Измерение пределов прочности и текучести

Вопрос 22. Измерение пределов прочности и текучести

Предел прочности — механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала. Поскольку при оценке прочности время нагружения образцов часто не превышает нескольких секунд от начала нагружения до момента разрушения, то его также называют условно-мгновенным пределом прочности, или хрупко-кратковременным пределом прочности.

Предел текучести — механическое напряжение, дальше которого упругая деформация тела (исчезающая после снятия напряжения) переходит в пластическую (необратимую, когда геометрия тела не восстанавливается после снятия деформирующего напряжения).

Предел текучести соответствует площадке текучести материала. В случае, если такая площадка отсутствует, вместо σ_т используется напряжение σ_0,2, которое соответствует напряжению, при котором остаточные деформации конструкции (пластические деформации) составляют 0,2% от длины испытываемого образца.

По нормативным документам прочностные характеристики определяются путем разрыва образцов из данного материала круглого или квадратного поперечного сечения. Образец зажимается и растягивается с некоторой силой  до его полного разрыва

 - предел прочности,  - предел текучести.

Рекомендуемые материалы

При этом строится кривая напряжения от относительной деформации . На прямолинейном участке в переде упругости действует закон Гука.

Относительное удлинение

где  - начальная длина образца,  - конечная длина

Относительное сужение:

Для контроля прочностных характеристик необходимо из готового материала вырезать куски, сделать из них образцы, разорвать их и померить характеристики.

Все акустические методы контроля прочности являются косвенными. Они основаны на корреляционных зависимостях прочности от параметров материалов или соединений, которые можно измерить акустическими методами. Однако несмотря на относительную простоту реализации акустических методов и наличие соответствующей аппаратуры, определять значения физико-механических свойств материалов по измеренным значениям скорости и времени пробега УЗ волны вследствие незначительного изменения этих акустических характеристик с достаточной для практики точностью довольно сложно.

Используя результаты измерений абсолютных значений коэффициента затухания и его частотной зависимости совместно с измерениями скорости ультразвука, можно решать ряд специфических задач структуроскопии, таких как определение величины зерна, микроструктуры, фазовых превращений, происходящих при термообработке некоторых марок сталей, выявление в чугунных отливках участков, подверженных термоциклированию, определение межкристаллитных областей использование данных акустических характеристик перспективно, однако попытки определения с их помощью прочностных характеристик материала: пределов прочности и текучести, относительного удлинения и сужения в широком интервале варьирования последних – не достигают цели.

Физико-механические характеристики материала поверхностного слоя твердого тела чаще исследуются склерометрическими методами, позволяющими оценить прочностные свойства материалов по косвенным параметрам, таким как величина царапины, оставленной на поверхности индентором определенной формы, величина отпечатка индентора при нагружении его постоянной силой, коэффициент восстановления скорости при соударении индентора с исследуемой поверхностью.

Определяемая твердость является сложной интегральной характеристикой, зависящей от упругих свойств, текучести и хрупкости материала, по которой с помощью специально подобранных коэффициентов могут быть определены основные механические характеристики – пределы текучести и прочности, однако точность такого определения не превышает 10 % и зависит не только от свойств материала, но также от условий и способов измерений.

Склерометрические методы только условно можно отнести к неразрушающим, так как на поверхности исследуемого объекта после испытания остаются следы пластической деформации, а место взаимодействия индентора с материалом является концентратором напряжений, способных уменьшить эксплуатационную надежность.

Поэтому, несмотря на то, что акустические методы определения прочностных характеристик конструкционных материалов еще находятся в стадии становления и развития, можно с уверенностью сказать, что появился новый мощный инструмент для определения качества материалов. В совокупности с другими способами акустические методы образуют неразрывный комплекс, обладающий высокой экспрессностью и информативностью, а также стабильностью результатов измерений, достигаемой за счет получения интегральных характеристик контролируемого объекта. Внедрение таких комплексных систем неразрушающего контроля прочностных характеристик в практику заводских испытаний и серийной эксплуатации гарантирует высокое качество выпускаемых изделий в целом.

Методика определения затухания ультразвука

Реальные процессы распространения ультразвуковых волн сопровождаются уменьшением амплитуды с проходимым расстоянием r. Уравнение идеальной плоской волны: U = U₀ e ^j(wt-kr) не учитывает этот факт. В уравнении cферической волны: U = U₀/r e^j(wt-kr) учитывается лишь уменьшение амплитуды, обусловленное расхождением фронта волны -  множитель 1/r.

В реальных средах наблюдается дополнительное уменьшение амплитуды смещения в волнах, определяемое термином затухание. Затухание обусловлено:

1) поглощением энергии волны за счет перехода ее в тепло;

2) рассеянием волн на неоднородностях среды, ослабляющим поток звуковой энергии в первоначальном направлении (рассеянные волны, распространяясь в произвольных направлениях, не поддерживают основной волновой поток);

3) дифракционными расхождениями звукового пучка.

Ещё посмотрите лекцию "31 Микроорганизмы, используемые для улучшения вкусовых качеств мяса и мясных продуктов" по этой теме.

Процесс поглощения звука обусловлен двумя причинами – вязкостью и теплопроводностью. Вязкость оказывает своего рода торможение колебаний частиц. Так как при быстрых колебаниях должно теряться больше энергии, чем при медленных, то поглощение звука в твердом теле увеличивается пропорционально частоте. Механизм теплопроводности связан с тем, что процесс распространения волны связан с изменением элементарных объемов и, следовательно изменением температуры.

 В однородных средах (пластмасса, стекло) затухание определяется, главным образом, поглощением ультразвука. При этом коэффициент поглощения пропорционален либо частоте f (стекло), либо f² (пластмассы).

В металлах потери акустической энергии за счет поглощения, как правило, невелики по сравнению с потерями на рассеяние. Рассеяние звука происходит на границах неоднородностей среды (микровключения, поры, дефекты в металле, беспорядочно ориентированные кристаллы (зерна) в поликристаллах). Особенно резкий рост рассеяния наблюдается, если размер неоднородностей, например средний размер зерна D, сравним с длиной ультразвуковой волны в области рэлеевского рассеяния; рассеяние оказывается пропорционально четвертой степени D. Эта закономерность положена в основу определения структуры поликристаллических материалов и изделий из них. В свою очередь структура тесно связана с прочностными характеристиками металлов, с режимами термообработки и может служить критерием соответствия изделий ТУ и ГОСТ.

 Рассеяние ультразвука в существенной степени зависит от анизотропии материала, т.е. различия упругих свойств (или скоростей распространения УЗ) вдоль различных направлений. Вследствие этого ультразвук сильно затухает в меди, чугуне, аустенитной коррозионно-стойкой стали; малоупругая анизотропия характерна для вольфрама, алюминия. Углеродистая сталь относится к промежуточным материалам в отношении упругой анизотропии и рассеяния.

Оба механизма затухания математически учитываются коэффициентом затухания δ = δ_п + δ_р. При этом затухание происходит по экспоненциальному закону е ^-δr, где r – пройденный путь в среде. Тогда уравнение плоской волны с учетом затухания будет иметь вид: U = U₀ e ^j(wt-kr) e ^-δr.

Импульсный метод определения коэффициента затухания ультразвука основан на измерении изменения амплитуды импульса при прохождении некоторого расстояния. Чаще всего измеряются амплитуды сигналов, многократно отраженных от граней образца. На экране ЭЛТ дефектоскопа будет наблюдаться уменьшающаяся последовательность импульсов.