МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра прикладной механики

и инженерной графики

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Конструкционные и биоматериалы»

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Студенты гр.2503		Кузнецов Д.А.
Преподаватель		Степанов С.К.

Санкт-Петербург

2025

Цели работы: изучение зависимости между деформациями и напряжениями при осевом растяжении образца и определение механических характеристик материала образца.

Общие сведения

Металлы, сплавы, керамика, полимеры и другие материалы используются в качестве конструкционных в микроэлектронике и различных областях техники. Их структура и свойства разнообразны. Под влиянием внешних воздействий они деформируются.

Твердое тело под воздействием внешних сил изменяет свои размеры и форму, т. е. деформируется. При этом возникают деформации упругие и (или) пластические. Упругие деформации полностью исчезают при удалении воздействий, вызвавших их появление. Пластические, или остаточные, не исчезают после удаления внешних воздействий. Свойство твердого тела восстанавливать свою первоначальную форму и размеры называется упругостью, а сохранять возникшие в нем деформации пластичностью.

Хрупким называется разрушение тела, если оно происходит без предварительных пластических деформаций, в противном случае оно считается вязким. Свойство твердого тела оказывать сопротивление разрушению называется прочностью, а деформированию жесткостью.

Свойства реальных твердых тел определяют, испытывая различные образцы из данного материала на заданный вид деформации, например, растяжение, сжатие, кручение, изгиб, сдвиг. Испытание образцов на растяжение проводят согласно ГОСТ 1497–84. Образцы для испытаний должны иметь определенное соотношение длины и диаметра рабочей части (l₀/d₀). В стандартах разных стран это соотношение различно.

Применяют пропорциональные образцы с начальной расчетной длиной l₀ = 5,65 или l₀ = 11,3 , где F₀ – площадь поперечного сечения рабочей части образца. Применение коротких образцов предпочтительно. Длина рабочей части должна составлять от l₀ + 0,5d₀ до l₀ + 2d_0. Обычно принимают l₀ = 5d₀ или l₀ = 10d₀. В результате испытания образца на растяжение получают диаграмму растяжения – зависимость между значениями действующей нагрузки Р и деформацией образца Δl. На рис. 1.1 показана характерная (качественная) диаграмма растяжения стандартного цилиндрического образца из малоуглеродистой стали. Диаграмма условных напряжений строится по результатам испытаний (рис. 1.2). Напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, называется временным сопротивлением σ_в материала.

Это значение прочности σ_в на диаграмме (рис. 1.2) соответствует точке С. Его значение подсчитывают, разделив максимальную нагрузку на начальную площадь поперечного сечения образца. Напряжение σ_пц, до которого справедлив закон Гука (σ_x = εЕ, Е - модуль нормальной упругости материала), называется пределом пропорциональности (точка А). Напряжение σ_t, при котором деформации растут без заметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести (точка В). На диаграммах условных напряжений многих материалов площадка текучести отсутствует. За предел текучести тогда принимается напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2% от рабочей длины образца. В этом случае предел текучести обозначают σ_0,2. Временное сопротивление (σ_в) отличается от теоретической прочности (σ_теор), которая оценивается в момент разрыва межатомных связей в идеальном кристалле такого же материала. Предел теоретической прочности определяется экспериментально при разрушении образцов материала в виде очень тонких стержней – усов. Значение временного сопротивления σ_в большинства материалов на два-три порядка меньше теоретической прочности, что обусловлено различными дефектами в структуре реальных твердых макротел. Дефекты структуры вызывают появление сильных локальных перенапряжений малых объемов материала. В этих напряженных до теоретически допустимого уровня объемах в первую очередь начинают развиваться процессы разрушения. Далее они распространяются по всему сечению. Поэтому для нахождения прочности какого-либо материала или изделия из него необходимо иметь данные о характере процессов деформации и разрушения материала с учетом дефектности его структуры.

Экспериментальное изучение свойств материалов необходимо для получения их механических характеристик. Только после этого можно успешно решать задачу по определению размеров деталей, подвергающихся воздействию внешних сил, оценивать деформативные свойства конструкции, напряженное состояние деталей и изделий.

Устройство и принцип работы испытательной установки. Установка предназначена для проведения лабораторных работ по дисциплине "Прикладная механика" и позволяет проводить испытание образцов на растяжение или сжатие с силой до 40 кН при скорости нагружения 0,5...60 мм/мин и кручение с моментом до 200 Н · м при скорости нагружения 0,03...6 об/мин.

Основой нагружающего устройства является станина, изготовленная из листовой стали. На станине установлены: неподвижная траверса, электродвигатель перемещения подвижной траверсы с ременной передачей, волновыми редукторами и шариковыми винтовыми передачами, электродвигатель углового перемещения захвата кручения с ременной передачей и волновым редуктором. К гайкам винтовых передач прикреплена подвижная траверса. На траверсе установлен комбинированный датчик силы и момента, к которому через переходник крепится активный захват. Пассивный захват через переходник крепится к выходному валу кручения. При испытаниях на сжатие вместо захватов устанавливаются столики. Для повышения жесткости параллельно винтам установлены стойки. В верхней части нагружающего устройства установлена плита, скрепляющая винты и стойки. На плите установлен датчик перемещения 5, механически связанный с винтом шариковой винтовой передачи. Для повышения жесткости в нижней части нагружающего устройства установлена плита.

Обработка результатов эксперимента

Протокол к Л-Р РАСТЯЖЕНИЕ

	До опыта	После опыта
Диаметр рабочей части d, мм	5.50	3.30 Диаметр шейки
Рабочая длина ℓ, мм	55.55	61.50
Площадь поперечного сечения Ао, мм2	23,76	8,56

Нагрузка, кН

Pпц= 22

PТ = 26

Pmax= 34

Pк=25

Вид образцов до и после опыта

По данным из протокола были выполнены следующие расчёты:

Рассчитаем изменение длины образца:

Δ ℓ_p^ост = 61.50 – 55.55 = 5.95 мм

Рассчитаем механические характеристики прочности:

_пц = (P_пц / F₀) = 22000/23.75 = 926.32 МПа

_Т = (P_Т / F₀) = 26000/23.75 = 1094.74 МПа

_в = (P_max/ F₀) = 34000/23.75 = 1431.58 МПа

_к = (P_к / F₀) = 25000/23.75 = 1052.63 МПа

_к.ист = (P_к / F_к) = 25000/8.55 = 2923.98 МПа

Рассчитаем относительное удлинение:

_пц = 1/55.55 = 0.018

_Т = 1.5/55.55 = 0.027

_в = 5/55.55 = 0.090

_к = 5.95/55.55 = 0.107

Вычислим механические характеристики пластичности – величины, определяющие способность материала сопротивляться деформации: 1) Относительное удлинение [%] после разрыва:

= = 10,71 %

2) Относительное сужение [%] поперечного сечения шейки после разрыва:

= = 64 %

По проведённым расчётам построим графики растяжения (рис. 2.1) и условных напряжений образца (рис. 2.2):

Рис. 2.2 – Диаграмма растяжения образца

Рис. 2.3 – Диаграмма условных напряжений

Вывод

В ходе лабораторной работы были определены механические характеристики материала образца (σ_пц, σ_Т, σ_вр, σ_к), а также относительное удлинение после разрыва и относительное изменение площади поперечного сечения.

Характеристики прочности:

• предел пропорциональности _пц = 926.32 МПа,

• предел текучести _T = 1094.74 Мпа

• предел прочности или временное сопротивление _в = 1431.58 МПа.

Характеристики пластичности:

• относительное остаточное удлинение δ = 10.71%,

• относительное сужение образца при разрыве ψ = 64%.

Были построены диаграммы растяжения и условных напряжений, а также были изучены зависимости между деформациями и напряжениями при осевом растяжении образца.

По полученным значениям характеристик можно сделать вывод о том, что образец относится к углеродистой инструментальной стали.

Таблица 1