Основы конструирования Испытание материалов на выносливость

Лабораторные работы по сопротивлению материалов

Связь между напряжениями и деформациями. Обобщенный закон Гука. Различные формы записи обобщенного закона Гука. Закон Гука для двухосного напряженного состояния. Потенциальная энергия деформации. Сдвиг. Напряжения и деформации при сдвиге. Расчет болтовых и заклепочных соединений.

Испытание материалов на выносливость

Ц е л ь р а б о т ы: Ознакомление с методом определения предела выносливости материала и исследование влияния на его усталостную прочность концентрации напряжений.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь р а б о т ы . Способность материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, циклически изменяющихся во времени, называется выносливостью.

Изменение напряжений во времени изображают графиком в координатах нормальные (или касательные) напряжения – время, т. е. . Этот график обычно изображают в виде синусоиды. Совокупность всех последовательных переменных напряжений за один период их изменения называют циклом напряжений. Цикл нормальных напряжений характеризуют следующие параметры (рис. 2.17):

а) алгебраически наибольшее напряжение цикла: ;

б) алгебраически наименьшее напряжение цикла: ;

в) среднее напряжение цикла (статическая составляющая цикла) – алгебраическая полусумма максимального и минимального напряжений цикла:

;

г) амплитуда (переменное напряжение) цикла – алгебраическая полуразность максимального и минимального напряжений цикла:

;

д) коэффициент асимметрии цикла: ;

Среднее напряжение  может быть как положительным, так и отрицательным. Амплитуда цикла  всегда положительна. Максимальное и минимальное напряжения цикла можно выразить следующими зависимостями:

  

Переменные напряжения далеко не всегда изменяются во времени по синусоиде. Но как показывают опыты, закон изменения напряжений во времени на усталостную прочность материала влияет незначительно. В основном она зависит от величины и знака напряжений  и .

Испытания материалов на выносливость (усталостную прочность) выполняются как по нормальным напряжениям (при изгибе, при растяжении – сжатии), так и по касательным напряжениям (при кручении). По виду циклов их подразделяют на испытания при симметричном и при пульсирующем циклах напряжений.

 

 Рис.2.17. Виды циклов и их Рис. 2.18. Диаграмма испытаний

 характеристики стали на выносливость

- несимметричный цикл; (диаграмма Велера)

2,3 - пульсирующие циклы;

4 - симметричный цикл;

 Опытами установлен для каждого материала предел выносливости – наибольшее напряжение цикла, при котором образец может сопротивляться без разрушения неограниченно долго.

Обозначают его , где  - коэффициент асимметрии цикла. Так при симметричном цикле нагружения предел выносливости по нормальным напряжениям обозначают , при пульсирующем - .

Предел выносливости  определяют при построении диаграммы испытаний на выносливость в координатах: максимальное напряжение цикла – число циклов. При этом о величине  судят по результатам нагружения серии образцов (в количестве до 100 штук), одинаковых по форме, размерам и чистоте обработке. Диаграмму испытаний на выносливость называют диаграммой Велера (рис. 2.18).

При испытании первый образец нагружают так, чтобы создать в нем . Образец испытывают до разрушения, которое происходит при числе циклов . Второй образец испытывают при (на 40-20 н/мм2). Очевидно, что необходимое число циклов  для его разрушения будет больше, т. е. . От образца к образцу, снижают напряжения до тех пор, пока очередной образец не выдержит  циклов ( - заданное техническими условиями число циклов, называемое базой испытаний при определении предела выносливости). Обычно база испытаний принимается не ниже следующих величин:

а) для стали и сплавов, имеющих горизонтальный участок на кривой усталости, - =107 циклов;

б) для цветных металлов и легких сплавов, кривые которых не имеют горизонтального участка, - =108 циклов.

Величина предела выносливости  материала зависит от размера образца (масштабный фактор). С увеличением диаметра образца  уменьшается. Также на  влияют чистота обработки и концентрация напряжений.

При наличии на деталях машин концентраторов напряжений (выточек, отверстий, шпоночных канавок, резких переходов в размерах и т. п.) происходит снижение , которое учитывают эффективным (действительным) коэффициентом концентрации напряжений . Его значения приведены в справочниках. Если нет экспериментальных данных, то  вычисляют по значениям теоретических коэффициентов концентрации напряжений  и  по формулам

   (2.32)

где   - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений. Величина  возрастает с повышением прочности материала, но не может быть . Для деталей из серого чугуна , т. е. чугун не чувствителен к концентрации напряжений, что объясняется включениями графита между зернами чугуна. Это создает межкристаллическую концентрацию напряжений, которая в итоге оказывается больше внешней концентрации.

Снижают влияние концентрации напряжений двумя путями: а) конструктивными мероприятиями (увеличение радиусов переходов и т. п.); б) термохимической обработкой деталей (например, закалка ТВЧ, азотирование зон концентрации).

Испытание различных материалов на ударную вязкость Ц е л ь р а б о т ы: Изучение методики определения ударной вязкости пластических масс и других неметаллических материалов при испытании стандартных образцов на маятниковом копре.

Изучение напряженно-деформированного состояния элементов конструкций Определение нормальных напряжений в балке при прямом изгибе Ц е л ь р а б о т ы: Ознакомление с методом электротензометрирования. Опытное изучение закона распределения нормальных напряжений по высоте сечения балки и сравнение с напряжениями, вычисленными теоретически.

Тарировочный коэффициент определяют следующим образом. Из партии одинаковых тензодатчиков отбирают необходимое количество рабочих и компенсационных тензодатчиков и приклеивают их, как описано выше, на исследуемую балку. К тарировочной балке приклеивают точно такой же тензодатчик. В данной работе используют типовую тарировочную балку типа СМ 25Б – консольную балку равного сопротивления (балку, по длине которой напряжения остаются постоянными).

Определение перемещений методом Мора. Работа внешних сил и потенциальная энергия при изгибе стержней и стержневых систем. Теоремы Бетти и Максвелла. Формула Мора для определения перемещений. Правило Верещагина. Основы расчета статически неопределимых балок и рам методом сил.
Испытания материалов и определение их физико-механических характеристик