Статические испытания

Статические испытания

Реферат

по дисциплине Методы и средства измерений, испытаний и контроля

Тема:

Статические испытания

Студент

Енотова А.В.

Введение

статический испытание растяжение твердость

Статические испытания являются экспериментальным методом исследования напряженно-деформированного состояния и статической прочности конструкций (объектов испытаний). Статические испытания проводятся для оценки правильности выбора расчетной схемы и методик расчета на прочность, качества конструкторской проработки, правильности выбора материалов и технологии изготовления, а так же для определения фактической прочности путем нагружения конструкции до разрушения. При статических испытаниях воспроизводятся значения и распределения расчетных нагрузок, действующих на объект испытаний в различных случаях нагружения.

.       
Статические испытания. Виды статических испытаний

Статические испытания осуществляются путем плавного возрастающего нагружения стандартного образца вплоть до его полного разрушения. Скорость деформации составляет от 10^-4 до 10^-1 с^-1. При этом в любой момент можно определить с достаточной точностью значения усилия, приложенного к образцу с помощью преобразователя силы, а также измерить деформацию при помощи преобразователя перемещения или деформации.

По способу приложения нагрузок различают следующие статические испытания:

·              на растяжение;

·              сжатие;

·              изгиб;

·              кручение;

.1       Испытания на растяжение

Самыми распространенными являются испытания на растяжение. Для них из испытуемого материала изготовляют стандартные образцы, один из которых изображен на рисунке 1. Образцы испытывают на разрывных машинах, в которых необходимы осевые нагрузки, растягивают их и доводят до разрыва. Различают два типа испытательных машин:

. С механическим приводом (механические), в которых деформация исполняется втягиванием или выталкиванием винта с помощью червячной передачи;

. С гидравлическим приводом (гидравлические), в которых деформация образца реализуется перемещением штока поршня гидравлического цилиндра.

Для измерения приложенной к образцу силы в современных испытательных машинах используются тензочувствительные преобразователи. Кроме них на старых испытательных машинах могут быть использованы рычажные, маятниковые и торсионные силоизмерители. Все они позволяют записывать кривую изменения силы в зависимости от перемещения подвижного захвата испытательной машины.

Рис. 1

На рис. 2 изображена примерная диаграмма, записанная при испытании образца из низкоуглеродистой стали. По оси абсцисс в определенном масштабе зафиксирован рост удлинения  образца, а по оси ординат - возникающая в его поперечном сечении нормальная сила , численно равная осевой нагрузке , прилагаемой к образцу. Характерные точки на диаграмме отмечены цифрами 1, 2, 3 и 4.

Рис. 2

В начале испытания (до отметки 1 с ординатой ) удлинение растет пропорционально силе  , тем самым подтверждается справедливость закона Гука. Далее удлинение  возрастает непропорционально силе . При некотором значении нормальной силы  (отметка 2) образец удлиняется без увеличения нагрузки. Это явление называется текучестью металла.

По окончании стадии текучести материал образца снова начинает сопротивляться нагрузке до отметки 3 с ординатой , после которой наблюдается снижение сопротивляемости образца нагрузке. Это обстоятельство объясняется тем, что на образце начинает появляться местное утончение (шейка) и в дальнейшем диаграмма фиксирует уже растяжение не всего образца, а только его участка в зоне образовавшейся шейки. Момент окончательного разрушения образца отмечен цифрой 4.

Если после перехода через стадию текучести, например в момент, отмеченный на диаграмме точкой  (рисунок 2), образец разгрузить, то процесс разгрузки изобразится отрезком , параллельным отрезку в начале испытания. Как видим, после разгрузки остаточное удлинение  не стало равным удлинению образца, выраженному отрезком , а уменьшилось на значение упругого удлинения . Теперь если этот же образец подвергнуть повторному нагружению, то окажется, что линия нагрузки совпадет с линией , т. е. часть диаграммы левее этой линии не повторится. Следовательно, после предварительной вытяжки образца за стадию текучести его материал способен воспринимать большие нагрузки без остаточных деформаций. Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительной вытяжки выше предела текучести называется наклепом.

Нормальные силы, возникающие в образце, и его удлинения не могут служить объективными критериями для оценки свойств материала, так как зависят от абсолютных размеров самого образца. Чтобы получить механические характеристики материала, диаграмму, снятую при испытании образца, нужно перестроить в условную диаграмму растяжения (впервые была построена Я. Бернулли) в координатах (, ), не зависящих от абсолютных размеров образца (рис. 3). Для этого все ординаты и абсциссы на диаграмме в координатах (, ) (см. рис. 2) необходимо разделить соответственно на начальную расчетную длину  и начальную площадь поперечного сечения  образца (рис. 4, а).

Рис. 3                                      Рис. 4

Разделив ординату  на , получим предел пропорциональности

,

т. е. наибольшее напряжение, до которого справедлив закон Гука; разделив ординату  на, получим предел текучести , т. е. напряжение, при котором происходит рост пластической деформации при неизменной нагрузке; разделив  на , получим предел прочности (временное сопротивление) , т. е. условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом до разрушения.

При испытании некоторых пластических материалов (среднеуглеродистая сталь, медь, алюминий) на диаграмме растяжения не образуется ясно выраженной стадии текучести (рисунок 5). Для таких материалов вводится условный предел текучести, равный напряжению, при котором продольная деформация образца , т, е. 0,2%. Условный предел текучести обозначается .

Рис.5                                      Рис.6

Пластичные свойства материала оцениваются остаточной деформацией при разрыве

,

где  и  - длины расчетной части образца после разрыва и до начала испытания (рисунок 4, б).

При испытании на сжатие пластические материалы до предела текучести ведут себя так же, как и при растяжении, но далее пластическая деформация растет медленнее. Образец постепенно сплющивается. На рисунках 3 и 5 зависимость между  и  при сжатии образцов показана штриховой линией.

При испытании хрупких материалов (например, чугунных образцов) установлено, что они способны выдерживать гораздо большие нагрузки при сжатии, чем при растяжении. Вид диаграмм при испытании чугунных образцов показан на рисунке 6. Сплошной линией изображена зависимость между  и  при растяжении, штриховой линией - при сжатии. По этим диаграммам определяют пределы прочности при растяжении () и при сжатии (). Для хрупких материалов .

.2 Испытание на сжатие

Испытание на сжатие проводятся реже чем на растяжение, т.к. при сжатии нельзя получить все механические характеристики материалов. Так пластичный материал при сжатии не разрушается, а превращается в диск, что не позволяет определить напряжение, соответствующее разрушающей силе. Также нельзя определить параметры, аналогичные характеристикам пластичности. Поэтому испытанию на сжатие подвергают в основном хрупкие материалы.

Испытание материалов на сжатие проводится аналогично испытанию на растяжение. Так же как и при испытании на растяжение из испытуемого материала изготавливаются образцы, которые сжимают на испытательной машине до разрушения. При этом также вычерчивается диаграмма сжатия. Дерево, как материал анизотропный, испытывается на сжатие вдоль волокон и поперек волокон.

Испытание на сжатие проводятся по следующим стандартам: для стали и чугуна - ГОСТ 25.503-80, бетона - ГОСТ 10.180-90, древесины - ГОСТ 16483.10-73 (вдоль волокон) и ГОСТ 16843.11-72 (поперек волокон). Испытание на сжатие проводят на универсальных испытательных машинах (например, Р-10, УММ-5 или УММ-50) или специальных прессах.

Образцы материалов изготавливаются в виде цилиндров c соотношением размеров h=(1...2)d (например, для чугуна d=10-25 мм) или кубиков со стороной 20 мм и более для дерева (рис.7). Образец закладывается между плитами испытательной машины и постепенно нагружается непрерывно возрастающей нагрузкой. При этом на диаграммном барабане машины вычерчивается диаграмма сжатия (рис. 8).

Результаты испытаний на сжатие зависят от условий проведения эксперимента. Практически очень трудно добиться приложения сжимающей силы точно по оси образца. Поэтому образец будет не только сжиматься, но и изгибаться. Чем длиннее образец, тем больше влияние изгиба (попробуйте сжать длинный и тонкий прутик). Для уменьшения влияния изгиба рекомендуется применять образцы, длина которых не более чем в два раза превышает их поперечные размеры. Применение слишком коротких образцов тоже нежелательно. При сжатии образца продольные размеры уменьшаются, а поперечные увеличиваются (по закону Пуассона).

Рис.7

Для пластичного материала (медь) диаграмма сжатия (рис.8) до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, однако ярко выраженной площадки текучести не наблюдается. После прохождения стадии текучести происходит быстрое возрастание деформаций, а увеличивающееся поперечное сечение образца становится способным выдержать все большую нагрузку. Образец принимает бочкообразную форму из-за наличия сил трения на торцах (рис.9, а) и может быть сплющен в тонкую пластинку без признаков разрушения, иногда даже без образования трещин. Поэтому в процессе испытания обычно определяют только предел пропорциональности:

.

Рис.8

Для пластичных материалов модуль упругости Е, предел упругости  и предел текучести  при сжатии примерно те же, что и при растяжении. Предел прочности при сжатии нельзя определить практически, т.к. образец не разрушается, поэтому его принимают равным пределу прочности при растяжении. Характеристики, аналогичные относительному удлинению и относительному сужению при разрыве, при испытании на сжатие также получить невозможно.

Если первоначально растянуть пластичный материал за предел текучести, а потом, разгрузив, сжать его, то наблюдается понижение величины предела текучести. Такое явление, называемое эффектом Баушингера, связано с анизотропным упрочнением материала, т.е. упрочнением, зависящим от направления нагружения.

Хрупкие материалы (чугун, бетон, кирпич и др.) лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению и поэтому они применяются для изготовления материалов, работающих на сжатие (к примеру у бетона предел прочности на сжатие раз в 10 больше предела прочности на растяжение). В силу чего хрупкие материалы применяются в основном в сжатых элементах конструкций, поэтому основным видом испытаний хрупких материалов является испытание на сжатие. Поэтому для их расчета на прочность необходимо знать механические характеристики, получаемые при испытании на сжатие.

Для чугуна на диаграмме сжатия (рис.8) почти отсутствует прямолинейный участок, т.е. закон Гука выполняется лишь приближенно в начальной стадии нагружения. Разрушение происходит внезапно при максимальной нагрузке  с появлением ряда наклонных трещин, расположенных приблизительно под углом 45о к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений (рис.9, б). Предел прочности при сжатии определяется по зависимости:

.

Предел прочности чугуна на сжатие превышает предел прочности на растяжение в 4-5 раз и предел прочности на изгиб в 2 раза

а)               в)                         д)

б)               г)                         е)

Рис.9. Характер разрушения различных материалов при сжатии

а - медь; б - чугун; в, г - бетон без и со смазкой торцов;

д, е - дерево вдоль и поперек волокон соответственно

.3 Испытания на кручение

В инженерной практике на кручение работают валы машин, витые пружины и др. Действие крутящего момента вызывает в поперечном сечении образца касательные напряжения . В силу закона парности касательных напряжений в продольных сечениях, проходящих через ось вала, возникают такие же по величине касательные напряжения.

Таким образом, при кручении круглых брусьев опасными могут быть как касательные напряжения, возникающие в поперечных и продольных сечениях вала, так и нормальные напряжения, возникающие на площадках под углом 45⁰ к первым. В связи с этим характер разрушения вала будет зависеть от способности материала сопротивляться действию касательных и нормальных напряжений.

Так, например, стальной вал разрушится по поперечному сечению, т.к. сталь плохо сопротивляется сдвигу - действию касательных напряжений, которые возникают как в продольном, так и в поперечном сечениях, а в поперечном сечении площадь сечения значительно меньше площади продольного сечения вала.

В случае кручения деревянных валов с продольным расположением волокон трещины разрушения ориентированы вдоль образующей, поскольку древесина плохо сопротивляется действию касательных напряжений вдоль волокон.

Хрупкий материал, например, чугун плохо сопротивляется растягивающим напряжением, поэтому трещины разрушения при кручении пройдут по линиям, нормальным к действию главных растягивающих напряжений, т.е. по винтовой поверхности, касательные к которой образуют угол 45⁰ с осью бруса.

При кручении, как и при растяжении или сжатии, в начальной стадии деформации образца для большинства металлов имеют место линейная зависимость между углом закручивания  и крутящим моментом  - закон Гука (рис.10). По диаграмме кручения, аналогично диаграмме растяжения, можно видеть все характерные участки (кроме участка разрушения, т.к. при кручении “шейка” на образце не образуется) и точки, соответствующие моментам пропорциональности , текучести  и максимальному моменту . По величинам этих моментов можно определить механические характеристики прочности материала - пределы пропорциональности, текучести и прочности.

Рис.10

1.4 Испытания на изгиб

Прочность на изгиб является мерой, показывающей, насколько хорошо материал сопротивляется изгибу, или "какова жесткость материала". В отличие от нагрузки при растяжении, при испытаниях на изгиб все силы действуют в одном направлении. Обыкновенный, свободно опертый стержень нагружается в середине пролета: тем самым создается трехточечное нагружение. На стандартной машине для испытаний нагружающий наконечник давит на образец с постоянной скоростью 2 мм/мин.

Для вычисления модуля упругости при изгибе по зарегистрированным данным строится кривая зависимости прогиба от нагрузки. Начиная от исходной линейной части кривой, используют минимум пять значений нагрузки и прогиба.

Модуль упругости при изгибе (отношение напряжения к деформации) наиболее часто упоминают при ссылке на упругие свойства. Модуль упругости при изгибе эквивалентен наклону линии, касательной к кривой напряжения/деформации, в той части этой кривой, где пластик еще не деформировался.

Значения напряжений и модуля упругости при изгибе измеряются в МПа.

.       
Испытания на твердость

Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скорости приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандартных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

.1       Метод Виккерса

Твердость по Виккерсу устанавливают путем вдавливания в металл индентора - алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение 10-15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов - от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов - от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HV рассчитывают по формуле

HV = 1,854*P/d²

где Р - нагрузка, кгс; d- среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Рис.11

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HV измеряется в кгс/мм², Н/мм² или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.

.2 Метод Бриннеля

По методу Бриннелля вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и др. (рис. 12.). Полученный круглый отпечаток на образце измеряют под лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.

Твердость НВ - это также величина напряжений сопротивления вдавливанию:

HB=P/F_ot=P/рDt=2P/рD(D-√(D²-d²))

где P- нагрузка, кгс;_ot- площадь отпечатка, мм²;глубина сегмента отпечатка;диаметр шарика, мм;диаметр отпечатка, мм.

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм², например, твердость алюминиевого сплава равна 70 НВ. При нагрузке, определяемой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа.

Рис. 12.

2.3 Метод Роквелла

По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В настоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Роквелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок - предварительной Р₀ и основной Р₁ которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р₀ + Р_1. После выдержки в течение нескольких секунд основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предварительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно деление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 13 представлена схема измерения твердости по методу Роквелла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным конусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

= t/0,002=100-(H-h)/0,002

По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик)

HRB = 130-(H-h)/0,002

Рис. 13.

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

Список используемой литературы

статический испытание растяжение твердость

1.       «Базовые методы и средства измерений и испытаний в технике» Корчевский В.В. Румановский И.Г.

.        «Методы исследования материалов» Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. 2004

3.       «Материаловедение» Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. М.: Металлургия, 1983

.        «Механические испытания металлов» Жуковец И.И. М., 1986

.        «Механические состояния и прочность материалов». Л., 1980, «Методы неразрушающих испытаний». Павлов П.А. М., 1983