Определение модуля сдвига металлов при помощи крутильных колебаний (Лабораторная работа № 11фкс)

Лабораторная работа №11фкс

ОПРЕДЛЕНИЕ  МОДУЛЯ  СДВИГА МЕТАЛЛОВ

ПРИ  ПОМОЩИ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

1. Цель работы

1.1. Определение величин модулей сдвига трех  материалов.

2. Приборы и принадлежности:

2.1. Проволоки из исследуемых материалов.

2.2. Грузы.

2.3. Секундомер.

2.4. Микрометр.

2.5. Масштабная линейка.

3. Теоретические сведения

При деформации твердого тела, состоящего из упорядоченно расположенных атомов, происходит смещение атомов из первоначаль­ных положений равновесия. Перемещению атомов противодействуют силы взаимодействия между ними.  Если сдвиг частиц был не слишком большим, то, после прекращения действия внешней силы, частицы под влиянием внутренних сил возвращаются в исходные положения. Деформация, соответствующая обратному смещению частиц называется упругой. Если же внешняя сила велика и перемещает частицы настолько, что они попадают в новые положения равновесия, или, по крайней мере, внутренние силы не могут вернуть частицы в исходные положе­ния после прекращения внешней силы, то деформация называется пласти­ческой. При длительном воздействии даже малых внешних сил упругая деформация может перейти в пластическую Такой же эффект возможен при большой частоте воздействия малых сил. Различают несколько видов деформаций: растяжение (сжатие), изгиб, кручение. Однако лю­бую деформацию тела можно свести к двум основным или элементар­ным деформациям - растяжение (сжатие) и сдвиг.

Реакцией твердого тела на внешнюю нагрузку являются  механические напряжения, возникающие в нем. Вообще при деформировании тела произвольной формы, в нем возникает сложное напряженное состояние, описываемое для изотропных упругих тел тензором напря­жений.

На рис.1 условно изображен элементарный куб, подвергнутый одноосному растяжению.

Величина нормальных напряжений равна  Па, где   Р    - величина действующей силы, а S - величина площади сечения, нормального к линии действия силы.

Касательные напряжения определяйся из нормальных и имеют максимальную  величину на площадках, наклоненных под углом 45^о  к линии действия максимальной растягивающей силы. Например, на заштрихованной площадке (рис.1) будут максимальны касательные напряжения.

При одноосном растяжении круглого стержня (проволоки) диаметром  d_o   нормальные напряжения имеют лишь один компонент и определяются отношением действующей силы Р    к площади поперечного сечения   при этом собственный вес проволоки не учитывается. Не учитывается и уменьшение сечения проволоки в процессе продольного растяже­ния.

Для определения характеристик механических свойств конструк­ционных материалов с помощью испытательных машин строят диаграмму растяжения в координатах   (s-e),  вид которой зависит от формы образцов, условий нагружений (скорость, температура, окружающая среда, жесткость машины) и свойства испытываемого материала (структура - монокристаллическая, поликристаллическая  или аморфная; химический состав - наличие охрупчивающих примесей, их распределение).

На рис.2, а,б,в  представлен вид типичных условных диаграмм растяжения для различных материалов.

При  определении напряжений в соответствии с ГОСТ различает условные и истинные нормальные напряжения.

Условное нормальное напряжение s,Па - напряжение, опреде­ляемое отношением нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения образца  S_o  Истинное нормальное напряже­ние  R_K, Па – напряжение, определяемое отношением нагрузки к действительной для данного момента испытания площади попе­речного сечения   S   образца

В СИ напряжения принято измерять в мегапаскалях (МПа ),  1МПа = 10⁶ Па»102 кГ/мм².

Для большинства металлических и   других поликристаллических конструкционных материалов с достаточной пластичностью характер­на диаграмма рис.2,а, на которой можно выделить ряд точек.

Предел пропорциональности s_ПЦ - напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлине­нием достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образо­ванного касательной к кривой деформации Р - Dl в точке Р_ПЦ с осью нагрузки, увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке (иногда допуск должен составлять лишь 10% или 25%, тогда вводится соответствующее обозначение s_ПЦ10, s_ПЦ25),  

Предел упругости, s_0,05 - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка, равного базе тензометра. Допускается определять предел упругости с меньшим (до 0,005%) допуском, часто используют  

Предел текучести (физический) s_Т - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растяги­вающей нагрузки, (). Предел текучести (условный), s_0,2  -напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет