Термо-вакуум-импульсная технология приготовления композиционных энергонасыщенных материалов и изделий. Методические указания

предела. Максимальное напряжение п (рис. 7.), при котором ещё выполняется закон Гука, называют пределом пропорциональности.

Если увеличивать нагрузку, то деформация становится нелинейной, напряжение перестанет быть прямо пропорциональным относительному удлинению. Тем не менее, при небольших нелинейных деформациях после снятия нагрузки форма и размеры тела практически восстанавливаются. Максимальное напряжение, при котором ещё не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1%), называют пределом упругости уп. Предел упругости превышает предел пропорциональности лишь на сотые доли процента.

Рис.7. Изменение деформации от приложенной нагрузки

Если внешняя нагрузка такова, что напряжение в материале превышает предел упругости, то после снятия нагрузки образец, хотя немного и укорачивается, но не принимает прежних размеров, а остаётся деформированным.

По мере увеличения нагрузки деформация нарастает всё быстрее и быстрее. При некотором значении напряжения, соответствующем на диаграмме точке C, удлинение нарастает практически без увеличения нагрузки. Это явление называют текучестью материала (участок CD). Кривая на диаграмме идёт при этом почти горизонтально и соответствует напряжению σт. Далее с увеличением деформации кривая напряжений начинает немного возрастать, и достигает максимума в точке E. Затем напряжение резко спадет до σраз, и образец разрушается (точка K). Таким образом, разрыв происходит после того, как напряжение достигает максимального значения пч, называемого пределом прочности (образец растягивается без увеличения внешней нагрузки вплоть до разрушения). Эта величина зависит от материала образца и качества его обработки.

31

Сооружения или конструкции надёжны, если возникающие в них при эксплуатации напряжения в несколько раз меньше предела прочности.

Исследования растяжения (сжатия) твёрдого тела позволяют установить, от чего зависит коэффициент жесткости в законе Гука. Диаграмма растяжения, полученная экспериментально, даёт достаточно полную информацию о механических свойствах материала и позволяет оценить его прочность.

Тело из любого материала при малых деформациях ведёт себя, как упругое. Его размеры и форма восстанавливаются при снятии нагрузки. В то же время все тела в той или иной мере могут испытывать пластические деформации.

Механические свойства материалов разнообразны. Такие материалы, как резина или сталь обнаруживают упругие свойства при сравнительно больших напряжениях и деформациях. Для стали,

например, закон Гука выполняется вплоть до = 1%, а для резины - до десятков процентов. Поэтому такие материалы называют упругими.

Умокрой глины, пластилина или свинца область упругих деформаций мала. Материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации, называют пластичными.

Деление материалов на упругие и пластичные в значительной мере условно. В зависимости от возникающих напряжений один и тот же материал будет вести себя или как упругий, или как пластичный. Так, при очень больших напряжениях сталь обнаруживает пластичные свойства. Это широко используют при штамповке стальных изделий с помощью пресса, создающего огромную нагрузку.

Холодная сталь или железо с трудом поддаются ковке молотом. Но после сильного нагрева им легко придать посредствам ковки любую форму. Свинец пластичный и при комнатной температуре, но

приобретает ярко выраженные упругие свойства, если его охладить до температуры ниже -100 C0.

Большое значение на практике имеет свойство твёрдых тел, называемое хрупкостью. Материал называют хрупким, если он разрушается при небольших деформациях. Изделия из стекла и фарфора хрупкие, так как они разбиваются на куски при падении на пол даже с небольшой высоты. Чугун, мрамор, янтарь также обладают повышенной хрупкостью. Сталь, медь, свинец не являются хрупкими.

Увсех хрупких материалов напряжение очень быстро растёт с увеличением деформации, они разрушаются при весьма малых

32

деформациях. Так, чугун разрушается при относительном удлинении0,45%. У стали же при 0,45% деформация остаётся упругой и разрушение происходит при 15%.

Пластичные свойства у хрупких материалов практически не проявляются [10].

4.1.Устройство разрывных машин

Внастоящее время имеется большое число разнообразных типов и моделей разрывных машин.

Конструкции их непрерывно совершенствуются. В качестве основных достижений модернизации разрывных машин следует отметить:

1) применение практически безинерционных и бесфрикционных электронных силоизмерителей; благодаря этому расширяются пределы, увеличивается точность и гарантируется правильное отображение колебаний измеряемых нагрузок;

2) введение автоматического замера удлинений, облегчающее и уточняющее работу, способствующее наиболее рациональному термостатированию машин и дающее возможность испытания при различных температурах;

3) расширение температурных и скоростных интервалов измерения.

Разрывные машины состоят из следующих узлов: зажимов и приспособлений для крепления образцов; механизма, производящего деформацию образца (привод и передаточно-преобразовательные узлы); силоизмерительной части или динамометра; узла измерения деформации.

Кроме этих основных узлов, имеются вспомогательные детали и приспособления, обеспечивающие удобство, надежность и безопасность работы машин.

Для проведения испытаний при различных температурах машины термостатируются.

Один из вариантов разрывной машины схематически изображен на рисунке 8.

Образец 2 закрепляется в верхнем 3 и нижнем 1 зажимах. Зажим 1 от привода поступательно движется вниз с заданной скоростью, при этом образец растягивается. Возникающее в образце усилие

33

уравновешивается и измеряется силоизмерительным механизмом, связанным с верхним зажимом (в данном случае уравновешивание производится подъемом маятника 8 силоизмерителя).

Деформация образца регистрируется либо по изменению расстояния между нанесенными на нем метками, либо по относительному смещению верхнего и нижнего зажимов.

Рис.8. Принципиальная схема разрывной машины с маятниковым силоизмерителем:

1 - нижний зажим; 2 - образец; 3 - верхний зажим; 4 - цепь; 5 - коррекционный кулачок; 6 - ролик; 7,22 - грузики; 8 - маятник; 9 - сменный груз; 10 -собачки; 11 - храповые зубцы; 12 - дуговая шкала; 13,21,25 - блоки; 14 - ручные индексы; 15 - трос; 16 - валик;

17 - каретка пера самописца; 18 - перо самописца; 19 - диаграммная бумага; 20 - шестеренка; 23,24 - нити; 26 - зубчатая рейка;

27 - миллиметровая линейка; 28 - траверса; 29, 30, 32 звездочки; 31 - цепь Галля; 33—сцепная муфта; 34, 35, 37, 38, 47, 49 - шестерни;

36, 39, 48 — горизонтальный вал; 40, 45 - червячный редуктор; 41, 44 - шкивы; 42 -электродвигатель; 43 - ремень; 46 - червячный вал; 50 - ножная педаль

Динамометры (силоизмерительные механизмы)

Вплоть до последних лет в разрывных машинах применялись главным образом маятниковые силоизмерители. Принцип действия

34

маятниковых динамометров виден из схемы, показанной на рис. 9,а. Сила Q, растягивающая образец, создает относительно оси вращения маятника М момент, равный Q*R. Здесь R - радиус ролика 6 (рисунок 8), на котором с помощью цепи 4 (троса, ленты) подвешен верхний зажим образца. Маятник весом р (рис.9.) отклоняется при этом на угол α, создавая уравновешивающий момент p*l*sin(α). Таким образом, по углу отклонения маятника можно судить о силе Q, действующей на образец: Q = (pl*sin(α))/R. Обычно измерения производят по положению указательной стрелки, находящейся на конце маятника, относительно дуговой шкалы; последнюю градуируют в величинах нагрузки; поэтому для каждого определенного веса маятника р имеется своя шкала. Маятниковые силоизмерители (рис.8.) снабжаются набором сменных грузов 9 и соответствующими шкалами 12, рассчитанными на разные пределы измерений.

Рис.9. Схематическое изображение силоизмерителей различных типов:

а- маятниковый; б - в виде спиральной упругой пружины;

в- в виде плоской упругой пружины на двух опорах; г - в виде неравноплечего рычага; е - в виде упругого кольца; М - маятник;

р- маятника; а - угол подъема маятника; 1 -длина маятника;

lt и 12 – длины плеч рычага; R - радиус ролика; Q - измеряемая сила; Qi - уравновешивающая сила; А - опора; Ai - неподвижное крепление конца пружины; Б - пружина; Б1 - кольцо; С - индикатор; 3 - зеркало; И - источник света; Л - луч света; Ш - шкала

Над дуговыми шкалами 12 имеются храповые зубцы 11, в которые упирается система собачек 10, закрепленных на оси рядом с указательной стрелкой маятника. Собачки легко проскальзывают по зубцам, не препятствуя поднятию маятника, но не позволяют ему опускаться при снижении нагрузки, что предотвращает впадение

35

маятника при разрыве образца. При необходимости, чтобы фиксировать колебания нагрузок, собачки должны быть подняты.

Естественно, что при резких изменениях нагрузок во времени или колебаниях по величине существенно сказывается инерция маятника, и маятниковый силоизмеритель не отражает их истинных значений; поскольку не успевает установиться равновесие между моментом маятника и моментом силы, действующей на образец.

Недостатком маятникового силоизмерителя является также наличие трения в оси маятника.

Если при статической тарировке маятниковых силоизмерителей точность составляет ±1% от измеряемой величины при нагрузках свыше 10% от максимального значения шкалы, то оценка погрешности, вносимой инерцией маятника, показывает, что фактическая ошибка измерения составляет ±2-4%, достигая при быстроизменяющейся нагрузке в ряде случаев ±8-13%.

Обычно маятники подвешиваются на шариковых подшипниках или на призмах. Последние дают меньшее трение, но быстрее изнашиваются и требуют большей осторожности в работе.

Дуговая шкала маятникового силоизмерителя неравномерна по нагрузке. Храповые зубцы имеют определенный шаг. Все это снижает точность измерения нагрузки, фиксируемой при разрыве, и затрудняет проведение испытания.

Несложными передаточными устройствами можно преобразовывать поднятие маятника во вращательное движение стрелки круглой (циферблатной) шкалы таким образом, что последняя окажется равномерной по нагрузке.

Для более точного отсчета нагрузки по шкале при наличии резких колебаний применяются две стрелки - ведущая и ведомая. Последняя увлекается поводком ведущей стрелки. При снижении нагрузок или возвращении ведущей стрелки, движущейся вслед за маятником, в исходное положение на нуль шкалы (снятие нагрузки) ведомая стрелка остается на делении, отвечающем максимальному отклонению маятника.

В силоизмерителях с круглыми шкалами не применяется система собачки - храповые зубцы, а удары маятника при его падении гасятся масляным демпфером.

Маятниковые силоизмерители чрезвычайно просты в работе, однако, помимо указанных недостатков - (влияние инерции и трения), неудобны из-за их громоздкости и требуют строго вертикальной

36

установки машины. Большим недостатком этого типа измерителей является опускание верхнего зажима, вызываемое подъемом маятника [вращением ролика 6 (рисунок 7), сидящего на оси маятника]. Это связано с необходимостью применения корректировочного устройства при записи диаграммы нагрузка - удлинение с помощью самопишущего приспособления. Опускание верхнего зажима изменяет скорость деформирования при заданной скорости движения нижнего зажима, причем различно для разных материалов. Другие типы силоизмерителей схематически изображены на рис. 9.

Спиральная, плоская и кольцевая пружины в пределах упругости деформируются пропорционально величине действующей нагрузки.

Деформации упругих элементов в виде плоской или кольцевой пружины сравнительно малы. Измерение их индикаторным микрометром имеет ограниченную точность. Применение же оптической измерительной системы требует затемнения помещения, сопряжено с необходимостью применения больших расстояний. Настройка оптической системы часто сбивается.

Внастоящее время приобрело большое значение измерение деформации упругого элемента с помощью электронной аппаратуры.

Вэтом случае упругий элемент является частью электрического датчика преобразующего измеряемую величину механического усилия

вэлектрическое напряжение. Деформация упругих элементов датчика определяется модулем упругости материала, из которого они изготовлены, формой и геометрическим размерами и зависит от способа закрепления упругого элемента. В большинстве случаев применяются сменные датчики, рассчитанные на разные области нагружения. Это достигается, например, изменением толщины плоской пружины, расстояния от места закрепления (опоры) до места приложения нагрузки и т. п.

Узлы передачи деформаций (приводы и преобразователи движения)

На большинстве разрывных машин реализуется режим заданной скорости перемещения подвижного зажима с помощью электромотора.

Некоторые машины наряду с электрическим приводом имеют независимый ручной привод, обычно редко применяемый непосредственно для испытаний.

37

На рисунке 8 схематически был показан один из вариантов разрывной машины с электрическим приводом. От мотора 42 через двухступенчатую ременную передачу (ремень 43, шкив 41 и ступенчатый шкив 44) вращение передается на червячный вал 46, связанный с червячным редуктором 45, 40, и на горизонтальный вал 39. Последний, посредством шестерен 38, 47, 49 связан с промежуточным горизонтальным валом 48. В зависимости от выбранной скорости деформации с помощью ножной педали 50 устанавливается положение сцепной муфты 33, определяющее сцепление шестерен 38, 47, 49, 37, 35, 34 (через вал 36 или минуя вал 36) и скорость вращения, передаваемую звездочке 32, через которую проходит цепь Галля 31. Проходя через систему направляющих звездочек 29, 30, цепь тянет траверсу (каретку) 28 с зажимом 1, двигая ее поступательно по вертикальным направляющим колонкам. В других типах машин при включении муфты зацепления [11].

Вращение с горизонтального вала передается на вертикальный ходовой винт посредством червячной передачи либо пары конических шестерен, либо косозубых цилиндрических шестерён (как это показано, например, на рис.10.). При этом сидящая на винте гайка перемещает каретку, которая вследствие сцепления с вертикальными направляющими пазами движется поступательно.

Рис. 10. Привод к ходовому винту маломощной разрывной машины (завод "Металлист"):

1,2- ступенчатые шкивы; 3 - ходовой винт; 3 - ремень; 4, 9 - пара косозубых шестерен; 5, 8 - червячная пара (червяк 8 - шестерня 5);

7 - электродвигатель; 10 - указатель скорости; 11 - рукоятка; 12 - рейка; 13 - вилка; 14 - обойма; 15,16 - фрикционная пара (ролик 15 - диск 16).

38

Лабораторная работа 6

Деформация изделий из гранул инертного пластичного взрывчатого вещества

Цель работы: определение прочности прессованных шашек из гранул инертного ПВВ

Приборы, приспособления и материалы: прессованные шашки из гранул инертного ПВВ, разрывная машина РМ.

Методика определения прочности прессованных шашек

Каждая из прессованных шашек подвергается нагрузке на разрывной машине методом одноосного сжатия. Качественной характеристикой является прочность сжатия σсж, которая определяется по формуле 10

σсж = P / S, кгс/см2 (10)

где P – нагрузка при полном разрушении изделия (кг), S–площадь поперечного сечения шашки (см2).

Результаты эксперимента вносятся в таблицы.

Задание 1: Вычисление предела прочности прессованных шашек на сжатие.

Задание 2: Определение предела прочности прессованных шашек на скол.

Содержание отчета Отчет должен содержать: наименование и цель работы,

теоретические сведения по теме лабораторной работы. Результаты испытаний и обработка экспериментальных данных, их расчет и анализ, выводы по работе.

Контрольные вопросы к лабораторной работе 6:

1.Понятия упругости, прочности, пластичности, деформации, разрушения.

2.Устройство и принцип действия разрывной машины.

3.Определение прочности на сжатие и скол.

4.Влияние температуры и давления прессования на прочность

изделий.

5.Какие типы силоизмерителей существуют?

6.Правила техники безопасности при работе на разрывных машинах.

39

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ПОРОХАМИ

Перед началом выполнения лабораторных работ необходимо пройти инструктаж на рабочем месте, изучив соответствующие инструкции. Студент должен освоить вопросы безопасности при

работе с порохами 12 . Общие правила обращения с порохами:

1.Пороха являются токсичными, взрывопожароопасными веществами. Их токсичность обусловлена токсичностью входящих в состав порохов компонентов.

2.При переупаковке сыпучих пироксилиновых и дымных порохов, а также при заряжании шпуров дымными порогами необходимо применять противопыльные респираторы типа «Лепесток» и соблюдать меры личной гигиены.

3.При любых операциях с порохами должна соблюдаться максимальная осторожность: ящики с порохом не должны подвергаться ударам и толчкам, запрещается бросать, волочить, перекатывать (кантовать) и ударять ящики с порохами.

4.При всех работах с порохами запрещается курить, а также иметь при себе огнестрельное оружие, спички и другие зажигательные принадлежности. Спички разрешается иметь только взрывникам и лаборантам, которые в процессе работы или при испытаниях производят зажигание огнепроводного шнура.

5.Запрещается применять открытый огонь ближе 100 м от места работ с порохами.

6.Вскрытие отдельного ящика с порохом (для отбора проб при их испытании или выдаче по наряду-путевке взрывнику для производства взрывных работ в количествах меньше целого числа ящиков) необходимо производить в тамбуре хранилища или не ближе 20 м от хранилища.

7.Вскрывать ящик с порохом разрешается только при помощи инструментов, изготовленных из материалов, не дающих искры.

8.Переупаковка порохов, а также изготовление зарядов из трубчатых порохов должны производиться на территории склада ВМ или на местах производства работ.

9.Переупаковку порохов и изготовление зарядов следует производить на брезенте на расстоянии не менее 20 м от места их хранения и только в светлое время суток; при этом необходимо соблюдать меры, предупреждающие просыпание пороха.

10.Переупаковку порохов следует производить в стандартные бумажные или матерчатые мешки массой не более 40 кг.

40