2.5.4. Ареометри

Найпростішим і найпоширенішим приладом для вимірювання густини рідини є ареометр, принцип дії якого ґрунтується на законі Архімеда для плавання тіл: на тіло, занурене у рідину діє виштовхувальна сила, прикладена до центру мас частини тіла, що знаходиться у воді. Тіло, занурене у рідину, буде спливати доти, поки не виконається умова:

або ,

де – вага тіла; – сила Архімеда; – густина рідини; – об’єм зануреної частини тіла.

А реометр (від грец. araiós – негустий, рідкий та metréõ – вимірюю) являє собою симетричне відносно повздовжньої осі видовжене тіло 2 у вигляді порожнистого корпусу циліндричної (можливо й іншої) форми (рис. 3.10, а). У верхній, більш вузькій, частині є шкала 1. Нижню частину ареометра заповнено баластом 4 (дрібний шріт, ртуть тощо), який закріплено клейкою речовиною 3 (смола, сургуч). Баласт знижує центр ваги ареометра і забезпечує плавання його у строго вертикальному положенні при стійкій рівновазі (див. п.2.4.1).

За об’ємом витісненої рідини та масою ареометра можна визначити густину досліджуваної рідини (наприклад, електроліту акумулятора, спирту, молока тощо).

Розрізняють ареометри сталої маси та сталого об’єму. Ареометри сталої маси (найбільш розповсюджені), до яких відносяться денсиметри (від лат. densus – густий) застосовуються для визначення густини, тому їхню шкалу градуюють в одиницях густини (рис. 3.10, а). Рідше використовуються ареометри, які вимірюють концентрацію.

Ареометри сталого об’єму (рис. 3.10, б) занурюються у рідину завжди на фіксовану глибину до відповідної мітки на шийці 2 за допомогою накладання важків на його шальку 1. Густина рідини визначається за масою гир, ареометра та об’єму витісненої ним рідини. Ареометри сталого об’ємом можна використовувати для вимірювання густини твердих тіл.

3.6. Реологія1 матеріалів та фізичні методи дослідження в механіці

Ефективне використання матеріалів та виробів з них визначається знанням і дослідженням таких механічних властивостей матеріалів як міцність, деформативність, пластичність, крихкість тощо. Ці властивості впливають і на деякі інші якості матеріалів – морозостійкість, водонепроникність, вогнестійкість, утомленість та ін. Розглянемо деякі з них.

3.6.1. Міцність

Міцність – є властивістю матеріалів чинити опір руйнуванню від внутрішніх напружень або пластичному деформуванню, які виникають під дією зовнішніх механічних навантажень [7]. Міцність матеріалів залежить як від їхнього стану, обумовленого, наприклад, термічною обробкою, так і від їхнього складу, форми та розмірів.

Розрізняють міцність власне матеріалу та конструкційну міцність. Обидві вони залежать від характеру навантаження (короткочасне, тривале, повторно-змінне, ударне, комбіноване), температури, середовища, чистоти механічної обробки, складу та технології виготовлення. З іншого боку, міцність залежить і від виду напруженого стану: розтягу, стиску, згину, кручення, зсуву або сукупного впливу декількох впливів, тобто складного напруженого стану.

Основною характеристикою міцності є короткочасна міцність. Мірою короткочасної міцності вважається границя міцності ( , рис. 2.28, див. п.2.6.1) – максимальне напруження, при якому матеріал руйнується під дією статичного (повільно зростаючого протягом декількох хвилин) навантаження розтягу (стиску). Границю міцності для металів, сплавів, скла тощо визначають випробуванням на розтяг стандартних зразків досліджуваного матеріалу. Міцність крихких матеріалів, таких як бетон, гірські породи, ситали тощо характеризують границею міцності на стиск, яку отримують випробуванням зразків переважно кубічної форми 50×50×50 мм.

Крім короткочасної, розрізняють тривалу, утомлену та динамічну міцність, критеріями яких є відповідні границі міцності, що вимірюються дослідним шляхом.

1. Тривала міцність є властивістю матеріалу чинити опір руйнуванню при довготривалій дії статичного навантаження та високій температурі. Тривала міцність є однією з основних характеристик (нарівні з короткочасною міцністю, повзучістю, релаксаційною стійкістю, тривалою пластичністю тощо), які входять в комплекс властивостей, що визначають в основному довговічність та жаростійкість матеріалів.

Тривала міцність обумовлюється міцністю міжатомних зв’язків та структурою матеріалу, яка створюється добором його хімічного складу та термомеханічною обробкою.

Д ля того, щоб визначити тривалу міцність, зразок матеріалу випробовують при постійному навантаженні, досліджуючи залежність часу до руйнування від умовного напруження , віднесеного до початкового перерізу зразка, тобто функціональну залежність . Результати випробувань подають у вигляді таблиць, за якими для кожної температури визначають так би мовити границю тривалої міцності – мінімальне напруження, при якому матеріал руйнується за 100 год ( ), за 1000 год ( ) і так далі, або у вигляді діаграм тривалої міцності, побудованих у логарифмічних або напівлогарифмічних координатах (рис. 3.11).

Із збільшенням часу випробування, а також з підвищенням температури нахил ліній до осі часу збільшується, що пов’язано, по-перше, із структурними змінами, які відбуваються в матеріалі та призводять до його розкріплення, а по-друге, з можливими змінами механізму руйнування. З різними ділянками діаграми умовно пов’язують той чи інший переважний характер руйнування: в’язке руйнування при короткочасній дії навантаження, яке супроводжується значними деформаціями та утворенням тріщин по тілу зерна; крихке руйнування при тривалій дії навантаження, яке тягне за собою незначні деформації та утворення тріщин вздовж границь зерен; мішане руйнування, яке відповідає перехідній області діаграми.

Графічне зображення залежності тривалої міцності від температури дозволяє екстраполювати експериментальні результати, продовжуючи апроксимуючу криву із збереженням її геометричних особливостей. Для оцінки тривалої міцності в основному використовують результати механічних випробувань.

2. Утомлена міцність – властивість матеріалу чинити опір руйнуванню при довготривалій дії циклічно змінного навантаження. Це є одиним з параметрів, від яких залежить утомленість матеріалів. Утомленість матеріалів є зміною механічних та фізичних властивостей матеріалів під довготривалою дією циклічно змінних у часі напружень та деформацій, яка призводить до їх прогресивного руйнування. Така зміна відбувається у декілька стадій та залежить від таких вихідних параметрів як міцність, пластичність, в’язкість, а також від макро- та мікроструктури, мікрорельєфу, залишкових напружень, твердості, виду напруженого стану, історії навантаження та впливу середовища, від особливостей будови матеріалу та параметрів навантаження.

Перша стадія утомленості матеріалів характеризується утомленим пошкодженням матеріалу, тобто незворотнім зниженням опору руйнуванню. При накопиченні пошкоджень наступає руйнування матеріалу, яке прогресує, що виражається у виникненні спочатку мікротріщин в структурних складових та по їхнім границям, а потім у перетворенні мікротріщин у макротріщини, які остаточно руйнують навантажений матеріал.

Швидкість розвитку утомленої тріщини та співвідношення зони її розвитку та зони розлому залежать від умов випробувань. Кількісно утомленість матеріалів описують залежністю між накопиченими пошкодженнями та числом циклів або тривалістю навантаження за параметром рівня циклічних напружень. Накопичення циклічного пошкодження відображає деформативність матеріалу як макронеоднорідного, так і мікронеоднорідного середовища. Накопичення незворотних деформацій обумовлює появу макротріщин, що є заключним станом на першій стадії утомленого руйнування.

Кінетика зміни стану матеріалу на цій стадії виявляється:

• субмікроскопічно – у зміні щільності дислокацій та концентрації вакансій (див. розділ 3);

• мікроскопічно – в утворенні ліній ковзання, екструзій (виповзанні пачок атомних шарів з поверхні кристалу) та інтрузій (вузьких впадин у смугах ковзання) на вільній поверхні, залишкових мікронапружень;

• механічно – у зміні твердості, параметрів петлі пружно-пластичного гістерезису, циклічного модуля пружності, а також у зміні макрофізичних властивостей (акустичного опору, магнітного опору, електричного опору, густини тощо).

На другій стадії утомленого руйнування накопичення пошкоджень оцінюють швидкістю росту макротріщин та зменшенням статичної міцності відносно міцності непошкодженого матеріалу, в тому числі характеристиками в’язкості руйнування як критичних значень інтенсивності напружень біля краю тріщини.

При наявності концентрацій напружень утомлене руйнування визначається максимальними напруженнями, градієнтами їх розподілу вздовж перерізу та структурними неоднорідностями. Опір матеріалів утомленості зазвичай характеризують кривою утомленості – графічною залежністю між циклічним напруженням ( ) або деформацією ( ) та числом циклів ( ) до виникнення макротріщин або до остаточного руйнування, побудованих в логарифмічній шкалі (рис. 3.12). Залежно від особливостей матеріалу, температури випробування та фізико-хімічної активності середовища криві утомленості мають різний характер. Асимптотичний характер мають криві першого типу (рис. 3.12, а), які є властивими для матеріалів з більш стабільними структурами при більш низьких температурах. Характер кривої, яка неперервно знижується та має опуклість, спрямовану до початку координат (криві другого типу) (рис. 3.12, б), які є властивими для матеріалів з менш стабільними структурами та, відповідно, для умов більш високих температур і активних середовищ. Величина амплітуди напруженості, яка є асимптотою кривої утомленості першого типу або обмеженням (по числу циклів) кривої утомленості другого типу, представляє собою межу витривалості матеріалу.

Я кщо напруження не перевищують границі текучості, утомлена міцність пов’язана лише з мікропластичними деформаціями матеріалу, які не виявляються макроскопічно. При таких напруженнях для утомленого руйнування необхідні сотні тисяч та мільйони циклів – так звана багатоциклічна утомленість. Якщо ж напруження перевищують границю текучості, то утомлена міцність супроводжується макроскопічними пружно-пластичними деформаціями. Число циклів, необхідне для руйнування в цій області матеріалу, вимірюється сотнями та тисячами , це є так звана малоциклічна утомленість.

Утомлені руйнування зароджуються в області структурних недосконалостей, які розподіляються зазвичай випадково, внаслідок чого для характеристик утомленої міцності (чисел циклів, руйнуючих напружень) є характерним розсіяння, яке підпорядковується імовірнісним закономірностям.

Випробування на утомлену міцність проводять, здійснюючи механічно навантаження або циклічне акустичне навантаження. Для неруйнуючого та приблизного визначення границі витривалості використовують вимірювання зміни жорсткості в процесі випробування (наприклад, вимірювання прогину зразка), температури саморозігріву, електричного опору, властивості демпфірування та коефіцієнта термічного розширення робочої частини зразка як при стаціонарному навантаженні, так і при почерговому збільшенні амплітуди змінного навантаження. Кожна з цих характеристик відображає ефект непружності та незворотних змін матеріалу при його циклічному деформуванні.

Для того, щоб оцінити опір матеріалів розповсюдженню утомлених тріщин при циклічних випробуваннях, вимірюють протяжність та глибину тріщин методами дефектоскопії і будують криві, які відображають залежність швидкості росту тріщин від числа циклів. Дослідження на утомлену міцність проводять на машинах, які створюють циклічні навантаження в широкому діапазоні частот, напружень, температур та середовищ.

3 . Динамічна міцність є характеристикою опору матеріалу деформуванню або руйнуванню при динамічному навантаженні. Розрізняють динамічну міцність при багатократному циклічному навантаженні та динамічну міцність при однократному навантаженні. Динамічний опір матеріалу деформуванню при одноосному напруженому стані визначається кривою деформації, наприклад, для алюмінію (рис. 3.13), яка відповідає дещо більшим (порівняно із статичними) швидкостям росту деформацій або навантаження. На рис. 2.13 криві деформації відрізняються швидкістю деформування: 1 – при швидкості 10⁴ с^-1; 2 – при 10³ с^-1; 3 – при 10² с^-1 та 4 – при 10 с^-1.

Аналогічно короткочасній статичній міцності динамічна міцність характеризується динамічною границею текучості, границею міцності тощо.

В загальному випадку зміна опору деформації визначається зміною деформації в процесі випробування матеріалу. Отже, крива деформації (див. п.2.6.1) характеризує тільки той закон навантаження, який реалізується в процесі дослідження. Узагальнення експериментальних даних, отриманих при випробуваннях з різними законами навантаження, звичайно застосовують у вигляді зв’язку трьох таких змінних: напруженості , пластичної деформації та швидкості деформації . Тобто залежностями ( ), ( ) або ( ), які в тривимірному просторі зображуються відповідними поверхнями навантажень.

Загальний зв’язок напружень та деформації в лінійному в’язко-пружному матеріалі має вигляд диференціального рівняння:

,

яке використовується для опису складної реологічної поведінки багатьох матеріалів під навантаженням.

Характеристики міцності при збільшених швидкостях деформування отримують, використовуючи пневмо-гідравлічні пристрої. Дію ударів та вибухів використовують для деформування з дуже великими швидкостями. Якщо швидкість деформування є меншою за 10⁴ с^-1, криву деформації визначають в квазістатичних випробуваннях, які забезпечують однорідний напружений стан по всьому об’єму робочої частини зразка, при збереженні цієї швидкості. Вплив швидкості деформування є незначним для високої міцності матеріалів та збільшується із зменшенням їх міцності. Міцність при короткочасному (порядку 10^-3 с) динамічному навантаженні ударного характеру називають ударною міцністю.