Классификация механических испытаний

Раздел 2 Классификация механических испытаний

Тема 1 Классификация механических испытаний (2 часа)

         План лекции

1. Способы нагружения образцов.

2. Статические нагрузки.

3. Динамические нагрузки.

4. Циклические нагрузки.

5. Испытания на твердость.

6. Испытания на ползучесть и длительную прочность.

Рекомендуемые материалы

7. Условия подобия механических испытаний.

Классификация и виды механических испытаний

            Используют два способа нагружения образца: 1) путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации и 2) подачей постоянной нагрузки на образец с измерением возникающей при этом деформации.

         Наиболее распространен первый способ, обеспечивающий возможность непрерывного измерения и записи силы сопротивления образца деформированию. Он используется практически во всех разновидностях статических испытаний.

         Важнейшие примеры применения второго способа нагружения – испытания на ползучесть и длительную прочность.

         По характеру изменения во времени нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки характеризуются относительно медленным возрастанием от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды – минуты). При динамическом нагружении это возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) по величине.

         В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и циклические испытания.

         Статические испытания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформации, а также такой малой величиной ускорения движущихся частей машины, что возникающими в них силами инерции можно пренебречь. При статических испытаниях можно методом простого статического равновесия с достаточной точностью определять усилия и деформации, а также величины работы деформации в любой момент испытания.

            Наиболее важны следующие виды статических испытаний, отличающиеся схемой приложения нагрузок к образцу: одноосное растяжение, одноосное сжатие, изгиб, кручение.

         Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью их деформации. Динамическую нагрузку создают ударом по образцу свободно падающей тяжелой массы. В результате в отдельных частях образца и испытательной машины возникают значительные силы инерции. В результате динамических испытаний определяют величину полной или удельной работы динамических деформаций, а также величину остаточной деформации образца. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.

         Для испытаний на усталость характерно многократное приложение к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы – сотни часов). По результатам усталостных испытаний определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге – то предельное напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения. При усталостных испытаниях используют различные схемы приложения нагрузок: изгиб, растяжение, сжатие, кручение.

         Существуют еще две большие специфические группы испытаний. Первая из них – это испытания на твердость, в которых оценивают различные характеристики сопротивления деформации или разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии с другим телом – индентором. Большинство разновидностей испытаний на твердость – статическое.

         Вторая группа – испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. Образцы в течение всего испытания находятся под постоянным напряжением. При испытании на ползучесть измеряют величину деформации в функции времени при разных напряжениях на образце, а в результате испытаний на длительную прочность оценивают время до разрушения под действием различных напряжений.

         Испытания проводятся при различных температурах, начиная от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в разных средах и т. д.

         Необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний. Соблюдение этих правил должно гарантировать сопоставимость результатов испытаний, проведенных в разное время, в разных лабораториях, на разном оборудовании и т. д. Условия, обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются условиями подобия механических испытаний.

         Для этого необходимо соблюдение трех видов подобия:

1) геометрического (форма и размеры образца);

2) механического (схема и скорость приложения нагрузок);

3) физического (внешние физические условия).

Форма и размеры образца влияют на результаты испытания через схему напряженного состояния, которая зависит от формы тела и определенного расположения точек приложения нагрузок.

В общем виде механическое подобие заключается в том, чтобы в сходных сечениях рабочей части образцов возникали тождественное напряженное состояние и одинаковая относительная деформация. Если можно пренебречь влиянием скорости деформации, то условие механического подобия сведется к тому, чтобы все прилагаемые к образцу внешние силы были подобно направлены и приложены в соответствующих точках. При больших скоростях деформации соблюдение механического подобия в разных по размеру образцах усложняется.

Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа большое значение имеет методика изготовления образцов для испытаний. В каждом случае она должна быть оговорена. Один и тот же материал в зависимости от условий его получения (скорости кристаллизации при литье, степени обжатия при прокатке и т. д.) может обладать различными свойствами. Поэтому для получения сравнимых данных всегда необходимо соблюдать идентичность режимов (а не только методов) получения и обработки заготовок для образцов, изготовлять их (например, на станках) по одной технологии.

Способ изготовления образца должен быть такой, чтобы в последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей детали. При изготовлении образцов заданной формы нужно использовать такие методы обработки, которые не меняют свойств металла, присущих ему в заготовке или изделии. Поэтому образцы в процессе изготовления нельзя нагревать значительно выше комнатной температуры, подвергать пластическим деформациям (наклеп) и т. д. Большое значение имеет качество поверхности образцов. Поверхностные дефекты (царапины, риски) служат концентраторами напряжений и снижают характеристики прочности и пластичности.

         Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

Вместе с этой лекцией читают "Доказать непрерывность функций sin(x) и exp(x)".

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [4], [9]

1.Способы нагружения образцов.

2. Специфические группы испытаний.

3. Критерии подобия механических испытаний. Цель. Примеры.