Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

сопромат / КСИМ-40

.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
02.10.2017
Размер:
1.59 Mб
Скачать

Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Механические испытания при статических нагрузках на КСИМ – 40

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Издательство Иркутского государственного технического университета

2008

Сопротивление материалов. Механические испытания при статических нагрузках на КСИМ-40. Методические указания по выполнению лабораторных работ. Составители: М.Г. Мартыненко, М.И. Антипин. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. – 32 с.

Изложена методика проведения лабораторных работ по сопротивлению материалов на учебном испытательном комплексе КСИМ-40. Приведен теоретический материал, необходимый для самостоятельной подготовки студентов к проведению работ.

Предназначено для студентов всех специальностей и всех форм обуче-

ния.

Библиогр. 2 назв. Ил. 29. Табл. 1.

Рецензент: д-р техн. наук, профессор В.Л. Лапшин

Подготовила к печати Е.М. Куликова

Подписано в печать 4.05.08. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,25. Тираж 1000 экз. Заказ 305. Поз. плана 368.

ИД № 06506 от 26.12.2001

Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

 

Классификация механических испытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Образцы для испытаний . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Статические испытательные машины

6

Общие сведения . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Испытательный комплекс КСИМ-40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

Испытание на растяжение . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

Условный предел текучести . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

Пластичные и хрупкие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

Закон разгрузки и повторного нагружения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

Испытание на сжатие . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

Виды разрушений при испытаниях . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

 

 

Общие указания к выполнению работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Техника безопасности . . . .. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Лабораторная работа 1. Испытание на растяжение . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Лабораторная работа 2. Испытание на сжатие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Лабораторная работа 3. Испытание на срез и скалывание . . . . . . . . . . .

29

Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Классификация механических испытаний

Сопротивление материалов, в отличие от теоретической механики, учитывает свойства материалов. Без знания свойств материала невозможно производить расчеты на прочность, жесткость и устойчивость конструкций и их элементов. Кроме того, система гипотез, принятая в сопротивлении материалов, справедлива в определенных пределах нагружения реальных тел, установление которых может быть произведено только путем изучения фи- зико-механических свойств материалов. Один и тот же материал при различных условиях и скоростях нагружения, при разных температурах имеет различные механические свойства.

Определение числовых характеристик, определяющих те или иные свойства материала, производят на специальных машинах, приборах или приспо-

соблениях и называют испытанием материала.

Для того, чтобы результаты испытания могли быть воспроизведены независимо от места и времени или от каких-либо других субъективных факторов, введена стандартизация методов испытания материалов, которая отражена в государственных стандартах.

По характеру изменения действующей нагрузки во времени различают механические испытания: статические, динамические, ударные, усталостные, длительные.

По виду нагружения различают испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, сложное нагружение.

Механические испытания проводят при нормальных, высоких и низких температурах, в агрессивных средах, при наличии концентраторов и исходных трещин, облучении, акустических воздействиях и различных других условиях.

Образцы для испытаний

Тела, предназначенные для испытаний, называются образцами. Часть образца, на котором обеспечена однородность напряженнодеформированного состояния, называется рабочей (расчетной). По «поведению» рабочей части образца в процессе испытания делают выводы о механических свойствах материала, из которого изготовлен образец, в связи с чем образцы должны быть стандартизированы (то есть иметь определенную форму и размеры). Кроме того, определенные требования предъявляются и к изготовлению образцов. Остановимся на основных из них.

Прежде всего необходимо знать материал образца. Для этого материал образца или партии образцов, изготовленных из одного и того же материала, подвергается химическому или спектральному анализу, устанавливающему количественное содержание различных химических элементов.

4

Геометрическая определенность образца необходима как для возможности правильной расшифровки данных испытаний, так и для повторяемости опытов. Например, ясно, что при неодинаковом диаметре по длине рабочей части образца относительное удлинение при растяжении будет больше в той части образца, где диаметр меньше. Искривленность оси образца при испытании на растяжение или сжатие вызовет появление деформаций и напряжений от изгиба, которые при отсутствии контроля приведут к неправильным выводам. Геометрическая определенность должна быть обеспечена с достаточной точностью и проконтролирована перед испытанием путем обмера каждого образца.

Качество поверхности образца должно быть таким, чтобы локальные неоднородности напряженного состояния, вызванные концентрацией напряжений вблизи царапин, выбоин и надрезов, не вносили заметных искажений в макрокартину поведения образца. В большинстве случаев образцы изготавливаются путем резания (на токарных, фрезерных, строгальных станках), при необходимости – шлифуются и полируются.

Однородность (макрооднородность) образца должна быть обеспечена как в отношении химического состава, так и в отношении микроструктуры. В материале образца не должно быть раковин, внутренних трещин, инородных включений, которые являются концентраторами напряжений. Это не исключает испытаний таких материалов, для которых пористость (губчатая резина, пеностекло, пористые материалы и др.) или неоднородность (бетон) являются качествами, определяющими конструкционное назначение материала.

Термообработка сильно влияет на структурное состояние материала. При обработке резанием, особенно при затупленном режущем инструменте, неоднородность структуры вносится поверхностным наклепом. Для его устранения каждая партия образцов подвергается термообработке (отжигу, закалке, отпуску и т.п.) с последующим контролем путем микроструктурного анализа.

Стандарт образцов существует почти для каждого вида нагружения.

Образцы для испытаний на растяжение. На рис. 1 показаны некоторые

dтипы металлических образцов: круглый и плоский. Для круглых образцов согласно стандарту:

0 – расчетная длина; d =(5…10) мм; d = 10мм – нормальный образец; ℓ0 = 5d – пятикратный образец;

 

 

 

0

= 10d

– десятикратный образец;

 

 

 

0

= 15d

– пятнадцатикратный образец.

 

 

 

 

Р

Рис.1

Образцы делаются с утолщенными концами, ко-

 

торые вставляются

в зажимные устройства испытательной машины. Пере-

ход к утолщенной части (головке) образца делается плавным для уменьше-

5

ния концентрации напряжений. Расчетную длину образца ℓ0 берут меньше расстояния между головками на величину диаметра или толщины образца с каждой стороны, так как уже на таком расстоянии напряженное состояние однородно и не зависит, согласно принципу Сен-Венана, от способа приложения нагрузки.

Образцы для испытаний на сжатие. Стандарта, как такового, не существует.

h

h

 

 

h / d ≤ 2

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h / a ≤ 2

 

 

 

 

 

 

d

 

 

d

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Необходимое требование: во избежание потери устойчивости высота образ-

ца не должна превышать двух-трех поперечных размеров (рис.2).

Статические испытательные машины

Общие сведения. Статическими называют испытания, при которых нагрузка на образец остается постоянной или возрастает очень медленно. В последнем случае малая скорость нагружения ( до 0,1 МПа / с ) соответствует скорости относительной деформации в 10-5 с-1 , при которой в материале не нарушается термодинамическое равновесие. При этом ускорение движущихся частей испытательной машины настолько мало, что возникающими в них силами инерции пренебрегают.

Тип машины определяется видом испытаний, устройством, с помощью которого создается и замеряется нагрузка, а также ее мощностью (величиной наибольшей силы).

Машины для статических испытаний условно можно разбить на два класса:

1)гидравлические машины;

2)механические машины.

В первых деформация образца осуществляется перемещением штока поршня гидравлического цилиндра, во вторых – с помощью червячной передачи.

Механические машины проще и стабильнее, чем гидравлические, поэтому предпочтительней при таких испытаниях, когда необходимо выдерживание постоянной нагрузки во времени. Механический привод предпочтительней для машин с небольшой предельной нагрузкой, при применении более мощных машин используется гидравлический привод, так как гидравлические машины легче регулировать и они дают более широкий диапазон скоростей деформаций.

6

И механические, и гидравлические машины в большинстве своем изготовляют с вертикальным расположением оси образца, что обеспечивает наиболее компактное размещение машины в лаборатории.

При передаче растягивающего усилия на образец важно осуществить осевое растяжение без эксцентриситета и перекосов, вызывающих наряду с растяжением также изгиб, который может сильно исказить результаты испытаний.

Усилия, возникающие в испытательных машинах, и деформации измеряются приспособлениями в самой машине или специальными приборами.

Из многообразия существующих испытательных машин в данной работе будет рассмотрен механический испытательный комплекс КСИМ – 40 (рис. 3).

 

 

 

 

3

1

 

2

Рис. 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Универсальный учебный комплекс КСИМ40 (40 – максимальная нагрузка в кН) предназначен для статических испытаний и работает под управлением ПЭВМ типа IBM РС. В состав комплекса входят: 1- нагружающее устройство (с приводом, датчиками усилия и перемещения верхней траверсы); 2- блок управления; 3- ПЭВМ.

Нагружающее устройство (рис. 4) является устройством замкнутого типа. Все элементы конструкции закрыты крышками и гофрированными кожухами. Нагружающее устройство установлено на стойках 1, скрепленных между собой стяжкой 2 и регулируемых по высоте опорами. На станине 3 установлена неподвижная траверса 4 с пассивным (неподвижным) захватом 5. Также на станине установлены (и закрыты крышками) электродвигатель, редукторы, шариковые винтовые передачи, зубоременная передача со шкивами. К гайкам винтовых передач прикреплена подвижная траверса 6, на которой установлен датчик

7

силы, к которому через переходник крепится активный захват 7. Через разъем датчик силы подключается к блоку

8 управления.

6Вращающий момент двигателя через ременную передачу передается на волно-

7вые редукторы и прецизионные шарико- 9 вые винтовые передачи, преобразующие

 

вращательное

 

движение

двигателя

в

5

 

поступательное

движение

верхней

4

траверсы (вверх или вниз).

 

 

 

Для

повышения

 

жесткости

 

 

3

устройства параллельно боковым винтам

 

установлены

стойки, а

в

верхней

и

 

2нижней частях - плиты. На верхней плите 8 установлен датчик перемещения,

 

 

 

механически

связанный

с

винтом

 

 

 

шариковой

винтовой

передачи

и

 

 

 

посредством

разъема

подключенный

к

 

1

 

 

блоку управления. Все разъемы для под-

 

 

 

ключения

к

блоку

управления

Рис. 4

 

 

расположены

на

задней

стенке

 

 

 

 

 

 

нагружающего устройства.

 

 

 

 

 

 

На правой

стойке

расположен

пульт местного управления 9.

Пульт местного управления (рис. 5) имеет кнопки управления верхней траверсой при установке образца:

 

1 – кнопка

«ВВЕРХ», 2 – кнопка

 

«ВНИЗ», 3 – кнопка «СТОП», 4 –

 

«АВАРИЙНЫЙ СТОП». Рядом с

 

кнопками управления

- одноименные

4

светодиоды

для

индикации

 

1включения соответствующего режима.

Блок управления. Управление работой

комплекса и связь с ПЭВМ про-

3изводятся с помощью блока управления (рис. 6). Блок выполнен в от-

2дельном корпусе на базе однокристальной микро-ЭВМ. В блоке управления размещены также источники питания нагружающего устройства.

Рис. 5

8

Рис. 6 На передней панели блока расположены следующие кнопки управления и индикации:

-двухстрочный символьный индикатор, индицирующий:

вверхней строке - ПЕРЕМЕЩЕНИЕ траверсы (мм) и СКОРОСТЬ перемещения траверсы (мм/мин);

в нижней – текущее усилие Fтек и предельное Fпред (кН);

-кнопки СКОРОСТЬ “ + ” и “ - “ для установки необходимой скорости перемещения верхней траверсы;

-кнопка ПЕРЕМЕЩЕНИЕ «СБРОС» для установки нулевого значения перемещения в начале опыта;

- кнопки Fпред “ + ” и “ - “ для установки предельного усилия при проведении опыта;

-кнопка вкл/выкл – включение и выключение питания;

-кнопка АВАРИЙНЫЙ СТОП.

При работе с ПЭВМ кнопки управления скоростью и Fпред блокируются и на индикаторе появляется надпись «Program Windows», что означает, что машиной управляет ПЭВМ. При достижении Fпред (для данного опыта) привод автоматически останавливается.

9

На дисплее ПЭВМ во время опыта вычерчивается график диаграммы растяжения образца (зависимость усилия от абсолютной деформации ), который можно вывести на печать.

Испытание на растяжение

Качество материалов оценивается механическими, физическими и технологическими свойствами. Первые два оценивают техническую пригодность материала, а третьи – условия его обработки.

Основные механические свойства материала:

упругость – способность материала восстанавливать первоначальные размеры и форму после снятия нагрузки;

пластичность – способность, не разрушаясь, получать значительную деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки (пластическую деформацию);

хрупкость – способность разрушаться без значительной пластической деформации;

прочность – способность материала без разрушения сопротивляться нагрузкам.

Перечисленным свойствам соответствуют численные характеристики (таблица), которые определяются при испытании на растяжение.

F

Рис .7. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали ∆ℓ

10

Соседние файлы в папке сопромат