Методы механических испытаний при приложении статических нагрузок

При статических испытаниях для определения характеристик прочно­сти и пластичности образец исследуемого материала подвергают действию постоянной или медленно и плавно повышающейся нагрузкой.

1 Испытания на растяжение. Гладкий ненадрезанный образец растягива­ют в испытательной машине в направлении оси образца до разрыва, а зави­симость между растягивающей силой и изменением длины регистрируют в виде диаграммы нагрузка - абсолютное удлинение. Определяют: модуль Юнга (Е), предел пропорциональности (σ_пц), предел упругости (σ_0,05),предел текучести физический (σ_т). предел текучести условный (σ_0,2), предел прочности (σ_в), относительное удлинение (δ), относительное сужение (ψ).

2 Испытания на сжатие. Это испытание, 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 натуральный камень, кирпич, бетон, древесина, а также находит применение для металлических и полимерных материалов. При испытании на сжатие образец с поперечным сечением F₀ подвергают сжатию и измеряют при этом соответствующую нагрузку P. Напряжения сжатия: σ_cж=р/F₀. В качестве характеристик пластичности при сжатииможно определять относительное укорочение, и относительное уширение.

3 Испытание на изгиб. Испытание на изгиб находит применение для исследования сравни­тельно хрупких материалов, например чугунов с пластинчатым графитом, инструментальной стали или керамики. Особенное значение имеет испыта­ние на изгиб для полимерных материалов. При изгибе образца с симмет­ричным поперечным сечением, в одной из наружных зон возникают растя­гивающие, а в противоположной - сжимающие напряжения. Напряжения увеличиваются по мере удаления в обе стороны от нейтральной оси. Если напряжения при этом достигают предела текучести, наступает пластическое течение. В упругой области напряжения в поперечном сечении образца распределяются по линейному закону и максимальное значение напряже­ний выражается как: σ_max =M_max/ω. ω- момент сопротивления изгибу, М_тах - крутящий момент.

4 Испытание на сдвиг (кручение). При кручении все поперечные сечения образца сдвигаются (поворачи­ваются) вокруг общей оси по отношению к закрепленному сечению. Этот сдвиг увеличивается с увеличением расстояния от места закрепления, при­чем линии, параллельные оси образца, переходят в винтовые. Сдвиг, проис­ходящий в двух соседних поперечных сечениях определяется углом круче­ния. Самым простым способом измерения угла закручивания является из­мерение взаимного поворота двух зажатых головок образца. Для проведе­ния испытания на кручение применяют в первую очередь цилиндрические образцы.

5 Испытание на срез При испытании на срез образец нагружают двумя силами Р, которые действуют в одной плоскости. Фактически возникает пара сил с плечом а, т. е. при этих испытаниях возникают дополнительные изгибающие напряже­ния. На практике чаще всего проводят испытание на двойной срез.Так как при испытании на срез не достигают определенного напряжен­ного состояния, устанавливают только максимальную силу Р_тах, необхо­димую для среза, исходя из которой рассчитывают сопротивление срезу при испытании на двойной срез: τ_ср = Р_пшх /(2F_o). Испытание на срез имеет практическое значение при оценке сталей для заклепок или, например, для определения размеров ножниц.

4,5. Методы механических испытаний при приложении цикличе­ских и ударных нагрузок.

На многие детали машин и элементы конструкций действуют динами­ческие нагрузки в режиме колебаний, т.е. повторно-переменные нагрузки разного вида. Подобное нагружение может привести к тому, что после оп­ределенного числа циклов нагруження происходит разрушение, хотя номи­нальные напряжения в детали не превышали статического предела упруго­сти. Это явление часто называют усталостью, а вызванное им разрушение -усталостным. Сопротивление, материала или детали процессу накопления повреждений при циклическом нагружении определяется пределом вынос­ливости. Уже в середине прошлого столетия Велер разработал методику испытаний на усталость, которая находит применение (испытания по Веле-ру) до настоящего времени..Испытания на усталость проводят при синусоидальном циклическом нагружении. Процесс нагружения характеризуют следующие показатели:

- максимальное напряжение цикла σ_max - наибольшее по алгебраиче­ской сумме величина напряжений;

- минимальное напряжение цикла σ_min - наименьшая по алгебраической сумме величина;

- среднее напряжение σ_т =(σ_max.+ σ_min)/2;

- амплитуда напряжения цикла σ_а =(σ_max.- σ_min)/2

- коэффициент асимметрии R_a=. σ_max/ σ_min

Если минимальное и максимальные напряжения цикла не равны по ве­личине, то он называется асимметричным.

Если напряжения меняются по величине и знаку, то цикл считается симметричным,
если только по величине - знакопостоян­ным. Чаще используют симметричный знакопеременный.

Характеристикой усталостной прочности материала является предел выносливости σ_R. Это значение напряжения, которое

образец выдерживает без разрушения или без недопустимой деформации в течение сколь угодно длительного нагружения или, по меньшей мере, в течение заранее установленного числа циклов - так называемой базы испытания (10⁸).

Для определения предела выносливости проводят серию испытаний при нагружении с различными нагрузками. При этом среднее напряжение цикла σ_m или минимальное напряжение цикла σ_min поддерживаются постоянными, в то время как амплитуда напряжения а_a или максимальное напряжение цикла a_max последовательно понижаются так, чтобы по результатам испытаний можно было установить предел выносливости. По результатам испытания отдель­ных образцов строят кривую усталости в координатах максимальное на­пряжение цикла σ_мах(или амплитуда напряжений σ_а) - долговечность N.

Испытания при приложении ударных нагрузок

В условиях эксплуатации часто возникают ударные воздействия, на­пример при переезде транспортных средств через выбоины, при формиро­вании железнодорожных составов, при взлете и посадке самолетов. Попа­дание в цель и взрыв снарядов, высокоскоростная обработка материалов также приводят к ударным нагрузкам различной величины. В таких случаях для характеристики поведения материала необходимо провести испытания с использованием ударной нагрузки. При большой скорости деформации происходит образование ударной волны, при этом характерное для низких скоростей деформации плоское напряженное состояние переходит в плос­кое деформированное состояние.

Увеличение скорости деформации вызывает повышение напряжения течения. Разумеется, более существенным моментом при этом является снижение вязкости, вызывающее появление макроучастков хрупкого изло­ма. В металлах эти участки излома можно определить по кристаллическим блестящим поверхностям разрушения, так как плоскости спайности кри­сталлов интенсивно отражают свет. В отличие от них сильно деформиро­ванные участки вязкого излома имеют матовый, волокнистый вид. Причи­ной появления хрупкого излома могут быть также низкие температуры и многоосное напряженное состояние. Следует также учитывать, что вязкость материала сильно зависит от его структуры и свойств. При приложении ударных нагрузок проводят следующие испытания: испытания на ударное растяжение и ударное сжатие; испытание на ударное кручение; испытание на ударный изгиб.

Дата добавления: 2015-04-24