ЛАБОРАТОРНЕ ЗАНЯТТЯ №1

 

Тема: «Випробування зразка на розтяг».

 

Мета: виробити уміння і навички по визначенню основних механічних характеристик матеріалу за діаграмою розтягу.

 

Матеріально-технічне оснащення робочого місця:

1.   універсальна розривна машина УММ5;

2.   дослідний зразок для розтягу з мало вуглецевої сталі; 3. штангенциркуль ШЦ-ІІ; 4. обчислювальна техніка.

 

Інформаційні джерела: [l] стор.219-239.

 

В результаті виконання лабораторної роботи студент повинен  знати:

1.   сутність деформації розтягу;

2.   основні механічні характеристики матеріалів. вміти:

1.   будувати діаграму розтягу маловуглецевої сталі;

2.   визначати основні механічні характеристики.

 

Завдання:

1.     Визначити механічні характеристики матеріалу;

2.     Отримати діаграму розтягу маловуглецевої сталі.

 

Короткі теоретичні відомості

 

Розтягом або стиском називають таку деформацію, при якій у будьякому поперечному перерізі бруса виникає тільки поздовжня сила. Бруси з прямолінійною віссю (прямі бруси), які зазнають розтягу або стиску,  називають стрижнями.

Під час розтягу і стиску в поперечних перерізах бруса виникають тільки нормальні напруги, які рівномірно розподілені в перерізі; їх обчислюють за формулою

σ = N/F,

де N — поздовжня сила, a F — площа поперечного перерізу.  Для розтягу і стиску форма перерізу на величину напруги не впливає.

Для визначення значення поздовжньої сили в поперечному перерізі бруса застосовують метод перерізів. 

Поздовжня сила – це рівнодіюча внутрішніх нормальних сил, які виникають у поперечному перерізі стрижня. Тому поздовжня сила в поперечному перерізі стрижня чисельно дорівнює алгебраїчній сумі зовнішніх сил, розміщених по один бік перерізу. Розтяжні поздовжні сили вважатимемо додатними, а стискальні – від’ємними.

Графік розподілу величини поздовжньої сили по довжині стрижня називають епюрою поздовжніх сил.

Розглянемо деформації стрижня. Під дією прикладених розтяжних сил стрижень видовжується на деяку величину ∆𝑙. 

Рисунок 5 – Деформації стрижня.

 

При розтягу ∆𝑙 > 0(∆𝑑 < 0), при стиску -  ∆𝑙 < 0(∆𝑑 > 0).

Якщо позначити початкову довжину через l, то абсолютне видовження визначиться з виразу:

∆𝑙 = 𝑙₁ − 𝑙

де 𝑙₁ – довжина стрижня після деформації.

Абсолютне видовження вимірюється в одиницях довжини (мм, см).

Для зручності порівняння деформацій застосуємо поняття про відносне видовження (поздовжня деформація), яке дорівнює:

 

Відносне видовження число абстрактне, іноді його подають у відсотках

 

Поперечна деформація відповідно визначиться за формулою:

 

Між цими деформаціями є певна залежність, яка враховує матеріал стрижня:

|𝜀| = |𝜀′|𝜇

де 𝝁 - коефіцієнт Пуассона. 

Цей коефіцієнт 𝝁 для різних матеріалів коливається в межах від 0 до 0,5: для корку – 0; для парафіну – 0,5; для сталі – 0,25...0,33.

Якщо розглядати тільки пружні деформації бруса, то для них дослідним шляхом можна встановити залежність між напруженням і відносним видовженням. Ця залежність називається законом Гука. 

Закон Гука для розтягу і стиску справедливий лише у певних межах навантаження і формулюється так: нормальна напруга прямо пропорційна відносному видовженню або укороченню:

𝜎 = 𝐸 ∙ 𝜀

Коефіцієнт пропорційності Е характеризує жорсткість матеріалу, тобто його здатність протидіяти пружним деформаціям розтягу або стиску, і називається модулем поздовжньої пружності, модулем Юнга або модулем пружності першого роду, вимірюється в (паскалях) Па.

Для сталі Е = 2,110⁵ МПа.

Якщо у формулу закону Гука підставити  , то дістанемо формулу для визначення абсолютного видовження або укорочення бруса:

 

N - поздовжня сила, кН;

F – активне навантаження, кН;

∆𝑙  - абсолютна деформація подовження, мм;

∆𝑑  - абсолютна деформація звуження, мм4

𝜀  - відносна деформація подовження, ;

𝜀^′ − відносна деформація звуження, ;

𝜇  - коефіцієнт Пуассона;

𝐸  - модуль пружності, МПа;

𝜎  - нормальне напруження, МПа;

𝐴  - площа поперечного перерізу стрижня, мм². 

Добуток ЕА у знаменнику називають жорсткістю перерізу під час розтягу і стиску; він характеризує одночасно фізико-механічні властивості матеріалу і геометричні розміри поперечного перерізу бруса.

Для того, щоб підібрати матеріал для виготовлення конструкції, необхідно знати механічні властивості цього матеріалу, які визначають його міцність, пружність, твердість та пластичність. Такі відомості отримують експериментальним шляхом, проводячи випробування на розтяг, стиск, кручення, згин та зріз.

З точки зору експлуатації на розтяг добре працюють пластичні матеріали, на стиск – крихкі. Сталь – це пластичний матеріал, чавун відносять до крихких. Із збільшенням відсотку вуглецю крихкість збільшуються, відповідно пластичність – зменшується. 

Самим розповсюдженим випробуванням є випробування зразка матеріалу на розтяг. 

Діаграма будується в системі координат «навантаження N - деформація l». При розтягу маємо збільшення деформації із збільшенням навантаження. Характерні точки на діаграмі позначені 1, 2, 3 та 4.

Ділянка 0-1 – видовження зростає пропорційно навантаженню, це ділянка збереження закону Гука, тобто маємо лише пружні деформації, які зникають із зняттям навантаження.

Ділянка 1-2 – при деякому значенні нормальної сили N зразок видовжується без збільшення навантаження, це ділянка «текучості» металу. 

Ділянка 2-3 – в зразку знову з’являються внутрішні сили чинити опір зовнішньому навантаженню до значення Nmax. Після проходження точки 3 діаграми в зразку утворюється звуження, так звана шийка, на поверхні починають з’являтися тріщини, темно-сині плями Мартенcа і в точці 4 відбувається повний розрив зразка.

 

Рисунок 6 – Діаграма розтягу маловуглецевої сталі:

N – нормальна сила, що чисельно дорівнює осьовому навантаженню, Н; l – абсолютна деформація, мм;

l_зал – залишкова деформація, мм;

l_пр  - пружна деформація, мм.

 

Якщо після проходження стадії текучості зразок розвантажити (точка 2’), то процес зняття навантаження буде виглядати як штриховий відрізок, який проходитиме паралельно ділянці 0-1. Але залишкове видовження зразка l_зал  не буде дорівнювати значенню l, воно зменшиться на величину l_пр. 

Якщо знов навантажити зразок, то лінія навантаження буде проходити по штриховій лінії, оминаючи стадію текучості. Тобто після попереднього видовження зразка за стадію текучості, його матеріал може сприймати більші навантаження без залишкових деформацій, відповідно міцність підвищується, а пластичність зменшується. Це явище отримало назву наклеп. 

Іноді наклеп небажаний (наприклад, під час пробивання отворів під заклепки збільшується можливість виникнення тріщин біля отворів). В інших випадках наклеп створюють навмисно (наприклад, ланцюги підіймальних машин, арматуру залізобетонних конструкцій, проводи, троси попередньо витягують за границю текучості). Дріт, який витягують волочінням, як результат наклепу має значно більшу міцність, ніж точений зразок з того самого матеріалу.

Щоб не залежати від розмірів зразка, діаграму перебудовують в умовних координатах «напруження  - відносна деформація ». 

                                                                                                         𝑁                     ∆𝑙

 

Границею пропорційності 𝝈_пц називають таку найбільшу напругу, до якої деформації зростають пропорційно навантаженню, тобто відповідно до закону Гука (для сталі Ст.3 𝜎_пц= 200 МПа). 

 

Границею текучості 𝝈_т  називають таку напругу, за якої у зразку виникає помітне видовження без збільшення навантаження (для сталі Ст.3  𝜎_т = 240 МПа). Границя текучості – це основна механічна характеристика для оцінювання міцності пластичних матеріалів.

 

Границею міцності 𝝈_В називають тимчасовий опір, що дорівнює відношенню максимальної сили, яку витримує зразок до початку його руйнування (для сталі Ст.3 𝜎_В= 400 МПа). Границя міцності є основною механічною характеристикою для оцінювання міцності крихких матеріалів.

 

При випробуваннях на стиск пластичні матеріали поводяться так само як при розтязі до границі текучості, після чого пластична деформація зростає дуже повільно і зразок починає сплющуватись. Крихкі матеріали при стисканні витримують набагато більші напруження, ніж при розтягуванні.

 

Хід     роботи

            Перед початком роботи слід ознайомитись з машиною для випробовування. 

 

Рисунок 7 – Розривна машина УММ5

   

Машина УММ5, що служить для статичних випробувань на розтяг, має універсальні захвати 1 і 2. При установці зразка випробування на розтяг нижній захват 2 переміщується вручну вздовж напрямних колон 5 рукояткою. Після закріплення зразка в захват машини, вмикають електродвигун 3, який  через коробку швидкостей обертає гайку, при цьому гвинт 4  переміщує нижній захват 2 вниз. Закріплений в машині зразок з’єднує верхній і нижній захват, тому переміщення нижнього захвата наслідує за собою переміщення  верхнього захвата. Останній зв’язаний через важільну систему з маятником 6 , який буде відхилятися від вертикального положення. Сила, що розтягує зразок, визначається  кутом відхилення маятника від вертикального положення. Відхилення маятника передається на  механізм, що переміщує стрілку колової шкали навантаження 8.

Зразки для випробування мають форму: а – до випробування; б – після розтягування.

 

Послідовність виконання роботи наступна:

1.   виміряти діаметр зразка та розрахункову довжину;

2.   закріпити зразок в захват машини;

3.   перевірити роботу діаграмного апарата;

4.   увімкнути електродвигун;

5.   записати максимальне значення навантаження.

6.   обробити результати випробування. 

7.   обидві  частини зруйнованого зразка скласти та заміряти довжину зразка і його діаметр в місці розриву.

 

Таблиця 15 - Результати вимірювань, розрахунків                                       

№ п/п	Дано	Позначення	Значення
1	Довжина зразка до випробовування	l0 ,мм
2	Довжина зразка після випробовування	l1 , мм
3	Абсолютна деформація подовження	Δl = l1 – l0, мм
4	Відносна деформація подовження	  100,% 0
5	Діаметр зразка до випробовування	d0 , мм
6	Діаметр зразка в місці розриву	d , мм
7	Абсолютна деформація звуження	Δd = d – d0 , мм
8	Відносна деформація звуження	d   100,% d0
9	Площа поперечного перерізу по початковому діаметру	d2 A0  0 , мм 4
10	Навантаження межі плинності	Fпл , Н
11	Межа плинності	F пл  пл ,МПа А0
12	Навантаження межі міцності	Fм , Н
13	Межа міцності	F м  м , МПа А0

 

Питання для захисту:

1.     Що називають деформацією розтягу?

2.     Що називають модулем пружності?

3.     Сформулюйте закон Гука при розтягу.

4.     Умова міцності при розтягу.

5.     Назвіть основні механічні характеристики.

            

Висновки:

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

__________________________________________________________________ _________________________________________________________________

 

     

 

 

 Оцінка  ___________ Дата_____________ Підпис викладача ___________