Учебники 80376

которое образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Помимо рассмотренных статических, динамических и усталостных, различают еще две большие специфические группы испытаний. Первая из них - испытания на твердость, в которых оценивают различные характеристики сопротивления деформации или, реже, разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии их с другим телом – индентором. Большинство испытаний на твердость статические.

Вторая группа - испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. Образцы здесь в течение всего испытания находятся под постоянным напряжением или нагрузкой. При испытании на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени при разных напряжениях в образце, а при испытании на длительную прочность оценивают время до разрушения под действием различных напряжений.

Как видно, методы проведения испытаний весьма разнообразны. К тому же они проводятся при разных температурах, начиная от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в разных средах и т. д. Все это вполне естественно, ибо отражает разнообразие условий эксплуатации и обработки металлов и сплавов, которые в конечном итоге пытаются моделировать испытаниями.

Большинство характеристик механических свойств конструкционных материалов не является их физическими константами. Они в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Поэтому необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний, так чтобы эти результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а не влияние условий испытания, и могли войти в справочники. Условия, обеспечивающие такое

151

лютных температур испытания и плавления Тисп/Тпл (в градусах Кельвина).

Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа, кроме соблюдения трех перечисленных условий подобия, большое значение имеет методика изготовления образцов для испытания. Способ изготовления образца должен быть таким, чтобы в последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей детали.

Структура реальных металлов и сплавов и распределение ее дефектов неодинаковы даже в пределах одного образца. Поэтому механические свойства, определяемые структурой и дефектами, строго говоря, различны для разных объемов одного образца. В результате те характеристики механических свойств, которые мы должны оценивать при испытаниях, являются среднестатистическими величинами, дающими суммарную, математически наиболее вероятную характеристику всего объема образца, который принимает участие в испытании. Даже при абсолютно точном замере механических свойств они будут неодинаковы у разных образцов из одного и того же материала. Инструментальные ошибки определения характеристик свойств, связанные с измерением нагрузок, деформаций, размеров и т. д., еще более увеличивают разброс экспериментальных результатов. Поэтому механические испытания требуют статистической обработки результатов, т.е. оценки среднего значения свойств и ошибки в определении этого среднего, а также выбора минимально необходимого числа образцов (или замеров) для оценки среднего значения с заданной точностью. Эти задачи являются стандартными для статистической обработки результатов любых измерений.

4.2. Методы определения упругих свойств

Упругие свойства часто называют константами потому, что они подобно физическим и в отличие от большинства механических свойств не зависят от метода определения, а являются

153

постоянными для данного материала и определенных внешних условий.

Упругая деформация в твердом теле развивается с очень большой скоростью, соответствующей скорости распространения звука в данном материале. Для стали, например, эта скорость составляет ~ 5000, для меди 3670, для свинца 1320 м/с, что значительно выше скоростей деформирования не только при статическом, но и динамическом нагружении. Поэтому величина упругих констант не должна зависеть от скорости нагружения, и они могут определяться по результатам любых испытаний.

Некоторые упругие свойства могут быть определены с помощью стандартных статических испытаний. Так, по результатам испытаний на одноосное растяжение оценивают модуль Юнга Е, на кручение – модуль сдвига G. Однако чаще модули упругости измеряют с использованием специальных динамических методов, отличающихся более высокой точностью, а коэффициент Пуассона находят по результатам рентгеноструктурного анализа, определяя период решетки уп- руго-напряженного образца вдоль и поперек направления деформации. Повышенная точность динамических методов определения модулей упругости объясняется возможностью измерений при малых деформациях, когда явления неупругости (см. следующий раздел) еще пренебрежимо малы. Эти явления могут вызывать также завышение экспериментально определяемых значений коэффициента Пуассона. Последний у металлов обычно заметно увеличивается при повышении уровня напряжений, создающих измеряемые продольную и поперечную деформации. Чем ниже используемое в эксперименте напряжение, тем ближе коэффициент Пуассона к 0,25.

Особенно хорошо разработаны динамические методы определения модуля сдвига G и модуля нормальной упругости Е. Все динамические методы базируются на том, что частота колебаний исследуемого образца (резонансные методы) или ско-

154

4.3. Испытания на растяжение

Испытание на одноосное растяжение является основным источником информации о характеристиках прочности и пластичности конструкционных материалов. При этом используют как цилиндрические, так и плоские образцы (рис. 4.3), головки которых вставляют в захваты разрывной машины, но чаще всего - цилиндрические образцы (их называют также круглыми). Плоские образцы применяют главным образом для оценки свойств листового материала.

Цилиндрический образец характеризуется диаметром рабочей части do, длиной рабочей части l, начальной расчетной длиной lо. Расчетную длину lо, которая меньше l, выбирают так, чтобы исключить влияние головок образца на результаты испытаний.

Размеры образца не влияют на результат определения относительного удлинения после разрыва, если соблюдается условие геометрического подобия образцов: lо/Fo = const, где Fо - площадь поперечного сечения в рабочей части образца. В со-

ответствии с ГОСТом lо = 11,3 F0 и lо = 5,65 F0 , т. е. соот-

ветственно lо = 10d0 и lо = 5do (так называемые десятикратные и пятикратные образцы). Для литых сплавов допускается lо =

2,82 F0 , т. е. lо = 2,5d0 .

Образцы вытачивают из заготовок, вырезанных из тех участков изделия, свойства которых контролируются. Наиболее часто используют небольшие гагаринские образцы с do = 6 и lо = 30 мм. При определении свойств в тонких сечениях изделий в порядке исключения применяют микрообразцы с do <

l мм.

В случае литых деталей важно знать влияние литейной корки (поверхностного слоя отливки) на механические свойства. Для этого испытывают отдельно отлитые в песчаную форму или в кокиль, а также прилитые к детали образцы.

157

формации) от абсолютного удлинения l (рис. 4.4). Кривые Р -

l называют первичными диаграммами растяжения или про-

сто кривыми растяжения. На рис. 4.4 приведены четыре типа кривых растяжения. Тип I - образование ярко выраженной шейки перед разрывом. Тип II отличается от типа I наличием зуба и площадки текучести (или только площадки текучести). Тип III - равномерное удлинение без образования ярко выраженной шейки при пластической деформации вплоть до разрушения. Тип IV — хрупкое разрушение.

По определенным точкам на кривой растяжения рассчитывают стандартные характеристики сопротивления материала деформации и разрушению, причем выражают их через условные растягивающие напряжения P / F0 (в мегапас-

калях). Эти напряжения условны в том смысле, что нагрузку делят не на истинную площадь поперечного сечения образца в тот момент, когда действует нагрузка Р, а на начальную площадь поперечного сечения F0. Кривые Р - l одновременно являются и кривыми - l, только с другим масштабом по оси ординат.

Рассмотрим механические параметры конструкционных материалов, определяемые в испытаниях на растяжение, с помощью схемы на рис. 4.5 (кривая растяжения I типа). Разрушенный образец показан на рис. 4.6.

Предел пропорциональности пц Рпц / F0 - это макси-

мальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука. Нагрузка Рпц соответствует точке п перехода от прямолинейного к криволинейному участку на диаграмме растяжения. Так как такой переход очень плавный, то определяют условный предел пропорциональности, соответствующий точке, в которой отклонение от линейного закона изменения нагрузки достигает заданной величины: тангенс угла наклона касательной в этой точке на 50 % больше, чем на начальном прямолинейном участке.

159