Работа 6 определение модуля продольной упругости и коэффициента Пуассона при испытании материала на растяжение

Цель работы: определение упругих характеристик материала — модуля продольной упругости (модуля Юнга) и коэффициента Пуассона; ознакомление с принципами работы приборов для измерения малых деформаций — тензометрами.

Общие сведения. Для подавляющего большинства материалов в пределах упругого деформирования до предела пропорциональности между напряжениями и деформациями имеет место прямо пропорциональная зависимость (рис. 1.3), которая была установлена Р. Гуком. В условиях осевого растяжения (сжатия), когда только по двум граням выделенного из объема материала элемента действуют нормальные напряжения (рис. 6.1), наблюдается его линейное деформирование — продольное удлинение (укорочение) и изменение размеров поперечного сечения. При этом нормальное напряжение прямо пропорционально относительной продольной деформации:

σ= εЕ.

	Рисунок 6.1. Линейное деформирование элемента объема материала

Данная зависимость получила название закона Гука при растяжении-сжатии. Коэффициент Е называется модулем продольной упругости. Как следует из приведенной зависимости, Е численно равен тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы напряжений при растяжении (сжатии) к оси абсцисс (рис. 1.3). Чем больше величина Е, тем меньше будет деформироваться материал под нагрузкой. Таким образом, модуль продольной упругости характеризует жесткость материала при растяжении-сжатии.

В условиях деформирования до предела пропорциональности отношение относительной поперечной деформации ε’ к относительной продольной ε, как показал С. Пуассон, является для данного материала величиной постоянной:

Эта величина называется коэффициентом поперечной деформации, или коэффициентом Пуассона. Значение ν берется в указанной зависимости по абсолютной величине в связи с тем, что при удлинении образца наблюдается уменьшение его поперечных размеров (рис. 6.1).

Модуль продольной упругости и коэффициент Пуассона являются достаточно
стабильными физическими характеристиками материала, слабо зависящими от температуры, скорости нагружения и других внешних факторов, поэтому их условно называют упругими постоянными материала.

Приборы для измерения деформаций — тензометры. Рычажный тензометр Грггенбергера служит для непосредственного измерения линейной деформации при статическом нагружении и относится к механическим тензометрам
(рис. 6.2).

Рисунок 6.2. рычажный тензометр Гуггенбергера

Жесткая рама прибора с неподвижным ножом 1 имеет паз, в который
входит подвижная призма 2, соединенная системой рычагов 3 со стрелкой прибора.
Для установки стрелки в рабочее положение служит установочный винт 4. Для замера деформации тензометр с помощью специальной струбцины прижимается к испытываемому образцу. В процессе растяжения (сжатия) образца длина его участка l₀, заключенного между подвижной и неподвижной призмами (база прибора), увеличивается (уменьшается) на величину Δl₀, при этом происходит поворот призмы 2 вокруг ее верхнего конца и вместе с этим за счет системы рычагов 3 происходит отклонение стрелки по шкале прибора на величину ΔС. Величина абсолютной линейной деформации Δl₀ связана с величиной ΔС отношением:

где К — коэффициент увеличения тензометра. Величина К изменяется в пределах 1000 — 1200 и указывается в паспорте прибора.

Величина относительной деформации в месте установки тензометра определяется по зависимости:

где п — цена деления шкалы прибора в величинах относительной деформации.

Тензорезисторы. Для измерения деформации применяют такие приборы — датчики, в которых используется взаимосвязь между деформацией, вос- принимаемой датчиком, и какой-либо электрической его характеристикой (ёмкостью, индуктивностью, сопротивлением). Наибольшее распространение в практике получили тензометры омического сопротивления — тензорезисторы, или тензодатчики. Тензорезисторы служат для измерения относительной деформации на поверхности детали как при статических, так и при динамических нагрузках. Тензорезистор (рис. 6.3) представляет собой тонкую константановую или нихромовую проволоку или фольгу 2, вклеенную в виде петель между двумя полосками тонкой бумаги 3.К концам проволоки припаивают два медных проводника 1. База тензорезистора l₀ может колебаться от З до 50 мм, сопротивление — от 50 до 500 Ом.

Тензорезистор наклеивается на поверхность детали так, чтобы размер базы l₀ совпадал с направлением, вдоль которого измеряется деформация. При совместном деформировании детали и датчика изменяется длина и площадь сечения проволоки тензорезистора, что приводит к изменению его омического сопротивления. Исследования показывают, что относительная величина изменения сопротивления проволоки пропорциональна ее относительному удлинению:

где К — коэффициент тензочувствительности, зависящий от материала проволоки (для константана К = 2 2,4). Для датчика К зависит также и от качества его наклейки на деталь. Таким образом, определение деформации при помощи тензорезистора сводится к измерению изменения его сопротивления.

Рис. 6.4. Мостовая схема включения тензорезистора

Для измерения изменения сопротивления тензорезистора на практике широкое применение получила мостовая схема его включения (рис. 6.4), позволяющая регистрировать малые изменения сопротивления датчика по изменению величины тока в измерительной диагонали. Мостовая схема составляется из четырех сопротивлений: R_a — рабочий (активный) тензорезистор, наклеенный на исследуемую деталь; R_к — компенсационный тензорезистор (такой же, как и рабочий); R₁, R₂ — равные сопротивления, в качестве которых могут использоваться тензорезисторы, переменные сопротивления, реохорды. Условием отсутствия тока в измерительной диагонали АВ на гальванометре П (условием баланса моста) является равенство:

При деформировании активного тензорезистора вместе с деталью его сопротивление изменяется на величину ΔR, условие баланса моста нарушается и через диагональ потечет ток, регистрируемый гальванометром. Величина тока будет пропорциональна изменению сопротивления тензорезистора, а следовательно, и деформации детали.

Компенсационный тензорезистор служит для компенсации изменения сопротивления рабочего датчика вследствие изменения температуры. В отличие от рабочего тензорезистора компенсационный наклеивается на ненагруженную пластинку, выполненную из того же материала, что и исследуемая деталь. Так как рабочий и компенсационный датчики включены в разные плечи моста, то его баланс при изменении температуры не изменяется.

Величина относительной линейной деформации в месте наклейки рабочего тензорезистора определяется по изменению показаний гальванометра ΔС:

ε = nΔC,

где п — цена деления прибора в величинах относительной деформации, определяемая опытным путем (тарировкой прибора).

На практике для измерения деформаций с помощью тензорезисторов используются специальные приборы как стрелочного типа, имеющие измерительную шкалу (ИД), так и цифровые (ИДЦ, ЦТМ, СИИТ). Приборы рассчитаны на работу по полумостовой схеме, когда сопротивления R₁ и R₂ моделируются прибором. Показания приборов в единицах относительной деформации соответствуют коэффициенту тензочувствительности К = 2. В случае К, отличном от 2, величина деформации определяется по формуле

Описание лабораторной установки и проведение испытаний. Испытания проводятся на плоском образце прямоугольного поперечного сечения на испытательной
машине, создающей растягивающую нагрузку. Для измерения деформаций используются рычажные тензометры Гуггенбергера и тензорезисторы, которые располагаются попарно в продольном С₁, С₂, и поперечном D₁, D₂, направлениях на противоположных гранях образца для устранения влияния его изгиба. Испытания проводят при нагрузках, не превышающих усилия, соответствующего пределу пропорциональности (рис. 6.5):

где А — площадь поперечного сечения образца;

σ_пц— предел пропорциональности материала.

Нагружение осуществляется ступенями ΔР = 1000 кГ, начиная с нагрузки Р₀ = 500 кГ, необходимой для устойчивой работы машины и устранения зазоров в нагружающем устройстве. По разности отсчетов, взятых с приборов, которые замеряют деформацию в продольном (ΔС₁, ΔС₂ ) и поперечном (ΔD₁, ΔD₂) направлениях, вычисляют среднюю относительную продольную и поперечную деформации, соответствующие нагрузке ΔР: