Лабораторна робота № 1.

 

Председатель Совета

Минераловодской районной

общественной организации «Голос народа» Н.А. Родионов

 

 

Лабораторна робота № 1.

ДОСЛІДЖЕННЯ СТАЛЕЙ НА РОЗТЯГ

 

Мета роботи: експериментальне визначення залежності між зовніш­німи силами, що діють по осі зразка і його видовженням; визначення пара­метрів, що характеризують міцність і пластичність матеріалу зразка; освоєння методики випробовування на розтяг.

Обладнання, прилади та інструменти: випробувальна машина Р-5, штангенциркуль, міліметровий папір, олівець, лінійка.

1. Короткі теоретичні відомості

З різних способів механічних випробувань матеріалів найбільш поши­реним є статичне випробування на простий (одновісний) розтяг, при якому в поперечному перерізі досліджуваного зразка виникає тільки повздовжня сила, а поперечні сили і моменти відсутні. Поведінка матеріалу під дією навантаження виявляється за допомогою графіка, що називається діаграмою розтягу. На рис. 1 зображена діаграма розтягу пластичного матеріалу, що виражає залежність видовження зразка від прикладеного навантаження.

Прямолінійна ділянка ОА характеризує пряму залежність між наванта­женням і деформацією (закой Гука). Точка А відповідає границі пропорцій­ності. Границя пропорційності - найбільше напруження при якому зберігається лінійна залежність між навантаженням Р і видовженням Δl.

 

де — початкова площа поперечного перерізу зразка.

Криволінійна ділянка на початку діаграми утворюється в наслідок наявності зазорів в передаточних ланках машини, а також деформування нерівностей поверхонь головок зразка.

До границі пропорційності σ_пц близька за величиною границя пружності σ_пр. Границя пружності σ_пр - це напруження, перевищення якого викликає незначні залишкові деформації (порядку 0,005 ¸ 0,05%).

Границя текучості σ_Т - напруження, при якому відбувається ріст залишкових деформацій без помітного збільшення навантаження:

На діаграмі горизонтальна ділянка ВС зображає площадку текучості. У деяких матеріалів (наприклад, високовуглецева сталь) діаграма розтягу не має площадки текучості.

На рис. 2 показана діаграма розтягу такої сталі. Для таких матеріалів визначають умовну границю текучості σ_0,2 (умовно, як напруження при якому, залишкова деформація (згідно Державного стандарту) складає 0,2 % від довжини зразка (0,002) від зміни довжини зразка) за формулою:

де Р_0,2 - величина навантаження, що відповідає залишковому видовженню ε_0,2 від розрахункової довжини зразка. Для визначення навантаження Р_0,2 по діаграмі на осі абсцис відкладають величину залишкового видовження (рис. 2) в масштабі видовжень, із точки С проводять пряму паралельно прямолінійній ділянці діаграми. Точка перетину її з діаграмою розтягу визначає ординату на­вантаження Р_0,2. Для дальшого розтягу зразка необхідно навантаження збільшу­вати. Таке явище називається зміцненням матеріалу.Явище підвищення границі пропорційності при попередньому навантаженні зразка вище границі текучості називається наклепом. Діаграма розтягу на наступній ділянці має вид опуклої кривої з найвищою точкою В. З моменту, коли наванта­ження досягає максимальної величини, в тій частині зразка, де більше внутріш­ніх і зовнішніх дефектів, починає утворюватися місцеве звуження - “шийка”.

Напруження, викликане найбільшим навантаженням Р_В - називається границею міцності (тимчасовим опором):

Точка К характеризує момент руйнування зразка.

Відношення навантаження Р_р в момент руйнування зразка до площі шийки S_ш в місці розриву називається дійсним опором:

По одержаних при дослідженні даних визначають механічні характерис­тики матеріалу (σ_пц, σ_пр , σ_Т і σ_В), які характеризують міцність матеріалу. Крім цього визначають характеристики пластичності матеріалу, до яких відно­ситься:

1. відносне залишкове видовження ,

де l_p - довжина розрахункової частини зразка після розриву;

l₀ – початкова розрахункова довжина зразка.

1. відносне залишкове звуження ,

де Sp - площа поперечного перерізу зразка після руйнування.

Порівнюючи отримані результати досліджень з поданими нижче в табли­ці 1 даними можна встановити орієнтовно марку сталі досліджених зразків.

 

Коефіцієнт Пуасона характеризує залежність між повздовжньою та поперечною деформаціями.

.

2. Будова випробувальної машини.

Для випробування на розтяг застосовують два основних типи машин – ва­жільні і гідравлічні. В даній роботі дослідження на розтяг проводиться на роз­ривній машині Р-5. З механічний навантаженням і важільно-маятниковим сило­вимірювачем. Машина Р-5 призначена для статичних випробувань на розтяг і стиск. Кінематична схема машини зображена на рис. 3. При випробуванні на розтяг для закріплення зразка 5 в захватах 3 та 4 встановлюють клини. Для ци­ліндричних зразків застосовують клини з рифленим жолобом, а для плоских зразків, клини з плоскою поверхнею, що має насічку.

 

Рис. 3. Схема випробувальної машини Р-5:

1 – гайка;	4 – верхній захват;	7 – діаграмний барабан;
2 – гвинт;	5 – зразок;	8 – нитка, яка провертає барабан;
3 – нижній захват;	6 – шкала;	9 – гальмо маятника.
10 – маятник.

При випробуванні на стиск на захвати машина встановлюють опорні пли­ти. Для установки зразка нижній захват переміщають вручну вздовж напрямних станини машини рукояткою 4, яка повинна бути попередньо звільнена від штифта 3.

Навантажувальний пристрій. Електродвигун через коробку швидкостей обертає гайку 1, яка в свою чергу переміщає гвинт 2 вгору (при випробуванні на стиск) або вниз (при випробуванні на розтяг). Для включення електродвигу­на необхідно штифтом закріпити рукоятку, щоб не допустити обертання гвинта навколо своєї осі. Швидкість переміщення нижнього захвата від електродвигу­на може бути 11 або 48 мм/хв. Включення тієї чи іншої швидкості здійснюється переміщенням важеля. Для одержання менших швидкостей використовують ручний привід.

Силовимірний пристрій. Верхній захват 4 зв’язаний через важіль і тягу з маятником 10. Силу, що діє на зразок, визначають по відхиленню маятника від вертикального положення.

Найбільше навантаження, яке може бути прикладене до зразка, зале­жить від ваги вантажу, встановленого на маятнику і довжини плеча маятни­ка.

В залежності від настройки машини можливі 4 граничні навантаження 500, 1000, 2500, 5000 кгс (4,9; 9,8; 24,5 кН), досягають встановленням додат­кового вантажу.

Відхилення маятника передається на гвинт 2, який переміщається по­ступально і обертає шестерню, закріплену на одній осі із стрілкою шкали навантажень 6. При випробуванні на розтяг стрілка шкали обертається за годинниковою стрілкою, а при випробуванні на стиск - проти годинникової стрілки. Після руйнування зразка маятник намагається повернутись у вихідне положення. Для цього, щоб його рух при цьому не був різким, користуються гальмом 9.

Розривна машина укомплектована барабаном 7, на якому автоматично викреслюється діаграма розтягу або стиску. Барабан 7 одержує обертання від нитки 8, прикріпленої до нижнього захвата 3. Олівець жорстко зв’язаний з гвинтом 2 і при навантаженні зразка переміщається вздовж твірної барабана, тим самим викреслюючи на міліметровому папері криву залежності зміни довжини зразка від навантаження.

На осі барабана 7 закріплено два ролики при обмотуванні ниткою ролика меншого діаметра масштаб запису зміни довжини зразка буде 2 до 1, а при обмотуванні ниткою ролика більшого діаметра буде 1 - 1

Масштаб діаграми по навантаженню залежить від тієї шкали при якій ведуть випробування. Він рівний:

1. 0 - 500 кг 1 мм на діаграмі відповідає 49 Н (5 кгс)

2. 0 - 1000 кг 1 мм на діаграмі відповідає 98 Н (10 кгс)

3. 0 - 2500 кг 1 мм на діаграмі відповідає 245 Н (25 кгс)

4. 0 - 5000 кг 1 мм на діаграмі відповідає 490 Н (50 кгс)

 

3. Форма і розміри зразків.

Для того, щоб механічні характеристики, одержані при випробуванні буди порівняльними, зразки для дослідження виготовляють стандартної фор­ми круглого або прямокутного поперечного перерізу (рис. 4).

 

Рис. 4. Циліндричні (а) та призматичні (б) зразки для випробувань на розтяг-стиск

З обох кінців зразок має головки для закріплення в захватах машини. З метою зменшення впливу головок зразка на неоднорідність напруженого стану в його робочій частині, робоча довжина зразка робиться довшою від розрахун­кової довжини. З цією ж метою перехід від робочої частини зразка до головок робиться плавним. Круглі зразки з d₀ = 10 мм називаються нормальними, а зразки інших діаметрів - пропорційними. Розрахункова довжина прийма­ється десятикратною по відношенню до діаметра для так званих довгих зразків круглого поперечного перерізу l₀ = 10 d₀ і п'ятикратною – l₀ = 5 d₀ для так званих коротких зразків. Для можливості порівняння результатів, одержаних при випробуванні зразків прямокутного і круглого поперечного перерізів, ви­готовлених з одного матеріалу, необхідно витримати відповідні відношення між розрахунковою довжиною і площею поперечного перерізу.

Виражаючи площу перерізу прямокутного зразка, як площу круга з

,

умовним діаметром , одержимо:

Тому розрахункова довжина довгого прямокутного перерізу буде:

короткого зразка:

 

Таблиця 1. Механічні характеристики сталей

 

Матеріал	Марка	Границя	Границя	Відносне залишкове видовження	Відносне залишкове звуження
текучості	міцності
МПа
Сталь вуглецева	Ст. 2		340-420		-
Ст. 3		380-470	25-27	-
Ст. 4		420-520	23-25	-
Ст. 5		500-620	19-21	-
Сталь вуглецева якісна конструкційна
Сталь хромиста	40Х
50Х
Сталь хромонікелева	40ХН
50ХН