеличению нагрузки. При дальнейшем увеличении нагрузки деформации начинают расти быстрее, чем усилия. Это указывает на упругопластическую область работы материала.

Разрушение образца происходит при нагрузке Ртах (точка Е) пластично в результате потери местной устойчивости стенок ряда волокон древесины, проявляющейся в образовании характерной складки. Оно может также сопровождаться обмятием торцов образца и появлением продольных трещин.

При сжатии образца поперек волокон до небольшой нагрузки (точка В), соответствующей пределу пропорциональности, между нагрузкой и деформацией существует линейная зависимость. Затем деформации быстро увеличиваются, а нагрузка растет незначительно. В результате образец спрессовывается — уплотняется. При наличии в нем пороков (сучки, трещины и др.) он может разрушиться. Разрушающая нагрузка определяется условно. Она соответствует деформации сжатия образца на 1/3 своей первоначальной высоты.

Как видно из сопоставления диаграмм, изображенных на рис. 3.30, сопротивление древесины сжатию вдоль волокон значительно больше сопротивления поперек волокон (в 8… 10 раз).

3 Влияние различных факторов

на механические характеристики материалов

Описанные испытания материалов проводятся при нормальных условиях, т. е. при температуре 20°С, непрерывном и плавном перемещении захватов машины со скоростью не более 10 мм/мин. Однако существуют различные условия, в которых приходится работать материалу строительных конструкций. Например, при повышенных температурах (конструкции доменных печей, ракетных двигателей) или при пониженных температурах (элементы холодильных установок), при действии радиоактивных, особенно нейтронных, проникающих излучений (ядерные реакторы) и др. Ясно, что механические свойства материалов будут изменяться и зависеть от условий эксплуатации конструкций, элементов машин и механизмов.

Влияние температуры. При повышении температуры у большинства материалов механические характеристики прочности уменьшаются, а при понижении температуры увеличиваются. Например, у стали марки СтЗ при t=500°С σT=140 МПа, σB=250 МПа; при t600°C σT =40 МПа, σB =150 МПа, т. е. предел текучести σT→0 и при 600…650°С наступает температурная пластичность. При отрицательных температурах у сталей увеличивается их хрупкость — при t45°C СтЗ становится хрупкой. Это свойство называется хладноломкостью.

Характеристики пластичности с повышением температуры увеличиваются, а с понижением температуры уменьшаются.

Влияние термической обработки. В качестве термической обработки стали используют ее закалку. Закалка стали приводит к значительному повышению предела текучести и временного сопротивления, но при этом снижаются ее пластические свойства; модуль упругости практически не изменяется. Например, для придания указанных свойств низкоуглеродистой стали проводят ее цементацию — увеличение содержания углерода в поверхностном слое, с последующей закалкой этого слоя. Для улучшения структуры и механических свойств стали также применяют нормализацию — нагрев стали до температуры 750…950°С, выдержка ее и последующее охлаждение на воздухе. Часто нормализация предшествует закалке.

Влияние скорости деформации. Скорость нагружения и, следовательно, скорость деформирования влияют на механические характеристики материалов. С их увеличением у материалов увеличиваются механические характеристики прочности, особенно у пластмасс и других органических материалов.

Влияние технологических факторов. Механические характеристики стали, даже одного состава, зависят от способа ее получения и обработки.

При литье возможность образования различных дефектов в виде пустот, раковин и включений увеличивается. Это приводит к снижению механических характеристик прочности стали.

Прокатка меняет структуру стали — делает ее анизотропной. При этом значительно изменяются механические свойства в направлении прокатки — сталь становится более прочной; в других направлениях механические свойства существенно отличаются от свойств в направлении прокатки.

Волочение представляет собой вытяжку с обжатием. Изделия, полученные таким способом, — стальная проволока и стальные листы — обладают высокими прочностными свойствами.

Существуют и другие способы технологической обработки стали: токарная обработка, обработка поверхности роликами, хромированием и др. Все эти способы направлены на то, чтобы улучшить прочностные свойства металлов.

Лабораторная работа №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Цель работы: получение диаграммы деформирования конструкционных материалов при испытании образцов на растяжение; определение важнейших механических характеристик прочности и пластичности.

Испытание на растяжение является наиболее распространенным методом определения характера поведения материала при статических нагрузках и оценки характеристик механических свойств материалов, т.е. характеристик упругости, прочности, пластичности, статической вязкости.

Определяемые при этом характеристики используются:

для оценки качества конструкционных материалов и степени их соответствия нормативно-технической документации;

для выполнения расчётов на прочность при проектировании изделий;

в исследовательской практике при изучении механических свойства новых материалов.

Методы испытаний на растяжение стандартизованы и распространяются: ГОСТ 1497–84 — на проведение испытаний при комнатной температуре, ГОСТ 9651–84 – при повышенной, а ГОСТ 11150–84 – при пониженной температурах.

Диаграмма деформирования материала

При испытании образца на испытательной машине получают первичную диаграмму растяжения в координатах: нагрузка F – абсолютное удлинение образца Δl. Эта диаграмма зависит от размеров образца. Для устранения зависимости от размеров испытуемых образцов и получения результатов, сопоставимых для различных материалов, диаграмму перестраивают в координатах напряжение () – деформация (). Эти координаты используют для построения условной диаграммы растяжения, которая подобна первичной, так как при ее построении абсциссы и ординаты первичной диаграммы делятся на постоянные величины.

Диаграммы растяжения могут существенно отличаться для различных материалов( см.Таблицу 3.1.1). Но методика обработки полученных данных одинаковы.

Таблица 3.1.1 – Основные типы диаграмм растяжения

Материал

Диаграмма растяжения

Вид образца после разрушения

Примечания

Хрупкий

Хрупкий излом без появления пластических (остаточных) деформаций

Хрупко-пластичный

Разрушение происходит после появления пластических деформаций без образования шейки

Пластичный

Разрушение происходит после значительных пластических деформаций с образованием шейки

Рассмотрим классическую диаграмму растяжения на примере поведения образца малоуглеродистой стали ( Рисунок 3.1.1.а).

На диаграмме можно выделить несколько характерных участков: 0А– упругих деформаций; АВ – площадка текучести; ВС – участок упрочнения; СD – участок снижения нагрузки. На участке 0А справедлив закон Гука. Этот участок используют для определения упругой постоянной материала – модуля нормальной упругости E = σ/ ε.

На площадке текучести АВ образец деформируется без увеличения нагрузки. Длина площадки текучести, выраженная в относительной деформации, составляет ε = 0,2–2,5 %. Наличие площадки текучести характерно лишь для малоуглеродистых сталей, а также встречается у некоторых марок титановых сплавов и латуней. Иногда площадка начинается с «зуба текучести».

а)

б)

Рисунок 3.1.2 - Диаграмма деформирования образцов: а) малоуглеродистой; б) высокоуглеродистой стали.

Для сталей высокоуглеродистых, легированных, термически или механически обработанных, цветных металлов и сплавов, пластмасс площадки текучести не наблюдается (Рисунок 3.1.1,б, длина участка АВ равна нулю, участок вырождается в точку). Участок упругих деформаций 0А при испытании упомянутых материалов плавно переходит в участок упрочнения ВС. Отсутствие площадки текучести затрудняет выявление предела текучести – характеристики чрезвычайно важной, поскольку она ограничивает несущую способность. При нагрузке, свыше предела текучести, материал в большинстве случаев не может считаться работоспособным с эксплуатационной точки зрения.

При разгрузке, например в точке М, удлинение ∆l полностью не исчезает. Оно уменьшится на величину упругой части удлинения ∆lе (отрезок NT). При этом выделится пластическая (остаточная) деформация ∆lр, равная отрезку 0N. При дальнейшем увеличении силы пластическое деформирование будет происходить при нагрузке (ордината точки М) значительно большей, чем при первоначальном нагружении (ордината точки А). Произошло упрочнение материала – явление, давшее название участку ВС. Это явление – изменение свойств материала в результате деформирования за пределом текучести иначе называют наклёпом.

На участоке ВС протекают два конкурирующих процесса: физическое упрочнение и геометрическое разупрочнение. Первое обусловлено изменениями, происходящими в структуре металла вследствие роста нагрузки; второе – вследствие уменьшения поперечного сечения по всей длине образца и снижения его несущей способности. В точке С наступает равновесие этих процессов, а после достижения Fmax при дальнейшем растяжении образца начинается участок CD снижения нагрузки, где геометрическое разупрочнение начинает преобладать.

Рисунок 3.1.3 Образование шейки на образце

Деформирование на участке CD протекает на небольшой длине образца в образовавшемся местном сужении в виде шейки при уменьшающейся нагрузке F, а за её пределами размеры поперечного сечения перестают изменяться (Рисунок 3.1.2). Из-за уменьшения площади в деформируемой части для дальнейшего удлинения образца нужна всё меньшая и меньшая сила, т. е. нагрузка падает. Однако истинные напряжения S в любом объёме образца продолжают увеличиваться. В точке D наступает разрыв образца.

Постановка эксперимента

Эксперимент осуществляется на машине для испытаний конструкционных материалов, автоматически формирующей диаграмму деформирования материала, т.е. график, связывающий нагрузку F и удлинение образца ∆l в процессе растяжения до момента разрушения.

До установки образца микрометром производится измерение его рабочей длины L и размеров поперечного сечения (начальный диаметр цилиндрического образца d0 с точность до 0,02 мм). Рекомендуемое стандартное соотношение между ними L= (5…10) d0.

Цилиндрический или плоский образец закрепляется в захватах машины.

Производится настройка машины и программного обеспечения выносного компьютера на испытания по ГОСТ 1497–84.

Осуществляется пуск машины для испытаний.

Верхний конец образца жестко закреплен, а нижний перемещается с подвижной траверсой при пуске машины для испытаний, растягивая образец и создавая внутренние усилия в нем.

Усилие на траверсе фиксируется встроенным датчиком силы.

Поведение образца в процессе испытаний контролируется по диаграмме деформирования, представляемой на экране монитора.

Обработка результатов эксперимента

По диаграмме деформирования (в координатах нагрузка F – абсолютное удлинение образца Δl) определяются следующие механические характеристики материала:

а) характеристики прочности:

предел пропорциональности – максимальное напряжение до которого материал подчиняется закону Гука:

предел упругости

(условный) – это напряжение, при котором в материале возникают остаточные деформации не более = 0,05%:

предел текучести (физический) – это напряжение, при котором происходит рост пластической деформации без заметного увеличения нагрузки

.

У высокоуглеродистых сталей, цветных металлов, пластмасс и ряда других материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае, например, для высокоуглеродистой стали определяют условный предел текучести при нагрузке , соответствующей остаточному удлинению образца :

предел прочности (временное сопротивление) – это отношение максимальной силы, которую может выдержать образец, к его начальной площади

.

б) характеристики пластичности:

относительное остаточное удлинение после разрыва

относительное остаточное сужение после разрыва

Удельная работа – характеризует способность материала поглощать энергию при разрыве, вязкость материала и сопротивляемость его воздействию динамических нагрузок:

где — работа, затраченная на разрыв образца и равная площади диаграммы , вычисляется с учетом масштабов нагрузки и удлинения по приближенной формуле:

V0=A0 l0- объём расчетной части образца до испытания.

Из всех выше перечисленных характеристик в инженерной практике используются основные характеристики: т.к. их определение не вызывает технических затруднений.

Вопросы для самоконтроля

Какова цель лабораторной работы

Для чего нужна диаграмма растяжения материала, и в каких координатах она строится

Что характеризует диаграмма растяжения, построенная в координатах : свойства образца данных размеров или свойства материала

Какие зоны имеет диаграмма растяжения?

Для какого участка диаграммы справедлив закон Гука

Что понимают под пределом пропорциональности, пределом упругости, пределом текучести и пределом прочности

Для каких материалов определяют условный предел текучести

Какие называют; как определить упругие и остаточные деформации на диаграмме растяжения

Чем отличаются диаграммы растяжения при пластичном и при хрупком разрушении материалов

Что называют наклёпом; как изменяются механические свойства материала после наклёпа

Примеры использования эффекта наклёпа в технике

Когда появляется шейка на образце