Лекция 4 . Тема: методы и средства испытаний материалов, конструкций

4.1 Механические характеристики материалов,

ПОЛУФАБРИКАТОВ, СОЕДИНЕНИЙ.

Механические характеристики составляют исходные данные для расчета и проектирования машин и конструкций. Сравнение и выбор материала могут быть выполнены, если все величины получены в строго стандартных условиях и с наибольшей полнотой параметров. Важен также единый подход к методике испытаний специальных образцов, когда стандартные испытания и образцы не удовлетворяют новым условиям работы конструкции или новому полуфабрикату.

Паспортизация материалов и полуфабрикатов. Классификация методов испытаний.

Механические свойства материалов и полуфабрикатов описывают многими параметрами и зависимостями. Из всего массива данных о материалах, получаемых при статическом и динамическом нагружении, при нормальной, повышенной, пониженной или криогенной температурах, в высоком ва­кууме, в химически активных средах или при лучевом воздействии, могут быть составлены справочные данные только о некоторых свойствах и для весьма ма­лого числа их комбинаций. Все мыслимые вариации условий и характеристик материалов, естественно, не могут быть получены. Номенклатуру характеристик задает основной заказчик (например, отрасль), формулируя сначала ТЗ и ТУ на полуфабрикат, затем согласовывая паспорт материала — свод гарантируемых величин характеристик по конкретному перечню. Применение материала в межотраслевом и всесоюзном масштабе утверждается выпуском ГОСТа. Легко понять, насколько важна стандартизация методов испытаний материалов и полуфабрикатов в определении химико-физических, механических, коррозионных и других свойств. Механические характеристики, параметры кривой упрочнения (диаграммы ), кривые усталости, ползучести, длительной прочности, характеристики трещиностойкости , диаграммы усталостного разрушения (da / dN = f (ΔK) и т. д., определяют для выбора материалов, обоснования конструктивных решений и технологических процессов; статистического приемочного контроля, нормирования характеристик и оценки качества материала в производстве; выполнения расчетов на прочность и усталость деталей машин и конструкций.

Программа Госстандарта СССР «Расчеты и испытания на прочность в машиностроении» (ГОСТ 25.001-78) поставила работу по стандартизации методов испытания материалов и изделий на новый высокий уровень, соответствующий современным условиям НТР и международному состоянгию стандартизации.

Сложность разработок и тематическая широта программы обусловили этапность в создании НТД разных уровней, планирование пересмотра, объединения и выпуска новых ГОСТов на методы испытаний, параметры (характеристики) и на образцы.

Классификация механических испытаний материалов. К объектам испытаний для определения механических характеристик относятся изотропные (анизотропные) монолитные металлы и сплавы; металлические полуфабрикаты (прокат, отливки, тонкий лист, лента, проволока, трубы); жесткие и мягкие монолитные пластмассы; армированные полуфабрикаты из неметаллов (текстолиты, стеклопластики, органопластики, углепластики, боропластики, волокна, ленты, ткани); конструктивные полуфабрикаты, металлические, неметаллические и смешанные (соты, ячеистые, гофровые, многослойные с заполнителями типа пенопласта, пенополиуретана и тд.).

К основным механическим характеристикам изотропных монолитных мате­риалов относятся:

упругие постоянные: Е — модуль упругости; G — модуль сдвига; μ - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона);

предельные значения напряжения: — пределы пропорциональности; - предел упругости (при ε = 0,0005); - предел текучести (физический); ^— условный предел текучести (при ε = 0,002); — предел текучести (при γ = 0,003); — предел прочности (временное сопротивление); ^_ предел прочности при сдвиге; - истинный предел прочности (истинное сопротивление разрыву);

— истинный предел прочности при сдвиге;

предельные значения деформаций: δ - относительное удлинение при разрыве; ψ — относительное сужение при разрыве; γ_mах — максимальный остаточный сдвиг;

характеристики сопротивления усталости: - предел выносливости при симметричном цикле (растяжение - сжатие или изгиб); , — предел выносли­вости при симметричном цикле (кручение); — предел выносливости при нулевом цикле нагружения; m — угол наклона кривой усталости в логарифми­ческих координатах (ветвь ).

Характеристики трещиностойкости: (К_1с К_с) — вязкость разрушения при статическом нагружении; КС — ударная вязкость.

Характеристики анизотропных монолитных материалов определяют не менее чем по трем направлениям (технологическая анизотропия) с целью получения минимальных значений характеристик. Обычно всем полуфабрикатам присуща малая анизотропия. Для конструктивно-анизотропных, ортотропных, трансверсально-изотропных материалов, например армированных пластиков, когда укладка волокна ориентирована в трех и более направлениях, для исследования основных характеристик образцы вырезают по осям 0,90 и 45°.

Методы испытаний металлов. Испытания металлов и сплавов при статическом нагружении различают по типу НДС. Их проводят для всех видов полуфабрикатов стандартными методами, которые усовершенствованы и распространены на область высоких и низких температур (ГОСТы 1497-84, 3565-80, 651-84, 11150-84, 11701-84, 14019-80). Полнее и строже стала методика снятия и обработки диаграмм упрочнения. Наиболее распространены испыта­ния при одноосном растяжении, которые проводят как для обычного проката и отливок, так и для труб, проволоки, тонких листов, фольги и лент (ГОСТы 10006-80,10446-80, 11704-84).

Испытания на одноосное растяжение выполняют на образцах, вырезанных из продукции в соответствующих направлениях. Вследствие технологической анизотропии свойства сплавов отличаются по видам полуфабрикатов, зонам и направлениям, поэтому правила вырезки образцов регламентированы стандартом (ГОСТ 7564-73*).

Образцы на растяжение имеют рабочую часть в виде цилиндра или полосы с плавным переходом в зону утолщения для крепления в захвате испытательной машины. Размеры образцов подчиняются закону геометрического подобия — пропорционального изменения площадей сечения и длины рабочей части.

В упругой области даграммы Р — Δ l или σ — ε , пренебрегая явлениями неупругости и внутреннего трения в металлах, определяют модуль упругости Е = Δσ / Δε и коэффициент Пуассона с точностью, которую имеют современные универсальные машины для испытаний на растяжение-сжатие (ГОСТ 7855-74) и экстензометры - продольный и поперечный.

Появление первых пластических деформаций, регистрируемых на диаграмме растяжения (рис. 4.1) как отклонение от линейного закона, характеризует достижение уровня напряжений , когда в поликристаллическом массиве суммарный эффект от движения дисклокаций, двойникования и возможного скольжения зерен по границам начинает проявлять себя как макродеформация

Рис. 4.1. Диаграммы растяжения:

1 — без "площадки текучести";

2-е "зубом" и "площадкой текучести";

3 — без образования шейки

При достижении предела текучести во всем объеме образца развивается интенсивная пластическая деформация, равномерная по длине рабочей части. Принимая условие постоянства объема при пластической деформации, несложно получить равенства:

, (4.1)

,

где δ и ψ – относительное удлинение и сужение при равномерной деформации;

Рис. 4.2. Истинные S и Рис. 4.3. Эпюры напряжений

условные σ напряжения в шейке образца

растяжения пластичного

материала.

σ - напряжение как нагрузка, деленная на начальную площадь сечения образца ;

S - истинное напряжение как нагрузка, деленная на действительную пло­щадь сечения F.

При достижении точки b на диаграммах (рис. 4.1 и 4.2) истинное напря­жение

.

Этот момент соответствует достижению максимальной нагрузки Р_в

и началу образования шейки.

В области диаграммы от площадки текучести до точки b нагрузка повы­шается, происходит деформационное упрочнение материала; одновременно идут два противоположных процесса: сокращение числа дисклокаций, торможение их на границах зерен и в жестких фазах и разупрочнение — сдвиги и образование микроступенек на поверхности, повороты и переориентация поликристаллов в зернах, образование межзеренных и межкристаллитных сдвигов и полостей - микротрещин. И, наконец, сужение образца и одновременное повышение нагрузки становятся предельными; появляется сечение, где механизм деформирования, работавший до сих пор по схеме одноосного линейного напряжение, теряет устойчивость, НДС изменяется на трехосное неоднородное объемное состояние в результате образования шейки (рис. 7).

Нагрузка начинает падать, тогда как истинное напряжение S продолжает расти до предельного значения S_K = P_K / F_K , но это теперь условная величина, поскольку в механизме образования шейки и разрушения участвуют еще два главных напряжения, а в изломе присутствуют зоны сдвига и отрыва.

Испытание на сжатие. Для большинства металлов и сплавов, а также конструкционных пластмасс и других неметаллов, механические характеристики, полученные при растяжении и сжатии, неодинаковы. Физическая сущность различия между характеристиками материалов при растяжении и сжатии состоит не только в различии НДС при достижении предельных уровней σ_Т, σ_в, но и в различии условий на поверхности и в объеме в связи с разными знаками деформа-мп в упругой области при так называемом линейном напряженном состоянии. Коэффициент, введеннный Я.Б. Фридманом,

, (4.2)

характеризующий склонность НДС в образце к развитию пластических, сдвиговых деформаций, при растяжении гладкого образца имеет значение 0,5, а при сжатии

(μ = 0,5) .

Если оценить величину при растяжении в шейке по значениям на оси образца (см. рис. 4.3), то величина также окажется равной 0,5; это означает, что соотношения между свойствами материала по текучести и прочности при растяжении и сжатии для пластичных материалов должны быть близки.

Стандарт на методы испытания на сжатие ужесточил требования на условия испытания, повысил объективность получения характеристик за счет требований к образцам, обработке результатов и потребовал новой техники эксперимента. Кроме определения основных характеристик стандарт регламентирует получение параметров кривой упрочнения, необходимой для расчетов технологических режимов обработки металлов давлением и расчетов на прочность в упруго - пластической области с учетом различия свойств на растяжение.

Создание на одном из типов образцов небольшого буртика на торцах, уплотняющего полость для пластичного смазочного материала (стеарина, парафина, воска и т. д.), позволяет получить на торцах почти гидростатическое давление.

Это повышает до предельных значений нагрузку, при которой имеет место идеальное сжатие на торцах, и позволяет корректно получить основные механические характеристики и кривую упрочнения в виде

,

где σ_s — истинное напряжение текучести; — логарифмическая деформация; т и п — коэффициенты (п - показатель деформационного упрочнения); F_K , F₀ — текущая и начальная площади поперечных сечений образца; h₀ , h — начальная и текущая высоты образца.

При необходимости в практике машиностроения проводят испытания на изгиб, кручение, сдвиг (срез), смятие, на ползучесть, длительную прочность, на коррозию под напряжением, на усталость.