Основы конструирования Испытание материалов на выносливость

Лабораторные работы по сопротивлению материалов

Теория деформаций. Перемещения и деформации. Тензор деформаций. Средняя и объемная деформация. Главные деформации. Частные случаи деформированного состояния.

Испытания материалов и определение их физико-механических характеристик

Определение основных механических характеристик стали на растяжение

Ц е л ь р а б о т ы: изучение процесса деформирования при растяжении образца из малоуглеродистой стали, определение основных механических характеристик прочности, пластичности и марки стали.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь р а б о т ы. При определении качества конструкционных материалов, выпускаемых промышленностью, одним из основных видов испытаний являются испытания на растяжение. Результаты испытаний позволяют судить о прочности материалов при статических нагрузках, выбирать материал для проектируемой конструкции. Они являются основными при расчетах на прочность деталей машин и элементов конструкций.

Д и а г р а м м а р а с т я ж е н и я м а л о у г л е р о д и с -

т о й с т а л и. На специальных испытательных машинах получают автоматически диаграмму растяжения стандартного образца в координатах: нагрузка - удлинение . На этой диаграмме можно выделить характерные участки (рис. 2.1.). Небольшой криволинейный начальный участок  является результатом обжатия головок образца в захватах и устранения зазоров в узлах машины. Его исключают, апроксимируя участок  до пересечения с осью абсцисс, и получают начало координат - . Участок  называют зоной упругости. Здесь материал подчиняется закону Гука и удлинение прямо пропорционально нагрузке до некоторой силы   (точка ). После снятия нагрузки деформация  исчезает. Деформацию, которая полностью исчезает, после снятия нагрузки называют упругой деформацией. При увеличении нагрузки до  (участок ) начинается отклонение от прямой и после разгрузки появляются  остаточные деформации (фиксируют при появлении остаточных деформаций = 0,001-0,005%).

Участок   называют зоной общей текучести, а горизонтальную его часть – площадкой текучести. Здесь без заметного увеличения нагрузки  происходит существенное удлинение образца. Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточными (пластическими) деформациями, не исчезающими после разгрузки образца.


Участок   называют зоной упрочнения, т.к. материал вновь способен сопротивляться растяжению с повышением нагрузки до  (точка ). Затем на участке  на образце появляется местное сужение – шейка. Участок  называют зоной местной текучести, т.к. здесь удлинение образца происходит за счет деформации в зоне шейки вплоть до момента разрыва в точке  при нагрузке . Упругая деформация  при этом исчезнет и образец получит полную остаточную деформацию после разрыва .

Рис. 2.1. Диаграмма растяжения Рис. 2.2. Диаграмма растяжения

 малоуглеродистой стали высокоуглеродистой стали

О с н о в н ы е м е х а н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и м а т е р и а л а. Диаграмма, показанная на рис. 2.1., характеризует свойства не материала, а образца, т.к. при испытании нескольких образцов из одного и того же материала, но различных размеров, получают различные подобные по форме диаграммы. Для получения данных о свойствах материала эти диаграммы затем перестраивают в координатах , поделив соответственно, нагрузки  на площадь поперечного сечения образца до нагружения , а удлинение   на длину его расчетной части до нагружения . В итоге все машинные диаграммы  для различных образцов «лягут» одна на другую при их построении в одинаковом масштабе в координатах . Такая зависимость получила название - условная  диаграмма растяжения материала. По этой диаграмме определяют следующие механические характеристики материала:

а) характеристики прочности:

предел пропорциональности – это максимальное напряжение до которого материал подчиняется закону Гука :

  (2.1)

предел упругости (условный) – это напряжение, при котором в материале возникают остаточные деформации не более e = 0,05%:

  (2.2)

предел текучести (физический) – это напряжение, при котором происходит рост пластической деформации без заметного увеличения нагрузки

 . (2.3)

У высокоуглеродистых сталей, цветных металлов, пластмасс и ряда других материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае, например, для высокоуглеродистой стали (рис. 2.2) определяют условный предел текучести при нагрузке , соответствующей остаточному удлинению образца :

  (2.4)

предел прочности (временное сопротивление) – это отношение максимальной силы, которую может выдержать образец, к его начальной  площади

 . (2.5)

Кроме того, можно получить истинное сопротивление разрыву

 . (2.6)

где - площадь поперечного сечения образца в зоне разрыва шейки;

б) характеристики пластичности:

относительное остаточное удлинение после разрыва

   (2.7)

относительное остаточное сужение после разрыва

    (2.8)

Удельная работа – характеризует способность материала поглощать энергию при разрыве, вязкость материала и сопротивляемость его воздействию динамических нагрузок:

  (2.9)

где   - работа, затраченная на разрыв образца и равная площади диаграммы , вычисляется с учетом масштабов нагрузки и удлинения по приближенной формуле: 

 

  - объём расчетной части образца до испытания.

Из всех выше перечисленных характеристик в инженерной практике используются основные характеристики:  т.к. их определение не вызывает технических затруднений.

Влияние повторных нагрузок на механические свойства материалов.

Испытание на сжатие образцов из различных материалов Ц е л ь р а б о т ы: изучение поведения пластичных, хрупких и анизотропных материалов при сжатии и определение их механических характеристик. Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь р а б о т ы. Помимо испытания на растяжение вторым основным видом является испытание материалов на сжатие. При этом, так же как и при растяжении, получают диаграмму в координатах . Рассмотрим особенности поведения различных материалов при сжатии.

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.

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

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.

Определение модуля продольной упругости и коэффициента Пуассона для стали

Внутренние усилия и напряжения при изгибе стержней. Типы опор и опорные реакции. Внутренние усилия при изгибе. Дифференциальные зависимости. Построение эпюр изгибающих моментов и поперечных сил. Нормальные напряжения при чистом изгибе. Нормальные и касательные напряжения при поперечном изгибе. Главные напряжения в балках при изгибе. Расчет балок на прочность при изгибе. Рациональные типы сечений балок.
Испытания материалов и определение их физико-механических характеристик