Файл: Техническая механика.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Ковровская государственная технологическая академия имени Дегтярева»
Л.В. Шенкман, В.М. Третьяков, С.Н. Козлова
ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
Учебно-методическое пособие
Ковров 2018

2
УДК 531
Ш 46
Шенкман, Л.В. Техническая механика [Текст]: учебно- методическое пособие / Л.В. Шенкман, Третьяков, В.М., С.Н. Козлова. –
Ковров: «ФГБОУ ВО «КГТА имени В.А. Дегтярева», 2018.

84 с.
Учебно-методическое пособие разработано для студентов, вы- полняющих лабораторные работы по курсу «Механика». Издание предназначено для освоения читаемой дисциплины на практике по следующим направлениям подготовки: 20.03.01 (ТБ); 09.03.01 (И);
12.03.05 (ЛТ); 12.03.01 (П); 13.03.02 (ЭТ).
Выполняя лабораторные работы, студент проводит испытания материалов при различных видах нагружения и исследует детали и узлы механизмов.
Рецензенты: канд техн. наук М.А. Фолифоров (АО «ВНИИ
«Сигнал»),начальник отдела Л.Е. Лукьянов (АО «ВНИИ «Сигнал»).
Печатается по решению редакционно-издательского совета
ФГБОУ ВО «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярёва».
ISBN 978-5-86151-652-5
© Шенкман Л.В., Третьяков В.М.,
Козлова С.Н.
© ФГБОУ ВО «Ковровская госу- дарственная технологическая ака- демия имени В.А. Дегтярева»,
2018

3
Введение
К оформлению лабораторных работ предъявляются следую- щие требования:
1. Отчет может быть оформлен рукописным или машинопис- ным способом, либо с применением печатающих устройств ЭВМ.
2. Иллюстрации, таблицы и формулы оформляются согласно требованиям ГОСТ 7.32-81.
3. Титульный лист является первым листом отчета по лабора- торным работам и оформляется согласно прил. 1.
4. Первый лист к лабораторной работе должен содержать сле- дующую информацию: название работы, цель работы, задание на ла- бораторную работу. Пример оформления первого листа к лаборатор- ной работе представлен в прил. 2.
5. Каждая лабораторная работа должна содержать теоретиче- ское введение с описанием материального обеспечения, порядок вы- полнения работы, вывод. Теоретическое введение включает в себя основные понятия и определения по тематике лабораторной работы.
В порядок выполнения работы входят: схемы, эскизы, расчеты с не- обходимыми пояснениями. Вывод – краткое изложение полученных результатов.
Часть 1. Испытание материалов при различных
видах нагружения
Знание величины действующих на конструкцию нагрузок еще не позволяет судить о ее достаточной прочности, даже если конст- рукция не разрушается. Она может разрушиться в дальнейшем. Для оценки прочности необходимы критерии прочности и долговечности конструкции под нагрузкой, а также характеристики материала, из которого изготовлена эта конструкция.
Для определения механических характеристик материалов применяют различные виды испытаний образцов из исследуемых ма- териалов, позволяющие оценить механические свойства через меха- нические характеристики.

4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ
Теоретическое введение
Испытания на растяжение – основной способ определения механических характеристик металлов согласно ГОСТ 1497-90.
Диаграмма растяжения – это кривая зависимости удлинения
Δl от нагрузки F, полученная при статическом нагружении.
На рис. 1.1 показана диаграмма растяжения для стали в декар- товых координатах. Точка О - начало диаграммы. На диаграмме мож- но выделить несколько характерных участков.
Рис.1.1 Диаграмма растяжения для стали

5
От точки О нагрузка растет пропорционально удлинению об- разца до точки B. Этой точке соответствует нагрузка F
пц
. Это наи- большее усилие, при котором сохраняется пропорциональная зависи- мость между изменением нагрузки и удлинением образца. Примерно до этой же точки в образце возникают только упругие деформации, полностью исчезающие после снятия нагрузки. Участок ОB диаграм- мы называется участком упругости. При увеличении нагрузки выше
F
пц в образце вместе с упругой возникает пластическая или остаточ- ная деформация, т.е. остающаяся после снятия нагрузки.
На участке BС с возрастанием нагрузки удлинение образца увеличивается, но не пропорционально росту нагрузки. Для некото- рых низкоуглеродистых сталей на диаграмме возникает почти гори- зонтальный отрезок (площадка текучести), что свидетельствует о росте удлинения образца при постоянной нагрузке.
Материал «те- чет». Нагрузка, соответствующая этому моменту обозначается F
T
Участок BС называется участком текучести.
Если нагрузка на образец продолжает увеличиваться, то уд- линение образца продолжается до точки D. Эта точка соответствует наибольшей нагрузке F
В
, которую можно приложить к образцу при испытании. Участок диаграммы CD называется зоной упрочнения. В стадии упрочнения на образце намечается участок будущего разрыва и начинает образовываться шейка – местное сужение образца.
Деформация образца сосредотачивается около этого сечения.
Вследствие быстрого уменьшения поперечного сечения в зоне обра- зования шейки падает несущая способность образца, и окончательное разрушение происходит в точке К при нагрузке F
p
. Участок DК назы- вается зоной местной текучести.
Полученные значения нагрузки в характерных точках зависят от размеров образца и не позволяют обобщить их в качестве характе- ристики материала. Для этого необходимо исключить влияние разме- ров образца.
Для описания свойств материалов более удобна диаграмма условных напряжений – график зависимости относительного удлине- ния образца ε от напряжения σ. Эти напряжения не являются истин- ными напряжениями, так как не учитывают изменение площади по- перечного сечения образца А при растяжении.

6
На рис. 1.2 дана условная диаграмма растяжения. На участке ОВ напряжения растут пропорционально относительному удлинению ε.
Напряжение, соответствующее нагрузке F
пц в точке В называ- ется пределом пропорциональности. Предел пропорциональности σ
пц
– это наибольшее напряжение, при котором справедлив закон Гука.
Тангенс угла наклона прямого участка диаграммы к оси абсцисс α определяет модуль упругости Е.
Рис. 1.2 Условная диаграмма растяжения для стали
Выше точки В диаграмма искривляется, закон Гука нарушает- ся. Напряжение, соответствующее нагрузке F
Т
называется пределом
текучести σ
т
В точке D условное напряжение принимает наибольшее зна- чение. Это напряжение σ
в называется условным пределом прочности
или временным сопротивлением разрыву.

7
После точки D в образце возникает местное сужение – «шей- ка» и разрушение происходит даже при уменьшении нагрузки. Точка
К соответствует разрыву образца при напряжении.
Оборудование:
Испытания проводятся на разрывной ма- шине Р-50. В процессе испытания образец (рис. 1.3.) подвергается осевому растяжению постепенно возрастающей нагрузкой, при этом увеличивается длина образца и уменьшается его площадь поперечно- го сечения. В процессе испытания машина автоматически вычерчи- вает диаграмму растяжения. Испытания заканчиваются разрушением образца.
Рис. 1.3 Испытуемый образец (l - рабочая длина,
l
0
– расчетная длина, d
0
– диаметр образца)
Лабораторная работа № 1.1
Цель работы.
Определение механических характеристик материала при рас- тяжении.
Задание.
1. Провести испытание двух образцов из разных марок сталей
(малоуглеродистой и легированной).
2. Обработать полученные диаграммы растяжения и опреде- лить условные напряжения и относительные деформации в характер- ных точках.
3.Построить и сравнить соответствующие условные диаграм- мы деформирования.

8
Последовательность проведения работы
1. В отчете указать материалы и основные размеры обоих об- разцов.
2. Провести испытания на растяжение. Занести в отчет резуль- таты испытания сначала первого образца, затем второго образца.
3. С полученных диаграмм снять координаты характерных то- чек. Результаты занести в таблицу1.1.
Таблица 1.1
Значения диаграммы растяжения
Координаты точки на диаграмме
Марка стали
Марка стали
F
пц
,кН
F
т
,кН
F
в
,кН
F
р
,кН
Δl
пц
, м
Δl
т
, м
Δl
вр
, м
Δl
р
, м
4. Обработка результатов испытаний.
Площадь поперечного сечения образца до испытания:
Условные напряжения σ
i
в характерных точках диаграммы растяжения:
Относительные удлинения образцов ε
i
в характерных точках:
Результаты расчетов занести в таблицу 1.2.
5. Построить диаграммы условных напряжений для обоих об- разцов и сравнить их.

9
Таблица 1.2
Координаты точек диаграммы растяжения
Координаты точки на диаграмме
Марка стали
Марка стали
σ
пц
,мПа
σ
т
,мПа
σ
в
,мПа
σ
р
,мПа
ε
пц
ε
т
ε
в
ε
р
Оформить вывод к лабораторной работе.
Контрольные вопросы
1. Что такое растяжение?
2. Какие внутренние силовые факторы возникают в материале при растяжении?
3. Что такое напряжения? Размерность напряжений.
4. Какие напряжения возникают в материале при растяжении и как они определяются?
5. Что такое диаграмма растяжения? Диаграмма растяжения стали.
6. Что такое абсолютная деформация?
7. Характерные точки диаграммы растяжения и нагрузка, в этих точ- ках.
8. Что такое условная диаграмма растяжения? Для чего она строится?
9. Что такое условные напряжения?
10. Что такое относительная деформация?
11. Характерные точки условной диаграммы растяжения и напряже- ния, в этих точках.
12. Что такое предел пропорциональности?
13. Что такое предел текучести?
14. Что такое предел прочности?
15. Что определяет угол наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс?
16. Какие механические характеристики сталей были определены в ходе работы?

10
ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА СЖАТИЕ
Теоретическое введение
Испытанию на сжатие подвергаются большей частью хрупкие материалы, такие как чугун, бетон, камень, древесина. Пластичные материалы на сжатие испытывают лишь для определения технологи- ческих свойств.
В переделах упругих деформаций пластичные материалы имеют одинаковые механические характеристики при растяжении и сжатии. При дальнейшем сжатии образец, уменьшаясь в осевом на- правлении, увеличивается в радиальном, т.е. сплющивается, и может быть доведен до формы пластины. Характерная бочкообразная форма образца, которую он принимает при сжатии вызвана силами трения между торцевыми поверхностями образца и опорами испытательной машины. Наибольшая нагрузка, которую можно приложить к образцу определяется только возможностями испытательной машины. Поэто- му при сжатии пластичного материала определяется только предел пропорциональности:
Диаграмма сжатия стали (рис. 1.4) сначала имеет такой же прямолинейный участок, как при растяжении. Затем наблюдается бы- строе возрастание деформаций и нагрузок при отсутствии выражен- ной площадки текучести.
При сжатии хрупкого материала образец разрушается вне- запно при нагрузке F
B
. Развитие пластических деформаций сдержива- ется образованием косых трещин, видимых на поверхности. По мере увеличения нагрузки число этих трещин растет и происходит разру- шение образца в косом направлении. Характер разрушения и здесь во многом зависит от сил трения между поверхностями образца и опор машины. Путем периодической смазки в процессе испытания можно полностью устранить эти силы. В этом случае образец останется ци- линдрическим и разрушится по плоскостям, параллельным своей продольной оси.

11
Механической характеристикой хрупкого материала при сжа- тии является предел прочности при сжатии:
Рис. 1.4. Диаграмма сжатия стали

12
На диаграмме сжатия чугуна (рис. 1.5) практически отсутст- вует прямолинейный участок, что говорит о том, что разрушение происходит внезапно.
Рис. 1.5. Диаграмма сжатия чугуна
Анизотропные материалы имеют разные физические свойства по разным направлениям, поэтому древесина испытывается при сжа- тии вдоль и поперек волокон. Из диаграммы сжатия (рис. 1.6) видно, что образец, сжимаемый вдоль волокон, почти не деформируется.
После достижения наибольшего значения сжимающей силы начина-

13 ется разрушение образца с образованием складок и обжатием торцев
(рис. 1.7). В этом случае определяют только предел прочности. Де- формации при разрушении составляют 4…5%.
Рис. 1.6. Диаграмма сжатия древесины
1-вдоль волокон; 2- поперек волокон
Рис. 1.7. Изменение формы деревянных образцов при сжатии:
а- вдоль волокон; б- поперек волокон

14
При сжатии образца поперек волокон возникают значительно большие деформации. После небольшого участка пропорционально- сти на диаграмме наблюдается возрастание деформации при медлен- ном росте нагрузки. Установить истинный предел разрушения нельзя − древесина уплотняется и продолжает сопротивляться сжа- тию. Поэтому за предел прочности условно принимается напряже- ние, при котором высота образца уменьшилась на 1/3.
Сопротивление древесины сжатию вдоль волокон обычно в
8…10 раз больше сопротивления поперек волокон. Эту разницу можно оценить с помощью коэффициента анизотропии:
Оборудование
:
испытания проводятся на разрывной машине р-50. В процессе испытания образец подвергается осевому сжатию постепенно возрастающей нагрузкой. В процессе испытания машина автоматически вычерчивает диаграмму сжатия. Испытанию подвер- гаются образцы из стали, чугуна и дерева цилиндрической формы с соотношением высоты к диаметру или кубической формы.
Лабораторная работа № 1.2
Цель работы.
Определить механические характеристики пластичных и хрупких материалов. Определить влияние анизотропии структуры на механические характеристики материалов.
Задание.
1. Провести испытание образцов из разных материалов.
2. Обработать полученные диаграммы сжатия и определить условные напряжения в характерных точках.
3.Сравнить полученные результаты со справочными данными для соответствующих материалов.