Ученики на Учителя.com


Испытание на разрыв образца из низкоуглеродистой стали

План занятия ''Испытание на разрыв образца из низкоуглеродистой
стали''.
Раздел программы: Сопротивление материалов.
Тема раздела: Растяжение и сжатие.
Тема занятия: Испытание на разрыв образца из низкоуглеродистой
стали.
Цели занятия:
образовательная
1. Углубить и систематизировать знания по теме растяжение и сжатие.
2. Формировать конструктивно- технологические умения, проводить
испытания материалов на разрыв; определять характеристики материала
образца по справочным таблицам.
развивающая
1. Развивать диалектическое мышление студентов, т.е. умение видеть
явления во взаимодействии и развитии путем установления связей
между дисциплинами: математикой, материаловедением, инженерной
графикой, основами стандартизации, деталями машин.
2. Развивать познавательные умения: (частично-поисковая деятельность в
связи с постановкой проблемы: «определить марку материала образца»
3. Привитие навыков испытания материалов, работы с технической
литературой.
воспитательная
1. Воспитание коммуникативных качеств студентов.
2. Воспитание бережного отношения к технике, рационального
использования материалов;
Межпредметные связи: математика, материаловедение, инженерная
графика, метрология, стандартизация и сертификация, детали машин.
Тип урока: урок формирования умений и навыков.
Оснащение:
- Презентация «Испытание материалов»
- Видеофильм «Испытание материалов на растяжение»
- Кейс № 1 – 12 шт.
- Пресс гидравлический с приспособлением на растяжение
- Штангенциркуль
- Образцы цилиндрической формы
- Инструкционные карты
- Таблицы ГОСТ 380-71
Используемая литература:
1. Анурьев В.К. Справочник конструктора- машиностроителя
в 3х томах. -М.: Машиностроение, 2001.
2. Ицкович. Сопротивление материалов. –М.: ВШ,
3. Эрдеди А.А., Эрдеди Н.А. Детали машин. - М.: Высшая
школа: Академия, 2001.
Структура занятия:
I. Организационный момент.
1. Взаимное приветствие.
2. Отметка присутствующих.
II. Объявление темы урока. Актуализация учебного материала.
III. Определение цели и задач урока.
IV. Мотивация. Механик изготовил кривошип КШП по чертежу, но при
эксплуатации произошла поломка. Почему?
V. Допуск к работе:
1. Опрос. Охарактеризовать зоны диаграммы растяжения
малоуглеродистой.
2. На ПК выполнить лабораторную работу «Испытание материалов на
растяжение».
VI. Инструктаж по технике безопасности.
VII. Выдача задания студентам.
1. Измерить диаметр образца, его расчетную длину и диаметр поршня.
Записать значение наибольшего давления. Вычислить предел
прочности при разрыве, относительное удлинение и сужение после
разрыва.
2. По механическим характеристикам прочности и пластичности Ψ из
таблицы ГОСТ 380-71 определить марку стали образца.
3. Оформить отчет.
VIII. Закрепление.
Показ видеофильма «Испытание материалов на растяжение»
IX. Подведение итогов урока.
X. Выдача домашнего задания
Повторить темы: Вращательное движение. Метод сечений.
тема «Испытание стальных образцов на разрыв»
Раздел: Сопротивление материалов
1. Теоретический и справочный материал
Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания
образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).
При растяжении образцов с площадью поперечного сечения Fо и рабочей (расчетной)
длиной lо строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение Dl
образца (рис. 1).
Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от
момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка:
упругой деформации – до нагрузки Рупр; равномерной пластической деформации от Рупр
до Рmax и сосредоточенной пластической деформации от Рmax до Рк . Если образец
нагрузить в пределах Рупр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то
никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования
образца называется упругим. При нагружении образца более Рупр появляется остаточная
(пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей
нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла
при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая
деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь
по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Рmax в
наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в
основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между
деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины.
В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка
уменьшается от Рmax до Рк , и при нагрузке Рк происходит разрушение образца. При этом
упругая деформация образца (Dlупр) исчезает, а пластическая (Dlост) остается (рис. 1).
Рис.1 диаграмма растяжения металла
Обозначим силу, при которой нарушается закон пропорциональности, через F
пц
. На
диаграмме этому значению силы на диаграмме соответствует точка А. Напряжение,
вызванное силой F
пц
, называется пределом пропорциональности и вычисляется по
формулеA
o
σ
пц =
Fпц.
Ao
;
(4.3)
Итак, пределом пропорциональности называется напряжение, после которого
нарушается закон Гука.
Вспомним, что деформация называется упругой, если она полностью исчезает после
разгрузки. Допустим, что, постепенно повышая нагрузку F, будем при каждом ее значении
производить полную разгрузку образца. Пока сила не достигнет определенной величины,
вызванные ею деформации будут полностыо исчезать при разгрузке. Процесс
разгружения при этом будет изображаться той же линией, что и нагружение.
Обозначим через F
уп
наибольшее значение силы, при котором образец при разгрузке
еще не дает остаточной деформации. Этому значению на диаграмме соответствует точка
В, а упругой стадии растяжения образца — участок диаграммы ОВ.
Наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке не
обнаруживается, называется пределом упругости. Это напряжение вызывается силой и
определяется по формуле
(4.4)
Предел упругости является характеристикой, не связанной с законом Гука. Точка В
может располагаться как выше, так и ниже точки А. Эти точки, а следовательно, и
значения напряжений и будут близки друг к другу и обычно различием
между ними пренебрегают.
После точки А при дальнейшем растяжении образца кривая растяжения становится
криволинейной и плавно поднимается до точки С, где происходит переход к
горизонтальному участку CD, называемому площадкой текучести. На этой стадии
растяжения удлинение образца растет при постоянном значении растягивающей силы,
обозначаемой через F
Т
. Такой процесс деформации, называемый текучестью материала,
сопровождается остаточным (пластическим) удлинением, не исчезающим после
разгрузки.
Таким образом, пределом текучести σ
Т
называется наименьшее напряжение, при
котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии.
Величина предела текучести вычисляется по формуле (4.5)
Начало пластической деформации соответствует наступлению некоторого
критического состояния металла, которое может быть обнаружено не только по
остаточным деформациям, но и по ряду других признаков. При пластической деформации
повышается температура образца; у стали изменяются электропроводность и магнитные
свойства; на полированной поверхности образцов, особенно плоских, заметно
потускнение, являющееся результатом появления густой сетки линий, носящих название
линий Чернова (линий Людерса). Последние наклонены к оси образца приблизительно
под углом 45
0
и представляют собой микроскопические неровности, возникающие
вследствие сдвигов в тех плоскостях кристаллов, где действуют наибольшие касательные
напряжения. В результате сдвигов по наклонным плоскостям образец получает
остаточные деформации.
После стадии текучести материал вновь приобретает способность увеличивать
сопротивление дальнейшей деформации и воспринимает возрастающее до некоторого
предела усилие. Этому отвечает восходящий участок DE (рис.4.2) кривой растяжения,
называемый участком упрочнения. Точка Е соответствует наибольшему усилию F
max
,
которое может воспринять образец.
Напряжение, соответствующее максимальной силе F
max
, называется временным
сопротивлением σ
вр
или пределом прочности σ
пч
. Его вычисляют по формуле
(4.6)
До этого момента удлинения распределяются равномерно по всей длине образца l
o
,
поперечные сечения расчетной части образца изменяются незначительно и также
равномерно по длине. Поэтому для вычисления в расчетные формулы
вводилось первоначальное значение площади A
o
.
После достижения усилия F
max
при дальнейшем растяжении образца деформация
происходит, главным образом, на небольшой длине образца. Это ведет к образованию
местного сужения в виде шейки (рис.4.3) и к падению силы F, несмотря на то, что
напряжение в сечении шейки непрерывно растет. Падение растягивающей силы
наблюдается лишь при испытании образца в разрывной машине, ограничивающей
скорость нарастания деформации. При нагружении путем подвешивания грузов
разрушение произойдет при постоянной нагрузке, но со все возрастающей скоростью
деформации.
Рис.4.3. Образование местного сужения (шейки)
Обозначив через F
k
величину растягивающей силы в момент разрыва, получим
(4.7)
Определяемое таким образом напряжение при разрыве образца весьма условно и не
может быть использовано в качестве характеристики механических свойств стали.
Условность состоит в том, что получено оно делением силы в момент разрыва на
первоначальную площадь поперечного сечения образца, а не на действительную его
площадь при разрыве, которая значительно меньше начальной вследствие образования
шейки.
Основными характеристиками упругости и прочности материалов, используемыми в
практических расчетах, являются предел упругости , предел текучести и временное
сопротивление (предел прочности)
Для малоуглеродистой стали, имеющей площадку текучести, например, для стали
Ст.2, эти характеристики следующие:
Для металлов, не имеющих площадки текучести, предел текучести определяют
условно как напряжение, при котором остаточная деформация составляет величину,
установленную ГОСТом или техническими условиями. По ГОСТ 1497—61 величина
остаточной деформации составляет 0,2% от измеряемой длины образца. Условные
пределы текучести отмечают нижним индексом в соответствии с заданной величиной
деформации, например σ
0.2
Учитывая, что практически трудно установить начало отклонения от закона
пропорциональности и начало появления первых остаточных деформаций, вводят также
понятия условных предела пропорциональности и предела упругости.
Условным пределом пропорциональности называют наименьшее напряжение, при
котором отклонение от линейной зависимости между напряжением и деформацией
достигает некоторой величины, устанавливаемой техническими условиями (например,
0,002% от измеряемой длины образца).
Условным пределом упругости называют наименьшее напряжение, при котором
остаточная деформация достигает заданной величины (обычно 0,001%—0,05% от
измеряемой длины образца). Его отмечают нижним индексом в соответствии с заданной
величиной остаточной деформации (например, σ
0.001
или σ
0.05
).
Диаграмма напряжений. Вид диаграммы растяжения в координатах зависит не
только от свойств материала, но и от размеров испытуемого образца.
Чтобы получить диаграмму, характеризующую только механические свойства
материала, первичную диаграмму растяжения перестраивают в координатах .
Ординаты такой диаграммы получают делением значений растягивающей силы на
первоначальную площадь поперечного сечения образца A
O
, а абсциссы — делением
абсолютных удлинений расчетной части образца на первоначальную ее длину.
Диаграмма в координатах , соответствующая первичной диаграмме
(рис.4.2), изображена на рис.4.6,а. Точкам О, А, В, С, D, Е, L первичной диаграммы
соответствуют точки О, а, b, с, d, e, l диаграммы
а
б
Рис.4.6. Диаграмма растяжения: а) в осях
б) в осях S— Ψ
Из диаграммы следует, что
(4.14)
т. е. модуль упругости при растяжении равен тангенсу угла наклона прямолинейного
участка диаграммы к оси абсцисс.
Площадь диаграммы напряжений в соответствующем масштабе равна
удельной работе деформации.
Нисходящий участок el диаграммы носит условный характер, поскольку
действительная площадь поперечного сечения образца после образования шейки и
первоначальная площадь, по которой определяют ординаты диаграммы, значительно
отличаются друг от друга. Деля величину силы на действительную площадь поперечного
сечения образца, можно получить значения истинных напряжений и построить
соответствующую диаграмму (на рис.4.6,а таким напряжениям соответствует штриховая
линия).
Так как после образования шейки относительная продольная деформация
распределяется по длине образца неравномерно, то истинные диаграммы принято строить
в таких координатах: относительное сужение Ψ поперечного сечения в шейке —
истинное напряжение S, где соответственно
усилие и наименьшая площадь поперечного сечения в данный момент времени
испытания.
Кривая истинных напряжений при растяжении малоуглеродистой стали
представлена на рис.4.6,б. Точке В соответствует начало возникновения остаточной
деформации и истинное напряжение, являющееся пределом текучести. Точке Е отвечает
наибольшая сила Fмакс, которую выдержал образец во время испытания. По ней
определяется величина истинного временного сопротивления Sвр. Деформация образца
от начала растяжения до момента, отвечающего точке Е, равномерна по длине образца.
Абсцисса точки E( ) представляет наибольшее равномерное сужение. Разрыв образца
обозначен точкой К. Ее абсцисса представляет собой наибольшее сужение сечения , а
ордината — истинное сопротивление разрыву S
К
.
Как видно из истинной диаграммы, сопротивление пластическому деформированию
растет вплоть до момента разрушения.
Для определения механических характеристик на практике используют условные
диаграммы растяжения в координатах . Построение диаграмм истинных
напряжений значительно сложнее, и служат они, главным образом, целям теоретических
исследований.
Заметим еще, что площадка текучести есть у сравнительно немногих металлов —
малоуглеродистой стали, латуни и некоторых отожженных марганцовистых и
алюминиевых бронз. Большинству металлов свойственен постепенный переход в
пластическую область. На рис.4.7,а изображены диаграммы растяжения нескольких
металлов: кривая 1 — бронзы ( ); 2 — углеродистой стали (
); 3 — никелевой стали ( ) и 4 —
марганцовистой стали ( ).
Разрыв образцов из хрупких материалов происходит при весьма незначительном
удлинении и без образования шейки. На рис.4.7,б приведена диаграмма растяжения серого
чугуна, типичная для таких материалов. Диаграмма не имеет выраженного начального
прямолинейного участка. Однако, определяя деформации в чугунных деталях, все же
пользуются формулой, выражающей закон Гука. Значение модуля упругости Е находят
как тангенс угла наклона прямой, проведенной через начальную точку диаграммы О и
точку В, соответствующую напряжению, при котором определяют деформацию. Такой
модуль называется секущим.
а
б
Рис.4.7. Диаграммы растяжения некоторых металлов и серого чугуна
ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА ЗАНЯТИЯ
Тема: Испытание стальных образцов на разрыв.
Оборудование: 1.Гидравлический пресс с приспособлением для растяжения.
2.Штангенциркуль.
3.Образец
Цель работы: Изучить поведение материала при растяжении, получить диаграмму
растяжения и установить основные механические характеристики образца.
При определении качества материала, выпускаемого металлургической
промышленностью, одним из основных видов принято испытание на растяжение.
При статических испытаниях на растяжение определяются:
- предел текучести: ,
где F
T
- нагрузка, соответствующая текучести;
А
о
– начальная площадь поперечного сечения образца
- предел прочности: ,
где F
max
- наибольшая нагрузка, предшествующая разрыву образца
При этом максимальное усилие вычисляется по давлению, показанному манометром
и площади поршня прессаA
n
.
; ;
Предел прочности при разрыве принимает вид:
Относительное удлинение после разрыва = (l
1
-l
0
)/l
0
* 100%,
Где l
0
– расчетная длина образца;
l
1
– длина расчетной части образца после разрыва.
Относительное сужение после разрыва Ψ = (А
о
- А
1
) / Ао*100%
Выполнение работы: Ознакомьтесь с устройством и принципом действия
гидравлического пресса. В отчет записать: тип прибора, цену деления шкалы
манометра.
o
T
T
A
F
=
o
B
A
F
max
=
4
2
D
A
n
=
4
2
D
PPAF
n
==
2
0
2
4
4
d
DP
B
=
;
2
0
2
d
PD
B
=
1. Измерьте диаметр образца, его расчетную длину и диаметр поршня. Запишите
значения d
o=
; l
o= ;
D
n=
.
2. Закрепите образец в приспособлении для разрыва и зажмите его между плитами
пресса до разрушения.
3. Запишите значение наибольшего давления.
4. После разрушения образца выньте из захвата обе его части.
5. Обе части разрушенного образца сложить вместе, замерить расстояние между
рисками и диаметр образца в месте разрыва.
6. Вычислить предел прочности при разрыве, относительное удлинение и сужение
после разрыва.
№ /п
Снимаемые параметры
обозна
чение
Единица
измерения
Численная
величина
1.
2.
3.
4.
5.
Исходные данные
Рабочая длина образца до испытания
Диаметр образца до испытания
Площадь сечения образца до испытания
Диаметр поршня пресса
Площадь поршня пресса
l
O
d
O
A
O
D
п
А
п
мм
мм
мм
мм
мм
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Результаты испытаний
Максимальное давление
Давление в момент разрушения
Максимальная нагрузка при испытании
Нагрузка в момент разрушения
Диаметр образца в месте разрушения
Площадь поперечного сечения образца в месте
разрушения
Рабочая длина образца после испытания
Р
max
Р
F
max
F
d
1
A
1
l
1
kгс/см
2
kгс/см
2
кгс
кгс
мм
мм
2
мм
13.
14.
15.
Характеристики прочности и пластичности
Временное сопротивление (предел прочности)
Относительное остаточное удлинение
Относительное остаточное сужение
σ
В
Ψ
кгс/мм
2
%
%
Вывод:
Скачать материал

Технология - еще материалы к урокам: