Описание экспериментальной установки. Лабораторная работа №1

Лабораторная работа №1

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ МАТЕРИАЛОВ

 

Задачей работы является экспериментальное изучение поведения материалов и определение их механических характеристик при растяжении и сжатии. В процессе проведения работы необходимо:

а) получить диаграммы растяжения и сжатия различных материалов;

б) определить механические характеристики материалов;

в) изучить изменение механических свойств материала при повторном нагружении.

Лабораторная работа состоит из четырех отдельных опытов.

 

Описание экспериментальной установки

Работа проводится на испытательной машине EU-40 (рис.1). Шлифованный образец стандартных размеров устанавливают в захваты и подвергают растяжению до разрыва. При этом диаграммный аппарат машины автоматически вычерчивает диаграмму растяжения в координатах Dl – P (в определенном масштабе по осям). По диаграмме растяжения определяются усилия, соответствующие пределу пропорциональности, пределу текучести, пределу прочности и истинному сопротивлению разрыва.

Рис. 1

Опыт №1 Испытание материалов на растяжение

 

Цель опыта

1.Изучение поведения различных материалов при растяжении до момента разрушения и определение зависимости между удлинением образца Dl и растягивающим усилием P.

2.Определение механических характеристик материалов: предела пропорциональности , физического или условного предела текучести s_т, временного сопротивления (предела прочности) s_в , относительного удлинения после разрыва d и относительного сужения после разрыва y.

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Образцы для испытания материалов

Испытания на растяжение проводят на специальных цилиндрических образцах с круглым поперечным сечением (рис.2,а). Из листового металла изготавливают плоские образцы (рис.2,б).

В цилиндрических образцах соотношение между расчетной длиной и диаметром составляет: у длинных образцов , у коротких . Эти соотношения для плоских образцов выражают через начальную площадь поперечного сечения образца соответственно:

                                                           (1)

В качестве основных применяют образцы с диаметром мм, но допускается использовать и другие образцы, удовлетворяющие вышеуказанным условиям. Такие образцы называются пропорциональными. Рабочая длина должна быть в пределах от  до  для цилиндрических и от  до  для плоских образцов.

 

Диаграмма растяжения

На рис.3 показана типичная диаграмма растяжения для малоуглеродистой стали. Диаграмму можно условно разделить на четыре зоны:

ОА – зона упругости. Материал подчиняется закону Гука.

АВ – зона общей текучести (площадка текучести). Здесь происходит удлинение образца без существенного увеличения усилия Р.

ВС – зона упрочнения. Удлинение образца сопровождается возрастанием усилия Р, но в сотни раз медленнее, чем в зоне упругости.

Точка С соответствует наибольшему значению усилия Р_max. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться шейка – местное сужение образца. Удлинение образца в этом случае имеет местный характер и участок СК называется зоной местной текучести. Точка К соответствует разрушению образца.

 

Следует отметить, что у многих материалов площадка текучести очень мала или отсутствует. Это наблюдается у высокопрочных легированных сталей, у хрупких (чугун и др.) и у пластичных цветных металлов. Разрушение малопластичных и хрупких материалов происходит без заметного образования шейки.

Обработки результатов

Образцы изготовляют из малоуглеродистой стали, легированной стали и чугуна. Для обнаружения линий скольжения поверхность образцов должна быть полированной или шлифованной.

В соответствии с ГОСТ 1497-84 расчетная длина l₀ должна быть равной 10 или 5 диаметрам образца. Для определения длины l_к обе части разорванного образца складывают так, чтобы их образующие составляли прямую линию. Если при складывании разорванных частей образуется зазор, вызванный выкрашиванием металла или другими причинами, то величина зазора включается в длину l_к.

Если расстояние от места разрыва до ближайшей из меток, ограничивающих расчетную длину образца l₀, составляет 1/3 или менее длины l₀, допускается вместо повторных испытаний определять относительное удлинение d с отнесением места разрыва к середине (см. Приложение 4).

 

Порядок проведения опыта

1. На образце наносят риски путем слабого царапания или карандашом на расстоянии   l₀ » 5d₀ друг от друга. При этом на хрупких образцах не допускается какое-либо повреждение поверхности.

2. Измеряют диаметр образца не менее чем в трех местах – в середине и по краям рабочей части, а также рабочую длину образца с точностью до 0,1 мм. Результаты измерений заносят в журнал лабораторных работ

3. Образец устанавливают в захватах машины и подвергают растяжению до разрушения.

4. После разрыва образца машину выключают, обе части разорванного образца вынимают из ее захватов и изучают, чтобы установить образование в процессе деформации шейки, местоположение разрыва и наличие линий скольжения.

5. Производят обмер деформированного образца: штангенциркулем измеряют диаметр в месте разрыва и длину расчетной части. Измерение диаметра производят в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В случае необходимости приведения места разрыва к середине образца производят соответствующие замеры. Результаты замеров заносят в журнал лабораторных работ.

6. Производят обработку и анализ опытных данных.

Полученные в ходе опыта диаграммы анализируют: выделяют зоны пропорциональности, общей текучести, упрочнения, местной текучести и переносят в соответствующем масштабе в журнал лабораторных работ.

По диаграмме растяжения определяют усилия, соответствующие пределу пропорциональности (Р_пц), физическому или условному пределу текучести (Р_т, Р_0,2) и пределу прочности (временному сопротивлению) (Р_в). По этим данным определяют механические характеристики материала: предел пропорциональности, предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение после разрыва d, относительное сужение после разрыва y.

В протоколе лабораторных работ зарисовывают эскизы разрушенных образцов с указанием местоположения шейки и разрыва, а также линии скольжения. По результатам обмера разрушенных образцов вычисляют значения относительного удлинения d и относительного сужения y. Вычисленные значения d и y округляют в соответствии с указаниями, приведенными в стандарте. При этом величину F_к определяют как среднеарифметическое двух наименьших значений диаметра шейки в месте разрыва.

Дополнительно, по указанию преподавателя определяют истинное сопротивление разрыву S_к и истинное удлинение при разрыве e_ист (см. Приложение 1).

По полученным опытным данным проводят сравнительный анализ механических свойств материалов. Сравнивают диаграммы растяжения, механические характеристики, характер деформации (образование шейки, наличие линий скольжения). Оформляют отчет.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Эскизы образцов до и после испытания.

3. Размеры образцов.

4. Диаграммы растяжения образцов.

5. Опытные данные.

6. Расчетные формулы.

7. Механические характеристики материалов.

8. Выводы.

 

Вопросы для контроля знаний

1. В чем отличие разрушенных образцов из различных материалов при растяжении?

2. Как расположены на образце линии сдвигов и чем вызвано их появление?

3. Какие механические характеристики материалов определяют?

4. В чем отличие диаграмм растяжения для различных материалов?

5. Как определяют истинное сопротивление разрыву?

6. Как определяют предел текучести для малоуглеродистых сталей?

7. Как определить упругую и остаточную деформацию?

Отчет

 

Опыт №1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ МАТЕРИАЛОВ

1. Цель опыта_______________________________________________________

___________________________________________________________________

2. Эскизы образцов

а) до испытания                                    

 

 

б)после испытания

 

Легированная сталь             Малоуглеродистая сталь              Чугун

 

3. Исходные данные

Размеры образцов

№ образца	Материал	Расчетная длина l0, мм	Конечная длина lк, мм	Рабочая длина l, мм	Средний диаметр  d0, мм	Диаметр шейки dк, мм	Площадь сечения образца F0, мм^2	Площадь шейки Fк, мм^2
1
2
3

 

Диаграммы растяжения

Опытные данные

№ образца	Рпц, кН	Dl0,2, мм	Рт,(Р0,2) кН	Рв, кН	Рк, кН
1
2
3

 

4. Результаты расчетов

Расчетные формулы

Механические характеристики материалов

№ образца	sпц, Мпа	sт,(s0,2) МПа	sв, МПа	Sк, МПа	d, %	y, %	eист, %
1
2
3

 

 

Выводы____________________________________________________________

___________________________________________________________________

 

Студент_________________                       Преподаватель________________

 

Цель опыта

1. Изучение процесса деформации и разрушения при сжатии пластичных и хрупких материалов.

2. Определение зависимости между величинами укорочения образца Dh и сжимающего усилия Р.

3. Определение механических характеристик материалов при сжатии: предела пропорциональности (для пластичного материала), предела прочности (для хрупкого материала), и относительного укорочения образца (для хрупкого материала).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Порядок проведения опыта

1. Производят измерение диаметра и высоты образца.

2. Образец устанавливают в машине и подвергают сжатию до некоторого предельного значения или до разрушения.

3. По окончании испытания образец снимают с машины, и изучают характер деформации и разрушения. Эскиз образца зарисовывают в протокол лабораторных работ.

4. Измеряют диаметр образца на торцах и в наибольшем сечении, а также его высота. Результаты измерений отражают на эскизе образца в протоколе лабораторных работ.

5. Проводят обработку и анализ полученных данных.

 

Опыт проводят на трех образцах – два из пластичной стали и один из чугуна. При проведении опыта опорные поверхности деталей испытательной машины и образца должны быть тщательно очищены и обезжирены. В процессе опыта необходимо следить за работой машины, ее диаграммного аппарата и вести наблюдение за процессом деформирования и разрушения образца. Сжатие чугунного образца прекращают после достижения определенного усилия (по указанию преподавателя).

По диаграмме сжатия определяют усилия  (для пластичного материала) и  (для хрупкого материала). Вычисляют первоначальные площади перечисленных сечений F₀ и величины предела пропорциональности, предела текучести, предела прочности и величина относительного укорочения образцов.

Для сравнительной характеристики деформации стальных образцов определяют также величину степени бочкообразности

                                       
где d_max – наибольший диаметр сечения образца после деформации, d_т – диаметр торцевых сечений образца.

Полученные опытные данные анализируют: сравнивают диаграммы сжатия, сопоставляют характер деформации и разрушения.

 

Требования к отчету

1. Цель работы.

2. Эскизы образцов до и после испытания.

3. Размеры образцов.

4. Диаграммы сжатия образцов.

5. Опытные данные.

6. Расчетные формулы.

7. Механические характеристики материалов.

8. Выводы.

 

Вопросы для контроля знаний

1. В чем различие процессов деформации и разрушения образцов из пластичных и хрупких материалов при сжатии?

2. Какие механические характеристики материалов определяют при сжатии?

3. В чем отличие диаграмм сжатия для различных материалов?

4. Почему разрушение образцов из хрупких материалов происходит по площадкам, расположенным под углом 45⁰ к продольной оси?

5. По диаграммам сжатия сравнить величины механических характеристик материалов.

 

Протокол испытаний

Опыт №2

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА СЖАТИЕ

1. Цель опыта_______________________________________________________

___________________________________________________________________

2. Эскизы образцов

          а) до испытания                                               б) после испытания

 

Размеры образцов

№ образца	Материал	Высота, мм	Диаметр образцов, мм				Площадь сечения образца F0, мм^2
			d01	d02	d03	d0cр
1
2
3

 

Диаграммы сжатия

 

Результаты испытаний

№ образца	Рт, кН	sт, МПа	Рв, кН	sв, МПа	dт, мм	dmax, мм	e %	j
1
2
3

 

Выводы: __________________________________________________________

__________________________________________________________________

Студент_________________                 Преподаватель__________________

Опыт №3. Определение модуля упругости

и условного предела упругости

 

Цель опыта

Определение модуля упругости Е и условного предела упругости s_у

 

Описание экспериментальной установки

 

Опыт проводится с использованием тензометра Мартенса на машине S_zF-1 с максимальным растягивающим усилием 25 кН.

Зеркальный тензометр Мартенса (рис.7) применяется для статических измерений малых деформаций. Он обеспечивает достаточно точные измерения при небольших деформациях.

 

 Тензометр состоит из набора шин 1 с упругой струбцинкой 2 и подвижной призмой 3 ромбовидного сечения с неподвижно прикрепленным зеркальцем 4, двух зрительных труб 5 с двумя шкалами 6, общей подставкой и одним патронодержателем. В состав прибора входит также штатив для установки зрительных труб и шкал.

Для замеров деформаций к исследуемому образцу А прикрепляется с помощью струбцины шина выбранной длины. Шина опирается на образец с одного конца неподвижным ножом 9, а с другого – подвижной призмой 3. Расстояние между опорами шин является базой прибора.

На некотором расстоянии L от зеркальца устанавливается зрительная труба с миллиметровой шкалой, повернутой к зеркалу 4 лицевой стороной. Зеркальце и труба устанавливаются так, чтобы через трубу можно было наблюдать отражение шкалы в зеркальце.

При нагружении образец удлиняется или укорачивается, вследствие чего подвижная призма поворачивается вокруг ребра, соприкасающегося с шиной, на угол a. При этом ребро призмы, соприкасающееся с образцом, занимает новое положение. Отрезок между положениями ребра до и после деформации образца составляет абсолютное его удлинение (укорочение) на длине l – базы прибора.

Вместе с призмой на угол a поворачивается зеркальце. Фиксируя в нем через трубу деления шкалы до и после деформации, по разности отсчета определяется расстояние Dс на шкале (см. рис.8). По законам оптики угол между направлениями лучей до и после поворота зеркала равен 2a. Тогда разность двух отсчетов по шкале равна:

.

Ввиду малости деформаций и, следовательно, угла a, с достаточной точностью для практических расчетов можно принять

.

Отсюда

.

Так как (см. рис.8)

,

то

,

где d – диагональ призмы.

Обозначим величину  коэффициентом увеличения прибора. Тогда

.

Обычно расстояние L выбирают равным 250d, тогда коэффициент увеличения К=500.

Вследствие эксцентричного приложения нагрузки, нецилиндричности образца, неоднородности материала и т.п. испытываемые образцы почти всегда деформируются неравномерно. Поэтому при испытании одновременно измеряют деформации двух противоположных сторон образца и определяют полусумму двух полученных измерений. Поэтому каждый зеркальный прибор снабжается парными шинами, имеет две линейки и две зрительные трубы. Шины изготовляются размером (базой прибора) 50, 100, 150 и 200 мм.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В соответствии с законом Гука модуль упругости Е определяют по формуле

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца; Dl_ср – среднее значение приращения деформации на участке пропорциональности; DР - величина приращения нагрузки; l – база измерения.

Предел упругости s_у определяется по формуле

,

где Р_у – нагрузка, соответствующая пределу упругости.

 

Методика проведения опыта и обработки результатов

 

1. Образец для опыта выбирается в соответствии с ГОСТ 1497-84. На образце наносят две риски на расстоянии l = 100±0,1 мм и измеряют диаметр образца (микрометром) с точностью до 0,01 мм.

2. Образец закрепляют в захватах машины и устанавливают два зеркальных тензометра.

3. Предварительно образец нагружают усилием, создающим напряжение 1,0 МПа, после чего фиксируют соответствующие показания тензометров.

4. Производят ступенчатое нагружение образца с фиксацией показаний двух тензометров на каждой ступени нагружения.

Опыт проводится в соответствии с изложенным выше порядком. Ступень нагружения DР принимают равной 0,5 или 1 кН. После каждого нагружения записывают показания тензометров и подсчитывают их полусумму. Далее определяют приращение этой величины при данном и предыдущем нагружениях. Отсчеты должны производится с точностью до 0,5 деления шкалы. В ходе опыта необходимо следить за изменением величин приращений. В пределах пропорциональности величина приращения должна оставаться постоянной (практически будут наблюдаться небольшие колебания этой величины в большую или меньшую сторону). За пределами пропорциональности будет наблюдаться рост приращений показаний тензометров при каждом очередном нагружении. С этого момента после каждого очередного нагружения на величину DР производят разгрузка на такую же величину. Разность приращений до разгрузки и после нее пропорциональна остаточной деформации образца. Если коэффициент увеличения прибора – К, то остаточной деформации 0,005% соответствует разность отсчетов до и после разгрузки, равная D = 5×10^-5 КL деления шкалы. Практически для получения заданной величины D может потребоваться большое количество нагружений и разгрузок при малой величине DР. В целях сокращения их числа можно использовать интерполирование.

Модуль упругости и условный предел упругости определяются по приведенным выше формулам. Величина Dl_ср определяется как среднее арифметическое приращений отсчетов по шкале тензометра на участке пропорциональности. Полученные значения модуля упругости сравнивают с табличными данными. По окончании работы оформляют протокол испытаний.

 

Требования к отчету

 

1. Цель работы.

2. Размеры образца.

3. Характеристика тензометра Мартенса.

4. Схема тензометра Мартенса.

5. Расчетные зависимости.

6. Выводы.

 

Вопросы для контроля знаний

 

1. Какой закон лежит в основе определения модуля упругости?

2. Как определяют нагрузку, соответствующую пределу упругости?

3. Каков принцип действия прибора Мартенса?

4. Почему используют одновременно два тензометра Мартенса?

5. От чего зависит величина коэффициента увеличения прибора?

6. Какие параметры используются в расчетных зависимостях для определения модуля упругости и условного предела упругости материала?

Протокол испытаний