Испытания при повторно-переменных нагрузках

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Глава X                              /

РАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

§ 33. Испытания на растяжение и сжатие

Испытание на растяжение – наиболее распространенный вид испытания механических свойств металлов под действием статических нагружений.

Рис. 52 Диаграмма растяжений малоуглеродистой стали

Испытуемый образец растягивают со все возвращающей силой и при этом фиксируют его деформацию. Результаты испытания обычно наглядно представляют на диаграмме растяжений (рис.52) , с помощью которой можно установить характеристики сопротивления металла деформированию.

По оси абсцисс отложено удлинение образца (деформация) ∆l, а по оси ординат — значение соответствующей нагрузки Р (силы сопротивления металла) .

До нагрузки Р_е происходит только упругая деформация образца, между нагрузкой и деформацией сохраняется прямолинейная зависимость. Деформация ∆l на этом участке кривой растяжения прямо пропорциональна величине нагрузки Р и длине образца l₀ и обратно пропорциональна исходной площади поперечного сечения образца F₀ и модулю нормальной упругости Е (модуль Юнга):

Но так как отношение нагрузки Р к площади поперечного сечения образца F₀ есть величина девствующего напряжения  , а отношение деформации ∆l=(l₁-l₀) к исходной длине образца l₀ – относительное удлинение , то модуль нормальной упругости

т. е. модуль нормальной упругости определяется, как тангенс угла наклона первого прямолинейного участка кривой растяжения к оси абсцисс.

Модуль нормальной упругости характеризует сопротивление материала упругой деформации, его величина в значительной степени определяется составом сплава, главным образом его основой.

Максимальное напряжение, до которого в материале происходит только упругая деформация, называется пределом упругости , однако практически определяется условный предел упругости σ_0,002 напряжения, при котором величина остаточной деформации составляет 0,002% первоначальной длины образца l₀.

Для большинства конструкционных материалов предел упругости практически совпадает с пределом пропорциональности Р_пц — силой сопротивления металла, до которой сохраняется прямая пропорциональность между действующей нагрузкой Р и деформацией ∆l. Для материалов с переменным значением модуля Е (чугун, медь и др.) предел упругости выше предела пропорциональности.

Дальнейшее увеличение нагрузки на образец вызывает значительную его деформацию. Зависимость между Р и ∆l становится криволинейной (см. рис. 52) и не поддается описанию единым математическим уравнением. Это объясняется начавшимся в материале принципиально новым, отличным от упругой деформации, физическим процессом — пластической деформацией.

В начале области пластической деформации наблюдается интенсивное увеличение деформации материала без заметного повышения нагрузки. На диаграмме растяжения образуется площадка. Напряжение, при котором развивается интенсивная пластическая деформация, называется пределом текучести σ_{s :}

При растяжении легированных сталей, алюминиевых сплавов и некоторых других материалов площадки текучести на диаграмме растяжения может и не быть. Кривая будет иметь плавный ход. Учитывая это обстоятельство, введено понятие «условного предела текучести» σ_0,2— напряжения, при котором величина остаточной деформации составляет 0,2% первоначальной длины образца:

Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается развитием пластической деформации, распределяющейся в образце приблизительно равномерно. При достижении максимальной нагрузки Р_шах происходит интенсивная местная пластическая деформация, появляется местное сужение образца — шейка. При дальнейшем растяжении, в силу наличия шейки, сопротивление образца действию нагрузки падает, и образец разрушается в точке К при Р_разр˂ Р_max.

У хрупких материалов образование шейки не происходит, они разрушаются при достижении максимальной нагрузки без заметной пластической деформации. Зная максимальную нагрузку, которую выдерживает образец, получают значение предела прочности материала при растяжении

                                      (178)

Таким образом, пределом прочности при растяжении называется напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которая достигается при испытании на растяжение. Следовательно, при испытании на растяжение определяются показатели упругих свойств (жесткости) и прочности — модуль нормальной упругости, пределы упругости, пропорциональности, текучести и прочности.

Кроме того, испытания на растяжение позволяют получить характеристики пластичности — относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.

Относительное удлинение после разрыва определяется по формуле

где  и — расчетная длина образца до растяжения и после разрыва.

Относительное удлинение зависит от соотношения между длиной образца и его диаметром. Следовательно, для получения сопоставимых результатов испытаний необходимо установить стандартное соотношение между длиной и площадью поперечного сечения образца. Такое соотношение было установлено на основании опытов Баушингера и закона подобия, сформулированного Барба и Киком и введено в ГОСТ 1497—61.

Соотношения между длиной образца l и диаметром d (для круглых образцов) установлены: l=10d; l=5d; l=2,5 d. Из этих соотношений легко найти связь между расчетной длиной образца и площадью поперечного сечения. Например, для l₀ =l0d₀:

Следовательно для l₀=5d₀:

l₀=5,65  и для l₀=2,5d₀ ; l₀=2,82 *.

Эти соотношения действительны для образцов любой формы сечения. Расчетная длина образца до растяжения обозначается на его рабочей части кернами или рисками. Для определения l_n — расчетной длины образца после разрыва — части образца складывают так, чтобы их оси образовали прямую линию, и измеряют расстояние между кернами или рисками.

Если образец разрушился не посередине между кернами, то расчетную длину образца после разрыва l_n определяют с отнесением места разрыва к середине.

Сопоставлять между собой можно те значения относительного удлинения δ, которые получены на геометрически подобных образцах. Обычно δ снабжается индексом, указывающим, при каком соотношении l и d образца проводилось испытание (δ₁₀, δ₅, δ_2,5).

Относительное сужение после разрыва для цилиндрических образцов определяется по формуле

где  — начальная площадь поперечного сечения образца;

 — минимальная площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Определять относительное сужение на образцах не цилиндрической формы не рекомендуется. Испытания на растяжение проводятся в соответствии с ГОСТ 1497—73. Кроме того, действуют ГОСТ 11701—66, ГОСТ 10446—63 и ГОСТ 12004—66. Эти стандарты не имеют существенных расхождений с рекомендациями СЭВ и ИСО. Испытания на растяжение могут проводиться при пониженных (ГОСТ 11150—65) и повышенных (ГОСТ 9651—73) температурах. Образцы для испытаний на растяжение изготовляются в соответствии с требованиями стандартов. При этом должны быть приняты меры, которые исключали бы изменение свойств материала вследствие его нагрева или наклепа (интенсивное охлаждение, снижение скорости резания и т. п.).

Измерение образцов до испытаний должно производиться с точностью не ниже 0,01 мм при диаметре образцов до 10 мм и с точностью не ниже 0,05 мм при диаметре образцов больше 10 мм.

После испытаний размеры образцов определяют с точностью не ниже 0,1 мм. Каждое измерение производят не менее чем в трех местах рабочей части образца (в середине и по краям).

Испытания на растяжение проводятся на разрывных испытательных машинах при условии соответствия их требованиям ГОСТ 7855—68.

Измерение силы, действующей на образец, производится с помощью маятникового измерения силы сопротивления образца, иногда с помощью упругих элементов, деформация которых пропорциональна действующей силе.

Деформация образца регистрируется по перемещению одного из захватов машины. Для получения более точных данных применяются тензометры, приборы, измеряющие удлинение непосредственно на рабочей части образца.

Разрывные машины обычно снабжены показывающими и записывающими приборами. В результате испытаний получают диаграмму растяжения, записанную в определенном масштабе.

Предел текучести (физический) может определяться по диаграмме растяжения при условии, если ее масштаб по оси напряжений (ординат) составляет не более 1 кгс/мм² в 1 мм и вычисляется по формуле (176).

Для определения условного предела текучести, зная расчетную длину образца l₀, находят заданное остаточное удлинение (0,2% от l₀). Полученную величину переводят в масштаб оси абсцисс диаграммы и откладывают вправо от начала координат (рис. 53). Начальный, нелинейный участок диаграммы исключается. Через полученную таким образом на оси абсцисс точку В проводят линию ВС, параллельную прямолинейному участку диаграммы OA. Ордината точки D, пересечение прямой ВС с диаграммой растяжения, определяет нагрузку, соответствующую условному пределу текучести Р_0,2. Затем по формуле (177) рассчитывают условный предел текучести.

Определение условного предела текучести с помощью тензометров принципиально не отличается от изложенного, однако имеется три различных способа (ГОСТ 1497—73): последовательных нагрузок и разгрузок, прямого нагружения и ускоренный способ.

Предел прочности при растяжении определяется отношением наибольшей растягивающей нагрузки Р_тах (см. рис. 52) или по показаниям силоизмерительного прибора машины к исходной площади поперечного сечения образца F₀[формула (178)].

Надо иметь в виду, что испытания считаются недействительными и требуется их повторить, если разрыв образца произойдет за пределами его рабочей части или из-за дефектов металлургического происхождения, а также при разрыве по разметочным кернам, если в последнем случае полученные характеристики не соответствуют установленным требованиям.

Испытание на сжатие чаше применяется для хрупких материалов (чугун, бетон, керамика, древесина и др.), а также для материалов, применяющихся в конструкциях, работающих на сжатие. Испытание на сжатие имеет некоторые особенности.

В процессе сжатия пластичного материала до напряжения, равного пределу пропорциональности или текучести, материал ведет себя аналогично тому, как при растяжении. Выше предела пропорциональности в материале возникают остаточные деформации, диаметр образца увеличивается, а длина уменьшается.

При некоторой нагрузке хрупкие материалы разрушаются и для них может быть установлен предел прочности при сжатии. Для пластичных материалов такой величины не удается установить, так как образцы, изготовленные из них, сжимаясь, могут превратиться в пластинки без признаков разрушения.

При испытаниях на сжатие такие характеристики, как модуль упругости, пределы пропорциональности и текучести определяются с достаточной точностью, а значения предела прочности и относительного укорочения зависят от величины трения на торцах образца. Для уменьшения трения применяются смазки.

Хрупкие материалы при сжатии разрушаются чаще всего путем среза, иногда путем отрыва. Испытания на сжатие имеют условное значение, по ним, как правило, судят об относительной прочности материалов.

Для испытаний на сжатие обычно используют прессы или разрывные машины. В последнем случае применяются реверсы.

§ 34. Испытания на удар

Многие детали машин при эксплуатации испытывают ударные — динамические нагрузки, т. е. такие нагрузки, которые прикладываются с большой скоростью. Характер разрушения при динамических нагрузках отличается от разрушения при медленном статическом нагружении. При динамических нагрузках возможно хрупкое разрушение изделия.

Рассмотренные выше показатели статической прочности не могут характеризовать поведение металла при ударных нагрузках.

Наиболее распространенным видом динамических испытаний является испытание на ударный изгиб, при котором определяется ударная вязкость.

Ударная вязкость характеризует способность материала поглощать механическую энергию при деформации до разрушения под действием динамической нагрузки и оценивается работой, затраченной при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенной к площади поперечного сечения в месте надреза:

где А_п — работа, затраченная на разрушение образца, кгс×м(дж);

F_о — площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания, см² (м²).

Величина ударной вязкости зависит от многих факторов. Наличие резких переходов в сечении изделия, глубоких и острых надрезов, царапин и рисок на поверхности, отверстий вызывает неравномерное распределение напряжений, их концентрацию. Развитие пластической деформации затрудняется, возникает хрупкое разрушение, ударная вязкость падает. Величина ударной вязкости сильно зависит от направления волокна у кованых, прессованных, катаных и т. п. деталей, имеющих волокнистое строение.

Сильно влияют па значение ударной вязкости форма и размеры образца, а также величина запаса работы маятника, ударом которого разрушается образец. Все это требует строгой регламентации методов определения ударной вязкости, что и выполнено в ГОСТ 9454—60 (ГОСТ 9455—60 и 9456—60 — соответственно при пониженной и повышенных температурах).

В качестве образца для испытаний на ударную вязкость чаще используется образец типа Менаже (ГОСТ 9454—60 предусматривает пять типов образцов с различными надрезами). Испытание образцов проводится на маятниковых копрах, предназначенных для испытаний образца, свободно лежащего на двух опорах (ГОСТ 10708—63, ГОСТ 14703—73). Испытание производится при одном ударе маятника, который наносится со стороны, противоположном надрезу.

Работу А_н, затраченную на разрушение образца, определяют по шкале, градуированной в кгс-м или по углу подъема маятника с точностью до 0,1 кгс×м. Ударную вязкость вычисляют по формуле (179) с точностью до 0,1 кгс×м/см². Ударная вязкость материала для ответственных деталей должна быть достаточно высокой, низкая вязкость (а_н≤1,5÷2 кгс×м/см²) недопустима для деталей, испытывающих ударные нагрузки.

Кроме числовых значений ударной вязкости, существенным является и вид излома. Волокнистый матовый излом указывает на вязкое разрушение, кристаллический блестящий излом характерен для хрупкого разрушения.

При действии на металл повторно-переменных нагрузок в его кристаллической решетке происходит постепенный процесс накопления повреждений, приводящий к зарождению, а затем и к развитию трещины в поверхностном слое. Процесс разрушения металлов и сплавов в результате многократного повторно-переменного нагружения называется усталостью металлов. Под выносливостью понимают свойство металла противостоять усталости. Число повторных нагружений, которое металл выдерживает до разрушения, называется долговечностью.

Если по оси ординат (рис. 54) отложить напряжение σ, а по оси абсцисс — долговечность, выраженную числом повторных нагружений N до разрушения образца, то получим кривую выносливости. Из этой кривой, впервые полученной Веллером, следует, что существует такое наибольшее напряжение, ниже которого металлы но разрушаются от усталости.

Это наибольшее напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе циклов нагружения, называется пределом выносливости и для симметричного цикла нагружения обозначется σ_-1.

Число повторно-переменных нагружений (база испытаний) условно принято для сталей в 10 млн., а для цветных сплавов — 100 млн. циклов.

Разрушение от усталости происходит без заметных признаков пластической деформации и внешне приводит к внезапным отказам машин, хотя развивается постепенно. Излом в результате явления усталости, как правило, имеет характерный вид; на его поверхности различаются две зоны. Первая мелкозернистая, имеющая гладкую поверхность и характерные концентрические линии, является зоной постепенного разрушения. Вторая — имеет обычное кристаллическое строение, напоминает хрупкий излом и является зоной мгновенного разрушения (зоной долома).

На выносливость металлов большое влияние оказывают неоднородности: неметаллические включения, газовые пузыри; состояние поверхности, ее твердость, наличие в поверхностном слое остаточных напряжений и др.

Методы испытания металлов при повторно-переменных нагрузках регламентированы в ГОСТ 2860—65. Стандарт распространяется: на черные и цветные металлы и сплавы, испытываемые при различных видах нагружений; при наличии и отсутствии концентратов напряжений; при различных температурах, а также при действии агрессивных сред.

Для построения кривой выносливости и определения предела выносливости испытывают не менее десяти образцов, каждый до разрушения или до базового числа циклов.

ГОСТ 2860—65 предусматривает несколько разновидностей образцов для испытания на усталость: гладкие круглого и прямоугольного профиля (три типа), а также образцы с различной формой надрезов (четыре типа) и несколько других видов образцов. Все образцы изготовляются по второму классу точности, поверхность образцов должна соответствовать 9—10 классу чистоты по ГОСТ 2789—59, не иметь следов коррозии и других дефектом.

Результаты испытаний образцов подвергаются статистической обработке, после чего получают вероятность разрушения образца в зависимости от уровня действующих повторно-переменных нагружений. В последнее время все шире применяются ускоренные методы испытаний металлов на усталостную долговечность. Существуют различные методы форсирования испытаний на выносливость, однако окончательные результаты таких испытаний не всегда сопоставимы между собой.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности