Вивчення пружних властивостей сталевих і мідних дротів під навантаженням

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 620.22

ВИВЧЕННЯ ПРУЖНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛЕВИХ І МІДНИХ ДРОТІВ ПІД НАВАНТАЖЕННЯМ

Черкашин А.О.

Хавро В.О.

Постановка проблеми у загальному вигляді та її зв'язок з важливим науковими чи практичними завданнями. Проблема підвищення якості технічних конструкцій для населення пов'язана із забезпеченням високого рівня їх міцності і надійності. Сучасний етап розвитку суспільства - період бурхливого використання новітньої техніки і технологій у процесі виробництва. У застосуванні, небаченої за всю історію людства, здобутків науково-технічної революції величезних успіхів досягли різні галузі промисловості такі як гірництво, машинобудування, металургія, авіація і космонавтика тощо. Потужні темпи розвитку сучасної техніки стимулюють науковців до проведення прогресивних, радикальних досліджень у галузі матеріалознавства, механіки твердого тіла тощо. Такі обставини сприяють розробленню нових методів розрахунку і технологій їх виготовлення.

Формулювання цілей статті (постановка завдання). У нашій роботі ми ставимо собі за мету дослідити пружні властивості сталі й міді. Проведення експерименту в спеціально обладнаній лабораторії дозволить нам встановити підтвердити особливості металів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій, в яких започатковано розв'язання даної проблеми і на які спирається автор, виділення невирішених раніше частин загальної проблеми, котрим присвячується означена стаття. Вчені постійно працюють над проблемами в області матеріалознавства, фізики міцності та структурних станів матеріалів, механіки деформованого твердого тіла з урахування пластичних деформацій у сталевих і мідних конструкціях: Александров А., Афтанділянц Є., Бібік М., Василенко І., Головінський В., Горшков А., Гуляєв О., Державін П., Загузов І., Зазимко О., Займовский В., Колупаєва Т., Лопатько К., Потапов В., Трошин В., Федєчев А., Шалашилін В. та багато інших [1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11].

Виклад основного матеріалу дослідження з повним обґрунтуванням отриманих наукових результатів. Відомо, що значна частина досліджень у механіці стосується рухів і рівновазі деформованих твердих тіл. На сучасному етапі розвитку фізики набувають все більшого значення розділи механіки, присвячені вивченню ускладнених пружних властивостей тіл й обліку їх непружних ефектів - пластичності, що пов'язана із появою залишкових деформацій, і повзучістю, їй притаманна поступове зростання деформацій при незмінних зовнішніх навантаженнях.

Отже, для визначення пружних властивостей стального та мідного дроту нам необхідно провести експеримент на розтягнення і стиснення, що відбувається під дією зовнішньої сили, прикладеної уздовж осі зразка і називається осьовим. Випробування на одноосьове розтягнення - найпоширеніший вид перевірок для оцінки механічних властивостей металів і сплавів, тому що легко піддаються аналізу, дозволяють за результатами одного досліду визначити відразу кілька важливих механічних характеристик матеріалу [11, с. 146].

Механічні властивості матеріалів перевіряють на розтягнення, стиснення, вигин, кручення у спеціальних лабораторіях, обладнаних універсальними машинами і приладами для вимірювання малих деформацій. Випробування на статичне розтягнення і стиснення виконують згідно до ДСТУ 1497-73, ДСТУ 25.503-97 [7, 8]. Для проведення дослідів нами взято зразки мідного і стального дроту довжиною 10 см, діаметром 2,0 см на установці силою у 10 т. розривної машини марки УММ-10.

Підготовлені зразки вставляються у лубки машини і розтягуються статично до повного руйнування.

Рис. 1. Стальний і мідний дріт до експерименту

Рис. 2. Дроти у лещатах УММ-10

Рис. 3. Зруйновані стальний і мідний дріт

Опишемо, що саме відбувається зі зразками під час навантаження.

Під навантаженням зразок починає розтягуватися. Поки існує пропорційність між навантаженням і деформацією, до тих пір виконується закон Гука.

Здатність матеріалу деформуватися без підвищення навантаження називається межею пружності.

Далі відбувається рівномірна деформація по всій довжині робочої ділянки зразка і супроводжується збільшенням навантаження до максимального значення.

Після досягнення максимального навантаження деформація набуває місцевого характеру, концентруючись біля самого слабкого місця, зосереджується на невеликій ділянці, де виникає звуження зразка. Надалі подовження зразка відбувається зі зменшенням сили і носить місцевий характер. Зменшення площі поперечного перерізу зразка супроводжується падінням зусилля, необхідного для його остаточного розриву. Наведемо діаграму розтягнення матеріалів з поясненнями у табл. 1. [1, 11].

Рис. 4. Діаграма розтягнення зразка з пластичного металу

Таблиця 1 Показники міцності [1, 11].

Таблиця 2 Механічні властивості твердих тіл [11]

В залежності від марок сталі й міді межа міцності буде збільшуватися.

Вищенаведені дають нам експериментально визначити модулі подовженої пружності (модулів пружності І роду) сталі й міді. Представимо дані модуля пружності для сталі й міді у табл. 3 [10, с. 21 - 23].

Таблиця 3 Механічні властивості твердих тіл

Для випробування використовуємо мідний і сталевий дроти d 2 мм., l 10 см. мідний дріт навантаження розтягнення

Робимо обчислення площі поперечного перерізу:

Індикатор (0,001 мм)

Таблиця 3 Навантаження в області пружних деформацій

абсолютне подовження

(N = P)

Підставимо наведені дані з табл. 3 у формулу і проведемо відповідні розрахунки для сталі й міді.

Експерименти дають підстави стверджувати, що при розтягненні (навантаження Р) довжина стрижня l збільшується, а поперечні розміри зменшуються.

З табл. 2 ми побачили, що мідь має у два рази менший модуль пружності, ніж сталь. Тому, коли сильно згинають матеріали з міді, то вони не приймають первісної форми. Можна помітити і сказати, що сталь «пружинить», а мідь такої властивості не має. Таким чином, питання полягає лише у співвідношенні між межею пружності і модулем Юнга матеріалу і у величині відносної деформації при випробуванні [11, с. 29 - 33]. Але, ми внесемо одну корективу: пружні властивості міді будуть залежати від діаметра.

Отже, нами було проведено експеримент на розтягнення стального та мідного дроту, тепер перейдемо до випробування на стиснення, що проводиться аналогічно розтягненню.

Незважаючи на простоту, випробування на одноосьове стиснення проводять рідше, ніж на розтягнення. Перевірка металів на стиснення істотно відрізняється від розтягнення, оскільки: а) пластичні матеріали можуть значно деформуватися, не руйнуватися на кінцевій стадії випробування; б) результати випробувань істотно залежать від відношення висоти зразка до його діаметра.

Рис. 5. Зруйновані стальний і мідний дріт

У процесі проведення експериментів накреслюється діаграма стиснення (залежність між стискаючою силою Р і абсолютним скороченням зразка ?l).

Рис. 6. Діаграма стиснення

Як свідчать дані проведених дослідів при випробуванні на стиснення у пластичних матеріалів вдається визначити лише межу текучості, що має велике практичне значення [6, с. 48 - 49].

Порівнюючи графіки можна помітити, що у пластичних матеріалів межа пружності та межа текучості при стисненні приблизно такі ж самі, що і при розтягненні (див. рис. 4, 6).

Наголосимо, що через високі пластичні властивості дроти повністю не руйнуються, а згинаються. Тобто, відбувається згин матеріалу. Згин це комбінація двох основних видів деформації - розтягнення і стиснення.

Отже, ми поступово перейшли від розтягнення до згину. При такій деформації зовнішні шари будуть розтягнуті, а внутрішні стиснуті. Максимальна умовна деформація буде на верхній і нижній поверхні. Якщо сила міжатомної взаємодії не перевищує відносне подовження, то при розвантаженні вона зникає. У даному випадку для розтягнення і стиснення у рівній мірі справедливий закон Гука.

При вигині межа пружності і модуль Юнга залежать від товщини виробів. Пружна деформація завжди буде менше пластичної у кілька десятків разів, так як її ознакою є незворотність процесів.

Висновки

У даній роботі ми проводили випробування зі сталевим і мідним дротом на пружні деформації. Нами було встановлено, що модуль пружності у міді вдвічі менше, ніж у сталі. Тому стальні вироби мають більш пружні властивості.

Наше дослідження показало, що сталевий дріт має значно більший модуль пружності, ніж мідний, що дозволяє використовувати сталь різних металоконструкцій підвищеної міцності, а мідь придатна для виготовлення різних предметів побуту, прикрас, інших напівфабрикатів.

Випробування на розтягнення і стиснення дозволяє: 1) сформувати сприйняття реакцій матеріалу на навантаження; 2) отримати кількісні механічні характеристики, необхідні для оцінки ступеня небезпеки напружених станів елементів конструкцій.

Описані результати дослідів дають нам змогу стверджувати, що пружні властивості матеріалу допоможуть створювати прилади й обладнання в побуті та техніці з заданими характеристиками.

Отже, якщо ми прагнемо створити матеріал, щоб він «пружинив», щоб не давав залишкових деформацій, то при його навантаженні не можна перевищувати межу пружності. Тоді і деформація не вийде за межі е max.пр. і повністю зникне при розвантаженні. Важливо, що у цій області навантажень і деформацій вони пов'язані простим лінійним гуківським співвідношенням [10].

Відтак, у швидкоплинний час розвитку технологій ми бачимо і можемо стверджувати, що подальше удосконалення техніки, технічне оснащення виробництва залежить прямо пропорційно від нових здобутків у фізичній, математичній і комп'ютерній галузях науки, які тісно взаємопов'язані між собою.

Список літератури

1. Александров А.В. Сопротивление материалов : учеб. для вузов / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин; [под ред. А.В. Александрова]. - 3-е изд., испр. - М. : Высш. шк., 2003. - 560 с. : ил.

2. Афтанділянц Є.Г., Зазимко О. В., Лопатько К.Г. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство : Курс лекцій. Частина ІI. Металознавство / Є.Г. Афтанділянц, О.В. Зазимко, К.Г. Лопатько; Нац. Аграр. ун-т. - К., 2008. - 368 с.

3. Бібік М.В. Міцність і деформативність розтягнуто-зігнутих сталевих елементів з урахуванням пластичної стадії роботи : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : спец. 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди / Микола Володимирович Бібік; Полтав. нац. техн. ун-т ім. Ю. Кондратюка. - Полтава, 2005. - 18 с.

4. Василенко І.І. Конструкційні та електротехнічні матеріали : навч. посібн. / І. І. Василенко, В. В. Широков, Ю. І. Василенко. - Львів : Магнолія 2006 ПП, 2008. - 242 с.

5. Горшков А.Г., Трошин В.Н., Шалашилин В.И. Сопротивление материалов : учеб. пособ. / А.Г. Горшков, В.Н. Трошин, В.И. Шалашилин. - [2-е изд.], испр. - М. : Физматлит, 2005. - 544 с.

6. Гуляев А.П. Металловедение : учебник для вузов / Александр Павлович Гуляев. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1986 с. - 544 с. - ил. 437, табл. 140, библиогр. список 242 назв. - 544 с.

7. Загузов И.С., Головинский В.Н., Федечев А.Ф. и др. Введение в специальность (Механика). Часть II. Механика деформируемого твердого тела : Учебное пособие / И.С. Загузов, В.Н. Головинский, А.Ф. Федечев и др. - Самара: Изд-во «Самарский университет», 2002. - 52 с.

8. Займовский В.А., Колупаева Т.Л. Необычные свойства обычных металлов / [под ред. Л.Г. Асламазова]. - М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 192 с. - (Библиотека «Квант». - Вып. 32).

9. 3олоторевский В.С. Механические свойства металлов: учебник для вузов / В.С. 3олоторевский. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1983. - 352 с. - С. 146 - 190.

Анотація

У науковій роботі відображено експериментальні дані сталевого і мідного дроту під дією деформації: розтягнення і стиснення, а також описано пружні властивості даних металів під навантаженням. Результати проведених дослідів дають нам уяву про механічні характеристики стального і мідного дроту, дозволяють судити про їх міцність при статичних навантаженнях.

Ключові слова: мідь, сталь, дроти, навантаження, пружність, міцність, деформація.

В научной работе представлены экспериментальные данные стальной и медной проволоки под действием деформации: растяжения и сжатия, а также описаны упругие свойства данных металлов под нагрузкой. Результаты проведенных исследований дают нам представление о механических характеристиках стальной и медной проволоки, позволяют судить об их прочности при статических нагрузках.

Ключевые слова: медь, сталь, провода, нагрузки, упругость, прочность, деформация.

In the science paper presents the experimental data of the steel and copper wire under the influence of deformation: stretching and compression, as well as describes the elastic properties of the metals under load. The results of the carried out researches give us an idea of the mechanical characteristics of steel and copper wire and can be judged on their strength at static loads.

Key words: copper, steel, wires, loadings, resiliency, durability, deformation.

Размещено на Allbest.ru