ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить и приобрести навыки проведения основных видов механических испытаний материалов, определить прочностные характеристики испытуемых материалов.

Теоретические сведения

Под механическими свойствами понимают параметры, которые дают информацию о поведении материала под действием внешних нагрузок. Количественные величины этих параметров обусловлены природой +взаимодействия молекул и атомов в твердом теле, фазовым составом сплавов, их структурой.

Значения механических свойств позволяет определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала. Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин, приборов, конструкций.

Большое разнообразие условий эксплуатации материалов, повышение и расширение спектра требований к ним привело к разработке широкого круга методов определения их свойств. В зависимости от скорости нагружения испытания являются статическими, когда нагружение производится медленно, нагрузка возрастает плавно или остается постоянной длительное время, либо динамическими, если нагрузка возрастает мгновенно (ударно). При повторно - переменных испытаниях изменяется величина и направление нагрузки. Испытания могут проводиться при комнатных, повышенных, отрицательных (криогенных) температурах. Различны и схемы нагружения образцов: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез.

Нормальные напряжения приводят к хрупкому разрушению материала, а касательные ответственны за пластичность.

Простота испытаний на твердость и доступность оборудования сделали этот вид испытаний универсальным, широко используемым.

Механические свойства конструкционных материалов

Основным механическим свойствам конструкционных материалов и сплавов, определяющим работоспособность конструкции и область их применения, относят: твердость, прочность, упругость, пластичность, вязкость, выносливость.

Твердость – сопротивление материала проникновению в него индентора, из другого более твердого материала.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению при воздействии внешних напряжений. Определяем усилие разрушения.

Упругость – способность материала восстанавливать свои размеры и форму при снятии внешних напряжений.

Пластичность – способность материала изменять форму и размеры при воздействии усилия.

Вязкость - это сопротивление материала динамическому, ударному воздействию нагрузки. В этом случае мы определяем работу разрушения.

Все вышеназванные свойства оцениваются количественными параметрами которые могут быть получены с использованием различных схем нагружения. Например, прочность можно оценить при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Соответствующие виды и способы испытаний оговорены в ГОСТах на каждый класс материалов.

Определение количественных характеристик механических свойств

Основными методами оценки свойств конструкционных сталей являются испытания на статическое растяжение, твердость, динамический изгиб иреже знакопеременные усталостные нагружения.

Испытания на статическое растяжение

Рис 3.1. Схема гидравлической разрывной машины

Основной характеристикой разрывной машины является развиваемое ею максимальное усилие. На рис. 3.1. показан принцип работы гидравлической машины.

Механические свойства обычно определяют по первичным кривым растяжения в координатах: нагрузка - Р, абсолютное удлинение - ∆ l, которые автоматически записываются на диаграммной ленте испытательной машины. Всё многообразие этих кривых при низких температурах в первом приближении можно свести к трем типам диаграмм растяжений (ДР). Рис. 3.1.

Рис. 3.2. Типы диаграмм растяжения

ДР I типа характерна для образцов, разрушающихся без заметной пластической деформации (хрупкие материалы). ДР II типа получается при растяжении образцов, равномерно деформирующихся вплоть до разрушения. Наконец, ДР III типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации.

Прочностные свойства

Прочностные свойства - это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению. Поскольку величина усилия Р не может рассматриваться как характеристика материала, в практике используется понятие механического напряжения ( ), представляющего собой усилие, отнесенное к площади поперечного сечения, которое однозначно определяет прочностные свойства материала:

(3.1.)

где P – усилие растяжения, F0 – начальное поперечное сечение образца перед испытанием.

Большинство стандартных прочностных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на ДР. На рис.3.3 дана диаграмма III типа на которой нанесены характерные точки, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики. Кривая ОАDС характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений . До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала (где — относительная деформация).

Рис. 3.3. Диаграмма растяжения металлов для условных напряжений в координатах , где l-область упругой деформации, ll- область пластической деформации, lll- область развития трещин.

Модуль упругости Е определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла, а все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорцио-нальности ( ). Обычно определяют условный предел пропорционально-сти, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50 % своего значения на линейном (упругом) участке.

Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практически вызывают только упругие (в микроскопическом смысле) деформации, поэтому нередко отождествляют с условным пределом упругости. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0, 05% (или еще меньше) первоначальной длины образца:

(3.2.)

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0, 2 %, назы-

вают условным пределом текучести:

(3.3.)

При испытании сплавов железа и других металлов с ОЦК-решеткой при достижении определенного напряжения на кривой растяжения образуется площадка. Напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки, называется физическим пределом текучести.

Условный предел текучести является расчетной характеристикой, которая определяет допустимую нагрузку, исключающую остаточную деформацию. По величине при нормальной температуре различают:

материалы низкой прочности ( 650MПа), средней прочности ( 650-1300МПа), и высокой прочности ( 1300-1400МПа).

Если допустимые напряжения определяются упругой деформацией (жесткая конструкция), то в расчетах по определению увеличения длины образца используется величина модуля упругости E. Величины и характеризуют образование малых деформаций.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности:

(3.4.)

У пластичных металлов начиная с напряжения деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения - так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент образец разрушается. (точка С на рис 3.2).

Истинное сопротивление разрушению Sк определяется как отношение усилия в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва:

(3.5.)

Где F_k – конечная площадь поперечного сечения образца перед разрушением.

В случае хрупкого разрушения SК и определяет действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала. При вязком разрушении (когда образуется шейка) и S_k характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не разрушению. В конструкторских расчетахB S_k практически не используются, так как пластическая деформация при предельных напряжениях может нарушить работоспособность деталей и узлов. Для расчёта допустимых нагрузок на деталь в конструкторских расчётах используют .

В процессе растяжения металл испытывает деформационные упрочнения (наклёп).

Характеристики , , , атакже Е являются базовыми — они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входят в расчеты прочности и ресурса.

Рис.3.4. Стандартные образцы для испытания на растяжение: а - образец с квадратным сечением, б - образец с круглым сечением

Применение коротких образцов предпочтительнее. На рабочей части образцов недопустимы следы механической обработки, забоины и другие дефекты.

Перед испытаниями измеряют поперечное сечение образцов (у цилиндрических - начальный диаметр рабочей части d0 , мм, а у плоских - начальную толщину рабочей части , мм, и начальную ширину , мм). Измерения проводят в трех местах рабочей части образца (в середине и по краям). Начальная расчетная длина образца ограничивается неглубокими кернами, рисками или иными метками. Точность измерения t0, h0, и l0 не менее 0, 01 мм.

Выбор испытательных машин

Испытание образцов на растяжение осуществляют на серийно выпускаемых испытательных машинах, которые должны соответствовать требованиям ГОСТ 7855—84.

Испытания на растяжение при комнатной температуре проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах. В зависимости от принципа действия нагружающего механизма испытательные машины подразделяют на механические и гидравлические. Основной характеристикой разрывной машины является развиваемое ею максимальное усилие. Более мощные машины (усилие 20 т) выполняются, как правило, гидравлическими. На рис. 3.1. показан принцип работы гидравлической машины, где по давлению в цилиндре определяют растягивающую силу, а смещение поршня, измеренное точным прибором, дает возможность определить изменение размера образца.

В машинах данного типа скорость нагружения образца должна быть от 1, 0 до 30, 0

Современные машины высшего класса представляют собой сложные, частично автоматизированные устройства; они чаще всего оснащаются ЭВМ, при помощи которых может производиться расчет любых характеристик в процессе испытаний или сразу же после испытаний.

Подготовка машины к испытанию

-Установить захваты или выбрать приспособление для крепления образцов;

-установить шкалу силоизмерителя;

-подготовить записывающий прибор (диаграммный аппарат);

-определить масштаб записи диаграммы;

-заправить ленту и перо (подготовить самописец диаграммы);

-убрать с машины посторонние предметы;

-включить двигатель и опробовать машину без нагрузки для проверки влияния перемещения ее подвижных частей на чувствительность силоизмерителя, стрелку которого необходимо установить на нуль шкалы и поставить перо записывающего прибора на нулевую отметку, а также проверить действие тормозного устройства;

-установить рабочий стол (траверсу) машины в положение, необходимое для фиксации испытательного образца;

-при включенной машине установить образец, соосно закрепив головки (захваты для крепления образца).

Проведение испытаний

Установив образец на машине и выбрав зазоры, медленно нагружают образец, через 3—7 с увеличивают нагрузку до заданного значения. Нагрузку следует увеличивать плавно, чтобы можно было следить за положением стрелки силоизмерителя относительно шкалы в любой момент испытания, при нарушении плавности возрастания нагрузки нужно снизить скорость нагружения. После разрыва образца немедленно выключают машину, записав максимальную нагрузку, снимают образец и диаграмму. Стол (траверсу) и стрелку силоизмерителя возвращают в исходное положение.

Результаты испытаний записывают в соответствующие графы протокола.

Для каждого образца в протоколе записывают его номер и условное обозначение, а также размеры расчетной части образца до испытания (начальную расчетную длину lо, толщину ao и ширину b₀ ). Кроме того, в протоколе записывают рассчитанную начальную площадь поперечного сечения образца F0 . После разрыва измеряют и заносят в протокол размеры образца: l_k , ∆ l , a_k , b _k, F_k, а также указывают максимальную нагрузку Р MAX= P_вр и рассчитанные по диаграмме нагрузки Рпц, Р 0, 05и Р 0, 2соответствующие пределу пропорцииональности и условному пределу текучести.

Определение удлинения и сужения. Относительное удлинение можно определить по первичной ДР. Определив абсолютное удлинение ∆ l к момент разрушения в точке С и зная начальную длину рассчитаем по формуле(3.1). Недостаточная жесткость многих испытательных машин делает расчет по ДР менее точным, чем по результатам измерения расчетной - lK разорванного образца. Для определения длины lK обе части разорванного образца плотно прикладывают одну к другой и измеряют расстояние между метками.

И масштаба

Для определения P0, 05 и Р0, 2 вначале определим масштабы по оси Р и оси удлинений ∆ l.

Масштаб нагрузки (Рис.3.5):
где Р_вр – максимальное усилие разрыва в Н, L_p – длина по оси Р в мм на диаграмме растяжения соответствующая усилию Р_вр (при Р_вр от 2500 до 3500Н, L_Р 120-180 мм).

Масштаб деформации:

где Δ l в мм – увеличение длины образца при растяжении (определяется по показаниям разрывной машины или измерением при сложенных частях образца после разрыва), L_деф – длина отрезка ОN в мм на диаграмме Рис. 3.5 (при Δ l 8 - 12 мм, L_деф 60-160 мм).

Для определения P0, 05 находим Δ l_{0, 05}, соответствующее деформации образца при σ _{0, 05}. Величина деформации равна 0, 05% от длины образца l₀ (при l₀ 60–70 мм, Δ l_0, 0, 03 - 0, 035 мм). Учитывая масштаб деформации, отрезок OK на диаграмме (Рис. 3.6) будет равен × Так как эта величина очень мала, то в учебных целях на диаграмме откладываем отрезок ОК с учетом наименьшего возможного разрешения при построении графика. Из точки К проводим отрезок КS параллельный прямолинейному участку диаграммы. Проекция точки S на ось нагрузок Р кривой растяжении соответствует координате диаграммы усилия Р_{00, 5}. Исходя из масштаба нагрузки М_н определяем усилие Р_{00, 5} равное длине отрезка ОР_{00, 5} умноженного на масштаб нагрузок М_н (при ОР_{00, 5} 120 - 160мм, Р_{00, 5} 2000 – 2600Н).

Повторяем построение отрезка ОК₁ для σ _{0, 2}.

Исходя из формулы , где Р соответствующая величина нагрузки,

F₀– начальная площадь поперечного сечения образца (F₀=а₀× b₀, где а₀ – толщина, b_о – ширина в мм средней части образца),

тогда соответственно

, , , .

Необходимо помнить, что такое графическое определение прочностных характеристик возможно только при достаточно большом масштабе увеличения по оси деформаций. Так, например, графическое определение допускается при масштабе по оси удлинения не менее 50: 1, а для - не менее 10: 1.

Рис 3.7. Схема ударного испытания на изгиб на маятниковом копре

По величинам полной работы деформации и разрушения рассчитывается основная характеристика данного вида испытаний - ударная вязкость

(3.11)

где F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. Стандартная размерность ударной вязкости - кДж/м2 или Дж/см2.

Ударная вязкость - это сложная, комплексная характеристика, зависящая от совокупности прочностных и пластических свойств материала.

Хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе четко различаются по виду излома: блестящий «кристаллический» или матовый «волокнистый».

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить описание лабораторной работы и инструкции по эксплуатации используемого оборудования.

2. По указанию преподавателя получить у лаборанта материалы для испытания на растяжение.

3. Подготовить образцы для испытания на растяжение по ГОСТ 1497-73. 4. Провести испытание образцов на растяжение по ГОСТ 1497-73.

5. Оформить протокол испытаний (табл.3.1).

6. По указанию преподавателя получить у лаборанта материалы для испытаний на ударную вязкость.

7. Подготовить образцы испытаний на ударную вязкость по ГОСТ 9455-78.

8. Провести испытание образцов на ударную вязкость.

9. Оформить протокол испытаний (табл.3.2)

Таблица 3.1

Протокол испытаний на растяжение

Форма и материал образцов ______________________Машина_____________

Рабочая шкала_____________________________________________

№ об ра зц а

Размеры образца до испытаний, мм

Нагрузки, Н

Условные механические напряжения, МПа

Размеры после испытания мм2

Характе-ристики пластичност, %

а₀ тол-щи-на

b0 ши-ри-на

LLllllllllllll l₀ дли-на

F₀ Пло-щадь

Pпц

P_0.05

P0, 2

Pвр

s_пц

s_0.05

s_0.2

s_вр

а_к

b_к

Таблица 3.2

Протокол испытания на ударную вязкость ____на копре____мощностью_____

№ п/ п	Мате-риал об-разца	Размеры и пло щадь попер. се-чения, м	Угол подъема маятника, град	Работа удара, кДж	Уд. вяз-кость КС кДж/м2	Хар-тер излома
			до из-лома	после излома

Содержание отчёта

1. Цель работы.

2. Индивидуальное задание (основные характеристики испытуемых материала, чертежи образцов).

3. Теоретическая проработка вопроса.

4. Первичные и истинные диаграммы растяжения.

5. Протоколы испытаний материалов на растяжение и ударную вязкость.

6. Анализ полученных результатов и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Основные виды динамических испытаний материалов,

2. Основные виды статических испытаний материалов.

3. Основные прочностные характеристики материалов.

4. Основные пластические характеристики материалов.

5. Основные динамические характеристики материалов.

6. Как обозначаются параметры ударной вязкости на чертежах?

7. Методика проведения испытаний на статическое растяжение при нормальных условиях.

8. Как определяется ударная вязкость при различных температурах.

9. Что такое " вязкий" и " хрупкий" излом материала?

10.Зависят ли параметры прочности и пластичности от дислокационной структуры?

11.Что понимается под термином " температурный запас вязкости материала"?

Литература

1. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов.- М.: Метал-луpгия, 1986.- 544 с.

2. Худокормова Р.Н., Пантелеенко Ф.И. Матераловедение: лабораторный практикум. Учеб. пособие для вузов./Под. pед. Л.С.Ляховича. - Мн.: Выш. шк., 1988.- 224 с.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. Учебник для вузов. -М.: Машиностроение, 1990.- 528 с.

4. Костин П.П. Физико-механические испытания материалов, сплавов и неметаллических материалов. - М.: Машиностроение, 1990.- 256 с.

5. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. Учебник для ву-зов. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1983.- 352 с.

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Теоретические сведения

12 3 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-14; Просмотров: 1376; Нарушение авторского права страницы