При выполнении лабораторных работ

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия»

Сафонов В.В.

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

для студентов очного обучения

ТВЕРЬ - 2014

ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Все обучающиеся должны пройти инструктаж по технике безопасности, который проводит преподаватель, ведущий занятия в дан­ной группе, и расписаться в специальном журнале за соблюдение правил техники безопасностипри выполнении лабораторных работ. Все лабораторные занятия проводятся под наблюдением преподавателя или учебного мастера. Для предотвращения несчастных случаев при работе на лабораторных установках обслуживающий персонал и обучающиеся должны выполнить следующие правила:

1. Каждый обучающийся до начала лабораторных занятий должен хорошо усвоить правила техники безопасности и точно их выполнять. Несоблюдение правил безопасности работы приводит к несчастным случаям.

2. Занятия по механическим испытаниям материалов проводятся преподавателем или учебно-вспомогательным персоналом на испытательных машинах. Обучающийся может работать на испытательных машинах и установках только с разрешения и под руководством преподавателя.

3. Запрещается обучающимся самостоятельно включать и выключать испытательные машины, проводить какие-либо операции на них и оставлять их без наблюдения в процессе работы. Обучающимся также не разрешается отлучаться из лаборатории до полного окончания лабораторных работ.

4. Лабораторные занятия проводятся с рабочими испытательными машинами непосредственно, поэтому обучающийся должен знать не только правила техники безопасности при работе в лабораториях, но и правила безопасной работы с испытательными машинами и установками. Поэтому перед выполнением лабораторной работы обучающийся должен освоить общее устройство испытательной машины и установки, правила и порядок проведения испытаний, изложенными в учебном пособии.

5. Одежда обучающегося должна отвечать правилам безопасности работы на рабочем месте. Запрещается работать в одежде с длинными полами, широкими рукавами. Волосы должны быть убраны под головной убор.

6. Во всех лабораториях строго запрещается курить и пользоваться открытым огнем.

7. Все измерения образцов, необходимые для выполнения лабораторных испытаний, проводятся до установки их в захваты испытательных машин. Измерения образцов после испытания можно производить только после их снятия с машины.

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

9. Категорически запрещается пользоваться неисправным инструментом и приспособлениями при разборке, сборке и регулировке машин.

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

11. При проведении лабораторных испытаний для визуального осмотра можно подходить к машине только с разрешения преподавателя, 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.

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

13. Запрещается проводить ремонтные мероприятия, устранять неисправности электрооборудования и чистить машины во время работы или когда они находятся под напряжением. После окончания работы выключить установку из электрической сети.

14. Категорически запрещается при работе оборудования открывать крышки, заслонки, вводить какие либо предметы в зону движущихся частей.

15. После завершения работы обучающийся обязан собрать измерительные инструменты, использованные образцы и сдать их учебному лаборанту или преподавателю. Обучающийся несет материальную ответственность за порчу инструментов и испытательных приборов, повреждения лабораторного оборудования, возникшие по его вине.

16. При нарушении требований техники безопасности обучающийся отстраняется от дальнейшего выполнения лабораторной работы. Если действия обучающегося не привели к серьезным последствиям, то он может быть вновь допущен к занятиям лишь после повторного инструктажа.

Лабораторная работа №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ

Цель работы. Освоение методики проведения статических испытаний на рас­тяжение металлов и изучение процесса растяжения металлических образцов вплоть до их разрушения. Приобретение на­выков определения характеристик механических свойств металлов.

Общие сведения

Значения величин, характеризующих прочностные и деформационные свойства материалов, необходимы для расчетов при проектировании элементов конструкций, деталей машин и механизмов. Стандарт /1/ устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения следующих характеристик механических свойств: предел пропорциональности, модуль упругости, предел текучести физический, предел текучести условный, временное сопротивление, относительное равномерное удлинение, относительное удлинение после разрыва, относительное сужение поперечного сечения после разрыва.

Для испытаний используют стандартные образцы круглого или пря­моугольного сечения (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Стандартные образцы для испытаний на растяжение

Образцы (рис. 1.1) имеют утолщенные головки 1 для закрепления в испытатель­ной машине, переходные части 2 и рабочую часть 3 постоянного по длине сечения. На рабочей части образца рисками отмечается расчетная длина Ɩ₀.

Расчетная длина для круглого образца принима­ется Ɩ₀ = 10d₀ (нормальный образец) или Ɩ₀ = 5d₀ (укоро­ченный образец). Стандарт предусматривает 7 типов образцов, диаметр которых может изменяться в пределах от 3 до 25 мм. Для испытаний листового материала используют прямоуголь­ные образцы, ширина которых b в три раза больше толщины h. Расчетная длина рабочей части плоского образца определяется соотношениями: Ɩ₀ = 11,3 F (нормальный обра­зец); Ɩ₀ = 5,65 F (укороченный образец), где F = 3h² — площадь сечения рабочей части.

Испытания образцов металлов проводят на испытательных машинах, которые должны полностью удовлетворять требованиям стандарта /2/.

Испытательная машина ИМ-12А (рис. 1.2) предназначена для статических испытаний на растяжение цилиндрических и плоских образцов. Максимальное усилие составляет 120 кН (12 т).

1 – станина; 2 – электродвигатель; 3 – редуктор; 4 – рукоятка переключения скорости перемещения нижнего захвата; 5 – направляющие; 6 – рукоятка перемещения нижнего захвата; 7 – нижний захват образца; 8 – верхний захват образца; 9 – рычаг силоизмерителя; 10 – тяга; 11 – винт тяговый; 12 – шкала силоизмерителя; 13 – диаграммный аппарат; 14 – маятник;

Рисунок 1.2 – Испытательная машина ИМ-12А

Испытательная машина имеет чугунную литую станину 1, на которой установлены направляющие 5. По направляющим может переме­щаться в вертикальном направлении нижний захват образца 7.Верхний захват образца 8 закреплен на неравноплечем рычаге, ось которого опирается на шариковые подшипники, закрепленные в верхней части станины. Наибольшее расстояние между захватами машины равно 348 мм. Машина имеет электромеханический привод от электродвигателя (мощность N = 0,7 кВт, число оборотов 1400 мин^-1) через редуктор. Редуктор позволяет изменять при помощи рукоятки 4 скорость перемещения нижнего активного захвата. Всего имеется две ступени скорости перемещения. Нормальная скорость перемещения составляет 2 мм/мин, а на второй ступени скорость составляет 16 мм/мин. Изменение направления движения нижнего захвата производится переключением электродвигателя.

Испытательная машина ИМ-12А имеет нагружающий механизм и силоизмерительное устройство, а также диаграммный аппарат, записывающий зависимость деформации образца от приложенной нагрузки. Схема механизмов испытательной машины показана на рис. 1.3.

1 – червячное колесо; 2 – станина; 3 – маятник; 4 – ролик для намотки бумаги диаграмм­ного аппарата; 5 – карандаш записи диаграммы; 6 – шкала силоизмерителя; 7 – рейка-ползун; 8 – тяга; 9 – тормоз гидравлический; 10 – зубчатая передача привода барабана диаграмм­ного аппарата; 11 – рычаг силоизмерителя; 12 – верхний за­хват; 13 – образец; 14 – нижний за­хват; 15 – рукоятка перемещения нижнего захвата; 16 – винт тяговый; 17 – направляющие; 18 – зубчатая пара привода диаграмм­ного аппарата; 19 – червяк;

Рисунок 1.3 – Схема механизмов испытательной машины ИМ-12А

Нагружающий механизм состоит из тягового винта 16, червячного колеса 1, в которое впрессована зубчатая гайка, и червяка 19. Механизм расположен во внутренней полости станины 2 машины. Червяк 19 соединен с валом редуктора посредством муфты. При включении электродвигателя вращение через редуктор передается на червячную пару. Червячное колесо одновременно является и гайкой для тягового винта. Вращение червячного колеса вызывает поворот гайки и поступательное перемещение тягового винта 16, верхний конец которого имеет захват 14 для закрепления испытываемого образца 13. Гайка опирается на крышку станины посредством упорного подшипника, поэтому при ее вращении тяговый винт 16 перемещается вниз, вызывая растяжение образца 13, который устанавливается в верхнем 12 и нижнем 14 захватах машины. Винт тяговый может свободно вращаться относительно захвата. Вращение винта 16 может также производиться при помощи рукоятки 15 при выключенной основной системе передач (рукоятка редуктора в нейтральном положении) и изъятии стопора. При вращении рукоятки 15 винт тяговый опускается или поднимается в зависимости от направления вращения рукоятки и, следова­тельно, опускает или поднимает нижний захват машины.

Испытательная машина ИМ-12А имеет рычажно-маятниковое силоизмерительное устройство. Оно состоит из рычага первого рода 11 и коленчатого рычага с противовесом, называемого маятником 3. Короткое плечо рычага 11соединено с верхним захватом образца машины. Усилие тягового винта 16 через образец 13 вызывает поворот рычага (показано пунктиром). Длинное плечо рычага 11, связанное шарнирно с кривошипом маятника 3 посредством тяги 8, вызывает отклонение маятника. Значение усилия отмечается на шкале силоизмерителя 6 указателем, находящимся на рейке 7, которая передвигается в горизонтальном направлении поводком с прорезью, укрепленным на маятнике. Плавность опускания маятника после разрушения образца обеспечивается автоматическим гидравлическим тормозом 9. При опускании маятника поршень тормоза поднимается вверх, выжимая масло из нижней части цилиндра в верхнюю. Скорость этого процесса можно регулировать изменением размера щели, соединяющей обе части цилиндра.

Машина имеет диаграммный аппарат, автоматически записывающий на бумаге в масштабе диаграмму растяжения образца. Бумага предварительно наматывается на ролик 4, а свободный конец листа заправляется на поверхности верхнего ведущего барабана. Этот барабан во время работы машины вращается вокруг своей оси при помощи системы зубчатых колес: цилиндрических 18 и конических 10. Угол поворота барабана пропорционален углу поворота гайки, а, следовательно, пропорционален перемещению винта тягового 16, которое можно приблизительно считать равным удлинению образца. Поэтому по окружности барабана на бумаге диаграммного аппарата отмечается абсолютная деформация (удлинение) образца. Одновременно карандаш 5, укрепленный на рейке 7, движется вдоль оси барабана и фиксирует на бумаге перемещение пропорционально нагрузке. В итоге получаем на бумаге кривую, представляющую диаграмму растяжения, т. е. зависимость между удлинением образца и нагрузкой.

В процессе испытания образца на растяжение диаграммный аппарат испытательной машины вычерчивает диаграмму растяжения исследуемого материала в координатах Р (нагрузка) — ΔƖ (удлинение). Характер диаграммы растяжения сущест­венно зависит от механических свойств испытуемого материала. На рис. 1.4 а показан примерный вид диаграммы для пластичного материала (малоуглеродистой стали), а на рис. 1.4 б показан примерный вид диаграммы для высокоуглеродистой стали.

Рисунок 1.4 – Диаграммы растяжения образцов стали

В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией - справедливость закона Гука. Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена через Р _пц и используется для вычисления предела пропорциональности:

σ_пц = Р _пц / F₀ , (1.1)

где F₀ – площадь поперечного сечения образца до испытания.

Пределом пропорциональности σ_пцназывается наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропор­циональная зависимость между нагрузкой, и деформацией. Для Ст3 предел пропорциональности приблизительно равенσ_пц =195…200 Мпа.

Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е.

После достижения предела пропорциональности де­формация начинает расти быстрее, чем нагрузка, диа­грамма становится криволинейной. На этом участке в не­посредственной близости от точкиА находится точка В, соответствующая пределу упругости. Пределом упругости σ_уп называется максимальное на­пряжение, при котором в материале не обнаруживается пластической (остаточной) деформации.

При дальнейшем нагружении образца криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок, когда деформации растут практически без увеличения нагрузки. Участок CD называется площадкой текучести. Нагрузка Р _т , соот­ветствующая точке D, используется при определении фи­зического предела текучести:

σ_т = Р _т / F₀ , (1.2)

Физическим пределом текучести σ_т называется на­именьшее напряжение, при котором образец деформиру­ется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов. Для стали Ст3 σ_т = 220…250 Мпа.

Следует заметить, что явление текучести материала не всегда протекает так плавно, как показано на рис.1.4а. Переход от упругих к пластическим деформациям иногда сопровождается резким падением нагрузки или нагрузка изменяется вокруг некоторого среднего значения, как показано на выноске рис.1.4а.

Для практических целей используют нижний предел текучести.

При испытании материала без записи диаграммы значение Р_Т фиксируется в момент остановки стрелки силоизмерительного устройства.

Хорошо выраженную площадку текучести на диаграмме имеют малоуглеродистые нормализованные стали. Следует иметь в виду, что многие металлы, как например, высокоуглеродистые и легированные стали не показывают на диаграмме площадки текучести. Для этих материалов определяют, так называемый, условный предел текучести.

Условным пределом текучести называется напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2% его первоначальной длины.

Условный предел текучести σ_0,2 вычисляется по формуле:

σ_0,2 = Р _0,2 / F₀ , (1.3)

где Р _0,2– нагрузка, соответствующая остаточному удлинению образца 0,2% его первоначальной длины.

Для определения значения нагрузки, соответствующей условному пределу текучести, вычисляют значение остаточного удлинения, равное 0,2% первоначальной рабочей длины Ɩ₀ образца. На оси абсцисс диаграммы растяжения вправо от точки О (рис. 1.4б) откладывают отрезок ОL, равный полученному удлинению Из точки L проводят прямую LС₁, параллельную прямой ОА. Точка пересечения этой прямой с кривой растяжения определяет значение нагрузкиР _0,2, соответствующее условному пределу текучести.

В период образования площадки текучести на образце появ­ляются линии сдвига, располагающиеся примерно под углом 45° к линии действия растягивающей силы. Эти линии впервые за­метил русский ученый Д. К. Чернов, поэтому их назвали его име­нем.

Диаграмма после зоны текучести снова становится кри­волинейной. Образец приобретает способность восприни­мать возрастающее усилие до значения Р_max (точка E на диаграмме). Усилие Р_max используется для вычисления временного сопротивления.

Временным сопротивлением (σ_в) называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

σ_в = Р_max / F₀ , (1.4)

Временное сопротивление называется также пределом прочности. Для стали марки Ст3 временное сопротивление σ_в = 370…470 Мпа.

Зона DE называется зоной упрочнения(наклепом) материала. Здесь удлине­ние образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраня­ется, а поперечные сечения изменяются незначительно и также равномерно.

При максимальном усилии или несколько меньшем его на образце возникает локальное уменьшение поперечного сечения – шейка.Дальнейшая деформация происходит в этой зове образца. Сечение в середине шейки продолжа­ет быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной, части образца не происходит. Нако­нец, в точке К образец разрушается. Зона ЕК называется зоной местной текучести, Истин­ные напряжения в момент разрыва (в шейке) для образца из стали Ст3 достигают 900... 1000 МПа.

Указанные пределы характеризуют прочностные свойства материалов.

Образец из малоуглеродистой стали разрушается, как правило, с образованием «чашечки» на одной его части и «кону­са» — на другой. Этот излом называют чашечным или изломом «чашечка — конус».

После испытаний образца определяют характеристикипластичности материала:относительное удлинение после разрыва; от­носительное сужение после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва δ (%) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:

где Ɩ_к – длина образца после разрыва, мм;

Ɩ₀ – первоначальная длина образца, мм.

От­носительное сужение после разрыва Ψ (%) –этоотношение уменьшения площади попереч­ного сечения образца в месте разрыва к начальной пло­щади поперечного сечения образца:

где F₀ – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F_к – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва, мм².

Для стали марки Ст3 характеристики пластичности следующие:

δ =25…27%, Ψ =60…70%.

Практическая часть

Задание.Экспериментальноисследовать на рас­тяжение образец металла и изучить процесс растяжения металлического образца вплоть до его разрушения. Определить характеристики механических свойств металла.

В часы самостоятельной работы на подготовительном этапе к выполнению лабораторной работы после изучения общих сведений работы оформляется тетрадь для лабораторных работ, которая должна содержать:

1) наименование и цель работы.

Оборудование и инструменты. Испытательная машина ИМ-12А для статических испытаний на растяжение цилиндрических и плоских образцов металлов. Штангенциркуль типа ШЦ-ΙΙ.