Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследований процессов и материалов. Практикум
.pdf
2. Предельная сила трения Fпр численно равна
произведению статического коэффициента трения f0 на
нормальное давление или нормальную реакцию
Fпр = f
N. (5.6.1)
0
Статический коэффициент трения f0 – величина
безразмерная. Он определяется опытным путём и зависит от
материала соприкасающихся тел и состояния поверхностей
(характер обработки, температура, влажность и т.п.).
3. Значение предельной силы трения в довольно широких
пределах не зависит от размеров соприкасающихся при
трении поверхностей.
Из первых двух законов следует, что при равновесии
F F
или F f
пр
N. (5.6.2)
0
Величине Fпр сила трения будет равна лишь в случае,
когда действующая на тело сдвигающая сила достигает
такого значения, что при малейшем её увеличении тело
начинает двигаться (скользить). Равновесие, имеющее место,
когда сила трения равна Fпр, называется предельным.
Коэффициент трения f
для некоторых материалов равен:
0
дерево по дереву 0,4 – 0,7, металл по металлу 0,15 – 0,25,
сталь по льду 0,027.
Всё изложенное относится к трению скольжения при
покое. При движении сила трения равна
F f N, (5.6.3)
где f – динамический коэффициент трения; N – сила
нормального давления.
Всё приведённое выше справедливо для сухого трения.
Случай, когда между телами имеется слой жидкой смазки,
требует специального изучения и рассматривается в
гидродинамической теории смазки.
Динамический коэффициент трения также является
величиной безразмерной и определяется опытным путём.
Значение коэффициента f зависит не только от материала и
состояния поверхностей, но и в некоторой степени от
скорости движущихся тел. В большинстве случаев с
121
увеличением скорости коэффициент f сначала несколько
убывает, а затем сохраняет почти постоянное значение.
Рассмотрим тело, находящееся на наклонной плоскости
(рис. 5.6.1) в предельном равновесии, при котором угол
равен
.
пр
N
Fпр
h l Fск
mg
Рис. 5.6.1. Равновесие тела на наклонной плоскости:
mg – сила веса тела; Fпр – предельная сила трения; N – си-ла
нормального давления; Fск – скатывающая сила
При этом на тело вертикально вниз действует сила тяжести
mg, которую можно разложить на силу нормальной рекции N
и скатывающую силу Fск, а также предельная сила трения Fпр.
Тело будет находиться в состоянии равновесия при
условии
Fпр = Fпр или mgfcоs = mgsin , (5.6.4)
откуда в случае предельного равновесия имеем
tg f0. (5.6.5)
Полученный результат может быть использован для
экспериментального определения коэффициента трения,
когда угол
находят из опыта.
пр
122
5.6.1. Цель работы
2
sin1
sin
l
h
Целью лабораторной работы является определение
статического коэффициента трения скольжения.
Приборы и оборудование для проведения работы
1. Изделие из композиционного материала.
2. Линейка масштабная.
3. Лист материала по заданию преподавателя.
5.6.2. Порядок проведения работы
Меры безопасности
Запрещается приступать к лабораторной работе, не изучив
меры безопасности.
Задание.
Определить статический коэффициент трения скольжения
изделия из композиционного материала на данной
поверхности.
Выполнение опыта.
Положите изделие из композиционного материала на
плоскую поверхность и медленно поднимайте её за один край
до тех пор, пока изделие не начнёт движение. Зафиксируйте
этот момент и измерьте линейкой высоту подъёма
поверхности – h и длину листа – l.
Статический коэффициент трения скольжения будет
численно равен тангенсу угла наклона поверхности листа,
т.е.
f0 = tg =
где f0 – коэффициент трения скольжения; sin =
, (5.6.6)
.
123
5.6.3. Оформление работы
Отчёт о лабораторной работе должен содержать:
– краткое описание лабораторной работы;
– значения статического коэффициента трения скольжения, полученные для различных пар материалов.
Контрольные вопросы
1. Что такое трение?
2. Что такое трение покоя, скольжения и качения?
3. Как можно определить коэффициент трения скольже-
ния?
4. Какую размерность имеет коэффициент трения?
5. Расскажите о законах трения.
5.7. Определение твёрдости материалов
(ультразвуковой метод контроля)
Твёрдость – характеристика материала, отражающая его
прочность и пластичность.
Твёрдость – сопротивление материала местной плас-
тической деформации, возникающей при внедрении в него
более твёрдого тела наконечника (алмаз, закалённая сталь в
виде шара, пирамиды, конуса).
В большинстве случаев твёрдость определяется по размеру
оставшегося на поверхности отпечатка (методы Бринелля,
Виккерса и Роквелла). При определении твёрдости минералов
пользуются чаще всего методом царапания.
Метод Бринелля (по имени шведского инженера Бринелля,
J.A. Brinell, 1849 – 1928) – способ определения твёрдости
материалов вдавливанием в испытуемую поверхность
стального закалённого шарика диаметром 2,5, 5 или 10 мм
при заданной нагрузке от 65 Н до 35 кН (от 6,5 до 3500 кг).
Число твёрдости по Бринеллю – НВ – есть отношение
124
величины нагрузки в килограммах к площади поверхности
отпечатка (в квадратных миллиметрах). Для получения
сопоставимых результатов относительно твёрдые материалы
(НВ свыше 130) испытывают при отношении P/D2 = 30, где P
– приложенная нагрузка; D – диаметр шарика; материалы
средней твёрдости (НВ 30 – 130) – при P/D2 = 10, мягкие (НВ
ниже 30) – при P/D2 = 2,5. Испытания проводят на
стационарных твёрдомерах (прессах Бринелля),
обеспечивающих плавное приложение заданной нагрузки к
шарику и постоянство её при выдержке в течение
установленного времени (обычно около 30 с).
Метод Виккерса (по названию английского военнопромышленного концерна «Виккерс», Vickers Limited) –
способ определения твёрдости материала вдавливанием в
испытуемую поверхность алмазного наконечника, имеющего
форму правильной четырёхугольной пирамиды с двугранным
углом при вершине, равным 136о. Число твёрдости по
Виккерсу – HV – отношение нагрузки на пирамиду к
площади пирамидальной поверхности отпечатка (в
квадратных миллиметрах). Вдавливающая нагрузка
выбирается от 50 до 1000 Н (от 5 до 100 кг) в зависимости от
твёрдости и толщины испытываемого изделия.
Метод Роквелла (по имени американского металлурга ХХ
века С. Роквелла, S.P. Rockwell, разработавшего этот
способ) – способ определения твёрдости материалов
вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного
конуса с углом при вершине 120о (шкала А и С) или
стального закалённого шарика диаметром 1/61 или 1,588 мм
(шкала В), соответственно числа твёрдости обозначаются
HRA, HRC и HRB. Твёрдость при этом определяется в
условных единицах. За единицу твёрдости принята величина,
соответствующая осевому перемещению наконечника на
0,002 мм. Испытания по методу Роквелла производят
специальными настольными приборами (твёрдомерами),
снабжёнными индикаторами, сразу показывающими число
твёрдости.
125
HRB
HV
HRC
144
202
302
418
512
652
–
-
33
44
52
63
72
144
201
305
435
587
867
1220
Сравнение показателей твёрдости материалов приведено в
табл. 5.7.1.
Таблица 5.7.1
Твёрдость материалов по методу Виккерса и Роквелла
5.7.1. Акустический метод контроля
Акустический метод неразрушающего контроля основан
на регистрации параметров упругих волн, возникающих или
возбуждаемых в объекте контроля.
Акустика (от греч. – слуховой,
слушающийся) – область физики, исследующая упругие
колебания и волны от самых низких до предельно высоких
частот (1011 – 1013 Гц) и их взаимодействие с веществом.
Упругие колебания и акустические волны, особенно
ультразвукового диапазона, широко используют в технике.
Сюда относят звуковую и ультразвуковую локацию,
ультразвуковую медицинскую диагностику, контроль уровня
жидкости, давления, температуры, скорости потока в сосудах
и трубопроводах, а также применение акустических
колебаний и волн для неразрушающего контроля.
Для контроля используют колебания частотой от 50 Гц
(Гц – в честь немецкого учёного ХIХ века H. Hertz) до 50
МГц. Интенсивность колебаний при этом невелика, не более
1 Вт/см2. Существуют разные типы акустических волн,
126
отличающихся скоростью распространения, направлением
колебания частиц и другими признаками.
При акустическом контроле волны возбуждают и
принимают путём преобразования электрических колебаний
в упругие механические и наоборот. Для этой цели
применяют специальные устройства – электро-акустические
преобразователи или просто преобразователи. Если
преобразователь предназначен для излучения волн, его
называют излучателем, а если для приёма, то приёмником.
Если один и тот же преобразователь выполняет обе функции,
то его и соответствующую схему контроля считают
совмещёнными. Если излучатель и приёмник разделены, то
схему называют раздельной. Если раздельные излучатель и
приёмник объединены конструктивно в одном блоке, то
преобразователь является раздельно-совмещённым.
Большинство преобразователей имеют чувствительный
элемент, совершающий упругие колебания под действием
электромагнитного поля, в качестве которого чаще всего
используют пьезоэлектрическую (от греч. – давлю,
сжимаю) пластину. Такие преобразователи называют
пьезоэлектрическими. Для передачи колебаний от
преобразователя с чувствительным элементом к объекту
контроля используют различные способы акустического
контакта. Обычно промежуток между преобразователем и
изделием заполняют жидкостью. Если толщина слоя
жидкости меньше половины акустической длины волны, то
говорят о контактном способе, а если толщина больше
нескольких длин волн – то об иммерсионном (от лат.
immersio – погружение).
В отличие от этого в преобразователях бесконтактного
типа возбуждают упругие колебания точек на поверхности
(или вблизи поверхности) объекта контроля под
воздействием поля другой физической природы. Чаще всего
для этого применяют электромагнитное поле. Такие
преобразователи называют электромагнитно-акустическими.
127
Работа приёмников акустических волн основана на эффектах,
обратных используемым для возбуждения.
Упругие колебания в жидкостях и газах характеризуются
одной из следующих величин: изменением давления или
плотности, смещением частиц из положения равновесия,
скоростью колебательного движения, потенциалом смещения
или колебательной скорости.
Акустические волны при взаимодействии со средой
испытывают: отражение, т.е. переизлучение волн
препятствиями с изменением направления их
распространения; преломление (изменение направления
распространения излучения при его прохождении через
границу раздела двух сред); дифракцию (от лат. difractus –
разломанный) – отклонение волн от геометрических законов
распространения и рефракцию (от позднелат. refractio –
преломление) – в широком смысле то же, что и преломление
волн, а в узком – непрерывное изменение направления
оптического луча в неоднородной среде, скорость волн в
которой зависит от координат.
Методы акустического контроля делят на две большие
группы: активные, использующие излучение и приём
акустических колебаний и волн, и пассивные, реализующие
только приём колебаний и волн. В каждой группе выделяют
методы, основанные на возникновении в объекте контроля
бегущих и стоячих волн (или колебаний).
Активные методы, в которых применяют бегущие волны,
делят на следующие подгруппы: использующие
прохождение, отражение волн, и комбинированные, в
которых применяют как отражение, так и прохождение.
К пассивным методам акустического контроля относят
акустико-эмиссионный, в котором используют бегущие
волны. К пассивным методам акустического контроля,
основанным на возбуждении упругих колебаний в изделии,
относятся также вибрационно-диагностический и
шумодиагностический. В первом из них анализируют
параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла
128
(ротора, барабана, подшипника) с помощью приёмников
контактного типа. Во втором изучают спектр шумов
работающего механизма в целом на слух или с помощью
микрофонов и других приёмников и приборов – анализаторов
спектра.
Ультразвуковой динамический твёрдомер металлов К5У
Он предназначен для измерения твёрдости изделий из
конструкционных углеродистых сталей, нержавеющих сталей
и сплавов из цветных металлов.
Принцип его действия основан на методе ультразвукового
импеданса (англ. impedance, от лат. impedio – препятствую),
т.е. на измерении частоты колебаний стержня с алмазной
пирамидой.
Внешний вид твёрдомера К5У приведён на рис. 5.7.1.
Твёрдомер К5У имеет следующие технические
характеристики:
– диапазон измерения твёрдости (основная приведённая
погрешность измерения, не более):
по Бринеллю, HB 95 – 450 ( 10 ед.)
по Виккерсу, HV 230 – 940 ( 9 ед.)
по Роквеллу, HRC 20 – 70 ( 2 ед.)
– число программ обучения – 5
– количество ячеек памяти – 500 (с разбивкой на группы)
– связь с ЭВМ – канал RS232С
– габариты, мм 150х80х30
129
1 2 3 4
7
5
9 8 6
Рис. 5.7.1. Ультразвуковой твёрдомер металлов К5У:
1 – калибровка прибора; 2 – память; 3 – характеристика;
4 – среднее значение измеряемой величины; 5 – дисплей;
6 – сектор «калибровка»; 7 – сектор «среднее»; 8 – сектор
«функции»; 9 – датчик твёрдомера
5.7.2. Цель работы
Целью лабораторной работы является изучение принципа
действия ультразвукового твёрдомера, приобретение навыков
работы с ним и определение твёрдости различных
материалов.
Приборы и оборудование для проведения работы
1. Ультразвуковой динамический твёрдомер К5УД.
2. Образцовые меры твёрдости 2-го разряда по ГОСТ 9031.
3. Образцы материалов.
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]