ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Введение

 

Вопросы прочности, упругости, пластичности и жесткости материалов занимают важное место в различных областях машиностроении, приборостроения, радиотехнике и прочих отраслях промышленности. Ошибки при определении механических свойств материалов, неудачный выбор материалов для изготовления деталей или конструкций, неправильный расчет деталей машин и механизмов, элементов судостроительных конструкций может привести к их непригодности или разрушению. Следует отметить, что характеристики прочности, упругости и пластичности материалов можно определить только опытным путем.

В лабораторных работах изучаются механические свойства материалов - прочность, пластичность, жесткость, а также определяются некоторые расчетные характеристики. При выполнении лабораторных работ студенты изучают методику испытания материалов, знакомятся с устройством и принципом действия некоторых измерительных инструментов, приборов, испытательных установок и машин.

Навыки, полученные при выполнении лабораторных работ, необходимы инженерно-техническим специалистам в различных областях промышленного производства.

 

 

1. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

 

При проведении лабораторных работ по сопротивлению материалов на студентов могут воздействовать опасные для жизни и вредные для здоровья производственные факторы – это электрическое напряжение, подвижные части испытательных машин и установок, острые кромки, заусеницы и шероховатости на поверхности образцов и др. В лаборатории используется оборудование, в электрических цепях которого проходит ток высокого напряжения опасного для жизни человека, а также устновки, имеющими дви-гающиеся рабочие детали, которые являются травмоопасными Для предотвращения травм студент обязан соблюдать следующие основные правила.

1. Выполнять требования по соблюдению правил техники безопасности.

2. Приступать к выполнению лабораторной работы только после разрешения преподавателя или персонала лаборатории.

3. Студенту запрещается приводить в действие машины, механизмы и другие, находящиеся в помещении лаборатории, установки.

4. Во время выполнения лабораторной работы не отвлекаться, не разговаривать друг с другом и по телефону.

5. В случае обнаружения студентом неисправностей немедленно сообщить об этом преподавателю либо работнику лаборатории.

6. Запрещается производить какие-либо действия с установками, не относящимися к выполняемой лабораторной работе.

7. Студенту запрещается самостоятельно включать рубильники, нажимать на кнопки пульта испытательных машин или осуществлять их компьютерное управление, вставлять вилки приборов в розетки электросети, поворачивать рычаги испытательных установок, заводить руки в опасные зоны испытания.

8. К лабораторным работам допускаются студенты, ознакомленные инструкцией по охране труда и только после записи в журнал по охране труда.

 

2. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

 

1. Перед выполнением очередной лабораторной работы студент обязан теоретически подготовиться по соответствующему разделу курса сопротивления материалов, используя учебники и пособия.

2. Для выполнения лабораторных работ необходимо иметь бланк протокола лабораторной работы, который следует оформить или ксерокопировать по образцу. Недостаточная подготовка и/или отсутствие бланка протокола лабораторной работы дает право преподавателю не до-пустить студента к занятию.

3. Опоздание или пропуск лабораторных занятий не допускается. Пропущенная лабораторная работа расценивается как невыполнение учебного плана и студент в этом случае не допускается к экзамену или зачету по сопротивлению материалов. В случае пропуска лабораторных занятий студент должен отработать их согласно установленному порядку.

4. В начале занятия под руководством преподавателя и в исполнении хаведующего лаборатории (учебного мастера) проводится испытание образца или демонстрация законов механики на испытательной установке. Студенты обязаны находится на безопасном расстоянии от места испытания и наблюдать за ходом опыта.

5. После окончания испытания студенты занимают свои места в помещении лаборатории, выполняют обработку полученных данных и оформляют протокол.

6. В конце занятия студент предъявляет преподавателю для проверки оформленный протокол лабораторной работы.

7. В соответствии с графиком проведения занятий студенты защищают лабораторные работы, отвечая преподавателю на поставленные вопросы, давая пояснения установленным законам и закономерностям механики твердого деформируемого тела, принципам работы приборов и испытательных установок.

 

 

 

3. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ИНСТРУМЕНТАХ И ПРИБОРАХ

 

3.1. Инструменты для измерения размеров образцов

Измерительные линейки и ленты.

Для измерения размеров больших деталей и образцов используются линейки и измерительные ленты (рулетки). Цена деления линейки 1 мм. Предпочтительнее выполнять измерения стальными линейками или лентами (рулетками), так как они обладают большой жесткостью и не растягиваются, что обеспечивает большую точность измерения.

Штангенциркуль.

Штангенциркуль применяется для измерения наружных и внутренних размеров небольших деталей и образцов. Кроме того, штангенциркулем можно измерить глубину выемок. При выполнении лабораторных работ используются штангенциркули с пределами измерений от 125 до 500 мм и ценой деления 0, 1 мм (рис. 1).

Измерение наружного размера детали или образца выполняется в таком порядке. Вначале следует отпустить зажимной винт 7 штангенциркуля, поместить образец между губками 2 и поджать их, двигая рамку 4. Затем зажать винт 7 и снять отсчет. Число целых миллиметров отсчитать на шкале штанги 6 по нулевому штриху нониуса 5, а число десятых единиц миллиметра определить по тому штриху нониуса 5, который точно совмещен с каким-либо штрихом шкалы 6. Затем отпустить зажимной винт 7 и снять штангенциркуль с детали или образца. Для измерения внутреннего размера детали или образца (например, диаметра отверстия) поместить губки 3 внутри отверстия (полости) и повторить выше описанные операции.

 

Рис. 1. Схема измерения внешнего и внутреннего размеров с помощью штангенциркуля (1–измеряемые детали; 2, 3– губки штангенциркуля; 4– рамка; 5 – нониус с 10-ю делениями; 6 – штанга с делениями; 7 – зажимной винт).

 

3.2. Приборы механического принципа действия для измерения деформаций

 

 

Общие понятия.

Деформации твердых тел разделяют на два вида – линейные и угловые деформации. Линейные деформации тела характеризуются изменением взаимного расположения его точек, то есть перемещением точек тела относительно друг друга. Эти перемещения измеряют тензометрами (экстензометрами), которые определяют изменение расстояния между точками на поверхности тела. Угловые деформации характеризуют изменение угловых размеров тел и измеряются угломерами, в результате чего определяют угол поворота одного сечения относительно другого.

Расстояние между точками тела, изменение которого измеряют тензометром, называется базой прибора.

Для увеличения точности измерения при неоднородной деформации (когда линейные деформации в различных точках тела неодинаковые, например, при изгибе балки) следует выбирать приборы с малой базой – до 20 мм. При однородной деформации тела, например при растяжении или сжатии стержня центрально приложенной нагрузкой, лучше применять приборы с большой ба-зой.

Все тензометры по принципу своего действия разделяются на три вида: – механические с рычажной системой (рычажный тензометр, стрелочный индикатор, прогибомеры и др.);

– оптико-механические (зеркальный тензометр Мартенса);

– электрические.

 

Стрелочный индикатор. Стрелочный индикатор является измери-тельным прибором механического принципа действия. Внешний вид и схема прибора приведены на рисунке 2. Измерительный стержень индикатора связан со стрелкой зубчатой передачи, которая называется зубчато-реечным механизмом. Цена деления индикатора зависит от передаточного числа зубчато-реечного механизма. Наиболее часто применяют индикаторы с ценой деления 0, 01 мм.

 

Рис. 2. Схема стрелочного индикатора с указанием его деталей: 1. – измерительный стержень; 2. – съемный наконечник; 3. – шкала прибора; 4. – стрелка на шкале прибора; 5. – поджимная шестеренка; 6. – поджимная пружина шестеренок; 7. – поджимная пружина из-мерительного стержня; 8. – шестеренка на выходе; 9. – подающая шестеренка; 10. – прини-мающая шестеренка.

 

Для более точного измерения применяются индикаторы с ценой деления 0, 002 и 0, 001 мм. Максимальное перемещение измерительного стержня в различных конструкциях индикаторов, то есть их база измерения, может быть от 1 мм до 10 мм.

Для определения смещений точек конструкции, например, прогибов ба-лок, индикатор крепится к неподвижной опоре таким образом, чтобы его изме-рительный стержень упирался в перемещающуюся поверхность. Для определе-ния линейных деформаций при растяжении или сжатии стрелочный индикатор крепят в специальные кольца. Деформации (удлинение либо укорочение базы измерения) вызывают перемещение измерительного стержня 1. С помощью зубчато-реечного меха-низма линейное перемещение измерительного стержня приводит к повороту малую шестеренку 10. Так как малая шестеренка 10 и большая шестеренки 9 посажены на одну ось, то и большая шестеренка 9 будет поворачиваться на тот Для более точного измерения применяются индикаторы с ценой деления 0, 002 и 0, 001 мм. Максимальное перемещение измерительного стержня в раз-личных конструкциях индикаторов, то есть их база измерения, может быть от 1 мм до 10 мм.

Для определения смещений точек конструкции, например, прогибов ба-лок, индикатор крепится к неподвижной опоре таким образом, чтобы его изме-рительный стержень упирался в перемещающуюся поверхность. Для определе-ния линейных деформаций при растяжении или сжатии стрелочный индикатор крепят в специальные кольца. Деформации (удлинение либо укорочение базы измерения) вызывают перемещение измерительного стержня 1. С помощью зубчато-реечного меха-низма линейное перемещение измерительного стержня приводит к повороту малую шестеренку 10. Так как малая шестеренка 10 и большая шестеренки 9 посажены на одну ось, то и большая шестеренка 9 будет поворачиваться на тот же угол. Малая шестеренка 8 сцеплена с большой шестеренкой 9, поэтому ее поворот и поворот стрелки 4 будут значительно больше. За счет большого пе-редаточного числа, которое зависит от отношения диаметров большой и малой шестеренок, малые линейные перемещения измерительного стержня 1 вызыва-ют повороты на большие углы стрелки 4. Этим отношением определяется и це-на деления прибора.

Цена деления прибора по своему значению равна изменению измеряе-мой величины при изменении показания прибора на одну единицу. Например, если цена деления индикатора равна 0, 01 мм, то это значит, что поворот большой стрелки прибора на одно деление будет соответствовать линейному сме-щению измерительного стержня на 0, 01 мм. Цена деления должна быть всегда указана на шкале прибора.

 

3.3. Приборы для измерения деформаций электрического

принципа действия

 

 

Общие понятия.

В настоящее время для измерения деформаций широкое распространение получили электротензометрические методы. Измерение деформаций этими методами возможно благодаря тому, что деформация датчика вызывает изменение его некоторых параметров – сопротивления участка электрической цепи, емкости конденсатора или индуктивности электромагнитной катушки.

В измерительных приборах всегда присутствуют три части – датчик, усилитель и регистрирующее устройство (преобразователь). Элемент, прикрепленный к образцу, к конструкции, к детали машины или механизма и воспринимающий деформацию, называется датчиком. Сам датчик только вырабатывает сигнал, который поступает на усиливающее устройство. Так как носителем сигнала может быть сила тока, изменение емкости или индуктивности, что не может быть непосредственно воспринято и зарегистрировано человеком, то после усиления сигнала он подается на преобразующее устройство. Преобразованный сигнал размещается на доступном для восприятия человеком носителе – индикация чисел, график, звуковой или световой сигнал и др. В зависимости от того, какой электрический параметр датчика изменяется, различают датчики сопротивления, емкостные и индуктивные датчики.

Благодаря возможности дистанционного измерения, особенно широкое распространение получили проволочные датчики. Их удобно применять для измерения деформаций не только при статических нагрузках и на неподвижных деталях, но и при динамических нагрузках, на быстро перемещающихся деталях, в трудно доступных местах, а также на конструкциях, испытывающих предельное состояние и даже при разрушении сооружений. Небольшие размеры проволочных датчиков позволяют размещать их на небольшой площади конструкции, что дает возможность для более детального изучения напряженно-деформированного состояния исследуемой конструкции. Кроме того, проволочные датчики дешевые. Поэтому экономические затраты от их потери при испытаниях с доведением конструкций, машин или механизмов до разрушения малы.

По величине измеренных деформаций, используя закон Гука, вычисляют напряжения в соответствующих точках конструкции. Определение напряжения по измеренной деформации называют тензометрированием.

Главным недостатком электротензометрического метода является малая точность измерения, что во многом зависит от материала, из которого изготовлена испытываемая конструкция, качества поверхности, качества наклейки датчика и др. Поэтому этот метод может применяться только в тех случаях, когда высокая точность измерений не требуется.

Проволочный датчик сопротивления представляет собой тонкую проволоку, изогнутую в виде плоских петель, наклеенную на полоску специальной бумаги или пленки. Специальным клеем (раствор целлулоида в ацетоне или БФ-4 датчик наклеивается на поверхность испытываемого объекта, что обеспечивает его совместную деформацию с деформацией поверхности детали или элемента конструкции. Проволока изготовлена из константанового сплава или из другого сплава (например, нихрома), имеющего большое омическое сопротивление. Диаметр проволоки составляет 0, 02-0, 03 мм.

При деформации датчика длина проволоки изменяется. Поэтому изменяется и омическое сопротивление датчика. По величине изменения сопротивления датчика определяется величина деформации. Чем длиннее проволока, тем больше изменяется ее сопротивление при одной и той же деформации. Поэтому для более точных измерений следует применять датчики из длинной проволоки. Однако, при увеличении длины проволоки будет увеличиваться и база измерения. Это не всегда приемлемо, особенно если деформации распределены неравномерно. Для уменьшения базы измерения и сохранения большой длины проволоки ее укладывают в виде петель. Все петли проволоки в электрической цепи будут являться последовательно соединенными проводниками. Поэтому их сопротивления в электрической цепи складываются.

Вследствие зигзагообразной укладки проволоки датчик будет реагировать на деформацию только по направлению длинных ветвей проволоки. Это направление называется рабочим направлением датчика.

Длина петли lo является базой датчика. Для измерений деформаций обычно применяют датчики с базой 5, 10 и 20 мм. Для удобства припайки датчика к электропроводам выводные концы проволоки утолщены. Опытным путем установлено, что закон изменения сопротивления Δ R прямо пропорционален относительной линейной деформации ε.

где Δ R – начальное сопротивление датчика, которое может быть от 100 до 250 Ом; γ – коэффициент чувствительности, зависящий от материала и базы датчика, может принимать значения от 1, 8 до 2, 1.

Из формулы (1) выражается линейная деформация ε

Величины ε и R для датчика постоянные, а величина Δ R измеряется прибором. Изменения Δ R очень мало и для его измерения должны применяться очень чувствительные регистрирующие устройства.

Для измерения деформаций, возникающих при действии статических нагрузок, применяют регистрирующие устройства с использованием электрических мостовых схем.

 

Рис. 3 – Проволочный датчик сопротивления.

 

Вопросы по разделу 3

1. Какие инструменты используются для измерения линейных размеров твер-дых тел?

2. Измерение каких размеров деталей могут быть выполнены штангенцирку-лем?

3. Какие действия и в какой последовательности следует выполнять при изме-рении штангенциркулем наружных и внутренних размеров детали?

4. На какие два вида делятся деформации тел?

5. Какие деформации тела называются линейными?

6. Какие деформации тела называются угловыми?

7. Что называется базой измерения прибора и из каких соображений она выби-рается?

8. Изменение каких параметров проводника электрического тока используется в электротензометрических методах?

9. На какие три вида делятся тензометры по принципу своего действия?

10. К какому виду по своему принципу действия относится стрелочный индика-тор?

11. Какую цену деления и базу измерения могут иметь стрелочные индикаторы?

12. Опишите принцип работы механизма стрелочного индикатора.

13. Что обозначает по своему смыслу цена деления прибора?

14. Какой элемент измерительного прибора называется датчиком и какую функцию он выполняет при измерении деформаций?

15. Для чего предназначено преобразующее устройство в измерительном при-боре?

16. Какие преимущества и недостатки имеет измерение деформаций электро-тензометрический методом по сравнению с измерениями механическими тен-зометрами?

17. Что следует понимать под тензометрированием?

18. Как устроен проволочный датчик сопротивления и как он прикрепляется к детали (конструкции)?

19. На каком принципе основана работа проволочного датчика?

20. Какое направление датчика является рабочим и почему?

 

 

3.4 Краткие сведения об основных конструкционных материалах

 

Чугун

Чугуном называется сплав железа с углеродом, который содержит более 2% углерода. Чугун может быть передельным и литейным. Передельным чугун используется для производства стали, а литейный для литья фасонных изделий. Исходными материалами для доменного производства чугуна являются руда, флюсы, топливо и воздух.

Железная руда – это горная порода, содержащая железо в таких количествах, при которых ее технически и экономически целесообразно перерабатывать. Руда состоит из смеси железосодержащих минералов с пустой породой. Для производства чугуна используются руды – магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк.

Обогащение руды. Перед производством чугуна руду обогащают, удаляя пустую породу и повышая содержание железа. Для этого используются два способа – промывку и магнитную сепарацию.

Топливо. Основным видом топлива в доменных печах является кокс. Кокс получается сухой перегонкой некоторых сортов каменного угля при 1000-1200оС без доступа воздуха. Такие сорта угля называются коксующимися. В специальных коксовых печах происходит спекание угля в течение 15-20 ч. При этом удаляются летучие вещества. Предварительно уголь измельчается в дробилках до размера зерен 2-3 мм. Отсутствие летучих веществ и большая пористость кокса обеспечивают высокую температуру его горения. Доменная печь представляет собой вертикальное сооружение шахтного типа. Современные доменные печи имеют общую высоту до 80 м с полезным объемом до 5000 м3.

Плавка чугуна. Агломерат, руда, флюс и кокс, поступающие в печь в определенном соотношении, называют шихтой. Через загрузочное устройство шихта попадает в доменную печь. Доменные печи, как и все шахтные печи, работают по принципу противотока. Сверху сходят шихтовые материалы, а снизу им на встречу движутся газы, образующиеся в процессе горения топлива. В шахте происходят процессы восстановления окислов железа и его науглероживание. В нижней части домны накапливается жидкий чугун, а выше жидкая пустая порода. Их периодически сливают в ковши. Чугун используют для дальнейшей переработки.

 

Стали

Сталь – это сплав железа с углеродом, который содержит менее 2% углерода (обычно не более 1, 3%). Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, фосфор и сера.

Кроме углеродистых, в машиностроении и строительстве широко применяют легированные стали, в состав которых для улучшения тех или иных свойств дополнительно вводят хром, никель, молибден и другие элементы.

Исходными материалами для получения стали служат передельный чугун, стальной лом и ферросплавы. Основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах. Основными способами производства стали являются кислородно-конверторный, мартеновский и элек-тродуговой.

Кислородно-конверторное производство стали. В основе конвертерных процессов лежит обработка жидкого чугуна газообразными окислителями. Кислород под давлением 0, 8–1, 0 МПа (8–10 атм.) подается сверху через водоохлаждаемую фурму. После окончания продувки и получения заданного содержания углерода берут пробу и сливают металл в ковш. В ковше сталь раскисляется за счет окисления марганца, кремния и алюминия. В зависимости от степени раскисленности различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Кипящие стали раскисляются только ферромарганцем. В таких сталях частично остаются растворенные окислы железа. При кристаллизации продолжает идти процесс ― кипения из-за реакции восстановления железа. Газовые пузыри остаются в теле затвердевшего слитка и завариваются при последующей прокатке. Кипящая сталь дает наиболее высокий выход годного металла, наименьшие отходы, благодаря чему она обладает самой низкой стоимостью, но и самым низким качеством. Спокойная сталь раскисляется комплексно ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. В металле нет растворенного окисла железа. Процесс кипения прекращается, сталь ― успокаивается‖. Значительная часть стального слитка идет в отход. Поэтому такая сталь, обладая высоким качеством, является наиболее дорогой Полуспокойная сталь раскисляется ферромарганцем и уменьшенным количеством ферросилиция. По качеству и стоимости она занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью.

Мартеновское производство стали. Мартеновская печь является пламенной регенеративной печью. В рабочем пространстве печи сжигается газообразное или жидкое топливо. Через завалочные окна в печь загружают шихту и дополнительные материалы по ходу плавки. Через отверстие в задней стене производят выпуск готового металла и шлака.

Если выплавляется легированная сталь, то добавляют легирующие эле-менты – никель, медь, молибден, хром, марганец, кремний, титан, ванадий, алюминий, бор.

Производство стали в электропечах. Электроплавка – наиболее совершенный способ получения стали, имеющей ряд преимуществ по сравнению с производством стали в конверторах и мартеновских печах. Шихта, загружаемая в электропечь, состоит из стального лома, легированных отходов, чугуна флюсов, железной руды, легирующих добавок и рас-кислителей. Нагрев в индукционных печах осуществляется за счет джоулева тепла, выделяемого в твердом или жидком металле вихревыми токами, индуцируемыми переменным электромагнитным полем. Через индуктор, представляющий собой катушку из медной трубки, охлаждаемой внутри водой, пропускают ток, возбуждающий вокруг переменное магнитное поле. В металле, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, обеспечивающие его нагрев и плавление.

 

Алюминий

Алюминий Al является химическим элементом серебристо-белого цвета и относится к лѐ гким металлам.

Физические, химические и механические свойства. Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокую теплопроводность и электрическую проводимость, пластичность, хорошую коррозионную стойкость и достаточную прочность. Он легко поддаѐ тся ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки.

Алюминий обладает относительно невысокой прочностью (предел прочности 50-60 МН/м²), твѐ рдостью (170 МН/м² по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности алюминия возрас-тает до 115 МН/м², твѐ рдость ‒ до 270 МН/м², относительное удлинение снижа-ется до 5% (при σ = 1 МН/м²). Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органическими ки-слотами, пищевыми продуктами.

Алюминиевые руды. В природе имеется большое количество минералов и горных пород, содержащих алюминий, однако лишь немногие из них могут быть использованы для получения металлического алюминия. Наиболее широкое распространение в качестве алюминиевого сырья получили бокситы. Для получения алюминия применяются также нефелин-сиенитовые, нефелин-апатитовые и др. породы.

Получение алюминия. В промышленности алюминий получают электролизом глинозѐ ма, растворѐ нного в расплавленном криолите при темпе-ратуре около 950°С. (Криоли́ т — минерал из группы природных фторидов, имеющий хи-мический состав Na3AlF6). Электролитная ванна представляет собой железный кожух, футерованный внутри тепло- и электро-изолирующим материалом – огнеупорным кирпичом, и выложенный угольными плитами и блоками. Рабочий объѐ м заполняется расплавленным электролитом, состоящим из 6-8% глинозѐ ма и 94-92% криолита. Катодом служит подина ванны, анодом - погружѐ нные в электролит угольные обожжѐ нные блоки или же набивные самообжигающиеся электроды. При прохождении тока на катоде выделяется расплавленный алюминий, который накапливается на подине, а на аноде ‒ кислород, образующий с угольным анодом окислы углерода. Из ванн алюминий извлекают обычно с по-мощью вакум-ковша. Расплавленный алюминий чистотой 99, 7% разливают в формы.

Алюминиевые сплавы. В машиностроении используется не сам алю-миний, а его сплавы. Поворотным моментом в развитии алюминиевых сплавов явились результаты исследований А. Вильма (Германия, 1903-11 гг), который обнаружил процесс старения алюминиевых сплавов, приводящее к резкому улучшению их свойств (главным образом прочностных). Этот улучшенный алюминиевый сплав был назван дуралюмином. К самым прочным относятся сплавы алюминево-марганцево-кремневый, алюминиево-цинко-магневый; к наиболее жаропрочным – алюминево-медно-марганцевый; к лѐ гким и высокомодульным алюминиево-берилливо-магневый.

 

Основные механические характеристики некоторых материалов

Таблица 1. Некоторые механические характеристики материалов

 

Материал	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Остаточное удлинение, %	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент Пуассона
Сталь
Ст2 Ст5	320-400 380-470	190-220 210-240	21-23	196-206 196-206	0, 3 0, 3
Чугун серый
СЧ21-40 СЧ35-56			– –		0, 23-0, 27 0, 23-0, 27
Чугун ковкий
КЧ30-8 КЧ37-12					0, 23 0, 36
Алюминиевые сплавы
АМцМ АМг6М					0, 30 0, 31
Другие материалы
Каучук Стекло Бетон Сосна Дуб	16-38 30-90 5-48 9, 31-11, 5 128, 8	– – –	600-700 – – – –	0, 6 10-7 48-75 14, 6-23, 2 10, 2-14, 5 7, 8-15, 1	0, 47 0, 18-0, 32 0, 16-0, 18 0, 49 0, 43

 

Контрольные вопросы по разделу

1. Какой сплав называется чугуном?

2. Для чего предназначен передельный и литейный чугун?

3. Какие руды используются для производства чугуна?

4. Как происходит обогащение железной руды?

5. Что служит топливом для выплавки чугуна?

6. Как происходит выплавка чугуна в домне?

7. Какой сплав называется сталью?

8. Чем отличаются легированные стали от углеродистых?

9. Какие способы применяют для выплавки стали из чугуна?

10. Как выплавляется сталь конверторно-кислородным методом?

11. Какие недостатки и преимущества имеют кипящая, спокойная и полуспо-койная стали?

12. Как выплавляется сталь мартеновским методом?

13. Как производится сталь в электропечах?

14. Какой материал называют бетоном?

15. Какими физико-техническими свойствами характеризуется бетон?

16. В какие сроки бетон приобретает проектную прочность?

17. Какое примерное отношение прочности бетона на сжатие и на растяжение?

18. Какой материал называется цементом?

19. Для каких целей используется цемент в строительстве?

20. Какие породы и материалы используются для производства цемента?

21. Как определяется прочность цемента?

22. Особенность физико-механических свойств алюминия?

23. Какими механическими характеристиками обладает алюминий?

24. Как получают алюминий?

25. Чем отличаются алюминиевые сплавы по своим механическим свойствам?

 

4.1 Механические характеристики материалов

 

Механические характеристики материалов делятся на две группы –прочности и пластичности.

Механические характеристики прочности

Закон Гука. Экспериментально установлено, что для некоторых материалов до некоторого предела деформация является упругой и прямо пропорциональной напряжению. Закон Гука выполняется для малоуглеродистой стали, для других материалов закон Гука строго не выполняется, но зависимость между деформацией и напряжением близка к линейной. Поэтому для упрощения расчета полагают, что закон Гука выполняется.

Предел пропорциональности – это механическая характеристика прочности равная максимальному напряжению, до которого еще справедлив закон Гука

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Цель работы

1. Целью испытаний образцов из малоуглеродистой стали и чугуна на растяжение является исследование характера зависимости между деформацией образца и растягивающей силой.

2. Определение механических характеристик материалов.

Используемое оборудование и инструменты: испытательная машина, штангенциркуль с ценой деления 0, 1 мм, измерительная линейка

 

Испытания на растяжение образцов материалов проводятся сцелью экспериментальногоопределения механических характеристик: предела пропорциональности σ _пц, предела текучести σ _т, предела прочности σ _в, истинного сопротивления разрыву σ ₀, относительного удлинения δ и относительного сужения ψ после разрыва.

Цель работы

3. Целью испытаний образцов из малоуглеродистой стали и чугуна на растяжение является исследование зависимости между деформацией образца и растягивающей силой.

4. Определение механических характеристик материалов.

Исходные данные

Требования к испытанию: в соответствии со стандартом нагружение выполнять со скоростью 2 мм в минуту, не допускать перекосов и толчков, соблюдать технику безопасности.

Испытательная машина WDW-100E, штангенциркуль с ценой деления 0, 1 мм, измерительная линейка

И результаты измерения

Сталь
l0 = мм d0 = мм l0/ d0= = = мм2	lr факт = мм dr = мм   = = мм2

Чугун
l0 = мм d0 = мм l0/ d0= = = мм2	lr факт = мм dr = мм   = = мм2

Опытные данные

Усилия и деформации в характерных точках диаграммы растяжения

Стальной образец
№ точки
Усилие F, кН	Fпц = кН	FT = кН	Fe = кН	Fo = кН
Удлиннение Δ l факт, мм	Δ lпц= мм	Δ lT= мм	Δ le= мм	Δ lo= мм

Чугунный образец
№ точки
Усилие F, кН	Fпц = кН	-	Fe = кН	Fo = кН
Удлиннение Δ l факт, мм	Δ lпц= мм	-	Δ le= мм	Δ lo= мм

Результаты испытания

Деформации в характерных точках диаграммы напряжений

 

Стальной образец
= =	= =
= =	= =
Чугунный образец
= =
= =	= =

Характеристики пластичности

Стальной образец	Чугунный образец
- относительное остаточное удлинение: = = %	- относительное остаточное удлинение: = = %
- относительное остаточное сужение образца = = %	- относительное остаточное сужение образца = = %

Удлинение к моменту разрыва

Стальной образец	Чугунный образец
- полное: Δ lmax= мм - упругое: Δ le = мм - остаточное: Δ lr = мм	- полное: Δ lmax= мм - упругое: Δ le = мм - остаточное: Δ lr = мм

Напряжения в момент разрыва

Стальной образец	Чугунный образец
- условное: = = МПа	- условное: = = МПа
- истиное: = = МПа	- истиное: = = МПа

Машинная диаграмма и диаграмма напряжений - Приложение 1

Выводы

В результате выполнения лабораторной работы определены основные механические характеристики для двух марок материалов: стали и чугуна. Допускаемые напряжения при этом составили:

12Следующая ⇒

Поделиться: