Лаб_ работы по Сопромату часть 1

2

УДК 620.17 (075.8)

Лабораторный практикум по сопротивлению материалов: Учебное пособие к

технического университета им. А.Н. Туполева, изучающих сопротивление материалов. Для каждой лабораторной работы приводится краткая теоретическая часть, описание оборудования, установок и приборов, используемых при испытаниях, порядок проведения испытаний и обработки полученных результатов.

Включен самый необходимый материал, позволяющий студентам в

отведенное для лабораторной работы время ознакомиться с методикой и под руководством преподавателя выполнить лабораторную работу.

Табл. - 3. Ил. - 19. Библиогр. - 4 назв.

3

Целью лабораторных работ по курсу сопротивления материалов является:

1)экспериментальное изучение сопротивления материалов (опытное изучение деформаций и проверка на опыте положений теории),

2)изучение методики механических испытаний, машин и государственных стандартов на испытания, правил оформления протоколов испытаний;

3)ознакомление студентов со средствами и методикой экспериментального исследования прочности деталей конструкций и машин.

Для выполнения лабораторной работы студент должен подготовиться, используя настоящее методическое руководство. При проведении лабораторных работ каждый студент заполняет журнал, который является отчетным документом.

Прежде чем приступить к выполнению лабораторных работ, студент

должен ознакомиться с инструкцией по технике безопасности для работающих в механической лаборатории, помещенной в журнале лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИСПЫТАНИЕ ОБРАЗЦА ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы - получение диаграммы растяжения и определение механических характеристик пластичной стали.

Постановка задачи. Поведение материалов при механическом нагружении определяется механическими свойствами. Основные из них:

∙прочность - способность материала сопротивляться внешним нагрузкам; хрупкость - способность материала разрушаться при незначительных деформациях; пластичность - способность

материала давать значительные остаточные деформации при нагружении;

4 ∙ упругость - способность материала восстанавливать свои

первоначальные размеры и форму после разгрузки. Механические свойства определяются механическими характеристиками.

Испытания на растяжение проводятся на специальных испытательных машинах, которые измеряют величину растягивающей силы и автоматически вычерчивают машинную диаграмму растяжения в координатах: удлинение образца l - растягивающая сила P. Ординаты машинной диаграммы зависят не только от материала, но и от размеров образца, поэтому машинную диаграмму перестраивают в условную диаграмму растяжения в координатах:

напряжение σ = PF0 (сила, приходящаяся на единицу первоначальной площади поперечного сечения образца) - относительное удлинение ε = ll0

(удлинение, деленное на первоначальную длину образца). Условная диаграмма растяжения характеризует механические свойства материала.

Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали имеет характерный вид (рис. 1.1, кривая а). На участке ОР диаграммы наблюдается линейная зависимость между удлинением и растягивающей силой.

Рис.1.1.Диаграммы растяжения малоуглеродистой стали: а - машинная; б - приведенная; в - истинная

Наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и относительным удлинением -

предел пропорциональности - обозначается σ пц . При дальнейшем увеличении

напряжений деформации начинают расти быстрее нагрузки и диаграмма

5

становится криволинейной. Приближенно за предел пропорциональности принимают напряжение в точке перехода линейного участка в криволинейный. По ГОСТу 1497-73 определяют условный предел пропорциональности как напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона,

образованного касательной к кривой деформации P − l в точке Pпц с осью нагрузок, увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке.

Если нагружение образца прекратить в какой-либо точке, например, в точке С на кривой а (рис. 1.1, кривая а), то разгрузка пойдет по прямой СО1, параллельной ОР. Тогда полную деформацию образца (отрезок ОО2) можно представить в виде суммы остаточной ( ОО1 ) и упругой (О1О2 ). Деформацию, исчезающую после разгрузки образца, называют упругой. Наибольшее напряжение, при котором имеют место только упругие деформации, называют пределом упругости и обозначают σ у . Деформации, остающиеся после разгрузки образца, называют остаточными. По ГОСТу 1497-73 определяют условный предел упругости как напряжение, при котором остаточное удлинение достигнет 0,05% от первоначальной длины участка образца, равного базе тензометра. При дальнейшем растяжении образец удлиняется при постоянной нагрузке, или, как говорят, "течет". При этом на полированной поверхности образца появляются линии сдвига, наклоненные под углом в 45° к оси образца. На диаграмме растяжения образуется горизонтальный участок, называемый площадкой текучести. Напряжение, при котором деформация растет без увеличения нагрузки, называют пределом текучести и обозначают

σТ (рис.1.1, кривая б). За пределом текучести материал упрочняется и нагрузки возрастают до максимального значения. Напряжение, соответствующее наибольшему значению нагрузки Pmax . предшествующей разрушению образца,

называют временным сопротивлением или пределом прочности и обозначают

σв или σ пц . Для пластических материалов более употребителен термин

"временное сопротивление".

6

За точкой В способность к равномерному удлинению образца исчерпана, деформации в основном сосредоточиваются в одном из сечений образца, образуется местное сужение, называемое "шейкой", и нагрузки на образец падают. Диаграмма растяжения не дает правильного представления о поведении материала на участке разрушения, ибо в действительности сопротивление деформированию возрастает. Этот недостаток исправляет истинная диаграмма напряжений (рис.1.1,. кривая в), где напряжения вычисляют путем деления нагрузки на площадь поперечного сечения шейки.

Истинное напряжение, при котором происходит разрушение образца,

называют сопротивлением отрыву Sk .

Пластические свойства материалов характеризуются относительным удлинением и относительным сужением. Относительное удлинение δ - это

отношение остаточного удлинения после разрыва образца к первоначальной его длине (в процентах). Относительное сужение ψ - это отношение изменения

площади образца в шейке после разрушения к его первоначальной площади поперечного сечения (в процентах).

Работа, затраченная на разрушение образца, характеризует способность материала сопротивляться ударным нагрузкам; чем она больше, тем лучше материал сопротивляется ударным нагрузкам. Эта работа равна площади диаграммы растяжения с учетом масштаба. Для исключения влияния размеров образца вычисляют удельную работу деформации а, относя работу к первоначальному объему образца V0 = F0l0 .

Для получения сопоставимых результатов испытания на растяжение проводят по единой методике, зафиксированной в ГОСТе 1497-73. Там при

определении предела текучести рекомендуется выбирать скорость нагружения образца с учетом жесткости испытательной машины.

Образцы для испытаний. Для испытаний на растяжение применяют стандартные образцы, форма и размеры которых регламентируются ГОСТом 1497-73. Чтобы получить сопоставимые относительные удлинения расчетная

7

длина образца l0 , на которой определяются удлинения, должна зависеть от площади поперечного сечения. ГОСТ рекомендует длинные образцы

(называемые иногда десятикратными, с расчетной длиной l0 = 11,3F0 ) и

короткие (пятикратные, l0 = 5,65F0 ). Величины относительных удлинений

при применении образцов разной кратности получаются различными и обозначаются δ5 - для коротких образцов и δ10 - для длинных.

Образец диаметром 10 мм называют основным, образцы с другими размерами сечений называют пропорциональными. Большее распространение получили короткие образцы диаметром 6 мм как требующие меньшего количества материала, например, образец типа 3 по ГОСТу 1497 - 73 (рис.1.2).

Допускаемая разность наибольшего и наименьшего диаметра на длине рабочей части образца не более 0,03 мм.

'Рис. 1.2. Образец для испытаний на растяжение (тип 3 по ГОСТу 1497-73) Испытательная машина. Испытания проводятся на универсальной машине

ИМ - 4А конструкции ЦНИИТМАШ. Эта настольная машина имеет малый вес (160 кг), большую скорость нагружения ( V = 1 мм/мин), что ускоряет процесс испытания, но по точности несколько уступает другим машинам. Машина ИМ - 4А предназначена для испытаний на сжатие; для испытаний на растяжение образец устанавливается в реверсор. Максимальная нагрузка – 40 кН; нагружение – механическое винтовое; силоизмерительный механизм - рычажно-маятниковый. Машина снабжена диаграммным аппаратом (рис. 1.3).

8

Рис.1.3.Схема машины ИМ-4А Механизм нагружения состоит из винтового шпинделя 8 и зубчатой гайки

6, приводящейся во вращение от электромотора 1 посредством двух червячных 2,4 и зубчатой 5 передач. При вращении гайки винтовой шпиндель 8 поднимается вверх, подвергая деформации образец, установленный на стол 10. Машина имеет также ручной привод от рукоятки 3. Настройка машины перед испытанием производится путём вращения шпинделя в неподвижной гайке 6 за столик 10 при выключенном стопоре 9. В рабочем состоянии шпиндель 8 фиксируется от проворачивания штифтом 9, и движется только поступательно.

Усилие, возникающее при деформации образца, передается через упор 15 на рычаг 16, который посредством тяги 18 связан с коротким плечом маятника 22. При отклонении маятника 22 поводок перемещает каретку 19, на которой установлен указатель нагрузки и пишущее устройство. Горизонтальное перемещение груза 25 маятника 22 прямо пропорционально усилию на образец и поэтому шкала машины прямолинейна и равномерна. Она имеет два диапазона нагрузок от 0 до 40 кН и от 0 до 20 кН. При перестройке с большей

шкалы на меньшую следует снять с маятника один из двух подвешенных к нему грузов 23.

Диаграммный аппарат состоит из двух барабанов 20 и 21. На барабан 21 устанавливается рулон бумаги. Барабан 20, на который наматывается

9

миллиметровая бумага для автоматической записи диаграммы, получает вращение, пропорциональное перемещению стола, т.е. деформации образца, от гайки 6 посредством цилиндрических и конических зубчатых колес. Окружное перемещение барабана на 1 мм соответствует деформации образца, равной 0,01 мм, т.е. деформации на диаграмме записываются с увеличением в 100 раз. Усилие на диаграмме фиксируется по оси барабана пишущим устройством, укрепленным на каретке 19. Масштаб сил: при шкале "40 кН" - в 1 см 1 кН и при шкале "20 кН" - в 1 см 0,5 кН.

Диаграмма записывается справа налево, т.е. в направлении, обратном по сравнению с принятым на других машинах. Машинная диаграмма на машине ИМ-4А имеет систематические искажения - увеличение деформаций вследствие перемещения верхнего упора пропорционально действующей нагрузке. Однако

эти перемещения малы и при определении механических характеристик могут не приниматься во внимание.

Проведение испытаний. Измеряется микрометром диаметр образца с точностью до 0,01 мм в двух взаимно перпендикулярных направления и в трех местах по длине рабочей части. Для определения механических характеристик принимается средний из замеренных диаметров d0 . Расчетная длина l0

измеряется штангенциркулем о точностью до 0,1 мм. Производится настройка машины на нужную шкалу. Образец 13 вставляется в реверсор 12. Вынув штифт 9, фиксирующий корпус винта со столиком, и перемещая последний путем вращения, устанавливают реверсор с образцом на этот столик. Затем вращают столик 10 до тех пор, пока верхний торец реверсора не упрется в упор 15, после чего штифт устанавливают на место. Включают электродвигатель и проводят испытание до разрушения образца. Затем машину выключают.

Разрушенный образец составляют как одно целое и замеряют диаметр

направлениях у места разрыва и принимается в расчет среднее арифметическое этих замеров.

10

Обработка результатов испытаний. Начинают с обработки машинной диаграммы. К ясно выраженному начальному прямолинейному участку диаграммы проводят касательную. Точка пересечения касательной с осью абсцисс принимается за начало отсчета деформаций. Самый начальный участок не учитывается, так как он искажен из-за обмятия головок образца, обжатия

реверсора и выборки зазоров силоизмерительного и самопишущего механизмов. Снимают с диаграммы значения нагрузок Pпц , PТ , Pmax , Pк и

записывают в протокол испытания. Туда же заносят результаты замера образца до и после испытания. Удлинение образца при разрушении можно также определить по диаграмме как абсциссу, соответствующую остаточному удлинению образца после разрыва.

По полученным данным подсчитывают механические характеристики:

∙предел пропорциональности σ пц = Pпц F0 ,

∙предел текучести σТ = PТ F0 ,

∙временное сопротивление σв = Pв F0 ,

∙истинное сопротивление отрыву Sк = Pк Fш ,

∙относительное удлинение δ = (lк - l0 )l0 ×100%,

∙относительное сужение ψ = (Fк - F0 )F0 ×100%,

∙удельную работу деформации a = AV0 .

Площадь диаграммы растяжения определяют планиметром или приближенно по формуле

поэтому необходимо соблюдать правила действий с приближенными числами.

Нагрузки P отсчитывают с точностью до 1%, площади подсчитывают с