2.7.2 Испытание образцов с плоскими гранями

При исследовании закономерностей деформирования и разрушения материалов в условиях плоского и объемного напряженного состояния используются образцы в виде кубиков или толстых пластин с перпендикулярными гранями. Различные соотношения между главными напряжениями в образце достигаются приложением соответствующих усилий по граням или (при одинаковых усилиях) применением образцов с неодинаковыми по величине площадками прилегающих граней.

Схемы нагружений приведены на рисунке 2.7.6. Во ВНИИЭФ разработано приспособление по схеме 2.7.6(б).

а) б)

Рисунок 2.7.6 – Испытание образцов, имеющих форму кубиков

2.7.3 Методы механических испытаний материалов на трубчатых образцах при сложном напряженном состоянии

Метод испытания тонкостенных трубчатых образцов ( =0,04-0,08, где δ – толщина, R_ср – средний радиус образца), подверженных действию комбинированных нагрузок (осевой силе, крутящему моменту, внутреннему и внешнему давлению), наиболее широко распространен в практике механических испытаний материалов при плоском напряженном состоянии. Это объясняется, прежде всего, тем, что на трубчатых образцах обеспечивается широкий диапазон напряженных состояний и реализует все возможные комбинации компонентов девиатора напряжений.

В рабочей части трубчатого образца, нагруженного осевой силой N, внутренним давлением р и скручивающим моментом М, действуют такие напряжения:

осевое ; (2.7.3.1)

окружное ; (2.7.3.2)

радиальное ; (2.7.3.3)

касательное ; (2.7.3.4)

где , .

Для условных деформаций соответственно имеем:

;

;

.

На основании формул (2.7.3.1) и (2.7.3.2) можно получить выражение для определения соотношения между осевой силой и внутренним давлением, которое необходимо поддерживать в процессе испытаний для получения заданного соотношения между главными напряжениями:

,

где F_н и F_в – площади, описанные наружным и внутренним радиусами.

Трубчатые образцы позволяют проводить нагружение при постоянном значении интенсивности напряжений при решении многих вопросов теории пластичности. При испытании пластичных материалов, когда нагружение образца сопровождается существенным изменением его размеров, обработка опытных данных производится в истинных напряжениях и деформациях с учетом приращения базы.

Для истинных деформаций в осевом и тангенциальном направлениях:

;

;

,

где l, D – текущие значения базы измерений и диаметра.

Радиальная деформация ε_r определяется из условия упругого изменения объема

,

где .

Cледовательно, .

Истинные осевые, окружные и касательные напряжения:

;

;

.

Для достоверности данных, кроме достаточной тонкостенности (δ/R_ср=0,04–0,08) к трубчатым образцам предъявляется ряд других требований. Чтобы исключить воздействие головок и галтелей, длина рабочей части образца должна быть не менее двух с половиной диаметров. Разностенность (разнотолщинность) в рабочей части не должна превышать 2-3 %.

Способы закрепления трубок и их нагружения разнообразны. Плоское напряженное состояние в трубчатом образце можно создавать в малогабаритном устройстве, показанном на рисунке 2.7.3.1. Устройство состоит из корпуса 2, крышки 5, верхнего плунжера 1, нижних сменных плунжеров 4 и гильз 6. Нижняя головка образца 3 соединена либо с плунжером (рисунок 2.7.3.1а), при этом σ₁ и σ₂>0, либо с гильзой (рисунок 2.7.3.1б), σ₁>0 и σ₂<0. Различные напряженные состояния достигаются путем изменения площади кольцевого выступа в нижнем плунжере или диаметра рабочего цилиндра гильзы.

Рисунок 2.7.3.1 - Общий вид устройства для испытания образцов по схеме «осевая сила – внутреннее давление»