Laboratornye_raboty_SoproMat

Для изучения свойств материала удобнее пользоваться диаграммой растяжения, устанавливающей связь между нормальным напряжением σ и деформацией ε, которую называют условной диаграммой растяжения.

При построении условной диаграммы растяжения используют формулы

A0 l0

где F – растягивающая сила, А0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, l0 – длина образца, l – удлинение.

Величины F и l берутся из экспериментально полученной диаграммы растяжения.

Рассмотрим диаграмму растяжения образца из малоуглеродистой стали Ст.3 (рис. 8).

σ

E

S

σВ σР

σП σУ σТ

ε

Рис. 8. Условная диаграмма растяжения пластичной стали

На этой диаграмме необходимо отметить ряд точек – А, В, С, D, E, S. Начальный участок диаграммы ОА – прямая наклонная линия. Напряжения σ в образце прямо пропорциональны деформации ε, т.е. соблюдается закон Гука:

E .

12

Коэффициент пропорциональности в законе Гука Е – называется модулем упругости материала. Точке А соответствует напряжение П

– предел пропорциональности.

Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение, при котором деформация в материале прямо пропорциональна нагрузке:

П FП .

A0

Выше точки А диаграмма искривляется, закон Гука нарушается. Очень близко к точке А на криволинейном участке диаграммы можно отметить точку В, соответствующую пределу упругости У

Пределом упругости называется наибольшее напряжение, при котором в материале возникает только упругая деформация:

У FУ .

A0

Начиная от точки С диаграмма имеет горизонтальный (или почти горизонтальный) участок, которому соответствует предел текучестиT . На этом участке деформации растут без увеличения нагрузки – материал как бы течет.

Пределом текучести называется напряжение, при котором деформация возрастает без заметного увеличения нагрузки:

Т FТ .

A0

Горизонтальный участок диаграммы CD называют площадкой текучести, возникновение которой связано с явлением текучести. Площадка текучести ярко выражена только для малоуглеродистых сталей.

Точке Е диаграммы соответствует напряжение B – предел проч-

ности.

Пределом прочности называется наибольшее напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь:

В FВ .

A0

13

До достижения предела прочности продольные и поперечные деформации образца равномерно распределяются по его длине.

После достижения точки Е диаграммы эти деформации концентрируются в одном наиболее слабом месте, где начинается образовываться шейка – местное значительное сужение образца (рис. 9).

l0

dш

lp

Рис. 9. Образец до и после испытания.

С этого момента продольная деформация зависит уже не столько от длины образца, сколько от его диаметра.

За точкой Е нагрузка падает, что объясняется уменьшением поперечного сечения шейки, и происходит разрыв образца. Этому на диаграмме соответствует точка S и напряжение P .

Истинное сопротивление разрыву – Р FР .

Aш

Если начиная с некоторой точки К диаграммы (рис. 10) разгружать образец, то диаграмма будет представлена прямой КК1, параллельной прямой ОА. Отрезок ОК1 равен остаточной деформации 0 , соответ-

ствующей напряжению, представленному ординатой точки К, а отрезок К1К2 упругой деформации y , при том же напряжении. Полная деформация ε равна сумме указанных деформаций

y 0 .

Если вновь начать нагружать образец, то диаграмма образует небольшую петлю. Эта петля, заштрихованная на рис. 10, получается за счет необратимых потерь энергии деформации. Она носит название петли гистерезиса. Начиная с точки К линия диаграммы пойдет так, как будто не было разгрузки и повторной нагрузки. Это показывает, что при нагружении образца выше предела текучести и последующей

14

его разгрузке материал образца изменил свои свойства: пропала площадка текучести, повысился предел пропорциональности и уменьшилась полная деформация при разрыве (K1S2 OS2 ).

σ

E

L

K S

σ'п σп А

Рис. 10. Диаграмма растяжения с петлей гистерезиса

Такое изменение свойств металла носит название наклепа.

Наклеп может возникнуть не только при растяжении, но и при любых других видах деформации.

Иногда наклеп используют в технике. Например, цепи грузоподъемных машин предварительно вытягивают для возникновения в них наклепа, с целью уменьшить деформацию и повысить предел пропорциональности.

При повторной разгрузке образца, начиная с некоторой точки L, произойдет повторение описанного явления наклепа.

Высокоуглеродистые стали и некоторые другие материалы, не имеют площадки текучести. Предел текучести для этих материалов принимается условно равным напряжению, при котором остаточная деформация образца составляет 0,2%. Эта величина называется услов-

ным пределом текучести и обозначается σ0,2.

Прочностными характеристиками, определяемыми при растяжении являются: предел пропорциональности П, предел упругости У, предел текучести Т, предел прочности В и истинное сопротивление разрыву Р.

15

Пластичность характеризуется относительным остаточным удлинением при разрыве и относительным остаточным поперечным сужением при разрыве .

Для определения характеристик пластичности изменяют диаметр шейки dш и длину образца lP после разрушения. Используя эти величины, вычисляют lP lP l0 , Aш dш2 /4.

Относительное остаточное удлинение при разрыве определяет-

ся по формуле

lр 100%. l0

Относительное остаточное поперечное сужение равно

A0 Aш 100%,

A0

где Aш – площадь поперечного сечения шейки.

По величинам δ и ψ материалы условно делятся на пластичные и хрупкие. Материал считается пластичным, если относительная ос-

таточная деформация больше 5%. Для стали марки Ст3 относительная остаточная деформация δ ≥ 21%, у высокопрочных сталей эта величина снижается до 7…10%.

Величина δ зависит от соотношения длины образца и его поперечных размеров. Относительное остаточное сужение ψ более точно характеризует пластичность материала, поскольку оно в меньшей степени зависит от формы образца. Для стали Ст3 ψ составляет 50…60%.

Порядок проведения работы.

Испытанию подвергаются несколько образцов из различных металлов. Обмеренные образцы последовательно устанавливаются в захваты машины и подвергаются деформированию. В процессе испытания ведется наблюдение за поведением образца, получается диаграмма растяжения.

После разрушения образца замеряются необходимые для расчетов величины lР, dш и производятся необходимые вычисления.

16

Протокол испытания

Образцы до и после испытания

Эскизы образца

Результаты испытания образцов

F кН

l

Диаграммы растяжения образцов

17

4.Назовите прочностные характеристики материала. Как они определяются?

5.Какие величины относятся к характеристикам пластичности?

6.Упругие деформации. Пластические деформации, определения.

7.Опишите явление наклепа.

Лабораторная работа 3

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА СЖАТИЕ

Цель работы: Изучение поведения пластичных и хрупких материалов, испытание дерева при сжатии и определение их прочностных характеристик.

Образцы для испытаний. Испытаниям подвергаются образцы из дюралюминия или мягкой стали (пластичный материал) и чугуна (хрупкий материал), дерева. Металлические образцы изготавливаются в виде круглых цилиндров (h ≈ 2d), деревянные – в форме кубиков (рис. 11).

Испытательная машина. Испыта-

ния проводятся на стенде.

Содержание работы. Различные материалы имеют различные механические характеристики, в соответствии с которыми они разделяются на пластичные и хрупкие.

Пластичные материалы при нагружении способны образовывать большие остаточные (пластические) деформации. К пластичным материалам, например, относятся медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь. Мерой пластичности является относительное остаточное удлинение при разрыве δ. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал.

Хрупкие материалы разрушаются без образования заметных остаточных деформаций. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, строительные камни. Для таких материалов величина удлинения δ при разрыве не превышает 2…5%, а в ряде случаев измеряется долями процента.

19

При испытании пластичных материалов на сжатие получается график зависимости между сжимающей силой и длиной образца – диаграмма сжатия.

На рис. 12 представлена диаграмма сжатия и растяжения пластичной стали для величин σ, ε. Начальный участок ОА этих графиков – прямая линия. Точке А соответствует предел пропорциональности материала П , который незначительно отличается от предела текучести.

Как видно из рис. 12, пределы пропорциональности и текучести при растяжении и сжатии для пластичных материалов одинаковы. Можно заметить, что при сжатии нет ярко выраженной площадки текучести.

сжат.

раст.

Т А

Объясняется это тем, что при сжатии за пределом текучести растут пластические деформации, происходит быстрое увеличение величины поперечного сечения, следовательно, и жесткости образца.

Образец принимает бочкообразную форму (за счет трения на торцах, стесняющего поперечную деформацию концов образца) и может быть сплющен в диск (рис. 13). Разрушить образец не удается, поэтому определение предела прочности при сжатии для пластичного материала лишено смысла.

20

Прочностная характеристика пластичного материала при сжатии - это предел текучести (предел пропорциональности)

Т FТ .

A0

Диаграмма сжатия хрупкого материала представляет почти прямую, слегка выпуклую линию вплоть до разрушения. На рис. 14 диаграмма сжатия приведена вместе с диаграммой растяжения.

Разрушение происходит внезапно. Чугунный образец принимает слегка бочкообразную форму, что свидетельствует о наличии небольших пластических деформаций. На поверхности образца появляются продольные и наклонные трещины, что свидетельствует о слабом сопротивлении чугуна растягивающей деформации (рис. 15).

Единственной характеристикой для хрупкого материала при сжатии, которую можно определить из опыта, является предел прочности

B FВ .

A0

Сопоставление предела прочности хрупких материалов при растя-

жении B р с пределом прочности при сжатии Bc показывает, что

21