Посібник

Лабораторна робота №3

ВИПРОБУВАННЯ НА СТИСК СТАЛІ, ЧАВУНУ І ДЕРЕВА

 

Мета роботи - дослідження поведінки сталі, чавуну і дерева при стиску та визначення основних механічних характеристик міцності.

 

1 ВКАЗІВКИ З ПІДГОТОВКИ ДО РОБОТИ

1.1 Завдання для самостійної підготовки

Під час підготовки до роботи з’ясувати що таке ізотропні та анізотропні матеріали. Чим відрізняється стиск від розтягу. Які деформації виникають при стиску пластичних та крихких матеріалів. Для чого потрібна діаграма тиску, в яких координатах її будують. Які властивості мають сталь, чавун та дерево при стиску.  Які механічні характеристики міцності мають випробувальні матеріали при стиску.  

1.2 Питання для самопідготовки

1.2.1  Що таке міцність?

1.2.2 Що таке ізотропний матеріал?

1.2.3 Що таке анізотропний матеріал?

1.2.4 Що називають  пружністю?

1.2.5 Що називають текучістю?

1.2.6 Для чого потрібна діаграма стиску?

1.2.7  Зразки якої форми використовують при випробуваннях на стиск?

1.2.8 Що таке залишкові деформації?

1.2.9 Як записати закон Гука при розтягу – стиску?

1.2.8 Як відрізняється стиск крихких матеріалів від стиску пластичних матеріалів?

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 стиску;

- розглянути зразки, які використовують для випробувань на стиск;

- зробити обміри зразків і записати результати в журнал спостережень;

- розрахувати площу поперечного перерізу зразків;

- перевірити готовність установки до експерименту, встановити випробувальний зразок на опорну поверхню;

- провести експерименти і за результатами досліду побудувати діаграми стиску матеріалів в масштабі;

- визначити, які властивості мають матеріали при центральному стиску;

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

- визначити значення механічних характеристик міцності для випробувальних матеріалів;

- розрахунки занести в журнал спостережень;

- відповісти на контрольні запитання;

- захистити лабораторну роботу у викладача.

 

2.3 Теоретичні відомості

Випробування на стиск - основні при визначенні механічних характеристик крихких матеріалів, таких, як чавун, дерево, будівельні матеріали тощо. На відміну від випробувань на розтяг випробування на стиск мають слідуючи особливості:

1) в процесі випробування пластичні матеріали можуть стискуватись, не руйнуючись, а крихи - руйнуються;

2) характеристики міцності і пластичності циліндричного зразка при випробуваннях на стиск суттєво залежать від відношення висоти зразка до його діаметра;

3) на результати випробувань значно впливають умови тертя по торцях зразка.

Під дією стискуючого навантаження різні матеріали ведуть себе по різному.

Для випробувань на стиск використовуємо два види зразків ізотропні і анізотропні. Ізотропними називаються матеріали, які не змінюють свої властивості в різних направленнях. Матеріали, що змінюють свої властивості в залежності від направлення, називаються анізотропними. Для випробувань в якості ізотропних матеріалів використовуються сталь, як пластичний  і чавун, як крихкий матеріал. Зразки з них виготовляють циліндричної форми із розмірами h = 30 мм, d = 20 мм. В якості анізотропних матеріалів використовують дерев’яні зразки кубічної форми із розмірами 40х40х40 мм. Зразки встановлюють на опорну плиту нижньої поперечини установки, притискаючи його до верхньої опорної  плити

Сталь. При стиску стального зразка до деякого  навантаження F_пц (рисунок 3.1,а) спостерігається пропорційна залежність між деформацією i навантаженням, що викликало її.

Відношення F_пц до початкової площі поперечного перерізу Ao   називається границею пропорційності сталі при стиску:

                                                              (3.1)

При збільшенні наванта­ження спостерігається значний ріст деформації, тобто, матеріал "тече", але без явно вираженої площадки текучості. Зразок приймає бочкоподібну форму (рисунок 3.1,б) внаслідок наявності тертя між торцями зразка i поверхнями стискуючих плит. Щоб збільшити подальшу деформацію, стискаюче навантаження різко збільшується. Зразок не зруйнується, а розплющиться під дією нормальних напружень. Пластичні матеріали при стиску не мають границі міцності, тобто їх можна розплющити до отримання фольги. Чітко виражена тільки границя пропорційності.

Чавун. При стиску чавунного зразка практично з початку навантаження i до руйнування спостерігається нелінійна залежність між навантаженням i деформацією. Можна сказати, що матеріал не підкоряється закону Гука, а значення модуля пружності Е не є постійною величиною, воно змінюється в залежності від величини того напруження, для якого ми визначаємо деформацію.

Однак в умовах тих невеликих деформацій, при яких матеріал використовують в різних деталях машин і споруд, діаграма F-Δh   являє собою лінію малої кривизни  (рисунок 3.2а), тобто відхилення від закону Гука незначне. Тому в практичних розрахунках вважають, що матеріал підкоряється закону Гука, а значення модуля пружності Е постійним.

Чітко виражене тільки руйнівне навантаження F_мц, яке до того ж i є максимальним. Відношення F_мц  до початкової площини  Ао поперечного перерізу називають границею міцності  σ_мц  або тимчасовим опором σ_т.м.  чавуну при стиску:

                                                                (3.2)

Зразок, вкорочуючись, приймає бочкоподібну форму (рисунок 3.2б). Це свідчить про наявність невеликих пластичних деформацій. Руйнування виникає по площинах, нахилених до осі зразка приблизно на кут α = 40°...50°, тобто, під дією максимальних дотичних напружень. При руйнуванні навантажувальна здатність чавуну падає практично миттєво, що характерно для крихких матеріалів. Слід пам'ятати, що величина σ_мц, значно залежить від умов випробування i відношення висоти h до діаметра d зраз­ка. Навіть вигляд руйну­вання крихких матеріалів залежить від відношення висоти до діаметра.

Необхідно відмітити, що зазвичай крихкі матеріали опираються стиску краще ніж розтягу. Це в значній мірі обмежує область їх використання.

Дерево. Випробування дерев'яного зразка як представника анізотропних матеріалів проводять вздовж (рисунок 3.36) i поперек (рисунок 3.3в) волокон. Отримані діаграми стиску різко відрізняються одна від одної.

Діаграма F-Δh стиску зразка вздовж волокон (рисунок 3.3а), зовні схожа на діаграму стиску чавуна. Між силою F i деформацією Δh на початку навантаження спостерігається незначна нелінійна залежність, причому нелінійність зростає у міру збільшення навантаження.

По досягненню граничного навантаження F_мц зразок починає руйнуватися шляхом сколювання, що супроводжується характерним тріском (рисунок 3.4а). Відношення F_мц до початкової площі Ао поперечного перерізу зразка називають границею міцності σ_мц або тимчасовим опором σ_т.м. дерева вздовж волокон:

                                                           (3.3)

В звичайних умовах руйнування проходить з утворенням поперечних складок i зминання торців.

При стиску зразка поперек волокон діаграма F-Δh має інший вигляд (рисунок 3.4б). До деякої точки А спостерігається пропорційна залежність між силою i деформацією. Це дозволяє визначити границю пропорційності, що являє собою відношення F_пц до початкової площі  Ао поперечного перерізу:

                                                               (3.4)

З подальшим збільшенням навантаження деревина значно ущільнюється без видимих ознак руйнування зразка (рисунок 3.4б). Момент втрати несучої властивості зафіксувати немає можливості. Тому за руйнівну силу F^/_мц приймають умовно таку силу, при дії якої деформація (ущільнення) зразка по висоті досягає 1/3 початкового значення, тобто h = 1/3 h.  Відношення F^/_мц до Ао називають умовною границею міцності σ^/_мц  дерева при стиску поперек волокон:

                                                                 (3.5)

Порівнюючи діаграми стиску дерева вздовж і поперек волокон з’ясовується, що при стиску до руйнування вздовж волокон зразок має значно менші деформації, ніж при стиску впоперек волокон; характер руйнування в обох випадках різний. Міцність зразка в першому випадку в 7... 10 разів вище, ніж у другому. Коефіцієнт анізотропії, що характеризує різні механічні властивості дерева вздовж i поперек волокон, являє собою відношення границі міцності при стиску вздовж волокон до границі міцності при стиску поперек волокон:

                                                         (3.6)

Таким чином крихкі і пластичні матеріали мають різні протилежні властивості у відношенні їх опору простому стиску або розтягу. Крихкі матеріали погано опираються розтягу і ударам, чутливі до місцевих напружень і не потерпають виправлення форми виготовлених з них елементів.  Пластичні матеріали таких недоліків не мають, тому пластичність є одним із найважливіших якостей матеріалу. Крихкі матеріали зазвичай дешевші і мають високу границю міцності при стиску, тому можуть бути використані при статичному навантаженні.

 

2.3 Оснащення робочого місця

-      установка, підготовлена до проведення експерименту;

- стальний і чавунний циліндричні зразки;

- дерев’яні зразки – 2 шт.;

- штангенциркуль;

-     методичні вказівки до виконання лабораторної роботи;

-      калькулятор, олівець, лінійка;

-      звіт з лабораторної роботи.

 

2.4 Інструкція з охорони праці

2.4.1 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.

2.4.2 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.

2.4.3 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.

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

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

 

2.5 Рекомендації щодо  виконання роботи й оформлення звіту

- чітко і ясно формулювати основні поняття по даній роботі;

- не заважати один одному при виконанні експериментальної частини роботи;

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

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

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

- 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).