Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Сопротивление материалов». Часть 1, страница 2

ISopromat.ru

Лабораторная работа №1 по испытанию на растяжение и разрыв стального образца из малоуглеродистой стали (видео).

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 >

Энциклопедия по машиностроению XXL

По ряду причин площадь под кривой ОАВ (см. рис. 40) количественно не точно определяет работу разрушения и при испытаниях на растяжение ее не подсчитывают.  [c.64]

Проще определять не усилие, затраченное на разрушение образца (хотя п это вполне возможно), а работу, причем эту работу делить на поперечное сечение образца. Последнее является напрасным занятием, так как работа, затраченная на разрушение, не пропорциональна сечению. Если затраченную работу разделить на поперечное сечение, которое у всех стандартных образцов (ГОСТ 9454-60) одинаковое (0,8 см ), получаем удельную работу разрушения или ударную вязкость aH = W /F =v4n/0,8 кгм/см .  [c.80]

Площадь диаграмм, показанных на рис. 92, в, г, представляет работу, затрачиваемую на разрушение материала образца. Часть этой работы идет на нагревание материала образца, при этом, как видно из диаграмм, работа разрушения пластических материа-лоз значительно больше, чем для хрупких материалов.  [c.135]

Ударной вязкостью материала а называется величина работы разрушения образца, отнесенная к площади его поперечного сечения  [c.648]

Однако здесь величина о — эффективная поверхностная энергия, представляющая собой удельную (на единицу вновь образующейся поверхности) работу разрушения. Она включает, помимо истинной поверхностной энергии сг, работу пластических деформаций на единицу поверхности трещины, т е. энергию искажений решетки, возникающих при развитии трещины. Величина сг может на несколько порядков превосходить истинное значение поверхностной энергии идеально хрупкого твердого тела.  [c.128]

Заметим, что соотношения (3.6), (3.7) справедливы также и для критического состояния (G и KJ, ще G — удельная (эффективная) работа разрушения, — критический коэффициент интенсивности напряжений. Часто обе эти величины называют вязкостью разрушения.  [c.25]

Плотность работы разрушения по формуле (27.6) будет  [c.228]

Плотность работы разрушения равна  [c.232]

Ударной вязкостью материала называется величина работы разрушения образца, отнесенная к площади поперечного сечения в месте надреза. Чем выше ударная вязкость, тем большее количество энергии поглощается материалом в процессе разрушения. Поэтому и термин — ударная вязкость.  [c.72]

КСи — ударная вязкость — работа разрушения образца с кольцевым надрезом при ударном изгибе, отнесенная к площади образца в сечении надреза, для неметаллов определяется также на образцах без надреза  [c.47]

Если энергия на единицу площади, расходуемая при создании новой поверхности и равная у, связана исключительно с работой разрушения, то  [c.327]

Стеклянные, борные и углеродные волокна следуют закону Гука до момента разрыва, поэтому удлинение при разрыве невелико и энергия, затрачиваемая на разрушение, низкая. Органические волокна обнаруживают некоторые пластические свойства, диаграмма растяжения в конце искривляется, уменьшая свой наклон, и площадь под диаграммой, т. в. работа разрушения, может быть больше, чем у более жестких борных и углеродных волокон.  [c.689]

Сущность этих подходов состоит в следующем. Пусть имеется идеально упругое тело с начальным разрезом. Для того чтобы этот разрез стал распространяться, увеличивая свою поверхность, требуется израсходовать энергию, равную по величине работе, которую надо затратить, чтобы обеспечить целостность материала перед кромкой разреза. Эту работу (с обратным знаком) можно назвать работой разрушения. Одновременно с образованием новой поверхности, свободной от нагрузок, в некотором объеме тела уменьшается деформация. Это приводит к соответствующему выделению из тела упругой энергии. Таким образом, на основании закона сохранения энергии, в пренебрежении иными возможными потоками энергии, при развитии трещины на величину 55 соблюдается энергетическое условие вида  [c.28]

Здесь бГ — работа разрушения, необходимая для образования новой поверхности разрыва площадью 65, G — поток энергии в вершину трещины, отнесенный к единице площади трещины или, иными словами, интенсивность освобождающейся упругой энергии.  [c.28]

Это есть математическая запись модифицированного критерия Гриффитса [399]. В левой части стоит но- у ток упругой энергии G, который может быть затрачен на разрушение, в правой части — вязкость разрушения, или иначе, удельная работа разрушения (см. (3.8)).  [c.49]

Наконец, отметим, что смысл понятия отсутствие равновесия — разный при вариации перемещений в принципе возможных перемещений и при вариации длины трещины в теории трещин. В последнем случае отсутствие равновесия может означать нарушение баланса энергий (упругая энергия совместно с работой внешних сил превышает работу разрушения), в то время как все перемещения находятся в согласии с внешними силами.  [c.55]

Так как площадь под кривой 010 пропорциональна работе разрушения, то площадь 0Z0″ равна работе, которая была не- обходима для зарождения трещины работа зарождения трещины- Лэ ), а площадь 0″Z0 — работе, необходимой, чтобы распространить трещину на все сечение (коротко — работа распространения трещины — Лр). Таким образом, вся работа затра-чвнная /4полн з  [c.64]

Работу разрушения, в том числе и ее составляющие (работу зарождения и райП1ростран0ния трещины), определяют испытаиием на изгиб (обычно ударом надреза1кных образцов), о чем будет сказано дальше.  [c.64]

Работа разрушения образца Дн складывается, как указывалось выше, из ,вух составляющих — работы зарождения трещины (Да) и работы распростра-испия трещины (Др), т. с, Оя = Оа + Пр- При ударных испытаниях лучше определять неполную работу разрушения, а работу раснространсини Tp i uiiiH, та как она характеризует надежность материала.  [c.81]

Второй возможный механизм развития трещины базируется на следующих представлениях. После объединения микротрещины с макротрещиной идет непрерывное динамическое развитие макротрещины по тем же законам, по которым развивалась и микротрещина отсутствие заметного пластического деформирования у верщины быстро развивающейся трещины (недостаточно времени на реализацию релаксационных процессов в вершине) рост трещины по плоскостям спайности с преодолением различных барьеров типа границ зерен, фрагментов, блоков (см. раздел 2.1). При реализации второго механизма энергия, необходимая для старта трещины, будет отличаться от энергии, идущей на ее рост. Энергия зарождения хрупкого разрушения обусловлена пластическим деформированием, необходимым как для зарождения микротрещин, так и для реализации деформационного упрочнения, обеспечивающего рост напряжений до величины S . Для распространения трещины от одного зерна к другому необходима эффективная энергия не только для образования новых поверхностей, но и для компенсации дополнительной работы разрушения, идущей на образование ступенек и вязких перемычек при распространении трещин скола [121, 327]. Образование ступенек на поверхности скола, как известно, связано с различной ориентацией зерен. При переходе трещины скола через границу зерна в новом зерне из-за различий в ориентации происходит разделение трещины на ряд отдельных трещин, которые распространяются параллельно по кристаллографическим плоскостям спайности и прп объединении образуют ступеньки скола. При распространении макротрещины через отдельные неблагоприятно расположенные зерна, для которых плоскости спайности сильно отклонены от направления магистральной трещины, могут наблюдаться вязкие ямочные дорывы (перемычки) [114, 327]. Учитывая, что для старта макротрещины требуется пластическое деформирование, по крайней мере в масштабе, не меньшем, чем диаметр зерна, а для ее развития масштаб пластического деформирования ограничен размером перемычек между микротрещинами, можно заключить энергия G , необходимая для старта трещины, выше, чем энергия ур, требующаяся на ее развитие. Эксперименты для большинства конструкционных металлических материалов подтверждают сделанное заключение [253]. Следовательно, динамическое развитие трещины при хрупком разрушении наиболее вероятно происходит по второму механизму. Кроме того, в пользу второго механизма говорят имеющиеся фрактографические наблюдения (рис. 4.19), которые иллюстрируют переход трещины скола через границу зерна со значительной составляющей кручения и расщепление зерна рядом параллельных друг другу трещин. Если бы развитие трещины  [c.240]

Однако здесь величина а — эффективная поверхностная энергия, представляющая собой удельную (на единицу вновь образующейся поверхности) работу разрушения. Она включает, помимо истинной поверхностной энергии работу пластических деформаций на единицу поверхности трещины, т.е. энергию искажений решетки, возникающих при развитии трещины. Величи-  [c.314]

Наконец, следует сделать заключение о раскрытии в конце трещины. Ясно, что для реальных материалов в результате пластического течения раскрытие больше нуля и может считаться как постоянной материала, так и величиной, зависящей от внешней нагрузки. Причем рассчитанные примеры показали, что и в том, II в другом случае расхождение между критическими состояниями невелико (линии 2 и 5 на рис. 18.1, 18.3, 18.4). Более того, начиная с некоторого значения размера трещины, предположение о нулевом раскрытии практически также не изменяет критическое состояние. Отсюда можно сделать вывод, что принятие той или иной гипотезы о степени постоянства раскрытия в конце трещины можно скорее обосыовать удобством расчета, нежели соображениями его точности. К этому можно добавить, что детали деформации, отражающиеся на раскрытии в малой окрестности конца трещины, сильно зависят от размера зерна, его анизотропии и неоднородности (а также и от других причин), что вносит в эксперимептальное измерение раскрытия некоторую долю не-определенности, позволяющую относиться к результатам непосредственного измерения малых значений раскрытия в конце трещины с известной осторожностью [51]. Поэтому при хрупком разрушении достаточно знать плотность работы разрушения измеренную па образцах с достаточно большой трещиной, и техническую прочность Оо гладкого образца (в отсутствие трещины). Этих параметров достаточно для построения области предельного состояния тела с трещиной и с ограниченной прочностью при = 0.  [c.143]

Критерий потока энергии [306J. Трещина растет в направлении, при котором компонента вектора потока энергии равна удельной работе разрушения (рис. 24.3, а)  [c.195]

Предполагая поверхностную плотность работы разрушения у постоянной, а длину трещины, на которой определен функционал, заданной, занишем вариационное условие для плоской задачи в виде (см. (4.10))  [c.197]

Отсюда видно, что работа разрушеиия пе является постоянной материала. Это результат иеавтомоделыгости задачи, так как при. распространении трещины контур ее головной части деформируется и но остается неизмспиым. Плотиость работы разрушении становится постоянной и ранной 2 = а бс при достаточно малых BHoiHHHx нагрузках и длинных трещинах, т. е. при Ука-  [c.227]

Взаимное сопостанлсние значений плотности работы разрушения 2″f в задачах о растяжении тела с трещиной и о давлении в полости трещины показылает, что в последнем случае значение 2 меньше (при фпкспроваппой длнпе ). Поэтому уменьшение  [c.233]

Определе[1И( закона двия ения трещины при известной за-кисимосги удельной работы разрушения от скорости трещины.  [c.318]

На рис. 12.14 изображен кончик трещины, где для наглядности связь на отрыв между продолжениями берегов трещины осуществлена с помощью условных связей, моделирующих межатомные силы взаимодействия реального тела. Для того чтобы трещина смогла продвинуться на dZ, эти связи на длине dZ должны быть разрушены, для чего надо затратить определенную работу d . Гриффитс представил эту работу в виде произведения d = 27dZ-l, где у- плотность энергии образования свободной поверхности тела 2dM -площадь добавочной свободной поверхности у двух берегов подросшей трещины (размер, перпендикулярный чертежу, принят равным единице). Таким образом, по Гриффитсу, 7 — это константа материала, характеризующая удельную работу разрушения межатомных связей при отрыве. В общем случае напишем для приращения работы разрушения выражение  [c.384]

Пусть трещина оказывается в условиях, характеризуемых точкой Аз, расположенной выше кривой Сткр = / ( кр) (рис. 12.15). Выделяемая энергия d5 будет тем больше потребляемой работы разрушения d 4, чем дальше точка Лз от А , и этот избыток потенциальной энергии переходит по равенству (12.28) в кинетическую энергию движения частиц пластины у острия трещины dT. Как показывают более подробные расчеты, распространение трещины происходит со скоростями порядка скоростей распространения волн деформаций в упругом теле. Например, для стали скорость распространения продольных деформаций с 5600 м/с. Во всяком случае, эта скорость может быть достаточно большой, что и создает впечатление взрывоподобного разрушения тела.  [c.386]

Здесь бЛ — механическая работа внешних сил, 6VF — объемная потенциальная энергия упругой деформации тела, бГ — работа разрушения. Поскольку рассматриваемая задача предполагается квазистатической, то кинетическая энергия принята равной ну ЛЮ. Кроме того, условие (4.1) записано в предположенип отсутствия тепловых потоков и других видов энергии.  [c.38]

В рассматриваемом случае затрата энергии на создание новых поверхностей разрыва, т. е. работа разрушения, фактически определяется работой пластической деформации бИ р, т. е. 6Г = = bWp. Эта работа разрушения отличается от работы разрушения упругого тела тем, что здесь бГ целиком определяется затратой энергии на работу пластической деформации, в то время как для хрупкого тела по определению d = 0. Поэтому, в отличие от идельио упругого тела, плотность работы разрушения для рассматриваемой модели нельзя, вообще говоря, считать постоянной материала в этом случае величина y = AVFp/A.5 (работа пластической деформации на единицу площади вновь образующейся поверхности) зависит от способа приложения внешних нагрузок, от формы н размеров тела, в частности, от размеров трещины.  [c.38]

Интенсивность работы разрушения 2 по критерию Ирвина принимается (для данного материала и толщины) постоянной, не зависящей от критической длины трещины (ввиду малости зоны пластической деформации). Вычисление интенсивности работы разрушения с привлечением бк-модели показывает, что эта величина меняется с изменением критической длины трещины, причем при уменьшении длины величина 2 неограниченно возрастает, а при увеличении — стремится к Ообс. Это следует из общего выражения интенсивности работы разрушения [150, 346, 437] (см. также 27)  [c.138]

Основы теории упругости и пластичности (1990) — [ c.384 ]

Разрушение и усталость Том 5 (1978) — [ c.458 ]

Промышленные полимерные композиционные материалы (1980) — [ c.60 , c.100 , c.124 , c.134 ]

Металловедение и термическая обработка стали Т1 (1983) — [ c.215 , c.219 ]

Механические свойства полимеров и полимерных композиций (1978) — [ c.152 , c.153 , c.176 ]

Инструментальные стали и их термическая обработка Справочник (1982) — [ c.38 ]

Металловедение и термическая обработка стали Том 1, 2 Издание 2 (1961) — [ c.81 , c.82 ]

Краткий курс сопротивления материалов с основами теории упругости (2001) — [ c.144 ]