Прочностные характеристики

Прочностные характеристики материалов, кроме пределов прочности σ_сж, σ_р, σ_рзг, σ_сд, могут включать также и другие показатели, например, предел прочности при ударных нагрузках, предел текучести и т. д. Обычно эти характеристики определяются при линейном напряженном состоянии.

Пределы прочности материала определяются формулой

(1)

где Р – нагрузка, при которой наступает разрушение,

S – площадь образца.

Для испытаний используются специальные испытательные машины с учетом ряда требований, обеспечивающих достоверность измерений. Размеры и

форма образцов для проведения испытаний оговариваются в техничес-кой документации.

Прочность изделия является комплексной характеристикой, зависящей от характера распределения действующих нагрузок, геометрических размеров и формы изделия. Прочность изделия определяется обычно при сложном напряженном состоянии, максимально приближенном к условиям эксплуата-ции. При испытании изделий одного типоразмера и определенных прочностных характеристик материала по одной методике может наблюдаться большой разброс результатов. Это заставляет при проектировании изделий и конструкций закладывать большой запас по прочности, что приводит к перерасходу материала для обеспечения надежности.

Возрастающие требования к уменьшению веса и габаритов изделий при одновременном повышении их надежности приводят к необходимости разра-ботки и внедрения неразрушающих методов контроля прочности. Неразру-шающий контроль не только дает возможность значительно увеличить число контролируемых изделий, но и, в случае необходимости, проводить сплошной контроль, который позволяет выяснять причины изменчивости характеристик.

Методы НК прочности основаны на установлении связи между характеристиками прочности и физическими свойствами материала, причем наиболее близки по своей физической сути к прочностным характеристикам упругие характеристики материала, определение которых часто используется при акустическом методе контроля.

Упругие характеристики

Упругие характеристики описывают свойства материала в области упругости, т. е. при сравнительно малых нагрузках и деформациях, при которых сохраняется способность материала возвращаться в исходное положение после снятии нагрузки.

Изотропный материал имеет две независимые упругие константы, одна из которых характеризует поведение материала при продольных нагрузках, другая – при поперечных нагрузках. В качестве таких констант могут быть взяты, например, модуль Юнга Е (модуль продольной упругости) и коэффициент Пуассона ν. Все другие упругие константы, применяемые для характеристики упругих свойств изотропного материала, могут быть выражены через эти две независимые константы. Большое количество материалов, применяемых в технике, не являются в строгом смысле изотропными, поскольку состоят из многих компонент, присутствующих в материале в виде связанных между собой конгломератов. Однако для основных применений все эти материалы могут рассматриваться как квазиизотропные, т. е. практически изотропные, поскольку размеры отдельных частиц материала обычно гораздо меньше размеров изделий и длин волн упругих колебаний, которые обычно применяются для акустического контроля этих изделий.

Важнейшей характеристикой упругости является МОДУЛЬ ЮНГА Е. Этот модуль определяется как коэффициент пропорциональности между приложенным напряжением σ и относительной деформацией δ, вызванной этим напряжением при продольном сжатии или растяжении:

. (2)

Если представить графически диаграмму нагружения при сжатии или растя-жении (зависимость относительной деформации от приложенного напряжения), то модуль Юнга Е на этой диаграмме можно определить как тангенс угла наклона к оси абсцисс линейного участка. Чем больше модуль Юнга Е материала, тем большее напряжение надо приложить для получения той же относительной деформации. Примерами материалов с большими значениями модуля Юнга могут служить искусственные сверхтвердые материалы на основе алмаза, кубического нитрида бора и др.

Другой важной характеристикой упругости является КОЭФФИЦИЕНТ ПУАССОНА ν. Этот коэффициент определяет поведение упругого материала при поперечных деформациях и выражается как отношение относительной поперечной деформации к относительной продольной:

(3)

Примером материала с большим коэффициентом Пуассона является резина, у которой при небольших продольных деформациях (например, при сжатии) наблюдаются значительные изменения поперечных размеров. Коэффициент Пуассона может иметь значения, не превышающие 0,5.

Широко используются и другие упругие характеристики такие, как МОДУЛЬ СДВИГА (или модуль кручения) G, МОДУЛЬ ВСЕСТОРОННЕГО СЖАТИЯ К и некоторые др., которые связаны с приведенными выше Е и ν следующим образом:

; (4)

; (5)

. (6)

В анизотропных материалах число независимых упругих констант значительно больше, чем в изотропных материалах, и зависит от типа анизотропии. Например, трансверсально–изотропный материал характеризует-ся пятью независимыми упругими постоянными, а ортотропный – девятью.

К упругим характеристикам могут быть отнесены и некоторые АКУСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ материалов, которые часто используются при неразрушающем контроле. Наиболее важные из них – СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ различных типов: продоль-ных колебаний в бесконечной среде С, поперечных колебаний в бесконечной среде С_t и продольных колебаний в бесконечно длинном тонком стержне С_l. Выражения, связывающие эти параметры с модулем Юнга Е, модулем сдвига G, коэффициентом Пуассона υ и плотностью ρ, имеют вид

; (7)

; (8)

; (9)

. (10)

Свойство материала ослаблять акустические колебания характеризуется его КОЭФФИЦИЕНТОМ ЗАТУХАНИЯ, под которым понимается отношение амплитуды колебаний у источника колебаний к амплитуде колебаний на определенном расстоянии. Ослабление может быть также выражено в виде расстояния, на котором амплитуда колебаний уменьшается в «е» раз, где «е» - основание натурального логарифма (ослабление в децебеллах). При резонансных измерениях ослабление может быть определено как отношение ширины резонансной кривой на уровне 0,7 от резонансного пика к резонансной частоте

Все приведенные выше упругие параметры относятся к материалам и не зависят от размеров изделий, на которых они определяются. Однако имеются упругие характеристики, которые присущи только изделиям. К таким характеристикам относятся частоты собственных колебаний изделий. В отличие от приведенных выше параметров ЧАСТОТА СОСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ f зависит как от упругих характеристик материала, так и от КОЭФФИЦИЕНТА ФОРМЫ F (коэффициента, зависящего от формы и размеров изделия, вида возбуждаемых колебаний и коэффициента Пуассона). В общем виде эту зависимость можно выразить в виде

. (11)

Частоту собственных колебаний по способу ее измерения часто называют также РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСОТОЙ.