В.Д. Моисеенко Ударнаяя вязкость стали при нормальной температуре
.pdfМинистерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»
Кафедра сопротивления материалов
УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Методические указания к лабораторной работе № 5
по курсу сопротивления материалов для студентов всех специальностей
Составитель В.Д. Моисеенко
Утверждены на заседании кафедры сопротивления материалов Протокол № 4 от 06.02.2003
Рекомендованы к печати учебнометодической комиссией по специальностям 290300, 291500
Протокол № 23 от _26.03.2003
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ
Кемерово 2003
1
1. Введение
Цель работы: Определение опытным путем ударной вязкости для стали Ст.3 при нормальной температуре.
При динамическом действии нагрузок на элемент конструкций материал, из которого выполнен элемент, ведет себя совершено иначе, чем при статическом воздействии. Опыты показывают, что ударное действие нагрузок меняет механические характеристики материала. Так, если материал при статическом испытании показывал хорошие пластические качества, то при ударном действии нагрузки он зачастую ведет себя хрупко. Поэтому при выборе материала для деталей, подвергающихся динамическим воздействиям, его испытывают на удар. Определяемая при этом ударная вязкость является показателем сопротивляемости материала динамическому нагружению.
Ударная вязкость а зависит от температуры t, при которой производятся испытания. Для стали Ст3 график зависимости а от t показан на рис.1. При понижении температуры удельная вязкость уменьшается. Существует интервал температуры tкр, когда а уменьшается особенно быстро. Этот интервал называется критическим интервалом температуры. Область температур левее критического интервала называется областью температурной хрупкости. Для стали Ст3 область температурной хрупкости соответствует температуре ниже -25°°С. Ниже этой температуры металл становится непригодным для работы при динамиче-
ских воздействиях. |
|
|
|
|
а 106 |
Дж |
|
||
|
||||
|
м2 |
|||
|
|
|||
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
-250 |
0 |
250 |
500 |
t 0C |
|
|
tкр |
|
|
Рис. 1. Критический интервал температуры для стали Ст3
2
2. Форма и размеры образца
Для определения ударной вязкости принимаются стандартные надрезанные посередине длины образцы с размерами, соответствующими указанным размерам на рис. 2.
А |
|
|
55 мм |
|
А - А |
10 мм |
10 мм |
2 мм |
|
|
10 мм |
2 мм |
|
|
А |
|
|
Рис.2. Образец для испытания на ударную вязкость
3. Испытательная машина
Испытание надрезанного образца производится на копре маятникового типа КМ-30, предназначенном для испытания образца, свободно лежащего на двух опорах. Схема устройства копра маятникового типа КМ-30 дана на рис.3.
Копер маятникового типа состоит из чугунной станины 1, выполненной в виде массивной фундаментной плиты с двумя вертикальными колоннами 2, маятника 3 и измерительного устройства 7. Маятник состоит из стержня подвеса 3 и тяжелого молота в виде плоского диска 4. Молот маятника имеет глубокий вырез, на дне которого закреплен нож 5 из закаленной стали, являющийся бойком маятника.
h
|
3 |
|
l |
4 |
|
7 |
5 |
|
3 |
||
|
||
. |
|
|
|
Р |
|
|
α |
|
β |
|
|
γ |
|
|
. |
2 |
6 |
|
|
1 |
|
H
Рис. 3. Схема устройства копра маятникового типа КМ-30
Копер маятникового типа имеет специальный шаблон (кондуктор) 6 для установки образца с надрезом в середине его длины. Основные размеры опор и ножа маятника должны соответствовать размерам, указанным на рис. 4.
плоскость |
. |
|
|
удара |
боек маятника |
|
|
1-1 |
30° |
|
|
1-1 |
|
||
|
|
|
|
образец |
|
r = 2,5 мм |
|
|
1 |
10 мм |
|
|
мм |
|
|
. |
|
|
|
|
|
10 |
|
. |
1 |
. |
2 мм |
r = 2,5 мм |
40мм |
|
|
|
|
||
|
|
шаблон-опора |
|
Рис. 4. Схема установки образца в маятниковом копре
4
Шкала измерительного устройства 7 проградуирована в единицах работы (рис. 5).
|
156° |
156 |
рабочая стрелка |
|
А° 145° |
145° |
|||
|
А1 
контрольная стрелка
5° 5°
30 кгм
Рис. 5. К примеру снятия показаний по шкале работ:
А0 – отсчет по шкале работ против значения угла подъема маятника на градусной шкале (работа на холостом ходу);
А1 – отсчет по шкале работ по указанию контрольной стрелки после разрушения образца (работа после удара)
4. Теоретические основы
Испытание на копре маятникового типа основано на принципе измерения работы, затраченной на разрушение образца, путем сопоставления энергии физического маятника до удара с энергией, которой он обладает после удара. Из рис.3. следует
Азат= Р(H-h), |
(1) |
где Азат – работа, затрачиваемая на излом, т.е. на разрушение образца. Высота подъема маятника Н при холостом ходе может быть вы-
ражена через длину l и угол подъема α:
H = l+lsin( α −90o ) = l( 1 −cosα ) .
Обозначив через β угол взлета маятника после удара, аналогично найдем:
h =l−lcos β =l( 1 −cos β ).
5
Учитывая найденные выражения H и h и подставив их в формулу (1), получим формулу для определения работы, затраченной на излом в виде
Азат = Pl(cos β −cosα ). |
(2) |
Согласно ГОСТ 9454-60 ударная вязкость а равна
a = |
Aзат |
= |
Pl(cos β − cosα ) |
, Дж/м2 |
, |
(3) |
|
|
F |
|
|||||
|
F |
|
|
|
|||
где Р – вес маятника, Н;
l– длина маятника (расстояние от его оси до центра тяжести), м;
αи β – углы подъема маятника соответственно до и после излома образца в градусах;
F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания, м2.
Копер маятникого типа КМ-30 устроен таким образом, что освобождает от необходимости замера энергии до и после удара. По шкале, проградуированной в единицах работы, можно непосредственно найти работу, затраченную на разрушение образца.
При обозначении через А0 и А1 отсчетов по шкале работ соответственно на холостом ходу и после удара, ударная вязкость может быть определена по формуле
a = |
A1 − A0 |
, Дж/м2, |
(4) |
|
F |
||||
|
|
|
где F – площадь сечения образца в плоскости надреза.
5.Порядок проведения испытания
1.Проводить испытания при нормальной температуре 20°С согласно стандартной технической документации.
2.Совместить вручную указания контрольной и рабочей стрелок шкалы работ.
3.Поднять маятник в исходное положение.
4.Записать величину работы на холостом ходу А0 (надо помнить,
что работа 1 кг·м = 10 Дж) и записать угол подъема маятника α.
6
5.Откинуть вправо дверку переднего ограждения и установить образец на опоры копра.
6.Отпустить маятник нажатием кнопки «удар».
7.Записать в лабораторную тетрадь величину работы после удара
А1 и угол взлета маятника β по указанию контрольной стрелки. 8. Вычислить работу, затраченную на разрушение:
Азат = А1 – А0, Дж.
9.Замерить размеры ослабленного поперечного сечения образца штангенциркулем и вычислить площадь в плоскости надреза.
10.Вычислить ударную вязкость по формуле:
a = Aзат , Дж .
F м2
11. Проверить по формуле (3) ударную вязкость, найденную опытным путем.
6.Контрольные вопросы
1.Какова цель лабораторной работы?
2.Объясните схему испытания на копре.
3.Какие образцы применяются при определении ударной вязкости металлов?
4.На каком принципе основано испытание образцов на маятниковом копре?
5.Что характеризует вязкость?
6.Что понимается под ударом?
7.Объясните определение ударной вязкости на основании показаний измерительной шкалы копра.
8.Как меняются свойства материала при изменении скорости нагружения, концентрации напряжений?
9.Как меняются свойства материала при охлаждении?
10.Что такое хладноломкость?
11.Какие условия приводят к охрупчиванию материала?
7
7.Список рекомендуемой литературы
1.Афанасьев А.М. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов / А.М. Афанасьев, В.А. Марьин. – М.: Наука, 1975.
2.Степин П.А. Сопротивление материалов. – М.: Высш. шк.,
1973.
3.Беляев Н.М. Сопротивление материалов. – М.: Наука, 1976.
8
Составитель
Валентина Дмитриевна Моисеенко
УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Методические указания к лабораторной работе № 5
по курсу сопротивления материалов для студентов всех специальностей
Редактор З.М. Савина
Подписано в печать Формат 60×84/16. Отпечатано на ризографе.
Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 0,42. Тираж 300 экз. Заказ №
Государственное учреждение Кузбасский государственный технический университет.
650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография Государственного учреждения Кузбасский государственный технический университет.
650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4-А.