Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О




Скачати 133.06 Kb.
НазваВивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О
Дата конвертації03.03.2013
Розмір133.06 Kb.
ТипДокументы
uchni.com.ua > Фізика > Документы
удк 620.22

ВИВЧЕННЯ ПРУЖНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛЕВИХ І МІДНИХ ДРОТІВ ПІД НАВАНТАЖЕННЯМ
Черкашин А.О.

учень 11 класу суспільно-гуманітарного відділення
Слов’янського педагогічного ліцею м. Слов’янськ Донецької області

Хавро В.О.

учитель фізики, учитель-методист
Слов’янського педагогічного ліцею м. Слов’янськ Донецької області
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.
^ ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНОЙ И МЕДНОЙ ПРОВОЛОКИ ПОД НАГРУЗКОЙ
Черкашин А.О.

учащийся 11 класса общественно-гуманитарного отделения Славянского педагогического лицея Славянского городского совета Донецкой области

^ Хавро В.О.

учитель физики, учитель-методист Славянского педагогического лицея Славянского городского совета Донецкой области
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.
^ THE STUDY OF ELASTIC PROPERTIES OF STEEL AND COPPER WIRE UNDER LOAD
Cherkashin A.О.

student 11 class publicly humanitarian separation the of Slavyansk pedagogical lyceum Slavyansk citi council Donetsk region

Khavro V.О.

teacher of physics, teacher-methodist of Slavyansk pedagogical lyceum Slavyansk citi council Donetsk region

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.
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].

^ Механічна характеристика

Позна-чення

Пояснення

Межа пропорційності

σпц

Зразок деформується пропорційно навантаженню.

Максимальне навантаження, при якому деформація ще залишається пружною і виконується закон Гука.

Межа пружності

σпр

Навантаження збільшується і порушується пропорційність між навантаженням і деформацією зразка, але зразок ще деформується пружно, ще не виникають помітні залишкові деформації, тобто при знятті навантаження зразок приймає початкові розміри.

Межа текучості

σт

Метал «тече», відбувається пластична деформація практично без збільшення навантаження. Напруга, при якому відбувається зростання залишкових деформацій зразка при практично постійною силі.

Межа міцності

σв

Максимальне навантаження, яке здатен витримати зразок без руйнування.


Таблиця 2

^ Механічні властивості твердих тіл [11]

Речовина

Межа міцності при розтягненні σв, МПа

Мідь

400

Сталь

500


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

Метал

Модуль пружності (модуль Юнга) Е, МПа

Дерево

1

Кістка

3

Скло

7

Мідь

11 – 12

Сталь

20 – 21


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

Робимо обчислення площі поперечного перерізу:



Індикатор (0,001 мм)

^ Таблиця 3

Навантаження в області пружних деформацій


Сталь

Рі

Р1 = 17,0 кг

Р2 = 33,5 кг

Р3 = 50,5 кг

Р4 = 67,5 кг

Р5 = 94,0 кг

lі

2,510-3 мм

5,010-3 мм

7,510-3 мм

10,010-3 мм

15,010-3 мм

Мідь

Рі

Р1 = 8,0 кг

Р2 = 15,8 кг

Р3 = 24,2 кг

Р4 = 33,1 кг

Р5 = 48,0 кг

lі

2,510-3 мм

5,010-3 мм

7,510-3 мм

10,010-3 мм

15,010-3 мм


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 з даного дослідження. 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 ε 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. ДСТУ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение (ГОСТ 1497-84 [Электронный ресурс] Режим доступа:http://www.gosty.org.ua/content/view/373/4

  8. ДСТУ 25.503-97. Межгосударственный стандарт. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие (ГОСТ 25.503-97) (протокол № 12-97 от 21 ноября 1997 г.) [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.complexdoc.ru/text/ ГОСТ 25.503-97.

  9. 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.

  10. 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).

  11. 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.

Схожі:

Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconАцетилен
Ознайомити з особливостями фізичних та хімічних властивостей алкінів у порівнянні з алканами та алкенами, показати залежність властивостей...
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconУроку
Розглянемо застосування одного з найпоширеніших програмних засобів – електронної таблиці Microsoft Office Excel для вивчення властивостей...
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconНормальна мікробіота породіль І новонароджених
Метою даної роботи було вивчення біологічних властивостей І видів мікроорганізмів, виділених від породіль та новонароджених
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconПерелік видів спорту з великим фізичним навантаженням та енерговитратами

Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О icon2-го року навчання: «Вивчення пластичних властивостей скульптурних матеріалів»
Скульптури для 2 класу на І семестр 20 – 20 н р підготувала викладач-методист класу образотворчого мистецтва Михайло-Коцюбинської...
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О icon№1. Наука як сфера діяльності
Наука – сфера людської діяльності, метою якої є вивчення предметів І процесів природи, суспільства І мислення, їхніх властивостей,...
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconУрок у 8 му класі Верховцевського нвк
Виховна: на основі вивчення важливих властивостей мийної дії основ та їх негативного впливу на довкілля,навчити учнів вибирати безпечні...
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconЯк деформується при гнутті зовнішня частина заготовки?
Який наповнювач використовується при гнутті мідних І латунних труб в холодному стані?
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconУроках математики
Одним із найбільш впливових засобів формування логічного мислення учнів є система вправ із логічним навантаженням
Вивчення пружних властивостей сталевих І мідних дротів під навантаженням черкашин А. О iconМ. С. Головань м. Суми, Українська академія банківської справи
Під якістю освіти розуміють сукупність властивостей І характеристик освітнього процесу, що надають йому здатність задовольняти обумовлені...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2014
звернутися до адміністрації
uchni.com.ua
Головна сторінка