Материаловедение Практическая работа №2

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НА РАСТЯЖЕНИЕ

1.1. Цель работы

Приобретение практических навыков расчета механических характеристик по результатам статических испытаний на растяжение.

1.2. Теоретическая часть

Испытания на одноосное растяжение – наиболее распространенный вид испытаний, позволяющий по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик, необходимых для оценки качества материала и конструкционных расчетов. Методы испытаний на растяжение стандартизированы. Имеются отдельные стандарты на испытания при комнатной, повышенной и пониженной температурах (ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9651-84 и ГОСТ 11150-84 соответственно). В них сформулированы определения характеристик, даны типовые формы и размеры образцов, основные требования к испытательному оборудованию, методика проведения испытания и обработки результатов.

Для испытаний на растяжение используются пропорциональные цилиндрические или плоские образцы с начальной расчетной длиной рабочей части l₀=5,65F₀^1/2 или l₀=11,3F₀^1/2. Помимо рабочей части образцы имеют головки различной конфигурации для крепления в захватах. Каждый образец перед испытанием маркируют, измеряют и размечают. Маркировку наносят вне пределов рабочей длины образца. Диаметр цилиндрических образцов измеряют с точностью не ниже 0,01мм при d₀10 мм и 0,05 мм при d₀>10 мм. Измерения проводят не менее чем в трех местах – в средней части и на границе рабочей длины. Для определения относительного удлинения  и равномерного относительного удлинения _р по рабочей длине образца наносят риски, неглубокие керны или иные метки с точностью до 1% от величины l₀. Расстояние между метками до и после испытания замеряется на инструментальном микроскопе.

1.2.1. Определение механических характеристик

Испытания на растяжение, как правило, проводятся на универсальных машинах, представляющих собой сложные, частично автоматизированные устройства. Основными узлами любой испытательной машины являются приводное устройство, обеспечивающее нагружение образца с заданной скоростью, силоизмерительный механизм с изменяемым диапазоном и устройство для измерения деформации или перемещения подвижной траверсы. Чаще всего результаты испытаний выводятся в графической форме в координатах усилие – перемещение траверсы.

При статических испытаниях определяют прочностные и пластические характеристики.

1.2.1.1. Прочностные свойства – это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению. Большинство стандартных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на кривой растяжения. Для поликристаллических материалов все многообразие этих кривых можно свести к трем типам (Рис.1.1). Диаграмма растяжения первого типа (Рис.1,а) характерна для образцов, разрушающихся без заметной пластической деформации. Диаграмма второго типа (Рис.1.1,б) получается при растяжении образцов, равномерно деформирующихся вплоть до разрушения. Наконец, диаграмма третьего типа (Рис.1,в) характерна для образцов, разрушающихся после образования «шейки» в результате сосредоточенной деформации. В последнем случае на диаграмме растяжения могут наблюдаться “зуб” и площадка текучести. В зависимости от типа диаграммы меняется набор характеристик, которые по ней можно рассчитать, а также их смысл.

Рис.1.1. Типы диаграмм растяжения образцов: а) – с отсутствием пластичности; б – однородно деформирующиеся до разрушения; в – с зубом текучести и с образованием шейки перед разрушением.

На рис.1.2 нанесены характерные точки, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики (_i=P_i/F_o).

Рис. 1.2. Характерные точки на диаграмме растяжения, по которым рассчитывают прочностные характеристики и удлинение до разрушения. Р – величина растягивающего усилия, соответствующего: Рпц - пц, предел пропорциональности; Рупр - упр, предел упругости; Рт - т, физический (нижний) предел текучести; Ртв - тв, верхний предел текучести; Рв - в, условный предел прочности (временное сопротивление разрушению); Рк – Sк, истинное сопротивление разрушению.

Предел пропорциональности. Усилие P_пц определяет величину предела пропорциональности _пц – напряжения, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука. Определение _пц графическим способом производится по начальному участку диаграммы растяжения. Проводят прямую 0М совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения (Рис.1.3). Ее пересечение с осью абсцисс дает новое положение нуля, корректирующее ошибку начала диаграммы, связанную с выборкой зазоров в подвижных частях испытательной машины. Затем на произвольном уровне проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и продолжают ее до точки С, из расчета ВС=1/2 АВ. Через точку С проводят прямую 0C и параллельно ей касательную к диаграмме растяжения. Точка касания определяет искомую нагрузку P_пц. Предел пропорциональности _пц, МПа, вычисляют по формуле _пц= P_пц / F_o.

Предел упругости – _0,05 - напряжение при котором остаточное удлинение образца достигает 0,05% исходной длины рабочей части образца. Рекомендуется следующий способ определения предела упругости. После того как условный предел упругости будет превышен, усилие на образец снижают до величины, составляющей, примерно, 10% от достигнутого. Далее производят повторное нагружение до тех пор, пока величина приложенного усилия не превысит первоначальную. На диаграмме проводят прямую вдоль петли гистерезиса, а затем параллельную ей линию, расстояние от начала которой до точки О диаграммы, отложенное по оси удлинения, соответствует допуску на величину пластической деформации. Величина усилия P_0,05, соответствующая точке пересечения этой линии с диаграммой растяжения, определяет усилие условного предела упругости. Предел упругости _0,05, МПа, вычисляют по формуле _0,05= P_0,05 / F_o.

Рис. 1.3. Графический способ определения предела пропорциональности

Модуль упругости – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Модуль упругости (Е), МПа, определяют расчетным способом с помощью экстензометра, либо графическим по начальному участку диаграммы. При расчетном способе экстензометр устанавливается на образец после приложения к образцу начальной нагрузки P₀ равной 10-15 % от предполагаемого предела пропорциональности. Затем проводят нагружение образца равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению, равному 70-80% от предполагаемого предела пропорциональности. По результатам испытаний определяют среднюю величину приращения удлинения образца l_ср, мм, на ступень нагружения P, Н. Модуль упругости определяют по формуле:

Е=(P · l₀ )/( l_ср · F_o )

Предел текучести. В зависимости от типа диаграммы растяжения (наличие зуба текучести) материал может иметь физический и верхний пределы текучести или условный предел текучести. Предел текучести физический (нижний предел текучести _т) – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Верхний предел текучести (_т^в)– напряжение, соответствующее первому пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца. Физический и верхний пределы текучести определяют из диаграммы растяжения по формуле: _т, =P_т, / F_o.

Рис. 1.4. Графический способ определения условного предела текучести.

При отсутствии на диаграмме зуба и площадки текучести (Рис.1.4.) рассчитывают условный предел текучести (_0,2) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка рабочей части образца, и определяется либо аналогично пределу упругости, либо по непрерывной диаграмме растяжения. В последнем случае нужно найти на диаграмме точку P_пц, соединить ее прямой линией с точкой нуля, отложить от нуля 0,2% относительного удлинения, провести через точку 0,2% линию N, параллельную линии 0P_пц. Пересечение с диаграммой дает точку Р_0,2.

Временное сопротивление (предел прочности) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке P_max, предшествующей разрушению образца, обозначается _в и вычисляется по формуле:

_в= P_max / F₀.

1.2.1.2. Характеристики пластичности.

Основные характеристики пластичности при испытаниях на растяжение – относительное удлинение  и относительное сужение .

Относительное удлинение – отношение приращения расчетной длины образца (l_к–l₀) после разрушения к начальной расчетной длине l₀, выраженное в процентах:

=(l_к-l₀)·100/ l₀.

Относительное сужение

Относительное сужение – отношение разности начальной (F₀) и минимальной конечной (F_к) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади, выраженное в процентах: ψ=(F₀–F_к)100/F₀. Относительное сужение следует рассматривать как характеристику сосредоточенной деформации, если в образце перед разрушением образуется шейка.

1.3. Задание.

1.3.1. Получить результаты испытаний двух образцов (исходного и прокованного) на растяжение в виде таблицы данных «усилие – перемещение траверсы».

1.3.2. Построить диаграммы нагружения образцов в координатах «усилие – перемещение траверсы».

1.3.3. Определить стандартные статические характеристики материала (_пц, _в, _0,2, ) и представить результаты в виде таблицы.

1.3.4. Сравнить механические характеристики стали в исходном и прокованном состояниях.

1.4. Отчет по работе

По работе составить отчет, который должен содержать:

1. Цель работы.

2. Первичные диаграммы растяжения.

3. Результаты измерений и расчетов в виде таблицы и описания.

4. Таблицу расчетных данных.

5. Выводы по работе.

10