Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Механические свойства конструкционных материалов. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Сопротивление материалов»

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 51 2 3 4 5 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Механические свойства

конструкционных материалов

Методические указания к лабораторным работам

по курсу «Сопротивление материалов»

Йошкар-Ола

МарГТУ

2011

М 55

УДК 539.3/.5 (07) ББК 30.121 М 55

Рецензент:

кандидат технических наук, профессор МарГТУ Г. А. Мелетьев

Печатается по решению

редакционно-издательского совета МарГТУ

Механические свойства конструкционных материалов:

методические указания к лабораторным работам по курсу «Сопротивление материалов» / сост. В. Н. Сердюков. – Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. – 48 с.

Дано подробное описание механических свойств и характеристик ме-

таллических и композиционных материалов и основных методов их определения.

Для студентов лесопромышленных, строительных, машинострои-

тельных специальностей очной и заочной форм обучения.

УДК 539.3/.5 (07)

ББК 30.121

технический университет, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................... 4

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ ............................................................................................. 5

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ .................................................. 5

2.1. Испытания пластичных материалов на растяжение.

Характеристики прочности и пластичности ............................................... 6

2.2. Испытания пластичных материалов на сжатие ......................... 13

2.3. Испытание хрупких материалов на растяжение и сжатие ....... 16

2.4. Механизм образования упругих и пластических

деформаций ................................................................................................. 17

2.5. Характеристики упругости ......................................................... 19

3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

МАТЕРИАЛОВ ........................................................................................... 20

4. ДРУГИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ...... 23

5. ДРУГИЕ ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ ....................... 27

6. АНИЗОТРОПИЯ ............................................................................ 30

7. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ........................................ 36

7.1. Теоретическая прочность материала ......................................... 36

7.2. Структура и некоторые особенности волокнистых

композитов .................................................................................................. 37

7.3. Анизотропия упругих и прочностных свойств ......................... 40

7.4. Вязкость ....................................................................................... 46

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................. 48

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании конструкции одним из основных условий яв-

ляется обеспечение прочности, жесткости и устойчивости всех ее элементов.

Начальные сведения о прочности, жесткости и устойчивости эле-

ментов конструкций даются в курсе «Сопротивление материалов». Проектирование начинается с разработки расчетной схемы, одним из элементов которой является правильный выбор материала. Чтобы правильно выбрать материал, нужно, с одной стороны, знать, в каких условиях работает элемент конструкции, а с другой стороны, нужно знать свойства различных материалов, чтобы выбрать тот материал, свойства которого соответствовали бы условиям работы данного элемента.

Под основными механическими свойствами конструкционных ма-

териалов будем понимать упругость, пластичность, прочность и хруп- кость материала. Механические характеристики являются количественной мерой механических свойств и могут быть определены только опытным путем. Основными видами испытаний материалов являются испытания на растяжение и испытания на сжатие. Этим видам испытаний посвящен разд. 2 методических указаний.

Испытания материалов обычно проводят в нормальных условиях (при температуре 20º С, при небольших стандартных скоростях деформаций и т.д.). Реальные условия работы конструкционных материалов отличаются от нормальных. В связи с этим в разд. 3 показано влияние некоторых факторов на величину механических характеристик.

В разд. 4 и 5 кратко описываются другие, менее распространенные, виды испытаний.

В настоящее время в машиностроении и строительстве широкое распространение получили волокнистые композиты (прочный, жесткий и легкий материал). Структура волокнистых композитов и их механические свойства даны в разд. 6 и 7.

Данная работа является дополнением к методическим указаниям «Сопротивление материалов. Журнал и методические указания к выпол-

нению лабораторных работ».

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В данном разделе рассматривается поведение материалов под нагрузкой, т.е. под механическим воздействием. Свойства материала, определяющие его поведение под нагрузкой, называются механически-

ми свойствами.

Одним из основных конструкционных материалов является металл. Он широко используется в промышленности, на транспорте и в строительстве. Поэтому при рассмотрении вопроса мы в основном будем обращаться к металлическим материалам, имея при этом в виду то, что большинство неметаллических материалов обладают таким же набором механических свойств, что и металлические.

Дадим определения основным механическим свойствам материалов.

Упругость – это свойство материала восстанавливать свою форму и размеры после снятия нагрузки.

Пластичность – это свойство материала сохранять остаточные деформации после снятия нагрузки.

Прочность – свойство материала сопротивляться внешним нагрузкам, не разрушаясь.

Под хрупкостью следует понимать способность материала разрушаться при малых деформациях.

В зависимости от величины остаточной деформации к моменту разрушения материалы делятся на пластичные и хрупкие. Это деление весьма условно. Один и тот же материал может быть хрупким и пластичным в зависимости от условий, в которых он работает. Так, например, чугун, хрупкий в обычных условиях, ведет себя как пластичный материал, если работает при большом давлении окружающей среды. Малоуглеродистая сталь, пластичная в обычных условиях, становится хрупкой при низких температурах или при больших скоростях нагружения. Таким образом, правильнее говорить не о хрупком или пластичном материале, а о хрупком или пластичном состоянии материала.

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для суждения о прочности, пластичности, упругости и хрупкости материала нужны числовые показатели этих свойств, называемые механическими характеристиками материала. Различают: прочностные ха-

рактеристики, характеристики пластичности и упругие характеристики. Все они могут быть получены только экспериментальным путем.

Основными видами испытаний материалов являются испытания на растяжение и испытания на сжатие в нормальных условиях. Испытания проводятся на специальных машинах с использованием стандартных образцов. Результаты испытаний зависят от формы и размеров образца, схемы и скорости нагружения, внешних физических условий. Поэтому для того, чтобы результаты испытаний, проведенных в различных лабораториях и с различными материалами, были сопоставимы, образцы должны быть геометрически подобны; схемы и скорости нагружения, внешние условия должны быть одинаковыми. Выполнение этих условий обеспечивается государственными стандартами на испытания образцов.

2.1. Испытания пластичных материалов на растяжение. Характеристики прочности и пластичности

На рис.1 показаны образцы, предназначенные для испытаний на

растяжение.

Рис. 1

Образцы могут иметь цилиндрическую форму, а могут быть и плоскими. Поверхность рабочей части образца полирована. Утолщения по концам предназначены для помещения их в захваты испытательной машины. На рис.1.: l – длина участка рабочей части образца, на котором измеряется удлинение; d, a, b – первоначальные размеры поперечного сечения рабочей части образца. В основном используются образцы с соотношением l/d =10 или l/d =5. В случае прямоугольного поперечного сечения длину определяют исходя из диаметра равновеликого круга.

Образец закрепляется в захватах машины, и к нему прикладывается растягивающая нагрузка. Нагрузка растет, и образец доводится до разрушения. В процессе испытания автоматически записывается (на бумаге

в определенном масштабе) диаграмма зависимости абсолютного удли-

AFnn/



нения участка образца длиною l от растущей нагрузки. Такая диаграмма называется диаграммой растяжения. Характерный вид диаграммы растяжения малоуглеродистой стали, являющейся пластичным материалом, показан на рис.2.

На диаграмме можно отметить ряд характерных точек – 1, 2, 3, 4, 5, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики материала. Первая характерная точка – это точка 1. Этой точкой заканчивается начальный прямолинейный участок диаграммы. Fn – усилие, соответствующее точке 1. Если величину этого усилия поделить на первоначальную площадь поперечного сечения образца, то получим напряжение

, которое называется пределом пропорциональности матери-

ала. Предел пропорциональности – это максимальное напряжение, до которого материал образца подчиняется закону Гука1, т.е. удлинение Δl увеличивается пропорционально усилию F. Для приближенного определения величины Fn точку 1 можно рассматривать как точку расхождения диаграммы растяжения и прямой, полученной продолжением прямолинейного участка (пунктирная линия на рис.2).

Рис.2

Роберт Гук (1635-1708) - английский естествоиспытатель и архитектор. Опытным

путем открыл линейную зависимость между нормальным напряжением и продольной деформацией.

Прежде чем переходить к точке 2, нагрузим образец до точки С и опу-

полн

)(

упр

l

.Δост

Δ0

ост

l 

AFyy/



005,0



005,0



стим перпендикуляр из точки С на ось абсцисс. Получим величину полного удлинения –

. А теперь разгрузим образец. Диаграмма разгрузки будет

иметь вид прямой линии СД, параллельной первоначальному прямолинейному участку. Такой закон разгрузки объясняется тем, что снимается лишь

упругая часть удлинения

. Говорят, что при разгрузке материал ведет

себя как упругий. Видно, что при F=0 Δl в ноль не обращается. Остается

(

так называемое остаточное удлинения

связанное с пластическими

деформациями материала, которые развились в процессе нагружения образца до точки С. Значит в любой момент в процессе испытания полное удлинение состоит из двух частей: остаточного удлинения и упругого удлинения, которое исчезает во время снятия нагрузки. Если мы будем нагружать и разгружать образец в пределах участка 0-1 (рис.2), то диаграмма разгрузки сов- падет с диаграммой нагрузки. В этом случае

и материал работает в

упругой стадии, т.е. в процессе снятия нагрузки форма и размеры образца полностью восстанавливаются.

После точки 1 нарушается линейная зависимость между Δl и F. Следующая характерная точка на диаграмме растяжения – точка 2. Fy – усилие, соответствующее этой точке. Если величину этого усилия поделить на первоначальную площадь поперечного сечения образца, то получим напряжение

, которое называется пределом упругости.

Предел упругости – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,005% от l. Использованный при

расчете допуск указывается в обозначении предела упругости Методика определения предела упругости становится ясной из рис. 3.

Предел упругости – это напряжение, при котором появляются первые признаки макропластической деформации. В связи с малым допуском по остаточному удлинению трудно с достаточной точностью определить предел упругости по диаграмме растяжения. Поэтому, когда высокой точности не требуется, предел упругости принимается равным пределу пропорциональности, на том основании, что точки, соответствующие этим пределам, расположены близко друг к другу (рис.3). Такой прием оказывается неверным для некоторых материалов, например для резины, у которой

сильно отличаются друг от друга.

Если не тензо

обходима точная количественная оценка

метры для измерения остаточных удлинений.

, то используют

АFTT/



После точки 3 (рис.2) удлинение растет при постоянной нагрузке. Такое явление называется текучестью материала, а горизонтальный участок на диаграмме называется площадкой текучести1. Напряжение, соответствующее текучести материала, называется пределом текучести. Предел текучести определяется делением соответствующего усилия на первоначальную площадь поперечного сечения образца

кучесть материала является следствием развития пластических деформаций по всему объему рабочей части образца. Образование пластических деформаций связано с необратимыми сдвиговыми смещениями в кристаллической решетке отдельных кристаллов. В момент прохождения площадки текучести полированная поверхность образца становится матовой из-за множества тонких линий (полос скольжения), появившихся на его поверхности (рис.4). Эти линии называются линиями ЛюдерсаЧернова2. Они имеют угол, близкий к 45º с осью образца, и практически совпадают с плоскостями максимальных касательных напряжений. Предел текучести считается опасным напряжением для пластичного материала и широко используется в конструкторских расчетах.

Рис.3

. Те-

Конец площадки текучести у малоуглеродистых сталей соответствует примерно

3% удлинения.

Они впервые описаны в 1859 году немецким металлургом П.Людерсем и незави-

симо от него в 1884 году русским металлургом Д.К.Черновым, который впервые предложил использовать их при экспериментальном изучении напряжений, возникающих в сложных деталях.

Рис. 4

Диаграммы многих материалов (медь, алюминий, латунь, высококачественные легированные стали) не имеют площадки текучести (рис.5). В этом случае говорят об условном пределе текучести. При определении условного предела текучести вводят допуск на остаточное удлинение образца, обычно 0,2% от длины l. В этом случае под условным пределом текучести понимается напряжение, после снятия которого остаточное удлинение равно 0,2% от l. Методика определения условного предела текучести совпадает с методикой определения предела упругости и ясна из рис.5.

Рис. 5

После прохождения площадки текучести (рис.2) для дальнейшего увеличения удлинения требуется увеличение растягивающей силы. Материал снова приобретает способность сопротивляться деформации, поэтому участок за площадкой текучести до точки 4 называется участ- ком упрочнения. От начала координат до точки 4 рабочая часть образца сохраняет свою первоначальную форму. Удлинение равномерно распределяется по расчетной длине l, размеры поперечных сечений уменьшаются одинаково по всей длине. В точке 4 эта равномерность нарушается.

1 / 51 2 3 4 5 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]