Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология испытаний технических систем. Учебное пособие.pdf
%,100
0
0
⋅
−
=ε
l
ll
сж
0
σ
F
Р
в
в
сж
=
0
50
σ
F
Р
в
сж
=
0
σ
F
Р
тек
тек
сж
=
0 10 20 30 40 εсж, %
1
2
3
4
1 – чугун;
σсж[Н/мм2]
1500
1000
500
Рис. 4.2. Кривые «напряжение – относительное укорочение»
Относительное укорочение образца
2 – сталь;
3 – цинк;
4 – свинец
где l0 – начальная высота образца;
l – высота после сжатия.
Временное сопротивление при сжатии образца определяют по формуле
[Н/мм2],
где Рв – нагрузка, которую измеряют при появлении первой трещины или
при разрушении.
Если трещина на образце не образуется, то испытания проводят до
общего относительного сжатия εсж = 50 %. Тогда для временного сопротивления при сжатии получим:
[Н/мм2].
Предел текучести при сжатии, соответствующий пределу текучести
при растяжении, равен
[Н/мм2],
31
Р
Рис. 4.3. Схема проведения испытаний
где Р
– нагрузка, под действием которой на кривой «напряжение – от-
тек
носительное укорочение» при сжатии появляется отклонение от прямолинейной зависимости.
При испытании на сжатие применяют или те же испытательные машины, что и на растяжение, или специальные прессы. Находят применение прессы с механическим приводом и с гидравлическим приводом.
Схема проведения таких испытаний показана на рис. 4.3.
Диаметр применяемых цилиндрических образцов зависит от размеров
материалов и обычно составляет от 10 до 30 мм. Для предварительных
результатов используют образцы высотой, равной диаметру. Для более
точных измерений применяют образцы высотой h0 = ( 2,5‒3,0)d0. Металлические образцы должны быть со всех сторон обточены или отшлифованы.
Важно, чтобы их торцы были точно параллельны и перпендикулярны оси
образца.
4.3. ИСПЫТАНИЯ НА ИЗГИБ
Испытание на изгиб находит применение для исследования хрупких
материалов, например чугуна, инструментальной стали или керамики.
Особенное значение имеет испытание на изгиб для полимерных материалов, так как для них согласно специфическим свойствам преобладают изгибающие напряжения.
При изгибе образца с симметричным поперечным сечением, как показано на рис. 4.4, в одной из наружных зон возникают растягивающие,
а в противоположной – сжимающие напряжения. Напряжения увеличива-
32
J
lM
zк
z
⋅
=σ
J
lM
dк
d
⋅
=σ
l
s
P
P
m m n
σ
Рис. 4.4. Распределение напряжений в сечении образца при изгибе:
М
σ
ld l
z
1
2
1
М
3
ются по мере удаления в обе стороны от нейтральной оси, так что самые
высокие их значения приходятся на наружные зоны.
d
к
1 – пластическая деформация; 2 – упругая деформация;
3 – нейтральная ось
В упругой области 2 напряжения в поперечном сечении образца рас-
пределяются по линейному закону:
;
,
к
где Мк – изгибающий момент;
J – момент инерции.
Характеристики прочности и пластичности при изгибе определяют
двумя способами:
1) при трехточечном изгибе – а;
2) при четырехточечном изгибе – б.
а б
33
4
max
s
k
lPM⋅
=
W
lP
s
4
max
⋅
=σ
l
J
W =
EJ
lP
f
s
48
3
⋅
=
%100
⋅
=ϕ
s
l
f
W
mP ⋅
=σ
max
При трехточечном изгибе (а) наибольший изгибающий момент возникает под влиянием силы Р в середине образца:
,
где ls – расстояние между опорами.
При этом максимальное напряжение
где
– момент сопротивления.
,
В точке приложения нагрузки появляется наибольший упругий про-
гиб, равный
, где Е – модуль упругости материала.
Прочностной характеристикой, соответствующей этому прогибу, является условное временное сопротивление при изгибе σв. В случае четко
выраженной площадки текучести определяют условный предел текучести
при изгибе σ
. Если отнести величину прогиба к расстоянию между опо-
тек
рами ls, то получим относительную стрелу прогиба при изгибе ϕ:
.
При четырехточечном изгибе (б) действующая на образец при испы-
таниях нагрузка Р приложена в двух местах на расстоянии m от опор. При
таком нагружении между точками приложения нагрузки не возникает
усилий среза. Изгибающий момент между точками приложения нагрузки
постоянен, т. е.
М
к max =
Р ⋅ m.
Максимальные напряжения между точками приложения нагрузки
равны:
.
34
Образец №
Длина, мм
Ширина, мм
Толщина, мм
80
10 ± 0,5
γ
ϑ
l
L P P
d
ψ
Рис. 4.5. Схема проведения испытаний
При четырехточечном изгибе, в отличие от трехточечного, вследствие
постоянства изгибающего момента между точками приложения нагрузки
создаются условия, при которых получаемые результаты испытаний правильно характеризуют материал и не зависят от возможных неоднородностей образца.
Для испытаний на изгиб применяют цилиндрические или призмати-
ческие образцы (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Размеры образцов для испытаний полимерных материалов
1
2
15 ± 1
10 ± 0,5
4 ± 0,2
1,5–4,2
Образцы кладут на гладкие цилиндрические опоры и равномерно
нагружают в соответствии с выбранной схемой испытаний с помощью пуансона. Перед началом испытаний точно устанавливают расстояние между опорами (для цилиндрических образцов L0 = 20d0 , где d0 – наружный
диаметр образца).
4.4. ИСПЫТАНИЯ НА КРУЧЕНИЕ
Испытание на кручение имеет второстепенное значение. Оно введено
для оценки материалов валов или проволоки, а также для определения
прочности и пластичности твердых сталей. Схема проведения испытаний
приведена на рис. 4.5.
35
W
M
кр
=τ
max
2
max
16dM
кр
π
=τ
d
Lγ=ϕ2
Gd
Lτ=ϕ2
4
32
d
LM
кр
π
=ϕ
При проведении таких испытаний один конец образца закрепляют
неподвижно, а к другому концу прикладывают пару сил в плоскости, перпендикулярной к оси образца, так что возникает крутящий момент, равный
М
= Р⋅ d ,
кр
где Р – действующая сила;
d – диаметр образца.
При кручении все поперечные сечения образца сдвигаются (поворачиваются) вокруг общей оси по отношению к закрепленному сечению.
Сдвиг, происходящий в двух соседних поперечных сечениях, определяет-
ся углом кручения ψ и пропорционален расстоянию L между этими плоскостями. Под углом относительного поворота ϑ при этом понимают угол
кручения двух сечений, находящихся на расстоянии l. Условный угол
сдвига γ представляет собой угол, создающий винтовую линию с образующей цилиндра. Наибольшие напряжения возникают в поперечных зонах
и равны
,
где W – момент сопротивления.
Для образцов с круглым поперечным сечением
.
Для того чтобы определить угол сдвига при кручении, измеряют взаимное скручивание двух поперечных сечений. Между углом сдвига и углом скручивания для двух поверхностей на расстоянии L справедливо соотношение
В соответствии с законом Гука для касательного напряжения при
сдвиге τ = Gγ, тогда
или
36
.
.
σ, МПа
10 10
2 103
10
4
τ, ч
Самым простым способом измерения угла закручивания является измерение взаимного поворота двух зажатых головок образца. Для определения угла закручивания в момент разрушения можно на его поверхности
нанести линию, параллельную оси образца, и измерить изменение ее при
соединении обеих половинок образца после разрушения.
Для проведения испытаний на кручение в основном применяют цилиндрические образцы, расчетная длина которых составляет l0 = 10d0.
4.5. ИСПЫТАНИЯ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ И ПОЛЗУЧЕСТЬ
Для улучшения рабочих параметров конструкций предъявляют осо-
бые требования к материалам, в том числе к их способности сопротивляться разрушению при длительном статическом нагружении. Поэтому
большое практическое значение имеют методы определения характеристик длительной прочности материалов, из которых изготавливают высокотемпературные детали конструкций.
Длительные испытания служат для изучения поведения материалов
при постоянном нагружении в зависимости от температуры и времени.
Характеристики длительной прочности определяют по диаграммам длительной прочности, представляющим зависимость времени до разрушения
образцов τ от напряжения σ (рис. 4.6).
200
150
100
Рис. 4.6. Кривая длительной прочности стали при Т = 800 К
37
Полимеры
Высокотемпературные материалы
300
1050
Характер диаграмм длительной прочности зависит от структуры ма-
териалов. Если материал обладает высокой структурной стабильностью
в данном интервале температур, то диаграмма длительной прочности в логарифмических координатах аппроксимируется прямой линией. Переломы
на диаграмме соответствуют изменению характера разрушения. До точки
перелома образец характеризуется вязкостью, а после этой точки пластические деформации становятся незначительными и разрушению предшествует образование многочисленных трещин. В результате их роста и слияния происходит разрушение образца.
При длительных испытаниях деформация образца происходит в результате постоянного нагружения, которое осуществляется с помощью
подвешенных грузов или рычажного нагружения. При этом вследствие
процессов ползучести, возникающих в зависимости от времени нагружения, деформация образцов увеличивается. Значения температур для длительных испытаний различных материалов представлены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Значения температур длительных испытаний
Тип материала Температура, К
Нелегированные стали
Низколегированные стали
Высоколегированные стали
до 650
800
920
При длительных испытаниях определяют следующие показатели:
1) предел ограниченной длительной прочности при данной темпера-
туре – это величина постоянной нагрузки, вызывающая разрушение образца через определенное время, отнесенная к его начальному сечению;
2) предел ползучести – это напряжение, которое вызывает определен-
ную величину деформации за установленное время испытаний;
3) предел скорости ползучести – это напряжение, которое за опреде-
ленное время вызывает определенную скорость ползучести;
4) удлинение после разрушения при длительных испытаниях.
Основной задачей при определении характеристик длительной прочности материалов является, как уже отмечалось, построение диаграмм
«напряжение – время испытаний» на больших базах (до 100 тыс. ч) на ос-
38
Средняя ошибка (%) при базе 100 тыс. ч
1000
2000
5000
10 000
Ферритно-перлитные стали
73
45
28
24
Аустенитные стали
47
44
19
13
нове результатов относительно кратковременных испытаний (менее
10 тыс. ч) или замены длительных испытаний менее длительными, проводимыми при более высокой температуре.
Первый способ ускоренного определения характеристик длительной
прочности связан с экстраполяцией результатов кратковременных испытаний на большие базы. Все известные методы экстраполяции классифицируются по двум основным признакам: по типу экстраполяционных
уравнений и способу их реализации. Однако все способы экстраполяции
обеспечивают достоверные результаты лишь в определенных, достаточно
ограниченных, температурных интервалах, и вне этих интервалов большинство методов экстраполяции дает значительные погрешности.
Второй способ ускоренного определения характеристик длительной
прочности связан с форсированием режимов испытаний по температуре.
Он основан на том, что при более высоких температурах и большей продолжительности испытаний происходят структурные изменения, присущие данному материалу, которые в конечном итоге приводят к процессу
его разрушения.
Значительное влияние на достоверность характеристик длительной
прочности материалов оказывает продолжительность испытаний. Зависимость точности определения экстраполированного предела прочности от
продолжительности испытаний приведена в табл. 4.3, из которой видно,
что по мере увеличения базы испытания уменьшается ошибка в определении предела длительной прочности. Ограничение длительности испытаний в 1000 ч при экстраполяции до 100 тыс. ч приводит к значительным
погрешностям. Также установлено, что на точность экстраполяции существенное влияние оказывает количество испытанных образцов. Например,
при уменьшении количества образцов с 60 до 6 точность экстраполяции
для перлитных и аустенитных сталей снизилась более чем в 10 раз. Поэтому экстраполяцию предлагается проводить на 100 тыс. ч при испытаниях не менее 20–30 образцов.
Таблица 4.3
Зависимость точности определения экстраполированного предела прочности
Материал
от продолжительности испытаний
и длительности испытаний (ч)
39
Минерал
Твердость по Моосу
Тальк
1
Гипс
2
Известковый шпат
3
Плавиковый шпат
4
Апатит
5
Полевой шпат
6
Кварц
7
Топаз
8
Корунд
9
Алмаз
10
Техника исследования длительной прочности сталей и сплавов доста-
точно отработана и широко применяется в промышленности. Формы
и размеры образцов, стенды, порядок испытаний и методика обработки
опытных данных регламентированы ГОСТ 10145–86. Для испытаний
применяются различные испытательные машины, например АИМА-5-1
отечественного производства и «Инстрон» зарубежного производства.
4.6. ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ
В технике понятие «твердость» определяют как сопротивление, ока-
зываемое телом при внедрении в него другого, более твердого, тела. Герц
пытался дать понятию «твердость» физически более точный смысл и
определил её как предельную нагрузку, которая ещё не вызывает остаточной деформации материала.
Испытание на твердость относится к наиболее часто используемым
методам механических испытаний материалов, поскольку требуются относительно небольшие затраты. Первая шкала твердости была составлена
Моосом в 1822 году:
Измерение твердости по Моосу ещё и сегодня широко применяется
в минералогии. Однако для измерения твердости металлов этот способ не
подходит, потому что разрыв между отдельными ступенями твердости относительно велик и неравномерен.
40