Теория.
Испытания материалов медленно изменяющейся нагрузкой (статической) не характеризуют полностью их механические свойства. В реальных условиях эксплуатации многие элементы конструкции подвергаются быстро изменяющимся нагрузкам (динамическим) и, выбирая материал для них, необходимо это учитывать.
При большой скорости изменения нагрузки образование и развитие пластических деформаций запаздывает, в результате чего увеличивается предел текучести и разрушающее напряжение (рис.1). Наиболее заметно влияние скорости деформирования при высоких температурах.
В
сопротивлении материалов конструкций
упругому деформированию динамическая
нагрузка представляется как статическая
умноженная на коэффициент динамичности:
.
Соответственно этому представлению определяются напряжения, перемещения и формулируются условия прочности и жесткости:
,
.
Понятно, что такое представление является условным и приблизительным, и особенно, в определении величины допускаемых напряжений, которые назначаются обычно по результатам статических испытаний.
Все твёрдые материалы, в какой то мере способны поглощать энергию удара. За эту меру принята условная величина, названная ударной вязкостью. Ударная вязкость определяется величиной работы, затраченной на разрушения образца специальной формы, отнесённая к площади поперечного сечения в месте излома:
.
В размерности ударной вязкости не допускаются сокращения.
Ударная
вязкость не находит применения в расчётах
на прочность. Эта
специальная характеристика используется
для оценки способности материалов
сопротивляться ударным воздействиям.
Для удовлетворительной работы в таких
условиях её значение должно быть не
менее
.
Ударная вязкость сталей зависит от их структуры и эту зависимость нельзя обнаружить при статических испытаниях.
В
таблице приведены результаты определения
ударной вязкости мелкозернистой и
крупнозернистой стали. Они проявляют
почти одинаковые прочностные и
деформационные свойства в статических
испытаниях, но значительно отличаются
по ударной вязкости.
С
понижением температуры ударная вязкость
материалов понижается и существует
температура "критическая", при
которой происходит резкое уменьшение
её, и материал становится непригодным
для работы при динамических воздействиях.
Изменение ударной вязкости наблюдается
и при повышенных температурах. Так, для
углеродистых сталей она значительно
понижается в интервале температур
.
II. Эксперимент
Машина для испытаний на удар (маятниковый копёр).
Штангенциркуль.
О бразец и схема испытания
Образец помещают свободно на плоские опоры так, чтобы надрез был обращён в сторону противоположную удару по его направлению, и разрушают его одним ударом. Надрез находится в области растяжения. Форма надреза, размеры образца, скорость удара оказывают влияние на значение ударной вязкости. Расстояние между опорами (пролёт) не влияет на результаты, если его отношение к высоте образца находится в пределах от 4 до 8.
Для получения сопоставимых результатов форма и размеры образцов стандартизируются. Надрез является концентратором напряжений и служит для сосредоточения (локализации) энергии удара в месте разрушения. Чем острее и глубже надрез, тем меньше становится область распространения пластической деформации. Материал в области надреза находится в условиях всестороннего растяжения. В направлениях перпендикулярных растягивающим напряжениям от изгиба возникают растягивающие напряжения от стеснения поперечных деформаций. Всестороннее растяжение (даже неоднородное) является весьма жёстким условием работы материала и позволяет даже в самом пластичном материале обнаружить хрупкость.
Перед испытанием осуществляется проверка размеров образца.
П
римечание.
Получение излома надрезанного образца ударом является средством исследования структуры материала в материаловедении. Известно, что вид поверхности разрушения растянутого образца уже является ценным добавлением к цифровым данным о свойствах материала. Если в статических испытаниях влияние различных факторов на структуру материала является как бы замаскированным (до разрыва образца в нём происходит значительная деформация), то по виду структуры излома надрезанного образца разрушенного ударом обнаруживается даже слабое изменение в термической обработке материала.
Вычисление работы затраченной на разрушение образца
Маятник
поднимается в начальное положение на
высоту Н,
которая отмечается углом подъема
.
Из этого положения он освобождается и
при отсутствии образца (холостой
ход)
в своём движении, преодолевая сопротивление
сил трения в опорном узле и воздуха,
поднимается на высоту
(угол
).
Работа, затраченная на преодоление сил
сопротивления на пути
,
определяется разностью потенциальных
энергий маятника в крайних положениях:
.
С
установленным образцом энергия маятника
расходуется на его разрушение и
преодоление сил сопротивления на пути
.
Считая, что работа на преодоление сил сопротивления пропорциональна пройденному пути маятника, работа, затраченная на разрушение образца, находится из выражения:
.
Примечание: Перед началом работы необходимо ознакомится с устройством копра. При работе соблюдать правила техники безопасности:
не находится в зоне движения маятника,
н
е
останавливать маятник руками.
Таблица наблюдений и результатов
В таблице указать используемую размерность величин. Привести вычисление работ и ударной вязкости для каждого материала.
Выводы. Характер разрушений и сравнительное заключение о сопротивлении испытанных материалов удару.