ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ. ДИАГРАММА РАСТЯЖЕНИЯ

Разрабатывая механизм на начальной стадии проектирования, необходимо правильно выбрать его структуру. Эта задача решается методами структурного синтеза механизмов.

Структурный синтез, то есть составление новых схем механизмов без определения размеров их звеньев, основывается на положениях о кинематических парах и степенях подвижности механизмов.

Следующей стадией создания агрегата, прибора, машины, сооружения является проектирование, в процессе которого расчетным путем определяют размеры отдельных элементов конструкции.

Проектируемая конструкция должна быть надежной в заданных условиях функционирования в течение определенного срока.

Все реальные тела под действием нагрузок меняют свою форму и размеры, в них возникают напряжения.

Если напряжения малы, то малы и соответствующие им геометрические изменения, поэтому они безопасны для работы деталей.

С увеличением нагрузок в зависимости от формы и размеров детали, характера, направления и места приложения нагрузок, вида материала может возникать опасное состояние детали, при котором она пластически деформируется или разрушается.

Сопротивление материалов входит в курс «Прикладная механика», и рассматривает методы расчетов на прочность, жесткость и устойчивость типовых элементов конструкции.

Прочность – способность конструкции, а также ее частей и деталей выдерживать действие внешних нагрузок, не разрушаясь.

Жесткость – способность конструкции и ее элементов сопротивляться изменению своих первоначальных размеров и формы.

Устойчивость – способность конструкции и ее элементов сохранять определенную начальную форму равновесия.

Сопротивления материалов включает в себя задачи расчета безопасных нагрузок, определения надежных размеров элементов, обоснования выбора материала.

Для этого необходимо выявить закономерности распределения внутренних усилий и соответствующих им геометрических изменений (деформаций) в элементах в зависимости от их формы и размеров, вида, характера, места приложения, величины и направления нагрузок, определить меры изменения усилий и деформаций и сопоставить их с механическими характеристиками реальных конструкционных материалов.

Внешние силы (нагрузки), действующие на конструкцию

Нагрузки, действующие на сооружения и их элементы, представляют собой силы или пары сил (моменты), которые могут рассматриваться как сосредоточенные или распределенные.

В природе сосредоточенных сил не бывает. Все реальные силы – это силы, распределенные по некоторой площади или объему.

Например, давление колеса на рельс практически передается через небольшую площадку, которая получается в результате деформации рельса и колеса. Поэтому, для определения внутренних сил, возникающих в рельсе и колесе на некотором расстоянии от площади передачи давления, можно распределенную нагрузку заменить сосредоточенной равнодействующей силой. Это упростит расчет.

Сосредоточенные нагрузки выражаются в Н, кН, МН (ньютонах, килоньютонах, меганьютонах).

Распределенные нагрузки могут быть поверхностными (например, давление воды или ветра на стенку) или объемными (например, сила инерции, сила тяжести тела).

Выражаются распределенные нагрузки в отношении единицы силы к единице длины (кН/м).

И сосредоточенные и распределенные нагрузки могут быть как статическими, так и динамическими.

Статическими называются нагрузки, которые будучи приложены к элементу возрастают постепенно от нуля до своей конечной величины так, что их действие не вызывает ускорений в элементах конструкций. (Собственный вес моста).

Динамическими называются нагрузки, изменяющиеся во времени с большой скоростью. (Ударные, переменные и др.). Действие таких нагрузок сопровождается возникновением колебаний сооружений.

Законы изменения нагрузок во времени могут иметь весьма сложный характер.

Деформации и перемещения

Как было отмечено, все тела под действием приложенных к ним внешних сил в той или иной степени деформируются, т.е. изменяют свои формы или размеры, либо то и другое одновременно.

Изменение линейных размеров тела или его частей называется линейной деформацией, а изменение угловых размеров – угловой деформацией.

При этом увеличение размеров тела называется удлинением, а уменьшение размеров – укорочением.

Если деформация изменяется по объему тела, то говорят о деформации в данной точке тела, в определенном направлении.

Опыты показывают, что деформации, как линейные, так и угловые могут после снятия нагрузки или полностью исчезнуть, или исчезнуть лишь частично (в зависимости от материала и величины нагружения).

Деформации, исчезающие после разгрузки тела, называются упругими, а свойство тел принимать свою первоначальную форму после разгрузки – упругостью.

Деформации, сохраняемые телом и после удаления нагрузки, называются остаточными или пластическими, а свойство материалов давать остаточные деформации называется пластичностью.

Для нормальной эксплуатации машин принимаются условия жесткости:

1. Деформации отдельных элементов должны быть, как правило, упругими

2. Вызванные ими перемещения не должны превосходить по величине определенных допускаемых значений.

Внутренние силовые факторы.

Под действием внешних нагрузок в поперечных сечениях элементов конструкций и деталей машин возникают внутренние силы упругости, характеризующие связи между молекулами и его отдельными частицами.

Возникновение внутренних сил сопровождается деформацией материала.

Эти силы противодействуют внешним силам и стремятся восстановить прежнюю форму тела.

Одна из задач сопротивления материалов состоит в определении величин внутренних сил.

От величины этих сил зависит нормальная эксплуатация конструкция.

Зная напряженное состояние в любой точке детали, можно оценить прочность этой детали.

В простейших случаях оценка прочности элементов конструкции производится по наибольшему напряжению

Для определения механических характеристик материала, проводятся испытания образцов и этих материалов на растяжение и сжатие. Получают диаграммы, связывающие деформации и напряжения

ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ. ДИАГРАММА РАСТЯЖЕНИЯ

При проектировании строительных конструкций, деталей машин и механизмов инженеру необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформационные свойства материалов. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в экспериментальных лабораториях на соответствующих испытательных машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных – испытания на твердость, сопротивляемость ударным и переменным нагрузкам, противодействие высоким температурам и т. д. Подробное описание всех видов механических испытаний
и применяемых при этом машин и приборов приводится в специальной литературе.

Рассмотрим лишь испытания металлов на растяжение.
Результатом испытания является диаграмма напряжений, представленная (рис. 39).

Сплошной линией показана диаграмма условных напряжений, штриховой линией – диаграмма истинных напряжений.
На диаграмме обозначены основные механические характеристики
материала:

Диаграмма имеет характерные зоны деформирования:

зона ОА называется зоной упругости,

СД – площадка текучести,

зона ДЕ называется зоной упрочнения,

зона ЕК – зоной местной текучести.
Отметим, что в начальной стадии нагружения ОА диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией, подтверждая справедливость закона Гука. Здесь возникают только упругие деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е.

При максимальном или несколько меньшем усилии (около точки Е) на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения – шейка. Дальнейшая деформация происходит в этой зоне образца.

Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает.

Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке K образец разрушается.

Сила, соответствующая точке K, называется разрушающей,
а напряжения – истинным сопротивлением разрыву (точка S на диаграмме).

Некоторые диаграммы растяжения не имеют ярко выраженной площадки текучести, например, для низколегированных сталей, сплавов алюминия. В этих случаях вместо физического предела текучести определяют условный предел текучести s0,2 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от рабочей длины образца.

Допускаемыминазывают наибольшие напряжения, которые можно
допустить в рассчитываемой конструкции из условий её безопасной,
надёжной и долговечной работы.

Допускаемое напряжение при простом растяжении определяется по формуле

Допускаемые напряжения – это очень важный параметр, который
определяет размеры, вес и прочность конструкции.

Основные механические характеристики для материалов приводятся в ГОСТах на материал и технических справочниках.

Задачи:

http://www.detalmach.ru/zadach.htm

для сварщиков http://metallurgu.ru/books/item/f00/s00/z0000015/st030.shtml

https://yandex.ru/turbo/mehanik-ua.ru/s/zadachi/1818-raschet-svarnykh-soedinenij-zadacha.html