Работа № 1

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы:

1. Экспериментальное изучение процесса растяжения металлического образца.

2. Определение основных механических характеристик материала.

3. Ознакомление с испытательной машиной FP-100.

1. Постановка задачи и теоретические сведения

Испытание на растяжение является наиболее распространенным и основным методом определения и исследования механических характеристик материалов. К ним относятся характеристики упругости, прочности пластичности и статической вязкости.

При статическом приложении продольной силы к образцу вдоль его оси между внешней нагрузкой и деформацией (удлинением) образца наблюдается зависимость, отражающая свойства материала и условия испытания (температура, скорость и т.д.). Графически эта зависимость отображается кривой на диаграмме деформирования, называемой первичной кривой растяжения. Эта диаграмма является основным документом, результатом обработки которого совместно с другими данными, получаемыми непосредственным отсчетом и измерениями образцов, получают основные характеристики механических свойств.

Для многих материалов первичная кривая имеет вид, представленный на рис. 1.1, т.е. с площадкой текучести. В нашей работе испытывается образец из низкоуглеродистой стали, для которой характерна диаграмма именно этого типа (объяснение криволинейности участка в области начала координат будет дано ниже).

Если образец после достижения нагрузки, вызывающей текучесть материала, разгрузить, то на диаграмме получится линия, параллельная начальному прямолинейному участку ОА (линия ММ₂ на рис. 1.1). При разгрузке снимаются только упругие деформации, а пластические остаются. Полная деформация равна сумме упругой и пластической. При повторном нагружении этого образца новая линия нагрузки почти совпадает с линией разгрузки. Таким образом, усилие, до которого сохраняется прямая пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией, повышается, а величина остаточной деформации до разрушения уменьшается, что характерно для явления упрочнения материала (наклеп, нагартовка). В связи с упругими несовершенствами реальных материалов и неоднородностью пластических деформаций зерен металла наблюдается различие в диаграммах нагружения и разгружения (гистерезис), т.е. несовпадение линий нагружения и разгружения (показано на рис. 1.1 линиями ММ₂). Учитывая практическую равномерность внутренних усилий в каждой точке поперечного сечения образца и сохранение сечения плоским при деформировании, принято усилия в данный момент растяжения относить к площади поперечного сечения образца. Если в такой расчет вводится первоначальная площадь поперечного сечения, т.е. площадь до деформации, то получаемые величины называют условными напряжениями. Их величина для характерных точек диаграммы показывает значение таких характеристик механических свойств, как пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности, вычисляемых по формулам, приведенным в тетради для лабораторных работ. Они с некоторым приближением характеризуют уже материал.

Рис. 1.1. Первичная диаграмма растяжения образца из мягкой стали.

Если нагрузка делится на площадь сечения в данный момент растяжения, то подсчитанные напряжения называются истинными. В работе они вычисляются только для конечной нагрузки в момент разрушения образца по площади сечения образца в месте разрыва (истинные напряжения разрыва). Истинные напряжения более точно характеризуют материал и не зависят от размеров образца, но их трудно определять.

Можно вместо абсолютных удлинений в каждый момент растяжения определить условное относительное удлинение, разделив абсолютное удлинения на расчетную длину образца, т.е. длину до деформации. По величинам условных напряжений в характерных точках диаграммы растяжения и соответствующим им относительным удлинениям строят условные диаграммы «напряжение – относительное удлинение».

Величина остаточного относительного удлинения после разрыва образца, а также величина относительного сужения (отношение изменения площади сечения образца в месте разрыва к первоначальной площади) характеризуют пластичность материала. При этом следует иметь в виду, что остаточное абсолютное удлинение равно:

Δl_ост = Δl₁ + Δl₂,

где Δl₁ – остаточное удлинение образца, получающееся главным образом до образования шейки и равномерно распределяющееся по длине образца;

Δl₂ – остаточное удлинение образца, получающееся после образования шейки и характеризующее главным образом неравномерную деформацию в зоне шейки.

Удлинение Δl₂ в большей степени зависит от диаметра, чем от длины, и значительно больше, чем Δl₁. Таким образом, при увеличении длины образца увеличение Δl_ост не будет пропорционально увеличению длины, а будет несколько меньшим и наоборот. Опыты показывают также, что форма поперечного сечения влияет на местную деформацию в шейке и, следовательно, на все удлинение образца. Из всего этого следует, что сравнимые результаты в отношении удлинения можно получит лишь применяя геометрически подобные образцы, в частности со стандартными размерами. Относительное остаточное удлинение после разрыва обозначают обычно через δ. При этом необходимо ставить индекс, показывающий соотношение между расчетной длиной образца и его диаметром: l₀=10d₀ (нормальный образец) и l₀=5d₀ (короткий образец). Соответственно относительное удлинение обозначают δ₁₀ и δ₅. Соотношение между ними, например, для некоторых сталей следующее:

δ₁₀ = 0,82 δ₅.

Для пластичных материалов деформация, сосредоточенная в шейке, значительна, и их пластичность лучше характеризует относительное сужение, которое больше и применяют в обработке металлов давлением. Площадь под диаграммой растяжения численно равна работе, затраченной на разрушение образца из испытываемого материала. При этом площадь КДС равна работе упругого, а площадь ОАТВКС – пластического деформирования. Статическая вязкость характеризуется работой (А), затраченной на пластическое деформирование до разрушения 1 см³ материала, т.е. это удельная работа (а):

где V – начальный объем образца.

Приближенно работу, затраченную на пластическое деформирование, определяют:

А = Р_max · Δl_ост · η,

где Р_max – максимальное усилие при растяжении;

η – коэффициент полноты диаграммы.