12599

ИСПЫТАНИЕ НА СЖАТИЕ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

ИСПЫТАНИЕ НА СЖАТИЕ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Методические указания к лабораторной работе № 3 по курсу Сопротивление материалов для студентов технических специальностей Астрахань2009 Составили: Денисова Л.М. ст. преп. кафедры Те

Русский

2013-05-02

3.22 MB

57 чел.

ИСПЫТАНИЕ НА СЖАТИЕ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к лабораторной работе № 3

по курсу «Сопротивление материалов»

для студентов технических специальностей

Астрахань-2009

Составили:  

Денисова Л.М., ст. преп. кафедры «Теоретическая и прикладная механика», Непомнящий В.А., асс. кафедры «Теоретическая и прикладная механика».

Рецензент: Цейтлин А.М., к.т.н, доц. кафедры «Холодильные машины»

Испытание на сжатие различных материалов. Методические указания к лабораторной работе № 3 по курсу «Сопротивление материалов» для студентов технических специальностей / АГТУ; Сост. Л.М. Денисова, В.А. Непомнящий. – Астрахань, 2009. - 15 с.

В методических указаниях изложены теоретические основы проведения испытаний на сжатие различных материалов, представлена методика обработки полученных экспериментальных данных.

 

Методические указания  рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

23.12.2009 г. Протокол №  11/09

Астраханский государственный технический университет


СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. Цель работы.

2. Задачи работы.

3. Оборудование, инструмент.

4. Теоретические основы.

5.Порядок проведения испытаний.

6. Подготовка к лабораторной работе

7. Форма отчета.

8. Контрольные вопросы.

Литература.

Приложение 1.

Приложение 2.

4

4

4

4

6

10

11

11

11

12

15


1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное изучение поведения пластичных и хрупких, изотропных и анизотропных материалов при испытании на сжатие.

2. ЗАДАЧИ РАБОТЫ

2.1. Определить механические характеристики малоуглеродистой стали,  дерева и чугуна при сжатии.

2.2. Определить коэффициент анизотропии прочностных свойств дерева.

3. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ

3.1 Образцы: при испытаниях на сжатие необходимо осуществить приложение сжимающей нагрузки строго по оси образца. Во избежание искривления образца, т.е. потери им устойчивости при продольном сжатии, металлические образцы изготавливаются в виде цилиндров диаметром               d = 10-25 мм и высотой h ≤ 3d, образцы из неметаллов (дерево, бетон) изготавливают кубической формы с длиной ребра от 20 до 50 мм

3.2 Испытательная машина: для проведения испытаний на сжатие в данной работе используется испытательная машина ИМЧ-30, устройство и принцип действия которой изложены в приложении 1.

3.3 Измерительный инструмент: штангенциркуль с ценой деления 0,1 мм.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Для пластичных материалов (сталь, алюминий, медь и др.) испытания на сжатие являются дополнением к испытаниям этих материалов на растяжение. Хрупкие материалы (чугун, бетон) на сжатие работают значительно лучше, чем на растяжение, и обычно используются в сжатых элементах конструкций. Поэтому для хрупких материалов испытания на сжатие являются основными. При сжатии образца вдоль оси силой F (рис 1,а) в его поперечных сечениях возникают нормальные напряжения (рис. 1,б), которые определяются по формуле:

где А0-  площадь поперечного сечения образца до испытания,

N = F - нормальная сила в сечении.

Рис.1 Распределение  напряжений в сечении образца

При испытаниях на сжатие определяются в основном две механические характеристики: предел текучести т (для пластичных материалов) и предел прочности в (для хрупких материалов)

 

где : FТ- усилие, соответствующее текучести материалов;

    FВ- максимальное усилие, при котором образец разрушается.

Результаты испытаний на сжатие зависит от условий проведения опыта. Практически очень трудно добиться приложения сжимающей силы точно по оси образца. Поэтому образец не только сжимается, но и изгибается. Чем длиннее образец, тем больше влияние изгиба. Для уменьшения этого влияния образцы делают высотой не больше двух диаметров. На контактных поверхностях между образцом и плитами машины возникает трение, которое уменьшает поперечные деформации образца у его торцов, вследствие чего он принимает бочкообразную форму (рис.2,а). Чтобы трение не очень существенно влияло на поведение материала, образцы изготавливаются высотой не менее одного диаметра. Для уменьшения сил трения между образцом и плитами машины применяют различные смазочные материалы или используют образцы более сложных форм, например, с входящими конусами (рис.2,б), в которых угол α зависит от коэффициента трения образца по плитам машины (рис. 2,б).

Рис.2   Образцы с гладкими торцами  (а) и с входящими конусами (б)

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Нарисовать эскизы образцов до испытания, замерить основные размеры образцов: высоту и диаметр для стального и чугунного образцов; длину, ширину и высоту деревянных образцов и записать в таблицу (приложение 2).

5.1 Сжатие изотропного пластичного материала (сталь)

Образец помещают между плитами испытательной машины и постепенно статически нагружают непрерывно возрастающей нагрузкой. Пишущий прибор при этом вычерчивает диаграмму сжатия в координатных осях: нагрузка (F) - абсолютная деформация l (рис.3), начало которой представляет прямую ОА , выражающую прямолинейную зависимость между нагрузкой и абсолютной деформацией.

Рис.3  Диаграмма сжатия пластичного материала (сталь)  

                     а)                 б)

Рис.4 Характер деформации пластичного материала  (сталь):

а) вид образца до деформации,

б) вид образца после деформации

Кратковременная остановка стрелки силоизмерительного прибора испытательной машины или замедление скорости ее движения указывают на то, что материал образца начал пластически деформироваться. Нагрузка, зафиксированная в этот момент, есть нагрузка, соответствующая пределу текучести Fт. При дальнейшем нагружении образец значительно деформируется (рис.4), происходит значительное увеличение поперечного сечения образца.

Увеличивающееся поперечное сечение приобретает способность выдерживать всё большую нагрузку, чем и объясняется характер диаграммы (рис.3): кривая всё время идет вверх. Разрушить образец из пластичного материала невозможно, поэтому предел прочности при сжатии стали не может быть определен, испытания прекращают при достижении нагрузки в 3-5 раз превышающей FТ.

5.2 Сжатие изотропного хрупкого материала (чугун)

Испытание проводят в той же последовательности, как для стального образца. Диаграмма сжатия, полученная при испытании чугуна, будет иметь вид, показанный на рис.5.

Рис.5 Диаграмма сжатия хрупкого материала (чугун)

      а)                                  б)                 

Рис.6  Характер разрушения хрупкого                                                                                                                                                                                            материала (чугун):

а) вид образца до деформации,

б) вид образца после деформации

От начала координат диаграмма идет практически по прямой линии: нагрузка интенсивно растет, а деформации незначительны. Затем, всё более искривляясь, диаграмма достигает максимума и резко обрывается: нагрузка, достигнув разрушающего значения FВ, быстро падает – прочность образца исчерпана. Разрушение чугуна происходит внезапно.  Образец разрушается по сечению, расположенному примерно под углом 45о к оси образца. (рис.6).

5.3 Сжатие дерева вдоль и поперек волокон.

Дерево является анизотропным материалом, то есть имеет разные свойства в разных направлениях. Поэтому испытания, как правило, проводятся вдоль и поперек волокон.

Испытание проводятся в той же последовательности, что и предыдущие. Диаграмма сжатия дерева вдоль волокон напоминает диаграмму сжатия хрупкого материала (рис.7).

Рис.7 Диаграмма сжатия дерева вдоль волокон

                                 

            а)                               б)

Рис.8 Характер разрушения дерева вдоль волокон:

а) вид образца до деформации,

б) вид образца после деформации

Из диаграммы видно, что до разрушения в образце возникают сравнительно небольшие остаточные деформации (диаграмма мало отклоняется от оси сил ). После достижения наибольшей сил FВ начинается разрушение с уменьшением нагрузки. Обычно разрушение происходит с образованием поперечных складок и обмятием торцов (рис.8).

Диаграмма сжатия дерева поперек волокон напоминает диаграмму сжатия пластичного материала (рис.9). Сначала диаграмма идёт по наклонной прямой-образец деформируется упруго. Резкое замедление движения или остановка стрелки силоизмерительного прибора испытательной машины свидетельствует о том, что образец начал пластически деформироваться. Эта нагрузка соответствует пределу текучести FТ.. Дальнейшая деформация образца происходит почти без увеличения нагрузки, но, при отсутствии пороков в образце, разделение его на части не происходит, он лишь спрессовывается. Значительный рост деформаций без увеличения нагрузки свидетельствует о том, что прочность образца исчерпана. Поэтому испытания дерева поперек волокон прекращают, если кубик сжался на 1/3 своей первоначальной высоты (рис.10).

Рис.9 Диаграмма сжатия дерева поперек волокон

          а)                              б)

Рис.10  Характер деформации дерева

поперек волокон:

а) вид образца до деформации,

б) вид образца после деформации                                                                                                                                                                                                                                       

Свойства дерева вдоль и поперек волокон различны. Отношение предельных механических характеристик материала вдоль волокон и поперек волокон называется коэффициентом анизотропии для дерева К.

К =  L вдоль волокон /  L поперек волокон,

где L – предельная механическая характеристика материала.

6. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

1. Изучить методические указания к лабораторной работе.

2. Записать тему, цель,  задачи работы и оборудование в специально отведенной для лабораторных работ тетради.

3. Начертить таблицу первичных данных и результатов испытаний (Приложение 2).

7 .ФОРМА ОТЧЕТА

Лабораторная работа № 3

Тема:

Цель работы:

Задачи работы:

Используемое оборудование:

Таблица первичных данных и результатов испытаний (приложение 2)

Выводы по работе:

1) описание поведения анизотропного материала и характера разрушения пластичных и хрупких материалов;

2) указание предельной механической характеристики для пластичного и хрупкого материалов.

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1. Какие напряжения возникают в поперечном сечении сжатого образца и как определить их величину?

8.2.Какие механические характеристики определяются при сжатии хрупкого материала?

8.3.Какие механические характеристики определяются при сжатии пластичного материала?

8.4.Какой материал называют анизотропным?

8.5.Каковы особенности проведения испытаний на сжатие и как они влияют на результаты испытаний?

8.6.Как ведет себя пластичный материал при  сжатии и как хрупкий?

8.7.Какой вид имеет диаграмма сжатия для пластичного материала и какой вид для хрупкого?

8.8.Каков характер разрушения при сжатии различных материалов?

ЛИТЕРАТУРА

1.Сопротивление материалов. Учебник для вузов   Г.С.Писаренко , В. А. Агаев  и др.; под общей редакцией Г.С. Писаренко. Киев: “Вища школа”, 1986.   775с.

2.Афанасьев А.М., Марьин В.А. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М.,“Наука”, 1975.  287с.

3.Ердаков В.И., Минин Л.С, Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М., “Высшая школа”, 1961. 186с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Описание гидравлической универсальной

испытательной машины  ИМЧ-30

Гидравлическая универсальная испытательная машина  ИМЧ-30 (Рис. 11) служит для статических испытаний различных материалов при растяжении, сжатии и изгибе. Машина ИМЧ-30 относится к типу испытательных машин с гидравлическим приводом активного захвата и механико-гидравлическим силоизмерением и состоит из трех основных отдельных агрегатов (Приложение1): А – собственно испытательной машины, Б – силоизмерительного маятникового устройства, В – насосной станции.

Все три агрегата соединены между собой трубопроводом, образуя единую гидравлическую систему.

Испытательная машина (А) состоит из двух жестких рам – неподвижной и подвижной. Неподвижная рама состоит из основания 1, двух стальных стоек 2, траверсы 3, рабочего цилиндра 4. Подвижная рама состоит из рабочей траверсы 5, двух стальных тяг 8, траверсы 7 и рабочего поршня 6. В основании 1 расположен механизм для подъема и опускания нижнего захвата 9. этот механизм имеет привод от отдельного электродвигателя через клиноременную передачу. Управление электродвигателем осуществляется кнопочной станцией 10. Испытываемые образцы на растяжение закрепляются между траверсой 3 и захватом 9.

Силоизмерительное устройство (Б) состоит из станины 11, распределительной коробки 12, круговой шкалы 13, диаграммного барабана 14, маятника 15 и измерительного поршня с тормозным клапаном, расположенных во внутренней полости станины 2. На распределительной коробке 12 сверху и слева (сбоку) расположены два крана. Верхний кран служит для регулировки скорости движения рабочего поршня машины. Левый кран предназначен для разгрузки машины. Насосная станция (В) служит для силового питания рабочего цилиндра 4 машины и состоит из чугунной станины 16, насоса высокого давления, электродвигателя и резервуара для масла, помещенных внутри станины 16. С передней стороны станины 16 расположена кнопочная станция для пуска и остановки электродвигателя насоса.

Для испытания на сжатие образец устанавливают на плиту подвижной траверсы 5. При нагнетании масла в рабочий цилиндр 4 поршень 6 перемещает подвижную траверсу вверх и образец подвергается сжатию. Масло из рабочего цилиндра 4 поступает в цилиндр силоизмерительного устройства, вызывая опускание поршня в нем. Поршень через рычажную систему вызывает отклонение маятника 15, который в свою очередь вызывает отклонение стрелки по шкале 13. В зависимости от груза на маятнике испытания можно проводить с максимальными нагрузками 6т, 15т, 30т. Цена деления шкал при этом составляет 10 кг, 25 кг, 50 кг соответственно.

 

Рис. 11. Испытательная машина ИМЧ-30.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Таблица первичных данных и результатов испытаний

Материал

Вид образца до испытания

Размеры образца до испытания, мм

Вид образца после испытания

Диаграмма сжатия

Нагрузки, кГ , напряжения,

кг/мм2

Сталь

d =

h =

А0 =

FТ

Т

Чугун

d =

h =

А0 =

FВ

В

Дерево вдоль волокон

a =

b =

h =

А0 =

FВ

В

Дерево поперек волокон

а =

b =

h =

А0 =

FТ

Т



а)

F

б)

F

h

F

а)

б)

Силы трения

F

l

А

0

Fт

F

l

FB

0

F

l

FB

0

F

l

FТ

0

EMBED Equation.3  

h

8

6

2

1

16

12

11

13

15

В

Б

А

9

5

10

14

4

3

7

6

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76423. Форсирующее звено первого порядка 30.34 KB
  Передаточную функцию форсирующего звена можно представить как сумму передаточных функций идеального дифференцирующего и пропорционального звена. Уравнение звена. ЛАЧХ и ЛФЧХ Асимптотическая ЛАЧХ форсирующего звена состоит из двух прямых. Пример ЛАЧХ и ЛФЧХ форсирующего звена для.
76424. Колебательное звено 120.05 KB
  Колебания будут затухать с течением времени т. В автоматических системах различают свободные и вынужденные колебания. Вынужденные колебания выходной величины звена возникают из-за колебаний воздействия например при синусоидальном воздействии. Колебания переходной функции колебательного звена это свободные колебания: воздействие на звено не периодическое а колебания возникают из-за собственных колебательных свойств звена.
76425. Запаздывающее звено и его свойства 45.78 KB
  Переходную функцию звена получим решив уравнение. Переходная характеристика звена приведена на рисунке. Переходная характеристика запаздывающего звена Импульсная переходная функция запаздывающего звена имеет вид: Импульсная переходная характеристика запаздывающего звена представлена...
76426. Виды соединений звеньев САУ 50.49 KB
  Соединение звеньев в САУ может выполняться в 3-х основных формах: последовательная, параллельная и соединение с обратной связью. Последовательное соединение звеньев (a)
76427. Правила преобразования структурных схем 90.16 KB
  Критерий правильности упрощения схемы заключается в равенстве входных и выходных сигналов упрощаемого участка до и после преобразования. Перенос сумматора через сумматор: а до преобразования; б после преобразования. Перенос узла через сумматор: а до преобразования; б после преобразования.
76428. Условия устойчивости линейных систем автоматического управления 93.58 KB
  Изменение регулируемой величины при произвольном внешнем воздействии представляет собой решение уравнения 3.22 первое слагаемое вынужденная составляющая имеющая тот же характер что и правая часть уравнения 3. Она определяется как частное решение неоднородного дифференциального уравнения 3.21 с правой частью: Второе слагаемое свободная переходная составляющая которая определяется общим решением однородного дифференциального уравнения 3.
76429. Критерий устойчивости Гурвица 61.79 KB
  Поэтому большее распространение получил алгебраический критерий устойчивости сформулированный в 1895 году математиком А. Критерий устойчивости сводится к тому что при должны быть больше нуля все определителей Гурвица получаемых из квадратной матрицы коэффициентов. Условия нахождения системы на границе устойчивости можно получить приравнивая нулю последний определитель: при положительности всех остальных определителей.
76430. Критерий устойчивости Михайлова 37.19 KB
  Критерий устойчивости Михайлова. 21: чтобы замкнутая система была устойчивой необходимо и достаточно чтобы годограф характеристического многочлена замкнутой системы годограф Михайлова начинался на положительной части действительной оси и проходил последовательно в положительном направлении исключая точку начала координат n квадрантов комплексной плоскости где n порядок характеристического уравнения. Графическое изображение годографов Михайлова для устойчивых и неустойчивых систем Практический пример Пусть характеристическое уравнение...
76431. КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ НАЙКВИСТА 155.49 KB
  Предварительно должна быть определена устойчивость исследуемой системы в разомкнутом состоянии. Для неустойчивой разомкнутой системы нужно выяснить какое число корней ее характеристического полинома имеет положительные вещественные части. В одноконтурной системе составленной из последовательно соединенных звеньев корни характеристических полиномов этих звеньев являются одновременно корнями характеристического полинома разомкнутой системы. Если какоелибо звено в прямой цепи системы охвачено обратной связью то нужно определить корни...