close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

596.Механические свойства материалов

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
МЕТОДЫ
МАТЕРИАЛОВ.
ИСПЫТАНИЙ
Лабораторный практикум по дисциплине
«Материаловедение и технология конструкционных материалов»
для студентов технологических специальностей
Составители: А.Э. Козловский
В.В. Бойцова
Иваново 2007
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составители: А.Э. Козловский, В.В. Бойцова
УДК 620. 17
Механические свойства материалов. Методы испытаний: Лабораторный
практикум по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных
материалов» / Сост. А.Э. Козловский, В.В. Бойцова; Иван. гос. хим.-технол.
ун-т. – Иваново, 2007. – 60 с.
Лабораторный практикум содержит 7 лабораторных работ. В каждой
работе приводятся: теоретическое обоснование, порядок выполнения,
контрольные вопросы для самопроверки. Изложены методы испытаний
материалов на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб, твёрдость и
ударную вязкость.
Табл. 1 . Ил. 38 . Библиогр.: 12 назв.
Рецензент доктор технических наук В.Н. Блиничев
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
Редактор Г.В. Куликова
Подписано в печать 2007. Формат . Бумага писчая.
Усл. печ. л. . Уч.- изд. л. . Тираж 750 экз. Заказ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Ивановский государственный
химико-технологический университет»
Отпечатано на полиграфическом оборудовании
кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ»
153000, г. Иваново, пр.Ф.Энгельса, 7
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Предисловие
Рост промышленного производства влечет за собой не только
увеличение потребности в материалах, но и повышение требований к их
свойствам в связи с использованием машин и механизмов с более высокими
параметрами, повышением их надежности, особенно в связи с
автоматизацией производства.
Выбор материала для какой-либо определенной цели делают на основе
его механических, технологических, физических и химических свойств.
Определением связи этих свойств со структурой материала и
целенаправленным изменением свойств в результате воздействия на
структуру занимается материаловедение как обобщающая наука о
материалах. Практическое использование полученных результатов является
задачей технического материаловедения.
Одной из областей технического материаловедения является испытание
материалов, важнейшая цель которого заключается в описании их свойств по
характерным признакам и в выражении этих признаков в количественной
форме. Необходимо также регулярно контролировать изменения свойств,
происходящие в процессе изготовления изделий (производственный
контроль). Кроме этого, при контроле изделий, машин, конструкций в ходе
их эксплуатации необходимо выявлять недопустимые изменения свойств
материала, а в случае повреждения – определять его причину.
При разработке материалов, их изготовлении, обработке и применении
они должны подвергаться разнообразным испытаниям. Из различных и
многообразных свойств материалов основными являются механические
свойства, поэтому испытаниям механических свойств уделяется особое
внимание.
Целью настоящего издания является оказание помощи студентам при
изучении курса материаловедения в плане знакомства с наиболее важными
механическими свойствами материалов и способами их определения.
Предлагается к выполнению семь лабораторных работ. В начале каждой
работы даются теоретические сведения, которые позволяют студентам
правильно и осмысленно выполнять лабораторные работы. Дано краткое
описание установок, приборов и машин, применяемых для проведения
экспериментов, задания с методическими указаниями.
Перед выполнением работы студенты самостоятельно знакомятся с её
содержанием: элементами теории, устройством установок, методикой
испытаний, отвечают на контрольные вопросы для самопроверки. Сведения,
приводимые в работах, достаточны для анализа полученных результатов
и правильного составления письменного отчета.
Отчет по работе должен содержать: 1) название работы; 2) цель работы;
3) теоретическое обоснование, включая все рисунки; 4) порядок выполнения
работы с необходимыми расчётами; 5) выводы по работе.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторные работы составлены в соответствии с рабочими
учебными программами по дисциплине «Материаловедение и технология
конструкционных материалов» для технологических специальностей.
Рабочими программами предусмотрены следующие требования к
знаниям и умениям студентов.
Студент должен:
а) иметь представление:
- об общей классификации материалов и преимущественных областях их
применения;
- о механизмах деформации и разрушения материалов;
б) знать:
- основные типы, классы и группы материалов и их свойства;
- основные механические свойства материалов и способы их определения;
- факторы, влияющие на прочность, надежность и долговечность зделий;
в) иметь опыт:
- использования современной технической и справочной литературы;
- проведения механических испытаний материалов;
- определения и расчета основных механических свойств.
Знание номенклатуры и механических характеристик различных
материалов позволяет определить области их рационального использования с
учетом эксплуатационных требований.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Механические свойства определяют конструкционную прочность
материалов, то есть их прочность, надёжность и долговечность в процессе
эксплуатации элементов конструкций, деталей машин и приборов,
изготовленных из этих материалов. Механические свойства в численном
виде характеризуют поведение материалов под действием внешних нагрузок,
что позволяет сравнивать их между собой и рационально выбирать
материалы для изготовления различных изделий.
Деформация – изменение размеров и формы тела, возникающих в
результате действия на него внешних нагрузок. Деформация, исчезающая
после прекращения действия нагрузки, называется упругой. При этом тело
полностью восстанавливает первоначальные форму и размеры. Деформация,
остающаяся после снятия нагрузки, называется остаточной или пластической.
Способность материала сопротивляться деформации зависит от силы
сцепления частиц. Эта сила характеризуется величиной механических
напряжений, возникающих в каждой точке деформированного тела.
Напряжение – единичная внутренняя сила, действующая в каждой точке
деформированного тела. Размерность напряжения – [МПа] (1 МПа = 1 Н/мм2,
10 МПа ~ 1 кгс/мм2).
Полное напряжение для удобства расчётов раскладывается на две
взаимно перпендикулярные составляющие: нормальное напряжение σ
и касательное напряжение τ . Нормальные напряжения действуют по
нормали к плоскости сечения тела. Они характеризуют стремление частиц
материала сблизиться или удалиться друг от друга. Касательные напряжения
действуют в плоскости сечения и характеризуют стремление частиц
скользить относительно друг друга. Численные значения σ и τ зависят от
выбора рассматриваемого сечения.
К основным механическим свойствам материалов относятся:
прочность – способность материала сопротивляться пластическим
деформациям и разрушению;
жёсткость – способность материала сопротивляться развитию значительных
упругих деформаций;
упругость – способность материала восстанавливать свою форму и размеры
после прекращения действия значительных внешних нагрузок, вызвавших
деформацию;
пластичность – способность материала под действием внешних нагрузок
изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные
деформации после устранения этих нагрузок;
твердость – способность поверхностного слоя материала сопротивляться
местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него
другого более твердого тела;
ударная вязкость – способность материала сопротивляться действию
ударных нагрузок.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Первое требование, предъявляемое к большинству изделий – это
достаточная прочность. Многие изделия, кроме общей прочности, должны
обладать еще особыми свойствами в зависимости от их назначения и условий
эксплуатации. Например, режущие инструменты должны обладать высокой
твердостью, для изготовления рессор и пружин применяют специальные
стали и сплавы, обладающие высокой упругостью. Вязкие материалы идут на
изготовление деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке,
пластичные материалы хорошо обрабатываются давлением.
Механические свойства определяются по результатам механических
испытаний стандартных образцов материалов. По виду деформации,
испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб,
сдвиг, кручение. Каждое из этих испытаний отличается схемой нагружения
образца, преобладающим направлением возникающих в образце напряжений,
типом разрушения образца. Эти отличия отражены в таблице 1.
По характеру изменения действующей нагрузки во времени различают
механические испытания: статические, динамические (или ударные) и
усталостные.
Статическими называются испытания, при которых образец
исследуемого материала подвергают действию постоянной или, чаще всего,
медленно и плавно повышающейся нагрузки. Наиболее важны следующие
виды статических испытаний:
– испытания на растяжение. Испытаниям на растяжение непрерывно и
плавно повышающейся нагрузкой подвергаются практически все материалы.
Это основной вид механических испытаний. Испытаниям постоянной
нагрузкой подвергаются металлические материалы при температурах выше
300°С, а также полимеры уже при комнатной температуре;
– испытания на сжатие. Этому испытанию подвергаются строительные
материалы (дерево, камень, кирпич, бетон), а также металлические и
полимерные материалы специального назначения (например, материалы
для подшипников).
– испытания на изгиб. Область применения этих испытаний – полимеры,
строительные материалы, дерево, стекло, керамика, хрупкие металлические
материалы.
– испытания на сдвиг. На сдвиг испытываются такие материалы, как
дерево, металлы для заклепок, материалы для режущего инструмента.
– испытания на кручение. Испытаниям на скручивание подвергают
материалы для изготовления проволоки, а также малопластичные
материалы (закалённые конструкционные и инструментальные стали).
По результатам статических испытаний определяют прочностные,
упругие и пластические свойства материалов.
Динамические испытания характеризуются приложением к образцу
нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью
деформации. Длительность всего испытания не превышает долей секунды. К
этим испытаниям относятся удар, и даже взрыв. По результатам
динамических испытаний в основном определяют величину работы,
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
затраченной на деформацию или разрушение образца. Данных о величине
напряжений и деформаций в процессе этих испытаний обычно не получают.
Таблица
Виды напряжённого состояния и разрушения материалов
Направление
Схема
действия напряжений
нагружения
σ
τ
Вид
испытания
Тип разрушения
хрупкое
вязкое
F
Растяжение
F
F
Сжатие
F
Мх
Изгиб
Мх
Сдвиг
F
F
Мк
Кручение
Мк
Испытание на ударное растяжение используют для определения
прочности и пластичности материала при его растяжении с высокой
скоростью. Испытание на ударное сжатие применяется крайне редко.
Испытание на ударное кручение применяют для определения вязкости
материалов, имеющих очень низкую вязкость (цинковые сплавы, литые
материалы, инструментальные сплавы, порошковые материалы, полимерные
материалы).
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Испытание на ударный изгиб (ударную вязкость) имеет наибольшее
значение для определения сопротивления хрупкому разрушению вязких
металлических и высокополимерных материалов. Это испытание является
самым распространенным (после растяжения) сдаточным испытанием
материалов во многих производствах.
Усталостные испытания проводятся при многократном циклическом
приложении нагрузки к образцу. Такие испытания обычно длятся часами и
сотнями часов. По их результатам определяют число циклов нагружения до
разрушения образца при разных значениях напряжений. В конечном итоге
определяют предел выносливости материала – предельные напряжения,
которые образец выдерживает без разрушения в течение заданного числа
циклов нагружения. Испытания на усталость проводятся на растяжение,
сжатие, изгиб, кручение. Им подвергаются все материалы.
Помимо перечисленных различают еще две группы испытаний. Первая
группа – испытания на твердость.
Вторая группа – испытания на ползучесть и длительную прочность. Их
обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик
жаропрочности материалов. Образцы в течение всего испытания находятся
под постоянной нагрузкой. При испытаниях на ползучесть измеряют
величину деформации в зависимости от времени испытания. При испытаниях
на длительную прочность оценивают время до разрушения образца под
действием определённых напряжений.
Механические испытания можно проводить при высоких и низких
температурах, при наличии надрезов и исходных трещин, облучении и
акустических воздействиях, нестационарных режимах, в агрессивных средах
и различных других условиях.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 1
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЧНОСТНЫХ
И ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы : изучить поведение материала при растяжении до
разрушения; получить диаграмму растяжения материала; определить
основные прочностные и пластические свойства материала.
Теоретическое обоснование
Основную информацию о механических свойствах материалов мы
получаем из справочников. Наиболее важными из них являются свойства,
определяемые при статическом испытании материалов на растяжение.
Методы испытания на растяжение стандартизированы. Стандартом
предусмотрены следующие механические характеристики материалов:
- условный предел упругости материала σ упр ;
- физический предел текучести материала σ т ;
- условный предел текучести материала σ 0,2 ;
- условный предел прочности материала σ в ;
- относительное удлинение после разрыва δ ;
- относительное сужение после разрыва ψ .
В лабораториях испытания на растяжение проводятся на разрывных
машинах. Растяжению подвергают стандартные образцы круглого или
прямоугольного поперечного сечения (рис. 1).
do
lo
bo
а
ho
lo
б
Рис. 1. Стандартные образцы для испытания материалов на растяжение:
а – цилиндрический образец; б – плоский образец
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Абсолютные размеры образцов могут быть различными. Для
обеспечения сопоставимых результатов испытаний расчетная длина образца
lo принимается равной 10 ∙ do для цилиндрических образцов (do – диаметр
рабочей части образца) и 11,3 ∙ √ So для плоских образцов (So = bo ∙ ho , где
So – площадь поперечного сечения рабочей части образца, bo – толщина
образца; ho – ширина образца). Расчётная длина образца перед испытанием
отмечается рисками.
В процессе испытания самопишущий прибор машины строит
графическую зависимость между действующей на образец растягивающей
нагрузкой F (Н) и вызванным этой нагрузкой абсолютным удлинением
образца ∆l (мм). Пример такой зависимости для малоуглеродистой
пластичной стали приведён на рис. 2.
F, H
D
E
B C
A
Fупр
Fт
Fmax
Fk
О
Δlост
Δlупр
Δl, мм
Δlполн
Рис. 2. Зависимость между растягивающей нагрузкой и абсолютным
удлинением образца
Численные значения F и ∆l сами по себе не характеризуют свойства
материала, так как зависят от размеров образца. Чем больше площадь
поперечного сечения образца So , тем больше сила F , необходимая для
его деформирования. Чем больше начальная длина lo , тем больше будет
абсолютное удлинение ∆l (образец вытянется больше).
Для того, чтобы можно было сравнивать результаты испытаний
образцов одного и того же материала различных размеров и формы,
необходимо построить зависимость между возникающими в поперечных
сечениях образца напряжениями σ (МПа) и относительным удлинением
образца ε (%).
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для этого надо выполнить перерасчёт полученных опытных данных по
следующим формулам :
σ = F / So
ε = (∆l / lo) ⋅ 100 % .
;
Полученная зависимость (рис. 3) называется диаграммой растяжения
материала. Численные значения σ и ε полностью характеризуют
прочностные и пластические свойства материала образца при статическом
растяжении.
σ , МПа
D
E
B C
A
σупр
σт
σв
σk
α
О
εост
εупр
ε,%
εполн
Рис. 3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой пластичной стали
Анализируя диаграмму растяжения, изучают поведение материала
при растяжении и определяют его основные механические свойства.
1. На участке ОА диаграммы растяжения деформации растут
пропорционально напряжениям. В материале при этом возникают только
упругие деформации. Прямая ОА описывается законом Гука:
σ = Е ⋅ εупр ,
который гласит: упругие деформации прямо пропорциональны
действующим напряжениям. Коэффициент пропорциональности Е в этой
линейной зависимости – величина, постоянная для каждого материала. Эта
величина называется модулем продольной упругости материала или модулем
упругости I рода, или модулем Юнга. Модуль продольной упругости
Е (МПа) характеризует жесткость материала, то есть его способность
сопротивляться упругим деформациям при растяжении или сжатии.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На диаграмме растяжения материала модуль продольной упругости
характеризуется тангенсом угла наклона прямой ОА к оси ε. Чем больше
угол α , тем меньше развиваются упругие деформации при одном и том же
напряжении, тем более жестким является материал.
Ордината точки А на диаграмме соответствует условному пределу
упругости материала σупр (МПа). Условным пределом упругости
называется наибольшее напряжение, до которого в материале развиваются
лишь упругие деформации и сохраняется прямая пропорциональная
зависимость между напряжениями и деформациями. Он определяется по
формуле:
σупр = Fупр / So .
Детали машин, механизмов, приборов, элементы конструкций должны
работать в области упругих деформаций, то есть после снятия рабочих
нагрузок восстанавливать первоначальные форму и размеры. Поэтому
численное значение предела упругости является важнейшим прочностным
свойством для всех материалов, особенно для тех, из которых изготавливают
детали типа пружин и рессор.
При напряжениях выше предела упругости в материале образца наряду
с упругими деформациями εупр начинают развиваться и пластические
(остаточные) деформации εост . Долю остаточной деформации в полной
деформации εполн можно определить, проведя из исследуемой точки
диаграммы линию, параллельную линии ОА. Точка пересечения этой
линии с осью ε покажет значение остаточной деформации εост (рис. 3).
2. За пределом упругости на диаграмме растяжения наблюдается
переход от линии ОА к более или менее выраженной горизонтальной
площадке ВС, соответствующей процессу текучести материала (рис. 3).
Явление текучести заключается в значительном росте деформаций без
заметного увеличения нагрузки. При этом происходит упрочнение
металлического материала под действием
пластической
деформации
(явление наклепа).
Горизонтальный участок ВС называется площадкой текучести
материала. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без
увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести
материала σт (МПа). Он определяется по формуле:
σ т = F т / So .
Ярко выраженная площадка текучести характерна лишь для материалов
с высокой пластичностью. Для других материалов стандартом
устанавливается условный предел текучести материала σ0,2 (МПа). Он
соответствует напряжению, которое вызывает остаточную деформацию
εост
= 0, 2 % (рис. 4).
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
σ
B
A
OA || O1B
O
σ0,2
O1
εост = 0,2 %
ε
Рис. 4. Определение условного предела текучести материала σ0,2
Предел текучести материала (физический или условный) характеризует
сопротивление материала малым пластическим деформациям и является
важнейшей расчетной характеристикой материала. Действующие в любом
изделии или конструкции в процессе эксплуатации напряжения должны
быть меньше предела текучести, чтобы не возникало необратимых
остаточных деформаций.
3. Претерпев состояние текучести, и упрочнившись, материал снова
приобретает способность сопротивляться деформированию, и линия
диаграммы растяжения на участке СД (рис. 3) поднимается вверх. При этом
наблюдается рост как упругих, так и пластических деформаций, однако рост
остаточных деформаций значительно опережает рост упругих.
Создание в материале напряжений, превышающих предел текучести,
приводит к необратимым изменениям формы и размеров тела, при этом не
приводит к его разрушению. На этом явлении основаны методы обработки
материалов давлением (ковка, штамповка, прокатка, прессование, волочение,
гибка и другие). Поэтому численное значение предела текучести является
важнейшим прочностным свойством для материалов, обрабатываемых
давлением.
4. В момент испытания образца, соответствующий точке D,
напряжения в материале достигают своего максимального значения.
Максимальное напряжение, которое может выдержать материал в процессе
деформирования, называется условным пределом прочности материала
σв (МПа) или временным сопротивлением. Предел прочности рассчитывается
по следующей формуле:
σв = Fmax / So .
При растяжении нагрузкой меньшей, чем Fmax , образец достаточно
равномерно деформируется по всему объему рабочей части – происходит её
равномерное удлинение и сужение. При достижении предела прочности
развитие деформаций начинает приобретать резко выраженный характер и
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
распространяется не на весь образец, а концентрируется в одном месте,
которое называется шейкой. Образование шейки (резкого местного сужения
образца) представляет собой вторую текучесть, но лишь местного характера.
Оно характерно для пластичных материалов, имеющих диаграмму
растяжения с максимумом.
5. При дальнейшем растяжении образца (участок DE рис. 2) площадь
поперечного сечения образца в шейке быстро уменьшается. Поэтому
нагрузка Fк , необходимая для окончательного разрыва образца (точка Е),
меньше нагрузки Fmax , при которой образуется шейка (точка Д). Разрушение
образца происходит по наименьшему сечению шейки.
Значения условного предела упругости σупр , условного (или
физического) предела текучести σт (или σ0,2) и условного предела
прочности σв являются основными прочностными характеристиками
материала. Чем выше их численные значения (они приводятся в справочной
литературе), тем прочнее материал.
По диаграмме растяжения определяют и пластические свойства
материалов. Степень пластичности материалов характеризуется двумя
основными показателями: относительным остаточным удлинением при
разрыве и относительным остаточным сужением при разрыве.
Относительным остаточным удлинением при разрыве δ (%)
называется отношение абсолютного удлинения образца в процессе
растяжения к его первоначальной длине. Оно определяется по формуле :
δ = [(lк – lo) / lo] ∙ 100 ,
где lк – длина расчетной части образца после разрыва. Она определяется
путём стыковки двух частей разрушенного образца и замера расстояния
между нанесёнными до испытания рисками.
Относительным остаточным сужением при разрыве ψ (%)
называется отношение изменения площади поперечного сечения образца в
месте разрыва к первоначальной площади :
ψ = [(So – Sк) / So] ∙ 100 ,
где Sк – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва (Sк = bк ∙ hк ,
bк и hк – толщина и ширина шейки образца в месте разрыва).
Чем больше численные значения δ и ψ , тем пластичнее материал, тем
лучше он может обрабатываться давлением. Противоположным свойству
пластичности является хрупкость. Хрупкие материалы разрушаются при
незначительных остаточных деформациях и не могут обрабатываться
давлением. Деление на пластичные и хрупкие материалы достаточно условно.
К пластичным относят материалы с показателем δ > 20%: большинство
чистых металлов (медь, алюминий, железо, титан, кобальт, никель и др.),
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
многие деформируемые сплавы цветных металлов (латуни, дуралюмины,
магналии и др.), а также низкоуглеродистые стали. Диаграммы растяжения
этих материалов похожи на рассмотренную диаграмму (рис. 3).
К хрупким материалам относят: высокоуглеродистые стали, чугуны,
некоторые чистые металлы (магний, вольфрам, хром, молибден), литейные
сплавы цветных металлов (бронзы, силумины), керамика, камень, бетон,
неорганическое стекло и др. Обычно к хрупким относят материалы с
показателем δ < 5%. Диаграммы растяжения хрупких материалов в основном
описываются лишь прямой ОА, их разрушение происходит практически
при отсутствии пластических деформаций (рис. 5, б).
Материалы с показателем пластичности 5 < δ < 20 % можно отнести
к хрупко-пластичным. Диаграммы растяжения хрупко-пластичных
материалов отличаются отсутствием площадки текучести и характерного для
пластических материалов максимума (рис. 5, а).
В зависимости от условий нагружения один и тот же материал может
вести себя и как пластичный и как хрупкий. Многие пластичные материалы
ведут себя как хрупкие при низких температурах или при высоких
скоростях деформирования.
σ
σ
D
A
A
σв
σв
σупр
O
O
ε
a
ε
б
Рис. 5. Типовые диаграммы растяжения: а – для хрупко-пластичных
материалов; б – для хрупких материалов
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Порядок выполнения работы
1. Визуально ознакомиться с машиной, на которой будут проводиться
испытания; записать тип машины, цену деления шкалы силоизмерительного
механизма, скорость деформирования.
2. Замерить и записать исходные размеры поперечного сечения образца
ho и bo в случае плоского образца или do в случае цилиндрического
образца. Замеры производить с точностью до 0,01 мм в трех местах – в
середине и по краям рабочей части образца. За расчетную принять
наименьшую из трех площадь поперечного сечения.
3. Рассчитать с точностью до 0,1 мм и отметить рисками на образце его
расчетную начальную длину lo.
4. Зарисовать эскиз образца с указанием его размеров.
5. Установить образец в захваты машины.
6. Включить машину и установить необходимую скорость перемещения
активного захвата машины.
7. Наблюдать за построением самопищущим механизмом графической
зависимости ∆l от F. Записать характерные значения нагрузки,
соответствующие Fупр , Fт , Fmax , Fк . Дождаться разрушения образца.
8. Выключить машину, извлечь из захватов части разрушенного
образца, отделить с барабана прибора записанную зависимость.
9. Определить основные прочностные свойства материала образца:
условный предел упругости σупр , физический (σт) или условный (σ0,2) предел
текучести, условный предел прочности σв .
10. Определить конечную расчетную длину образца lк , приложив
его части плотно друг к другу и замерив с точностью до 0,1 мм расстояние
между исходными рисками. Рассчитать относительное остаточное удлинение
образца при разрыве δ .
11. Определить площадь минимального поперечного сечения шейки
образца в месте разрыва. Рассчитать относительное остаточное сужение
образца при разрыве ψ .
12. Определить доли упругих ∆lупр и пластических ∆lост деформаций
в
абсолютной деформации образца ∆lполн перед разрывом.
13. Составить письменный отчет и сделать выводы по работе.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контрольные вопросы для самопроверки
1.
2.
3.
4.
Что называется деформацией?
Чем отличаются упругие и пластические деформации?
Что называется механическим напряжением?
Какова размерность механического напряжения?
5. В чём отличие нормальных и касательных напряжений?
6. Какими буквами обозначают нормальные и касательные напряжения?
7. Какие напряжения характеризуют поведение материала при растяжении –
нормальные или касательные?
8. Какой формы образцы применяются при испытании металлических
материалов на растяжение?
9. Что называется диаграммой растяжения материала? В каких осях она
строится?
10. Чем отличаются абсолютная и относительная деформация? Как они
обозначаются? Какова их размерность?
11.Что называется жёсткостью материала? Какой характеристикой и
размерностью она определяются?
12. Как формулируется закон Гука?
13. Что называется пределом упругости материала? Его обозначение и
размерность? Как его определить?
14. Что называется физическим пределом текучести материала? Его
обозначение и размерность? Как его определить?
15.Что называется условным пределом текучести материала? Его
обозначение и размерность? Как его определить?
16.В чём суть наклёпа металла?
17. Что называется пределом прочности материала? Его обозначение и
размерность? Как его определить?
18. Что называется пластичностью материала?
19. Какие показатели характеризуют пластичность материалов?
20. Что называется относительным остаточным удлинением при разрыве? Его
обозначение и размерность? Как его определить?
21.Что называется относительным остаточным сужением при разрыве? Его
обозначение и размерность? Как его определить?
22.Какое свойство противоположно пластичности?
23.Какие материалы можно отнести к пластичным?
24.Какие материалы можно отнести к хрупким?
25. Чем отличаются диаграммы растяжения пластичного, хрупко-пластичного
и хрупкого материала?
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 2
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА СЖАТИЕ
Цель работы : изучить поведение и характер разрушения различных
материалов при сжатии; определить механические характеристики
материалов при сжатии.
Теоретическое обоснование
Многие детали машин и приборов, инженерные конструкции и их
элементы в процессе эксплуатации испытывают деформацию сжатия.
Испытания на сжатие являются основными при определении механических
характеристик хрупких материалов: чугуна, бетона, искусственного и
естественного камня, кирпича, керамики и т.д.
При сжатии силы, деформирующие образец, направлены вдоль его
оси навстречу друг другу (рис. 1). Внутренние силы упругости (напряжения)
при сжатии распределяются по сечению равномерно, так как материал во всех
точках поперечного сечения испытывает одинаковую деформацию.
F
h
d
F
Рис. 1. Схема испытания образцов материалов на сжатие
Испытания на сжатие проводятся как на специальных машинах –
прессах, так и на универсальных разрывных машинах с автоматической
записью диаграммы сжатия в координатах «нагрузка – деформация».
Результаты испытания на сжатие существенно зависят от формы и
размеров образцов, а также от условий их проведения. Обычно испытаниям
подвергаются цилиндрические или кубические образцы.
На практике трудно добиться приложения сжимающих сил точно по
оси образца. Вследствие этого образец может испытывать не только сжатие,
но и продольный изгиб (рис. 2, а). Для уменьшения влияния продольного
изгиба применяют образцы, высота которых h не более, чем в три раза
превышает поперечный размер d . Торцы образца во избежание перекоса
должны быть строго перпендикулярны его оси.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
F
F
Fтр
F
F
б
a
Fтр
Рис. 2. Влияние условий испытания образцов на изменение их формы
при сжатии: а – неточное приложение сжимающих нагрузок,
б – влияние сил трения на торцевых поверхностях образцов
Применение слишком коротких образцов также недопустимо, так как
чем короче образец, тем сильнее влияние сил трения между торцами образца
и сжимающими плитами рабочих органов машины (рис. 2, б). Возникающие
силы трения Fтр изменяют характер напряженного состояния, так как
они препятствуют развитию поперечных деформаций вблизи торцов. В
средней части образец деформируется значительно больше, чем по краям – он
становится бочкообразным. Для уменьшения сил трения рекомендуется
торцы образца покрывать смазкой. При одинаковых размерах у
цилиндрических образцов на торцах возникают меньшие силы трения, чем у
кубических. Оптимальные размеры образцов при испытании на сжатие
должны соответствовать соотношению: 1 ≤ h / d ≤ 3.
При испытании на сжатие в основном определяют две характеристики
материала: условный предел текучести σт и условный предел прочности σв .
Они определяются по формулам:
σт = Fт / So
и
σв = Fmax / So ,
где Fт – нагрузка, при которой начинается интенсивное развитие
пластических деформаций; Fmax – максимальная нагрузка, выдерживаемая
образцом до разрушения; So – площадь поперечного сечения образца до
начала испытания.
Характеристики прочности и пластичности материала при испытании
на сжатие сохраняют те же формулировки, что и при испытании на
растяжение, с той лишь разницей, что соответствующими деформациями
являются не удлинение, а укорочение образца, не уменьшение, а увеличение
поперечного сечения образца.
Диаграммы «напряжение – деформация» при испытаниях на сжатие
пластичных и хрупких материалов сильно различаются.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Типовая диаграмма сжатия пластичного материала приведена на рис. 3.
Образцы пластичных материалов обычно имеют цилиндрическую форму.
σ
D
B
C
σт
σупр
A
O
ε
Рис. 3. Типовая диаграмма сжатия пластичного материала
В начальный период испытания диаграмма сжатия имеет вид,
аналогичный диаграмме растяжения данного материала. На участке ОА до
напряжения σупр наблюдается прямо пропорциональная зависимость между
напряжением и деформацией (действует закон Гука). При этом образец
сохраняет цилиндрическую форму (рис. 4, а).
F
F
F
a
б
F
F
F
в
Рис. 4. Изменение формы образца пластичного материала в процессе
его испытания на сжатие: а – на участке ОА; б – на участке ВС;
в – на участке СD диаграммы сжатия
В процессе дальнейшего нагружения (участок) ВС наблюдается
значительный рост деформаций, материал «течет». Площадка текучести
выражена слабее, чем при испытании того же материала на растяжение.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зафиксированная нагрузка Fт соответствует условному пределу
текучести материала при сжатии σт . У пластичных материалов
численные значения пределов текучести при растяжении и сжатии
очень близки. В результате действия пластических деформаций и
вследствие возникновения сил трения образец принимает бочкообразную
форму (рис. 4, б).
При дальнейшем росте нагрузки (участок СD) происходит упрочнение
металла в результате наклёпа, площадь поперечного сечения образца
увеличивается, кривая сжатия круто поднимается вверх. Образец
сплющивается (рис. 4, в), но его разрушения не происходит. Испытание
прекращают, когда нагрузка достигает значения, превышающего предел
текучести Fт в 2 – 5 раз. Поэтому предел прочности материала определить
невозможно. Предел прочности пластичного материала при сжатии
условно принимается равным его пределу прочности при растяжении.
Образцы для испытания на сжатие хрупких материалов обычно
изготавливают в форме куба с различной длиной ребра, иногда (для
малопластичных металлов) – в виде цилиндра.
Типовая диаграмма сжатия хрупкого материала аналогична его
диаграмме растяжения (рис. 5).
σ
σв
D
O
ε
Рис. 5. Типовая диаграмма сжатия хрупкого материала
Предел текучести при сжатии для хрупких материалов не
определяют, так как они не испытывают значительных пластических
деформаций и при определённой нагрузке Fmax образцы разрушаются.
Для хрупких материалов определяют условный предел прочности
на сжатие σв .
Предел прочности хрупких материалов при сжатии обычно
значительно выше их предела прочности при растяжении. Так, для серых
чугунов предел прочности при сжатии равен 500÷900 МПа, а при
растяжении – 120 ÷ 200 МПа. Поэтому из хрупких материалов обычно
изготавливают детали и элементы конструкций, работающие на сжатие.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разрушение при сжатии образцов из хрупко-пластичных металлов
(чугуны, закалённые стали, алюминиевые литые сплавы и др.) происходит
при небольших остаточных деформациях под действием касательных
напряжений. На наличие остаточных деформаций указывает слегка
бочкообразная форма образцов перед разрушением. В процессе сжатия на
поверхности образца появляются трещины, расположенные под углом 45°
к направлению действия сил. По этим трещинам образец и разрушается,
распадаясь на части (рис. 6).
Рис. 6. Схема разрушения хрупко-пластичных материалов при сжатии
Такой характер разрушения объясняется тем, что максимальные
касательные напряжения при растяжении-сжатии действуют по сечениям,
расположенным под углом 45° к направлению действия сил.
В некоторых случаях для хрупко-пластичных материалов
определяют относительную остаточную деформацию при сжатии δ :
δ = [(ho – hк) / ho] ∙ 100 ,
где ho и hк – высота образца соответственно до и после испытания.
а
б
в
Рис. 7. Схема разрушения бетонного образца при сжатии: а – исходный
образец; б – разрушение при наличии трения на торцах образца;
в – разрушение при малом трении на торцах образца
Образцы искусственного цементного камня или бетона обычно
изготавливают в виде кубиков с ребром 200 мм (рис. 7, а). При сжатии
образца наблюдается быстрый рост нагрузки. Разрушение начинается с
выкрашивания боковых граней под углом 45°, образец при этом принимает
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
форму двух усечённых пирамид, соединённых вместе (рис. 7, б). Однако если
путем смазки торцовых поверхностей кубика частично устранить трение
между образцом и опорной поверхностью, то разрушение произойдет по
плоскостям, параллельным направлению действия сжимающих сил (рис. 7, в).
Особый интерес представляют испытания на сжатие деревянных
образцов. Дерево является анизотропным материалом – его свойства в разных
направлениях различны. Поэтому испытание на сжатие образцов (особенно из
хвойных пород дерева) проводят при действии сжимающих сил как вдоль,
так и поперек волокон. Образцы изготавливают в виде кубиков.
Типовая диаграмма сжатия деревянных материалов вдоль волокон
близка по форме к диаграмме сжатия хрупких материалов (рис. 8, а).
Разрушение (точка D) сопровождается образованием трещин и обмятием
торцовых поверхностей образца (рис. 9, а).
D
σ
σ
D
O
σв
σупр
σв
А
O
ε
а
ε
б
Рис. 8. Диаграммы сжатия деревянных материалов: а – вдоль волокон;
б – поперек волокон
2/3 h
⅔h
Диаграмма сжатия древесины поперек волокон похожа на диаграмму
сжатия пластичных материалов (рис. 8, б). За пределом упругости σупр (точка
А) увеличение нагрузки приводит к уплотнению и осадке образца без
видимых признаков разрушения (рис. 9, б). Испытания прекращают, когда
образец укорачивается на 1/3 от исходной высоты h (точка D на рис. 8, б).
а
б
a
б
Рис. 9. Схема разрушения деревянных образцов при сжатии : а – вдоль
волокон ; б – поперёк волокон
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В результате испытаний деревянных материалов на сжатие определяют
условные пределы прочности при сжатии вдоль волокон σввд и
поперёк волокон σвпоп :
σввд = Fmax / So и
σвпоп = Fmax / So ,
где Fmax – максимальная нагрузка, выдерживаемая образцом, So – площадь
поперечного сечения образца перед испытанием.
Прочность древесины вдоль волокон обычно в 5 – 8 раз выше её
прочности поперек волокон. Иногда эту разницу оценивают коэффициентом
анизотропии деревянных материалов:
Каниз = σввд / σвпоп .
Порядок выполнения работы
1. Визуально ознакомиться с прессами, на которых будут проводиться
испытания, изучить принцип работы прессов, записать их тип и цену
деления силоизмерительного механизма.
2. Предварительно ознакомиться со свойствами материалов, из которых
изготовлены образцы. Определить исходные размеры испытуемых образцов.
Зарисовать эскизы образцов с указанием их размеров.
3. Установить испытуемый образец между опорным и рабочим
органом прессового оборудования.
4. Включить машину и установить необходимую скорость перемещения
рабочего органа пресса.
5. В случае разрушения образца записать значение максимальной
нагрузки Fmax . Изучить характер разрушения. Определить условный предел
прочности материала при сжатии σв .
6. В том случае, если образец не разрушится, необходимо записать,
при какой нагрузке испытание было прекращено и почему.
7. Для хрупко-пластичных материалов определить относительную
остаточную деформацию при сжатии δ .
8. Для деревянных материалов определить коэффициент анизотропии.
9. Составить письменный отчет и сделать выводы по работе.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Для каких материалов испытания на сжатие являются основными?
2. Какую форму и размеры имеют образцы при испытаниях на сжатие?
3. Какую роль в испытаниях на сжатие играют силы трения?
4. Как ведут себя при сжатии пластичные материалы?
5. В чём особенности диаграммы сжатия пластичных материалов?
6. Как разрушаются при сжатии хрупкие материалы?
7. Как выглядит диаграмма сжатия хрупких материалов?
8. Как ведут себя при сжатии хрупко-пластичные материалы?
9. В чём особенности разрушения хрупко-пластичных материалов?
10. Как определить условный предел прочности материала при сжатии?
11. Как определить относительную деформацию при сжатии?
12. В чём особенности испытаний на сжатие деревянных материалов?
13. Как определить коэффициент анизотропии деревянных материалов?
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 3
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА СРЕЗ И СКАЛЫВАНИЕ
Цель работы : изучить поведение и характер разрушения различных
материалов при испытаниях на срез и скалывание. Определить прочностные
свойства материалов.
Теоретическое обоснование
Многие детали и элементы конструкций в процессе эксплуатации
испытывают деформации сдвига. Деформация сдвига возникает тогда, когда
внешние силы F, действующие на элемент, расположены в одной плоскости
или в параллельных плоскостях на малом расстоянии друг от друга и
направлены в противоположные стороны (рис. 1).
F
F
F
F
Рис. 1. Схема нагружения элемента конструкции, работающего на сдвиг
Сдвигом называется перемещение какого-либо сечения в его плоскости
относительно другого, параллельного ему сечения. Чистым сдвигом
называется такой вид нагружения, когда в сечении возникают лишь
касательные напряжения τ .
Явление сдвига наиболее часто встречается в элементах, соединяющих
между собой отдельные части конструкций. К таким соединениям относятся:
заклёпочные, болтовые, шпоночные, штифтовые соединения, сварные швы,
деревянные врубки и др.
На рис. 2,а схематично изображено заклёпочное соединение. Как видно
из рисунка 2,б деформацию сдвига в чистом виде осуществить внешними
воздействиями затруднительно, так как она почти всегда сопровождается
изгибом и другими видами деформаций. На участках заклёпки,
расположенных вблизи плоскостей А и В, происходит сдвиг одних её частей
относительно других в направлении перпендикулярном оси заклёпки. Вместе
с этим происходит изгиб и смятие заклёпки. Как правило, подобные
соединения рассчитывают не только на сдвиг, но и на смятие с определением
напряжений смятия σсм .
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При достижении внешними силами критических значений сложное
явление деформаций сдвига, изгиба и смятия завершается перерезыванием
заклепки – происходит двойной срез.
При перерезывании полосы ножницами срез происходит по одной
плоскости и сопровождается деформацией смятия (рис. 2, в).
F
F
А
В
F
2F
F
2F
F
F
аa
бб
вв
Рис 2. Схема явления сдвига: а – работа заклёпочного соединения;
б – деформация заклёпки; в – срез по одной плоскости
При анализе деформаций сдвига различают понятия среза и
скалывания. Термин «срез» преимущественно применяется при описании
сдвига пластичных материалов. Деформация среза приводит к вязкому
разрушению материала. Термин «скалывание» применяется для хрупких
материалов, а также для волокнистых, например деревянных материалов при
сдвиге вдоль волокон.
Испытания материалов на сдвиг проводятся на универсальных
машинах. Испытуемый образец помещается в специальное приспособление,
конструкция которого зависит от формы и размеров образца, а также от
способа приложения нагрузки и устройства рабочих органов машины.
F
Образец
а
F
б
Рис. 3. Схема испытания металлических материалов на двойной срез:
а – приспособление для испытания образцов; б – деформация
и разрушение образца
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для испытания на срез металлических материалов используют образцы
из проволоки диаметром d = 3 ÷ 10 мм. При испытании на двойной срез
используют приспособление, схематично изображенное на рис. 3.
При испытаниях на сдвиг определяют максимальную нагрузку Fmax,
вызвавшую разрушение образца. По результатам испытаний определяют
условный предел прочности материала при срезе τвср . Принимается
допущение, что при сдвиге касательные напряжения равномерно
распределяются по сечениям в плоскостях среза. Тогда условный предел
прочности материала можно определить по формуле:
τвср = Fmax / Sср ,
где Sср – общая площадь сечений, по которым происходит перерезывание
образца. Она зависит от количества плоскостей среза.
Для многих металлических материалов между условным пределом
прочности на срез τвср и условным пределом прочности на растяжение σврас
существует следующая зависимость:
τвср = (0,6 ÷ 0,8) ∙ σврас .
Испытания деревянных материалов на сдвиг проводятся с
использованием специальных приспособлений. Различают испытания на
скалывание, когда нагрузка действует вдоль волокон образца (рис. 4), а также
испытания на срез, когда нагрузка направлена поперёк волокон (рис. 5).
F
Образец
а
б
Рис. 4. Испытание деревянных материалов на скалывание: а – образец ;
б – приспособление для испытания
В процессе испытаний определяется максимальная нагрузка Fmax ,
приводящая к разрушению образцов. По результатам испытаний определяют
условный предел прочности древесины при скалывании τвск , и
условный предел прочности материала при срезе τвср :
τвск = Fmax / Sск
и
28
τвср = Fmax / Sср ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Sск – площадь сечения образца, по которому происходит скалывание,
Sср – площадь сечения образца, по которому происходит срез.
а
б
Рис. 5. Испытание образцов древесных материалов на срез: а – образец;
б – приспособление для испытания
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с оборудованием, на котором будут проводиться
испытания, изучить принцип работы машин, записать их тип и цену деления
силоизмерительного механизма.
2. Предварительно ознакомиться со свойствами материалов, из которых
изготовлены образцы. Определить исходные размеры испытуемых образцов.
Зарисовать эскизы образцов с указанием их размеров.
3. Установить испытуемый образец между опорным и рабочим
органом прессового оборудования.
4. Включить машину и установить необходимую скорость перемещения
рабочих органов.
5. Записать значение максимальной нагрузки Fmax , вызвавшей
разрушение образца. Определить условный предел прочности материала при
срезе τвср или скалывании τвск.
6. Составить письменный отчет и сделать выводы по работе.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. В каких деталях машин и элементах конструкций возникает
деформация сдвига?
2. В чём отличие между понятиями «срез» и «скалывание»?
3. Как деформируются и разрушаются при сдвиге пластичные и
хрупкие материалы?
4. Почему деформация сдвига, как правило, сопровождается смятием?
5. Как определить условный предел прочности материала при сдвиге?
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 4
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ
Цель работы: ознакомиться с основными методами испытаний и
научиться определять твердость различных материалов.
Теоретическое обоснование
Твердость
–
свойство
поверхностного
слоя
материала
сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при
местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и
не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной
формы и размеров.
Испытания на твердость являются одними из самых распространенных
видов механических испытаний благодаря своей простоте, высокой
производительности, а также возможности неразрушающего контроля, как
лабораторных образцов, так и готовых изделий.
Способы определения твердости в зависимости от скорости
приложения нагрузки делят на статические и динамические, а по способу
приложения нагрузки – на методы вдавливания и царапания.
Во всех методах испытаний на твердость очень важно правильно
подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности
наиболее полно характеризовать материал, твердость которого необходимо
определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины,
грубые риски и т.д.) должны быть удалены. Требования к качеству
испытуемой поверхности зависят от метода испытаний и обычно
предполагают её шлифование, и даже полирование.
Наибольшее распространение получило измерение твердости методами
статического вдавливания. При испытании в поверхность образца
некоторое время с определённой силой вдавливается стандартное тело,
которое называется индентором. В результате поверхностные слои
материала, находящиеся под индентором и вблизи него, пластически
деформируются, на поверхности образца образуется отпечаток.
Различают три основных метода определения твердости статическим
вдавливанием индентора: метод Бринелля, метод Виккерса, метод
Роквелла. Методы различаются формой, размерами и материалом индентора;
величиной силы вдавливания и продолжительностью её действия, качеством
подготовки испытуемых поверхностей.
Выбор метода испытаний зависит от химического состава материала и
вида его предшествующей обработки (отжиг, закалка, наклёп, химикотермическая обработка и т.п.).
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Твердость по Бринеллю
При стандартном испытании твердости по Бринеллю в качестве
индентора используется стальной закалённый шарик диаметром D .
Стандартом предусмотрено три размера индентора: 2,5 мм, 5 мм и 10 мм.
Индентор вдавливается в испытуемый образец под действием силы F .
Её величина зависит от размера индентора и химического состава материала:
10
D , мм
5
2,5
30000
7500
1875
300 ∙ D2
10000
2500
625
100 ∙ D2
5000
2500
1250
1250
625
312,5
312,5
156,25
78,125
50 ∙ D2
25 ∙ D2
12,5 ∙ D2
500
125
31,25
5 ∙ D2
Материал
Материалы с HB 130 – 450
(стали, чугуны, высокопрочные
сплавы на основе титана, никеля,
меди, алюминия)
Материалы с HB 35 – 130
(алюминиевые сплавы,
латуни, бронзы)
Материалы с НВ 8 – 35 :
алюминий, магний, цинк
подшипниковые сплавы
свинец, олово, припои
мягкие металлы при повышенных
температурах
F,Н
Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой составляет:
для сталей – 10 с, для цветных металлов и сплавов – 30 с (при F/D2 = 100
и 300) или 60 с (при F/D2 = 25). Продолжительность испытания
устанавливается вручную и выдерживается автоматически.
F
D
b
d
Рис. 1. Схема определения твердости материалов методом Бринелля
В результате испытания в поверхностном слое образца образуется
отпечаток сферической формы (рис. 1). С помощью специального устройства,
прилагаемого к прибору, определяют диаметр d отпечатка в плоскости
поверхности
образца.
Измерения
проводятся
в
двух
взаимно
перпендикулярных направлениях с точностью ± 0,25 % от диаметра D .
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диаметр отпечатка d получается тем меньше, чем выше сопротивление
материала образца деформации, т.е. чем выше его твёрдость.
Число твердости по Бринеллю обозначается латинскими буквами НВ
и может быть рассчитано как отношение приложенной нагрузки F (кгс или
МПа) к площади сферической поверхности отпечатка S (мм2) :
________
НВ = F / S = F / [ 0,5 ∙ π D ∙ ( D – √ D2 – d2 )] .
Числа НВ для различных значений F, d и D можно найти и в
специальных таблицах.
В большинстве используемой технической литературы размерность
твёрдости по Бринеллю – [кгс/мм2] . В этом случае она записывается как
НВ 45, НВ 160, НВ 320 и т.п. без указания размерности. В некоторых
источниках размерность твердости указывается в [МПа]. Тогда её
численные значения примерно в 10 раз выше, чем в первом случае:
НВ 450 МПа, НВ 1600 МПа, НВ 3200 МПа и т.п. Можно считать, что
твёрдость НВ 135 аналогична твёрдости НВ 1350 МПа.
Каждый образец подвергают испытанию не менее трёх раз и
определяют средний результат. Толщина испытуемых образцов должна быть
не менее значения b = F / (πD ∙ HB).
Между числом твердости НВ и условным пределом прочности
при растяжении σв для многих металлических материалов существует
приближенная, но очень важная зависимость:
Материал
Стали с твердостью НВ (кгс/мм2):
120 – 175
175 – 450
Медь (латунь, бронза):
отожженная
наклепанная
Алюминий и его сплавы:
отожженные
после закалки и старения
σв , МПа
3,4 ∙ НВ
3,5 ∙ НВ
5,5 ∙ НВ
4,0 ∙ НВ
3,6 ∙ НВ
3,5 ∙ НВ
Методом Бринелля можно испытывать материалы с твердостью менее
НВ 450 (4500 МПа). В основном он применяется для определения твердости
цветных металлов и сплавов, а также незакаленных сталей и чугунов.
При более высокой твердости образца деформация самого индентора
может превысить величину стандартного допуска. Твёрдость стальных
инденторов должна быть не менее 8500 МПа.
Твердость по Бринеллю определяют на твердомерах типа ТШ.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Твёрдость по Роквеллу
Метод Роквелла применяется для испытания материалов повышенной
твёрдости. В этом методе определяется не размер отпечатка, а глубина
вдавливания индентора в испытуемую поверхность.
При измерении твердости материалов методом Роквелла индентор
вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых
нагрузок – предварительной и основной (рис. 2).
Сначала прилагается предварительная нагрузка F0 = 10 кгс (100 Н),
которая не снимается до конца испытания. Под её действием индентор
внедряется в образец на глубину h0 . Затем к предварительной нагрузке
добавляется основная нагрузка F1 и глубина вдавливания индентора
увеличивается до величины h . Чем меньше h, тем выше число твердости
по Роквеллу.
F0 + F1
h
h0
F0
Рис. 2. Схема определения твердости материалов методом Роквелла
Глубина вдавливания индентора автоматически измеряется прибором
и преобразуется им в показания стрелочного кругового индикатора с ценой
деления шкалы 0,002 мм. Цифровые показания индикатора и характеризуют
число твердости материалов по Роквеллу. Никаких других вычислений
проводить не надо.
Таким образом, число твердости по Роквеллу – безразмерная величина,
соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Оно
считывается непосредственно с циферблата прибора. Глубина вдавливания
индентора в испытуемую поверхность зависит от типа индентора и величины
нагрузки. В связи с этим на цифровом индикаторе прибора имеют место три
шкалы измерения: А , В и С .
При работе по шкале А основная нагрузка F1 = 50 кгс (500 Н), а по
шкале С – F1 = 140 кгс (1400 Н). В качестве индентора в случаях
использования шкал А и С служит алмазный конус с углом при вершине
120˚ и радиусом закругления 0,2 мм.
Числа твердости по Роквеллу обозначаются латинскими буквами
соответственно HRA и HRC и выражаются формулой:
НRА (HRС) = 100 – ( h – h0 ) / 0,002 ,
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где число 0,002 (мм) – цена деления шкалы индикатора твердомера.
Стрелка на циферблате прибора показывает готовые числа твердости,
например HRC 56, HRC 65 или HRA 70, HRA 85.
При работе по шкале В основная нагрузка F1 = 90 кгс, а в качестве
индентора используется стальной закаленный шарик диаметром 1,5875 мм
(1/16 дюйма). Число твердости при этом записывается буквами HRB и
определяется по формуле:
HRB = 130 – ( h – h0 ) / 0,002 .
Числа твёрдости по Роквеллу – безразмерные величины.
Выбор шкалы измерения, то есть условия испытания, зависит от
материала и его обработки. Для определения твердости достаточно мягких
(неупрочненных) сталей и чугунов измерения можно проводить по шкале В.
Допускаемые пределы измерения твёрдости по этой шкале HRВ 25 – 100, что
соответствует твёрдости по Бринеллю НВ 600 – 2400 МПа.
Твердость сталей и некоторых других сплавов после упрочняющей
термической обработки обычно определяют по шкале С . Пределы измерений
по этой шкале составляют HRC 20 – 67 (НВ 2400 – 9000 МПа).
F
Шкала А применяется при определении
твердости очень твердых
инструментальных сплавов, в том числе металлокерамических. Рабочие
пределы измерений составляют HRA 70 – 85 (более 9000 МПа).
Испытания проводят на твердомерах типа ТК. Применяются как
стационарные, так и переносные приборы.
Твердость по Виккерсу
При стандартном определении твердости по Виккерсу в поверхность
образца вдавливается алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды
с углом при вершине α = 136 ° (рис. 3).
d
b
F
Рис. 3. Схема определения твердости материалов методом Виккерса
В результате вдавливания в поверхностном слое материала образуется
отпечаток, проекция которого на плоскость поверхности образца
представляет собой квадрат. С помощью встроенного в прибор устройства
вычисляется среднее значение диагонали квадрата d .
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Число твердости по Виккерсу обозначается буквами HV и
определяется отношением нагрузки F (кгс, МПа) к площади боковой
поверхности полученного пирамидального отпечатка S . Площадь боковой
поверхности пирамиды равна:
S = ( 0,5 ∙ d² ∙ sin α/2) .
Тогда число твёрдости по Виккерсу будет равно:
HV = F / S = ( 2 ∙ F ∙ sin α/2 ) / d² = 1,854 ∙ F / d².
Число HV для различных значений F и d можно определить и по
специальным таблицам.
Числа твердости HB и HV имеют одинаковую размерность и до
значений НВ (НV) 400 – 450 (4000 – 4500 МПа) практически совпадают.
Выше этих значений метод Бринелля дает искаженные результаты из-за
остаточной деформации стального шарика. Высокая твёрдость алмазной
пирамиды в методе Виккерса позволяет проводить испытания очень твердых
поверхностных слоёв материалов.
При измерении твердости материалов по Виккерсу очень важно
правильно выбрать силу вдавливания. Она зависит от свойств материала и
толщины исследуемого слоя. Нагрузки могут варьироваться от 1 до 100 кгс
(от 10 до 1000 Н). Для черных металлов рекомендуется применять нагрузки
от 5 до 100 кгс (от 50 до 1000 Н), для меди и ее сплавов – от 2,5 до 50 кгс (от
25 до 500 Н), для алюминиевых сплавов – от 1 до 100 кгс (от 10 до 1000 Н).
При испытании очень твёрдых и тонких поверхностных слоев,
например после химико-термической обработки, применяют нагрузки 1,3 или
5 кгс (13 или 50 Н). Так толщина азотированных или цианированных слоёв
может составлять до 30 – 50 мкм, а их высокая твёрдость (свыше HV 1000)
может быть измерена лишь методом Виккерса.
Твердость по Виккерсу определяют на образцах с тщательно
отшлифованной и даже отполированной поверхностью. Толщина образца b
должна быть не менее 1,5∙d.
Твердость по Виккерсу измеряется на приборах типа ТП. Каждый
образец подвергают испытанию не менее 5 – 10 раз.
Числа твердости, полученные разными методами статического
вдавливания, в определенных пределах можно сопоставлять между собой.
Так, интервал чисел твердости HRB 25 – 100 соответствует интервалу
чисел твёрдости НV 60 – 240, интервал твердости HRC 20 – 67 соответствует
HV 240 – 900, а интервал HRA 70 – 85 соответствует HV 390 – 900.
Существуют таблицы перевода чисел твердости, измеренных разными
методами. Например, приблизительно равными можно считать следующие
числа твердости: HV 220 – 230, HB 220 – 230, HRB 97 – 99, HRC 18 – 20.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с устройством и принципом работы твердомеров.
2. Подготовить поверхности образцов исследуемых материалов.
3. Провести испытания материалов на твердость различными методами.
4. Рассчитать или определить по таблицам твёрдость материалов.
5. Сравнить образцы испытуемых материалов по твёрдости.
6. Составить письменный отчет и выводы по работе.
Контрольные вопросы для самопроверки
1.
2.
3.
4.
5.
Что называется твердостью материала ?
Для каких деталей нужна высокая твердость ?
В чем принцип измерения твердости статическим вдавливанием ?
Что называется индентором и какие инденторы применяются ?
Какие требования предъявляются к поверхности образцов ?
6. В каких единицах измеряется твердость ?
7. Как определить твердость методом Бринелля ?
8. Как определить твердость методом Роквелла ?
9. Как определить твердость методом Виккерса ?
10.Для каких материалов применяются разные методы испытаний ?
11.Как можно сравнить числа твердости, полученные разными методами ?
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 5
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ .
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы: изучить методику испытания материалов на ударную
вязкость; определить ударную вязкость образцов различных материалов.
Теоретическое обоснование
Механические
характеристики
материалов
при
статическом
приложении нагрузки не позволяют оценить его способность сопротивляться
действию динамических (ударных) нагрузок. Скорость деформирования
заметно влияет на механические свойства материалов. Многие материалы,
имеющие высокую пластичность по результатам статических испытаний,
ведут себя как хрупко-пластичные уже при небольшом повышении скорости
деформирования и «становятся» хрупкими при действии ударных нагрузок.
На рис. 1 показаны типовые диаграммы растяжения пластичного
материала при статическом (1) и при динамическом (2) приложении нагрузки.
σ
2
1
ε
Рис. 1. Типовые диаграммы растяжения пластичного материала:
1 – при статическом приложении нагрузки ; 2 – при
динамическом приложении нагрузки
В области упругих деформаций диаграммы практически совпадают, а
затем резко расходятся. Увеличение скорости деформирования снижает
пластичность материала и повышает его прочностные свойства. Оно
может привести к повышению условного предела текучести материала σ0,2 на
20–70 %, а условного предела прочности σв – на 10–30 % по сравнению
со статическим испытанием.
При небольших скоростях нагружения материал в полной мере
проявляет свои пластические свойства и разрушается по вязкому механизму.
С повышением скорости деформирования пластичность проявляется всё
меньше, повышается склонность материала к хрупкому разрушению.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хрупкий механизм разрушения отличается от вязкого тем, что требует
гораздо меньшей энергии и, как правило, происходит внезапно путём отрыва
или скола. Для развития вязкого разрушения необходим постоянный подвод
энергии извне, так как она расходуется на осуществление пластических
деформаций и изменение формы и размеров тела. И чем больше пластичность
материала, тем большую работу надо совершить для его разрушения. Вязкое
разрушение происходит постепенно путём сдвиговых деформаций.
Вязкость материала характеризуется работой, необходимой для его
разрушения. Величину этой работы можно оценить, анализируя диаграмму
растяжения материала. Учитывая то, что диаграмма строится в осях
σ (размерность [Н/м2 = Н∙м/м3 = Дж/м3]) и ε (размерность [м/м]), площадь
под кривой диаграммы растяжения А имеет размерность [Дж/м3] и
характеризует величину удельной работы, необходимой для разрушения
единицы объёма деформируемого тела.
На рис. 2 изображены типовые диаграммы растяжения алюминиевого,
стального и чугунного образцов. Заштрихованные области на рисунке
характеризуют величину удельной работы разрушения образцов. Видно, что
чем выше пластичность образца, тем большая работа затрачивается на его
разрушение, тем выше вязкость материала.
σ
σ
σ
a
ε
б
ε
в
ε
Рис. 2. Типовые диаграммы растяжения материалов: а – алюминиевый
образец; б – стальной образец; в – чугунный образец
Значение вязкости является наиболее важным механическим свойством
материала при действии динамических и вибрационных нагрузок. С целью
определения вязкости и склонности материалов к хрупкому разрушению их
подвергают динамическим испытаниям.
Ударные испытания очень важны, хотя и не дают данных для расчета
деталей на прочность. Результаты динамических испытаний зависят от
незначительных изменений в структуре материала, поэтому отдельные
случайные отклонения в технологии или в составе, часто не влияющие на
результаты статических испытаний, оказывают резкое влияние на
динамические характеристики свойств материала.
На практике наиболее распространенным является испытание
материалов на ударный изгиб (испытание на ударную вязкость). Это
динамическое испытание очень просто по исполнению и позволяет в
численной форме выявить склонность материала к хрупкому разрушению.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Испытаниям на ударную вязкость подвергают образцы стандартной
формы (рис. 3). В образце посередине делают надрез для того, чтобы
сконцентрировать напряжения изгиба в одном поперечном сечении образца.
10
55
Рис. 3. Стандартный образец для испытания на ударную вязкость
Образцы подвергаются ударному разрушению на специальных
машинах – маятниковых копрах. Копёр состоит из станины, маятника с
ножом, тормозного механизма и измерительного устройства. Маятниковые
копры отличаются размерами и величиной максимального запаса энергии.
Например маятниковый копёр марки МК-30 имеет максимальный запас
энергии 30 кгс⋅м (300 Дж). Схема работы маятникового копра приведена
на рис. 4.
P
hн
hк
Образец
Рис. 4. Схема работы маятникового копра
Для проведения испытаний образец помещают на опоры станины
маятникового копра таким образом, чтобы надрез был со стороны,
противоположной удару, и находился против острия ножа маятника. Нож
маятника весом Р поднимают на высоту hн и закрепляют (рис. 4).
В этом положении маятник обладает запасом потенциальной энергии
Е1 = Р ∙ hн .
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Начальная высота подъема маятника hн выбирается в зависимости от
материала образца и может варьироваться от 0,2 до 2,5м для разных
марок копров.
Далее освобождают маятник, и его нож, свободно падая под действием
собственного веса, ударяет по образцу и разрушает его (или изгибает, если
запас энергии был недостаточным). При этом часть энергии расходуется на
процессы деформации и разрушения образца. Линейная скорость рабочей
части ножа маятника в момент удара должна быть в пределах от 4 до 7 м/с.
Оставшаяся после разрушения кинетическая энергия поднимает нож
маятника на высоту hк . Величина этой энергии равна
Е 2 = Р ∙ hк .
Абсолютное значение работы удара, затраченной на разрушение
образца, определится как разность энергий:
А = Е1 – Е2 = Р ∙ ( hн – hк ) .
Конструкции современных маятниковых копров позволяют определять
работу разрушения образца без всяких расчётов по показаниям
измерительного устройства, учитывающего вес ножа и разницу между
начальной и конечной высотой его положения.
Величину работы А можно назвать абсолютной вязкостью образца. Её
размерность – [Дж]. Чтобы охарактеризовать вязкость самого материала
необходимо отнести значение А к площади поперечного сечения S образца
в месте надреза:
а = А/S .
Величина а называется ударной вязкостью материала. Она имеет
размерность [Дж/мм2] или [МДж/м2]. Ударная вязкость является
важнейшим механическим свойством для материалов, из которых
изготавливают детали и элементы конструкций, подвергающиеся в процессе
работы значительным динамическим и вибрационным нагрузкам. Ударная
вязкость характеризует способность материала сопротивляться динамическим
нагрузкам и хрупкому разрушению.
Надёжность результатов, полученных при испытаниях на ударную
вязкость, в значительной мере зависит от качества изготовления образцов. В
частности на результаты испытаний большое влияние оказывает тип и
правильность исполнения надреза. В зависимости от типа надреза различают
три стандартных показателя ударной вязкости. Они обозначаются заглавными
латинскими буквами: KCU , KCV и КСТ . Последняя буква в этих
обозначениях и характеризует тип стандартного надреза на образце.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ударная вязкость
Испытания на ударную вязкость имеют большое значение и для
материалов, работающих при пониженных температурах. Снижение
температуры часто приводит к изменению механических свойств материалов,
обычно в худшую сторону. Наиболее значительно при этом изменяется
ударная вязкость материалов – она резко снижается.
Многие пластичные материалы при пониженных температурах
становятся менее пластичными и даже хрупкими. Это явление называется
хладноломкостью. Для изучения склонности материалов к хладноломкости
проводят серию испытаний стандартных образцов и строят зависимость
ударной вязкости от температуры. Пример такой зависимости приведён
на рис. 5.
Вязк
ое
сост
ояни
е
Хруп
кое
сост
ояни
е
t2
t1
Температура
Рис. 5. Схема зависимости ударной вязкости хладноломких материалов
от температуры
Ударная вязкость хладноломких материалов при понижении
температуры ниже значения t1 постепенно уменьшается, материал переходит
из вязкого состояния в вязко-хрупкое. При определенной температуре t2
ударная вязкость достигает своего минимального значения, которое при
дальнейшем понижении температуры не изменяется, материал переходит в
хрупкое состояние.
Температуры t1 и t2 называются верхней и нижней температурами
хрупкости материала, а интервал между ними называется температурным
интервалом вязко-хрупкого перехода.
Температуры хрупкости разных материалов имеют различные значения
и зависят от химического состава, структуры и предшествующей обработки
материала. К примеру ударная вязкость малоуглеродистой пластичной стали
марки Ст3 при температуре +30°С вдвое выше, чем при температуре
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
–20°С, следовательно детали из этой стали при отрицательных температурах
в два раза хуже сопротивляются ударным нагрузкам.
Большое значение в технике низких температур имеют материалы, не
склонные к хладноломкости. Эти материалы остаются пластичными и
вязкими вплоть до температур близких к абсолютному нулю. К данным
материалам относятся некоторые медные и титановые сплавы.
Испытания на ударную вязкость выявляют хрупкость материалов в тех
случаях, когда другими методами этого обнаружить не возможно. Данные
испытания при повышенных температурах используются также для
установления температурных режимов горячей обработки металлов
давлением.
Порядок выполнения работы
1. Изучить устройство маятникового копра. Зарисовать схему его
работы, ознакомиться с принципом действия измерительного механизма.
2. Определить площадь поперечного сечения образца в месте надреза.
Зарисовать образец. Охарактеризовать свойства испытуемых материалов.
3. Закрепить нож маятника копра в верхнем положении.
4. Поместить образец на опоры станины копра так, чтобы надрез
находился со стороны, противоположной удару.
5. Освободить маятник копра для разрушения образца.
6. С помощью измерительного механизма определить абсолютную
вязкость образца.
7. Изучить вид излома образцов.
8. Определить ударную вязкость испытуемых материалов.
9. Составить письменный отчет и сделать выводы по работе.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Как влияет скорость деформирования на механические свойства?
2. В чём отличия вязкого и хрупкого механизмов разрушения?
3. Что называется вязкостью материала? Что она характеризует?
4. В чём суть испытаний материалов на ударную вязкость?
5. Какие образцы применяются в испытаниях на ударную вязкость?
6. Как определить ударную вязкость материала?Какова её размерность?
7. Какими символами обозначают ударную вязкость?
8. Для каких деталей ударная вязкость является важнейшим свойством?
9. В чём суть хладноломкости? Какие материалы ей не подвержены?
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 6
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА КРУЧЕНИЕ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА МАТЕРИАЛА ПРУЖИНЫ
Цель работы: изучить поведение круглого стержня при кручении;
определить параметры цилиндрической винтовой пружины и модуль сдвига
материала пружины.
Теоретическое обоснование
Деформации кручения подвергаются многие детали машин и элементы
конструкций: вращающиеся валы машин, механизмов, станков, винтовые
пружины, резьбовые детали, проволока и т.п.
Кручение – вид деформации круглого стержня, при котором в его
поперечных сечениях возникает единственный внутренний силовой фактор –
крутящий момент Мк (Н∙м) . Иногда крутящий момент обозначают символом
Мz . При кручении каждое поперечное сечение стержня поворачивается по
отношению к любому другому сечению на некоторый угол ϕ (рад) , который
называется абсолютным углом закручивания участка стержня, заключённого
между рассматриваемыми сечениями (рис. 1).
Mк
ϕ
Mк
Рис. 1. Схема закручивания участка круглого стержня при кручении
Численное значение угла закручивания участка стержня диаметром d
и длиной l можно определить по формуле Гука для кручения:
ϕ = Мк ∙ l / G ∙ Ip ,
где G (МПа) – модуль сдвига материала стержня (другие названия – модуль
упругости 2 рода, модуль Гука), он характеризует жёсткость материала;
Ip (м4) – полярный момент инерции сечения (геометрическая
характеристика поперечного сечения круглого стержня), Iр = π d4 / 32 .
Поворот сечения при кручении происходит за счёт сдвига частиц
материала в плоскости сечения. При этом в каждой точке сечения возникают
внутренние единичные силы (касательные напряжения τ), направленные
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перпендикулярно радиусу к данной точке и создающие единичные моменты
относительно центра тяжести сечения.
Крутящий момент Мк является результирующей или интегральной
характеристикой действия касательных напряжений:
Мк = ∫ τ ∙ ρ ∙ dS ,
S
где S – площадь поперечного сечения; ρ – расстояние от центра сечения до
точки действия напряжения.
Напряжения при кручении распределяются по поперечному сечению
неравномерно. Их величина по линейному закону увеличивается от нуля в
центре сечения до максимального значения в контуре сечения, то есть на
поверхности стержня. Численное значение максимального касательного
напряжения при кручении τmax (МПа) определяется по формуле :
τmax = Мк / Wp ,
где Wp (м3) – полярный момент сопротивления сечения, Wp = π d3 / 16 .
Таким образом, стержень круглого сечения, работающий на кручение,
является примером тела, во всех точках которого имеет место напряжённое
состояние чистого сдвига. Выделим вокруг любой точки деформированного
стержня бесконечно малый элемент с длиной ребра b . Напряжённое
состояние в данной точке показано на рис. 2, а.
γ
τ
τ
τ
b
τ
Δb
τ
τ
b
τ
τ
а
б
Рис. 2. Схема деформации чистого сдвига: а – напряжённое состояние
чистого сдвига; б – определение величины деформации сдвига
Для того, чтобы определить меру деформации сдвига мысленно
закрепим нижнее ребро элемента (рис. 2, б). При этом произойдёт сдвиг
верхнего ребра элемента на величину ∆b и поворот боковых рёбер
на угол γ .
Величина ∆b называется абсолютной деформацией сдвига. Угол γ
называется относительной деформацией сдвига или углом сдвига.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тангенс угла γ равен: tg γ = ∆b/b . Так как тангенс ничтожно малого
угла практически равен самому углу, можно записать: tg γ ≈ γ. Окончательно,
угол сдвига равен: γ = ∆b/b .
Таким образом, мерой деформации сдвига является угол сдвига γ .
Размерность угла сдвига – [рад] .
Экспериментально доказано, что для большинства материалов в
области упругих деформаций существует линейная зависимость между
касательными напряжениями и деформациями сдвига:
τ = G ∙ γ упр .
Эту зависимость называют законом Гука при сдвиге: упругие
деформации сдвига прямо пропорциональны напряжениям.
Коэффициент пропорциональности G в законе Гука – модуль сдвига.
Значения модулей упругости первого рода Е и второго рода G
определяются силами межатомного взаимодействия и являются физическими
константами материала. Между ними существует зависимость:
Е = 2∙G∙(1+μ) ,
где μ – коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации).
Он также является физической константой материала и характеризует его
способность при растяжении упруго деформироваться в поперечном
направлении. Коэффициент Пуассона равен отношению относительных
деформаций образца в поперечном (εпоп) и продольном (εпрод) направлении
относительно направления растягивающей силы:
μ = εпоп / εпрод .
Значения коэффициентов Пуассона всех материалов лежат в интервале
от 0 до 0,5. Так коэффициент μ пробки равен 0; фанеры – 0,07; бетона – 0,08;
каучука – 0,47; свинца – 0,45; стальных материалов – 0,25 ÷ 0,33.
Величину модуля сдвига можно определить экспериментально,
например, при испытании на кручение тонкостенных трубчатых образцов (в
этом случае наблюдаются практически чистые сдвиговые деформации). При
испытании таких образцов строят диаграмму сдвига материала, похожую на
диаграмму растяжения этого материала (рис. 3).
На диаграмме сдвига напряжение τупр соответствует условному
пределу упругости материала при сдвиге. Тангенс угла α между прямой
ОА и осью γ характеризует модуль сдвига материала G. Напряжение τт
соответствует условному пределу текучести материала при сдвиге. Для
многих материалов предел текучести при сдвиге τт связан с пределом
текучести при растяжении σт соотношением: τт = σт / √ 3 .
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
τ
C
B
τт
τупр
A
α
γ
О
Рис. 3. Типовая диаграмма сдвига малоуглеродистой пластичной стали
Во многих машинах и технических устройствах применяются пружины:
витые (цилиндрические, конические, фасонные), плоские спиральные,
фигурные, тарельчатые и другие. Материал пружины должен хорошо
сопротивляться пластическим деформациям, то есть иметь высокие пределы
упругости и текучести. Кроме того, по условиям эксплуатации пружины
должны выдерживать большое число циклов нагружения, то есть иметь
высокий предел выносливости.
К основным пружинным материалам относятся качественные
рессорно-пружинные стали после специальной термической обработки,
иногда применяются сплавы цветных металлов. Полуфабрикатами для
изготовления витых пружин в основном являются проволока или прутки
круглого сечения. Витые пружины изготавливают горячей навивкой
отожжённой проволоки с последующей упрочняющей обработкой.
Наиболее широко используются цилиндрические винтовые пружины,
работающие на растяжение и сжатие. На рис. 4,а показана цилиндрическая
винтовая пружина, нагруженная растягивающей силой F .
F
F
d
Mк
α
D/2
F
Qy
D
a
б
Рис. 4. Цилиндрическая винтовая пружина растяжения: а – геометрические параметры пружины; б – внутренние усилия в поперечпоперечных сечениях проволоки пружины
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основными параметрами пружины являются: d – диаметр поперечного
сечения проволоки; D – средний диаметр пружины; α – угол подъема
средней винтовой линии витков, обычно α < 15°; n – число рабочих
витков
пружины. Средний диаметр пружины можно определить по
формулам:
D = Dв + d
или
D = Dн – d ,
где Dв и Dн – соответственно внутренний и наружный диаметры пружины.
При сжатии или растяжении пружины с малым углом α в поперечных
сечениях витков пружины возникают два внутренних силовых фактора:
крутящий момент Мк , скручивающий проволоку, и поперечная сила Qy ,
стремящаяся перерезать проволоку (рис. 4,б). Из условия равновесия можно
определить численные значения крутящего момента и поперечной силы:
Мк = F ∙ D / 2
и
Qy = F .
Таким образом, пружина с малым шагом витков работает на кручение
и на срез. Касательные напряжения среза τср считаются равномерно
распределенными по сечению витка пружины (рис. 5,а). Их можно
определить по формуле:
τср = F / Scp = (4 ∙ F) / (π ∙ d2) ,
где Sср – площадь поперечного сечения витка пружины.
K
τк
K
τср
а
б
Рис. 5. Распределение касательных напряжений по поперечному
сечению: а – напряжения среза; б – напряжения кручения
Касательные напряжения кручения τк возрастают по линейному
закону от центра к периферии сечения (рис. 5,б). Максимальные напряжения
кручения действуют в точках контура сечения. Они равны:
τк = (16 ∙ Мк) / (π ∙ d3) = (8 ∙ F ∙ D) / (π ∙ d3) .
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее опасной точкой поперечного сечения витка пружины
является точка К , так как в ней совпадают направления действия
напряжений среза и кручения, причём напряжения кручения максимальны.
Величину суммарного касательного напряжения, возникающего в точке К
можно рассчитать по формуле:
τmax = τк + τср = (8 ∙ F ∙ D) / (π ∙ d3) + (4 ∙ F) / (π ∙ d2) .
Второе слагаемое в формуле меньше первого в (2D/d) раз, что на
практике составляет 10 и более раз. Это означает, что доля напряжений среза
при работе пружины очень мала (менее 5 %), и ими можно пренебречь. В
случаях, когда отношение 2D/d меньше 10, напряжения среза необходимо
учитывать.
Таким образом, при растяжении или сжатии цилиндрических витых
пружин с малым шагом витков в поперечных сечениях их витков возникает
напряжённое состояние чистого сдвига, так как в них возникают лишь
касательные напряжения. Максимальное напряжение можно рассчитать по
формуле:
τmax = (8 ∙ F ∙ D) / (π ∙ d3) .
Допускаемые напряжения для рессорно-пружинных сталей принимают
равными 400 ÷ 600 МПа.
Основным технологическим параметром пружины является её
жесткость с . Жесткость пружины характеризует ее способность
сопротивляться растяжению или сжатию. Она определяется отношением
нагрузки F к деформации пружины λ :
с = F/ λ ,
где λ (мм) – осадка пружины, она характеризует абсолютное удлинение
или укорочение пружины. Осадка пружины прямо пропорциональна силе.
Величина осадки зависит от силы, диаметра пружины, числа её витков,
диаметра витка и от материала пружины:
λ = (8 ∙ F ∙ D3 ∙ n) / (G ∙ d4) ,
где n – число рабочих витков; G – модуль сдвига материала пружины.
Жёсткость пружины можно определить по формуле:
с = (G ∙ d4) / (8 ∙ D3 ∙ n) .
Для экспериментального исследования цилиндрических винтовых
пружин растяжения и сжатия используют прибор ДП-6А. С помощью этих
исследований можно определить и модуль сдвига материала, из которого
изготовлена пружина:
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
G = (8 ∙ D3 ∙ n ∙ с) / d4 .
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с устройством и работой прибора ДП-6А.
2. Провести градуировку силоизмерительного механизма прибора. Для
этого с нижней траверсы снять нижнюю опору и на нее последовательно
устанавливать грузы весом Fi = 10, 20, 30, 40 и 50 Н. Фиксируя каждый раз
отклонение стрелки индикатора на mi делений, определить цену деления
шкалы для каждого груза: Fi / mi . Среднее арифметическое этих значений
даст усреднённую цену деления шкалы прибора: (F / m)ср .
3. Определить геометрические параметры пружины: диаметр пружины
D, диаметр витка d, число рабочих витков n (может быть и не целым; у
пружин растяжения работают все витки, у пружин сжатия исключаются
витки, соприкасающиеся с опорными плитами).
4. Для испытания пружин растяжения кронштейн прибора переместить
и закрепить в верхнем положении. Закрепить за крючки пружину растяжения.
Вращением маховичка слегка нагрузить пружину для ее надежного контакта
с крючками (отклонение стрелки при этом должно составить 3 – 5 делений). В
этот момент осадка пружины λ принимается равной нулю, что фиксируется
на масштабной линейке.
Для испытания пружин сжатия кронштейн устанавливается в нижнее
положение, пружина устанавливается на ступенчатых опорах.
5. Через определенный интервал (5–10 мм) увеличивать осадку
пружины λ , фиксируя по индикатору соответствующие нагрузки F .
Результаты заносить в таблицу.
6. Построить зависимость осадки пружины от нагрузки. Определить
жёсткость пружины с .
7. Определить модуль сдвига G материала пружины.
8. Составить письменный отчет и сделать выводы по работе.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какой вид деформации называется кручением?
3. Как при кручении распределяются по сечению напряжения?
4. Какое напряжённое состояние называется чистым сдвигом?
5. Какая характеристика является мерой деформации при сдвиге?
6. Как формулируется закон Гука при сдвиге?
7. Что характеризует коэффициент Пуассона?
8. Почему при изучении деформации кручения рассматривают работу
цилиндрических винтовых пружин растяжения и сжатия?
9. Что называется жёсткостью пружины?
10. Что называется осадкой пружины?
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 7
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗГИБ .
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛА БАЛКИ
Цель работы: изучить поведение балки при изгибе; рассчитать
напряжения и деформации, возникающие при изгибе балки; определить
модуль упругости материала балки.
Теоретическое обоснование
Многие детали и элементы конструкций в процессе эксплуатации
испытывают деформацию изгиба. При изгибе происходит искривление оси
деформируемого тела. Брусья (стержни), работающие в основном на изгиб,
называются балками. Поперечным сечением балки может быть круг,
прямоугольник, швеллер, двутавр, уголок, рельс, любая другая более
сложная фигура.
В зависимости от условий закрепления различают балки консольные,
двухопорные, многоопорные. На рис. 1 изображена двухопорная балка,
нагруженная изгибающей силой F . Расстояние l между опорами
называется пролетом балки.
F
l
Рис. 1. Схема нагружения двухопорной балки изгибающей нагрузкой
Если внешние изгибающие нагрузки действуют в плоскости,
проходящей через ось балки, изгиб называют прямым, в противном
случае – косым.
Прямым поперечным изгибом называется такой вид деформации
балки, когда в её поперечных сечениях возникают два внутренних силовых
фактора: изгибающий момент Мх , стремящийся повернуть сечение вокруг
его нейтральной оси x , и поперечная сила Qy , действующая в плоскости
сечения и стремящаяся перерезать балку (рис. 2). Если на каком-либо участке
балки поперечная сила равна нулю, такой вид напряжённого состояния тела
называется чистым изгибом.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Mx
Mx
Qy
Qy
Рис. 2. Элемент балки, испытывающий деформацию прямого поперечного изгиба
Для наглядного представления о характере изменения поперечной
силы и изгибающего момента по длине балки и для нахождения опасных
сечений строят эпюры Qу и Mх (рис. 3).
F
F/2
l/2
F/2
l/2
F/2
Qy , Н
F/2
F∙l/4
Mx, Н·м
Рис. 3. Эпюры поперечной силы Qу и изгибающего момента Mх
Из эпюр можно определить Qу и Mх в любом поперечном сечении
балки. Для данной схемы нагружения наиболее опасным сечением является
сечение посередине пролета балки, так как в этом месте действует
максимальный изгибающий момент.
Изгибающий момент представляет собой равнодействующий момент
внутренних нормальных сил – нормальных напряжений σ , действующих
в каждой точке поперечного сечения балки и перпендикулярных ему.
Значения нормальных напряжений по высоте сечения не одинаковы и
изменяются по линейному закону. Нормальное напряжение в любой точке
поперечного сечения можно рассчитать по следующей формуле:
σ = (Мх / Jх) ⋅ y ,
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Мх – изгибающий момент в данном поперечном сечении; y – расстояние
от нейтральной оси х до точки, в которой определяется напряжение; Jх –
осевой момент инерции сечения относительно его нейтральной оси х.
b
– σmax
h
x
+ σmax
Рис. 4. Эпюра нормальных напряжений по высоте сечения
Осевой момент инерции сечения Jх является геометрической
характеристикой жёсткости поперечного сечения и зависит только от его
формы и размеров. Значения осевых моментов инерции для стандартных
профилей приводятся в справочниках, а для простых фигур рассчитываются
по формулам. Осевой момент инерции прямоугольного сечения равен:
Jх = b ∙ h3 / 12 ,
где b – сторона сечения, параллельная оси х; h – сторона сечения,
перпендикулярная оси х (рис. 4). Размерность осевого момента инерции
сечения – [м4] .
В точках сечения, лежащих на оси х , нормальные напряжения равны
нулю (y = 0). Это значит, что в этом слое балки материал не испытывает ни
растяжения, ни сжатия, этот слой называется нейтральным. Линия
пересечения нейтрального слоя с плоскостью поперечного сечения балки
называется нейтральной осью (линией).
Слои балки, лежащие выше нейтрального слоя, испытывают сжатие,
а слои, лежащие ниже его, испытывают растяжение. Максимальные
нормальные напряжения возникают в точках, наиболее удаленных от
нейтральной оси (y = h/2). Они определяются по формуле:
σmax = ± (Мх / Jх) ⋅ (h / 2) .
В слоях, испытывающих растяжение, напряжения принимают
положительными, а в слоях, испытывающих сжатие – отрицательными.
В расчётах на прочность используется такая характеристика
поперечного сечения, как осевой момент сопротивления сечения Wx . Он
определяется по формуле: Wx = Jx / (h/2). Тогда максимальные нормальные
напряжения при изгибе можно рассчитать по формуле:
σmax = ± Мх / Wх .
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Осевые моменты сопротивления стандартных профилей приводятся в
справочной литературе. Размерность осевого момента сопротивления – [м3].
Поперечная сила Qу представляет собой равнодействующую силу
внутренних касательных сил – касательных напряжений τ , действующих
в плоскости сечения. Величина касательных напряжений по высоте
поперечного сечения также различна (рис. 5).
h
b
τmax
x
Рис. 5. Эпюра касательных напряжений по высоте сечения
Касательные напряжения в произвольной точке поперечного сечения
можно вычислить по формуле:
τ = (Qy ∙ Sxω) / (Jx ∙ by) ,
где Qy – поперечная сила в рассматриваемом сечении; Sxω – статический
момент относительно нейтральной оси х той части сечения, которая
расположена по одну сторону прямой, проведённой параллельно оси х
через данную точку; Jx – момент инерции всего сечения относительно
нейтральной оси; by – ширина поперечного сечения на уровне
рассматриваемой точки.
Для прямоугольного сечения эта формула после подстановки
соответствующих величин преобразуется в следующее выражение для
определения касательных напряжений:
τ = 6 ∙ Qy ∙ ( h2/4 – y2 ) / b ∙ h3 .
В точках сечения, наиболее удаленных от нейтральной оси (у = h/2),
касательные напряжения равны нулю. Максимальные касательные
напряжения действуют в точках нейтрального слоя (у = 0). Они равны :
τmax = 3 ∙ Qy / (2 ∙ b ∙ h) .
Под действием внешних изгибающих нагрузок ось балки искривляется,
поперечные сечения балки
перемещаются относительно своих
начальных положений на определенные величины. Эти величины называются
прогибами f . Они характеризуют жёсткость балки и являются основной
мерой деформации изгиба.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В области упругих деформаций прогибы прямо пропорциональны
приложенным нагрузкам: F = k ⋅ f . Коэффициент пропорциональности k
зависит от схемы нагружения балки, от формы и размеров её поперечных
сечений, от материала, из которого она изготовлена, от места расположения
рассматриваемого сечения.
В общем случае для определения коэффициентов k, а следовательно и
прогибов f , необходимо решать дифференциальные уравнения упругой
линии балки. Для наиболее простых случаев нагружения эти уравнения
решены и результаты решений приводятся в литературе.
Для случая нагружения, изображённого на рис. 3, максимальным будет
прогиб сечения, расположенного в месте приложения силы F. Для данного
сечения решение дифференциального уравнения упругой линии балки даёт
следующее значение коэффициента пропорциональности:
k = 48 ∙ E ∙ Jx / l3 ,
где Е – модуль упругости материала балки.
Тогда прогиб данного сечения будет равен:
f = F / k = (F ∙ l3) / (48 ∙ E ∙ Jx) .
Коэффициент пропорциональности можно найти экспериментально с
помощью лабораторной установки. Для этого необходимо построить
зависимость прогибов сечения от нагрузки (рис. 6).
F, Н
FC
C
FA
A
α
О
fA
fС
f ,мм
Рис. 6. Зависимость прогибов сечения балки от нагрузки
Коэффициент пропорциональности определяется углом α наклона
прямой ОАС :
k = tg α = (FC – FA) / (fC – fA) .
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По результатам испытаний можно определить модуль упругости
материала, из которого изготовлена балка:
E = (k ∙ l3) / 48 ∙ Jx .
Порядок выполнения работы
1. Изучить лабораторную установку для испытания балки на изгиб.
2. Произвести измерения геометрических размеров балки.
3. Подготовить установку для выполнения испытания.
4. Ступенчато нагружать балку, фиксируя прогибы сечений.
5. Построить графическую зависимость прогибов от нагрузки.
6. Определить модуль упругости материала балки.
7. Зарисовать схему нагружения балки с построением эпюр Qу и Мх .
8. Рассчитать максимальные нормальные и касательные напряжения.
9. Составить письменный отчет и сделать выводы по работе.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие внутренние силовые факторы возникают в поперечных
сечениях балки при изгибе?
2. В чём отличие деформаций прямого и косого изгиба?
3. В чём отличие деформаций поперечного и чистого изгиба?
4. С какой целью строят эпюры Qy и Мх ?
5. Что характеризуют и от чего зависят осевой момент инерции и
осевой момент сопротивления сечения?
6. Что называется нейтральной осью поперечного сечения и что
характерно для нейтрального слоя балки?
7. В каких слоях балки возникают максимальные нормальные и
касательные напряжения?
8. Какие напряжения при изгибе наиболее опасны: нормальные или
касательные и почему?
9. Что является мерой деформации при изгибе?
10. От чего зависят прогибы балки и как их можно определить?
11. Почему при определении деформаций изгиба используется
показатель модуля упругости первого рода?
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дриц М.Е., Москалёв М.А. Технология конструкционных материалов
и материаловедение: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1990. – 447 с.
2. Металловедение и технология металлов. Учебник для вузов/
Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демянцевич В.П. и др. М.: Металлургия, 1988. –
512 с.
3. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие для техн. вузов. – 2-е
изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1991. – 448 с.
4. Материаловедение: Учебник для втузов / Под общ. ред.
Б.Н. Арзамасова. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 1986.– 384 с.
5. Фетисов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов: Учеб.
для машиностр. спец. вузов / Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. –
М.: Высшая школа, 2000. – 638 с.
6. Колачев Б.А. и др. Металловедение и термическая обработка цветных
металлов и сплавов: Учебник / Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. – М.:
Металлургия, 1972. – 480 с.
7. Испытание материалов. Справочник. Под ред. Х. Блюменауэра /Пер.
с нем. – М.: Металлургия, 1979. – 448 с.
8. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов: учебник для
вузов. 2-е изд. – М.: Металлургия, 1983. – 352 с.
9. Механические свойства металлов: учебник для вузов. 2-е изд. – М.:
Металлургия, 1983. – 352 с.
10. Материалы в машиностроении. Выбор и применение: Справочник в
5 томах под ред. Лужникова Л.П. – М.: Машиностроение, 1967.
11. Справочник металлиста. В 5 т. 3-е изд., перераб.; Под ред. С.А.
Чернавского и В.Ф. Рещикова. – М.: Машиностроение, 1976.
12. Степин П.А. Сопротивление материалов: Учебник для
немашиностроительных специальностей вузов. – 7-е изд. – М.: Высш. школа,
1983. – 304 с.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 1
Перевод чисел твёрдости
Виккерс
HV
100
125
150
175
200
225
250
275
300
340
380
420
460
500
540
580
620
660
700
740
780
820
860
900
Бринелль
HB
100
125
150
175
200
225
250
275
300
336
368
400
434
Роквелл
HRB : HRC
52
70
80
87
93
98
22
26
30
35
39
42
45
48
51
53
55
57
59
61
63
64
66
67
Предел
прочности
σв , МПа
340
420
510
590
680
760
850
930
1020
1140
1250
1360
1470
Примечание. Погрешность перевода чисел твёрдости по Виккерсу в
единицы Бринелля составляет ± НВ 20, в единицы Роквелла соответственно
± HRC( HRB ) 3, в значения предела прочности σв – ±10 %.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 2
Содержание курса «Материаловедение и технология конструкционных
материалов» для студентов технологических специальностей
(выписка из Государственного образовательного стандарта)
Материаловедение. Технология конструкционных материалов:
Материаловедение:
строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование
структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая
деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного
металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные
металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали;
химико-термическая
обработка;
жаропрочные,
износостойкие,
инструментальные и штамповочные сплавы; явление коррозии,
коррозионные
потери,
классификация
коррозионных
процессов,
химическая и электрохимическая коррозия, методы защиты от коррозии;
электротехнические материалы, резина, пластмассы.
Технология конструкционных материалов:
теоретические и технологические основы производства материалов;
материалы, применяемые в машиностроении и приборостроении; основные
методы получения твердых тел; основы металлургического производства;
основы порошковой металлургии; напыление материалов; теория и
практика формообразования заготовок;
классификация способов
получения заготовок;
производство заготовок способом
литья;
производство заготовок пластическим деформированием; производство
неразъемных соединений; сварочное производство; физико-химические
основы получения сварочного соединения; пайка материалов; получение
неразъемных соединений склеиванием; изготовление полуфабрикатов и
деталей из композиционных материалов; физико-технологические основы
получения композиционных материалов; изготовление изделий из
металлических композиционных материалов; особенности получения
деталей из композиционных порошковых материалов; изготовление
полуфабрикатов и изделий из эвтектических композиционных материалов;
изготовление деталей из полимерных композиционных материалов;
изготовление резиновых деталей и полуфабрикатов; формообразование
поверхностей
деталей
резанием,
электрофизическими
и
электрохимическими способами обработки; электрофизические и
электрохимические методы обработки поверхностей заготовок; выбор
способа обработки;
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ………………………………………………………….. 3
Введение ………………………………………………………………. 5
Лабораторная работа № 1. Испытание материалов на растяжение.
Определение основных прочностных и пластических свойств
материалов ………………………………………………………………….. 9
Лабораторная работа № 2. Испытание материалов на сжатие …….. 18
Лабораторная работа № 3. Испытание материалов на срез и
скалывание …………………………………………………………………. 26
Лабораторная работа № 4. Испытание материалов на твердость.
Определение твердости материалов различными методами ……………. 30
Лабораторная работа № 5. Испытание материалов на ударный
изгиб. Определение ударной вязкости материалов ……………………… 37
Лабораторная работа № 6. Испытание материалов на кручение.
Определение модуля сдвига материала …………………………………… 43
Лабораторная работа № 7. . Испытание материалов на изгиб.
Определение модуля упругости материала балки ……………………….. 50
Список рекомендуемой литературы …………………………………. 56
Приложение 1. Перевод чисел твёрдости ……………………………. 57
Приложение 2. Содержание курса «Материаловедение и
технология конструкционных материалов» для студентов
технологических специальностей (выписка из Государственного
образовательного стандарта) ………………………………………………. 58
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составители:
Козловский Александр Эдуардович
Бойцова Вера Вячеславовна
Механические свойства материалов. Методы испытаний
Лабораторный практикум по дисциплине
«Материаловедение и технология конструкционных материалов»
Редактор Г.В. Куликова
Подписано в печать 21.08.2007. Формат 60×84 1/16. Бумага писчая.
Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж 750 экз. Заказ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Ивановский государственный
химико-технологический университет»
Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры
экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ»
153000, г. Иваново, пр.Ф.Энгельса, 7
60
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
267
Размер файла
499 Кб
Теги
596, свойства, материалы, механической
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа