2. Упругость материала

Детали конструкций работают на растяжение, сжатие, изгиб или кручение, при этом происходит деформация их материала.

Напряжение – мера внутренних сил, возникающих при деформации материала, численно представляющая собой отношение усилия P (растяжения или сжатия) к площади F поперечного сечения образца или детали:

.

Упругость – свойство материала восстанавливать свою форму и объем при прекращении внешних воздействий. Упругость это очень важная характеристика материалов, т.к. от нее зависит жесткость конструкции. Она обусловлена взаимодействием между атомами и молекулами и их тепловым движением. Плотность материалов определяет во многом значения других показателей, в том числе и их упругость.

Количественных характеристик упругих свойств материалов несколько; важнейшими из них являются модули Е упругости Юнга (модуль продольной упругости) и коэффициент Пуассона  (модуль поперечной упругости).

Модуль Юнга Е представляет собой меру жесткости материала и отражает сопротивляемость материала упругой деформации. Он практически не зависит от структуры материала и хорошо коррелируется с температурой его плавления. Жесткость конструкции повышается с увеличением модуля упругости.

Коэффициент Пуассона отражает соотношение между продольными и поперечными деформациями. Величина этого коэффициента для материалов находится в пределах 0,2…0,45, составляя для большинства металлов ~ 0,3.

Начальный участок диаграммы растяжения представляет собой прямую линию. Крутизна этого участка (отношение напряжения к деформации) является характеристикой металла - модулем упругости Юнга (модулем Е).

Модуль Юнга Е – отношение величины напряжения  к вызванной им относительной деформации  (рис.2.1):

.

Рис. 2.1. Изменение напряжения  в зависимости от относительного удлинения  материала

Относительное удлинение (сжатие)  испытываемого материала определяется по формуле:

^,

г

де l и l₀ – длины образца, соответственно, после растяжения и начальная.

Коэффициент Пуассона – относительное изменение поперечного размера тела d/d_о, деленное на относительное изменение его длины l /l_о:

Жесткость – способность материала к наименьшему изменению размеров и формы при заданной нагрузке. Чем больше жесткость материала образца, или детали, тем происходят меньшие изменения его формы и размеров при нагружении.

2.4. Ультразвуковой метод определения модуля упругости Юнга

Модуль упругости определяют по диаграмме растяжения образца, но это возможно и ультразвуковым методом.

Ультразвуковой метод основан на зависимости скорости распространения F_р ультразвуковых колебаний (частота выше 20 кГц) в материалах от их упругости Е и плотности ρ:

, м/с,

где Е- модуль упругости Юнга, ГПа;

ρ - плотность материала, кг/м³;

к- коэффициент взаимосвязи.

Челябинское научно- производственное предприятие «Интерприбор» выпускает большую номенклатуру малогабаритных приборов для неразрушающего контроля строительных материалов. В лабораторных работах №2…№5 используются некоторые из них: прибор определения прочности бетонов Оникс-2.51, измерители влажности ВИМС -2.1 и теплопроводности материалов МИТ-1, ультразвуковой прибор Пульсар -1.1, двухканальный гигрометр ТЕМП-3.2.1.

Достоинства этих приборов:

1. Применяются в качестве методов неразрушающего контроля.

2. Дисплей и управление процессом измерения у этих приборов построены по одинаковым принципам.

3. Приборами выполняется первичная обработка информации (определяются среднее значение и ошибка измерений), проводится накопление ее и возможна связь с компьютером.

4. Для повышения точности измерений в программу вводится название исследуемого материала, т.е. закладываются некоторые основные его характеристики.

5. Приборы определяют какую то физическую величину (стабилизация температуры, скорость,…), которая далее пересчитывается в характеристику материала (теплопроводность, прочность материала,…).

При использовании этих приборов сначала устанавливаются параметры:

- в пункте «режим работы» - поверхностное или сквозное прозвучивание;

-в пункте «материал» - вид испытываемого материала;

- в меню «калибровка» - измеряемый параметр: скорость ультразвука, плотность, прочность и др.;

- в подменю «коэффициенты характеристик» - задать (ранее определенные опытным путем) коэффициенты для пересчета зависимости «скорость распространения УЗК – измеряемый параметр».

Кроме этих электронных приборов в работах используются такие простейшие измерительные средства как весы рычажные и электронные, линейки и штангенциркули.

Характеристика ультразвукового прибора Пульсар 1.1

Прибор Пульсар 1.1 предназначен для определения времени и скорости распространения ультразвуковых волн (УЗВ) в твердых материалах при поверхностном, угловом и сквозном прозвучиваниях (рис 2.3).

Рис. 2.3. Схемы прозвучивания материалов

Основные области применения прибора Пульсар 1.1:

1. Определение прочности бетона (ГОСТ 17624-87).

2. Определение прочности кирпича и камней силикатных (ГОСТ 24332).

3. Поиск дефектов в бетонных сооружениях.

4. Определение глубины трещин.

5. Оценка пористости, трещиноватости и анизотропии композитных материалов.

6. Определение модуля упругости и плотности.

7. Контроль качества дорожных покрытий.

В меню прибора заложены основные виды контролируемых материалов:

- бетоны;

- кирпичи;

- абразивы;

- другие материалы, задаваемые пользователем.

Основные функции прибора:

1. Способы прозвучивания: сквозное и поверхностное (см. рис.2.3).

Рис. 2.4. Вид электронного блока: 1 – вход приемного преобразователя, 2 – выход излучающего преобразователя

2. Виды акустического контроля:

- сухой контакт с коническим титановыми наконечниками или полиуретановыми протекторами;

- с контактной смазкой полиуретановыми протекторами.

Ультразвуковой прибор обеспечивает измерение времени сквозного прохождения ультразвуковых колебаний через образец.

Образцы изготовляются или принимаются готовые изделия в виде стержня квадратного или круглого сечения. Требования к размерам образцов:

L  d; d > 0,34  ,

где L и d - длина и диаметр (ширина) образца, мм;

 - длина волны ультразвуковых колебаний, м.

Клавиатура прибора состоит из 9 клавиш (рис.2.4). Клавиша « » используется для включения и выключения прибора. Если измерения не выполняются, происходит автоматическое отключение прибора через заданное оператором время.

Клавиша «М» служит для перевода прибора из режима меню в режим измерения (measuring), а также для фиксации очередного результата в памяти (memory).

Клавиша «F» является функциональной и предназначена для:

• входа в главное меню из режима измерения;

• входа и выхода из пунктов главного меню и подменю.

Клавишами «», «» управляется курсор (мигающий знак, цифра и т.п.) в режиме установки параметров работы и осуществляется просмотр памяти результатов по номерам из режима измерения.

Клавиши «», «» предназначены для:

• выбора строки меню;

• просмотра памяти результатов по датам из режима измерения;

• установки числовых значений (кратковременное нажатие изменяет значение на единицу, а при удержании происходит непрерывное увеличение числа).

Клавишей «С» выполняется проверка на контрольных образцах, включение курсора при установке даты и времени, удаление результата непосредственно после его получения.

Клавиша « » (подсветка) включает/ выключает подсветку индикатора. Используется совместно с другими клавишами, т.е. при ее удерживании нажимается другая клавиша.

Модуль упругости материала определяется с использованием режима сквозного прозвучивания в следующей последовательности:

1. Включить прибор клавишей « ».

2. Измерить линейкой или штангенциркулем размер контролируемого образца материала (расстояние между излучателем и приемником) и ввести это значение через пункт главного меню База измерения.

3. В меню «Режим работы « указать «Сквозное прозвучивание».

4. В меню «Установки» указать число измерений в серии (например, 6). В этом случае после шести последовательных измерений прибор покажет среднее значение измеряемого параметра R, коэффициент вариации W и относительную ошибку измерений H.

5. В меню «Материал» указать клавишами «», «» материал (бетон, кирпич, абразив, разные), а клавишами «», «» состав или вид исследуемого материала.

6. В меню «Калибровка» указать «Коэффициенты характеристик» (см. пример для бетона тяжелого). При измерении модуля упругости необходимо задавать коэффициенты для пересчёта зависимости «скорость распространения – модуль упругости» в следующем виде:

,

где Е – модуль упругости;

V – скорость ультразвука, м/с;

 - объемный вес материала, г/см³;

 - коэффициент.

7. Установить датчики на контролируемый объект. В процессе измерений оператор прижимает усилием 5 …10 кг излучатель и приемник к контролируемому объекту до получения устойчивых показаний.

8. Убедиться в отсутствии грубых отклонений показаний от ожидаемого уровня и при стабильных показаниях нажать клавишу М, зафиксировав в памяти этим результат.

9. Снять датчик с объекта измерения, при этом показания на дисплее автоматически удерживаются до очередного прижатия.

10. Далее повторить измерения на других участках объекта, каждый раз фиксируя результат нажатием клавиши М, последний результат серии фиксируется клавишей М с выдачей среднего значения серии измерений R, ошибки измерения H и коэффициента вариации W. Выполняются 6 измерений, при этом датчики каждый раз переставляются.

Для получения более точного результата измерений рекомендуется удерживать датчик на объекте в течение 10… 30 секунд, наблюдая за сменой показаний и фиксируя результат по максимальной скорости ультразвука; разброс показаний вызван ненадежностью акустического контакта и неизбежными помехами, поэтому при измерениях датчик должен быть неподвижен.