Дослідження механічних якостей сталі та стальних пружин

11

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Лабораторний звіт з предмету «Опір матеріалів»

Дослідження механічних якостей сталі та стальних пружин

Виконав: студент

Фєшкін С.О.

КАНІВ 2010

ВИЗНАЧЕННЯ ОСАДКИ ГВИНТОВОЇ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПРУЖИНИ

Мета роботи : визначити досвідченим шляхом характеристику пружини, тобто залежність між осіданням пружини і осьовим навантаженням. Зіставити отримані результати опади пружини з вичисленнями за теоретичною формулою.

Загальні відомості

Циліндричні гвинтові пружини широко використовуються в машинобудуванні. Проектуючи їх, визначають деформацію (осадку) пружини під дією осьової сили. Формула для визначення осьової гвинтової пружини враховує тільки момент кручення. Вплив поперечної і повздовжньої сили згинального моменту до уваги не береться. Не враховується також прив'язка скручуваного стержня і нахил витків пружини. Результати лабораторної роботи дозволяють оцінити вплив зроблених у теорії гіпотез і спрощень на точність визначення деформацій пружини і щодо придатності теоретичних формул для практичних розрахунків.

Схему випробовувань подано на рисунку

Послідовність виконання роботи

1. Виміряйте розміри випробної пружини, зовнішній діаметр D₁, діаметр круглого дроту , а також обчисліть середній діаметр пружини D=D₁-d і число робочих витків n. Запишіть модуль зсуву матеріалу пружини.

D₁=110

d= 15

n=5

D=D₁-d=11015

2. Установіть пружину між плитами випробної машини. Навантаживши пружину невеликою стискуючою силою, виміряйте її висоту.

L=157мм

3. Збільшуючи навантаження рівними ступенями на величину , кожного разу вимірюйте висоту пружини. Результати спостережень занесіть у таблицю.

4. Обчисліть приріст відліків, які за рівних приростів навантаження мають бути приблизно однаковими.

5. Обчисліть середній приріст відліку за лінійкою, що дорівнює величині осадки пружини, відповідний обраному приросту навантаження .

6. Обчисліть теоретичне значення осадки пружини за формулою

7.

8. Знайдіть розходження між експериментальним і теоретичним значенням осадки пружини:

9. За даними таблиці побудуйте діаграму стиску пружини в координатах Р-.

ВИЗНАЧЕННЯ УДАРНОЇ В'ЯЗКОСТІ

Мета роботи -визначити відносну ударну в'язкість сталі

Обладнання: маятниковий копер МК-30А

Загальні відомості

За умов ударного навантаження навіть для пластичних матеріалів зростає небезпека крихкого руйнування, збільшується роль раковин, надрізів, тріщин у матеріалі, які викликають концентрації напружень. За отримання статичних випробувань, тобто під дією повільно зростаючого навантаження, механічних характеристик не можна оцінити здатність матеріалу протистояти ударному навантаженню. Щоб оцінити здатність матеріалу сприймати ударні навантаження і виявити схильність до крихкого руйнування, проводять випробовування на ударну в'язкість. Найпоширеніші й стандартизовані ударні випробовування на згин з надрізом, у результаті яких визначають в'язкість руйнування, --опір поширенню тріщин. Ескіз зразка до випробовування на ударну в'язкість показано на рисунку

Рис. 13.1

За ГОСТ 9454-60 розмір Н зразка може бути 6,7 або 8 мм. Допускається також користуватись зразками товщиною 5мм за Н=8мм і зразками з кутовим надрізом. Надріз робиться для того, щоб створити біля нього концентрацію напружень -об'ємний напружений стан, який затрудняє розвиток пластичних деформацій, поліпшує крихке руйнування. Відносною ударною в'язкістю а_Н, МПа, називається відношення роботи, витраченою на руйнування зразка ударом, до площі поперечного перерізу:

Випробують зразки на маятникових копрах з граничною енергією . зразок кладуть горизонтально строго посередині прольоту між опорами. Удар наносять збоку, протилежного надрізу, перпендикулярно до повздовжньої осі зразка (рис.13.2).

Рис. 13.2

Конструктивна схема наведена на рис. 13.3. станина машини складається з основи 13 і двох вертикальних стояків 2. У верхній частині стояків у підшипниках встановлена вісь маятника. Маятник -це масивний молот 10, підвішений до осі за допомогою жорсткої системи розтяжок. У вирізі молота встановлений стальний загартований ніж 11, що наносить удар по зразку 12.

На копрі є підйомна рама 8, яку можна встановити під різними кутами до горизонту. Ця рама встановлюється у бажане положення опусканням собачки 7 на храповику 6, змонтованих на стояка. На вільному кінці рами 8 розміщено гачок, на якому маятник утримується в зведеному стані собачкою 9. Щоб виконати випробовування, маятник зводиться на кут і вільно коливається, руйнуючи на шляху зразок. Витративши на руйнування зразка частину запасу енергії, маятник відхиляється на кут . На осі маятника жорстко закріплений повід 3, який, рухаючись, веде почергово або праву стрілку 5, або ліву стрілку 4 і залишає їх у положенні, що фіксує кут зводу і кут злету маятника після зламу зразка.

Шкала відлікового механізму має подвійний ряд поділок, розміщених симетрично відносно нульової мітки, і градуйована в Нм. Таким чином, за нею можна визначити запас енергії зламу зразка, а роботу, витрачену на злам, визначити безпосереднім відніманням. Для того щоб маятник після руйнування зразка не коливався, копер має гальмівний пристрій 1, 14, 15.

Послідовність виконання роботи

1. Намалюйте ескіз зразка і виміряйте всі його розміри.

2.

F=810^-3м

3. Установіть ескіз зразка на опори копра так, щоб надріз був розміщений симетрично відносно опор і звернений у бік, протилежний удару.

4. Зведіть маятник, а потім звільніть його від гачка.

Після руйнування зразка запишіть покази лівої й правої стрілок відлікового механізму.

A_п=32Нм

А_л=31Нм

5. Обчисліть роботу руйнування, площу поперечного перерізу зразка в зоні руйнування і відносну ударну в'язкість за формулою (13.1).

А=32 Дж

h=8мм

А=32-31=11Нм

F=108=80 мм²=80м²

а_н=А/F=11/80=137,5Н/м

ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ ГУКА ПРИ КРУЧЕННІ ТА ВИЗНАЧЕННЯ МОДУЛЯ ЗСУВУ ДЛЯ СТАЛЕВОГО ЗРАЗКА

МЕТА РОБОТИ -дослідити та перевірити пропорційну залежність між навантаженнями та деформацією при крученні сталевого зразка у межах дії закону Гука, експериментально визначити модуль пружності другого роду G (модуль зсуву) та порівняти його значення із теоретичним.

Зразки, вимірювальні прилади та випробна машина. Згідно ГОСТ 3565-80 для випробування металів на кручення використовують зразки круглого поперечного перерізу з діаметром робочої частини 10 мм та розрахункової довжини 100 мм. Якщо використовують зразки інших розмірів, про це роблять запис та вказують дійсні розміри, які отримують за допомогою штангель циркуля. Випробовування проводять на машині КМ-50, на якій встановлено обладнання для вимірювання кутів закручування та вимірювальний пристрій для визначення діючого на зразок крутного моменту, а також самописець, на якому вертикальне переміщення олівця відповідає зміні навантаження, а барабан з бумагою, який обертається, відповідає зміні кута повороту нижнього захвату відносно нерухомого верхнього.

Загальні відомості

В інженерній практиці досить часто зустрічається деформація кручення (вали машин та трансмісійних передач, елементи просторових конструкцій, виті пружини та інше). Для розрахунку таких елементів конструкцій на міцність та жорсткість необхідно знати потрібні для цього механічні характеристики матеріалів, які використовуються. Для цього матеріали у вигляді зразків усталеної форми випробовують на кручення двома рівними за величиною та протилежно-направленими крутними моментами, які прикладають до кінців зразка у площинах,що перпендикулярні до його повздовжньої осі.

При крученні стержнів круглого суцільного або кільцевого перерізів залежність між навантаженням та деформацією зразку відповідає закону Гука:

При подальшому навантаженні пропорційна залежність між навантаженням та деформацією порушується, спостерігається швидке збільшення кута закручування при відносно повільному збільшенні крутного моменту Рис. 1.а. Руйнується зразок без утворення шийки або від максимальних дотичних напружень, які виникають у перпендикулярних площинах для осі сталі Рис. 1. а. , або від нормальних(головних розтягуючих) напружень, які виникають у площинах під кутом 45^о до осі для чавуну Рис.1.б. тому руйнування при крученні відбувається внаслідок зсуву або відриву. При крученні чавунного зразка пропорційна залежність між крутним моментом та кутом закручування не спостерігається Рис.1.б. Зразок руйнується від дії максимальних нормальних напружень.

Досліджуючи діаграми М_к-, визначають наступні механічні характеристики:

Для сталі -границю пропорційності _пц:

Та максимальні напруження

Для чавуну -максимальні напруження

Для перевірки справедливості закону Гука потрібно навантаження (крутний момент) нарощувати рівними ступенями та, вимірюючи при цьому кути закручування, впевнитися, що рівним приростам моменту відповідають рівні прирости деформації.

Модуль пружності при зсуві G визначають за формулою

Де -середнє значення приростів навантаження (крутного моменту)

А -середнє значення приростів деформації (кута закручування).

Послідовність виконання роботи

1. Закріпіть зразок у захватах машини. Плавно та рівномірно навантажувати зразок крутним моментом до значення, коли зміна його величини почне сповільнюватися. При одночасному відтворені самописцем машини КМ-50 діаграми кручення в цей момент лінія діаграми почне викривлюватися. На рис. 1 а) цьому явищу відповідає точка А. ця величина крутного моменту приблизно відповідає границі пружності, її потрібно записати як М_пр.

2. Розвантажити зразок до значення Мк=0, а пристрій для вимірювання кутів закручування поставити на нульове значення.

d_o=9,5м

l_o=102м

Максимальне значення навантаження (max Mk) у досліді потрібно брати таким, щоб не виникло залишкових деформацій. Щоб напевне виконувалася ця умова, потрібно покласти

maxMk=Мпр/0,8

Мпр= maxMk0,8=480,8=38,4Нм

3. Визначити величину приростів навантаження

=38,4/4=9,6

4. Плавно навантажувати зразок ступенями , при цьому вимірюючи прирости кутів повороту перерізу, які відповідають кожному приросту навантаження.

5. Значення крутних моментів та кутів повороту записати у таблицю.

Висновок:

В ході даної роботи ми дослідили та перевірили пропорційну залежність між навантаженням та деформацією при крученні сталевого зразка у межах дії закону Гука.