Лабораторная Работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ СТАЛИ. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ

СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

(НАКЛЕПА) НА ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ.

Цель работы:

1. Закрепить теоретические положения, определяющие механические

свойства металлов.

2. Научиться проводить статическое испытание на растяжение и

рассчитывать диаграмму растяжения.

3. Научиться пользоваться ГОСТами.

4. Экспериментально установить влияние содержания углерода и наклепа

на механические свойства стали.

Содержание работы

При испытаниях на растяжение определяют важные для технологических

целей и инженерных расчетов механические свойства прочности и пластичности

металлов.

Прочностью называется способность материала сопротивляться разрушению

при действии на него внешних сил. К характеристикам прочности относятся:

предел прочности при растяжении σ _в, предел текучести σ _т, предел

пропорциональности σ _пц.

Пластичностью называется свойство твердого тела получать остаточные

изменения формы и размеров без нарушения сплошности.

Характеристиками пластичности являются относительное удлинение δ и

относительное сужение ψ.

Образцы. Для испытаний на растяжение применяют пропорциональные

образцы круглого сечения или плоские образцы.

Между расчетной длиной образца l₀ и его диаметром d₀ существует

соотношение:

длинные образцы

l₀ = 10d₀,

короткие образцы

l₀ = 5d₀

В результате разрушения образца на диаграммном аппарате разрывной

машины записывается диаграмма разрушения в координатах

нагрузка-удлинение. Используя эту диаграмму и образец после

разрушения, определяются все необходимые механические характеристики:

σ _в, σ _т, σ _пц, σ _{0, 2}, δ, ψ.

Предел прочности при растяжении σ _в, МПа, (временное сопротивление)

определяется как напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке,

предшествующей разрушению образца.

σ _в = , МПа

Предел текучести (физический) σ _т, МПа, определяют как наименьшее

напряжение, при котором образец удлиняется без заметного увеличения

нагрузки.

σ _т = , МПа

Для материалов, у которых явно не выражена площадка текучести,

определяется условный предел текучести σ _{0, 2}, МПа, под ним понимается

то напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение

в 0, 2% первоначальной расчетной длины:

σ _{0, 2} = , МПа

Нагрузка Р_{0, 2}, соответствующая условному пределу текучести,

определяется на основании диаграммы растяжения.

Предел пропорциональности σ _пц, МПа, есть наибольшее напряжение,

которое материал может выдержать без отклонения от закона прямой

пропорциональной зависимости между нагрузкой и удлинением:

σ _пц = , МПа

Относительное удлинение δ подсчитывается как отношение

приращения длины образца после разрыва к его первоначальной

расчетной длине:

δ = .

Относительное сужение ψ есть отношение уменьшения площади

поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади

его поперечного сечения

ψ = .

Предел текучести и предел прочности используются в расчетах для

определения допускаемых напряжений в деталях конструкций при учете

нормативных запасов прочности.

Проводимое в работе испытание образцов позволяет оценить

влияние на механические свойства содержания углерода и механического

наклепа.

Увеличение содержания в стали углерода приводит к повышению

прочности и снижению пластичности за счет возрастающего количества

твердой составляющей – цементита.

Влияние наклепа определяют на образце, предварительно растянутом

на машине нагрузкой более Р_т на 3 000-5 000 Н.

Под наклепом понимают изменение механических и физических

свойств металла в результате холодной пластической деформации.

Наклеп приводит к повышению прочности и снижению пластичности.

Ударная вязкость. Ударная вязкость характеризует способность

конструкционной стали сопротивляться воздействию ударных и взрывных

нагрузок. Она имеет решающее значение применительно к деталям машин,

работающим в условиях динамического нагружения. Ударная вязкость

определяется как работа, затраченная на деформацию и разрушение

стандартного образца, имеющего надрез в форме U, V или Т и измеряется

в Дж/м².

1 кгм/см² = 10 Дж/см² = 1 д аДж/м² = 10⁺⁵ Дж/м² = 0, 1 МДж/м².

В работе определяют влияние на величину ударной вязкости содержание

углерода, различия структуры прокатного или термически обработанного

металла, низкой температуры. Указанные факторы обеспечивают либо

высокую ударную вязкость, либо приводят к хрупкому состоянию

металла, непригодного для использования в условиях динамической

нагрузки.

По мере увеличения содержания углерода ударная вязкость снижается

вследствие образования все большего количества хрупкого структурного

составляющего – цементита. Например, при повышении содержания

углерода от 0, 25% до 0, 50% ударная вязкость углеродистой стали после

нормализации снижается от 0, 9 до 0, 4 МДж/м².

Снижение температуры испытаний приводит к снижению ударной

вязкости, о чем свидетельствуют случаи хрупкого разрушения некоторых

деталей машин при ударных нагрузках в условиях низких температур.

Глубокие и острые надрезы приводят к уменьшению ударной вязкости

и опасности хрупкого разрушения в результате концентрации напряжений

в местах надрезов. Поэтому при изготовлении любых деталей машин не

рекомендуется применять острые переходы и надрезы.

Низкую ударную вязкость имеет закаленная сталь в результате

неравновесного и напряженного ее структурного состояния. Наилучшее

сочетание ударной вязкости и других механических свойств имеет сталь

после закалки и последующего высокого отпуска.

Ударную вязкость определяют на маятниковом копре, имеющем запас

кинетической энергии 300 Дж.

Мерой сопротивления материала, ударной нагрузке, служит

ударная вязкость КСU, КСV или КСТ (U, V, Т) в зависимости от формы

надреза), которая определяется как отношение работы излома К образца

данного типа к площади его поперечного сечения F в месте надреза:

КСU = [Дж/м²]; КСV = [Дж/м²]

Ударная вязкость, как техническая характеристика материала, не

применяется в инженерных расчетах, но имеет большее, нередко

определяющее значение при приемке металла, изделий из него и условий

эксплуатации.

Так, ударная вязкость должна быть для шатунов из хромистой стали

40Х не менее 0, 6 МДж/м², для коленчатых валов ответственного

назначения из хромоникелемолибденовой стали 40ХНМА – не менее

10 МДж/м².

Порядок выполнения работы

1. Измерить микрометром или штангенциркулем диаметр образца.

2. На делительной машине нанести по всей длине образца

равномерные деления и кернами отметить границы расчетной

длины.

3. Закрепить образец в зажимах машины.

4. Закрепить миллиметровую бумагу, карандаш и подготовить

диаграммный аппарат к работе.

5. Включить мотор масляного насоса и плавным открыванием

вентиля распределительной коробки производить нагрузку на

образец вплоть до разрыва.

6. В момент нагрузки зафиксировать по остановке стрелки на

отсчетной шкале нагрузки, соответствующие пределам текучести и

прочности.

7. Соединить половинки образца, закрепить их в зажимном

приспособление, измерить штангенциркулем диаметр образца в

месте шейки F₁ и расчетную длину l₁.

8. По приведенным ранее формулам подсчитать все механические

характеристики и результаты подсчета записать в рабочий журнал.

9. По механическим свойствам установить марку стали.

10.Для выявления влияния наклепа разметка одного из образцов

малоуглеродистой стали, производится после его растяжения на

машине до нагрузки, на 3 000 ^_ 5 000 Н несколько превышающей

нагрузку, соответствующую пределу текучести. После этого

испытание образца производится обычным порядком.

11.При определении ударной вязкости используются образцы

с разным содержанием углерода. Образец установить на

предметном столике, взвести маятник копра в рабочее положение,

поставить оградительную сетку, освободить маятник,

определить угол отклонения маятника и по таблице работу в

зависимости от отклонения маятника.

Эскиз образца и схема испытания на ударную вязкость.

Протокол испытаний на растяжение

Ϭ _в = = =515, 3 МПа;

Ϭ _т = = = 300, 1 МПа;

δ = * 100% = *100% = 73%;

Ψ = = * 100% = 72, 3%;

Ϭ _в = = = 634, 2 МПа;

Ϭ _т = = = 407, 7 МПа;

Ψ = *100% = *100% = 6, 6%;

δ = * 100% = *100% = 2, 7%.

Протокол испытаний образцов на ударную вязкость

КСU = = = 1.7 Дж/м²;

КСV = [Дж/м²].

Вывод: Правильный подбор марки стали. Изучение влияния содержания углерода

и пластической деформации (наклепа) на прочность и пластичность.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ТВЕРДОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ФАКТОРЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ.

Цель работы:

Научиться самостоятельно проводить испытание твердости

металлов. В процессе выполнения работы необходимо изучить:

1. Устройство пресса Роквелла и пресса Бринелля для определения

твердости.

2. Порядок выбора диаметра шарика и нагрузки.

3. Порядок подготовки образца.

4. Порядок проведения испытания на прессах.

5. Методику измерения полученного отпечатка.

6. Порядок определения твердости по таблице.

Содержание работы

Твердостью, называется способность материала сопротивляться

проникновению в него другого, более твердого тела без деформации

последнего (например. Наконечника прибора). Большинство способов

определения твердости основано на вдавливание в испытуемый

материал наконечника той или иной формы (шарик, конус, пирамида)

при различных величинах и характере приложения нагрузки. Поэтому

естественно, что получаемые при различных способах определения

вердости цифровые значения ее для одного и того же материала

различны как по величине, так и по физическому смыслу.

Следовательно, показатель твердости металла – число твердости –

должен во всех случаях сопровождаться указанием метода, которым он

определен. Сравнение чисел твердости, полученных различными

методами, производится на основании опытных данных.

Показатель твердости для большинства способов характеризует

сопротивление металла местной, сосредоточенной в небольшом

объеме, пластической деформации, которая зависит от структуры,

химического состава и напряженного состояния металла. Изменение

любого из этих факторов вызывает изменение твердости.

Определение твердости металлов, как один из методов их

исследования, отличается надежностью, быстротой и несложностью

проведения испытания, не требует изготовления специальных

образцов, может проводиться непосредственно на готовом изделии.

Указанные преимущества определяют очень широкое применение

испытания на твердость, как в производственных условиях, так и

для научных исследований.

Определение твердости по Бринеллю

При определении твердости металлов по Бринеллю стальной

закаленный шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец

(изделие) под действием нагрузки Р. Нагрузка выдерживается

в течение определенного времени, после чего снимается. От вдавливания

шарика на поверхности испытуемого металла образуется сферический

отпечаток диаметром d, по величине которого и судят о твердости.

Число твердости по Бринеллю НВ, МПа, вычисляют как отношение

нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка F:

НВ = = ,

где Р – нагрузка, Н;

F – площадь поверхности сферического отпечатка, мм²;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Диаметр отпечатка d измеряют специальным отсчетным микроскопом,

на окуляре которого нанесена шкала с ценой деления 0, 1 мм.

Микроскоп устанавливают на поверхность испытуемого образца так,

что бы край отпечатка совпал с началом шкалы. Деление шкалы,

совпадающее с противоположным краем отпечатка, указывает диаметр

отпечатка d.

При измерении твердости по Бринеллю используют шарики с

диаметром

2, 5; 5 и 10 мм. Требуемый для данного испытания шарик выбирают в

зависимости от толщины образца, величины прикладываемой

нагрузки и испытываемого материала образца.

Для получения сопоставимых результатов испытания необходимо

соблюдать стандартные условия при выборе диаметра вдавливаемого

шарика, нагрузки и продолжительности выдержки. Эти условия

определяют согласно табл. 3.1.

Таблица 3.1