![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Порядок проведения испытаний
- •3. Содержание отчета
- •4. Контрольные вопросы
- •5. Рекомендуемая литература
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Порядок проведения испытаний
- •3. Содержание отчета
- •4.Контрольные вопросы
- •5. Рекомендуемая литература
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Порядок проведения эксперимента
- •3. Содержание отчета
- •4. Контрольные вопросы
- •5. Рекомендуемая литература
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Описание лабораторной установки
- •3. Порядок проведения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •6. Рекомендуемая литература
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Описание лабораторной установки
- •3. Пример определения собственной частоты крутильных колебаний стержня
- •4. Содеержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •6. Рекомендуемая литература
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Пример выполнения лабораторной работы.
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Рекомендуемая литература.
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Порядок выполнения лабораторной работы
- •3. Пример выполнения лабораторной работы
- •4. Контрольные вопросы
- •5. Рекомендуемая литература.
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Содержание отчета
- •4. Контрольные вопросы
- •5. Рекомендуемая литература
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Моделирование процесса нарезания эвольвентного колеса зубчатой рейкой
- •3. Описание лабораторной установки и расчет геометрических параметров нарезаемого колеса
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Рекомендуемая литература
- •1. Необходимые теоретические сведения
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Содержание отчета
- •4. Контрольные вопросы
- •5. Рекомендуемая литература
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Тема работы: Испытание конструкционных материалов на растяжение.
Цель работы:
- изучить поведение испытуемого конструкционного материала при растяжении;
- построить и изучить диаграмму растяжения материала;
- определить основные механические характеристики материала: предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, модуль продольной упругости;
- изучить свойства применяемых в инженерной практике моделей конструкционных материалов.
1. Необходимые теоретические сведения
Для решения основных задач сопротивления материалов: прочности, жесткости и устойчивости, необходимо знать механические характеристики материалов, такие как пределы пропорциональности, текучести, прочности, модули упругости, ударную вязкость и др. Их получают в результате экспериментальных исследований.
Некоторые механические характеристики материалов получают в результате испытаний на растяжение образцов центрально приложенной силой, направленной по продольной оси; при этом в средней части образца реализуется однородное напряженное состояние. Форма, размеры образцов и методика проведения испытаний определяются соответствующими стандартами, например, ГОСТ 34643-81, ГОСТ 1497-73. Чаще всего образцы из испытуемого материала имеют круглую форму поперечного сечения и снабжаются участками для крепления в разрывной машине.
Рисунок 1 – Цилиндрический образец диаметром d=10 мм до а) и после б) испытаний
Растягивающие нагрузки на образцы создают при помощи специальных разрывных машин. В данной лабораторной работе используется разрывная машина УММ-20.
По концам стержня (в местах приложения
нагрузки) возникают местные деформации,
поэтому измерения деформации производят
в средней части образца, длину которой
называют расчетной.
В результате испытания материала на
растяжение вначале получают диаграмму,
по оси абсцисс которой откладывается
абсолютное удлинение
образца, а по оси ординат – приложенное
к образцу внешнее усилие
.
Эта диаграмма характеризует свойства
испытуемого образца. Для возможности
сравнения образцов, выполненных из
данного материала, но имеющих другие
размеры диаграмму
перестраивают в осях
и
(
),
где
- нормальное напряжение, А0
– начальная площадь поперечного сечения
образца,
- относительное удлинение. Получаемая
таким образом диаграмма, характеризует
свойства испытуемого материала и
позволяет определить некоторые его
механические характеристики.
Рисунок 2 – Типичные диаграммы деформирования материалов
Механические характеристики конструкционных материалов определяются следующими факторами: веществом, его структурой и свойствами; конструктивными особенностями образца, т. е, размерами, формой, наличием концентраторов, состоянием поверхности; условиями при нагружении: температурой, скоростью, повторяемостью нагрузки и др.
Конструкционные материалы в процессе деформирования вплоть до разрушения ведут себя по-разному. Пластичное поведение характеризуется существенным изменением формы и размеров, при этом к моменту разрушения развиваются значительные деформации, не исчезающие после снятия нагрузки. Такие материалы называют пластичными. При хрупком поведении разрушение наступает при весьма малых деформациях, и материалы с такими свойствами называют хрупкими. Однако одни и те же конструкционные материалы, находящиеся в различных условиях деформирования, ведут себя по-разному: при одних условиях проявляют себя как пластичные материалы, при других - как хрупкие. В связи с этим, основные макромеханические характеристики материалов - упругость, пластичность, вязкость и др. правильнее относить не к их свойствам, а к состояниям материала.
В упругом состоянии деформации обратимы, и вся энергия, затраченная на деформирование, при разгрузке возвращается (диссипация энергии отсутствует). Для любого твердого тела процесс деформирования начинается с упругой деформации. Изотропное тело имеет две константы упругости - модуль упругости Е и коэффициент Пуассона . Для анизотропных тел число упругих констант в общем случае равно 21. Из основных констант упругости можно получить их производные - модуль сдвига G, модуль объемной реформации К и постоянную Ламе .
Пластическое состояние характеризуется
наличием остаточных деформаций,
фиксируемых после снятия внешних
нагрузок. Объем тела при пластической
деформации не изменяется; условие
постоянства объема записывается в виде
,
(эксперименты показывают, что изменение
объема не превышает 0,5%).
Состояние разрушения – это состояние, при котором за счет интенсивного развития трещин в материале тела начинается нарушение его сплошности и непрерывности. Физический процесс разрушения материала представляется в виде двух основных стадий - стадии рассеянных разрушений (зарождение и развитие микроскопических трещин) и стадии развития магистральной трещины. Очаги зарождения микротрещин распределены по всему объему материала, находящегося в однородном напряженном состоянии, достаточно равномерно. Относительная длительность первой и второй стадии разрушения зависит от свойств материала, характера напряженного состояния и условий нагружения.
Испытания на растяжение образцов
выявляют некоторые общие свойства
конструкционных материалов - свойства
упругости и пластичности (см. диаграммы
на рисунке 2). Если напряжения не превышают
пц -
предела пропорциональности (точка
1 на диаграмме), и зависимость между
напряжениями и деформациями линейна,
то она описывается законом Гука
,
где Е - модуль продольной упругости
материала (модуль Юнга). Размерность
модуля упругости - Н/м2
(Паскаль). Значение модуля упругости Е
на кривой деформирования
численно
равно тангенсу угла наклона линейного
участка:
.
Таким образом, величину Е можно
рассматривать как характеристику
упругого сопротивления или как
характеристику интенсивности нарастания
напряжения с увеличением деформации.
Напряжения, являющиеся верхней границей
проявления чисто упругих деформаций,
соответствуют точке 2 диаграммы и
называются пределом упругости упр.
Точка 3 диаграммы характерна тем, что при достижении напряжениями величины - предел текучести), дальнейшее удлинение образца (для малоуглеродистых сталей) происходит практически без увеличения нагрузки. Это явление носит название текучести, а участок диаграммы, расположенный непосредственно правее точки 3, называется площадкой текучести. При этом полированная поверхность образца мутнеет, покрывается ортогональной сеткой линий (линии Чернова-Людерса), расположенных под углом 45° к продольной оси образца по направлению плоскостей действия максимальных касательных напряжений. У многих конструкционных материалов площадка текучести не выражена столь явно, как у малоуглеродистых сталей. Для таких материалов вводится понятие условного предела текучести s; это напряжение, которому соответствует остаточная (пластическая) деформация, равная s%. Обычно принимается s = 0,2%.
После площадки текучести для дальнейшего увеличения деформации необходимо увеличение растягивающей силы. Материал снова проявляет способность сопротивляться деформации; участок за площадкой текучести (до точки 4) называется участком упрочнения. Точка 4 соответствует максимальной нагрузке, выдерживаемой образцом. Соответствующее напряжение называется временным сопротивлением в (или пределом прочности пч). Дальнейшая деформация образца происходит без увеличения или даже с уменьшением нагрузки вплоть до разрушения (точка 5). Точке 4 на диаграмме соответствует начало локального уменьшения размеров поперечного сечения образца, где, в основном, сосредоточивается вся последующая пластическая деформация.
Диаграммы, приведенные на рисунке 2, являются диаграммами условных напряжений. Условность состоит в том, что все силы относились к А0 - первоначальной площади поперечного сечения образца; в действительности же при растяжении площадь поперечного сечения образца уменьшается. Если учитывать текущее значение площади поперечного сечения при определении напряжений, то получим диаграмму истинных напряжений (рисунок 3).
Если в некоторый момент нагружения
(точка А на рисунке 2) прекратить
нагружение и снять нагрузку, то разгрузка
образца пойдет по линии АВ, параллельной
линейному участку диаграммы 0-1. При
этом полная деформация в точке А
равна:
,
где
-
упругая деформация,
- пластическая (остаточная деформация).
Это равенство справедливо для любой
точки диаграммы.
После того как материал испытал воздействие осевого усилия одного знака (например, растяжение) в области пластических деформаций () сопротивляемость этого материала пластической деформации при действии сил другого знака (сжатие) понижается. Это явление носит название эффекта Баушингера.
Рисунок 3 – Диаграммы истинных напряжений
При растяжении образца происходит не
только увеличение его длины, но и
уменьшение размеров поперечного сечения,
т. е. в упругой области деформация в
поперечном направлении
,
где - деформация
в продольном направлении,
- коэффициент Пуассона. Для изотропных
материалов значения коэффициента
Пуассона находятся в пределах 0 <
0,5.
Для сталей различных марок Е = 195-206 ГПа, G = 79-89 ГПа, = 0,23-0,31, для сплавов алюминия Е = 69-71 ГПа, G = 26-27 ГПа, = 0,30-0,33. Механические характеристики некоторых конструкционных материалов приведены в таблице 1.
Характеристиками пластичности материала
являются относительное удлинение
и относительное сужение при разрыве
где l0, А0 - длина рабочей части образца и площадь поперечного сечения до деформации; lкр - длина рабочей части образца после разрыва; Аkp - конечная площадь поперечного сечения в шейке образца после разрыва.
По величине относительного удлинения при разрыве проводится разделение состояния материалов на пластичное и хрупкое. Материалы, имеющие к моменту разрушения достаточно большие значения >10%), относят к пластичным материалам; к хрупким относят материалы с относительным удлинением < 3%.
Некоторые пластичные материалы в районе площадки текучести обнаруживают особенность (например, титан), называемую "зубом текучести"; для таких материалов вводится понятие верхнего и нижнего предела текучести (тв, тн).
Таблица 1. Механические характеристики конструкционных материалов при растяжении
Материал |
Характеристика |
||||
Е, ГПа |
Т, МПа |
В, МПа |
, % |
, % |
|
Сталь Ст.3 |
200 |
240 |
450 |
26 |
50 |
Сталь 15 |
200 |
210 |
350 |
28 |
55 |
Сталь 45 |
200 |
340 |
610 |
24 |
45 |
Сталь ЗОХГСА |
200 |
950 |
1200 |
13 |
50 |
Чугун СЧ15-32 |
150 |
- |
150 |
0,6 |
- |
Медь прутковая |
110 |
250 |
320 |
15 |
45 |
Дюралюмин Д16 |
75 |
240 |
420 |
18 |
- |
Дельта-древесина |
20 |
- |
250 |
- |
- |
Текстолит |
30 |
75 |
127 |
1,5 |
- |