Лабораторна робота №2

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     F – Δℓ  (рисунок 2.1), яку отримують за допомогою пристрою, що записує на випробувальній машині.

2.1.png

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 Fпц (точка A) спостерігається пряма пропорційна залежність між видовженням зразка i си­лою F, що його викликала і зворотня пропорційна залежність площі поперечного перерізу А.

     Позначаючи через Δℓ приріст довжини від сили F, можемо записати формулу, що зв’язує ці данні, яка носить назву закон Гука:

2..1.png

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

      Δℓ - величина абсолютного видовження стержня, мм;

 

2..2.png

де: ℓ1 – довжина зразка після руйнування, мм;

      ℓ0 - довжина зразка до руйнування, мм;

      А – площа поперечного перерізу, мм2.

2.2.png

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.png

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   Fпр (точка В) викликає у зразка залишкову деформацію 0,001-0,005%.  Відношення:

2..4.png

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

По досягненню  навантаженням деякого значення Fт (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.png

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 FT, то пружна деформація Δℓпр зникне, а залишкова Δℓзал залишиться, 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 Fмц або Fтм (точка Д). Відношення

2..6.png

називають границею міцності σмц матеріалу або тимчасовим опором σтм .

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 Fр в момент розриву до площі шийки Аш в місці розриву:

2..7.png

називають істинним опором розриву.

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

Відношення приросту подовження зразка Δℓ до його початкової довжини ℓ0

2..8.png

називають відносним залишковим видовженням, або поздовжнею деформацією.

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

2..9.png

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.png

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.png

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.

2.3.png

 

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.

2.5.png

 

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.

4  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).

 

Таврійський державний агротехнологічний університет імені Дмитра Моторного

Кафедра «Технічна механіка та комп’ютерне проектування ім. професора В.М. Найдиша»

Звіт по лабораторній роботі № 2

з дисципліни «Технічна механіка»

 

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

 

Мета роботи: дослідження поведінки пластичного матеріалу при центральному розтягу.

1 Ескізи зразка маловуглецевої сталі

Згідно з ГОСТ 1497 – 84 при випробуванні на розтяг для забезпечення можливості порівняти результати застосовують пропорційні циліндричні зразки.

1.png

Данні обміру зразка заносимо до таблиці 1 1tab.png

 

2  Діаграма розтягу зразка

Будується для вивчення внутрішніх властивостей матеріалу. Для вивчення необхідних характеристик діаграму будуємо в масштабі, при цьому шкалу навантаження настроюємо на максимальне навантаження 25 т.

3.png

 

Масштаби: навантаження    1500 Н/мм;

                       подовження       0,5 мм/мм.

 

3       Характеристики частин діаграми:

частина ОА __________________________________________

частина ОВ __________________________________________

частина ВС __________________________________________

частина СД __________________________________________

частина ДК __________________________________________

точка К      ___________________________________________

4       Дані обміру діаграми розтягу маловуглецевої  сталі2tab.png

5 Діаграма напружень необхідна для того, щоб вивчити механічні характеристики міцності.

4.png

 

Умовна діаграма     _______

Істина діаграма     _______

 

2 Розрахунки механічних характеристик

2.1 Міцності3tab.png

6 Небезпечне напруження (по діаграмі напруження) ________________________

7 Коефіцієнт запасу міцності _______________________

4...1.png

10 Контрольні запитання

 

10.1 Чи підкоряється випробувана сталь закону Гука?

Які деформації по характеру та величині у цій  зоні _____________________________________________________

10.2 Чим характеризується зона зміцнення матеріалу? _____________________________________________________

10.3 Як розподіляються деформації в процесі випробування зразка?

_______________________________________________________

10.4 За рахунок чого відбувається зниження навантаження перед руйнуванням зразка?

____________________________________________________

10.5 Як відбувається руйнування зразка (відриванням чи зсувом)? _____________________________________________________

10.6 Що належить до механічних характеристик міцності матеріалу?

____________________________________________________

10.7 Що належить до механічних характеристик пластичності матеріалу?

____________________________________________________

10.8 Чому діаграму напружень називають умовною?

_____________________________________________________

10.9 Як змінюється напруження в поперечному перерізі під час розтягу зразка?

____________________________________________________

10.10  Де використовуються механічні характеристики матеріалу? _____________________________________________________

 

 

 

Роботу  виконав _________________/____________________

                            (підпис)                          ( П.І.Б. студента)

 

Відмітка про залік ________________/___________________

                                       (підпис)                          (П.І.Б. викладача)

 

4 Крітерії оцінювання лабораторної роботи

 

 Максимальна оцінка складає 10 балів. Оцінювання здійснюється шляхом тестування (письмового або за допомогою ПЕОМ) у відсотках від кількості вірних відповідей. Мінімальна сприйнятлива кількість вірних відповідей складає 60%  тобто 6 балів.

 

 

 

Тести до теми «Випробування маловуглецевої сталі на розтяг. Основні механічні характеристики міцності та пластичності»

 

      1 Які деформації називаються пружними?

а) деформації, що зникають повністю після зняття навантаження;

б) деформації, що не зникають після зняття навантаження;

в) деформації, що не виникають при навантаженні тіла зовнішніми силами;

г) деформації, зникаючі частково після зняття навантаження.

 

      2 Які деформації називаються пластичними?

а) деформації, що зникають повністю після зняття навантаження;

б) деформації, не зникаючі після зняття навантаження;

в) деформації, що не виникають при навантаженні тіла зовнішніми силами;

г) деформації, зникаючі частково після зняття навантаження.

 

         3 Що характеризують напруження в поперечному перерізі?

а) величину зовнішньої сили, що доводиться на одиницю площі перетину;

б) величину внутрішньої сили, що доводиться на одиницю площі перетину;

в) величину розподіленого навантаження, що доводиться на одиницю площі перетину;

г) інтенсивність розподілу навантаження на одиницю площі перетину.

 

         4 Яким символом позначається нормальні напруження?

а) Е;

б) U;

в) σ;

г) F.

 

5 Що характеризує модуль пружності I роду (Е)?

а) міцність матеріалу;

б) жорсткість матеріалу;

в) стійкість матеріалу;

г) пластичність матеріалу.

         6 У чому полягає суть методу перетинів?

а) розрізати стержень, відкинути одну з частин, замінити дію відкинутої частини нормальною внутрішньою силою, скласти рівняння рівноваги;

б) розрізати стержень, відкинути одну з частин, скласти рівняння рівноваги;

в) розрізати стержень, відкинути одну з частин, замінити дію відкинутої частини нормальною зовнішньою силою;

г) розрізати стрижень, скласти рівняння рівноваги.

         7 Від чого залежать допустимі напруження?

а) від модуля пружності першого роду;

б) від площі поперечного перетину;

в) від властивостей матеріалу;

г) від довжини стержня.

         8 У яких одиницях вимірюється нормальні напруження (σ)?

а) Н/мм2;

б) Н · мм2;

в) Н/мм;

г) Н2/мм2.

         9 У яких одиницях вимірюється модуль пружності І роду (Е)?

а) Н · мм2;

б) МПа;

в) Н/мм;

г) Н2/мм2.

         10 Які характеристики матеріалу визначають з діаграми напружень?

а) механічні характеристики міцності;

б) механічні характеристики жорсткості;

в) пружні властивості матеріалу;

г) пластичні властивості матеріалу.

    11 Що називається коефіцієнтом Пуассона?

а) відношення подовжньої деформації до поперечної, узяте по абсолютній величині;

б) відношення поперечної деформації до подовжньої, узяте по абсолютній величині;

в) різниця між поперечною деформацією і подовжньою, узята по абсолютній величині;

г) сума поперечної деформації і подовжньої, узята по абсолютній величині.

        12 В якому випадку виникає деформація розтяг - стиск?

а) сила (F) паралельна поперечному перетину стержня;

б) сила (F) створює скрутний момент;

в) сила (F) перпендикулярна поперечному перетину стержня;

г) сила (F) перпендикулярна поперечному перетину стержня та направлена вздовж його осі.

14 Яка одиниця вимірювання абсолютної деформації?

а) мм;

б) відсотки;

в) безрозмірна величина;

г) мм2

15 Як позначається відносне подовження?

а)  ε ;

б)  Δℓ;

в)  μ;

г)   Е.

16 Як позначається абсолютна поздовжня деформація?

а)  ε ;

б)  Δℓ;

в)  μ;

г)   Е.

   17 Після якої точки на діаграмі розтягу з'являється залишкова деформація?

а) А;

б) В;

в) С;

г) К.

18 Яка точка діаграми розтягу відповідає моменту появи “шийки” на зразку?

а) А;

б) В;

в) С;

г) D.

19 Яка ділянка діаграми розтягу відповідає зоні зміцнення матеріалу?

а) ОА;

б) ВС;

в) ОВ;

г) СD.

20 Після якої точки навантаження на діаграмі розтягу починаються пластичні деформації?

а) А;

б) В;

в) С;

г) D.

21 До якої точки на діаграмі розтягу можна навантажувати зразок, щоб після розвантаження довжина зразка не змінилась?

а) А;

б) В;

в) С;

г) D.

22 До якої точки навантаження матеріал підкоряється закону Гука?

а) А;

б) В;

в) С;

г) D.

23 Чому зменшується навантаження перед розривом зразка?

а) зміцнюється матеріал;

б) утворюється шийка;

в) зменшуються деформації;

г) зростають деформації.