МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

Цель работы: ознакомление с приборами и методами измерения линейных деформаций и перемещений.

При экспериментальном изучении образцов получают сведения об основных механических свойствах материалов, к которым относятся прочность, жесткость, упругость, пластичность, твердость и др., устанавливают степень влияния на механические характеристики температуры, радиоактивного облучения, термообработки и других факторов.

Виды испытаний можно классифицировать следующим образом:

1) По характеру воздействия:

- кратковременные испытания;

- длительные испытания.

2) По виду напряженного состояния:

- испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез;

- испытания в условиях сложного напряженного состояния.

3) Технологические испытания:

- испытания для контроля пластичности;

- измерение твердости;

- испытание на вытяжку.

4) Испытание переменной нагрузкой:

- испытание на выносливость;

- испытание на малоцикловую усталость.

5) Испытание ударом:

- испытание на ударное растяжение;

- испытание изгибом на ударную вязкость;

- испытание поворотным ударом.

6) Натурные испытания:

- испытание на стендах;

- испытание готовых изделий.

Для измерения наружных и внутренних размеров конструкций (или их частей) применяют следующие виды измерительных приборов: штангенциркули и микрометры.

Штангенциркули изготовляются различных размеров. В лабораторной практике применяются штангенциркули с пределами измерения от 0—125 до 0—500 мм.

Штангенциркуль (рис. 1.1) для измерения в пределах 0—125 мм состоит из штанги 2, оканчивающейся губками 1 и 3, свободно передвигаемой по штанге рамки 4 с такими же губками.

Рисунок 1.1. Штангенциркуль 0-125 мм: 1- губки, 2- штанга, 3-губки, 4- рамка, 5-стопор, 6-нониус, 7-линейка.

На штанге 2 имеется шкала с делениями от 0 до 125 мм через один миллиметр, а на рамке нанесены 10 делений нониуса 6, позволяющего делать отсчеты с точностью до 0,1 мм. На тыльной стороне штангенциркуля к рамке 4 прикреплена линейка 7, скользящая в канавке штанги и предназначенная для измерения глубин. Рамка 4 снабжена опорным винтом 5, которым они закрепляется на штанге неподвижно.

Измерение наружных размеров производится между губками 1, для чего рамку нужно передвинуть до соприкосновения внутренних граней губок с деталью, располагая штангенциркуль строго в плоскости измерения. Внутренние размеры определяются положением наружных граней губок 3 при упирают их во внутренние поверхности детали. Для измерения глубины нужно конец линейки 7 упереть в дно детали, а торец штанги — в ее верхнюю грань.

Число целых миллиметров размера а отсчитывается на шкале штанги по нулевому штриху нониуса 6; число десятых долей миллиметра определяется тем штрихом нониуса, который окажется совмещенным с каким-либо штрихом шкалы.

Микрометры предназначены для измерения наружных размеров с точностью до 0,01 мм.

Микрометр (рис. 1.2) состоит из скобы 1, на одном конце которой укреплена пятка 2, а на другом — гильза 5. Внутри гильзы передвигается микрометрический винт 3, приводимый в движение барабаном 6. На гильзе нанесена продольная черта и поперечные штрихи через 1 мм. По штрихам, расположенным от продольной

Рисунок 1.2. Микрометр: 1- скоба, 2- пятка, 3-микрометрический винт, 4- стопор, 5-гильза, 6-барабан, 7-головка с трещоткой.

черты вниз и отмеченным цифрами через каждые 5 мм, производится отсчет целых миллиметров. Штрихи, проведенные от продольной черты вверх, делят пополам каждый миллиметр нижней шкалы.

Барабан 6 заканчивается конусом, по окружности которого расположена шкала из 50 равных делений. Шаг резьбы микрометрического винта равен 0,5 мм. Следовательно, при одном обороте барабана 6 микрометрический винт 3 и барабан получают продольное перемещение относительно гильзы на 0,5 мм, а шкала конического края барабана проходит все 50 делений. Таким образом, цена деления шкалы барабана составляет 0,01 мм.

Сотые доли миллиметра до величины 0,5 мм прочитываются по шкале конического края барабана 6 непосредственно, если ближайшим к этому краю является нижний поперечный штрих гильзы 5.

Если же у края барабана 6 находится верхний поперечный штрих, то к числу сотых миллиметра, прочитанных по шкале барабана, нужно добавлять 0,5 мм.

Существуют специальные микрометры с циферблатом, предназначенные главным образом для измерения толщины листов и лент. Такие микрометры изготовляются со следующими пределами измерений: 0—5, 0—10 и 0—25 мм. Отличительной особенностью этих микрометров является наличие подвижной стрелки, связанной с барабаном, и неподвижного циферблата, укрепленного на скобе вместе с гильзой. Циферблат заменяет шкалу барабана; стрелки, вращаясь вместе с барабаном, указывает на циферблате сотые доли миллиметра. Диаметр циферблата значительно превосходит диаметр барабана, и поэтому деления, отмечающие сотые доли миллиметра, крупнее на циферблате, чем на шкале барабана, что позволяет на глаз определять и тысячные доли миллиметра.

Индикатор часового типа - это измерительный прибор, которое предназначается в основном для относительных измерений и контроля отклонений от заданных размеров геометрической формы деталей (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 Индикатор часового типа.

Устройство индикатора для линейных измерений показано схематически на рисунке 1.3. Штифт 1 прижимается пружиной к поверхности 2, перемещения которой в направлении штифта требуется 1 измерить. Круглая коробка 3 индикатора с укрепленной в ней системой шестерен и циферблатом поддерживается неподвижно особым штативом. Перемещения упорной поверхности 2 вызывают перемещения штифта 1, который вращает при этом стрелку 4 посредством зубчатых передач.

Рисунок 1.4. Схема индикатора для линейных измерений: - штифт (прижат к балке пружиной 2), при перемещении балки штифт поворачивает стрелку 4 на циферблате.

Индикатор часового типа (ИЧТ) - это навесное оборудование. В качестве держателя ИЧТ могут выступать различные штативы, скобы и подставки различных видов. Такие держатели должны отвечать требованиям жесткости и быть неподвижными при проведении измерений.

Порядок проведения измерений с использованием ИЧТ:

1. Установка циферблата на «ноль» - перед проведением измерений, необходимо установить нулевое, исходное значение, используя эталон.

2. Поднятие измерительного стержня при помощи «ушка», расположенного вверху ИЧТ с одновременным извлечением эталонной детали из-под индикатора часового типа.

3. Помещение измеряемой детали между основанием штатива и измерительным стержнем.

4. Опускание измерительного стержня.

5. Снятие показаний отклонения размеров измеряемой детали (насколько, в сотых долях миллиметра отличается) от эталонной детали по циферблату ИЧТ.

Классификация индикаторов в зависимости от типа передаточного устройства:

1. Индикатор часового типа - самый распространенный индикатор. Внутри цилиндрического корпуса индикатора часового типа размещается реечно-зубчатая и шестеренная передачи, благодаря которым возвратно-поступательное движение измерительного стержня преобразуется во вращательное движение стрелки индикатора.

2. Рычажно-зубчатые индикаторы - отличием индикаторов такого типа от индикаторов часового типа является тот факт, что конструктивно, измерительные головки рычажно-зубчатых индикаторов имеют в неравноплечий рычаг, вместо шестеренно-зубчатой передачи. Малое плечо рычага связано с измерительным стержнем, либо с измеряемой поверхностью, а большое плечо - со вторым неравноплечим рычагом и зубчатой передачей со стрелкой. Рычажно-зубчатые измерительные головки могут быть многооборотными или однооборотными. Индикаторы данного типа гораздо точнее индикаторов часового типа. Цена деления у таких индикаторов обычно колеблется от 0,001 до 0,002мм.

3. Пружинные измерительные головки - (микрокаторы, микаторы (малогабаритные) и миникаторы) - считаются самыми точными рычажно-механическими измерительными устройствами. Здесь чувствительным элементом выступает завитая пружина со стрелкой. Перемещаясь, рычаг воздействует на пружину, изменяя её длину, что приводит к повороту стрелки. Благодаря отсутствию трения в этой конструкции достигается высокая точность показаний. Цена деления у таких приборов - 0,1мкм (или 0,0001мм). Преимуществом является: простота конструкции, долговечность работы и отсутствие мертвого хода.

4. Электронные индикаторы - могут иметь как рычажно-зубчатую, так и присущую индикаторам часового типа, шестеренную передачу, индикатор имеет вид электронно-цифрового табло.

Тензометр Гуггенбергера — наиболее распространенный из рычажных тензометров. Устройство тензометра показано на рисунке 1.5. Планку 1 притягивают струбцинкой к поверхности образца, деформации которого подлежат измерению. Опорами планки 1 являются неподвижный нож (слева) и призма ромбовидного сечения (справа), к которой жестко прикреплен стержень 2. При изменении расстояния s между точками опоры вследствие деформации образца призма наклоняется и с нею наклоняется стержень 2. Поворот призмы и стержня 2 при этом происходит вокруг ребра В призмы, в котором планка 1 опирается на призму. Верхний конец С стержня 2 шарнирно соединен при помощи серьги СЕ со стрелкой 3, имеющей шарнирную опору в точке D. Перемещение точки С при повороте стержня 2 вызывает такое же перемещение точки Е стрелки 3. При этом стрелка поворачивается вокруг своей опоры D и нижний ее конец F перемещается вдоль миллиметровой шкалы, нанесенной на планке 1. Перемещение для стрелки пропорционально изменению As длины s. Отношение диагонали АВ призмы к длине стержня 2 обычно равно 1/50; отношение длин участков DE и EF стрелки — около 1/20, г. е. увеличение К тензометра около 1000. Увеличение каждого тензометра устанавливается его тарировкой на специальном калибраторе.

Рисунок 1.5. Тензометр Гугенбергера.

Опорная точка D стрелки находится на ползуне и может перемещаться при помощи винта 4 это позволяет установить стрелку до испытания на желаемом отсчете, а также продолжить опыт без перестановки тензометра при исчерпании шкалы.

Расстояние s между точками опоры называется базой тензометра и равно обычно 20 мм. База тензометра может быть увеличена с помощью приставной планки, называемой удлинителем базы.

Прикрепление тензометров к образцу осуществляется с помощью струбцинок. В случае образцов больших размеров могут быть применены присоски. Присоска представляет собой резиновую сферическую чашечку с тонкими краями диаметром опорной окружности 25—40 мм. Если такую чашечку прижать к плоской или слабо искривленной поверхности, то она «присасывается» к поверхности, так как под присоской образуется вакуум, и она оказывается прижатой внешним давлением. Такая присоска может служить опорой для укрепления тензометра.

Торсиометр – прибор для измерения углов закручивания. Торсиометры подразделяются на зеркальные и торсиометры с подвижной шкалой. (рис. 1.6)

Если требуется определить угол поворота сечения II вала относительно сечения I.

Рисунок 1.6. Торсиометр с подвижной шкалой.

В этих сечениях располагают обжимающие кольца. К одному из них крепится линейная или угловая шкала в плоскости, перпендикулярной к оси образца. К другому кольцу крепится стрелка, конец которой выводится к названной шкале. При закручивании образца конец стрелки покажет изменение отсчета по шкале. Разделив приращение отсчета длину r стрелки (считая от оси вала), получим искомый угол закручивания вала между сечениями I и II.

Если деформации малы, визирным приспособлением может служить оптическая труба — микроскоп. Часто вместо микроскопа можно применить индикатор, который замеряет линейное смещение с точностью до 0,01 мм. Пружина индикатора может несколько деформировать палец, в который упирается штифт индикатора. Поэтому нельзя допускать обратных движений при снятии отсчетов.

Инклинометром называется приспособление или прибор, предназначенный для измерения угла поворота сечения балки при изгибе. Этот угол можно считать рав­ным углу наклона оси балки (отсюда и название прибора — инклинометр, что означает наклономер).

Существуют инклинометры различных систем: зеркальные, уровенные и стрелочные.

В случае гибкой балки применяют стрелочные инклинометры (рис. 1.7). К балке жестко прикреплена стрелка. При нагруженни балки стрелка поворачивается вместе с балкой и на неподвижной дуговой шкале указывает угол поворота данного сечения балки.

Рисунок 1.7. Инклинометр стрелочный

Указанным способом измеряют углы поворота сечений балки, расположенных над опорами, что обычно и требуется.

Тензометрирование – измерение деформаций поверхностного слоя детали (образца) под действием внешних сил. Электротензометрический методизмерения линейных деформаций основан на том, что деформация проводника вызывает изменение некоторых его электрических параметров (сопротивления, емкости, индуктивности). Элемент, воспринимающий деформацию тела, называют датчиком. Изменение электрического параметра передается на регистрирующее устройство. Наиболее широко используют в качестве электротензометров проволочные датчики омического сопротивления.

Основными преимуществами электротензометров являются: высокая точность измерения, малые размеры тензометров, возможность передачи показаний на расстояние и выдачи результатов на ЭВМ, возможность измерять деформации на поверхностях сложной конфигурации и в труднодоступных местах, практически полная безинерционность аппаратуры, возможность регистрации быстроизменяющихся процессов. Эти преимущества компенсируют недостатки электротензомерирования: сложность и значительную стоимость измерительной аппаратуры, необходимость высокой квалификации персонала.

Точность измерения деформации при помощи проволочных тензодатчиков несколько меньше, чем при измерении механическим или оптическим тензометром, но практически она вполне достаточна для надежного вычисления напряжений.

В основе метода лежит зависимость омического сопротивления R проводника от его геометрических размеров – длины l и площади поперечного сечения A:

где ρ - удельное сопротивление проводника.

Чем длиннее проводник датчика, тем больше изменение омического сопротивления ∆R при деформации, и тем точнее результаты измерений. В тоже время при неравномерной деформации исследуемого тела возникает необходимость проводить измерения на возможно меньшей длине (базе измерений). Конструктивно эта задача была решена путем укладки длинного проводника в виде петель на малой базе.

Тензодатчик представляет собой плоский элемент (рис. 1.8), состоящий из тонкой (0,015 – 0,03 мм) проволоки (или фольги) 1, материал которой обладает высоким омическим сопротивлением (константан, нихром), уложенной зигзагообразно между двумя полосками специальной тонкой (0,002 – 0,005 мм) бумаги или полимерной пленки 2.

Рисунок 1.8. Схема тензодатчика.

К концам проволоки сваркой либо пайкой, что менее предпочтительно, присоединены латунные выводы 3, служащие для соединения тензодатчика с регистрирующей аппаратурой.

Применение константановой проволоки обусловлено двумя существенными факторами:

а) высоким омическим сопротивлением проводника;

б) постоянством удельного сопротивления при повышении температуры до 500 ⁰С.

Датчик вследствие зигзагообразной укладки проволоки реагирует только в направлении оси X и не чувствителен в направлении оси У.

Базой тензодатчика называют длину l ₀ прямолинейных участков проводника, из которого он изготовлен

Промышленность выпускает проволочные, а также фольговые датчики с базой l ₀= 5, 10, 20, 30 мм и сопротивлением R = 50, 100, 200, 300 Ом. Следует учитывать, что с уменьшением базы датчика снижается его тензочувствительность из-за увеличения влияния криволинейных участков (петель датчика). Поэтому без необходимости применять датчики с малой базой не рекомендуется.

Место установки тензодатчика тщательно зачищается и обезжиривается спиртом или ацетоном. При нагружении балки деформируется вместе с ней и тензодатчик, сопротивление которого изменится и его величина будет зарегистрирована измерительной схемой, состоящей из моста Уинстона, усилителя и регистрирующего прибора (миллиамперметра или осциллографа). На рис. 1.9 показана принципиальная упрощённая схема тензостанции ЦТМ-3 (цифровой тензометрический мост).

Рисунок 1.9. Схема тензостанции:

1 – балансировочные сопротивления; 2 – активный датчик;

3 – компенсационный датчик; 4 – рабочая диагональ моста;

5 – измерительная диагональ моста.

В лабораторных работах применяются электрические тензометры – датчики омического сопротивления - представляющие собой константановую проволоку (сплав меди с никелем) диаметром 0,02 мм, наклеенную на бумагу в виде петель с двумя выводами, служащими для подключения к измерительной схеме. Сверху наклеивается защитная бумага. Датчики приклеиваются к балке карбинольным клеем. База S = 20 мм. Сопротивление такого датчика составляет 150 Ом. Применение проволочных датчиков к измерению деформаций основано на полученной из опыта зависимости между отношением приращения сопротивления к омическому сопротивлению R и относительной деформацией. Для датчика с константановой проволокой эта зависимость имеет вид:

.

Из этой формулы ясно, что для измерения малых требуются схемы высокой чувствительности, в данном случае – мостик сопротивлений. Ток в ветви гальвонометра появляется только, когда изменяется сопротивление в рабочем датчике.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое торсиометр?

2. Что такое индикатор часового типа?

3. Что такое инклинометр?

4. Объясните принцип работы тензометра Гуггенбергера?

5. Объясните принцип работы торсиометра?

6. Какие виды индикаторов вы знаете?

7. Как с помощью микрометра измерить размеры детали

8. Как с помощью штангенциркуля измерить размеры детали?

9. Что такое база тензометра?

10. Чему равна цена деления индикатора часового типа?

11. Что такое метод тензометрии?

12. Нарисуйте схему тензостанции.

13. Объясните принцип работы тензостанции.

14. В чем состоят преимущества тензометров?

15. Приведите классификацию индикаторов по типу передаточного устройства.

16. Каков порядок проведения измерений с использованием индикатора часового типа?

17. Какие виды технологических испытаний вы знаете?

18. Перечислите виды испытаний ударом.

19. Перечислите виды испытаний по виду напряжённого состояния.

20. Зачем проводят экспериментальные испытания образцов материалов.

Лабораторная работа № 2

Поиск по сайту: