Практическая работа 1 Построение температурной зависимости модуля упругости тугоплавких металлов и определение интервала рабочих температур

1.1 Цель работы: ознакомиться с методикой качественного определения упругости металлов и сплавов с использованием консольно закрепленных пластин из модельных материалов (алюминия, меди, латуней, сталей, свинца) и определить влияние температуры на изменение модулей упругости тугоплавких металлов на основе справочных данных.

1.2 Приборы и материалы: струбцина, набор одинаковых пластин из различных модельных материалов, секундомер, транспортир.

1.3 Общие сведения

В физическом аспекте модули упругости являются важнейшими характеристиками прочности межатомной связи в кристаллических материалах. С повышением температуры их значения снижаются, но, как правило, незначительно. При легировании с образованием твердых растворов модули упругости изменяются линейно, как в сторону уменьшения, так и увеличения. Рост наблюдается в том случае, когда силы связи растворенных атомов и атомов основного элемента больше, чем в чистом металле или, когда образуется вторая фаза с более высоким собственным модулем упругости, чем у основного компонента сплава.

В практическом аспекте модули упругости определяют жесткость металлических материалов, которую можно охарактеризовать как их способность сопротивляться прогибу под действием нагрузки или упругой деформации. Для технических расчетов обычно используются статические методы, основанные на законе Гука для напряжений в режиме растяжения и сдвига, соответственно:

σ = E ε ; τ = G γ. (1.1)

Для определения упругих деформаций и напряжений применяют приборы, называемые тензометрами. Их подразделяют на механические, пневматические, оптические, электрические, комбинированные. В настоящее время наиболее широкое распространение получили электрические тензометры сопротивления, которые обладают достаточной линейной зависимостью электросопротивления от степени деформации, высокой тензочувствительностью, малой длиной контакта с деталью или образцом и малой массой. Кроме того, их можно использовать при довольно высоких температурах. Датчики изготавливают из металлов и сплавов, а также из полупроводников, поскольку у них выше коэффициент тензочувствительности, определяемый из соотношения:

ΔR / R ε = К, (1.2)

где ε – деформация, ΔR, R – изменение электросопротивления и сопротивление, соответственно.

По сравнению со статистическими динамические методы обеспечивают более высокую точность и гибкость методики, позволяющей на одном и том же образце устанавливать зависимость модулей упругости от различных факторов, в частности, от температуры без значительного силового воздействия. В основе динамических методов лежит определение скорости распространения упругих волн в материале, которые главным образом подразделяются на импульсные и резонансные. При импульсных методах непосредственно измеряют время, в течение которого упругая волна проходит то или иное заданное расстояние. Скорость распространения упругой волны рассчитывают, исходя из соотношения:

c = S / τ, (1.3)

где S – путь, проходимый упругим возмущением за время τ.

Резонансный метод основан на связи скорости распространения упругой волны c с ее длиной λ и частотой собственных колебаний f образца:

c = λf. (1.4)

Рисунок 1.1. Схема резонансной установки для определения модуля нормальной упругости

Образец 1 размещается вертикально в печи 2, что позволяет проводить испытания при повышенных температурах. Образец соединяется с магнитострикционным вибратором 3, находящимся в баке с проточной водой. Колебания образца передаются пьезоэлектрическому датчику 4, напряжение от которого подается на усилитель 5, а затем на осциллограф 6. Изменяя частоту колебаний вибратора с помощью генератора 8, через усилитель мощности 7 по осциллографу точно устанавливают резонансный режим. Источник постоянного тока 9 служит для питания усилителя мощности 7.

Резонансный метод (рисунок 1.1) определения модулей упругости широко применяется при температурных исследованиях поликристаллических образцов. По стандартной методике собственную частоту колебаний измеряют обычно на стержневых образцах постоянного сечения в режиме продольного и изгибного нагружений. В случае продольных колебаний поперечные сечения стержня остаются плоскими, перпендикулярными его оси и смещаются вдоль нее. При изгибных колебаниях в первом приближении можно считать, что происходят перемещения только в направлении, перпендикулярном оси стержня.

П – приемник, В – возбудитель Рисунок 1.2. Схемы среднечастотных методов измерения внутреннего трения:

Экспериментальное определение модулей упругости производят на специальных установках с использованием разных способов возбуждения механических колебаний – механический, электромагнитный, емкостный, пьезоэлектрический, магнитострикционный и вихревыми токами в среднечастотном диапазоне (рисунок 1.2). В качестве образца применяют проволоку, реже образцы плоского, трубчатого или прямоугольного сечения. В большинстве случаев возбуждение и регистрацию колебаний осуществляют одинаковым способом, в отдельных случаях комбинацией нескольких способов.

Для экспрессной оценки упругих свойств используют упрощенные приемы, суть которых состоит в возбуждении макроколебаний в плоской пружине из исследуемого материала, консольно закрепленной в струбцине (рисунок 1.3). Образец в виде ленты отклоняется из нулевого положения 0 на угол α так, чтобы он не испытал заметной остаточной деформации. В зависимости от продолжительности колебаний, их числа и амплитуды проводится качественная оценка упругих свойств металлов и сплавов.

МПа, ·10 4
1 – образе; 2 – место закрепления; 3 – транспорти; 4 – нагрузка Рисунок 1.3. Принципиальная схема определения упругих свойств	Рисунок 1.4. Влияние температуры на модуль нормальной упругости некоторых металлов