РОБОТА № 1. Розрив стального зразка зі зніманням діаграми розтягу

 

Мета роботи. Вивчення особливостей процесу розтягу стандартного стального зразка, визначення характеристик міцності та пластичності, питомої роботи деформації:

Загальні відомості. При розрахунках на міцність, жорсткість і стійкість механізмів машин та споруд необхідні вихідні дані про фізико-механічні характеристики матеріалів, що використовуються.

Випробування на осьовий розтяг та стиск є основними видами механічних випробувань, так як при цьому виконується однорідність напружено-деформованого стану зразка, і діаграма деформування інформує про найбільш важливі властивості випробуваних матеріалів.

Для випробувань застосовують зразки круглого (рис.1а) та прямокутного (рис. 1б) перерізів, у яких виділяється робоча зона.

Рис. 1. Ескіз зразка

Кінці зразків мають потовщення для розміщення в захватах випробувальної машини. При виділенні робочої зони необхідно врахувати, що рівномірне напруження установлюється на поперечному перерізі, віддаленому від місця прикладання навантаження на відстані, що в 1.5 - 2 рази перевищує поперечні розміри зразка. Довжина робочої зони зразка приймається в залежності

 

,

 

де A₀ - площа поперечного перерізу зразка.

Для запобігання виникнення осередку концентрації, що сприяє не- рівномірному розподілу деформацій, необхідно ретельно обробити поверхню і закруглення зразка.

Випробування проводяться на розривній машині Р-20 (рис.2), що дозволяє в процесі розтягу (стиску) реєструвати зусилля та відповідну деформацію зразка.

Машина представляє собою установку, що складається із пристрою навантаження І і пульту керування ІІ. Навантажуючий пристрій призначається для деформування та руйнування випробуваного зразка. Пульт керування служить для керування процесом навантаження зразка і контролю за величинами навантажень і деформацій. Навантажуючий пристрій і пульт керування монтуються на фундаменті і з’єднуються трубопроводами.

Навантажуючий пристрій 1 виконано вертикально з гідравлічним приводом активного 6 і пасивного 7 захватів. Станина представляє собою

Рис.2. схема експериментальної машини

раму, яка складається з основи 8 і траверси 9, що з’єднується колонами 10. В траверсі установлено робочий циліндр 11, на який спирається рухома рама, яка складається з траверси 12, активного захвату та двох тяг 13. Зразок встановлюється в захватах, відстань між якими регулюється за допомогою гвинта 14 з електричним приводом.

Пульт керування включає насосну установку з системою керування 3, силовимірювач 4 і діаграмний апарат 5 для запису залежності «навантаження - деформація». Керування навантаженням здійснюється ручкою дроселя 15, яка установлена на передній стороні пульта.

Шляхом передаючого пристрою об’єктивні дані про переміщення захвату і рівня навантаження передаються на діаграмний апарат, який записує «F- » діаграму.

Рис.3. Діаграма розтягнення вуглецевоїсталі

 

Типова «F- » діаграма для пластичної вуглецевої сталі показана на рис. 3, на якій можна виділити такі характерні ділянки:

ОА - ділянка, що характеризує прямо пропорціонально залежність між навантаженням та подовженням зразка. На цій стадії розтягу справедливий закон Гука.

Напруження, яке визване навантаженням Р_пр, після якого порушується закон Гука називається границею пропорціональності і визначається за формулою

 

ОВ - ділянка пружної деформації матеріалу. Точка В відповідає найбільшому значенню навантаження F_пр, при зніманні якого ще не виявляється залишкова деформація. Напруження, яке визване навантаженням F_пр називається границею пружності і визначається за формулою

Найбільше напруження, до якого при розвантаженні не виявляється залишкова деформація, називається границею пружності матеріалу.

Подальший розтяг зразка приводить до плавного переходу діаграми в горизонтальну ділянку СД, яка називається поличкою текучості. На цій стадії зразок розтягується при постійному значенні навантаження, яке позначається F_т. Текучість матеріалу супроводжується залишковим подовженням, яке не зникає після розвантаження.

Найменше напруження, при якому деформація зразка відбувається при постійному розтягуючому навантаженні називається границею текучості і визначається за формулою

Далі матеріал знову збільшує опір деформуванню. Цьому процесу відповідає висхідна ділянка ДЕ діаграми, яка називається ділянкою зміцнення. Точка Е відповідає максимальному навантаженню F_в, яке може сприймати зразок.

Напруження викликане навантаженням F_в називається тимчасовим опором або границею міцності і визначається за формулою

 

_в =

 

 

Подальший розтяг зразка проходить головним чином на невеликій ділянці зразка, що веде до утворення «шийки» та падіння навантаження. При рівні навантаження F_р проходить розрив зразка, чому відповідає точка K на діаграмі.

Напруження, яке визване навантаженням F_р називається напруженням розриву і визначається за формулою

 

 

Враховуючи, що відносна деформація ( _повн - абсолютне подовження) і використовуючи вище приведені вирази діаграму «F- » можна перебудувати в умовну діаграму деформування .

Повне подовження зразка в момент розриву дорівнює

де - пружне подовження

- залишкове подовження

 

Після розриву зразка пружна деформація зникає, тоді .

Характеристика пластичності матеріалу - відносне залишкове подовження зразка при розриві і відносне залишкове звуження площы поперечного перерізу зразка визначаються у відсотках по відношенню до початкових розмірів

 

де - повна і початкова довжина зразка відповідно:

А_ш -площа поперечного перерізу «шийки»:

А₀ -початкова площа поперечного перерізу.

 

Необхідно врахувати, що вище приведені характеристики міцності та пластичності в якійсь мірі умовні, тому що визначаються по відношенню до початкової площі перерізу F₀ та довжині . В реальності, за границею пропорціональності площа поперечного перерізу, а з утворенням «шийки», довжина зони деформації значно змінюється. Для побудови діаграми дійсних напружень необхідно вимірювати діаметр зразка в декількох перерізах по довжині в процесі навантаження і відносити навантаження до найменшої площі перерізу.

Треба мати на увазі, що при розтягу зразка із крихких матеріалів на діаграмі відсутня площадка текучості і руйнування проходить при незначній деформації. Необхідно відзначити, що на характеристики міцності та пластичності впливають такі фактори, як швидкість деформування, термічна та технологічна обробка, температура і т.і.

Крім характеристик міцності та пластичності діаграма «Р - » дозволяє оцінити роботу деформування. Точна величина роботи деформування, що необхідна для подовження зразка на є інтегральною характеристикою і визначається за формулою

Отож, вона визначається як площа ділянки кривої «F - » від нуля до визначеного подовження « » і складається із суми роботи пружного деформування і пластичного деформування.

Розділивши повну роботу деформування на об’єм робочої частини зразка, одержимо питому роботу деформування, роботу, яку витратили на деформування одиниці об’єму матеріалу;

 

Проведення випробувань.

 

На зразку діаметром відмічаємо рисками розрахункову довжину , і встановлюємо в захвати випробувальної машини. Вибравши швидкість і режим навантаження проводимо розтяг. По руху стрілки спостерігаємо характерні значення навантаження (по зупинці стрілки), і (в момент розриву). Звертаємо увагу на процес появи «шийки» локалізації деформування.

Після руйнування вимірюємо довжину робочої зони між рисками , діаметр «шийки» в перерізі розриву .

Порівняння залишкової деформації і показників силовимірювача з записаною діаграмою дозволяє визначити реальний масштаб діаграми по навантаженню і деформації.

За допомогою приведених вище формул з врахуванням масштабу і визначаємо характеристики міцності та пластичності, роботу та питому роботу деформування. Дані заносимо до протоколу випробувань, №1.

Протокол випробувань

до лабораторної роботи №1.

РОБОТА № 2