ИНПИ ВятГУ У 00693

Киров 2009

МАТЕРИАЛОВ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Методические указания

к лабораторной работе

Дисциплины: «Технологические процессы в машиностроении», «Материаловедение», Технология конструкционных материалов», «Художественное материаловедение»

Для студентов все форм обучения специальностей 1500405, 151001, 150202, 261001

УДК 620.22:621.7: (07)

Составители: кандидат технических наук, доцент О.Б. Лисовская., кандидат технических наук, профессор Л.П. Кочеткова, ст. преподаватель В.А. Лисовский

Рецензент: кандидат технических наук, доцент Д.И. Василевич

.

Редактор Е.Г. Козвонина

Подписано в печать Бумага офсетная Заказ

Усл. печ. л Печать матричная Тираж

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного составителем.

610 000, г. Киров, ул. Дрелевского, 55.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП Вят ГУ

© Вятский государственный университет, 2009.

Цель работы – практически ознакомиться с методом испытаний металлов на растяжение, на удар; научиться определять по диаграмме растяжения основные механические характеристики прочности и пластичности.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Механические свойства – это характеристики поведения материала под действием внешних механических сил. Под воздействием внешних нагрузок происходит изменение формы и размеров тела (деформация), возможно его разрушение. К механическим свойствам относятся:

прочность – способность материала сопротивляться разрушению;

пластичность – способность материала пластически деформироваться без разрушения;

упругость – свойство восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия внешних сил;

твердость – сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела;

ударная вязкость – сопротивление материала разрушению под действием ударных нагрузок;

выносливость – свойства материала противостоять усталости.

Механические свойства зависят от химического состава, внутреннего строения (структуры) и условий эксплуатации материалов. Характеристики механических свойств определяются путем испытания образцов на различных испытательных машинах. Механические испытания в зависимости от способа приложения нагрузки могут быть:

а) статические, если нагрузка на образец в процессе испытания возрастает медленно и плавно, и при этом совершается медленная деформация испытуемого образца (испытания на растяжение, изгиб, сжатие, кручение);

б) динамические, если нагрузка на образец действует резко в течение незначительного времени (испытания на ударную вязкость);

в) повторно-переменные (статические или динамические), если нагрузка на образец прилагается многократно.

2 ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

2.1 Основные характеристики

При испытании материалов на растяжение определяются характеристики прочности, пластичности и упругости. Эти механические свойства являются критериями конструкционной прочности деталей, работающих в условиях статического нагружения. Они используются и для приближенной оценки прочности деталей, работающих в других условиях.

Испытания проводятся на разрывной машине. Машина имеет механизмы для нагружения образца и для измерения растягивающего усилия. На образец усилия передаются с помощью захватов. Стандартные образцы для испытания на растяжение применяют либо круглого сечения (диаметром не менее 0,5 мм), либо плоские (толщиной не менее 0,5 мм). Формы и размеры образцов нормируются в соответствии с ГОСТ 1497–84.

Образец (рисунок 1) состоит из рабочей части и головки. Между расчетной длиной образца l₀ и диаметром d₀ должна соблюдаться зависимость: l₀ = 10 d₀ (длинный образец) или l₀ = 5 d₀ (короткий образец).

Рисунок 1 – Цилиндрический образец для испытания на растяжение

В процессе испытания диаграммный аппарат записывает зависимость между приложенной нагрузкой и деформацией образца в виде диаграммы растяжения в координатах: нагрузка (P) – абсолютное удлинение образца ∆ l=l_K – l₀, где l_K – текущая длина, l₀ – начальная длина образца.

Типичные диаграммы растяжения показаны на рисунке 2. Для большинства пластичных материалов характерна диаграмма растяжения с постепенным, переходом из упругой в пластическую область (рисунок 2, а). Для некоторых пластичных материалов (например, низкоуглеродистая сталь) свойственна диаграмма растяжения с переходом в пластическую область в виде площадки текучести (рисунок 2, б). Диаграмма на рисунке 2,в получается при растяжении образцов, изготовленных из малопластичных материалов, разрушающихся при малых остаточных деформациях (например, серый чугун).

Рисунок 2 – Диаграммы растяжения: а – с постепенным переходом из упругой в пластическую область, б – с переходом а пластическую область в виде площадки текучести, в – для хрупких материалов

На рисунке 3 показаны характерные точки диаграммы растяжения, по которым определяют механические свойства. До точки Р_пц зависимость Р – ∆l выражена прямой линией. Это значит, что изменение длины образца прямо пропорционально нагрузкам. Прямолинейный участок диаграммы соответствует упругой деформации, ордината точки Р_пц – нагрузке предела пропорциональности. До точки Р_пц имеет силу закон Гука – удлинение образца прямо пропорционально приложенному усилию.

Рисунок 3 – Характерные точки на диаграмме растяжения, по которым рассчитывают характеристики прочности

Ордината точки «е», расположенная в непосредственной близости от точки Р (остаточное удлинение здесь равно 0,05 - 0,005% от расчетной величины), определяет нагрузку предела упругости Р_упр .

За участком пропорциональности следует характерный горизонтальный участок S – S', который показывает, что образец деформируется без увеличения нагрузки; металл как бы течет. Через какое-то время течение металла прекращается – наступает предел текучести. Силу Р_т, при которой происходит течение металла, называют силой предела текучести, а площадку на диаграмме – площадкой текучести.

За площадкой текучести следует пологий криволинейный участок диаграммы S' – В. Этот участок называют зоной упрочнения металла. Точка В диаграммы соответствует наибольшей нагрузке, которую выдерживает образец во время испытания Р_в. При этом в образце появляется резкое местное сужение – «шейка». В дальнейшем здесь и произойдет разрыв образца на две части. Момент разрушения образца соответствует точке К на диаграмме.

Непластичные материалы не удлиняются пластично и не образуют шейку на образце. На диаграмме растяжения (рисунок 2, а, в) нет выраженного участка текучести. После достижения максимальной нагрузки образец разрушается без пластичного удлинения.

Так как диаграмма Р – ∆l не учитывает фактических размеров образца, изменяющихся при его растяжении, то для получения сравнимых результатов испытания диаграмму строят в относительных координатах «напряжение – относительная деформация», где на оси ординат откладывают напряжение σ = P/F₀, a по оси абсцисс – величину относительной деформации δ = ∆l / l ₀ (рисунок 4); здесь F₀ и 1₀ – первоначальные площади сечения и длина образца (рисунок 4). При этом характер кривой не изменяется, так как каждая из координат исходной диаграммы делится на постоянную величину.

До σ_пц соблюдается закон Гука: σ = Е ∙ δ, где Е – коэффициент.пропорциональности является физической константой материала и называется модулем упругости; δ – относительное удлинение образца. Модуль упругости Е определяет жесткость материала, пропорционален тангенсу наклона прямолинейного участка кривой растяжения и на диаграмме характеризует крутизну подъема этого участка. Чем больше Е, тем меньшую деформацию получает металл при одинаковом напряжении, тем больше его жесткость. Каждый металл имеет определенный модуль упругости, фактически не зависящий от структуры и обработки.

а б

Рисунок 4 – Диаграммы напряжение – относительная деформация: а – для пластичных материалов, б – для непластичных материалов

Согласно ГОСТ 1497-84, при испытании на растяжение определяют следующие характеристики:

1. Предел пропорциональности σ_пц – наибольшее напряжение, до которого соблюдается прямая пропорциональность между напряжением и деформациями

σ_пц = Р_пц /F₀, МПа (кгс/мм²), (1)

где F₀ - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца.

2. Предел упругости σ_0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,05%

σ_0,05= Р_0,05/F₀, МПа (кгс/мм²). (2)

Если не требуется высокая точность, то можно условно принять σ_пц = σ_0,05 и не делать специальных вычислений.

3. Предел текучести (физический)σ _т – напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки (рисунок 4, а)

σ _т = P_T/F₀, МПа (кгс/мм²). (3)

Если на диаграмме площадка текучести отсутствует (рисунок 4, б), то определяют условный предел текучести σ_0,2– напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2%

σ_0,2⁼ P_0,2/F₀, МПа (кгс/мм²). (4)

4. Предел прочности (временное сопротивление) σ_в – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_в, предшествующей разрыву

σ_в = Р_в / F₀, МПа (кгс/мм²). (5)

Напряжения σ_0,05, σ_т, σ_пц, σ_в – стандартные характеристики прочности материала. Кроме этих свойств, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности – относительное удлинение и относительное сужение.

5. Относительное удлинение δ – отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине

, (6)

где l ₀ – расчетная длина образца до разрыва, мм; l ₀ – расчетная длина образца после разрыва, мм.

6. Относительное сужение ψ – отношение разности начальной площади поперечного сечения образца F₀ и минимальной площади поперечного сечения после разрыва F_K к начальной площади поперечного сечения

(7)

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен материал (может пластически деформироваться без разрушения). Пластичные материалы меньше подвержены опасности внезапного (хрупкого) разрушения, поэтому их надежность выше.

Вышеперечисленные характеристики механических свойств являются наиболее типичными для большинства металлов и сплавов и указываются во всех справочниках и других документах, рекомендующих эти материалы для различного применения в технике. Во многих случаях этих характеристик оказывается достаточно для правильного выбора материала по назначению.

2.2 Порядок выполнения работы

2.2.1 Ознакомиться с устройством машины для испытания на растяжение и с принципом работы на ней.

2.2.2 Подготовить образец для испытания: напильником или чернилами отметить расчетную длину на рабочей части образца (50 или 100 мм в зависимости от диаметра образца); измерить штангенциркулем с точностью до 0,1 мм диаметр образца d₀ и длину рабочей части l₀; вычислить плошадь поперечного сечения

, мм².

Все данные занести в таблицу 1.

2.2.3 Установить образец в захваты разрывной машины и провести испытание образца с записью диаграммы растяжения; записать на диаграмме максимальную нагрузку, предшествующую разрушению образца (Р_в).

2.2.4 Сложив разорванные части образца, замерить конечную длину образца 1_к, мм; измерить диаметр образца в месте разрыва d_K, мм, и определить площадь поперечного сечения

, мм²

Все полученные данные занести в таблицу 1.

2.2.5 Определить абсолютное (∆l) и относительное (δ) удлинение образца; рассчитать относительное сужение ψ. Данные записать в таблицу 1.

Таблица 1 – Протокол испытаний материала на растяжение

Замеры образца

Материал и термическая обработка

d0, мм

l0, мм

F0, мм

dK, мм

lK, мм

FK, мм

Результаты испытаний

∆l, мм

δ, %

ψ, %

Рпц

Рт (Р0,2)

Рв

σпц, МПа

σт(σ0,2), МПа

σв, МПа

tg α, гр.

кгс

Н

кгс

Н

кгс

Н

2.2.6 Рассчитать масштаб диаграммы по оси абсцисс, зная значение ∆l в мм и длину абсциссы х (рисунок 5)

М_х=∆l/х. (10)

Определить масштаб шкалы нагрузок, для чего значение Р_в разделить на величину ординаты У, в мм (рисунок 5).

Рисунок 5 – Определение масштаба диаграммы

2.2.7 Зная масштаб диаграммы, определить значение Р_пц и Р_т. Для этого масштаб нагрузки умножить на соответствующую ординату (в мм). Для определения нагрузки Р₀₂ необходимо вычислить остаточное удлинение, равное 0,2%:

∆l = 0,2∙10^-2∙ l₀, мм,

и на исходной диаграмме растяжения (рисунок 6) по оси абсцисс отложить отрезок

0Е = ∆l_0,2 / М_х

из точки Е провести прямую ЕР, параллельную прямой OA, точка пересечения Р на кривой растяжения определяет высоту ординаты (мм), измерив которую, рассчитываем Р_0,2 = У_0,2 М_у. Полученные данные занести в таблицу 1.

Рисунок 6 – Определение нагрузки, соответствующей условному пределу текучести

2.2.8 Рассчитать и записать в таблицу 1 характеристики прочности σ_пц, σ_т (σ_0,2), σ_в, а также тангенс угла наклона прямой пропорциональности к оси абсцисс (характеристика модуля упругости Е).

2.2.9 Построить диаграмму растяжения в координатах напряжение – относительная деформация по данным таблицы 1.

2.2.10 Результаты вычислений механических свойств всех материалов, испытанных другими бригадами группы, занести в таблицу 2.

Таблица 2. Протокол сводных испытаний на растяжение различных материалов

Марка материала	Термическая обработка	σт, МПа	σ0,2, МПа	σв, МПа	δ, %	ψ, %	tg α, гр.

2.3 Оформление отчета по работе

Отчет должен содержать:

- цель работы,

- эскиз образца,

- определение механических свойств и их расчетные формулы,

- расчетную и сводную таблицы,

- диаграмма растяжения в координатах напряжение - относительное удлинение,

- график зависимости механических свойств стали от температуры отпуска,

- выводы.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ

3.1 Характеристики ударной вязкости

Для оценки способности материала сопротивляться действию удара определяют характеристику, которая называется ударной вязкостью. Эта характеристика показывает, какую работу надо затратить, чтобы разрушить образец заданного сечения при ударном изгибе.

Согласно ГОСТ 9454–78, ударным испытаниям подвергают образцы сечением 10x10 мм, длиной 55 мм. В центре образца делают надрез различной формы: U–, V– и Т–образные (рисунок 8). Форма надреза оказывает большое влияние на ударную вязкость, т.к. создает концентрацию напряжений. Для предварительного контроля применяются образцы с U–образным надрезом. В особо ответственных случаях, когда ударная вязкость является определяющим фактором, применяют образцы с Т–образным надрезом.

Рисунок 8 – Стандартный образец для испытания на ударный изгиб с различными типами надрезов: а – U–образный, б – V –образный, в – Т–образный

Испытания на ударный изгиб проводят на приборе, называемом маятниковым копром (рисунок 9). Копер имеет тяжелый маятник (l), который свободно качается вокруг его оси. При помощи защелки маятник может быть установлен на разной высоте. Если защелку освободить, то маятник упадет и взлетит по инерции на такую же высоту, на которую он был поднят. Если на пути падения маятника встретится препятствие в виде образца, то часть энергии падения затратится на преодоление этого препятствия, и маятник уже взлетит на меньшую высоту.

Рисунок 9 – Схема испытания ударной вязкости

Образец устанавливают на опорах копра так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара. Вначале маятник поднимают в верхнее положение и закрепляют с помощью защелки. В этом положении маятник обладает потенциальной энергией PgH, где Р – масса маятника, g – ускорение силы тяжести, Н – высота подъема маятника. Затем маятник опускают. При падении он разрушает образец и поднимается на некоторую высоту h, обладая энергией Pgh, где h – высота подъема маятника после удара. Работа, затраченная на разрушение образца

K=Pg(H–h)=Pg l (cosα₂ – cosα₁), (11)

где l – длина маятника; α₁, α₂ – углы подъема маятника до удара и после разрушения образца. Величины Р, Н, l, α₁ – постоянны, поэтому значение работы разрушения определяют с помощью специальных таблиц по значению α₂ (h).

Ударная вязкость КС определяется как отношение работы разрушения К к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза S₀

КС=К/S₀ Дж/см², КДж/м² (кгс∙м/см²) (12)

В зависимости от вида надреза к обозначению ударной вязкости добавляют третью букву: KCU (тип надреза U), KCV (тип надреза V), КСТ (тип надреза Т).

По величине ударной вязкости можно оценивать склонность материалов к хрупкому разрушению.

3.2 Порядок проведения испытаний на ударную вязкость

3.2.1 Ознакомиться с устройством и работой маятникового копра (по инструкции к машине).

3.2.2 Получить образец для испытания.

3.2.3 Поднять маятник на заданную высоту.

3.2.4 Установить образец на опоры.

3.2.5 Опустить маятник. При этом образец разрушается.

3.2.6 Снять показания таблицы КС, соответствующие работе разрушения образца (разность показаний таблицы холостого хода маятника и при разрушении образца).

3.2.7 Замерить площадь поперечного сечения образца в месте надреза в см² (м²).

3.2.8 Определить значения ударной вязкости

KCU(KCV, КСТ) = KC/S₀,

3.2.9 Записать значения ударной вязкости в таблицу 3.

Таблица 3 – Определение значений ударной вязкости

Материал образца и вид тер-мической обработки	Размеры образцов	Вид над-реза	Работа удара, К	Ударная вязкость, КС	Харак-тер излома
В, мм	Н1, мм	S0	Дж	кгс∙м	Дж м^2	кгс∙м см^2
м^2	см^2

3.3 Оформление отчета

3.3.1 Цель работы.

3.3.2 Понятие об ударной вязкости, описание методики ее опредления. Необходимые расчетные формулы и эскизы.

3.3.3 Таблица с результатами расчетов.

3.3.4 Выводы.

3.4 Контрольные вопросы

1. Какие свойства и какие механические характеристики выяв­ляются при статических испытаниях на растяжение?

2. В каких координатах строится исходная (машинная) диаг­рамма растяжения?

3. Вид диаграммы для хрупких и пластичных материалов.

4. Какие характерные точки и участки имеют диаграммы рас­тяжения пластичного и хрупкого материалов?

5. Какую размерность имеют характеристики прочности и плас­тичности?

6. Для какого участка диаграммы растяжения справедлив закон Гука?

7. Что такое модуль упругости материала?

8. Какие эксплуатационные характеристики указывает модуль упругости?

9. Что такое предел пропорциональности?

10.Что такое физический предел текучести?

11.Что такое условный предел текучести?

12.Что такое предел прочности?

13.Какие эксплуатационные характеристики влияют на относи­тельное сужение и относительное удлинение?

14.Какие типы образцов применяются для испытаний на удар­ную вязкость?

15.Что характеризует ударная вязкость?

16.Как производится определение ударной вязкости?

17.Формула вычислений ударной вязкости и ее размерность.

18.С какой целью и в каких случаях проводится определение ударной вязкости?

19.Назначение надрезов на образцах. В каких случаях приме­няется тот или иной надрез?

4 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

4.1 ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. – М.: Изд–во стандартов, 1984.

4.2 ГОСТ 9454–78. Металлы. Методы испытаний на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. – М.: Изд-во стандартов, 1984.

4.3 Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов вузов/ Под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Высш. Шк., 2006.-862с.

4.4 Технология конструкционных материалов: / Под общ. ред. А. М. Дальского. – М.: Машиностроение, 2005.-592с.: ил.

5 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

5.1 Основные операции на машинах производить только преподавателю или лаборанту.

5.2 Образцы закреплять и извлекать при отключенной машине.

5.3 Во время работы машины не производить никаких дополнительных операций на ней.

5.4 При работе копра не заходить за ограждение.

Дата добавления: 2014-11-25