МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ 16 страница

Определить ударную вязкость строительной стали.

Сделать заключение о возможности использования испытываемой марки строительной стали для применения в строительстве.

Порядок выполнения работы

Каждое звено студентов определяет механические характеристики строительной стали различных марок. По окончанию работы в результате обсуждения результатов испытания каждое звено делает свои выводы.

1 Определение марки строительной стали

Образцы стали испытывают на рас­тяжение до разрыва. При этом определяют основные механические характеристи­ки: предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности при растяжении, относительное удлинение, относительное удлинение после разрыва и др.

Для определения предела прочности при растяжение используют цилиндрические и пло­ские образцы, изготовленные путем соответствующей механической обработки. Образцы цилиндрической формы должны иметь стандартные размеры (рисунок 54, таблица 56).

Нормальными называют образцы, у которых диаметр d₀ рабочей части равен 20 мм. длина рабочей части 1_о в 10 или 5 раз больше диаметра d_о .

Кроме нормальных применяют также пропорциональные образцы, диаметр d_о рабочей части которых может иметь произвольное значение, но длина рабочей части всегда должна быть пропорциональна диаметру d_о (больше в 10 или 5 раз).

Форма головок образцов может быть различной в зависимости от типа захватов разрывной машины. Отклонение размеров образцов от стандартных не должны превышать значений, приведенных в таблице 57.

Рисунок 54 – Образцы для определения предела прочности при растяжении

Таблица 56 – Размер образцов стали для испытания на растяжение

Таблица 57 – Допускаемые отклонения размеров образца стали

Для плоских образцов отклонения по ширине допускаются ± 0,5 мм, по дли­не рабочей части ± 0,1 мм.

Смещение оси головки относительно оси рабочей части плоского образца не допускаются. Переход от рабочей части образца к головкам, форма которых зависит от конструкции применяемых захватов, должен быть плавным.

Перед испытанием цилиндрические образцы тщательно измеряют при по­мощи штангенциркуля или микрометра с точностью до 0,05 см следующим обра­зом: диаметр d₀ измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях в трех места?; по длине рабочей части; ширину и толщину плоских образцов измеряют в середине и по краям расчетной длины образца. Затем вычисляют площадь попе­речного сечения образца S_o по наименьшим из полученных размеров с погрешностью 0,5 %.

Кроме того, на поверхности образца наносят керном риски и измеряют рас­стояние между ними (расчетную длину образца 1_о) с погрешностью 0,1 мм. На обеих головках каждого образца набивают клейма (номер образца). Сталь на рас­тяжение испытывают на разрывных машинах различного типа. На рисунке 55 показан общий вид разрывной испытательной машины УММ-50.

Рисунок 55 – Общий вид разрывной испытательной машины УММ-50

Подлежащий испытанию образец помещают в захваты машины и центри­руют его. Для записи диаграммы растяжения на барабане автоматического само­пишущего прибора закрепляют миллиметровую бумагу и устанавливают масшта­бы нагрузок и деформаций.

После установки стрелки шкалы силоизмерителя на нуль включают ее дви­гатель и испытывают образец на растяжение до полного разрушения. При этом следят за нарастанием нагрузки по движению силоизмерителя и за деформацией образца по диаграмме деформации. Нарастание нагрузки должно быть плавным.

Результаты испытания стального образца на растяжение получают в виде зависимости между нагрузкой и деформацией (рисунок 56).

Рисунок 56 – Диаграмма деформаций при растяжении образца

из малоуглеродистой стали

Прямой участок диаграммы растяжения (от начала координат до точки 1) показывает, что удлинение (деформация) образца возрастает пропорционально приложенной нагрузке Р. Если образец подвергнуть растяжению нагрузкой, рав­ной или меньшей Р_Р; затем снять эту нагрузку, то образец примет первоначаль­ную длину, т.е. в нем будут отсутствовать остаточные деформации. Точка 1 на кривой растяжения соответствует пределу пропорциональности, т.е. тому наи­большему напряжению, при котором растяжение металла прямо пропорциональ­но нагрузке. Это напряжение σ_р (в МПа) вычисляют по формуле

σ_р = Р_Р /S_о, (58)

где σ_р – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, МПа; Р_Р – приложенная нагрузка, Н; S_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м².

При увеличении нагрузки свыше Р_р испытываемый образец удлиняется бы­стрее, чем возрастает нагрузка. Таким образом, пропорциональность нарушается. На диаграмме это показано кривой 1-2, которая затем переходит в горизонталь­ную линию 2-3. Наличие горизонтального участка указывает на то, что образец самопро­извольно вытягивается (течет), хотя нагрузка остается постоянной.

Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называют пределом текучести. Различа­ют предел текучести физический и предел текучести условный.

Предел текучести физический – наименьшее напряжение, при котором обра­зец деформируется без видимого увеличения нагрузки. При испытании образца стали следят за показаниями стрелки силоизмерителя. Как только сталь достигнет предела текучести, стрелка прибора останавливается, а затем вновь начинает двигаться. Значение нагрузки Ps в момент остановки фиксируют и принимают за на­грузку соответствующую пределу текучести, σ_s (физическому), который вычисляют по формуле:

σ_s = P_s / S_о , (59)

где σ_s – предел текучести, МПа; P_s – нагрузка при пределе текучести, Н; S_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м².

Предел текучести условный σ_0,2 – напряжение, при котором образец получа­ет остаточное удлинение, составляющее 0,2 % первоначальной длины. Его опре­деляют в тех случаях, когда при растяжении образца не обнаруживают резко вы­раженного явления текучести и предел текучести физический не может быть оп­ределен указанными выше способами.

Предел прочности при растяжении называют напряжение, которое соответ­ствует максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Максимальная нагрузка может быть легко определена в процессе испыта­ния стального образца, так как на циферблатах испытательных машин имеется втора* контрольная стрелка, которая увлекается рабочей стрелкой машины до крайнего положения и фиксирует наибольшее отклонение рабочей стрелки.

На диаграмме (рисунок 56) точкой 4 зафиксирована максимальная нагрузка, которую выдерживает образец. Начиная с этой точки, деформация концентриру­ется в каком-либо одном месте, которое начинает быстро растягиваться и умень­шать площадь поперечного сечения. При этом нагрузка падает до точки 5, где происходит разрыв образца.

Предел прочности при растяжении σ_в, вычисляют по формуле

σ_в = P_в / S_о , (60)

где σ_в – предел прочности, МПа; P_s – нагрузка при определении предела прочности, Н; S_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м².

Относительным удлинением называют отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине. Для определения отно­сительного удлинения испытанного стального образца обе его части плотно при­кладывают одну к другой и измеряют длину образца после разрыва 1] (рис.4).

Значение относительного удлинения, δ вычисляют по формуле

δ = [(l₁ – l_о)/l_о] 100, (61)

где δ – относительное удлинения после разрыва, %; l₁ – длина образйца полсле разрыва, мм; l₂ – длина образца до испытания (начальная); мм.

Относительное удлинение после разрыва вычисляют как среднее арифметическое из ре­зультатов всех определений.

Результаты испытаний стали на растяжение заносят в журнал для лабора­торных работ и по полученным результатам, а также по данным, приведенным в таблицу 58, определяют марку исследуемой стали.

Таблица 58 – Механические свойства углеродистых сталей

Примечание: Дополнительные индексы сп – спокойная сталь, пс – по­луспокойная сталь; в стали марки Ст5Г повышенное содержание марганца.

2 Определение ударной вязкости

Ударной вязкостью называют вязкость, которая равна отношению работы, затраченной на излом образца, к рабочему сечению образца в месте надреза. Ударную вязкость определяют на маятниковом копре (рисунок 57). Маятниковый копер состоит из ста­нины 5 и маятника 3, закрепленного на оси 2, которая в свою очередь закреплена на массивном основании 6. В верхней части станины имеется шкала 4, градуиров­ка которой дает возможность отсчитывать работы с точностью не менее 0,5 % максимальной энергии копра. В нижней части станины копра находится шаблон-кондуктор, при помощи которого образец 1 устанавливают надрезом в середине пролета. Основные размеры образца, опор и ножа маятника указаны на рисунке 58. Скорость ножа маятника в момент удара составляет 4…7 м/с., что соответствует подъему ударного ножа маятника на 0,8…2,5 м. Перед проведением испытания ма­ятник проверяют на свободном полете.

Рисунок 57 – Маятниковый копер

а – схема устройства; б – схема движения маятника

Образцы (рисунок 58), применяемые для испытания, имеют форму бруска квадратного сечения с надрезом посередине.

Рисунок 58 – Вид образцов для определения ударной вязкости

Испытываемый образец укладывают плотно на опоры копра так, чтобы над­рез был расположен симметрично опорам и противоположно наносимому удару.

По углу отклонения маятника после удара или по шкале определяют работу А_н, затраченную на разрушение образца, по формуле

А_н = рl (cos β – cos α), (62)

где А_н -– работа, затраченная на разрушение образца, Дж; р – масса маятника, Н; l – длина маятника – расстояние от оси до центра тяжести, м; α и β – углы подъема маятника соответственно до и после излома образца, град.

Ударную вязкость α_н, вычисляют по формуле

α_н = A_н/S, (63)

где α_н – ударная вязкость, Дж/м²; S – площадь поперечног7оь сечения образца в месте надреза до испытания, м².

Лабораторная работа № 20

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Общие сведения

В строительных конструкциях сталь подвергается различным видам меха­нического воздействия: растяжению, сжатию, удару. Поэтому при расчете строи­тельных конструкций необходимо знать механические характеристики стали, оп­ределяемые по результатам испытаний образцов стали на растяжение, твердость и ударную вязкость.

Цель работы

Определить марку строительной стали по пределу прочности на растяжение до разрыва, по пределу текучести и относительному удлинению.

Определить ударную вязкость строительной стали.

Сделать заключение о возможности использования испытываемой марки строительной стали для применения в строительстве.

Порядок выполнения работы

Каждое звено студентов определяет механические характеристики строительной стали различных марок. По окончанию работы в результате обсуждения результатов испытания каждое звено делает свои выводы.

1. Определение марки строительной стали

Образцы стали испытывают на рас­тяжение до разрыва. При этом определяют основные механические характеристи­ки: предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности при растяжении, относительное удлинение, относительное удлинение после разрыва и др.

Для определения предела прочности при растяжении используют цилиндрические и пло­ские образцы, изготовленные путем соответствующей механической обработки. Образцы цилиндрической формы должны иметь стандартные размеры (рис. 49, табл. 51).

Нормальными называют образцы, у которых диаметр d₀ рабочей части равен 20 мм. длина рабочей части 1_о в 10 или 5 раз больше диаметра d_о .

Кроме нормальных применяют также пропорциональные образцы, диаметр d_о рабочей части которых может иметь произвольное значение, но длина рабочей части всегда должна быть пропорциональна диаметру d_о (больше в 10 или 5 раз).

Рис. 49. Образцы для определения предела прочности при растяжении

Таблица 51

Размер образцов стали для испытания на растяжение

Форма головок образцов может быть различной в зависимости от типа захватов разрывной машины. Отклонение размеров образцов от стандартных не должны превышать значений, приведенных в табл. 52.

Для плоских образцов отклонения по ширине допускаются ± 0,5 мм, по дли­не рабочей части ± 0,1 мм.

Смещение оси головки относительно оси рабочей части плоского образца не допускаются. Переход от рабочей части образца к головкам, форма которых зависит от конструкции применяемых захватов, должен быть плавным.

Таблица 52

Допускаемые отклонения размеров образца стали

Перед испытанием цилиндрические образцы тщательно измеряют при по­мощи штангенциркуля или микрометра с точностью до 0,05 см следующим обра­зом: диаметр d₀ измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях в трех места?; по длине рабочей части; ширину и толщину плоских образцов измеряют в середине и по краям расчетной длины образца. Затем вычисляют площадь попе­речного сечения образца S_o по наименьшим из полученных размеров с погрешностью 0,5 %.

Кроме того, на поверхности образца наносят керном риски и измеряют рас­стояние между ними (расчетную длину образца 1_о) с погрешностью 0,1 мм. На обеих головках каждого образца набивают клейма (номер образца). Сталь на рас­тяжение испытывают на разрывных машинах различного типа. На рис. 50 показан общий вид разрывной испытательной машины.

Рис. 50. Общий вид разрывной испытательной машины

Подлежащий испытанию образец помещают в захваты машины и центри­руют его. Для записи диаграммы растяжения на барабане автоматического само­пишущего прибора закрепляют миллиметровую бумагу и устанавливают масшта­бы нагрузок и деформаций.

После установки стрелки шкалы силоизмерителя на нуль включают ее дви­гатель и испытывают образец на растяжение до полного разрушения. При этом следят за нарастанием нагрузки по движению силоизмерителя и за деформацией образца по диаграмме деформации. Нарастание нагрузки должно быть плавным.

Результаты испытания стального образца на растяжение получают в виде зависимости между нагрузкой и деформацией (рис. 51).

Рис. 51. Диаграмма деформаций при растяжении образца из малоуглеродистой стали

Прямой участок диаграммы растяжения (от начала координат до точки 1) показывает, что удлинение (деформация) образца возрастает пропорционально приложенной нагрузке Р. Если образец подвергнуть растяжению нагрузкой, рав­ной или меньшей Р_Р; затем снять эту нагрузку, то образец примет первоначаль­ную длину, т.е. в нем будут отсутствовать остаточные деформации. Точка 1 на кривой растяжения соответствует пределу пропорциональности, т.е. тому наи­большему напряжению, при котором растяжение металла прямо пропорциональ­но нагрузке. Это напряжение σ_р (в МПа) вычисляют по формуле

σ_р = Р_Р /S_о, (52)

где σ_р – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, МПа; Р_Р – приложенная нагрузка, Н; S_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м².

При увеличении нагрузки свыше Р_р испытываемый образец удлиняется бы­стрее, чем возрастает нагрузка. Таким образом, пропорциональность нарушается. На диаграмме это показано кривой 1-2, которая затем переходит в горизонталь­ную линию 2-3. Наличие горизонтального участка указывает на то, что образец самопро­извольно вытягивается (течет), хотя нагрузка остается постоянной.

Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называют пределом текучести. Различа­ют предел текучести физический и предел текучести условный.

Предел текучести физический – наименьшее напряжение, при котором обра­зец деформируется без видимого увеличения нагрузки. При испытании образца стали следят за показаниями стрелки силоизмерителя. Как только сталь достигнет предела текучести, стрелка прибора останавливается, а затем вновь начинает двигаться. Значение нагрузки Ps в момент остановки фиксируют и принимают за на­грузку соответствующую пределу текучести, σ_s (физическому), который вычисляют по формуле:

σ_s = P_s / S_о , (53)

где σ_s – предел текучести, МПа; P_s – нагрузка при пределе текучести, Н; S_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м².

Предел текучести условный σ_0,2 – напряжение, при котором образец получа­ет остаточное удлинение, составляющее 0,2 % первоначальной длины. Его опре­деляют в тех случаях, когда при растяжении образца не обнаруживают резко вы­раженного явления текучести и предел текучести физический не может быть оп­ределен указанными выше способами.

Предел прочности при растяжении называют напряжение, которое соответ­ствует максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Максимальная нагрузка может быть легко определена в процессе испыта­ния стального образца, так как на циферблатах испытательных машин имеется втора* контрольная стрелка, которая увлекается рабочей стрелкой машины до крайнего положения и фиксирует наибольшее отклонение рабочей стрелки.

На диаграмме (рис. 51) точкой 4 зафиксирована максимальная нагрузка, которую выдерживает образец. Начиная с этой точки, деформация концентриру­ется в каком-либо одном месте, которое начинает быстро растягиваться и умень­шать площадь поперечного сечения. При этом нагрузка падает до точки 5, где происходит разрыв образца.

Предел прочности при растяжении σ_в, вычисляют по формуле

σ_в = P_в / S_о , (54)

где σ_в – предел прочности, МПа; P_s – нагрузка при определении предела прочности, Н; S_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м².

Относительным удлинением называют отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине. Для определения отно­сительного удлинения испытанного стального образца обе его части плотно при­кладывают одну к другой и измеряют длину образца после разрыва 1 (рис.4).

Значение относительного удлинения, δ вычисляют по формуле

δ = [(l₁ – l_о)/l_о] 100, (55)

где δ – относительное удлинения после разрыва, %; l₁ – длина образца после разрыва, мм; l₂ – длина образца до испытания (начальная); мм.

Относительное удлинение после разрыва вычисляют как среднее арифметическое из ре­зультатов всех определений.

Таблица 53

Механические свойства углеродистых сталей

Примечание: Дополнительные индексы сп – спокойная сталь, пс – по­луспокойная сталь; в стали марки Ст5Г повышенное содержание марганца.

Лабораторная работа № 20

ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения

Лакокрасочными материалами называют природные, искусственные или синтетические составы, наносимые в вязко-жидком состоянии тонким слоем на отделываемые поверхности и образующие плотные, твердые пленки, прочно сцепляющиеся с этими поверхностями.

Лакокрасочные составы представляют собой, как правило, сложные многоком­понентные дисперсные системы, в состав которых входят связую­щие вещества, пигменты, наполнители, а также различные добавки, регу­лирующие их свойства.

Связующие вещества

Связующие вещества создают основу состава, способны отвердевать и образовывать стойкую пленку.

Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях или воде. Используют для получения прозрачных покрытий, когда нужно защитить и одновременно сохранить структуру поверхности. Часто наносят непосредственно на подготовленную поверхность, а также в качестве последнего слоя в системе многослойного покрытия для придания хорошего внешнего вида или повышения эксплуатационных свойств. Применяют также для получения эмалей.

Олифы – пленкообразователи, получаемые на основе растительных масел, прошедших специальную обработку (окисление или длительный прогрев при высоких температурах), с добавлением сиккативов и растворителей.

Природные смолы. Сосновая канифоль – хрупкая стекловидная смола, состоящая из смоляных кислот. Из смолы хвойных пород (живицы) после выделения из нее скипидара.

Растительные смолы – декстрин, мучная пыль.

Синтетические смолы (полимеры).

Минеральные вяжущие вещества (цемент, известь, жидкое стекло).

Органические вяжущие вещества. Животные (костный, мездровый, рыбный, казеиновый, растительный на основе крахмала).

Синтетические клеи. К ним относятся натрий-карбоксиметилцеллюлоза, водорастворимая метилцеллюлоза, дисперсия поливинилацетатная гомополимерная грубодисперсная ПВАД, клей АМД-К, эпоксидный, бустилат, клей К-17 (МФ-17) и др.

Красящие вещества

К ним относятся пигменты и красители. Они придают пленке нужный цвет и вместе с наполнителями улучшают ее физико-техни­ческие свойства: уменьшают усадочные деформации, повышают прочность, непроницаемость и стойкость пленки.

Красители органические – цветные химические соединения, которые при взаимодействии с разнообразными материалами имеют свойства на них закрепляться и окрашивать их. Они способны переходить в раствор в соответствующих растворителях.

Пигменты – химические соединения, нерастворимые или малорастворимые в воде и органических растворителях. При растирании с пленкообразующими веществами образуют суспензии (красочные составы). Сухие краски – составы без пленкообразователя.

Наполнители

Это нерастворимые минеральные вещества, чаще белые. Их применяют для экономии пигмента и придания специальных свойств (прочности, стойкости). Повышают адгезию, ускоряют высыхание, блеск, матовость. В качестве наполнителей используют каолин, тальк, пылевидный кварц, андезит, диабаз, асбест.

Растворители (разжижители)

Применяют для придания малярной (рабочей) консистенции. Они не вступают в химическое взаимодействие. Это уайт-спирит – лаковый бензин, скипидар, дихлорэтан, вода, сольвент.

Лакокрасочные композиции, будучи равномерно нанесены на поверхность, в результате сложных физических и химических превращений, формируются в сплошное покрытие с определенным комплексом свойств (защитных, декоративных, специальных).