Методические указания для выполнения лабораторных работ

4 Методические указания для выполнения лабораторных работ

         Лабораторная работа № 1. Механические свойства металлов при растяжении

         Порядок выполнения работы:

1. Проверить работу привода, для чего следует нажать кнопку “ВВЕРХ”. Привод должен заработать, индикатор перемещения будет показывать ход траверсы. Нажатием кнопки “+” увеличить скорость до максимальной, затем нажатием кнопки “―” уменьшить скорость до минимальной, затем нажать кнопку “СТОП”. Обратить внимание на автоматическую остановку привода до достижения крайних положений траверсы.

2. Установить предельное усилие для данного опыта, для чего кнопками установки “+” или “―” выбрать нужное значение.

         3. Измерить исходные  размеры образцов.  Поместить образец в захваты, для чего следует нажать обойму верхнего захвата вниз до расхождения сухарей, при необходимости переместив траверсу. Проверить надежность защелкивания захватов.

         4. Обнулить показания индикатора перемещения, нажав кнопку “СБРОС”, затем установить необходимую скорость перемещения траверсы.

         5. Включить режим перемещения траверсы кнопкой “ВВЕРХ”.

Рекомендуемые материалы

         6. Извлечь обе половинки образца из захвата разрывной машины. Измерить конечные размеры образца.

         7. Сохранить полученные диаграммы растяжения на компьютере.

         8. Проделать те же операции для образцов из других материалов. Зарисовать полученные диаграммы растяжения, результаты испытаний занести в таблицу 1.1.

         Цель работы: ознакомиться с методикой проведения статических испытаний на растяжение, приобрести навыки определения прочностных и пластических свойств материалов.

1.1 Общие сведения

         Под механическими свойствами понимают совокупность величин, характеризующих сопротивление материалов действию приложенных к ним внешних механических сил или нагрузок. Они подразделяются на две основные группы – прочностные и пластические.

         Прочностные свойства – это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению.

         Пластические свойства – это характеристики способности материала образца изменять свою форму и размер. Мерой пластичности является величина остаточной деформации в момент разрушения.

В основу существующей классификации механических испытаний положены три основных признака: схема  напряженного  состояния  (основное  или  линейное,  двухосное  – плоское, трехосное – объемное); способ нагружения (с постоянной скоростью или нагрузкой);  время   и   характер   нагружения   (статические,   динамические   и циклические).

Для сопоставимости полученных результатов все разновидности механических испытаний стандартизированы в специальных ГОСТах, где сформулированы определения характеристик свойств, основные требования к оборудованию, методика обработки результатов испытаний, а также приведены параметры стандартных образцов.

         1.2 Испытания на растяжение

         Наиболее распространенным видом испытаний является одноосное растяжение при комнатной (ГОСТ 1497-84), повышенных – до 1473⁰ С (ГОСТ 9651-84) и пониженных от 273 до 173 К (ГОСТ 11150-84) температурах. Прочностные свойства рассчитываются на основании машинных диаграмм растяжения по положению характерных точек p, е, s, b, k (рис. 1.1) и геометрических параметров стандартных образцов (рис. 1.2). Пластические – определяются в результате сравнения размеров образцов до деформирования, и после разрушения.

Рисунок 1.1 – Обобщенная диаграмма растяжения

Рисунок 1.2 – Стандартный образец на растяжение

         Преимущество данного метода заключается в том, что он позволяет по результатам одного эксперимента определить несколько характеристик механических свойств: пределы пропорциональности, упругости, текучести, временное сопротивление, сопротивление разрыву, удлинение, сужение.

Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение, до которого деформация прямо пропорционально нагрузке

                                                          ,                                                          (1)

где  – нагрузка, соответствующая линейному участку машинной диаграммы,            

       – исходная площадь поперечного сечения образца.

         Пределом упругости называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % (иногда 0,005 %) от расчетной длины образца.

                                                      ,                                                           (2)

где  – нагрузка, соответствующая точки р, находящейся в непосредственной близости от точки е (рис. 1.1).

Физическим пределом текучести называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

                                                                                                                      (3)

где  – нагрузка, соответствующая горизонтальному участку диаграммы напряжения.

         Условным пределом текучести называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длинны образца:

                                                                                                                  (4)

         Временным сопротивлением (или пределом прочности) называется отношение максимальной за время испытания нагрузки () к первоначальной площади поперечного сечения образца ():

                                                                                                                      (5)

         Условным сопротивлением разрыву называется отношение нагрузки в момент разрушения  к первоначальной площади поперечного сечения образца:

                                                                                                                     (6)

         Кроме условного сопротивления разрыву существует истинное сопротивление разрыву, которое определяется отношением нагрузки в момент разрушения к площади поперечного сечения в шейке образца после разрыва :

                                                                                                                     (7)

         Единицей измерения прочности свойств в системе СИ является МПа=МН/м, в технической системе единиц – кГ/мм.

         Относительным удлинением образца называется отношение приращения расчетной длины образца после разрыва () к первоначальной расчетной длине (), выраженное в процентах:

                                                      .                                                 (8)

         Относительным сужением образца называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади, выраженное в процентах:

                                                            ,                                           (9)

где  – площадь поперечного сечения образца до и после разрыва, соответственно.

         Поскольку для реальных поликристаллических материалов определение и  представляет значительные методические трудности из-за очень малых деформаций, соответствующим этим характеристикам, на практике ограничиваются измерением условного и физического пределов текучести, временного сопротивления и сопротивления разрыву.

         1.3 Устройство и принцип работы универсального учебного комплекса для статических испытаний материалов КСИМ-40.

         В состав комплекса входят: нагружающее устройство с приводом, датчиками усилия и перемещения траверсы; блок управления; схваты; соединительные кабели.

         Нагружающее устройство (рис. 1.3) замкнутого типа с подвижной траверсой и нижней рабочей зоной. Станина 13 нагружающего устройства изготовлена из листовой стали. На станине установлены: неподвижная траверса 12, электродвигатель 15, перемещения траверсы, волновые редукторы 14, 24, шариковые винтовые передачи 9, 22, зубоременная передача со шкивами 16.

Для управления двигателем на кронштейне установлен тахогенератор, связанный с электродвигателем посредством пассика.

К гайкам винтовых передач прикреплена подвижная траверса 8. На траверсе установлен датчик силы 20, к которому через переходник крепится активный схват 21. Пассивный схват 10 через переходник 11 крепится к неподвижной траверсе 12.

Рисунок 1.3 – Общий вид комплекса КСИМ-40

         Для повышения жесткости параллельно винтам установлены стойки 6 и 19. В верхней части нагружающего устройства установлена плита, скрепляющая винты и стойки. На плите установлен датчик перемещения 5, механически связанный с винтом шариковой винтовой передачи.

Разъемы для подключения к блоку управления расположены на задней стенке. Разъем для подключения датчика силы к блоку управления расположен на подвижной траверсе.

Для повышения жесткости в нижней части нагружающего устройства установлена плита 27.

         Пульт 4 местного управления установлен на правой стенке. На пульте расположены “ВВЕРХ”, “ВНИЗ”, “СТОП”, “АВАРИЙНЫЙ СТОП” и одноименные светодиоды для индикации включения соответствующего режима.

         Все элементы конструкции закрываются крышками 1, 2, 3. Для защиты от пыли шариковые винтовые передачи закрыты гофрированными кожухами. Нагружающее устройство установлено на стойках 17 с регулируемыми опорами, скрепленными между собой стяжкой 28.

         Привод нагружающего устройства электромеханический, выполнен на базе электродвигателя постоянного тока с устройствами, обеспечивающими регулирование и стабилизацию скорости в заданном диапазоне.

         Вращающий момент двигателя через ремни и шкивы передается на волновые редукторы и прецизионные шариковые винтовые передачи, преобразующие вращательное движение двигателя в поступательное движение траверсы.

         Программные и аварийные концевые выключатели 18, 23, 25, 26 предназначены для остановки траверсы при достижении верхнего и нижнего пределов движения. При этом аварийные концевые выключатели срабатывают при отказе срабатывания программных концевых выключателей.

Таблица 1.1 – Результаты испытаний образцов на прочность при растяжении          

1.4 Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Общие сведения о механических свойствах. 

3. Способы определения характеристик механических свойств.      

4. Таблица проведенных испытаний.

5. Диаграмма растяжения.

6. Выводы.

Контрольные вопросы:

         1. Что называется пределами пропорциональности, упругости, текучести, временным сопротивлением и сопротивлением разрыву?

         2. Какие свойства называются пластическими, что они характеризуют?

3. Какие признаки положены в основу классификации механических свойств?

4. Опишите устройство и принцип работы комплекса для статических испытаний КСИМ-40.

5. В каких единицах измеряется прочность и пластические свойства материалов?

         Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

4. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механические свойства материалов». Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И., Атамбаев Ж.Н., КарГТУ, 2005 г.

В лекции "Психологические проблемы руководства" также много полезной информации.

Контрольные задания для СРС [1, 2, 12]

1. Диаграмма растяжения.

2. Характерные точки на диаграмме растяжения.

3. Образцы и машины для испытаний на растяжение.

4. Методика проведения испытаний на растяжение.

5. Работа пластической деформации при растяжении.