Сопротивление материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ

САЛАВАТСКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра "Сопротивление материалов и строительная механика"

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по курсу

"Сопротивление материалов"

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" ( специальностей18.04,21.02,25.04).

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

Захаров Н.М., доцент, к.т.н.

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

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1996

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 оборудовании 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 ГОСТа (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 №1

Испытание на растяжение образцов из малоуглеродистой стали

Цель работы:

1. Ознакомление с методикой проведения испытания на растяжение.

2. Определение механических характеристик материала.

3. Проверка явления наклепа.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ИСПЫТАНИЯ

Испытание на растяжение является одним из основных видов испытания материалов, позволяющим выявить наиболее важные их свойства. Для испытания применяются лабораторные образцы цилиндрической ( рис.1)

или плоской формы, размеры и режим нагружения которых соответствуют ГОСТ 1497-84. Между расчетной длиной образца 1о и размерами поперечного сечения А₀ ( или d₀ для круглых образцов ) выдерживается определенное соотношение:

-у длинных ( десятикратных ) образцов 1₀ ? 11,3 ( или 1₀ ?10 d₀);

-у коротких ( пятикратных ) образцов 1₀ ? 5,65 ( или 1₀ ? 5 d₀ ).

Образцы изготавливают с головками на концах для закрепления их в захватах испытательной машины. Кроме этого, головки препятствуют развитию деформаций в прилегающих к ним участкам.

Испытание проводится на универсальной испытательной машине УММ-5 с электромеханическим приводом, предназначенной для статических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и срез. Принципиальная схема такой винтовой машины представлена на рис.2.

Электродвигатель 1 через коробку скоростей и червячную шестерню 2 вращает гайку 3, вследствие чего нагружающий винт 4 перемещается вдоль оси, увлекая за собой нижний захват 6 ( винт можно вращать и вручную при помощи рукоятки 5 ). В клиновых обоймах захватов 6 и 8 помещаются специальные приспособления для зажима головок цилиндрических или плоских образцов. Рычаг 9 имеет две опоры 10, 11, позволяющие воспринимать как сжимающую, так и растягивающую нагрузки. От рычага через промежуточные звенья силоизмерительного механизма усилие передается штанге маятника 12, который под нагрузкой отклоняется на некоторый угол. При отклонении маятника перемещается рейка 13, поворачивающая зубчатое колесо со стрелкой 14, указывающей на круговой шкале 15 силоизмерителя действующую нагрузку.

Диаграммный барабан 17 при деформации образца поворачивается зубчатой рейкой 18, прикрепленной к кронштейну нижнего захвата машины. Перо 16 пишущего устройства жестко связано с рейкой 13 и перемещается пропорционально отклонению маятника (пропорционально нагрузке) Меняя грузы на маятнике, можно получить четыре диапазона нагрузок 10 20, 25 и 50 кН. При этих нагрузках 1 мм на диаграммном аппарате по оси нагрузок будет соответствовать усилию в 50, 100, 125 и 250 Н. Запись диаграммы по оси деформаций производится в двух масштабах 1:1 или 5:1, т.е. 1 мм по оси абсцисс соответствует удлинению образца на 0,1 или 0,02 мм.

Лабораторный образец закрепляется в захватах испытательной машины и подвергается нагружению на одноосное растяжение. При этом записывающее устройство вычерчивает в определенном масштабе диаграмму растяжения - график зависимости между растягивающей нагрузкой F и удлинением образца ? l (рисунок 3). Чтобы получить диаграмму, характеризующую только механические свойства материала ( исключающую влияние исходных размеров образца), первичную диаграмму перестраивают в координатах у-е (рисунок 4). Она называется условной диаграммой, т.к.. ординаты ее получают делением значений растягивающей

силы F на первоначальную площадь А₀ поперечного сечения образца (у = F/А₀),а абсциссы - делением абсолютных удлинений расчетной части образца ? l на первоначальную ее длину ( е = ? l / 1₀). Механические характеристики материала определяются по условной диаграмме. Если делить в каждый момент времени растягивающую нагрузку на текущую площадь поперечного сечения образца ( что сложно осуществить в процессе растяжения образца ), можно получить значения истинных напряжений и построить так называемую истинную диаграмму напряжений ( рис. 4 ) - штриховая линия ), которая чаще всего служит для теоретических исследований.

Рассмотрим характерные участки и точки диаграммы растяжения.

На участке ОА диаграмма имеет линейную зависимость между удлине-нием и растягивающей силой и характеризует упругую стадию работы ма-териала. На этом участке выполняется закон Гука:

или . (1)

Если образец на участке ОА разгрузить, то упругая деформация исчезает. Ордината точки А конца прямоугольного участка соответствует нагрузке F_ПЦ отношение которой к площади сечения образца А₀ определяет предел пропорциональности

. (2)

Предел пропорциональности есть наибольшее напряжение, до которого выполняется закон Гука. В непосредственной близости к пределу пропорциональности находится предел упругости - наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается. За предел упругости принимается напряжение, при котором имеет место незначительная относительная деформация порядка 0,05 %. Значения величин у_ПЦ и практически совпадают и считаются равными.

За пределом упругости на участке АВ диаграмма приобретает криволинейное очертание, переходящее в отрезок ВС, почти параллельный оси абсцисс. Этот отрезок, называемый площадкой текучести, отображает состояние текучести материала образца, при котором его удлинение возрастает при постоянной нагрузке. Удлинение образца в стадии текучести происходит за счет пластической деформации материала, которая происходит равномерно по всей длине образца.

Ордината точки В соответствует нагрузке, отношение которой к площади определяет предел текучести

. (3)

Пределом текучести называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии. Четко выраженную площадку текучести имеют, как правило, малоуглеродистые стали. У высокоуглеродистых, легированных сталей и ряда других металлов площадки текучести и на диаграмме растяжений не наблюдается. В этом случае определяют так называемый условный предел текучести , представляющий то напряжение, при котором относительное остаточное удлинение составляет 0,2% (рисунок 5).

Явление текучести сопровождается перестройкой структуры материала происходит устранение нерегулярностей в атомной решетке, в результате чего увеличивается сопротивляемость материала возрастающей нагрузке Наступает так называемая стадия самоупрочнения . На участке упрочнения СД диаграммы образец равномерно удлиняется и сужается по всей длине Нагрузка возрастает и достигает наибольшего значения Fmах, которое соответствует ординате точки Д диаграммы.

Условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке F_max называется пределом прочности или временным сопротивлением материала.

. (4)

С момента, когда нагрузка достигает наибольшего значения, дальнейшая остаточная деформация приобретает местный характер, концентрируясь около наиболее слабого участка ( имеющего случайные нарушения структуры материала образца в виде пузырьков, шлаковых включений, царапин и т.д.), где начинается образование так называемой "шейки", т.е.местного сужения поперечного сечения образца. Площадь сечения образцав месте образования шейки резко уменьшается, что сопровождается снижением усилия, необходимого для дальнейшего растяжения образца до его разрыва. Это уменьшение нагрузки изображается ниспадающим отрезком ДЕ диаграммы. Точка Е соответствует моменту разрушения образца. В момент разрыва образца определяются два значения напряжений - условноеи истинное:

,

,

где А_ш - площадь сечения шейки в месте разрушения.

При нагружении образца в пределах участка ОА в нем возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические ( остаточные ) деформации. Если начать разгружать образец за площадкой текучести на участке упрочнения СД ( например, от точки К.),то перо самописца будет вычерчивать прямую КО₁ параллельно участку ОА. При этом на диаграмме будут фиксироваться как упругие ( О₁О₂ ), так и остаточные ( ОО₁ ) деформации; в таком состоянии образец будет обладать иными по сравнению с начальным состоянием механическими характеристиками. Так, если повторно нагружать образец, будет вычерчиваться диаграмма , характеризующая материал с другими свойствами. Такое явление предварительного пластического деформирования за пределом текучести в холодном состоянии называется наклепом. При наклепе исчезает площадка текучести; повышается (на 50-80%) исходный предел пропорциональности до того напряжения, с которого была начата разгрузка (точка К), а также уменьшается остаточное удлинение ( вместо ). Изменение указанных параметров улучшает упругие свойства материала, но в то же время понижает его пластичность и вязкость. В инженерной практике в ряде случаев явление наклепа нежелательно и его устраняют, например, термообработкой в виде отпуска- нагревом до 650-700°С. В других случаях, наоборот, наклеп полезен и его создают искусственно, например, для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней.

Все механические характеристики, полученные при растяжении образцов, можно разделить на четыре группы.

1.1. Характеристики прочности

Основными характеристиками прочности материалов, которые используются в практических расчетах как предельные напряжения, являются предел прочности (временное сопротивление) и предел текучести .

Предел текучести является напряжением, опасным обычно для пластичного материала, а предел прочности - для хрупкого.

1.2. Характеристики пластичности материала

Мерами пластичности материала образца являются две механические характеристики:

относительное остаточное удлинение

, (6)

относительное остаточное сужение

, (7)

где 1_к - расчетная длина образца после разрыва;

А_Ш - площадь "шейки" образца после разрыва.

В зависимости от величины относительного остаточного удлинения материалы делятся на пластичные при % и хрупкие при Пластичность материала характеризует его технологические качества, например, ковкость. Детали из хрупкого материала сохраняют свою форму до разрушения.

1.3. Характеристики упругости материала

Характеристиками упругости материала являются: предел упругости и модуль упругости 1-го рода Е, который может быть определен по диаграмме напряжений как тангенс угла наклона прямолинейного участка к оси абсцисс ( рис. 3),

. (8)

После операции наклепа модуль упругости Е возрастает на 20-30 %.

1.4. Энергетические характеристики материала

Энергетическими характеристиками материала являются полная Р и удельная работа р, затраченная на разрушение образца. Полная работа графически изображается площадью диаграммы растяжения образца в координатах F - ( рисунок 3). Приближенно полную работу можно вычислить по формуле

, (9)

где - наибольшая нагрузка на образец;

?1 - полная деформация образца;

- коэффициент заполнения диграммы, определяется экспериментально (для стали = 0,8 ).

Удельная работа, затраченная на разрыв образца, представляет собой работу, отнесенную к единице объема его рабочей части:

, (10) где V = - объем рабочей части образца.

Чем большую работу надо затратить на разрыв образца, тем большую энергию в состоянии поглотить материал, не разрушаясь, и тем лучше он будет сопротивляться ударным и другим нагрузкам.

2. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

2.1. Перед испытанием замерить и записать в журнал испытаний основные размеры образца. Ознакомиться с устройством испытательной машины, диаграммного аппарата и силоизмерительного устройства.

2.2. Закрепить лабораторный образец в захваты испытательной машины, подготовить диаграммный аппарат и включить устройство нагружения образца(выполняет лаборант).

2.3. Наблюдая за стрелкой силоизмерителя, зафиксировать величины нагрузок текучести, максимальной и разрыва. Выполнить проверку явления наклепа путем разгрузки и последующего нагружения образца. Обратить внимание на образование "шейки" в процессе разрушения образца.

2.4. После выключения испытательной машины освободить образец из захватов, снять диаграмму растяжения с диаграммного аппарата.

2.5. Выполнить обработку результатов испытания: снять замеры образца после разрушения, перечертить первичную диаграмму растяжения и перестроить ее в координатах , определить механические характеристики образца. Все результаты свести в журнал испытаний, сделав соответствующие выводы по испытуемому материалу ( например, о соответствующеймарке стали ).

3. ЖУРНАЛ ИСПЫТАНИЯ3.1. Лабораторный образец и его размеры

Рис. 6. Образец до и после испытания

Механические характеристики материала:

Предел пропорциональности МПа Предел текучести МПа Предел прочности МПа Напряжение в момент разрыва:

условное = МПа истинное = МПа

Относительное удлинение при разрыве

% Относительное сужение при разрыве

%

Полная работа, затраченная на разрушение образца,

Дж

Удельная работа, затраченная на разрушение образца,

Дж/м³

Выводы:

4. Контрольные вопросы

1. С какой целью проводятся экспериментальные исследования материалов и конструкций? Сформулируйте основные цели испытания на растяжение материалов.

2. Какой формы и размеров используются образцы при испытании на растяжение?

3. Опишите устройство испытательной машины УММ - 5. Назовите ее основные характеристики.

4. Изобразите диаграмму растяжения малоуглеродистой стали. Покажите упругие, остаточные и полные абсолютные деформации при нагружении силой большей, чем F_ПЦ.

5. Как распределяются деформации по длине образца до и после появления шейки? При какой нагрузке появляется шейка?

6. Объясните, почему после образования шейки дальнейшее растяжение образца происходит при все уменьшающейся нагрузке?

7. Перечислите механические характеристики, определяемые в результате испытаний материала на растяжение. Назовите характеристики прочности и пластичности.

8. Дайте определение предела пропорциональности, предела упругости предела текучести и предела прочности.

9. Как определить предел текучести материала при явном отсутствии площадки текучести?

10. Какие деформации называются упругими, какие остаточными? Как определяются остаточные деформации после разрушения образца?

11. Какое явление называется наклепом? Какие свойства материала при этом изменяются? До какой величины можно довести предел пропорциональности при наклепе?

12. Как определяется полная работа разрушения образца? О каком свойстве материала можно судить по удельной работе разрушения образца?

13. Чем отличается истинная диаграмма напряжений от условной?

14. Как определить модуль упругости 1-го рода материала по диаграмме напряжений?

15.Чем отличается хрупкий материал от пластичного? В чем преимущества пластичного материала перед хрупкими?

16. Как определить марку стали по результатам лабораторных испытаний?