МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Филиал в г. Салавате

Кафедра “Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки”

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по курсу

“Сопротивление материалов”

Салават - 2003

Методические указания предназначены для студентов очной и очно-заочной форм обучения и рекомендуются к применению при выполнении лабораторных работ по курсу “Сопротивление материалов” (специальности 17.05 ) и курсу “Прикладная механика”( специальностей 18.04, 21.02, 25.04 ).

Составители: Газиев Р.Р., доцент, к.т.н.

Захаров Н.М., доцент, к.т.н.

Рецензент Муртазин Ф.Р., доцент, к.т.н.

С Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2003

ОБЩИЕ ПРАВИЛА

по технике безопасности для студентов

при проведении лабораторных работ

по испытанию материалов

1. Лабораторные работы проводятся под наблюдением преподавателя или лаборанта. Студент может работать на испытательных машинах и установках только с разрешения преподавателя. Студентам запрещается самостоятельно включать и выключать машины, проводить какие- либо операции на них и оставлять их без наблюдения в процессе работы.

2. Перед началом работы проверить соответствие грузов на маятнике силоизмерителя величине ожидаемой нагрузки при испытании образца. Не разрешается испытывать образцы требующие нагрузки большей чем указано в технической характеристике машины.

3. Выбор приспособления для закрепления образцов должен соответствовать типу образца и виду деформации. Перед пуском машины необходимо проверить надежность закрепления испытуемого образца.

4. При проведении лабораторных испытаний нельзя находиться в непосредственной близости от движущихся частей машины. При испытании хрупких или закаленных образцов необходимо пользоваться защитным экраном из органического стекла или металлической заслонкой.

5. Корпус испытательной машины должен быть надежно заземлен. При работе на машинах и установках нельзя прикасаться к токоведущим частям, а также к электрощитам и электрорубильникам.

6. Запрещается проводить ремонтные мероприятия, устранять неисправности электрооборудования и чистить машины и установки во время работы, или когда они находятся под напряжением.

7. После завершения работы студенты обязаны собрать измерительные инструменты, методические пособия и сдать их учебному лаборанту. В случае потери пособий, порчи инструментов или испытательных приборов студенты несут материальную ответственность за них.

Правила выполнения лабораторных работ

1. К выполнению лабораторных работ студенты допускаются после проведения инструктажа по технике безопасности. При нарушении этих правил студент удаляется с лабораторного занятия и считается его пропустившим. Студент несет материальную ответственность за поломки и повреждения лабораторного оборудован и инструментов, возникшие по его вине.

2. Перед выполнением лабораторных работ студенту необходимо ознакомиться с руководством к ним. К работе допускаются студенты усвоившие теоретический материал, что проверяется преподавателем перед занятием.

3. Вся лабораторная проработка - замеры, наблюдения, вычисления выполняются каждым студентом самостоятельно.

4. Каждый студент составляет отчет по лабораторной работе, который должен содержать название, цель работы, общие положения и журнал испытания с выводами. Оформление отчета производится в соответствии с требованиями ГОСТ (рисунки в масштабе, единицы измерения в системе СИ) черными чернилами или пастой.

5. Лабораторная работа считается выполненной при наличии подписи преподавателя. Отработка пропущенного лабораторного занятия производится в специально отведенное для этого время под руководством учебного лаборанта.

Лабораторная работа № 3

( Часть 1 )

Кручение стального образца круглого поперечного

сечения в пределах упругих деформаций.

Цель работы:

- проверка справедливости закона Гука при кручении;

- определение модуля упругости второго рода (модуля сдвига).

1. Описание работы

При кручении, как и при растяжении или сжатии, в начальной стадии деформации образца для большинства металлов имеют место линейная зависимость между углом закручивания  и крутящим моментом М_кр - закон Гука (рисунок 1). По диаграмме кручения, аналогично диаграмме растяжения, можно видеть все характерные участки (кроме участка разрушения, т.к. при кручении “шейка” на образце не образуется) и точки, соответствующие моментам пропорциональности М_пц, текучести М_т и максимальному моменту М_макс. По величинам этих моментов можно определить механические характеристики прочности материала - пределы пропорциональности, текучести и прочности:

М_пц М_т М_макс

_пц = , _т = , _в = , ( 1 )

W_ W_ W_

где W_ =  d³/16 - полярный момент сопротивления сечения образца.

Для вала круглого поперечного сечения угол закручивания определяется по формуле:

М_кр l

 = , ( 2 )

G I_

где l - расчетная длинна образца

G - модуль сдвига

I_ = d⁴ / 32 - полярный момент инерции поперечного сечения об-

разца.

При кручении длина l и диаметр d образца в пределах упругих деформаций остаются неизменными. Величина модуля сдвига может быть определена из закона Гука, если в пределах пропорциональности для заданного приращения крутящего момента  М_кр на образце будут измерены приращения угла закручивания:

М_кр l

G = . ( 3 )

 I_

Справедливость закона Гука при кручении может быть подтверждена и графически путем построением начального участка диаграммы в координатах  - М_кр ( рис. 1).

Рисунок 1 - Диаграмма кручения

Для испытания используются стандартные круглые образцы диаметром d = 10 мм и расчетной длиной l = 100 мм (рисунок 2).

EMBED PBrush

Рисунок 2 - Образец для испытания на кручение

Перед нагружением образца определяют величину максимального крутящего момента, при котором в образце возникнут напряжения, равные пределу пропорциональности

М_{кр макс}  _пц W_, ( 4 )

где _пц - предел пропорциональности материала образца при сдвиге.

Зная максимальный крутящий момент и задавшись необходимым числом замеров (5-6), определяют величину степени нагружения  М_кр.

Испытание проводятся на машине для испытания образцов на кручение КМ-50; измерение угла закручивания осуществляется с помощью экстензометра.

Машина КМ-50 с максимальным крутящим моментом 500 Нм предназначена для проведения различных испытаний на кручение образцов круглого, прямоугольного и кольцевого сечений. Схематическое устройство машины показано на рисунке 3.

Крепление образца в захватах 2 производится с помощью клиновидных вкладышей с рифленой рабочей поверхностью, набор которых для образцов различных размеров и сечений входит в комплект машины. Для установки образцов разной длины нижний (активный) захват можно быстро перемещать, вращая маховик 2.

На станине машины, состоящей из основания 15, двух колонн 14 и траверсы 13, смонтированы ее основные узлы: механизм нагружения, силоизмерительный механизм, устройство для отчета углов закручивания и самопищущий диаграммный аппарат.

Н а г р у ж а ю щ е е у с т р о й с т в о. Электродвигатель, установленный на основании станины, через коробку скоростей и червячную пару 1 приводит во вращение грузовой вал 13 с нижним захватом. Механический привод сообщает валу две скорости вращения 0,3 и 0,1 об/мин. Для других скоростей (меньших ) используется ручной привод 12.

С и л о и з м е р и т е л ь н ы й м е х а н и з м обеспечивает регистрацию величины крутящего момента, передаваемого через испытываемый образец к верхнему (пассивному) захвату. При нагружении образца верхний захват вместе с валом 9 поворачивается на небольшой угол, пропорциоальный величине крутящего момента, и вызывает с помощью гибкой тяги 8 соответствующее отклонение маятникового силоизмерителя 3 от вертикального положения. В комплекте для маятника имеется три различных груза, позволяющих создавать следующие пределы измерения крутящего момента: 100, 200, и 500 Нм. При отклонении маятника через рычаг 7 приводится в движение рейка 6, на одном конце которой закрепляется самописец диаграммного аппарата 4, а на другом - зубчатая пара, перемещающая стрелку шкалы нагрузок 5. Для измерения углов закручивания при испытаниях образцов до разрушения служит связанный с нижним захватом лимб (шкала углов закручивания) с указательной стрелкой. Угол закручивания образца определяется углом поворота нижнего захвата относительно верхнего.

Для точных измерений углов закручивания в пределах упругих деформаций на образце устанавливается специальное устройство - экстензометр (торсиометр). Экстензометр (рисунок 4) состоит из двух колец 1 и 3, неподвижно закрепленных на образце, и стрелочного индикатора часового типа 4. При кручении образца одно кольцо поворачивается относительно другого, вследствие чего сменная планка 2, жестко закрепленная на кольце 3, с помощью тросика 6 будет перемещать штифт 5 индикатора, закрепленного на кольце 1. Перемещение стрелки индикатора А пропорционально углу закручивания образца . Зная цену деления индикатора в миллиметрах (обычно 0,01 мм) и радиус установки индикатора R , нетрудно вычислить цену деления шкалы индикатора в радианах:

( 5 )

Чаще всего величина R подбирается такой, что одно деление по шкале индикатора соответствует 1 минуте угла закручивания.

Пружина индикатора может несколько деформировать тросик, связывающий штифт с планкой 2. Поэтому при снятии отчетов нельзя допускать обратных движений.

База торсиометра, т.е. расстояние между кольцами 1 и 2 может изменяться за счет смены планок в зависимости от длины испытуемого образца и может быть равна 100 и 200 мм.

2. Порядок проведения испытания

2.1. Ознакомиться с устройством испытательной машины КМ-50 и экстензометром для замера упругих деформаций при кручении. Экстензометр на образце устанавливается таким образом, чтобы цена деления стрелочного индикатора соответствовала углу поворота фиксированных сечений на 1 минуту. Образец с установленным экстензометром закрепляется в захватах машины заранее и производится предварительная проверка показаний индикатора.

2.2. Нагружение образца производят вручную. Начальный крутящий момент М_кр принимают за условный ноль и при этом значении снимают первое показание по. Далее увеличивают крутящий момент одинаковыми ступенями  М_кр, производят соответствующие отчеты по экстензометру и заносят их в журнал испытаний.

2.3. Доводить нагрузку до очередного значения всегда нужно снизу, т.е. переходить заданную нагрузку, а затем производить частичную разгрузку не допускается.

2.4. Осуществив последнюю ступень нагружения, следует разгрузить образец до нагрузки, соответствующей начальной, и проверить показания по данным первой записи. Результаты опыта можно считать достоверными, если показания индикатора при этом вернутся к первоначальным. Снятие отчетов по индикатору можно также производить и при разгрузке образца по ступеням.

3. Обработка результатов испытаний

После очередной записи отчета по индикатору в журнале испытаний для каждой ступени нагружения производится подсчет приращения показаний, которые затем переводятся согласно цене деления экстензометра в минуты угла закручивания. В последней колонке таблицы журнала испытаний подсчитывается нарастающий угол закручивания испытуемого образца.

По значению величин нагрузки М_кр (из первой колонки таблицы) и соответствующему этой нагрузке значению суммы приращений угла закручивания строится график диаграммы кручения в координатах М_кр -  , по которому просматривается линейность зависимости между М_кр и .

Для среднего приращения момента (ступени нагружения)  М_кр определяется среднее приращение угла закручивания  по формуле:

( 6 )

где п - число ступеней нагружения.

Модуль упругости второго рода определяется на основании формулы (3 ) с учетом перевода минут в радианы

( 7 )

где l - расчетная длина, равная расстоянию между опорными кольцами экстензометра.

Полученное в опыте значение модуля сдвига сравнивается с табличным значением G_т = 810^ Па и определяется погрешность опыта

% ( 8 )

В заключении работы делаются выводы по полученным результатам и составляется журнал испытаний.

4. Журнал испытаний

4.1. Размеры образца: Диаметр d =........мм;

Расчетная длина l =.........мм;

Полярный момент инерции

поперечного сечения =.............м⁴

EMBED PBrush

Рисунок 5 - Образец для испытания

Результаты испытаний образца

М_кр, Cреднее приращение

Н^.м крутящего момента М_кр =........Нм

Среднее значение угла закручивания,

соответствующее М_кр:

_ср==.........мин

, мин

Рисунок 6 - Экспериментальная зависимость между

крутящим моментом и углом закручивания

Модуль упругости 2 рода:

опытный .........МПа

теоретический G_т = 8 ^. 10⁵ МПа

Расчетная погрешность

=..............%

Выводы:

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. При каком нагружении прямой брус испытывает деформацию кручения?

2. Какое правило знаков принято для крутящих моментов?

3. Что называется углом закручивания?

4. Как выражается закон Гука при кручении?

5. По каким формулам можно определить модуль упругости второго рода?

6. Как опытным путем определяется модуль упругости второго рода?

7. Как определяется угол закручивания образца экспериментально?

Какие измерительные приборы и приспособления при этом применяются?

8. Что называется жесткостью поперечного сечения бруса при кручении?

Какова размерность жесткости поперечного сечения.

9. Какие факторы влияют на величину угла закручивания?

10. По какой формуле определяется полярный момент сопротивления для

круглого вала сплошного сечения и для вала кольцевого сечения?

11. Объясните схематическое устройство и принцип работы испытательной машины типа КМ-50?

12. Каким образом осуществляется изменение диапазона нагрузок /моментов/ на машине КМ-50?

13. Объясните назначение и устройство экстензометра. Как он работает?

Рисунок 3 - Схематическое устройство машины КМ-50

2 R

1 

А

6

4

5

3

Рисунок 4 - Экстензометр для измерения углов закручивания

Лабораторная работа № 3

( Часть 2 )