Диаграмма растяжения стали

Инструкция к лабораторной работе №2

по сопротивление материалов

Тема: «Определение механических характеристик

при растяжении стального образца»

 

Симферополь – 2014

Инструкция.

К лабораторной работе № 2 по сопротивлению материалов

 

Тема: «Определение механических характеристик при растяжении

стального образца»

Цель работы: Определить марки данной обезличенной, т.е. не имеющей

сертификата (паспорта), стали путем сравнения измеренных

механических характеристик этой стали с данными ГОСТа.

Содержание работы.

Диаграмма растяжения стали

 

Рассмотрим диаграмму растяжения, которая показывает зависимость между растягивающей силой F, действующей на образец, и вызываемой ею деформацией Δl (рис. 1)

На диаграмме можно указать пять характерных точек:

Рис.1 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали.

 

Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональность между нагрузкой F и удлинением Δl. (Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название закона Гука).

Величина силы F_пц (точка А), до которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.

Если испытуемый образец нагрузить растягивающей силой, не превышающей величину ординаты точки B (силы F_y), а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении. Следовательно, в этом случае в образце возникают только упругие деформации.

В случае, если растягивающее усилие выше F_y, при разгрузке образца деформации полностью не исчезают и на диаграмме линия разгрузки будет представлять собой прямую B'О', уже не совпадающую с линией нагружения, а параллельную ей. В этом случае деформация образца состоит из упругой Δl_упр^B' и остаточной (пластической) Δl_ост^B' деформации.

Таким образом, характерной особенностью точки B является то, что при превышении нагрузки F_y образец испытывает остаточные деформации при разгружении.

Выше точки В диаграмма растяжения значительно отходит от прямой (деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма имеет криволинейный вид), а при нагрузке, соответствующей F_т (точка С), переходит в горизонтальный участок. В этой стадии испытания в материале образца по всему его объему распространяются пластические деформации. Образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки.

Свойство материала деформироваться при практически постоянной нагрузке называется текучестью. Участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.

В процессе текучести на отшлифованной поверхности образца можно наблюдать появление линий (полос скольжения), наклоненных примерно под углом 45° к оси образца (рис. 2а). Эти линии являются следами взаимных сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями.

Рис. 2 Образование линий сдвига (а) и местного сужения—шейки (б)

 

Линии сдвига называются линиями Чернова по имени знаменитого русского металлурга Д. К. Чернова (1839 - 1921), впервые обнаружившего их.

Удлинившись на некоторую величину при постоянном значении силы, т.е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочняться), и диаграмма поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше. В точке D усилие достигает максимального значения F_max.

Наличие участка упрочнения (от конца площадки текучести до наивысшей точки диаграммы растяжения) объясняется микроструктурными изменениями материала: когда нагрузка на образец возрастает, микроскопические дефекты (линейные и точечные) группируются так, что развитие сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями, затрудняется, а потому сопротивление материала сдвигу начинает возрастать и приближаться к его сопротивлению отрыву.

При достижении усилия F_max на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка (рис. 2б), быстрое уменьшение площади сечения которой вызывает падение нагрузки, и в момент, соответствующий точке К диаграммы, происходит разрыв образца по наименьшему сечению шейки.

До точки D диаграммы, соответствующей F_max, каждая единица длины образца удлинилась примерно одинаково; точно так же во всех сечениях одинаково уменьшались поперечные размеры образца. С момента образования шейки вся деформация образца локализуется на малой длине (lш~ 2d₀) в области шейки, а остальная часть образца практически не деформируется.

Абсциссы диаграммы растягивания OE, OF и FE, характеризующие способность образца деформироваться до наступления разрушения, соответствуют полному абсолютному удлинению образца Δl_полн, остаточному абсолютному удлинению Δl_ост и абсолютному упругому удлинению образца Δl_упр.

Для определения упругой деформации в момент разрыва необходимо из точки K диаграммы провести прямую KF, параллельную прямолинейному участку OA, так как упругие деформации при разрыве также подчиняются закону Гука.

При выполнении работы для выбора марки стали необходимо определить предел текучести, предел прочности и относительное удлинение образца после разрыва.

Пределом текучести называется условное напряжение, соответствующее нагрузке F_т (точка С):

где:

- предел текучести, кг/см² (МПа);

- нагрузка, соответствующая наступлению стадии текучести, кг (кН);

- первоначальная площадь поперечного сечения образца (см²);

Пределом прочности при растяжении называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую способен выдержать материал при испытании и определяется отношением:

где:

- предел прочности, кг/см² (МПа);

- разрушающая нагрузка, Т.е. максимальная нагрузка, которую способен выдержать образец при испытании до разрушения, кг (кН).

Относительное остаточное удлинение образца определяется соотношением:

где:

- длина образца после испытания, см;

- длина образца до испытания, см;

В соответствии с ГОСТ 380-60 углеродистая сталь обыкновенного качества должна иметь следующие механические свойства:

 

Таблица 1

Марка	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
Ст.0	-
Ст.1	-	320-400
Ст.2	190-220	340-420
Ст.3	220-240	380-400
		410-430
		440-470
Ст.4	240-260	420-440
		450-480
		490-520
Ст.5	260-280	500-530
		540-570
		580-620
Ст.6	300-310	600-630
		640-670
		680-720
Ст.7	-	700-740
		750-800

 

Указанные характеристики (см. таблицу №1) механических свойств стали могут быть определены при испытании на растяжение. Путем сравнения полученных величин с вышеуказанными требованиями ГОСТ 380-60 обезличенной стали может быть присвоена соответствующая марка.

Образец.

 

Образцы для испытания на растяжение обычно выполняются круглыми.

Для испытаний берут так называемый, нормальный длинный или нормальный короткий образец.

Для испытаний используем круглый цилиндрический стержень диаметром 7мм, с расчетной длиной 70мм, с утолщениями на концах, служащими для захвата образца в машине и с плавными переходами к этим утолщениям, для предотвращения концентрации напряжения.

 

а)

б)

Рис. 3 Цилиндрический образец до испытания(а), после испытания(б).

 

Инструмент

а) Штангенциркуль - для обмера первоначальных размеров

поперечного сечения образца.

б) Карандаш для разметки образца по его длине.

Машина для испытаний.

В нашей лаборатории испытание на сжатие производится на силовой установке ПСУ-10. Испытательная машина ПСУ-10 предназначена для статических испытаний на сжатие, а так же на растяжение с использованием реверса.

Максимальное развиваемое машиной усилие 10 000 кг. Шкала силоизмерителя имеет 300 делений.

Возможно использование двух режимов работы: 5 000 кг (цена деления 16,7 кг) и 10 000 кг (цена деления 33,3 кг).

Рис. 4 Устройство реверса. Рис. 5 Реверс в установке.

 

Выполнение работы.

Получив все необходимое для работы и ознакомившись с машиной, необходимо измерить и разметить образцы.

Измерение диаметра образца следует производить с точностью до трех значащих цифр, причем размер находится как среднее арифметическое из четырех размеров, взятых в разных местах расчетной длины образца. По среднему размеру определяются площадь поперечного сечения образца и его расчетная длина. После зарисовки (фотографирования) эскиза образца с указанием его размеров приступают, при обязательном присутствии ассистента, к самому испытанию.

Так как величина нагрузки на образец измеряется величиной перемещения стрелки по шкале, то основное внимание испытателя, должно быть сосредоточено на показаниях циферблата.

Нагрузка, соответствующая явлению текучести, определяется по временной остановке стрелки, во время работы нагружающего механизма, а разрушающая нагрузка по максимальному отклонению (по часовой стрелке).

Как известно, в момент, соответствующий разрушающей нагрузке, при испытании малоуглеродистой стали, на образце появляется шейка, поэтому, когда стрелка начинает сдвигаться в направлении против часовой, нужно обратить внимание на появление шейки. После окончательного разрыва вынимают реверсор и исследуют характер разрушения разрушенного образца.

Для определения относительного удлинения при разрыве складывают возможно плотнее части разорванного образца и измеряют расстояние между кернами, соответствующими концам расчетной длины. Вид образца после разрыва также следует заэскизировать (сфотографировать) со всеми найденными размерами. В случае разрыва образца вне расчетной длины испытание считается неудавшимся и повторяется. Замеры и показания снимаются в системе кг и см и вычисления производятся с точностью до трех значащих цифр, а протокол испытания оформляется в соответствии с прилагаемой в конце инструкции формой, переводя в систему СИ (кН и МПа).

Сравнивая полученные результаты с требованиями ГОСТа для стали, приведенных выше марок, следует в конце работы сделать заключение, что на основании произведенных испытаний материал можно отнести к стали определенной марки. После окончания работы, весь инструмент в исправном состоянии должен быть сдан дежурному по лаборатории.

Таблицу с данными об испытаниях необходимо заполнять следующим образом. Первоначально полученный по шкале результат нагрузки в соответствии с ценой деления записывать единицами измерения «кг». Затем приводить результат в соответствие со стандартом СИ, переводя в «кН». Следует учесть, что 1 кг = 0,01 кН (т.е. чтоб получить «кН», надо результат в «кг» умножить на 0,01 или разделить на 100). Далее предел прочности или текучести вычисляется вначале как «кг/см²», а после приводится к системе СИ «МПа». При этом 1 кг/см² = 0,1 МПа (т.е. чтоб получить «МПа», надо результат в «кг/см²» умножить на 0,1 или разделить на 10).

 

Форма отчета

Лабораторная работа №2

 

___________________

___________________

(ФИО, группа студента)

 

«Определение механических характеристик

при растяжении стального образца»

1. Необходимые приборы и инструменты:

Силовая установка ПСУ-10, штангенциркуль.

2. Эскиз образца до испытания и после испытания (фотография).

3. Журнал наблюдений при определении механических характеристик.

 

Вывод: в ходе выполнения лабораторный работы провели испытание стали на растяжение, определили марку данной стали путем сравнения измеренных

механических характеристик этой стали с данными ГОСТа.

 

Размеры расчетной части образца до испытания	Нагрузки, соответствующие пределам	Предел теку-чести, кг/см2	Предел прочности кг/см2	Размеры расчетной части образца после испытания
Расчет-ная длина, см	Диа-метр, см	Площадь поперечного сечения, см2	Теку-чести, кг (кН)	Прочнос-ти, кг (кН)	Расчет-ная длина, см	Диа-метр, см	Площадь поперечного сечения, см2	Относительное удлинение, %
5.97	0.59	0.273	868.4	1469.6	3180.95	5383.15	6.54	0.39	0.119	10.1

 

 

«___» _________ 201__ г. _______________

(подпись студента)