Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Учебное пособие 2039

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
4.32 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра материаловедения и физики металлов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по курсу «Физика прочности и пластичности сплавов

и композитов» для студентов направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»

(профиль «Физическое материаловедение»), очной формы обучения

Часть 1

Воронеж 2019

УДК 539.4:669 ББК 22.3:34.3

Составители: канд. физ.-мат. наук А. Н. Семичев , канд. физ.-мат. наук А. В. Миленин,

ст. преп. Е. Н. Федорова, ст. преп. В. А. Юрьева

Механические свойства материалов: методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физика прочности и пластичности сплавов и композитов» для студентов направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль «Физическое материаловедение»), очной формы обучения.

Ч . 1 . / ФГБОУ ВО «Воронежский государственныйтехнический университет»; cост.: А. Н. Семичев , А. В. Миленин, Е. Н. Федорова,

В. А. Юрьева. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. 37 с.

Методические указания содержат описание лабораторных работ. Приводятся теоретические сведения о природе механических свойств, характеристиках прочности и пластичности и целесообразности их определения. При выполнении лабораторного практикума студенты освоят технологию механических испытаний.

Предназначены для проведения лабораторных работ по дисциплине «Физика прочности и пластичности сплавов и композитов» для студентов 4 курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле МУ МСМ1.pdf.

Ил. 11. Табл. 4. Библиогр.: 16 назв.

УДК 539.4:669

ББК 22.3:34.3

Рецензент – А. В. Костюченко, канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры физики твердого тела ВГТУ

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Основной целью повышения прочности в целом считается получение высокопрочного состояния в сочетании с достаточно высоким сопротивлением хрупкому разрушению.

Количественно характеризовать прочность и пластичность при статистических или динамических нагрузках принято путём измерения механических свойств материалов, таких как:

1.Твердость (способность материала сопротивляться пластической деформации при контактном нагружении индентором): по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу,микротвердость.

2.Модуль упругости: Юнга (модуль нормальной упругости), сдвига (модуль касательной упругости).

3.Предел пропорциональности (условное напряжение, соответствующее началу отклонения от линейного закона кривой напряжение-деформация).

4.Предел упругости (условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций заданной величины

(0,05 %)).

5.Предел текучести: физический (условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке площадки текучести); условный (условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2 %).

6.Предел прочности или временное сопротивление (условное напряжение, соответствующие наибольшей нагрузке выдерживаемой образцом).

7.Истинное сопротивление разрыву (истинное напряжение

вмомент разрушения).

8.Относительное удлинение (отношение прироста длины после разрыва образца к первоначальной расчетной длине).

9.Относительное сужение (отношение наибольшего в месте разрыва уменьшения поперечного сечения образца к первоначальной площади поперечного сечения)

3

10.Предел прочности при изгибе (условное напряжение, соответствующее изгибающему моменту, вызвавшему разрушение изгибом).

11.Условный предел прочности при кручении (соответствует максимальному крутящему моменту, вызвавшему разрушение).

12.Ударная вязкость (работа разрушения изгибным ударом образца с известным поперечным сечением в надрезе).

13.Стрела прогиба (величина прогиба образца).

14.Угол загиба (дополнительный до 180º угол при изгибе образца на определенный угол).

15.Предел выносливости при усталости (наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения после заданного числа циклов нагружения).

16.Циклическая долговечность (число циклов напряжений или деформаций, выдержанных объектом до образования усталостной трещины или до усталостного разрушения).

17.Коэффициент асимметрии цикла напряжений (отношение минимального напряжения цикла к максимальному).

18.Живучесть (число циклов от момента появления усталостной трещины достаточной длины, до полного разрушения образца).

19.Амплитуда напряжений цикла (наибольшее положительное значение переменной составляющей цикла напряжений).

20.Линейный износ (изменение размера образца при износе, измеренное в направлении нормальном к изнашиваемой поверхности).

21.Скорость изнашивания (отношение величины износа ко времени его возникновения в часах).

22.Интенсивность изнашивания (отношение величины износа к пути трения, на котором происходило изнашивание).

4

23.Предел ползучести (постоянное напряжение, которое вызывает за определенное, время при определенной температуре деформацию заданной величины).

24.Предел длительной прочности (напряжение вызывающее разрушение металла при заданной температуре за данный отрезок времени).

25.Относительное удлинение при ползучести (отношение длины определенного участка образца после его разрушения, к его первоначальной длине).

26.Относительное сужение при ползучести (отношение сечения образца после разрушения к его первоначальному сечению).

Для надежного прогнозирования работоспособности материала в конкретных условиях эксплуатации детали по полученным механическим свойствам необходимо приблизить условия лабораторных испытаний образцов к реальных условиям работы изделия по температуре, скорости и схеме нагружения, давлению, степени агрессивности среды и т.п.

В частности испытания на воздухе и в среде поверхностноактивных веществ, при предплавильных и криогенных температурах могут дать совершенно различные прочностные характеристики.

Целью настоящего лабораторного практикума является не только освоение методик проведения механических испытаний в лабораторных условиях, но и определение характеристик материалов в условиях реальной работы детали.

Достижение этой цели заложено в программу лабораторного практикума, а материал, изложенный в методических указаниях, позволит студенту самостоятельно подготовиться к выполнению лабораторных работ и контрольных заданий, закрепив на практике полученные теоретические знания.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

1.Теоретическое введение

Косновным механическим параметрам, характеризующим упругие свойства материалов следует отнести, прежде всего, упругие константы, а именно: модуль Юнга – Е, модуль сдвига – G, модуль всестороннего сжатия – К, коэффициент Пуассона – μ.

Точное определение модулей упругости проводят с использованием физических свойств металлов и сплавов, как правило, импульсными или резонансными методами, учитывающими связь упругих модулей со скоростями распространения продольных и поперечных звуковых волн согласно выражениям:

V =

G

.

(1)

 

ρ

 

Где ρ – плотность материала.

Сравнительные оценки упругих модулей можно осуществлять и по наклону линейного участка экспериментальной

кривой в координатах «напряжение – σ – деформация – ε»,

тангенс угла наклона которой

σ

и даёт оценочное значение

 

ε

 

упругого модуля.

Коэффициент Пуассона рассчитывают рентгеновскими методами по изменениям межатомных расстояний вдоль δx и поперек δy , δz , действующей нагрузки

µ =

δy

;

µ =

δz .

(2)

 

 

δx

 

δx

 

В практических целях об упругих свойствах материала чаще судят по значениям предела пропорциональности σпц

6

или условному пределу упругости σу с различной величиной

на допуск его измерения (σ 0,05 , σ 0,01 и т.п.), полученных путём анализа первичных машинных кривых при испытаниях на

растяжение, изгиб, кручение, сжатие.

Эти параметры, несмотря на их меньшую физическую корректность, правильнее характеризуют поведение реального материала в упругой области. Но и они не учитывают возможное проявление неполной упругости, связанное с перемещением атомов и дефектов на расстояние не более одного межатомного, микродеформаций в макрообъёмах и их исчезновений, локального упорядочения и разупорядочения, что и приводит к запаздыванию деформации по отношению к приложенным (или снятым) напряжениям, а значит и определяет фактические упругие свойства конкретного изделия. Неполная упругость характеризуется величиной упругого последействия: прямого – проявляющегося в нарастании деформации на

величину ∆εпп (рис. 1.1) при выдержке материала под нагруз-

кой или обратного ∆εоп , наблюдаемого после снятия нагрузки в виде релаксации деформации.

Отсутствие знаний о величине упругого последействия может приводить к нежелательным последствиям: короблению деталей после обработки их давлением или сварки, уменьшении натяга болтовых и заклепочных соединений, задержке или увеличению деформаций, пружин, сильфонов, рессор, мембран и других упругих элементов, без которых невозможно создание высокоточных измерительных приборов, да и вообще надежных конструкций.

Измеряемыми параметрами упругого последействия являются величины нарастающей во время выдержки при постоянной нагрузке за счет явления прямого последействия и спадающей после снятия нагрузки (обратное последействие)

деформаций (∆εпп и ∆εоп) и скорости релаксаций этих деформаций ∆ε.пп и ∆ε.оп .

7

Определение этих величин проводят экспериментальным путем на приборе для измерения предела упругости и упругого последействия ППУ-1.

ε

εпп

ε0

оп

оп1

 

 

 

 

ε

2

 

 

ε

оп

3

 

 

ε

оп

 

 

 

ε

 

 

 

 

время

Рис. 1.1. Зависимость деформации от времени при неполной упругости

1.1. Конструкция прибора ППУ-1.

Прибор ППУ-1 (прибор для измерения предела упругости и упругого последействия) предназначен для изучения свойств листовых пружинных материалов при нормальной температуре.

Схема прибора показана на рис. 1.2. Сменные оправки 1, крепятся на подвижном столике, который перемещается с помощью винта и прижимает оправку к стойке 2. Перед прижимом оправки между ней и стойкой вставляется образец 3. Изгиб образца осуществляется затяжной лентой 4, конец которой перемещается с помощью винтовой подачи 5. Все измерения на приборе выполняются с помощью микроскопа, тубус

8

которого можно передвигать по салазкам с помощью микрометрического винта и отсчетного барабана.

Начальный прогиб образца b0 (рис. 1.3) необходимо измерить с точностью до 0,01 мм. Малые деформации последействия в образце измеряются окуляр-микрометром. Освещение поля зрения выполняется с помощью осветителя.

5

2

R

m

E

L

3

a a'

A'

b0 b A

1

4

O1 O0

A''

a'' R1

R0

Рис. 1.2. Схема прибора ППУ–1 для измерения предела упругости и упругого последействия

9

Важная часть прибора – комплект из оправок, рабочими поверхностями которых являются круговые цилиндры, радиусы которых меняются от 14 до 150 мм. Образец представляет собой прямоугольную ленту длиной 110 мм. Расчетная длина равна 41 мм. Ширина образца может быть различной, но не более 40 мм.

b jпп

 

 

b jоп

 

Шкала

b jоп

b0

окуляр-микрометра

0

 

10

Положение образца

Изменение положения

Начальное

после снятия нагрузки

образца после снятия

положение образца

 

нагрузки со временем

 

Рис. 1.3. Схема измерения начального прогиба и величин прямого и обратного последействия на приборе ППУ-1

При снятии кривых последействия время после разгрузки должно быть минимальным (но более 3 с). При этом односторонняя систематическая ошибка в измерении деформации прямого последействия не превышает 2%.

2.Порядок выполнения работы

1.Ознакомьтесь с требованиями нормативных документов по технике безопасности при измерении упругих свойств материалов.

10