2.10. Лабораторная работа № 18

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ И

РЕЛАКСАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ

ОПЫТ 1.Испытание на ползучесть

2.10.1. Цель работы:

1. Получение кривой ползучести в условиях кратковременной ползучести.

2. Определение скорости ползучести на участке установившейся ползучести.

2.10.2. Содержание работы.

Закон Гука, характеризующий линейное соотношение между напряжениями и деформациями в твердых телах, далеко не охватывает всех свойств, связанных с напряженно-деформированным их состоянием. Опыты показывают, что такое состояние твердого тела существенно зависит от времени. Эта зависимость для большинства металлов при сравнительно небольших деформациях и комнатной температуре сказывается слабо; для высокопластичных материалов(резина и пластмассы) эта зависимость является существенной уже при комнатной температуре. В нагруженном образце при постоянном напряжении деформация со временем продолжает изменяться (расти). У стали такое явление имеет место при повышенных температурах. Деформация, полученная в металлах таким образом, является пластической (необратимой).

Назовем ползучестью зависящее от времени изменение деформации. По исчерпании способности тела пластически деформироваться происходит его разрушение. Особенностью процесса ползучести металла является уменьшение его вязкости и способности к пластическому деформированию. В железных сплавах (чугун, сталь) ползучесть имеет место при температурах выше 300⁰С, у многих материалов (пластмассы, каучуки и другие материалы органического происхождения) она наблюдается при комнатной и более низкой температурах. Чем выше напряжение и температура испытания (службы), тем интенсивнее происходит ползучесть.

Кривые ползучести снимаются при заданных постоянных напряжениях и температуре и строятся в координатах “относительная деформация время” (рисунок 2.24).

Кривая имеет три участка: 1. Участок с постепенно уменьшающейся скоростью ползучести (неустановившаяся ползучесть). 2. Участок с постоянной (минимальной) скоростью ползучести (установившаяся ползучесть). 3. Участок с возрастающей скоростью ползучести, заканчивающейся разрушением.

Рисунок 2.24

Участок ОА представляет собой деформацию, полученную в момент нагружениия. Он соответствует кривой растяжения при обычных кратковременных испытаниях при данной температуре.

Пределом ползучести называется постоянное напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени при заданной температуре равна заданной величине, установленной техническими условиями.

Длительность службы многих механизмов, работающих в условиях ползучести, составляет 10-25 лет. За это время их детали не должны деформироваться больше величины, при которой нарушится исправная работа механизма. Такие длительные испытания проводятся редко, и нужные данные получаются путем экстраполирования второго участка кривой ползучести.

2.10.3. Установка для проведения опыта

Рисунок 2. 25

1- Образец

2,3 – Захваты верхний и нижний.

4 – Рычаги нагружения.

5 – Подвес для грузов.

6 – Станина.

7 – Регулировочное устройство.

8 – Индикатор для определения перемещений.

2.10.4. Порядок проведения опыта:

а) вставить образец 1 для испытаний и нагрузить соответствующей нагрузкой, зафиксировать показания индикатора ;

б) в течении 10 минут снимать показания по индикатору через каждую минуту.

2.10.5. Обработка опытных данных

Результаты измерений занести в таблицу журнала.

Далее определяется величина относительной продольной деформации

,

где К – передаточное отношение рычажной системы для определения перемещения;

l₀ - первоначальная длина образца.

Зная величину относительной продольной деформации , строят кривую ползучести (кратковременной ползучести).

На участке установившейся ползучести определяем ее скорость

в час.

где - приращение деформации за отрезок времени .

ОПЫТ 2. Релаксация напряжений.

1. Цель работы: изучение релаксации напряжений в материалах при растяжении, сжатии.

2. Содержание работы.

Если в деформированном теле зафиксировать его общую деформацию, то с течением времени усилия, а следовательно, и напряжения, удерживающие деформацию в теле, будут убывать.

Такое уменьшение называется релаксацией.

Явление релаксации присуще всем реальным телам. Для металлов при комнатной температуре оно выражено слабо и заметно при высоких температурах. У некоторых металлов (например, свинец, высокие полимеры) оно хорошо выражено и при комнатной температуре.

Приведем несколько основных положений теории релаксации для одноосного напряженного состояния. Примем между напряжениями и деформацией линейную дифференциальную зависимость в виде:

, (2.39)

где t – текущее время; E – мгновенный модуль упругости;

- безразмерная величина, характеризующая предельное падение напряжения при релаксации;

Т – время релаксации;

При =0 уравнение (2.39) представляет закон Гука, а при = 1- уравнение Максвелла:.

На основании (2.40) Максвелл (1967 г.) ввел понятие времени релаксации, т.е. времени, в течении которого напряжение уменьшается при постоянной деформации () в раз, поскольку закон релаксации в этом случае запишется:

(2.41)

где - напряжение в момент t= 0; = 2.718…. – основание натуральных логарифмов.

Уравнение (2.39) удобно записать в интегральной форме. Запишем (2.39) в виде

;

Интегрируя, получим

,

где С – постоянная интегрирования.

Интегрируя первый интеграл по частям и используя начальные данные: при t = 0; , получим:

. (2.42)

Пологая, что при t , из (2.42) получаем:

. (2.43)

Это соотношение дает закон релаксации, исходя из простейшей теории (2.39). Отсюда можно получить значение постоянных Т и , поскольку при из (2.43) находим:

; (2.44)

при t = T

(2.45)

где и - напряжения при t =T и t = соответственно.

Соотношение (2.43) удобно записать:

. (2.46)

Характер релаксации в древесине качественно следует закону (2.43); можно подобрать из опытов Т и так, чтобы кривая (2.46) прошла через большую часть экспериментальных точек. Однако полностью удовлетворить данным опыта этой формулой не удается. Этот недостаток – следствие линейной теории (2.39), в которой не отражены особенности явления релаксации вначале, когда имеет место быстрое падение напряжения.

Исходя из более точной нелинейной теории релаксации, соотношение (2.46) можно заменить формулой:

,

в которой отражена особенность в начале явления при t = 0 .

2.10.8. Установка для проведения опыта (рисунок 2.26)

Рисунок 2.26

1. Образец

2. Опорные плиты

3. Силовая рамка

4. Винты для нагружения

5. Тензодатчик сопротивления.

2.10.9. Порядок проведения опыта

Вставить образец 1 и винтами сжать его до определенного усилия, подключив для этого тензодатчики 5 в электроизмерительную схему. Показания тензодатчиков предварительно протарированы при испытаниях на растяжение силовой рамки 3.

Далее в течении 10 минут через каждую минуту снимать величину.

Д_i – показания электроизмерительного прибора, данные занести в таблицу журнала.

В ту же таблицу вносятся величины напряжений

,

где Д_i – показания прибора; К – цена деления шкалы прибора;

А – площадь поперечного сечения.

По данным опыта построить кривую релаксации напряжений (рисунок 2.27)

Рисунок 2.27

2.10.10. Контрольные вопросы

1. Дать объяснение явлению ползучести.

2. При каких условиях можно наблюдать релаксацию напряжений?

3. Как определить скорость ползучести?

4. Как получить кривую ползучести?

5. Как определить кривую релаксации напряжений?