Казанский государственный энергетический университет
1. Испытание материалов на ударную вязкость
Цель работы: Изучение методики определения основных механических характеристик металлических материалов.
Теоретические основы
Теоретические основы испытания материалов на ударную вязкость: Для оценки свойств материала при динамических нагрузках недостаточно механических характеристик, определяемых при статических испытаниях. При больших скоростях нагружения, например при ударе, увеличивается опасность хрупкого разрушения. Эта опасность особенно возрастает при наличии в детали различного рода надрезов (отверстия, галтели, канавки и пр.), которые вызывают концентрацию напряжений (неравномерное распределение напряжений).
Надрез позволяет сосредоточить всю деформацию, поглощающую удар, в одном месте. Кроме того, наличие надреза ставит материал в более тяжёлые условия работы, поскольку надрез значительно ослабляет сечение и вызывает повышение напряжений от изгиба.
В настоящее время применяют испытания на ударный изгиб образцов с концентраторами. Образцы устанавливаются на двух опорах и подвергаются воздействию ударной нагрузки падающего маятника. Разрушение происходит в плоскости надреза, и поэтому форма надреза и его размеры влияют на склонность материала к хрупкому разрушению.
Тип Т соответствует концентратору, содержащему усталостную трещину, которую получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости.
Работу удара обозначают буквами (KU, KV или КТ) и цифрами. Первая буква (К) — обозначает символ работы удара; вторая буква (U, V или Т) — вид концентратора. Последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца.
Ударной вязкостью (КС) называется отношение работы (К), необходимой для разрушения образца, к площади поперечного сечения в месте надреза. Ударную вязкость (КС) в Дж/ (кгс•м/) оценивают по формуле:
????=??/
где К — работа удара, Дж (кгс•).
Работу разрушения образца определяют на маятниковом копре и рассчитывают по формуле:
Электромонтажные работы
... 1.3 Монтажные и электроустановочные изделия и детали При производстве электромонтажных работ используют типовые детали и изделия, выпускаемые специализированными предприятиями. Эти изделия и детали применяются ... Кабельная бумага является основным изоляционным материалом, применяемым в кабелях высокого напряжения. После намотки на кабель ее пропитывают электроизоляционным маслом. Характерным ...
=??(?),
где Р — вес груза маятника, , — высоты подъема груза до и после разрушения образца.
=??????
где = — начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, (); Н — начальная высота рабочей части образца, м(см); В — начальная ширина образца, м(см); h — глубина концентратора. Н и В измеряют с абсолютной погрешностью не более ±0,05 мм.
Значение КС записывается в протоколе с округлением до 1 Дж/смІ, при КС > 10 Дж/смІ или до 0,1 Дж/смІ при КС < 10 Дж/смІ.
Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква — вид концентратора; первая цифра — максимальная энергия удара маятника, вторая — глубина концентратора и третья — ширина образца. Например: КСТ + 100 150/3/7,5 — ударная вязкость, определённая на образце с концентратором вида Т, при температуре плюс 100 °С, максимальная энергия удара маятника 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.
Если испытания проводятся при комнатной температуре (T = 20 ± 10 °С), то температура в обозначениях не проставляется.
Практическая часть
|
Материал |
С |
S, |
А |
KSUp |
KSUт |
Погрешность, % |
|
|
Ст3 |
0,21 |
56 |
34,3 |
61,25 |
60 |
2 |
|
|
Сталь 45 |
0,45 |
56 |
32,7 |
58,39 |
50 |
16,8 |
|
|
40Х |
0,40 |
64 |
21,25 |
38,28 |
45 |
15 |
|
|
30 ХГСА |
0,3 |
64 |
35,9 |
56,1 |
60 |
6,5 |
|
|
М2 |
0 |
56 |
78,8 |
143 |
100 |
43 |
|
|
СЧ18-36 |
>3 |
56 |
3 |
5 |
5 |
0 |
|
|
60Г2 |
0,6 |
56 |
68,6 |
102 |
90 |
13,3 |
|
2. Испытание материалов на растяжение
Цель работы: Изучить методику проведения испытаний на растяжение для определения механических свойств различных материалов.
Теоретические основы
Действие силы вызывает деформацию твердого тела, и в нем возникают напряжения. Напряжение является удельной величиной и определяется как отношение силы, действующей на тело, к площади его сечения:
у = F/A0, (Па, МПа),
где F — сила, A0 — площадь поперечного сечения образца, . A0 = р/4, d0 — начальный диаметр образца, м. Напряжение в системе СИ выражается в Н/ или МН/, т.е. МПа. На практике может быть использована размерность кгс/, (1 кгс/ = = 9,81 МПа);1 кгс = 9,8 Дж; 1 кгс/ = 0,1МПа; 1МПа = 1000000 Па; 1 Па = 1Н/; 1 МПа = 1Н/ = 10 кгс/.
Деформацией в механике называется процесс изменения взаимного расположения каких-либо точек твердого тела. Деформация может быть обратимой (упругой), исчезающей после снятия нагрузки, и необратимой — остающейся после снятия деформирующего усилия. Необратимую деформацию называют пластической или остаточной. При определенных условиях нагружения деформация может закончиться разрушением.
Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий.
Даже незначительное усилие вызывает упругую деформацию, которая в чистом виде наблюдается только при нагрузках до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от нагрузки и упругим изменениям межатомных расстояний. При нагрузках выше точки А в отдельных зернах металла, ориентированных наиболее благоприятно относительно направления деформации, начинается пластическая деформация. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает и увеличение упругой, и пластической деформации (участок АВ).
При нагрузках точки В возрастание упругой деформации прекращается. Начинается процесс разрушения, который завершается в точке С.
Механические свойства материалов: прочность, твердость, пластичность, вязкость, упругость определяются при различных условиях нагружения и разных схемах приложения усилий. Широко распространено испытание материалов на растяжение, по результатам которого можно определить в частности показатели прочности и пластичности материала.
Сопротивление малым пластическим деформациям характеризуют предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести.
Предел пропорциональности упц — напряжение, до которого материал деформируется строго упруго, то есть соблюдается закон Гука
у = Ее,
где Е — модуль упругости (модуль Юнга. Это структурно нечувствительная величина).
= /,
где- нагрузка, при пределе пропорциональности.
Предел упругости — наибольшее напряжение, до которого в материале не обнаруживается признаков пластической деформации; =/.
Физический предел текучести — это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки: =/.
Если на кривой деформации отсутствует четко выраженная площадка текучести, то определяют условный предел текучести.
Условный предел текучести — это напряжение, при котором остаточное удлинение (необратимая пластическая деформация) составляет 0,2% длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.
Сопротивление значительным пластическим деформациям (для пластичных материалов) характеризуется пределом прочности.
Предел прочности (временное сопротивление) — это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрыву образца:
=/,
где — нагрузка, соответствующая точке В.
Относительное удлинение после разрыва д — это отношение приращения расчетной длины образца (- l0) после разрушения к начальной расчетной длине l0, выраженное в процентах: д= •100%
Для определения длины расчетной части после разрыва части образца плотно прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между метками, которые ограничивали начальную расчета длину.
Относительное сужение ш — это отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения в шейке образца (- ) к начальной площади сечения , выраженное в процентах:
??=•??????%,
где — площади поперечного сечения образца до и после испытания соответственно.
Машина имеет диаграммный аппарат, позволяющий записывать при испытании кривую деформации в координатах «сила — деформация».
Машина УММ-5 имеет электромеханический привод подвижного захвата, скорость перемещения которого может быть установлена с помощью рычага коробки скоростей. С неподвижным захватом связан рычажно-маятниковый силоизмеритель. Возрастание усилия в верхнем неподвижном захвате вызывает соответствующее отклонение маятника, происходит уравновешивание. Величина усилия показывается стрелкой на круговой шкале.
Практическая часть
|
Показатели |
Образец |
||||||||||||
|
№1 |
№2 |
№3 |
№4 |
№5 |
№6 |
№7 |
№8 |
№9 |
№10 |
||||
|
Материал образца |
12XH3A |
20XГР |
Сталь 25ХГМ |
Сталь 30Х |
Сталь 30ХГС |
Сталь 40 |
Сталь 40Х |
Сталь 65 |
Cт3 |
Cт5 |
|||
|
Диаметр образца |
до испытания после испытания |
мм мм |
5 3,3 |
5 3,5 |
5 3,7 |
5 3,7 |
5 3,7 |
5 3,8 |
5 3,7 |
5 4 |
5 3,3 |
5 3,2 |
|
|
Площадь поперечного сечения |
до испытания после испытания |
мм мм |
19,6 8,5 |
19,6 9,6 |
19,6 10,7 |
19,6 10,7 |
19,6 10,7 |
19,6 11,3 |
19,6 10,7 |
19,6 12,6 |
19,6 8,5 |
19,6 8 |
|
|
Длина расчетной части |
до испытания после испытания |
мм мм |
25 29,7 |
25 29,2 |
25 29,6 |
25 29,9 |
25 29,6 |
25 31,7 |
25 29,7 |
25 29,6 |
25 33,9 |
25 32,2 |
|
|
Предел текучести |
Физический Условный |
кгс/ кгс/ |
25,5 |
26,2 |
29,2 |
24,2 |
27,5 |
11,5 |
26,3 |
28 |
28,1 |
29,3 |
|
|
Предел прочности |
кгс/ |
96,8 |
102,6 |
122,3 |
92,7 |
112,8 |
47,1 |
102,3 |
112,1 |
47,9 |
59,9 |
||
|
Относительное удлинение д |
% |
18,8 |
16,8 |
18,4 |
19,6 |
18,4 |
26,8 |
18,8 |
18,4 |
35,6 |
28,8 |
||
|
Относительное сужение ш |
% |
56,6 |
51 |
45,4 |
45,4 |
45,4 |
42,3 |
45,4 |
34,2 |
56,6 |
59,2 |
||
|
кгс/ |
15,5 |
15,9 |
16,8 |
14,2 |
16,2 |
6,2 |
16 |
16,5 |
10,2 |
11,3 |
|||
Рис 1.
ударная вязкость растяжение сжатие
3. Испытание материалов на сжатие
Теоретические основы испытания материалов на сжатие
При испытании на сжатие пластических материалов (мягкой стали, меди и др.) из-за сильной деформации (сплющивания) не удается довести образец до разрушения. Опыт приходится остановить, не определив величины наибольшей разрушающей нагрузки. Следовательно, для пластических материалов предел прочности при сжатии не может быть определен. В этом случае обычно устанавливается только предел пропорциональности:
Следует отметить, что при сжатии стали предел пропорциональности, предел текучести, модуль упругости Е приблизительно имеют такие же значения, как и при растяжении. Хрупкие материалы (чугун, камень, бетон и др.) разрушаются при сжатии (рис. 3), выдерживая при этом значительно большее напряжение, чем при растяжении. Для этих материалов предел прочности при испытании на сжатие имеет большое практическое значение, так как обычно детали из хрупких материалов в реальных конструкциях работают на сжатие.
Рис. 2. Деформация стального образца при сжатии
Рис. 3. Деформация чугунного образца при сжатии
Испытание деревянных образцов представляют собой интерес вследствие того, что прочность этого материала, имеющего волокнистую структуру, неодинакова вдоль и попрек волокон (анизотропный материал).
Для испытаний применяют деревянные кубики (рис. 4).
Прочность дерева на сжатие вдоль волокон обычно в 8-10 раз больше, чем поперек волокон (рис. 5).
Образцы до и после сжатия выглядят следующим образом.
Рис. 4. Деревянные образцы, разрушенные при сжатии волокон
Рис. 5. Деревянный образец до и после сжатия поперек волокон
Размерность. 1кгс = 9,8 Дж; 1 кгс = 9,80665 ньютонов точно 1 Н ? 0,10197162 кгс; 1 кгс/см 2 = 0,1 Мпа; 1 кгс/мм2 = 9,81 МПа.
Пресс гидравлический (ПСУ-10).
Гидравлический пресс ПСУ-10 предназначен для испытания стандартных образцов строительных материалов на сжатие, а также поперечного изгиба кирпича согласно ГОСТ 530-54 на ПСУ-10. По конструкции силовозбуждающего устройства пресс относится к типу гидравлических и включает в себя три отдельных агрегата: собственно пресс (рис. 6), пульт управления, силоизмеритель СИ-2.
Рис. 6. Общий вид гидравлического пресса ПСУ-10
Собственно пресс представляет собой неподвижную раму, состоящую из станины (5) и поперечины (1), соединенных между собой двумя колоннами (3).
В центральном гнезде поперечины смонтирована винтовая пара, на которую закреплена плита опорная верхняя (2).
Практическая часть
|
Наименование образца |
Площадь сечения, см 2 |
Максимальная нагрузка, кН |
Предел прочности, кПа |
|
|
1. Кирпич |
108 |
489 |
45,3 |
|
|
2. Бетон |
100 |
304 |
30,4 |
|
|
3. Чугун |
3 |
61 |
203,3 |
|
|
4. Береза вдоль волокон |
7,84 |
46 |
58,7 |
|
|
5. Береза поперек волокон |
7,84 |
9 |
11,5 |
|
|
6. Сосна вдоль волокон |
7,84 |
37 |
47,2 |
|
|
7. Сосна поперек волокон |
7,84 |
7 |
8,9 |
|
Рис. 7
