Посібник

Лабораторна робота №2

 

ВИПРОБУВАННЯ МАЛОВУГЛЕЦЕВОЇ СТАЛІ НА РОЗТЯГ. ОСНОВНІ МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МІЦНОСТІ ТА ПЛАСТИЧНОСТІ

 

Методичні вказівки до лабораторної роботи №2

 

Мета роботи: дослідження поведінки пластичного  матеріалу при центральному розтягу.

 

1 ВКАЗІВКИ З ПІДГОТОВКИ ДО РОБОТИ

1.1 Завдання для самостійної підготовки

Під час підготовки до роботи з’ясувати що таке міцність, і які параметри її характеризують. Що таке розтяг і від чого виникає  деформація розтягу. Для чого потрібна діаграма розтягу, в яких координатах її будують. Які властивості має сталь при розтягу. Для чого потрібна діаграма напружень, в яких координатах її будують. Які механічні характеристики міцності має сталь при розтягу.

1.2 Питання для самопідготовки

1.2.1 Що таке міцність матеріалу?

1.2.2 Що таке пластичність матеріалу?

1.2.3 Як визначити напруження у перпендикулярному до осі розтягу перерізі? Як вони називаються?

1.2.4 Яка розмірність нормальних напружень?

1.2.5 Як визначається абсолютна деформація? В яких одиницях вона вимірюється?

1.2.6 Як визначається відносна деформація? В яких одиницях вона вимірюється?

1.2.7 Сформулюйте закон Гука?

1.2.8 Для чого потрібна діаграма розтягу та діаграма напружень?

1.2.9 Вкажіть фізичний зміст модуля Юнга, його розмірність?

1.2.10 Дайте визначення допустимого напруження.

1.2.11 Що належить до механічних характеристик міцності?

1.2.12 Що належить до механічних характеристик пластичності?

1.2.13 Від чого залежить модуль пружності 1 роду?

1.2.14 Від чого залежить коефіцієнт запасу міцності?

 

1.3 Рекомендована література

1 Механіка матеріалів і конструкцій. Лаб. роботи. Навч. посібник для вузів / Цурпал І.А., Пастушенко С.І. і др.- Київ: Аграрна освіта, 2001.-272 с.

2 Цурпал І.А. Механіка матеріалів і конструкцій /І.А.Цурпал - К.: Вища освіта, 2005. -367 с.

 

2 ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ

2.1  Програма роботи

-  дати формулювання поняття „міцність”;

- дати пояснення коли виникає деформація розтягу;

- розглянути зразки, які використовують для випробувань на розтяг;

- зробити обміри зразка і записати результати в журнал спостережень;

- розрахувати площу поперечного перерізу зразка;

- перевірити готовність установки до експерименту, встановити випробувальний зразок в затискачі;

- провести експеримент і за результатами досліду побудувати діаграму розтягу в масштабі;

- визначити, які властивості має сталь при центральному розтягу;

- визначити за допомогою діаграми значення навантажень, що відповідають визначеним властивостям;

- розрахунки занести в  журнал спостережень;

- побудувати діаграму напружень;

- визначити які механічні характеристики міцності має м’яка сталь;

- визначити значення механічних характеристик міцності і розрахунки занести в журнал спостережень;

- визначити значення механічних характеристик пластичності і розрахунки занести в журнал спостережень;

- визначити небезпечні напруження і марку матеріалу зразка;

- відповісти на контрольні запитання;

- захистити лабораторну роботу у викладача.

2.2 Оснащення робочого місця

2.2.1 Методичні вказівки

2.2.2 Наочні стенди, навчальна та технічна література

2.3 Теоретичні відомості

Спостерігання за поведінкою матеріалу i визначення його характеристик міцності і пластичності при розтягу - один із основних i найбільш розповсюджених видів випробувань. Отримані в результаті експерименту характеристики дозволяють робити висновки про міцність матеріалу при статичних навантаженнях, вибирати матеріал для проектованої конструкції i вважаються основними при розрахунках деталей машин, елементів конструкцій i споруд на міцність.

Основні параметри визначають із діаграми розтягу (рисунок 2.1), яку отримують за допомогою пристрою, що записує на випробувальній машині.

Діаграма розтягу потрібна для того, що вивчити внутрішні властивості матеріалу, тобто вона є наочним представленням того, що відбувається з матеріалом усередині.

Для вивчення основних механічних характеристик міцності існує діаграма напружень (рисунок 2.2). Розглянемо обидві діаграми зіставляючи відповідні точки.На етапі навантаження до деякої сили (точка A) спостерігається пряма пропорційна залежність між видовженням зразка i си­лою F, що його викликала і зворотня пропорційна залежність площі поперечного перерізу А.  Позначаючи черезприріст довжини від сили F, можемо записати формулу, що зв’язує ці данні, яка носить назву закон Гука:  

                                               (2.1)

де: Е – коефіцієнт пропорційності, який характеризує   жорсткість матеріалу, МПа;

- величина абсолютного видовження стержня, мм;

                                               (2.2)

де:– довжина зразка після руйнування, мм;

- довжина зразка до руйнування, мм;

А – площа поперечного перерізу, мм².

Взагалі величина Е∙А характеризує жорсткість стержня при розтягу (стиску). Після розвантаження початкова довжина зразка відновлюється, тобто деформація зникає. Ця властивість називається пружністю. Відношення:

                                                (2.3)

називають границею пропорційності. Це i є те напруження, вище якого матеріал перестає підкорятися закону Гука.

При подальшому навантаженні починається незначне відхилення від прямої лінії, після розвантаження деформація зникає не повністю, тобто з’являється залишкова деформація. Сила (точка В) викликає у зразка залишкову деформацію 0,001-0,005%.  Відношення:

                                                (2.4)

називають границею пружності. Це те напруження, після якого з'являються залишкові деформації.

По досягненню  навантаженням деякого значення F_т (точка С) зразок видовжується ("тече") без збільшення, а інколи i при зменшенні навантаження. На діаграмі з’являється так звана «площадка текучості». Після розвантаження є в наявності значна залишкова деформація.

Відношення:

                                                (2.5)

називають границею текучості (фізичною). Наявність «площадки текучості» є свідоцтвом того, матеріал має властивості текучості.

Щоб зразок деформувався дедалі більше, потрібно збільшувати навантаження, матеріал знову здатний чинити опір розтягу. Пояснюється це явище зміцненням матеріалу. Якщо із зразка повністю зняти навантаження то пружна деформація зникне, а залишковазалишиться, перо самописа прокреслить пряму лінію ZО₁, яка буде паралельна пропорційній ділянці ОА. При по­вторному навантаженні, яке буде зразу після розвантаження, перо спочатку накреслить лінію О₁Z,а із збільшенням навантаження переміститься далі по ділянці ZD. Властивості матеріалу змінюються: пластичні властивості погіршуються, а твердість підвищується. Відбуваються зміни в кристалічній решітці матеріалу, він зміцнює сам себе. Це призводить до появи явища поверхневого наклепу, тобто об’ємного зміцнення. В одних випадках ці зміни корисні, в інших шкідливі i їx усувають. Подальше збільшення навантаження призводить до появи "шийки" на зразку i руйнування (рисунок 4). До моменту появи шийки навантаження на зразок досягає свого максимального значення F_мц або F_тм (точка Д). Відношення 

                                            (2.6)

називають границею міцності σ_мц матеріалу або тимчасовим опором σ_тм .

Як тільки на зразку утворюються шийка (точка Д), навантаження зменшується  i подальше деформування зразка проходить за рахунок видовження в зоні шийки (ділянка ДК). Відношення наванта­ження F_р в момент розриву до площі шийки А_ш в місці розриву:

                                              (2.7)

називають істинним опором розриву.

До моменту розриву робоча частина зразка ℓ₀ видовжилась на величину загальної деформації Δℓ_заг. Після розриву пружна частина загальної деформації зникне, залишиться залишкова деформація Δℓ_зал.

Відношення приросту подовження зразка Δℓ до його початкової довжини ℓ₀

                                               (2.8)

називають відносним залишковим видовженням, або поздовжнею деформацією.

На місці утворення шийки поперечний пepepiз зразка зменшується. Відношення зменшення площі поперечного перерізу в місці розриву ΔА = А_о - А_ш  до початкової площі А_о поперечного пepepiзy зразка

                                               (2.9)

називають відносним залишковим звуженням, або поперечною деформацією.

По величинах ε і ψ оцінюють пластичні властивості матеpiaлy при випробуванні на розтяг.

Якщо обидві частини формули (2.1) розділити на ℓ, отримаємо

                                                  (2.10)

Зробимо необхідні перетворення: права частина це є відносне видовження ε, в лівій частині відношення F/A це є напруження σ, отримаємо інше вираження закону Гука:

                           (2.11)

Таким чином нормальне напруження при розтягу (стиску) прямо пропорційне відносному видовженню з урахуванням коефіцієнта пропорційності Е, який називається модулем пружності 1-го роду (або модулем Юнга) і характеризує опір матеріалу пружній деформації. Його значення залежить від кута нахилу пропорційної ділянки до горизонтальної осі діаграми. Чим більше це значення, тим менше розтягується (стискається) стержень.

Руйнування крихких матеріалів відрізняється тим, що воно відбувається вже при невеликих деформаціях. При розтягу чавунного зразка, до моменту розриву виникають невеликі деформації, руйнування відбувається раптово, величини відносного звуження і відносного подовження є дуже малими. Як правило, крихкі матеріали погано опираються розтягу, їх границя міцності має невелике значення в порівнянні із границею міцності пластичних матеріалів. Якщо розглядати діаграму розтягу крихких матеріалів, то можна відмітити, що вона не має чітко вираженої прямої лінії, яка є на частині пропорційності для пластичних матеріалів. Тому можна сказати, що крихкі матеріали не підкоряються закону Гука.

Згідно з ГОСТ 1497 – 84 при випробуванні на розтяг для забезпечення можливості порівняти результати застосовують пропорційні циліндричні зразки семи типів і плоскі зразки двох типів. Найбільш розповсюджені випробування на циліндричних зразках (рисунок 2.3). Після випробувань зразок видовжується на довжину ℓ₁ і ми отримуємо зруйнований  зразок (рисунок 2.4), на якому є в наявності звужене місце, яке має назву «шийка». Воно може з’явитися  в будь якій послабленій точці по розрахунковій довжині ℓ₀ зразка, це залежить від кількох факторів, які обумовлюють умови виробництва зразка та ін.

Випробування проводять на універсальній випробувальній машині УИМ – 50 (рисунок 2.5). На ній можливо випробувати зразки на розтяг, стиск, згин. Масштаб запису навантаження залежить від шкали, встановленої для проведення випробування. Машину можна настроювати на максимальне навантаження 5, 10, 25 і 50 тон. Масштаб запису подовження складає 1 : 2.

2.4 Оснащення робочого місця

-      стенд УИМ – 50, підготовлений  до проведення експерименту;

- стальний зразок круглого перерізу;

- штангенциркуль;

-     методичні вказівки з виконання лабораторної роботи;

-      калькулятор, олівець, лінійка;

 звіт з лабораторної роботи.

1 рухлива траверса; 2 рухливий захват; 3 зразок; 4 нерухомий захват; 5 силовимірювач; 6 шкала сило вимірювача; 7 діаграмний апарат; 8 тензометр; 9 станина.

                                  Рисунок 2.5 – Схема УИМ – 50

2.5 Інструкція з охорони праці

2.5.1 Загальні вимоги

До лабораторної роботи допускаються студенти, які пройшли інструктаж по техніці безпеки при проведенні лабораторних робіт на кафедрі «Технічна механіка та комп’ютерне проектування ім. професора В.М. Найдиша», що зареєстровано записом у відповідному журналі.

2.5.2 При підготовці до лабораторної роботи

- до початку лабораторної роботи кожен студент зобов’язаний ознайомитись з правилами безпеки при виконанні роботи;

- не починати виконання експериментальної частини без відповідного розпорядження викладача або лаборанта.

2.5.3 Під час виконання роботи

- не тримати на робочому місці сторонні предмети;

- не переходити самовільно на інші робочі місця і не пересуватися без потреби по лабораторії;

- при роботі з установкою чітко дотримуватись рекомендацій лаборанта.

2.5.4 Після закінчення експериментальної частини роботи  здати робоче місце лаборанту або викладачу.

2.5.5 У разі виникнення пожежі необхідно негайно проінформувати викладача або лаборанта, подзвонити по номеру 101.

 

2.6 Рекомендації щодо  виконання роботи й оформлення звіту

2.6.1 чітко і ясно формулювати основні поняття по даній роботі;

2.6.2 не заважати один одному при виконанні експериментальної частини роботи;

2.6.3 при підстановці вихідних даних у формули дотримуватись єдиних одиниць вимірювання;

2.6.4 при формулюванні висновків слід надати порівняльну оцінку результатів, отриманих експериментальним і теоретичним шляхом;

2.6.5 відповіді на контрольні запитання повинні відображати рівень засвоєння матеріалу, бути короткими, точними і по суті запитання;

2.6.6 заповнений бланк лабораторної роботи підписується виконавцем і зараховується у формі співбесіди з викладачем.

3  ЗВІТНІСТЬ ПО РОБОТІ

 

Звіт з лабораторної роботи оформлюється на спеціальному бланку розробленому кафедрою ТМКП ім. професора В.М. Найдиша  і містить необхідні положення для виконання лабораторної роботи (форма звіту додається).