Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология испытаний технических систем. Учебное пособие.pdf
4. Условия прове-
на опытном образце
Измерения при стендовых или эксплуатационных испыта-
Контроль измерений в процессе испытаний
5. Условия
Статические и динамические нагрузки.
Окончание табл. 3.3
Условия задачи Исходные сведения, необходимые для описания задачи
дения измерения
деформаций
деформации
материала
ниях.
Длительность проведения измерений.
Упругие или неупругие деформации.
Деформации при нормальной, повышенной или пониженной
температуре
Выбор метода определения деформации ε и напряжения σ зависит от
того, требуется ли измерения производить в отдельных точках и зонах
конструкции или же необходимо измерение по всему полю рассматриваемой конструкции. В первом случае объем измерений меньший, чем во
втором, и выбор самого метода зависит от того, должны ли проводиться
измерения на натурных конструкциях при стендовых или эксплуатационных испытаниях машин или на моделях в облегченных условиях.
Экспериментальному определению эксплуатационной нагруженности
конструкции должен предшествовать расчет. Расчетные методы, в принципе, более удобны, чем экспериментальные, и позволяют при известных
данных проводить для выбранной математической модели расчет ε и σ
при упругом и неупругом поведении конструкции. Однако при разработке
новых конструкций применение экспериментальных методов определения
нагруженности является необходимым, так как расчетные методы могут
быть недостаточны по следующим причинам:
1) действующие на конструкцию нагрузки могут быть известны
лишь приблизительно и определены недостаточно точно;
2) реальный материал рассматриваемой конструкции не в полной ме-
ре соответствует допущениям, принятым в теории расчета.
Для определения экспериментальным путем ε и σ конструкции
наиболее эффективны следующие методы:
‒ использование хрупких тензочувствительных покрытий, оптически
чувствительных покрытий, голографической интерферометрии;
‒ поляризационно-оптический метод;
‒ рентгеновская тензометрия, виброметрия;
‒ ультразвуковой метод.
Рассмотрим коротко каждый из этих методов.
21
Использование хрупких тензочувствительных покрытий.
На поверхность исследуемой детали наносят тонкий слой хрупкого
покрытия, в котором при приложении нагрузки получают такие же ε, как
и в самой детали (узле). Когда с увеличением нагрузки относительное
удлинение в какой-либо точке поверхности детали достигает определенного значения, то в связанной с ней точке покрытия возникает трещина.
По мере увеличения нагрузки трещины в покрытии распространяются от
более нагруженного к менее нагруженному месту.
Использование оптически чувствительных покрытий.
На поверхности исследуемой детали монолитно с ней закрепляется
тонкий слой покрытия из прозрачного оптически чувствительного материала, так что вызываемые после этого под действием нагрузки деформации в точках слоя и поверхности детали будут равны. Во время нагружения детали покрытие просвечивают поляризованным светом, который отражается от поверхности детали. Лучепреломление, получаемое при прохождении слоя в прямом и обратном направлениях, связано с возникающей в слое деформацией и может быть измерено с применением поляризационно-оптического прибора.
Голографическая интерферометрия, спекл-фотография, спекл-интерферометрия.
Основой высокоточных и бесконтактных оптических методов измерения полей перемещений при статических и динамических нагрузках
и определения по ним полей деформаций является использование лазеров.
Поляризационно-оптический метод.
Поляризационно-оптический метод исследования σ на прозрачных
моделях позволяет находить поля ε и σ при действии нагрузок. Модели
выполняются подобными по форме и нагрузке исследуемой детали и просвечиваются в полярископе. Метод основан на свойстве прозрачных материалов становиться двоякопреломляющими при создании в них деформаций. По напряжениям, измеряемым в упругой модели, по формулам подобия находят напряжения в натурной детали.
Тензометрия.
Измерения деформаций на поверхности деталей проводят с помощью
тензометров. Измеряемую величину находят по разности показателей, получаемых до и после приложения нагрузки. В связи с разнообразием за-
22
дач, условий измерений и требований к ним существует большое число
типов тензометров:
‒ механические;
‒ оптико-механические;
‒ пневматические;
‒ электрические;
‒ акустические;
‒ емкостные.
Рентгеновская тензометрия.
Метод позволяет определять макронапряжение деталей и основан на
явлении дифракции рентгеновских лучей. Область применения этого метода достаточно обширна:
‒ исследование характеристик остаточного напряженно деформиро-
ванного состояния (НДС);
‒ получение данных о распределении макронапряжений;
‒ определение остаточных напряжений.
Ультразвуковой метод.
Ультразвуковой метод контроля обладает тем преимуществом, что он
имеет гораздо более высокую чувствительность и достоверность показаний в процессе обнаружения дефектов в виде трещин, а также меньшую
стоимость и высокую безопасность в процессе использования по сравнению с классическими методами радиографического контроля. На сегодняшний день ультразвуковой контроль сварных соединений применяется
в 70‒80 % случаев.
Ультразвуковой контроль предусматривает довольно большое коли-
чество вариантов акустического исследования, однако наибольшую популярность получили:
‒ эхометод;
‒ теневой;
‒ зеркально-теневой;
‒ эхозеркальный;
‒ дельта-метод.
Также в промышленности широко применяется эхоимпульсный ме-
тод, благодаря которому диагностируется более 90 % всех дефектов.
23
Вид
Снятие
Главное
1. Использование
Статические,
пластические
При действии
Определение обще-
2. Голографиче-
метрия
Статические,
Дистанционное
Определение
3. Поляризаци-
Статические,
упругие
Дистанционное,
Определение объ-
состояний
4. Рентгеновская
тензометрия
Статические,
упругие
Не дистанционное
Определение остаточных напряжений
Деформации и напряжения, вызванные действием механических факторов, можно определить одним из следующих способов:
1) измерением на натурной конструкции в условиях эксплуатации;
2) измерением на физической модели;
3) расчетом на математической модели.
В первых двух случаях применяют экспериментальные методы
(табл. 3.4). Выбор экспериментального метода определения ε и σ, а также
средств измерения зависит от задачи и условий испытаний.
Таблица 3.4
Экспериментальные методы определения НДС
Метод
хрупких тензочувствительных
покрытий:
а) оптически чувствительных покрытий;
б) механических
и оптикомеханических
тензометров;
в) съемных тензометров;
г) электрических
тензометров
деформаций
динамические,
упругие.
Статические,
динамические.
Статические,
упругие,
пластические.
Статические,
упругие.
Статические,
динамические,
показателей
нагрузки или после
ее снятия.
Дистанционное.
Не дистанционное.
Не дистанционное.
Дистанционное
назначение метода
го распределения
напряжений на поверхности.
Определение σ
в отдельных зонах.
Определение механических материалов.
Наблюдение за состоянием конструкции.
Измерение на
натурных образцах
конструкции
ская интерферо-
онно-оптический
Путем измерения ε и σ от действующих нагрузок могут определяться
и другие величины: концентрации напряжений, остаточные напряжения,
перемещения и жесткость деталей и узлов машин, усилия в сечениях, вибрации, механические характеристики материалов.
динамические
динамические,
не дистанционное
24
полей ε и σ
емных напряженных
,65,5
00
Fl =
00
82,2 Fl =
пр
σ
0
F
P
σ
пр
пр
=
4. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Статические испытания предназначены для определения механических свойств материалов и конструкций, исследования закономерностей
деформирования и разрушения материалов. В связи с большим количеством видов и типов статических испытаний существует обширный класс
испытательных машин и стендов, в силовых схемах которых используют
механический привод, гидравлическое нагружение, электромагнитное
и вибрационное возбуждение.
Рассмотрим основные виды статических испытаний.
4.1. ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ
Методы статических испытаний на растяжение металлов и изделий из
них для определения характеристик механических свойств при температуре 20 оС устанавливает стандарт, в котором указываются места вырезки
заготовок для образцов, их количество, направление продольной оси образца, величины припусков и т. д. Для испытаний применяют цилиндрические или плоские образцы диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм с начальной расчетной длиной
где F0 – начальная площадь сечения образца.
Литые образцы и образцы из хрупких материалов допускается изготавливать с начальной расчетной длиной
.
Для плоских образцов соотношение между шириной и толщиной
в рабочей части не должно превышать 8:1. При испытаниях на растяжение
определяют следующие механические характеристики:
а) предел пропорциональности
торого материал следует закону Гука:
– наибольшее напряжение, до ко-
,
25
уп
σ
0
F
P
σ
уп
уп
=
тек
σ
0
F
P
σ
тек
тек
=
где Рпр – нагрузка, соответ-
Р
∆l
Р
0,0005l0 ∆l
0
Р
Рпр
уп
ствующая линейному участку
зависимости Р = Р(∆
σ
– предел пропорциональ-
пр
l);
ности;
б) предел упругости
– наибольшее напряжение, до которого мате-
риал не получает остаточных деформаций:
,
где Руп – величина нагрузки, соответствующая остаточному удлинению
образца на величину 0,0005l0;
в) предел текучести
нагрузки Р
, при которой происходит удлинение образца без заметного
тек
изменения самой нагрузки, т. е. появляется так называемая площадка текучести на диаграмме растяжения.
Р
тек
0
– напряжение, соответствующее появлению
.
26
0
max
F
P
σ
в
=
Р
0
В тех случаях, когда на диаграмме растяжения отсутствует явно выраженная площадка текучести (или явно выраженный переходной эффект), за предел текучести принимается условно величина напряжения,
при котором остаточная деформация образца ε
= 0,002 (или 0,2 %). При
ост
этом скорость нагружения образца должна быть от 1 до 30 МПа/с;
г) временное сопротивление (или предел прочности) σв. Образец растягивают под действием плавно возрастающей нагрузки до его разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца Р
max
соответствует временному сопротивлению:
.
max
,
д) модуль упругости Е первого рода – это физическая константа
материала, определяемая по диаграмме растяжения и являющаяся
коэффициентом пропорциональности между ε и σ:
σ = Е ⋅ ε,
где Е – модуль упругости.
Так как Е = tg β, то по углу наклона этой прямой можно определить
модуль упругости материала. Для различных материалов значения модуля Е будут следующими:
Алмаз .................. 120⋅104
Сталь .................. 20⋅104
Чугун .................. 5⋅10
4
Бетон .................. 20⋅103
Резина ................ 102
27
%,100
0
01
⋅
−
=
l
ll
δ
const
0
0
=
F
l
Р Р Р
Р
Кроме перечисленных характеристик прочности, при испытаниях на
растяжение также определяют характеристики пластичности:
‒ относительное удлинение после разрыва δ;
‒ относительное сужение после разрыва ψ;
‒ удельную работу деформации образца до разрушения w.
Под относительным удлинением после разрыва понимают отношение
приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине:
где l1 – конечная длина образца;
l0 – начальная длина образца.
Внешний вид образцов после растяжения с равномерным удлинением
(рис. 4.1):
Рис. 4.1. Внешний вид образцов после растяжения
На основе законов подобия значения относительного удлинения
после разрыва образцов с различным поперечным сечением сравнимы,
если соотношение между исходной длиной образца l0 и поперечным сечением образца F0 является величиной постоянной, т. е.
.
С учетом этого положения установлены размеры образцов, применяемых для испытаний металлических материалов. Относительное удлине-
ние после разрыва длинного образца обозначается δ10, его длина l0 = 10d0.
28
%.100
0
10
⋅
−
=
F
FF
q
%,100ψ
0
0
⋅
−
=
F
FF
p
%1001
2
0
⋅
−=ψ
d
d
p
%1001 ⋅
′′
−=ψ
ab
ba
.
2
1
σ⋅ε=W
а’
а
в
в’
Для короткого образца относительное удлинение обозначается δ5, его
длина l0 = 5d0, где d0 – исходный диаметр цилиндрического образца.
Между обоими показателями имеет место следующее соотношение:
δ5 = (1,2–1,5) δ10.
Во время испытаний на растяжение происходит также изменение по-
перечного сечения:
При этом определяется относительное сужение ψ после разрыва об-
разца:
где Fp – поперечное сечение образца в месте разрыва.
Для круглых образцов
.
Для прямоугольных образцов
.
По кривой «напряжение – деформация» можно также определить
и удельную работу деформации образца:
29
0
σ
F
P
сж
=
Все эти характеристики прочности, получаемые при испытаниях на
растяжение, играют существенную роль при определении геометрических
размеров нагруженных элементов несущих конструкций. Так, модуль
упругости определяет жесткость и геометрическую устойчивость деталей
и механизмов. Для предотвращения выхода их из строя необходимо,
чтобы действующие в конструкции напряжения были ниже предела
текучести. Определение этой величины может также найти применение
при выборе коэффициентов запаса, используемых в расчетах прочности.
Для проведения испытаний на растяжение образец закрепляют в захватах испытательной машины и растягивают до разрыва, измеряя нагрузку и удлинение образца. Один из захватов непосредственно связан с динамометром, а другой – с движущейся траверсой. Для измерения удлинения
служит индуктивный или емкостный датчик, который устанавливают
непосредственно на испытываемом образце. Запись диаграммы «нагрузка – удлинение» производят с помощью двухкоординатного самописца.
Обычно испытательные машины с нагрузкой до 105 Н имеют механический привод, а с нагрузкой свыше 105 Н – гидравлический.
4.2. ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ
Испытание на сжатие, при котором изучают поведение материалов
при одноосном сжатии, можно рассматривать как обратное испытанию на
растяжение. Испытание на сжатие имеет наибольшее значение для строительных материалов, таких как камень, кирпич, бетон, древесина. Оно
находит также применение для металлических и полимерных материалов.
При испытании на сжатие образец с поперечным сечением F0 подвергают
сжатию и при этом измеряют соответствующую нагрузку Р. Для определения напряжения сжатия нагрузку Р относят к площади начального сечения F0:
[Н/мм2].
На рис. 4.2 представлены кривые «напряжение – относительное укорочение» при одноосном сжатии для различных материалов.
30