Портативная акустическая система

Гуманитарные науки

Гуманитарные науки

Биржа студенческих   работ. Контрольные, курсовые, рефераты.

Биржа студенческих
работ. Контрольные, курсовые, рефераты.

Студенческий файлообменник

Студенческий файлообменник

Выполнение 
работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Выполнение работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Занимайтесь онлайн 
        с опытными репетиторами

Занимайтесь онлайн
с опытными репетиторами

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Готовые шпаргалки, шпоры

Готовые шпаргалки, шпоры

Отчет по практике

Отчет по практике

Приглашаем авторов для работы

Авторам заработок

Решение задач по математике

Закажите реферат

Закажите реферат

Сопромат Испытание материалов на выносливость Испытание на сжатие Испытание на кручение Определение деформаций Расчет на жесткость Расчет на прочность Термическая обработка металлов  и сплавов

Лабораторные работы и лекции по материаловедению

Испытание на кручение образца из малоуглеродистой стали

Ц е л ь р а б о т ы: определение модуля упругости второго рода (модуля сдвига), изучение процесса разрушения и определение механических характеристик стали и чугуна при кручении.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь р а б о т ы. В инженерной практике на кручение работают валы машин, витые пружины и др. При кручении круглого и кольцевого стержня возникает деформация чистого сдвига. При этом максимальные касательные напряжения  возникают в поверхностном слое стержня в поперечных и продольных направлениях, а главные нормальные напряжения  лежат в плоскости, касательной к поверхности стержня, и направлены под углом =45° к его образующей (см. рис. 2.10.).

В процессе закручивания стандартных образцов получают диаграммы в координатах крутящий момент  - угол закручивания .

При испытании стального образца (рис. 2.8, а) при увеличении крутящего момента от нуля до некоторой величины  сохраняется прямая пропорциональная зависимость между величиной угла закручивания и крутящим моментом , т.е. в этом интервале справедлив закон Гука при сдвиге , и угловую деформацию образца определяют по формуле 

  . (2.14)

  а) б)

Рис. 2.8. Диаграммы кручения образцов: а) малоуглеродистая 

  сталь; б) чугун

Из этой формулы получают опытное значение модуля сдвига

  (2.15)

Теоретическое значение модуля сдвига вычисляют, используя справочные данные, по известной формуле

  (2.16) 

 где   и  - табличные значения модуля продольной упругости и коэффициента Пуассона для материала образца, соответственно.

Предел пропорциональности при кручении

  (2.17) где   - полярный момент сопротивления поперечного сечения стержня с расчетным диаметром .

При этом касательные напряжения в сечении распределяются по линейному закону (рис.2.9, а). Дальнейшее нагружение образца приводит к нарушению прямой пропорциональности (рис. 2.8, а), и диаграмма переходит в пологую кривую, т. е. в материале образца развиваются пластические деформации сначала в поверхностном слое при напряжениях, равных пределу текучести , а при дальнейшем деформировании эта зона достигает глубоких слоев, образуя кольцевую зону пластического деформирования. В центральной части сечения напряжения будут ниже , т. е. там остается упругая зона (рис. 2.9, б).

В качестве предела текучести  условно принимают напряжения, при которых в образце появляются остаточные угловые деформации =0,003 рад, т. е.

 . (2.18)

В пределе пластическая зона заполнит все сечение (рис. 2.9, в), несущая способность материала будет исчерпана и напряжения во всех точках сечения будут равны пределу текучести.

  а) б) в)

Рис. 2.9. Эпюры касательных напряжений при кручении

а) упругая стадия; б) стадия пластического деформирования;

 в) стадия разрушения; 1 – упругая зона; 2 – пластическая зона

В момент разрушения сопротивление деформированного образца вследствие упрочнения материала возрастает, и условная величина предела прочности  материала может быть определена по формуле: 

  (2.19)

где   - пластический момент сопротивления поперечного сечения при кручении.

Разрушение стального образца происходит по плоскости, перпендикулярной к оси образца, вследствие сдвига (среза) от максимальных касательных напряжений. Так разрушаются при кручении все пластичные материалы (рис.2.10, а).

При испытании чугунного образца с увеличением крутящего момента обнаруживается по диаграмме, что он не совсем строго следует закону Гука, т. е. диаграмма   вплоть до разрушения несколько криволинейна (рис. 2.8, б). Разрушение образца происходит при незначительных упругих угловых деформациях вследствие отрыва по наклонным винтовым сечениям, расположенным под углом  к его образующим (рис. 2.10, б), под действием главных растягивающих напряжений . Зернистый характер излома является следствием разрушения материала от отрыва. При этом получают условный предел прочности

 . (2.20)


 а) б)

Рис. 2.10. Разрушение образцов при кручении

а) малоуглеродистая сталь; б) чугун

При практических расчетах считают, что на участке диаграммы кручения от нуля до рабочего крутящего момента  (рис. 2.8, б) материал следует закону Гука и опытное значение  модуля упругости  определяют по формуле (2.15), а его теоретическое значение - по формуле (2.16).

О п и с а н и е и с п ы т а т е л ь н о й м а ш и н ы и о б р а- з ц о в. Работа выполняется на машине КМ-50 (рис. 2.11)*. Машина

* - Схема испытательной машины взята из работы [4]

имеет станину, на которой смонтированы механизмы нагружения и силоизмерения. КМ-50 относится к испытательным машинам с механическим нагружением образца и рычажно-мятниковым силоизмерителем.

 


Рис.2.11. Кинематическая схема испытательной машины КМ-50

М е х а н и з м н а г р у ж е н и я. Для нагружения образца, установленного в нижнем 14 и в верхнем 10 захватах, крутящий момент

 от электродвигателя 1 через клиноременную передачу приводит во вращение червячную пару, которая через зубчатые зацепления 21, 22 и 23 вращает ходовой винт 24 с нижним захватом 14.

Для ручного нагружения образца машина снабжена также ручным приводом, состоящим из рукоятки 18 и цепной передачи 15, нижнее зубчатое колесо которого вращает через зубчатую передачу 23 ходовой винт 24. Нагружение  можно производить при двух скоростях: 1 об/мин и 0,3 об/мин (перемещая стержень 25 со скользящей шпонкой 26 до зацепления ее с зубчатыми колесами 21 или 22). При ручном приводе шпонка 26 вообще выводится стержнем 25 из зацепления с зубчатыми передачами 21 и 22 При закреплении в захватах машины образцов различной длины нижний захват 14 перемещают по высоте, вращая маховик 16. Угол закручивания в пределах 3600 отсчитывают по шкале 17 со стрелочным указателем 20. Для отсчета целого числа оборотов машина снабжена счетчиком 19 с пределом измерения 10 оборотов. Показания угла закручивания по шкале 17 соответствуют относительному углу закручивания нижнего 14 и верхнего 10 захватов машины, что обеспечивается корректором 12.

  М е х а н и з м с и л о и з м е р е н и я. При кручении образца верхний захват 10 наматывает на свой вал 9 тонкую гибкую тягу 7, которая отклоняет маятник 13 до тех пор, пока не будет уравновешен крутящий момент, возникающий в образце.

При отклонении маятника 13 рычаг 6 перемещает зубчатую рейку 5, приводящую во вращение зубчатое колесо, насаженное на ось стрелки круговой шкалы 4 моментов. Одновременно перо, закрепленное на рейке 5, записывает на диаграммном аппарате 3 зависимость . Масштаб записи угла закручивания  можно менять в пределах: 1 мм = 0,5° или 1 мм = 0,1°. Барабан 3 приводится во вращение от ходового винта 24 гибкой связью 2.

Для предотвращения резкого падения маятника 5 вниз после разрушения образца к рычагу 6 присоединен шток маслянного аммортизатора 8. Для регулирования скорости опускания маятника аммортизатор снабжен вентилем 11.

 Образцы для испытания на кручение (рис. 2.12). Длина рабочей цилиндрической части стандартного образца обычно составляет . Для закрепления в захватах машины образцы имеют голов-

Рис. 2.12. Образец для испытания на кручение

ки с лысками (гранями). С целью уменьшения концентрации напряжений переход от цилиндрической части образца к головкам выполнен по радиусу. 

Рис. 2.13. Угломер Бояршинова

Для точного измерения малых углов закручивания в работе используется угломер Бояршинова (рис. 2.13), который состоит из двух разрезанных для удобства установки колец 1 и 2, закрепленных винтами 3 на образце на расстоянии  ( - база измерений), Г-образной планки 4, жестко соединенной с кольцом 1 и индикатора 6 типа ИЧ-10 (устройство – см. работу 3.5), установленного в кронштейне 5 кольца 2 и опирающегося своим штоком в планку 4 на расстоянии от продольной оси образца. Перемещение стрелки индикатора 6 пропорционально углу закручивания  образца. Для вычисления  цены деле-

ния   индикатора в радианах следует его цену деления в мм разделить на расстояние  в мм. В данной работе при цене деления  индикатора =0,01 мм, =100 мм получают 

  (2.21)

 М е т о д и к а п р о в е д е н и я о п ы т а и о б р а б о т к а

р е з у л ь т а т о в. 1. Замеряют штангенциркулем диаметр образца   в трех сечениях с точностью 0,1 мм и, вычислив среднее значение, записывают в журнал наблюдений. На образце закрепляют угломер Бояршинова, обеспечив при помощи специального шаблона базу измерения  и устанавливают образец в захватах машины.

После этого настраивают диаграммный аппарат, нагружают образец предварительно для выбора зазоров и записывают показания индикатора угломера в журнал наблюдений, а счетчик оборотов 19 машины выводят на нуль.

2. Вращая рукоятку 18 ручного привода машины, нагружают образец равными ступенями , считывают показания индикатора угломера и записывают их в журнал наблюдений.

Величина ступени нагружения  зависит от материала образца и его диаметра . Ее следует выбирать таким образом,  чтобы наибольший крутящий момент при испытании не вызвал остаточных деформаций, т. е. чтобы напряжения были меньше предела пропорциональности . Тогда

 . (2.22)

При этом используют несколько заниженное значение .Тогда можно быть уверенным, что испытание будет проведено в области применимости закона Гука. Например, для малоуглеродистых сталей можно принять =70÷80 Н/мм2. Тогда при числе испытаний = 4 с учетом формулы (2.22) при =10 мм получают для ступени нагружения

  В единицах шкалы испытательной машины ступень нагружения таким образом должна быть выбрана в пределах:

  = 34 ¸ 39 кгс× см.

Для хрупких материалов (чугуна) величину  также принимают в выше указанных пределах.

3. Вычисляют среднее значение приращений углов закручивания  (в радианах) на ступень нагружения , для каждого из образцов, т.е.

 , (2.23)

где   - число ступеней нагружения;

   - цена деления индикатора угломера (см. формулу (2.21)).

4. Вычисляют опытное значение модуля сдвига по формуле (2.15).

5. Для сравнения подсчитывается теоретическое значение модуля сдвига для каждого образца по формуле (2.16).

6. В процессе испытаний будет получена также диаграмма . Так как на ней по всей оси абсцисс фиксируются углы поворота лишь активного нижнего захвата, то для получения истинного относительного угла закручивания образца необходимо учитывать и

поворот верхнего захвата.

Для этого систему координат диаграммы  поворачивают на угол , определяемый с помощью специального шаблона, и по ней рассчитывают  и  по формулам (2.17) и (2.19), получив значения   и  согласно рис. 2.14.

Рис. 2.14. Схема обработки

машинной диаграммы

 7. Затем необходимо дать анализ поведения образцов и установить причину их разрушения. Обработку результатов производят согласно требованиям раздела 4.

Содержание отчета

Название лабораторной работы.

Цель лабораторной работы.

Испытательная машина.

Эскиз образца до испытания и после испытания.

Исходные данные:

5.1. Расчетная длина . 5.2. Расчетный диаметр .

5.3. Модуль упругости . 5.4. Коэффициент Пуассона .

5.5. Расстояние от оси образца до оси индикатора .

5.6. Полярный момент инерции сечения .

5.7. Цена деления индикатора часового типа в радианах .

Результаты испытаний

Нагрузка

Приращение

нагрузки DМ

Отсчет по прибору, , дел.

Приращения отсчета , дел.

1

2

3

4

Средние значения приращений

7. Диаграмма кручения образца.

8. Определение расчетных величин:

8.1. Расчетные значения модуля сдвига .

8.2. Среднее значение приращений углов закручивания

8.3. Опытное значение модуля сдвига .

8.4. Опытные значения предела пропорциональности и предела прочности.

9. Анализ результатов. Выводы.

 

Вопросы для самоконтроля

Какова цель лабораторной работы?

Из каких основных узлов состоит машина КМ-50? Расскажите их назначение и устройство?

Какое напряженное состояние возникает в каждой точке образца при кручении?

Как формулируется закон Гука при кручении?

Как вычисляются напряжения при кручении и как они распределяются в поперечном сечении образца при упругом и при пластическом деформировании?

Как опытным путем определяют угол закручивания на расчетной длине  образца?

Что называют базой измерения угла закручивания?

Как устроен угломер Бояршинова?

Что называют жесткостью поперечного сечения стержня при кручении?

10.Что называют полярным моментом сопротивления?

11. Какие свойства материала характеризует модуль сдвига?

12. Какая зависимость существует между величинами ,  и ?

 Как опытным путем определить модуль сдвига?

Во сколько раз изменится величина угла закручивания, если диаметр образца уменьшится вдвое?

Каковы отличительные особенности диаграмм кручения стержней из пластичных и хрупких материалов?

С какой целью перед началом испытаний производят предварительное нагружение образца?

Каким деформациям образца соответствует начальный участок диаграммы кручения?

 Как выбирают ступень нагружения образца при кручении?

Почему диаграмма кручения стального образца не имеет нисходящего участка?

Почему при испытании образцов крутящий момент наращивают равными ступенями?

Какие характеристики прочности можно получить при испытании образцов из пластичных и хрупких материалов?

Второй особенностью  металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности).

По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц  кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит  не по определённым плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет  неправильную, искривлённую форму.

 3.Третьей особенностью металлов как  тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твёрдого  состояния в жидкое и наоборот происходит при определённой температуре, называемой  температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние  постепенно и не имеют определённой температуры плавления.

Дефекты кристаллического  строения.

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

точечные – малые во всех трех измерениях;

линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

поверхностные – малые в одном измерении.

Точеные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)

2_files/image001.gif

Рис.2.1. Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

 


Содержание и задачи курса сопротивление материалов