Порядок проведення досліду й обробка результатів

Перед установкою зразка в захват випробувальної машини проводиться вимір діаметру зразка за допомогою мікрометра з точністю до 0,02 мм. Обчислюється площа поперечного А₀ перетину зразка й орієнтовно визначається очікуване розривне зусилля по середньостатистичній межі міцності для даного класу сталі. Це необхідно для того, щоб визначити, який вантаж повинний бути встановлений на маятнику і на якій шкалі буде здійснюватися відлік зусилля, потім зразок закріплюється в захватах машини, після чого машина пускається в хід. У процесі випробувань ведуться спостереження за поводженням зразка і стрілкою шкали силовимірювального пристрою. Швидкість переміщення захвату машини повинна бути невеликою (не більш 1 мм/хв).

При випробуванні сталевого зразка із маловуглецевої сталі відзначають момент зупинки стрілки. Показання, що відповідає цьому моментові, приймають за навантаження F_т, по якому обчислюється границя текучості. У процесі випробування відзначають найбільше зусилля F_пч, що витримує зразок аж до свого руйнування. По цьому найбільшому навантаженню обчислюється границя міцності.

Спостерігаючи за зразком, відзначають, що при зусиллі F_т з'являються лінії ковзання. Попередньо світла поверхня зразка тьмяніє, стає матовою. При зусиллі, що відповідає F_пч, починає з'являтися шийка (місцеве утончення зразка), у зв'язку з чим показання силовимірювача падають. У деякий момент зразок розривається. Зупиняється машина і витягаються з захватів розірвані частини зразка.

При іспиті чавунного зразка руйнування відбувається раптово, без падіння навантаження перед розривом, що пояснюється характером руйнування, який відбувається без утворення шийки.

Сталевий зразок

Отримана в результаті випробування зразка діаграма розтягання (рис.1.3) піддається коректуванню й обробці. До початку деформації зразка має місце мертвий хід машини без наростання зусиль (ділянка ab) з наступним пристосовуванням голівок зразка до захватів машини і невеликим збільшенням навантаження (ділянка bс). Потім спостерігається швидкий ріст навантаження (ділянка сd).

Щоб виключити криволінійну ділянку, на початку діаграми варто продовжити прямолінійний відрізок діаграми cd до осі абсцис, у перетинанні з якою одержимо крапку 0 – початок діаграми.

Далі виміряється ордината, що відповідає площадці текучості. Користуючись масштабом діаграми, визначається зусилля F_т і порівнюється зі значенням F_т, знайденим по силовимірювальному пристрою. Значення зазначених зусиль повинні бути близькими або збігатися.

Рис.1.3

У багатьох випадках при досліджені площадки текучості АВ не виявляється, а діаграма зразка має вигляд кривої, показаної на рис.1.4.

Рис.1.4

У точці С крива розтягання досягає максимуму. Ордината цієї крапки діаграми визначає величину зусилля F_пч, що відповідає границі міцності. Точка D відповідає розриву зразка.

Щоб одержати на діаграмі тільки залишкове подовження, варто провести пряму DE, паралельну ОА, що відсікає на осі абсцис відрізок ОЕ, який відповідає залишковому подовженню зразка D l _ост. Це подовження являє собою суму рівномірного подовження зразка до появи шийки і місцевого подовження з моменту утворення шийки в її околиці і до розриву зразка. Відрізок ЕК – відповідає пружному подовженню в момент розриву зразка Δ l _упр.

Відносне залишкове подовження

може бути визначене безпосередньо. Для цього необхідно виміряти довжину зразка після розриву l ₁. У залежності від місця розриву зразка застосовуються два способи визначення цієї довжини. По першому способу обидві половинки розірваного зразка щільно складають і вимірюють штангенциркулем відстань між рисками, що визначають границі розрахункової довжини після розриву l₁. Цей спосіб дає правильні результати, якщо зразок розірвався в середній третині своєї довжини.

Якщо розрив зразка відбувається в якій-небудь крайній третині довжини зразка, то довжину l₁ варто визначити по другому способу, сутність якого полягає в наступному: місце розриву приймається за так звану умовну середину (рис.1.5), від найближчої до місця розриву зразка риски “b” відкладають вправо n/2 розподілів (n – число розподілів на розрахунковій довжині) і ставлять мітку “а”. Якщо число n/2 виявляється дробом, то його округляють до цілого числа у більшу сторону, а частина розподілу від місця розриву до першої риски при підрахунку числа розподілів приймають за цілий розподіл. Далі, від мітки “a” відкладають вліво стільки розподілів, скільки їх залишилося від мітки “a” до правого кінця робочої довжини, і ставлять мітку “d”. Величину l₁ визначають як суму відрізків ac і ad.

Рис.1.5

Нарешті, вимірюють мікрометром діаметр шийки d₁ як середньоарифметичне значення двох обмірювань, узятих по взаємно перпендикулярних напрямках.

Для одержання механічних характеристик матеріалів діаграму навантаження F-Dl часто перебудовують у діаграму деформування (умовних напруг) s-e. По вертикалі відкладається умовна нормальна напруга , де — первісне значення площі поперечного переріза зразка, а по горизонталі – деформацію (відносне подовження) . Напруга — умовне (не враховується зменшення площі поперечного переріза). Діаграма умовних напруг s-e для маловуглецевої сталі зображені на рис.1.6.

Рис.1.6

Одержавши зазначені вище дані, обчислюють основні механічні характеристики:

(МПа);	(МПа);
	.

Тут А₁ – площа поперечного переріза шийки після розриву зразка .

Величини s_т і s_пч є характеристиками міцності, а d і y - характеристиками пластичності. Вони приводяться в довідковій літературі для різних матеріалів і марок стали.

Більш поглиблене вивчення властивостей матеріалу можливо шляхом побудови й аналізу діаграми дійсних напруг.

Діаграма дійсних напруг будується звичайно в координатах дійсного напруження s_ист та дійсного поперечного звуження площі перетину y_ист і вимагає багаторазових обмірювань діаметра зразка в процесі випробування.

З достатнім ступенем точності діаграму дійсних напруг можна побудувати в координатах s_ист-e шляхом обробки наявної умовної діаграми розтягання.

Дійсно, за межею пропорційності справжнє поперечне звуження площі перетину може бути представлене у вигляді:

.

Тут m - коефіцієнт Пуассона; m_T – коефіцієнт поперечної деформації при пластичному розтяганні (для сталі m_T = 0,5); e_y і e_T – пружна і залишкова частини відносного подовження зразка відповідно.

Тому що діаметр зразка в будь-який момент часу до утворення шийки , площа поперечного переріза, що змінюється в процесі іспиту, визначається по формулі

Дійсне напруження

.

З огляду на вираз для y_ист, остаточно маємо

де s - напруга, обумовлена з умовної діаграми.

Значення s_ист у момент розриву підраховується по навантаженню в момент розриву F_разр площі перетину шийки.

Принцип побудови діаграми дійсних напруг ясний з рис.1.7 (дійсна діаграма показана пунктиром).

Рис.1.7

Чавунний зразок

Діаграма розтягання (рис.1.8), отримана в результаті випробувань чавуна на розтягання, у значній мірі відрізняється від діаграми, отриманої для сталевого зразка.

Рис.1.8

На діаграмі є лише одна характерна точка с, що відповідає навантаженню межі міцності F_пч.. Строгої прямолінійної ділянки на початку діаграми не спостерігаються: пружні деформації чавуна ростуть не цілком пропорційно навантаженню навіть при малих зусиллях.

Чавун руйнується при дуже малих залишкових деформаціях, звичайно менш одного відсотка. При іспитах чавуна на розтягання обмежуються визначенням межі міцності, що є умовною напругою при найбільшому навантаженні:

Використовуючи діаграму розтягання, побудуємо в масштабі діаграму умовних напруг (рис.1.9).

Рис.1.9

Користуючись довідковими таблицями, по отриманих механічних характеристиках орієнтовно встановлюємо марки сталі і чавуна. Дані спостережень і обчислень оформляються у відповідний звіт.