POGALOVLAB

2.Провести испытание - на сжатие образцов из пластичного и из хрупкого материалов. Определить характеристики прочности хрупкого (σвс) и пластичного (σтс) материалов.

Порядок выполнения работы

1.Выполнить эскизы образцов для испытаний на растяжение и на сжатие. С помощью штангенциркуля измерить основные параметры образцов d0 и l0, значения занести в форму табл.1.

2.Провести испытания образцов на растяжение, получить для каждого образца машинную диаграмму растяжения. Зафиксировать значения нагрузок Рт , Рmax , Рразр ; их значения занести в форму табл.1. Измерить dк и lк , после испытания, занести их значения в форму табл.1.

3.Рассчитать по формулам характеристики прочности σтр , σвр , σк и пластичности δ, ψ, εк ; полученные значения занести в форму табл.2.

4.Построить диаграммы деформаций при растяжении. По значениям σВР и δ определить масштабы по осям σ и ε диаграммы. Нанести положения точек Fк , с координатами σк и εк для каждой диаграммы. Достроить диаграммы истинных напряжений для каждого образца, проведя из точек Fк касательные к диаграммам деформаций.

5.Произвести испытания образцов на сжатие. Зафиксировать значения нагрузок Рт , Рmax , занести их в форму табл.1.

6.Рассчитать характеристики прочности σтс и σвс ; полученные значения занести в форму табл.2.

7.Выполнить эскизы всех образцов по окончании испытаний. Сделать выводы о степени пластичности материала каждого образца.

8.Сравнить характеристики прочности для одного и того материала, полученные из испытаний на растяжение и на сжатие, сделать соответствующее заключение.

9.Составить отчет.

11

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Форма таблицы 1

Размеры образцов и характерные нагрузки

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1)наименование и цель лабораторной работы;

2)краткое изложение теоретических сведений, включая все формулы и характерные диаграммы;

3)эскизы образцов до и после испытаний;

12

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

4)результаты измерений и расчетов (заполненные формы табл.1 и 2);

5)заключения и выводы о степени пластичности (хрупкости) материалов образцов.

Контрольные вопросы

1.Какова форма стандартных образцов для испытания на растяжение и на сжатие?

2.Назовите основные узлы универсальной испытательной машины и объясните их назначение.

3.Объясните особенности поведения образца на основных участках диаграммы растяжения для пластичного материала.

4.Назовите виды механических характеристик материала, определяемые по результатам испытания на растяжение.

5.На какие группы разделяют материалы по степени их пластичности?

6.Назовите физические и условные характеристики прочности материала.

7.Объясните разницу между истинной и условной диаграммами деформаций.

8.Чем различаются диаграммы растяжения и сжатия для хрупкого материала?

9.Объясните характер деформации и разрушения образцов из пластичных и хрупких материалов при испытании на растяжение и на сжатие.

Рекомендуемая литература

1.А.А.Дегтярев, В.А. Летягин, А.И Погалов. Основы механики и сопротивление материалов. Лабораторный практикум.М.МИЭТ, 1997г.,188с.

2.О.А.Кузнецов, А.А.Дегтярев, В.Н.Тимофеев, Е.А.Сахаров,В.А.Летягин. Лабораторный практикум по курсу «Механика интегральных структур», под ред. В.Н.Тимофеева.

М.МИЭТ, 1993 г.,87 с.

13

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Лабораторная работа № 2. ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА КРУЧЕНИЕ

Цель работы - ознакомление с методикой и аппаратурой для измерения механических характеристик материалов при испытаниях на кручение. Измерения основных механических характеристик при кручении.

Продолжительность работы -2 ч.

Оборудование и инструменты - машина для испытания на кручение КМ-50-1 с максимальным крутящим моментом 500 Н*м, специальный угломер с индикатором часового типа, штангенциркуль.

Теоретические сведения

При кручении бруса в материале возникает напряженное состояние, называемое "чистым сдвигом" (рис.1,а). Первый элементарный объем (рис.1,б) выделен поперечными и продольными сечениями, второй (рис.1,в) - сечениями под углами ±45° к оси бруса. По граням первого элементарного объема действуют только касательные напряжения , которые вызывают угловую деформацию γ (рис.1,б), по граням второго - главные нормальные напряжения σ1 = τ и σ3 = -τ , вызывающие только линейные деформации (квадрат переходит в прямоугольник).

Рис.1. Схема деформирования круглого бруса при кручении: а - связь угла сдвига и угла поворота; б - напряжения на гранях элементарного объема.

14

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Задача настоящей лабораторной работы состоит в определении механических характеристик материалов при напряженном состоянии, возникающем при кручении.

Косновным механическим характеристикам относятся:

-предел текучести при сдвиге τт , МПа;

-предел прочности при сдвиге τв , МПа;

-модуль сдвига (модуль упругости второго рода) G , МПа;

-относительный угол закручивания θmax , рад/мм.

Величины τТ и τв характеризуют прочность материала при кручении, величина G - его упругие свойства, а величина θmax - его пластичность.

Для испытания на кручение по ГОСТ 3565-80 применяют образцы круглого поперечного сечения (рис.2), которые устанавливают в специальную испытательную машину, и записывают диаграмму зависимости момента Мк от угла закручивания φ. Диаграмма кручения пластичного материала (малоуглеродистая сталь) представлена на рис.3,а. На участке ОА деформации упругие, пропорциональные нагрузке. Участок ВС - площадка текучести, здесь образец деформируется пластически при приблизительно постоянной величине крутящего момента MT , CD-участок упрочнения, в образце нарастают как упругие, так и пластические деформации. Крайняя точка D на диаграмме соответствует разрушению образца, которое наступает вследствие среза по плоскости поперечного сечения (рис.4,а), при максимальной величине момента.

Рис.2. Схема образца для испытания на кручение

При упругих деформациях (в пределах участка ОА ) угол закручивания φ и крутящий момент Мk связаны между собой линейной зависимостью закона Гука:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

поперечного сечения; d - диаметр образца; G - модуль упругости при сдвиге (модуль упругости второго рода), характеризующий упругие свойства материала. Используя эту зависимость, по измеренному углу закручивания можно определить модуль упругости материала при сдвиге:

где ∆Mк и ∆φ - приращения момента и угла закручивания в пределах упругости. Как известно из теории кручения, максимальное напряжение в поперечном сечении круглого бруса при упругих деформациях равно:

Формула (3) справедлива только при упругих деформациях. Поэтому ее можно применить для приближенного определения предела текучести:

=

Рис.3. Диаграмма кручения: а - кручение образца с выраженной площадкой текучести: ОА - упругий участок; АВ – переходный участок; ВС - площадка текучести; CD - участок упрочнения;б - схема определения условного предела текучести

16

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Рис.4. Разрушение образца при кручении: а - образец пластичный; б - образец хрупкий

Из точки С диаграммы кручения начинается участок упрочнения. Последняя точка D соответствует разрушению образца. При разрушении крутящий момент достигает максимального значения, а касательное напряжение - предела прочности материала при сдвиге τb . Подставив в формулу (3) эту величину максимального крутящего момента Mmax , находят условный предел прочности материала при кручении:

Величину τb называют условным пределом прочности, так как формула (5) получена в предположении линейного закона распределения напряжений по радиусу, но при МК>МТ эта линейная зависимость нарушается. Пластичный образец разрушается по направлению действия максимального касательного напряжения, т.е. по плоскости поперечного сечения. Разрушение образца хрупкого материала происходит вследствие отрыва частиц материала по винтовой поверхности, наклонной под 45° к оси образца (по площадкам, в которых действуют максимальные растягивающие напряжения). Вид по- верхности разрушения показан на рис.4,б.

Если диаграмма кручения материала не имеет ярко выраженной площадки текучести, то условный предел текучести определяют по методике ГОСТ 3565-80. За условный предел текучести принимают касательное напряжение, при котором остаточная угловая деформация образца составляет 0,003 рад (рис,3,6).

Характеристикой пластичности материала при кручении является максимальный относительный угол закручивания:

17

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

где φmax - угол закручивания образца в момент его разрушения.

Методика выполнения работы

В настоящей лабораторной работе испытание образцов на кручение проводят на

машине KM-5O-I с максимальным крутящим моментом 5 ×102 Нм. Машина состоит из механического нагрузочного устройства с моторным и ручным приводом, маятникового моментоизмерителя с тремя пределами измерения (0…100; 0…200; 0…500 нм) и диаграммного прибора для автоматической записи диаграммы кручения.

Испытуемый образец закрепляют в захватах. Нижний ведущий захват соединен с нагружающим устройством, а верхний с моментоизмерителем. Нагрузочное устройство, расположенное в основании машины, состоит из электродвигателя, двухскоростной коробки передач и червячной передачи. Червячное колесо соединено шпонкой с валом, передающим вращение ведущему захвату. Коробка передач позволяет нагружать образец со скоростью 0,3 и 1,0 об/мин. Для медленного ступенчатого нагружения образца предусмотрен ручной привод. Для перемещения ведущего захвата по высоте на валу имеется резьба, при помощи которой он соединен со штурвалом. При вращении штурвала захват перемещается вверх или вниз. На испытательной машине установлен диаграммный прибор для автоматической записи диаграммы кручения М - φ . Во время испытания барабан поворачивается пропорционально углу закручивания, перо перемещается пропорционально величине момента.

Для измерения малых углов закручивания образца применяют специальный угломер, устанавливаемый на образец.. Устройство угломера показано на рис.5. Он состоит из двух фигурных скоб 1 и 2 и индикатора часового типа 3. Расстояние между сечениями I и 2, в которых скобы прикрепляют к образцу, равно базе угломера а = 78 мм.

18

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Риc.5. Схема угломера: 1,2- фигурные скобы; 3 – индикатор.

При закручивании образца скобы поворачиваются относительно друг друга на угол φ , при этом измерительный стержень индикатора перемещается на величину δ = φR, где R - расстояние от оси образца до оси индикатора (в данном случае R = 50 мм).

Если разность отсчетов по шкале индикатора равна ∆n делений, а цена одного деления составляет 0,01 мм, то приращение угла закручивания (в радианах) равно:

Лабораторное задание

Определить основные характеристики материала при кручении:

1)прочности - предел текучести τT [МПа] и предел прочности τb [МПа];

2)упругости - модуль cдвига G [МПа] (модуль упругости второго рода);

3)пластичности - относительный угол закручивания, θ.

Порядок выполнения работы

19

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2)Закрепить образец в захватах непитательной машины; установить на него угломер.

3)Установить шкалу индикатора и угломерную шкалу машины MK-50-I на нуль.

4)С помощью ручного привода ступенчато (∆Mk = 5 Нм) нагружать образец до значения Мk = 25 Нм и записывать соответствующие показания угломера в форму таблицы.

5) Записать значение момента МT , соответствующее наступлению текучести (признаком текучести образца является замедление движения или полная остановка стрелки моментоизмерителя при продолжающемся закручивании образца).

Форма таблицы Показания индикатора в зависимости от приложенного крутящего момента.

6)Приостановив ручное нагружение, снять угломер и провести мелом черту

параллельно продольной оси образца для наблюдения за дальнейшим процессом деформирования.

7)Включив моторный привод, продолжать испытание до разрушения образца. После завершения опыта записать значение максимального крутящего момента Мmах и величину угла закручивания φmax по показанию угломерной шкалы машины.

20

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com