Лабораторная: Свойства материалов (механика и электричество)

Практическое замятие № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Задача 1. Оцените нагрузку, приложенную к твердому телу, если известно, что длина тела в ненагруженном состоянии раина 100 мм, а в нагруженном 100,01 мм.

Задача 2. Оцените нагрузку, приложенную к твердому телу формы прямоугольного параллелепипеда по его относительному удлинению, если известно, что ширина и толщина тела и ненагруженном состоянии равны соответственно 50 и 2 мм. в нагруженном 49,98 и 1,99 мм, и известно, что объем тела не изменился. Сравните полученное значение со значением оценки нагрузки по относительному изменению площади поперечного сечения тела.

Задача 3. Определите модуль упругости Юнга, если известно, что длина тела в исходном состоянии составляет 100 мм, а при нагрузке 100 кПа - 100,01 мм. Принять площадь поперечного сечения равной 60 мм2.

Задача 4. Определить условный предел текучести серебряного тела, если известно, что модуль упругости Юнга для серебра составляет 80 ГПа

Задача 5. Определите значение ударной вязкости тела, если работа, совершенная для его разрушения, составляет 10 Дж. Площадь поперечного сечения образца - 60 мм2

Задача 6. Определить предел прочности серебряного тела, если известно, что исходная длина тела составляла 100 мм, после приложения нагрузки, до разрушения 100,01 мм. Припять модуль упругости Юнга для серебра равным 80 ГПа.

Задача 7. Определить предел прочности вольфрама, если известно, что исходная длина тела составляла 300 мм, после приложения нагрузки до разрушения 300,5 мм. Принять модуль упругости Юнга для вольфрама равным 350 ГПа.


Практическое занятие № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
Задача 1. Определить, каково содержание углерода в стали 60С2.

Задача 2. Определите, каково содержание углерода в легированных пружинно- рессорных сталях?

Задача 3. Какие из нижеперечисленных сталей имеют наибольшую и наименьшую твердость в отожженном состоянии? Какую структуру имеют остальные стали.

Задача 4. Какая из перечисленных сталей имеет феррито-перлитную структуру в равновесном состоянии? Какие структуры соответствуют остальным сталям?

Задача 5. Определите типы кристаллических решеток
Задача 6. Определите типы дефектов кристаллических решеток
Задача 7. Назовите тип дефекта кристаллической решетки и плоскости, ему соответствующие
Задача 8. Определите температурный интервал, в котором протекает кристаллизация сплава 60 % Sb + 40 % Pb.
Задача 9. В каком интервале температур кристаллизуется сплав состава 40 % Zn + 60 % Sn
Задача 10. Какой тип превращения протекает в сплавах системы Sb+Pb при температуре 245 °С (рис. 6)

Задача 11. Определить по диаграмме железо-цементит (рис. 1 и 2) температуры отжига сталей марок 40, У8 и У12. Какова температура нагрева этих сталей под закалку? Дать обоснование выбранным температурам нагрева сталей, описав структурные превращения в этих сталях при соответствующих режимах (и видах) термической обработки.

Задача 12. Определить по диаграмме железо-цементит, какие превращения совершаются в заэвтектоидпой стали марки У10 при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры.
Задача 13. Определить по диаграмме железо-цементит, какие превращения совершаются в стали марки 40 при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры и окончательную структуру этой стали. Какую структуру будут иметь изделия из этой стали после закалки от температур 740 и 840
°С? Какой из указанных вариантов закалки следует выбрать для обеспечения более вы- соких эксплуатационных характеристик изделий из этой стали и почему
Задача 14. Определить по диаграмме железо-цементит, до какой области температур была нагрета сталь марки 45, если после закалки со скоростью выше критической ее структура состояла из феррита и мартенсита. Описать превращения, которые совершились в стали при охлаждении, и указать является ли выбранная температура нагрева стали удачной с точки зрения получения высоких механических свойств. Какова должна быть температура нагрева этой стали, чтобы при охлаждении со скоростью выше критической ее структура не содержала феррита?

Задача 15. Сталь марки 50 после одного вида термической обработки получила структуру феррит + пластинчатый перлит, после второго мартенсит + феррит и после третьего - мартенсит. Указать, какие виды термической обработки применены в каждом случае. Определить по диаграмме железо-цементит, до какой области температур была нагрета сталь при каждом виде термической обработки и указать, какие превращения она претерпела в процессе охлаждения в каждом из трех случаев

Задача 16. Определить по диаграмме железо-цементит, какие превращения совершаются в стали марки У12 при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры, привести окончательную структуру стали. Какую структуру будут иметь изделия из этой стали после закалки от температур 770 и 960 °C? Какой из указанных вариантов закалки следует выбрать для обеспечения более высоких эксплуатационных характеристик инструмента из этой стали и почему?
Задача 18. При закалке инструмента из углеродистых сталей температура в печи оказалась завышенной на 150 °C по сравнению с оптимальной. Нарисовать диаграмму железо-цементит и показать на ней оптимальный интервал закалочных температур. Используя рисунок, объяснить, как указанное нарушение режима закалки повлияет на структуру и свойства сталей марок У7 и У10.
Задача 19. Сталь марки У12 после одного вида термической обработки получила структуру пластинчатый перлит + вторичный цементит, после второго – мартенсит + остаточный аустенит, после третьего – мартенсит + остаточный аустенит + вторичный цементит. Указать, какие виды термической обработки применены в каждом случае. Определить по диаграмме железо-цементит, до какой области температур была нагрета сталь при каждом виде термической обработки и указать, какие превращения она претерпела в процессе охлаждения в каждом из трех случаев.

Задача 20. Определить по диаграмме железо-цементит превращения, совершающиеся в стали марки У8 при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Начертить диаграмму изотермического превращения аустенита для названной стали и показать на ней, как будут изменяться структура и свойства этой стали по мере ускорения охлаждения из аустенитной области. Какую структуру и свойства приобретет эта сталь, если скорость охлаждения из аустенитной области превысит критическую скорость закалки?


Практическое занятие № 3
РАСЧЕТ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕХНРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Задача 1. При включении в электрическую цепь проводника диаметром 0,5 мм и длиной 43 мм разность потенциалов на концах проводника составила 2,4 В при токе 2 А. Определить удельное сопротивление материала проводника.

Задача 2. Одинаковым ли будет относительное изменение удельного сопротивления меди для двух температурных интервалов: 20 - 60°С и 60 - 100°С (по отношению к начальному значению в каждом из этих интервалов)?

Задача 3. Удельное сопротивление чистой меди при 20 и 100°С равно соответственно 0,0168 и 0,0226 мкОм-м. Пользуясь линейной аппроксимацией зависимости р(Т), определить температурный коэффициент удельного сопротивления при 0°С.

Задача 4. Доказать, что между температурными коэффициентами сопротивления проводника αR, удельного сопротивления материала αρ и линейного расширения αl существует следующая взаимосвязь:
αρ = αR + αl.

Задача 5. Вычислить удельную теплопроводность меди при комнатной температуре по измеренному значению ее удельного сопротивления р =0,017 мкОм м.

Задача 6. Оценить удельную теплопроводность 𝜆𝑇 магния при температуре 400°С, если удельное сопротивление при 0°С равно 0,044 мкОм м, а температурный коэффициент удельного сопротивления составляет 4·10-3 К-1.

Задача 7. При нагревании провода из манганина длиной 1,5 м и диаметром 0,1 мм от 20 до 100°С его сопротивление уменьшается на 0,07 Ом, а длина возрастает на 0,16%. Определить температурный коэффициент удельного сопротивления. При расчетах принять, что при комнатной температуре для манганина удельное сопротивление 𝜌 = 0,47 мкОм-м.

Задание 8. Пользуясь законом Видемана-Франца, определить отношение удельных теплопроводностей серебра и олова при температуре: 20 и 200°С. Принять, что при температуре 20°С удельные сопротивления серебра и олова равны соответственно 0,015 и 0,113 мкОм-м, а температурные коэффициенты удельного сопротивления составляют соответственно 4,1·10-3 и 4,5·10-3 К1.

Задание 9. Определить, в каком из материалов - константане или никеле - влияние примесей сильнее сказывается на относительном изменении удельной проводимости.

Задание 10. Удельное сопротивление меди, содержащей 0,3% (ат.) олова при температуре 300 К, составляет 0,0258 мкОмм.. Вычислить, во сколько раз изменится отношение β = p300/p4.2» если содержание олова в медном проводнике снизить до 0,03% (ат.).

Задание 11. В цепи, состоящей из термопары сопротивлением 5 Ом и гальванометра сопротивлением 8 Ом, равен 0,5 мА в случае, когда спай термопары помещен в сосуд с кипящей водой. Чему равна удельная термоЭДС термопары при температуре окружающей среды 20°С?

Задание 12. Один спай термопары помещен в печь с температурой 200 другой находится при температуре 20°С. Вольтметр показывает при этом термоЭДС 1,8 мВ. Чему равна термоЭДС, если второй спай термопары поместить в сосуд: а) с тающим льдом; б) с кипящей водой? Относительную удельную термоЭДС во всем тем- пературном диапазоне 0-200°С считать постоянной.

Задание 13. Из никелевой ленты шириной 1 см и толщиной 1 мм необходимо изготовить шунт сопротивлением 0,4 Ом. Какой длины должна быть никелевая лента, если удельное сопротивление никеля 0,068 мкОм-м?

Задание 14. Пленочный резистор состоит из трех участков, имеющих различные сопротивления квадрата пленки Rкв1 = 10 Ом; RKB2 = 20 Ом; RKB3 = 30 Ом (рис. 10). Определить сопротивление резистора.

Задание 15. В цепь включены последовательно медная и нихромовая проволоки равной длины и диаметра. Найти отношение количеств теплоты, выделяющейся в этих проводниках, и отношение падений напряжений на проводах. Удельное сопротивление меди и нихрома равно соответственно 0,017 и 1 мкОм-м.

Задание 16. Сопротивление провода из константана при 20°С равно 500 Ом. Определить сопротивление этого провода при 450°С, если при 20°С температурный коэффициент удельного сопротивления константана αР = -15·10-6 К-1, а температурный коэффициент линейного расширения составляет 10-5 К-1.

Задача 17. На диэлектрическую подложку нанесена металлическая пленка толщиной 0,1 мкм, имеющая форму прямоугольника размерами 1x5 мм. Сопротивление пленки при напряжении, приложенном в продольном направлении, составляет 100 Ом. Определить сопротивление квадрата пленки, а также сопротивление пленки в поперечном направлении (параллельно меньшей стороне прямоугольника).

Задача 18. Определить длину нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм, используемой для изготовления нагревательного устройства с сопротивлением 20 Ом при температуре 1000°С, полагая, что при 20°С параметры нихрома: р = 1,0 мкОм-м; αρ = 1,5·10-4 К-1; α1 = 1,5·10-5 К-1.

Задача 19. Вычислить падение напряжения па полностью включенном реостате, изготовленном из константановой проволоки длиной 10 м при плотности тока 5 А/мм2. Удельное сопротивление константана принять равным 0,5 мкОм-м.

Задача 20. Углеродистый резистор и проволочный резистор, изготовленный из нихрома, имеют одинаковое номинальное сопротивление Rном = 100 Ом. Резисторы соединены параллельно и включены под напряжение U = 50 В, Одинаковая ли мощность будет выделяться па этих резисторах?

Задача 21. Стержень из графита соединен последовательно с медным стержнем того же сечения. Определить, при каком отношении длин стержней сопротивление этой композиции не зависит от температуры. Удельные сопротивления меди и графита равны соответственно 0,017 и 8,0 мкОм-м, а значения αр для этих материалов со- ставляют 4,3·10-3 и -10-3 К-1

Задача 22. Катушка из медной проволоки имеет сопротивление 10,8 Ом, Масса медной проволоки 0,3 кг. Определить длину и диаметр намотанной на катушку проволоки.

Задача 23. Вычислить глубину проникновения электромагнитного поля в медный проводник на частотах 50 Гц и 1 МГц.

Задача 24. Определить отношение глубин проникновения электромагнитного поля в алюминиевый и стальной проводники на частоте 50 Гц и 1 МГц. При расчете полагать, что для малоуглеродистой стали 𝜇 = 1000; р = 0,1 мкОм-м.

Задача 25. Медный и алюминиевый провода равной длины имеют одинаковые сопротивления. Определить отношение диаметров этих проводов. Вычислить, во сколько раз масса алюминиевого провода меньше массы медного провода.


Практическое занятие №4 ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ
Вариант 4
1. В подвижных системах приборов широко используются червячные передачи. Материал червяков должен обладать достаточной высокой твердостью {HRCs
45...48) и износостойкостью, по не быть слишком хрупким для исключения поломки витков. Выбрать сплав для изготовления червяка, привести марку и химический состав. Указать режим термической обработки, окончательную структуру и меха- нические свойства сплава.

2. В червячных передачах приборов ведомым элементом является червячное колесо. Для уменьшения трения сопряженных поверхностей пар червяк-колесо их изготавливают из разнородных сплавов. Выбрать сплав (НВ 60...90) для литого червячного колеса, работающего в паре с червяком, указанный в предыдущем задании. Привести марку сплава, химический состав, структуру, механические и технологические свойства.

3. Выбрать сталь для изготовления сварного кожуха прибора, работающего в агрессивной среде. Привести марку стали, ее химический состав, назначение легирующих элементов, механические и технологические свойства. Объяснить возможную причину ухудшения прочности сварного соединения в сталях этого типа. Каковы пути предотвращения такого дефекта?

4. В отсчетных винтовых механизмах приборов для обеспечения плавности хода в паре со стальным винтом используют гайки из пластмасс. Обосновать выбор пластмассы для изготовления такой гайки методом литья под давлением. Привести марку материала, его строение и физико-механические свойства.Показать/скрыть дополнительное описание