Механические испытания на одноосное растяжение

ISopromat.ru

Лабораторная работа № 1

Цель работы — изучить поведение малоуглеродистой стали при растяжении и определить ее механические характеристики.

Основные сведения

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.

Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.

В таких случаях, кроме металлографических исследований, определяются главные механические характеристики на образцах, взятых из зоны разрушения конструкции. Образцы изготавливаются по ГОСТ 1497-84 и могут иметь различные размеры и форму (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Образцы для испытания на растяжение

Между расчетной длиной образца lо и размерами поперечного сечения Ао (или dо для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:

В испытательных машинах усилие создается либо вручную — механическим приводом, либо гидравлическим приводом, что присуще машинам с большей мощностью.

В данной работе используется универсальная испытательная машина УММ-20 с гидравлическим приводом и максимальным усилием 200 кН, либо учебная универсальная испытательная машина МИ-40КУ (усилие до 40 кН).

Порядок выполнения и обработка результатов

Образец, устанавливаемый в захватах машины, после включения насоса, создающего давление в рабочем цилиндре, будет испытывать деформацию растяжения. В измерительном блоке машины есть шкала с рабочей стрелкой, по которой мы наблюдаем рост передаваемого усилия F.

Зависимость удлинения рабочей части образца от действия растягивающей силы во время испытания отображается на миллиметровке диаграммного аппарата в осях F-Δl (рис. 1.2).

В начале нагружения деформации линейно зависят от сил, потому участок I диаграммы называют участком пропорциональности. После точки В начинается так называемый участок текучести II.

На этой стадии стрелка силоизмерителя как бы спотыкается, приостанавливается, от точки В на диаграмме вычерчивается либо прямая, параллельная горизонтальной оси, либо слегка извилистая линия — деформации растут без увеличения нагрузки. Происходит перестройка структуры материала, устраняются нерегулярности в атомных решетках.

Далее самописец рисует участок самоупрочнения III. При дальнейшем увеличении нагрузки в образце происходят необратимые, большие деформации, в основном концентрирующиеся в зоне с макронарушениями в структуре — там образуется местное сужение — «шейка».

На участке IV фиксируется максимальная нагрузка, затем идет снижение усилия, ибо в зоне «шейки» сечение резко уменьшается, образец разрывается.

При нагружении на участке I в образце возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические — остаточные деформации.

Если в стадии самоупрочнения начать разгружать образец (например, от т. С), то самописец будет вычерчивать прямую СО1. На диаграмме фиксируются как упругие деформации Δlу (О1О2), так и остаточные Δlост (ОО1). Теперь образец будет обладать иными характеристиками.

Так, при новом нагружении этого образца будет вычерчиваться диаграмма О1CDЕ, и практически это будет уже другой материал. Эту операцию, называемую наклеп, широко используют, например, в арматурных цехах для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней.

Диаграмма растяжения (рис. 1.2) характеризует поведение конкретного образца, но отнюдь не обобщенные свойства материала. Для получения характеристик материала строится условная диаграмма напряжений, на которой откладываются относительные величины — напряжения σ=F/A0 и относительные деформации ε=Δl/l0 (рис. 1.3), где А0, l0 — начальные параметры образца.

Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Рис. 1.3. Условная диаграмма напряжений при растяжении

Условная диаграмма напряжений при растяжении позволяет определить следующие характеристики материала (рис. 1.3):

σпц — предел пропорциональности — напряжение, превышение которого приводит к отклонению от закона Гука. После наклепа σпц может быть увеличен на 50-80%;

σу — предел упругости — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05%. Напряжение σу очень близко к σпц и обнаруживается при более тонких испытаниях. В данной работе σу не устанавливается;

σт — предел текучести — напряжение, при котором происходит рост деформаций при постоянной нагрузке.

Иногда явной площадки текучести на диаграмме не наблюдается, тогда определяется условный предел текучести, при котором остаточные деформации составляют ≈0,2% (рис. 1.4);

Рис. 1.4. Определение предела упругости и условного предела текучести

σпч (σв) — предел прочности (временное сопротивление) — напряжение, соответствующее максимальной нагрузке;

σр — напряжение разрыва. Определяется условное σур и истинное σир=Fр/Аш, где Аш — площадь сечения «шейки» в месте разрыва.

Определяются также характеристики пластичности — относительное остаточное удлинение

δ = (l1 — l0)∙100% / l0,

где l1 — расчетная длина образца после разрыва,

и относительное остаточное сужение

ψ = (А0 — Аш)∙100% / А0.

По диаграмме напряжений можно приближенно определить модуль упругости I рода

E=σпц/ε=tgα,

причем после операции наклепа σпц возрастает на 20-30%.

Работа, затраченная на разрушение образца W, графически изображается на рис. 1.2 площадью диаграммы OABDEO3. Приближенно эту площадь определяют по формуле:

W = 0,8∙Fmax∙Δlmax.

Удельная работа, затраченная на разрушение образца, говорит о мере сопротивляемости материала разрушению w = W/V, где V = A0∙l0 — объем рабочей части образца.

По полученным прочностным и деформационным характеристикам и справочным таблицам делается вывод по испытуемому материалу о соответствующей марке стали

Контрольные вопросы

1. Изобразите диаграмму растяжения образца из малоуглеродистой стали (Ст.3). Покажите полные, упругие и остаточные абсолютные деформации при нагружении силой, большей, чем Fт.
2. На каком участке образца происходят основные деформации удлинения? Как это наблюдается на образце? Какие нагрузки фиксируются в этот момент?
3. Объясните, почему после образования шейки дальнейшее растяжение происходит при все уменьшающейся нагрузке?
4. Перечислите механические характеристики, определяемые в результате испытаний материала на растяжение. Укажите характеристики прочности и пластичности.
5. Дайте определение предела пропорциональности.
6. Дайте определение предела упругости.
7. Дайте определение предела текучести.
8. Дайте определение предела прочности.
9. Как определить предел текучести при отсутствии площадки текучести? Покажите, как это сделать, по конкретной диаграмме.
10. Какие деформации называются упругими, какие остаточными? Укажите их на полученной в лабораторной работе диаграмме растяжения стали.
11. Как определяется остаточная деформация после разрушения образца?
12. Выделите на диаграмме растяжения образца из мягкой стали упругую часть его полного удлинения для момента действия максимальной силы.
13. Какое явление называется наклепом? До какого предела можно довести предел пропорциональности материалов с помощью наклепа?
14. Как определяется работа, затраченная на разрушение образца? О каком свойстве материала можно судить по удельной работе, затраченной на разрушение образца?
15. Как определить марку стали и допускаемые напряжения для нее после проведения лабораторных испытаний?
16. Чем отличается диаграмма истинных напряжений при растяжении от условной диаграммы?
17. Можно ли определить модуль упругости материала по диаграмме напряжений?
18. Как определить работу, затрачиваемую на деформации текучести лабораторного образца?

Испытание материалов на сжатие >

Краткая теория >

Примеры решения задач >

Источник

Испытание на растяжение — Tensile testing

Процедура испытания для определения механических свойств образца.

Испытание на растяжение композита кокосового волокна. Размер образца не соответствует стандарту (Instron).

Испытание на растяжение , также известное как испытание на растяжение , является фундаментальным материаловедением и инженерией испытание, при котором образец подвергается контролируемому растяжению до разрушения. Свойства, которые непосредственно измеряются с помощью испытания на растяжение, включают предел прочности на разрыв , предел прочности , максимальное удлинение и уменьшение площади. Из этих измерений также могут быть определены следующие свойства: модуль Юнга , коэффициент Пуассона , предел текучести и характеристики деформационного упрочнения . Испытания на одноосное растяжение наиболее часто используются для получения механических характеристик изотропных материалов . Некоторые материалы используют. Основное различие между этими испытательными машинами заключается в том, как нагрузка прилагается к материалам.

Цели

Испытания на растяжение могут иметь различные цели, например:

• Выбор материала или предмета для применения
• Предсказать, как материал будут работать при использовании: нормальные и экстремальные силы .
• Определить, или проверить выполнение требований спецификации , правила или контракта выполнены
• Решить, идет ли программа разработки новых продуктов
• Продемонстрировать подтверждение концепции
• Продемонстрировать полезность предлагаемого патента
• Предоставляет стандартныеданные для других научных, инженерных и функций обеспечения качества функций
• Обеспечивает основу для технической коммуникации
• Предоставить технические средства сравнения нескольких вариантов
• Предоставить доказательства в судебном разбирательстве

Растяжение образец

Образцы на растяжение из алюминиевого сплава. Два левых экземпляра имеют круглое поперечное сечение и заплечики с резьбой. Два правых — плоские образцы, предназначенные для использования с зубчатыми захватами.

Образец для растяжения из алюминиевого сплава после испытания. Он сломался, и поверхность, на которой он сломался, можно осмотреть.

Подготовка образцов для испытаний зависит от целей испытаний и от основного метода испытаний или спецификации . Образцы на растяжение обычно представляют собой стандартизованное поперечное сечение образца. Он имеет два плеча и промежуточный калибр (секцию). Плечи большие, поэтому их можно легко захватить, в то время как измерительная секция имеет меньшее поперечное сечение, поэтому в этой области могут произойти деформация и разрушение.

Плечи испытательного образца могут быть изготовлены в различных вариантах способы сопряжения с различными захватами в испытательной машине (см. изображение ниже). У каждой системы есть свои преимущества и недостатки; например, плечи, предназначенные для зубчатых захватов, просты и дешевы в производстве, но выравнивание образца зависит от навыков техника. С другой стороны, фиксированная ручка обеспечивает хорошее выравнивание. Резьбовые выступы и захваты также обеспечивают хорошее выравнивание, но техник должен знать, как врезать каждое выступ в захват, по крайней мере, на длину одного диаметра, иначе резьба может отслоиться до разрушения образца.

В больших отливках и поковки обычно добавляют дополнительный материал, который предназначен для удаления из отливки, чтобы из нее можно было изготовить образцы для испытаний. Эти образцы могут не быть точным представлением всей заготовки, потому что структура зерен может быть различной. В случае небольших заготовок или когда необходимо испытать критические части отливки, заготовка может быть принесена в жертву для изготовления образцов для испытаний. Для деталей, которые обработаны из прутковой заготовки , испытательный образец может быть изготовлен из той же детали, что и пруток.

Различные стили плеча для образцов на растяжение. Клавиши от A до C предназначены для круглых образцов, а клавиши D и E — для плоских образцов. Ключ:

A. A Заплечик с резьбой для использования с резьбой

B. Круглый выступ для использования с зубчатыми захватами

C. Заплечик на торце для использования с разрезным воротником

D. Плоское плечо для использования с зубчатыми захватами

E. Плоский выступ со сквозным отверстием для фиксированной рукоятки

Номенклатура испытуемых образцов

Воспроизводимость испытательной машины можно определить, используя специальные испытательные образцы, тщательно изготовленные так, чтобы они были как можно более похожими.

A Стандартный образец изготавливается круглого или квадратного сечения по расчетной длине, в зависимости от используемого стандарта. Оба конца образцов должны иметь достаточную длину и такое состояние поверхности, чтобы они надежно удерживались во время испытания. Начальная измерительная длина Lo стандартизирована (в нескольких странах) и варьируется в зависимости от диаметра (Do) или площади поперечного сечения (Ao) образца, как указано в списке

В следующих таблицах приведены примеры размеров образцов для испытаний и допусков по стандарту ASTM E8.

Плоский образец для испытаний

Круглый образец для испытаний

Оборудование

Универсальная испытательная машина (Hegewald & Peschke)

Испытания на растяжение чаще всего проводятся на лаборатория испытания материалов. ASTM D638 — один из наиболее распространенных протоколов испытаний на растяжение. ASTM D638 измеряет свойства пластика на растяжение, включая предел прочности на разрыв, предел текучести, удлинение и коэффициент Пуассона.

Наиболее распространенной испытательной машиной, используемой при испытаниях на растяжение, является универсальная испытательная машина . Этот тип машины имеет две траверсы; один регулируется по длине образца, а другой приводится в действие для приложения напряжения к образцу для испытаний. Существует два типа: гидравлические и электромагнитные машины.

Машины должны иметь соответствующие характеристики для испытуемого образца. Существует четыре основных параметра: допустимая сила, скорость, точность и точность . Допустимая сила относится к тому факту, что машина должна быть способна создать достаточную силу для разрушения образца. Машина должна иметь возможность прикладывать силу быстро или достаточно медленно, чтобы должным образом имитировать реальное приложение. Наконец, машина должна быть способна точно и точно измерять измерительную длину и прилагаемые силы; например, большая машина, предназначенная для измерения большого удлинения, может не работать с хрупким материалом, который испытывает короткие удлинения перед разрушением.

Выравнивание образца для испытаний в машине для испытаний имеет решающее значение, потому что если образец смещен под углом или смещен в одну сторону, машина будет оказывать на образец изгибающее усилие. Это особенно плохо для хрупких материалов, потому что это сильно исказит результаты. Эту ситуацию можно минимизировать, используя сферические опоры или U-образные шарниры между захватами и испытательной машиной. Если начальный участок кривой напряжение-деформация изогнутый, а не линейный, это указывает на то, что образец смещен в испытательной машине.

Измерения деформации чаще всего измеряются с помощью экстензометра , но тензодатчики также часто используются на небольших испытательных образцах или при измерении коэффициента Пуассона . Новые испытательные машины имеют цифровые системы измерения времени, силы и удлинения, состоящие из электронных датчиков, подключенных к устройству сбора данных (часто к компьютеру), и программного обеспечения для обработки и вывода данных. Однако аналоговые машины по-прежнему соответствуют и превосходят требования ASTM, NIST и ASM по точности испытаний металлов на растяжение, и продолжают использоваться сегодня.

Процесс

«чашка» сторона характерной картины разрушения «чашка — конус»

Некоторые части имеют форму «чашечки», а некоторые — форму «конуса»

Процесс испытания включает в себя помещение испытательного образца в испытательную машину и его медленное растягивание до тех пор, пока он ломается. Во время этого процесса регистрируется удлинение измерительной части относительно приложенной силы. Данные обрабатываются так, чтобы они не зависели от геометрии тестового образца. Измерение удлинения используется для расчета инженерной деформации , ε, используя следующее уравнение:

ε = Δ LL 0 = L — L 0 L 0 { displaystyle varepsilon = { frac { Дельта L} {L_ {0}}} = { frac {L-L_ {0}} {L_ {0}}}}

где ΔL — изменение расчетной длины, L 0 — начальная калибровочная длина, а L — конечная длина. Измерение силы используется для расчета инженерного напряжения σ с использованием следующего уравнения:

σ = F n A { displaystyle sigma = { frac {F_ {n}} {A}}}

где F — сила натяжения, A — номинальное поперечное сечение образца. Машина выполняет эти расчеты по мере увеличения силы, так что точки данных могут быть отображены в виде кривой напряжение-деформация .

Стандарты

Металлы

• ASTM E8 / E8M-13 : «Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение» (2013)
• ISO 6892-1: «Металлические материалы. Испытания на растяжение. Метод испытаний при температуре окружающей среды» (2009)
• ISO 6892-2: «Металлические материалы. Испытание на растяжение. Метод испытания при повышенной температуре» (2011)
• JIS Z2241 Метод испытания на растяжение металлических материалов
• Стандарт испытаний 10: «Метод для Свойства при растяжении материалов порошковой металлургии (ПМ) «Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение» (2015)

Композиты

• ASTM D 3039 / D 3039M: «Стандартный метод испытаний свойств при растяжении полимерной матрицы. Композитные материалы »

Гибкие материалы

• ASTM D638 Стандартный метод испытаний свойств при растяжении пластмасс
• ASTM D828 Стандартный метод испытаний свойств при растяжении бумаги и бумаги картон с использованием аппарата постоянной скорости удлинения
• ASTM D882 Стандартный метод испытания свойств на растяжение тонкого пластикового листа
• ISO 37 резина, вулканизированная или термопластичная — определение свойств растяжения-напряжения

Ссылки

Внешние ссылки

• Видео об испытании на растяжение
• Определение свойств материала с помощью испытаний на растяжение
• Подробнее об испытании на растяжение ASTM D638
• НАПРЯЖЕНИЕ РЕЗИНОВОГО РЕМНЯ ИСПЫТАНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ

Источник