Испытание металлов на растяжение

 

Цель работы: определение механических характеристик металлов при испытаниях образцов на растяжение, построение диаграммы истинных напряжений, выбор марки металла с характеристиками, соответствующими полученным при испытаниях.

Оборудование: универсальная испытательная машина.

Образцы: стандартные цилиндрические образцы с l0 = 10d0, материалы – сталь, сплавы цветных металлов.

Измерительный инструмент: штангенциркуль 0-250 мм, с точностью измерения 0,05 мм, микрометр 0-25 мм, с точностью измерения 0,01 мм.

 

1.1. Методика проведения испытаний на растяжение

Основные требования к методике испытаний на растяжение оговорены стандартами [1]. Эти требования следует рассматривать как минимальные. При выполни, например, исследовательских работ они могут быть значительно повышены. Соблюдение стандартной методики испытания особенно важно в тех случаях, когда результаты являются критерием качества продукции или ее паспортными характеристиками.

Каждый образец перед испытанием маркируют, измеряют и размечают. Маркировку наносят вне пределов рабочей длины образца. Диаметр цилиндрических образцов следует измерять с точностью не ниже 0,01 мм при d0 ≤ 10 мм и 0,05 мм при d0 > 10 мм. Начальная расчетная длина образца l0 с точность до 1% (от величины l0) в пределах рабочей длины ограничивается неглубокими кернами или рисками. Если образец хрупкий, то даже тонкие риски на поверхности могут сильно изменить результаты испытаний. В таких случаях границы расчетной длины надо отмечать без повреждения поверхности, например карандашом, краской и т.д. Помимо меток, ограничивающих расчетную длину, рекомендуется наносить в пределах l0 риски через каждые 5 или 10 мм. Это необходимо для более точного измерения удлинения после разрыва.

Все измерения размеров после испытания производят с точностью не ниже 0,1 мм. Для получения более точных результатов пользуются инструментальными микроскопами.

С целью увеличения точности каждый размер следует измерять несколько раз. Например, ГОСТ 1497-84 обязывает проводить замер диаметра в середине и по краям рабочей части образца с последующим определением среднего значения, по которому рассчитывают площадь его поперечного сечения.

Величина нагрузки должна определяться с точностью до 0,5 наименьшего деления индикатора силоизмерительного механизма. Диапазон нагрузок выбирают таким образом, чтобы силы сопротивления образца, по которым будут определяться прочностные характеристики, были не меньше 0,1 шкалы выбранного диапазона и не ниже 0,04 предельной нагрузки испытательной машины. При этом желательно, чтобы максимальная сила сопротивления образца находилась на второй половине шкалы. Именно при таком выборе диапазона нагрузок будет обеспечена наибольшая точность расчета характеристик свойств. Рассмотрим это на конкретном примере.

Обычно свойства материала исследуемых образцов ориентировочно известны до опыта (в крайнем случае, их можно оценить, испытав один-два образца с использованием любого диапазона нагрузок). Зная размеры образцов, можно рассчитать по свойствам величину соответствующих сил. Предположим, что сила, при которой начинается пластическая деформация (соответствующая пределу текучести) Рt = 2,5 кН, а разрушающее усилие Pk = 13,2 кН. Конечно, в этом случае надо выбрать диапазон нагрузок 20 кН. Тогда будут удовлетворены все изложенные выше требования и можно будет достичь большей точности, чем в случае использования, например, диапазона 0-40 кН.

Как уже отмечалось, основным результатом испытания на растяжение является индикаторная диаграмма нагрузка – удлинение, по которой рассчитывают большинство механических характеристик. Многие из них соответствуют определенным точкам диаграммы. Следовательно, вся диаграмма в целом служит наиболее полной характеристикой материала.

 

1.2. Порядок выполнения работы

Образцы (рисунок 1) после разметки и обмера с необходимой точностью (результаты занести в таблицу 1) подвергают растяжению с записью индикаторной диаграммы (диаграммы нагрузка-удлинение, первичной диаграммы растяжения).

После проведения испытания необходимо произвести измерения в соответствии с рисунком 2. Результаты занести в таблицу 1.

 

Таблица 1. Значение размеров образцов до и после растяжения

 

Размер, мм Образец 1 Образец 2
До деформации
L    
D    
l    
l0    
d01    
d02    
d03    
d0ср    
После деформации
Lk    
lk    
l0k    
d k1    
dk2    
dk3    
dkср    
dш    

 

Рисунок 1. Образец до деформации

 

Рисунок 2. Образец после деформации

 

На полученных индикаторных диаграммах (диаграммы привести в отчете по лабораторной работе) нанести характерные точки S, B и K, провести оси координат (рисунок 3). По данным таблицы 1 определить абсолютное удлинение DlK, площади поперечных сечений до деформации (F0) и соответствующие характерным точкам B (FB,) и К (Fш) диаграммы. Результаты занести в таблицу 2.

 

Таблица 2. Значения абсолютных удлинений и площадей поперечных сечений

 

Параметры Образец 1 Образец 2
DlK, мм    
DlB, мм    
F0, мм2    
FB, мм2    
Fш, мм2    

 

 

Рисунок 3. Диаграмма «нагрузка-удлинение»

 

По значению DlК = Lk - L определить масштаб индикаторной диаграммы по оси деформаций по формуле

, мм/мм,

где ХК – расстояние от начала координат индикаторной диаграммы до проекции точки К на ось деформаций (учесть участок упругой деформации).

Зная MDl определить DLB = MDl ×XB, где XB – расстояние от начала координат до проекции точки B на ось деформаций.

Полученное значение DlB занести в таблицу 2.

По значению РВ найти масштаб индикаторной диаграммы по оси нагрузок

, Н/мм,

 

где РВ – максимальная сила растяжения, соответствующая точке B диаграммы, и зафиксированная на шкале испытательной машины при растяжении образца, Н;

УВ – расстояние от начала координат до проекции точки В на ось нагрузок.

По диаграмме, зная Мр определить нагрузки в характерных точках S и K, данные занести в таблицу 3.

 

Таблица 3. Значения сил сопротивления образца при растяжении

 

Силы в характерных точках S, B и K, Н Образец 1 Образец 2
PS    
PB    
PK    

 

Рассчитать прочностные характеристики – условный предел текучести sS; условный предел прочности sB, истинное напряжение SB и истинное сопротивление разрыву SК по формулам:

, , , ,

 

где РS, РВ, РK - соответственно силы сопротивления образца деформации в точках S, B и K диаграммы растяжения; F0, FB и FK - соответственно площади поперечного сечения образца до деформации, в точках В и К диаграммы растяжения. Значения напряжений записать в таблицу 4.

 

Таблица 4. Прочностные свойства изучаемых металлов

Напряжение, МПа Образец 1 Образец 2
sS    
sB    
sK    
SS    
SB    
SK    

 

По результатам испытаний на растяжение определяют два параметра, отражающие пластические свойства металлов – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ. Относительное удлинение δ характеризует в основном способность материала к равномерной деформации, относительное сужение ψ – к локальной деформации.

Характеристики δi и ψi, соответствующие какой-либоточке i индикаторной диаграммы, определяют по формулам:

,

,

 

где Dli – абсолютное удлинение, соответствующее какой-либо точке индикаторной диаграммы, например точке B (DlB), точке K (DlK);

Fi – площадь поперечного сечения, соответствующая какой-либо точке индикаторной диаграммы. Определить значения δB, δK, ψB, ψK и заполнить таблицу 5.

 

Таблица 5. Пластические свойства изучаемых металлов

Показатель, % Образец 1 Образец 2
δB    
δK    
ψB    
ψK    

 

По значениям σB, δK определить из справочной литературы наиболее близкую марку стали по ГОСТ 380 – 94 или 1050 – 88 [2, 3].

По значениям истинных напряжений S (таблица 4), относительных деформаций δ, и относительных сужений ψ в точках S, B и K построить графические зависимости и для первого и второго образцов. При этом ввиду малой величин δ и ψ в точке S считаем δS ≈ 0, ψS ≈ 0.

Выводы.

В выводах отразить характер изменения силы сопротивления материала образца деформации в зависимости от удлинения δ, объяснить причины изменения силы. Пояснить особенность формоизменения образцов на участках OS, SB и SK индикаторной диаграммы. Отразить характер изменения истинных напряжений S по мере растяжения образцов. Сопоставить прочностные и пластические свойства установленных марок сталей образцов, отметить каким образом свойства зависят от химического состава сравниваемых марок сталей.

Контрольные вопросы

1. Что обеспечивает условия подобия механических испытаний. Назовите виды подобия.

2. Что называется первичной диаграммой растяжения?

3. Перечислите типы силоизмерительных механизмов испытательных машин.

4. Назовите вид напряженного состояния в цилиндрической части при испытании образца на растяжение.

5. Чем обусловлено деформационное упрочнение?

6. Дайте определение коэффициента (модуля) деформационного упрочнения.

7. Назовите прочностные характеристики металлов.

8. Дайте определение предела пропорциональности, объясните физический смысл.

9. Дайте определение предела упругости. Объясните физический смысл.

10. Дайте определение предела текучести. Объясните физический смысл.

11. Дайте определение предела прочности.

12. Охарактеризуйте истинное сопротивление разрыву.

13. Назовите пластические характеристики металлов.

14. Как определяется относительно удлинение?

15. Как определяется относительное сужение?

16. Какой марке материала соответствуют значения sВ и d образцов, испытанных в лабораторной работе (определить по справочной литературе)?

17. Каким образом по графикам и можно подтвердить, что относительное удлинение δ характеризует в основном способность металлов к равномерной деформации, а относительное сужение ψ – к локальной.

Дайте письменные ответы на вопросы в отчете по лабораторной работе.

 

Рекомендуемая литература

1. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. http://www.cad.dp.ua/gost/files/GOST1497-84.pdf

2. ГОСТ 380-94 Сталь углеродистая обыкновенного качества. http://www.mc.ru/gost/gost380-94.pdf

3. ГОСТ 1050-88 Сталь углеродистая качественная конструкционная.