О результатах испытания углеродистой стали на растяжение

№90-1,

технические науки

Проведение испытаний углеродистой стали на растяжение используется при изучении дисциплины механика по теме "Центральное растяжение — сжатие". Результаты таких испытаний хорошо известны, их можно встретить в литературе. В данной работе идет речь об испытании углеродистой стали на прочность в условиях повышенных температур. Приводится зависимость предела прочности углеродистой стали от температуры нагрева.

Похожие материалы

Центральное растяжение — это один из простых видов деформации, который изучается по дисциплине Прикладная механика в рамках раздела Сопротивление материалов. Деформация центральное растяжение встречается в строительных конструкциях или в различных деталях достаточно часто, поэтому изучение данного вопроса является весьма актуальным. В рамках изучения данной темы организовано проведение лабораторной работы.

Для проведения испытания на растяжение в качестве образцов могут быть выбраны различные виды материалов, обычно это пластичные материалы. В данной работе приведем основные результаты испытания на растяжение углеродистой стали.

В качестве образцов для проведения испытаний были выбраны стальная пластина (рисунок 1, б) и стальной образец цилиндрической формы (рисунок 1, а).

Образцы углеродистой стали для проведения исследований на растяжение
Рисунок 1. Образцы углеродистой стали для проведения исследований на растяжение

Размеры сечений образов составляли: диаметр цилиндрического образца 6 мм, размеры поперечного сечения пластины 2х15 мм. Перед проведением испытаний образцы углеродистой стали были подвергнуты нагреву от 300 до 600 0С с интервалом 100 0С. Нагрев образцов до заданных температур осуществляли в муфельной печи. Время нагрева составляло 5 минут. Этого времени хватало для полного прокаливания образцов. Таким образом, имели по пять образцов каждого из сечений. Первая пара образцов — это стальной цилиндр и стальная пластина, не подвергавшихся нагреву, вторая пара — это образцы предварительно нагретые до 300 0С и так далее.

Основной целью данной работы было провести анализ влияния повышенных температур и формы сечения образцов углеродистой стали на их прочность. В различных литературных источниках приводятся различные данные о влиянии температур на прочность стали и все они свидетельствуют о ее разупрочнении вследствие нагрева.

Испытания металлических образцов проводили на разрывной машине Р-5 (рисунок 2). Привод разрывной машины механический. Винтовая пара приводит в движение нижнюю балку, на которой установлено зажимное устройство. Вертикальное перемещение зажимного устройства и создает растягивающую силу. Верхнее зажимное устройство закреплено на неподвижной балке, связанной рычагами с силоизмерителем. Предельная нагрузка на образец может регулироваться ступенчато и составляет от 10000 Н до 50000 Н. В нашем испытании размеры поперечных сечений образцов позволяли установить предельную нагрузку на образцы в размере 25000 Н. Машина снабжена самописцем, строящем диаграмму растяжения испытуемых образцов и двумя индикаторами часового типа. Больной индикатор показывает значение действующей нагрузки на образец, малый индикатор величину абсолютного удлинения образца. В данном испытании востребованным был больший индикатор. Испытуемые образцы доводили до разрушения, фиксируя при этом предельную нагрузку на образец. По этой нагрузке определяли пределы прочности образцов, который брали как среднее значение пределов прочности цилиндрического стального образца и стальной пластины.

Машина разрывная для испытания образцов из металлов на растяжение Р-5
Рисунок 2. Машина разрывная для испытания образцов из металлов на растяжение Р-5

Полученные данные представлены на рисунке 3. Это зависимость предельного нормального напряжения от температуры нагрева образцов. Полученная зависимость может быть использована при решении различных учебных задач, где одним из вопросов является определение прочностных свойств стальных конструкций в условиях нагревания до различных температур.

Зависимость напряжений от роста температуры
Рисунок 3. Зависимость напряжений от роста температуры

Анализ представленной на рисунке 3 зависимости позволяет сделать следующие выводы:

  1. Температура нагрева образцов углеродистой стали в пределах до 200 0С мало сказывается на разупрочнении стальных образцов. Потеря прочности составила 2 % при нагреве до 100 0С и 5 % при нагреве до 200 0С соответственно.
  2. Нагрев образцов углеродистой стали до 300 0С нельзя также назвать критическим, тем не менее, при таких температурах наблюдается снижение прочности уже на 12 %.
  3. Нагрев образцов до 400 0С привел к разупрочнению стальных образцов уже на 30 % и составил 175 МПа. Такой показатель прочности может оказаться критическим в конструкциях в случае их полной загрузки и привести к их обрушению.
  4. Нагрев стальных образцов до 500 0С привел к снижению прочности до 118 МПа. Таким образом, прочность понизилась на 53 %. Температуру нагрева углеродистой стали в 500 0С в нашем случае можем считать критической. Вероятность разрушения незащищенных конструкций при их полном прогреве является максимальной.
  5. Последним из экспериментов стал тот, в котором нагрев стальных образцов составлял уже 600 0С. Стальные образцы практически потеряли прочностные свойства. Значение предельного нормального напряжения составляло лишь около 80 МПа.

Таким образом, эксперимент показал, что повышение нагрева конструкций из углеродистой стали приводит к потере прочности по экспоненциальному закону. Высокотемпературное воздействие на металлические конструкции, изготовленные из углеродистой стали, негативно влияет на их прочностные свойства. Если эта температура незначительна и составляет менее 300 0С, то разупрочнение не является существенным, нагрев стальных конструкций до больших температур может привести к существенному снижению прочности.Стальные несущие конструкции, которые могут быть подвергнуты нагреву до высоких температур (более 400) нуждаются в огнезащите.

Список литературы

  1. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. – М.: Высшая школа, 2001.
  2. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. – СПб.: Лань, 2002.
  3. Воронков И.М. Курс теоретической механики. – М.: Наука, 1966.
  4. Гернет М.М. Курс теоретической механики. – М.: Высшая школа, 1987.