Лабораторная работа № 5

Влияние надреза на механические свойства стали

5.1. Цель работы: ознакомиться с влиянием остроты надреза на механические свойства, стали.

5.2. Теоретическая часть

Выявление механических свойств при статических испытаниях обычно осуществляется на гладких (постоянного сечения) образцах. Однако в критических условиях детали конструкций имеют переходы в сечениях, отверстия, резьбу и неровности, что очень сильно отражается на реальной прочности и особенно пластичности материала деталей. Перенесение для таких деталей характеристик механических свойств, полученных при испытании стандартных гладких образцов, в ряде случаев является не­правомерным. Это объясняется тем, что неровности в деталях приводят к концентрации напряжений и изменению напряженного состояния металла в части детали, где имеет место изменение сечения, которое называется концентратором напряжений. На рис.5.1 показаны схемы эпюр напряжений, возникающих по сечению в гладком образце и в надрезанной части образ­ца с концентратором напряжений.

Рисунок.5.1. Эпюры напряжений при растяжении гладкого (а), остро надрезанного (б) и образца (в) с " мягким" надрезом

Концентрация напряжений (К) тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой:

где - длина надреза (иного дефекта); r - радиус закругления в вершине дефекта.

Величина r может быть очень малой, т.е. трещина очень острая, но она не может быть меньше 0, 1Нм (10 мм), т.е. меньше, чем диа­метр атома, и надо полагать, что минимальный радиус трещин составляет примерно 10^-5 мм. Отсюда для такой предельно острой трещины величина К составляет (в зависимости от длины):

К
, мм		0, 1	0, 01

Это значит, что если такая предельно острая трещина доросла до ℓ мм, то в ее вершинах напряжение в 600 раз больше среднего. В деталях с надрезом (рисунок 5.2) возникает трехосное напряженное состояние, увеличивающее склонность к хрупкому разрушению (рисунок 5.2). Чем острее и глубже надрез, тем выше неоднородность напряжения в сечении. Для пластичных металлов при нагружении происходит местная пластическая дефор­мация, в результате чего происходит изменение напряженного состояния: максимум осевых напряжений перемещается вглубь образца и опасность хрупкого разрушения таких материалов меньше, чем высокопрочных.

σ - распределение по сечению осевых нормальных напряжений;

σ _r - распределение по сечению радиальных напряжений;

σ _τ - распределение тангенциальных касательных напряжений.

Рисунок 5.2. Схема распределения напряжений в образце с надрезом.

У весьма пластичных материалов выравнивание может произойти лож­ью, разрыв образца в этом случае произойдет тогда, когда осевое напряжение по всему сечению достигнет истинного предела прочности.

Для хрупких и мало пластичных материалов, обладающих высоким сопротивлением пластической деформации, пластическая деформация не получает должного развития и выравнивание напряжений по сечению не про­исходит. Поэтому у дна надреза достигается напряжение, соответствующее истинному сопротивлению отрыва.

5.3. Порядок проведения работы

5.3.1. Подготовить к испытанию 3 образца из стали 45 (один гладкий, второй с надрезом 150 °, третий с надрезом 60˚).

С помощью лупы с точностью до +- 0, 1мм измерить диаметр у дна надреза и рабочую длину p = 5d, отметить кернами на поверхности образцов. Зарисовать эскизы образцов (рисунок 7.3).

Рисунок 5.3. Эскизы образцов для испытаний на растяжение

5.3.2. Испытать образцы с записью диаграммы растяжения.

5.3.3.На разрушенных образцах измерить диаметры в месте разрушения с помощью лупы и измерить конечную длину ℓ _к между кернами.

5.3.4. Результаты замеров до и после испытания занести в таблице 5.1.

5.3.5. По диаграмме растяжения определить Р _{0, 2} (или P_m, если есть площадка текучести), Р_в, Р_к и ∆ ℓ с учетом масштаба диаграммы, как показано на рисунок 7.4. Для определения Р_{0, 2} на оси ∆ ℓ откладываем отрезок ∆ ℓ _{0, 2} = ℓ _p∙ 0.002 M (ℓ _p - расстояние между корнами по длине образца, М - масштаб удлинения).

Из конца отрезка проводим прямую параллельно участку пропорциональности до пересечения с диаграммой. Точка пересечения m дает P _{0, 2,} точка к – P_к. Значения нагрузок заносим в табл.5.1.

Таблица 5.1. Значения размеров образцов и нагрузок при испытании на растяжение

Рисунок 5.4. Диаграмма растяжения

5.3.6. По данным таблицы 5.1 произвести расчет характеристик механических свойств. Значения механических свойств занести в таблицу 5.2.

Определить и занести в таблицу 5.2. отношение

σ _н / σ _гл

Таблица 5.2. Значения характеристик механических свойств

5.3.7.Сопоставить полученные данные и сделать выводы по влиянию угла надреза.

5.4. Требования к отчету

В отчете по работе должны быть представлены в виде схем диаграм­мы деформации, результаты их анализа, сведенные в таблицы и выводы.

5.5 Вопросы для подготовки

1. Почему необходимо учитывать влияние концентратора напряжет!» на механические свойства металлов?

2. Как влияет надрез на характер напряженного состояния по сече­нию?

3. Чем можно объяснить отсутствие связи между твердостью и преде­лом прочности на разрыв хрупких материалов? (За основу следует взять физическую сущность этих характеристик материала).

4. Как влияет острота надреза на прочность и пластичность?

5. Почему σ _{0, 2}, σ _Т, σ в могут строго характеризовать сопротивле­ние материалов разрушению