Постановка задачи и теоретические сведения

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Методическое руководство

к лабораторной работе

Исследование деформационных свойств металлов

Составители: Поляков О.А.

Щугорев Ю.Ю.

Пименов С.С.

Ступино 2014

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее методическое пособие составлено применительно к программе курса «Сопротивление материалов» вечернего и дневного факультетов, а также к лабораторному оборудованию, приборам и оснастке кафедры ТАОМ.

Малое количество часов, отводимое на курс, создает необходимость более подробного изложения содержания и методики проведения лабораторных работ, с совмещением описания соответствующего каждой работе оборудования, приборов и образцов.

Большое внимание уделено методике измерений и обработке экспериментальных данных. В каждой работе кратко излагаются основные теоретические положения, что, разумеется, не предполагает подмены учебников и рекомендованных федеральным агентством образования учебных пособий.

Материал изложен примерно в одном порядке. Сначала указывается цель работы, постановка задачи и краткие теоретические сведения, необходимые для понимания и проведения работы; затем приводится описание оборудования, установок и приборов для данной работы или дается ссылка на предшествующую работу; далее излагается порядок проведения опыта и методика обработки полученных результатов.

В конце руководства приложен перечень основных вопросов для подготовки к лабораторным работам и их последующей сдаче (защите) преподавателю. Некоторые вопросы, связанные с темой данной работы, могут быть и не отражены в описании ее, но все работы проводятся в филиале после прочтения лекций по соответствующему разделу, и студент должен при подготовке к работе проработать лекционный материал для более глубокого освоения курса.

ВВЕДЕНИЕ

И ОБЩИЕ ПРИВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Сопротивление материалов является наукой, в которой теоретические выводы основаны на некоторых гипотезах и допущениях, проверяемых опытным путем. Ряд рассчитываемых величин сравнивается со значением характеристик механических свойств материалов, определяемых экспериментально на разнообразном оборудовании с помощью специальных приборов и устройств и использованием электронной техники. Поэтому лабораторный практикум является важной частью курса сопротивления материалов, целями и задачами которого являются:

1. Ознакомление с механическими свойствами материалов при различных условиях испытания и использования и методикой их определения и исследования.

2. Опытная проверка и подтверждение основных закономерностей и предпосылок теории (закон упругости, гипотеза плоских сечений, принцип независимости действия сил, явление устойчивости, резонанс при колебаниях и т.д.).

3. Изучение некоторых основных экспериментальных методов исследования напряжений и деформаций и методов обработки опытных данных.

Для будущей самостоятельной работы каждый инженер должен хорошо усвоить методику исследования напряжений и деформаций, так как в основе испытаний деталей и элементов конструкций лежит опытное определение именно этих величин.

Хорошее освоение испытательных машин и приборов, применяемых в данных лабораторных работах, позволит студенту, а затем инженеру легко разобраться в схемах и действии других конструкций. Поэтому в данном практикуме дается довольно подробное описание машин и приборов и техники работы с ними. Количество часов, отведенное учебным планом, дает возможность рассмотреть только малую часть видов испытаний. Инженер же обязан знать значительно больше. Так, не входят в данный практикум испытания по определению твердости, на ползучесть и длительную прочность, выносливость при повышенных температурах и т.д. Студенты могут познакомиться с другими описаниями в литературе. Часть испытаний изучается на старших курсах по программе кафедры «Технология и автоматизация обработки материалов».

Достоверность и надежность результатов измерений зависят от оборудования, приборов, образцов и тщательности проведения опыта. Материальная часть в лабораториях кафедры новая и регулярно проверяется. Тщательная же установка образцов и приборов, а также обработка результатов испытаний зависят от экспериментатора. Для контроля производят дублирование приборов и повторение опытов не менее 2 – 3 раз с получением достаточно близких результатов.

Исходные значения величин (размеры образцов, геометрические характеристики сечений, предварительная нагрузка и т.д.), данные испытаний, расчеты и графики заносятся в соответствующие таблицы блаанков для лабораторных работ.

Расчеты производятся по правилу: расчетная формула (в буквенных обозначениях) – численные данные (без каких-либо расчетов) – окончательный численный результат с размерностью. Вычисления должны производиться на логарифмической линейке с точностью до трех значащих цифр.

Отчеты по лабораторным работам четко оформляются на специальных бланках, выдаваемых на 1-й работе (в весеннюю сессию сдается на кафедру). В конце отчета производится оценка расхождения теоретических и экспериментальных данных (в тех же работах, где такое сопоставление производится). Работы проводятся под руководством и наблюдением преподавателя и лаборанта. Группа делится на подгруппы. В некоторых работах подгруппы разбиваются на бригады, имеющие отдельные задания или образцы. В этих случаях результаты экспериментов бригад фиксируются в таблице на доске и записываются в бланк для лабораторных работ.

Перед проведением опыта студенты показывают преподавателю или лаборанту, как ими освоена техника работы с установками и приборами. Предварительно лаборант, ответственный за технику безопасности, проводит инструктаж, а студенты расписываются в журнале. Если студент не подготовлен к данной работе и не сдал предыдущую, то он не допускается к занятию.

Оформленный в процессе занятия отчет по данной работе подписывается преподавателем. Защита (сдача) работ производится в дополнительное время по расписанию консультаций преподавателя. Для подготовки к работе и к ее защите полезны вопросы, приведенные в конце пособия по каждой работе.

РАБОТА № 1

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы:

1. Экспериментальное изучение процесса растяжения металлического образца.

2. Определение основных механических характеристик материала.

3. Ознакомление с испытательной машиной FP-100.

Проведение испытаний

В процессе испытания следует вести наблюдение за диаграммой, вычерчиваемой на барабане 11, за шкалой силоизмерителя 10 и за самим образцом 1. На шкале силоизмерителя должна быть по возможности точно зафиксирована наибольшая нагрузка Р_в, выдерживаемая образцом в процессе испытания.

Если шкала силоизмерителя снабжена двумя стрелками, то одна из стрелок обычно фиксируется в положении, соответствующем действию наибольшей нагрузки. При отсутствии второй стрелки величина наибольшей силы Р_в должная быть считана со шкалы в процессе испытания. В процессе испытания следует уловить момент начала образования шейки на образце (остановка стрелки на силоизмерителе при Р_max) и визуально или отметкой карандашом зафиксировать на диаграмме растяжения (максимум бывает очень растянут на кривой). Усилие деформирования за счет уменьшения площади сечения при образовании шейки падает.

На конечном этапе испытания необходимо зафиксировать визуально на шкале нагрузке или отметкой карандашом конечную точку диаграммы К (рис. 1.1). Обычно эта точка является местом резкого излома диаграммы на ее конечном участке, но маятник не сразу останавливается, и перо продолжает кривую.

Определения масштабов по осям

Масштаб сил μ находится из следующих соображений. Величина максимальной нагрузки Р_в в кг определяется по шкале силоизмерителя в процессе испытания. На диаграмме (рис. 1.1) эта величина изображается отрезком, который можно измерить, например в мм. Тогда μ _р определится по выражению:

Масштаб по оси абсцисс μ _l, по которой записаны абсолютные удлинения образца, зависит от геометрических размеров частей машины и определяется по паспортным данным машины или специально проведенным испытаниям.

Для машины FP-100:

Если масштаб μ _l не известен, то он приближенно может быть определен следующим образом:

Из измерений длины образца до и после испытания вычисляется остаточное удлинение расчетной длины образца после разрыва по выражению:

Δ l_ост = Δ l_к + Δ l_и [мм].

С другой стороны, остаточное удлинение всего образца можно увидеть на диаграмме испытания. Для этого построим из точки К диаграммы линию разгрузки КС (рис. 1.1). Эксперименты показывают, что линия разгрузки представляет собой отрезок прямой, идущей параллельно линии нагрузки 0А. Эта особенность имеет место независимо от того, с какой точки диаграммы производится разгрузка (например, из точки М, рис. 1.1). Это значит, что при разгрузке из любого состояния зависимость между силами и деформациями линейна, т.е. носит упругий характер, как и при нагрузке в пределах действия закона Гука.

Отрезок 0D на оси абсцисс изображает полную величину удлинения образца при разрыве. Это удлинение состоит из упругой и пластической (остаточной) частей. Отрезок CD диаграммы характеризует величину упругого удлинения образца в момент разрыва. Это удлинение после разрыва исчезает вследствие упругого сокращения образца. Отрезок 0C характеризует, следовательно, величину остаточного удлинения после разрыва. Измерив величину 0С, например в мм, приближенную величину μ _l определяем из выражения:

Приближенность последнего выражения заключается в том, что величина Δ l_ост дает величину остаточного удлинения только расчетной длины образца l₀, а величина 0С характеризует остаточное удлинение всего образца. Однако неточность невелика, так как утолщенные части образца вблизи его головок обычно не получают пластических деформаций. Ошибка вносится в числитель, где не учтено остаточное удлинение цилиндрической части образца длин l₁ – l₀. Точные измерения показывают, что остаточное удлинение образца при разрыве получается главным образом за счет пластического деформирования шейки и практически, в пределах точности измерений штангенциркулем по рискам, величина Δ l_ост одинакова как при измерении ее на длине l₀, так и на длине l₁=1, 1 l₀.

Затем необходимо вычислить основные силовые и геометрические величины, соответствующие данному образцу из данного материала.

Нагрузка, соответствующая концу участка пропорциональности (предельная нагрузка, до которой справедлив закон Гука):

Р_р = μ _р· Аа [кг], где Аα [мм] – ордината точки А на диаграмме испытания.

Нагрузка, соответствующая началу текучести образца:

Р_Т = μ _р· Тт [кг], где Тт [мм] берется из диаграммы испытания.

В случае, если явно выраженная площадка текучести на диаграмме отсутствует (рис. 1.5), принято вычислять условную нагрузку, соответствующую началу текучести Р¹_Т: нагрузку, при которой остаточное удлинение составляет 0, 2% (или 0, 5%) от расчетной длины образца l₀.

Для определения точки Т на оси абсцисс диаграммы откладывается отрезок 0n и проводится прямая nТ¹, параллельная прямой 0А.

откуда

Тогда:

Р¹_{Т =}μ _р·Т¹m¹ [кг],

где Т¹т¹ [мм] берется из диаграммы испытания (рис. 1.5).

Для определенности величину Δ l, применяемую для определения условной нагрузки Р¹_Т, обозначают Δ l_{0, 2} или Δ l_{0, 5}, в зависимости от величины допуска на остаточное удлинение.

Рис. 1.5. Участок диаграммы растяжения для материалов без площадки текучести.

Нагрузка в момент разрыва Р_к = μ _р· КD [кг], где KD [мм] берется из диаграммы (рис. 1.1). Максимальная нагрузка Р_в, как уже говорилось, определяется в процессе испытания по показанию силоизмерителя.

По данным замеров образца до и после испытания определяются: абсолютное остаточное сужение площади поперечного сечения после разрыва:

Δ F_r = F₀ + F_k [мм²],

где F₀ – площадь поперечного сечения образца до испытания;

F_к – площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки.

Теперь имеются все данные для подсчета характеристик механических свойств по формулам, известным из теоретического курса и приведенным в тетради для лабораторных работ.

Порядок проведения опыта

1) Замерить диаметр образца. Нанести риски, устанавливающие расчетную длину образца.

2) Навернуть миллиметровую бумагу на барабан машины, установить карандаш.

3) Установить в захватах образец и ручной подачей выбрать зазоры.

4) Включить машину и, заметив усилие текучести, после прохождения площадки текучести произведите разгрузку образца и повторное его нагружение.

5) Зафиксировать конечную и максимальную нагрузку.

6) Снять образец, составить его части и замерить длину между рисками.

7) Замерить диаметр образца в месте разрыва.

8) На диаграмме провести оси координат и снять с нее с учетом масштаба необходимые для расчета величины усилий и удлинений.

9) Посчитать пределы пропорциональности, текучести, прочности и напряжения в момент разрушения.

10) Вычислить характеристики пластичности и удельную работу, затраченную на разрыв.

11) Зарисовать на бланке диаграмму растяжения со всеми необходимыми построениями, разрушенный образец и условную диаграмму «σ - δ »

РАБОТА № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Цель работы:

1. Определение модуля продольной упругости или модуля упругости 1-го рода (модуль Юнга) материала.

2. Определение коэффициента Пуассона.

3. Ознакомление с методикой измерения малых линейных деформаций с помощью механических тензометров.

Проведение испытаний

После установки образца в захватах машины на образец устанавливаются тензометры (рис. 2.3).

Для обжатия в захватах (то есть для выхода на линейный участок диаграммы растяжения – см. работу № 1) необходимо дать предварительную нагрузку. Величина этой нагрузки зависит от размеров и материала образца. Для лабораторного образца эта нагрузка составляет 500 – 1000 кг. Для полной определенности величина предварительной нагрузки должна контролироваться выходом на явно линейный участок (точка С, рис. 2.1) по кривой, записываемой на диаграммном барабане машины.

Рис. 2.4.Диаграмма растяжений в пределах упругих деформаций. Точки: С – начало измерений; D – конец измерений.

После некоторой выдержки при предварительной нагрузке (одна-две минуты), для выравнивания температуры образца с температурой окружающей среды, производятся первые отсчеты по приборам (n₁ и n₂), эти данные, а также величина предварительной загрузки заносится в тетрадь лабораторных работ. Отсчеты по тензометрам должны производиться с точностью до 0, 1 мм (на глаз). Затем нагрузка увеличивается на Δ Р [кг] и после одно-двухминутной выдержки вновь производится снятие отсчетов по приборам (n¹₁ и n¹ ₂). Величина Δ Р выбирается из двух соображений: 1) деформации образца должны оставаться упругими, т.е. конечная точка должна оставаться на линейном участке диаграммы растяжения, и этот факт должен контролироваться по диаграмме растяжения (точка D, рис. 2.4); 2) показания тензометров должны существенно отличаться от показаний при предварительной нагрузке. Для лабораторного образца величина Δ Р может иметь порядок 2000 ÷ 2500 кг.

После окончания испытаний образец разгружается до предварительной нагрузки и (после соответствующей выдержки) делаются контрольные отсчеты по приборам. При значительном отличии контрольных отсчетов от первоначальных при предварительной нагрузке испытания должны быть повторены.

Порядок проведения работы

1. Произвести замер необходимых размеров образца.

2. Занести в тетрадь данные применяемых тензометров (базу и коэффициент увеличения).

3. По справочным данным для материала образца определить величину максимально допустимой нагрузки (по пределу пропорциональности) и выбрать предварительную нагрузку.

4. Установит тензометры на образец и укрепить его в захватах машины.

5. Дать предварительное и полное нагружение; снять показания тензометров.

6. Разгрузить образец и повторить эксперимент.

Вычислить средние показания тензометров и подсчитать величины, указанные в разделе 4.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3

Введение 5

Работа № 1. Испытание металлического образца на растяжение 8

Работа № 2. Определение упругих характеристик материалов 20

Методическое руководство

к лабораторной работе

Исследование деформационных свойств металлов

Составители: Поляков О.А.

Щугорев Ю.Ю.

Пименов С.С.

Ступино 2014

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

И ОБЩИЕ ПРИВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

РАБОТА № 1

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы:

1. Экспериментальное изучение процесса растяжения металлического образца.

2. Определение основных механических характеристик материала.

3. Ознакомление с испытательной машиной FP-100.

Постановка задачи и теоретические сведения

Испытание на растяжение является наиболее распространенным и основным методом определения и исследования механических характеристик материалов. К ним относятся характеристики упругости, прочности пластичности и статической вязкости.

При статическом приложении продольной силы к образцу вдоль его оси между внешней нагрузкой и деформацией (удлинением) образца наблюдается зависимость, отражающая свойства материала и условия испытания (температура, скорость и т.д.). Графически эта зависимость отображается кривой на диаграмме деформирования, называемой первичной кривой растяжения. Эта диаграмма является основным документом, результатом обработки которого совместно с другими данными, получаемыми непосредственным отсчетом и измерениями образцов, получают основные характеристики механических свойств.

Для многих материалов первичная кривая имеет вид, представленный на рис. 1.1, т.е. с площадкой текучести. В нашей работе испытывается образец из низкоуглеродистой стали, для которой характерна диаграмма именно этого типа (объяснение криволинейности участка в области начала координат будет дано ниже).

Если образец после достижения нагрузки, вызывающей текучесть материала, разгрузить, то на диаграмме получится линия, параллельная начальному прямолинейному участку ОА (линия ММ₂ на рис. 1.1). При разгрузке снимаются только упругие деформации, а пластические остаются. Полная деформация равна сумме упругой и пластической. При повторном нагружении этого образца новая линия нагрузки почти совпадает с линией разгрузки. Таким образом, усилие, до которого сохраняется прямая пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией, повышается, а величина остаточной деформации до разрушения уменьшается, что характерно для явления упрочнения материала (наклеп, нагартовка). В связи с упругими несовершенствами реальных материалов и неоднородностью пластических деформаций зерен металла наблюдается различие в диаграммах нагружения и разгружения (гистерезис), т.е. несовпадение линий нагружения и разгружения (показано на рис. 1.1 линиями ММ₂). Учитывая практическую равномерность внутренних усилий в каждой точке поперечного сечения образца и сохранение сечения плоским при деформировании, принято усилия в данный момент растяжения относить к площади поперечного сечения образца. Если в такой расчет вводится первоначальная площадь поперечного сечения, т.е. площадь до деформации, то получаемые величины называют условными напряжениями. Их величина для характерных точек диаграммы показывает значение таких характеристик механических свойств, как пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности, вычисляемых по формулам, приведенным в тетради для лабораторных работ. Они с некоторым приближением характеризуют уже материал.

Рис. 1.1. Первичная диаграмма растяжения образца из мягкой стали.

Если нагрузка делится на площадь сечения в данный момент растяжения, то подсчитанные напряжения называются истинными. В работе они вычисляются только для конечной нагрузки в момент разрушения образца по площади сечения образца в месте разрыва (истинные напряжения разрыва). Истинные напряжения более точно характеризуют материал и не зависят от размеров образца, но их трудно определять.

Можно вместо абсолютных удлинений в каждый момент растяжения определить условное относительное удлинение, разделив абсолютное удлинения на расчетную длину образца, т.е. длину до деформации. По величинам условных напряжений в характерных точках диаграммы растяжения и соответствующим им относительным удлинениям строят условные диаграммы «напряжение – относительное удлинение».

Величина остаточного относительного удлинения после разрыва образца, а также величина относительного сужения (отношение изменения площади сечения образца в месте разрыва к первоначальной площади) характеризуют пластичность материала. При этом следует иметь в виду, что остаточное абсолютное удлинение равно:

Δ l_ост = Δ l₁ + Δ l₂,

где Δ l₁ – остаточноеудлинение образца, получающееся главным образом до образования шейки и равномерно распределяющееся по длине образца;

Δ l₂ – остаточноеудлинение образца, получающееся после образования шейки и характеризующее главным образом неравномерную деформацию в зоне шейки.

Удлинение Δ l₂ в большей степени зависит от диаметра, чем от длины, и значительно больше, чем Δ l₁. Таким образом, при увеличении длины образца увеличение Δ l_ост не будет пропорционально увеличению длины, а будет несколько меньшим и наоборот. Опыты показывают также, что форма поперечного сечения влияет на местную деформацию в шейке и, следовательно, на все удлинение образца. Из всего этого следует, что сравнимые результаты в отношении удлинения можно получит лишь применяя геометрически подобные образцы, в частности со стандартными размерами. Относительное остаточное удлинение после разрыва обозначают обычно через δ. При этом необходимо ставить индекс, показывающий соотношение между расчетной длиной образца и его диаметром: l₀=10d₀ (нормальный образец) и l₀=5d₀ (короткий образец). Соответственно относительное удлинение обозначают δ ₁₀ и δ ₅. Соотношение между ними, например, для некоторых сталей следующее:

δ ₁₀ = 0, 82 δ ₅.

Для пластичных материалов деформация, сосредоточенная в шейке, значительна, и их пластичность лучше характеризует относительное сужение, которое больше и применяют в обработке металлов давлением. Площадь под диаграммой растяжения численно равна работе, затраченной на разрушение образца из испытываемого материала. При этом площадь КДС равна работе упругого, а площадь ОАТВКС – пластического деформирования. Статическая вязкость характеризуется работой (А), затраченной на пластическое деформирование до разрушения 1 см³ материала, т.е. это удельная работа (а):

где V – начальный объем образца.

Приближенно работу, затраченную на пластическое деформирование, определяют:

А = Р_max · Δ l_ост · η ,

где Р_max – максимальное усилие при растяжении;

η – коэффициент полноты диаграммы.

12 3 4 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2017-04-13; Просмотров: 313; Нарушение авторского права страницы