Испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

 

Испытания на растяжение являются наиболее распространенными, так как этот вид деформирования может создаваться практически без искажения (в отличие, например, от испытаний на сжатие, где из-за малой относительной длины образцов заметно влияние трения на торцах). Определяемые из испытаний на растяжение механические характеристики используются при расчетах на прочность при других видах нагружения.

Образцы для испытаний на растяжение изготавливаются из листового или цилиндрического проката, их основные размеры и вид обработки стандартизованы. Основная особенность образцов - наличие усиленных мест для захвата на концах и плавного перехода к рабочей части с меньшим постоянным сечением. Длина рабочей части l₀ больше ее поперечного размера d₀ (рис.4.1).

При испытаниях на сжатие используются относительно короткие цилиндрические образцы с отношением длины к диаметру сечения менее двух.

 

Рис. 4.1 Образец для испытаний на растяжение.

 

Испытания на растяжение и сжатие проводятся на специальных машинах с механическим или гидравлическим приводом. Обычно оба вида нагружения реализуются на одной машине, имеющей две рабочие зоны, разделенные подвижной траверсой (рис. 4.2).

Станина 1, колонны 3 и верхняя траверса 5 образуют жесткую раму. В одной рабочей зоне размещены захваты 7, 8 для испытаний образцов на растяжение, в другой - опорные плиты 9, 10 для испытаний на сжатие. В станине располагается силовой привод подвижной траверсы. Все усилия, создаваемые машиной, уравновешиваются в пределах станины. На фундамент передаются только вес Машины и динамическое воздействие при разрушении образца.

 

Рис. 4.2 Машина для испытания на растяжение и сжатие.

Для регистрации приложенной нагрузки используется силоизмерительное устройство 6. При испытаниях на растяжение силоизмерительное устройство размещается на верхней (неподвижной) траверсе, при испытаниях на сжатие - на станине или на подвижной траверсе. Величина силы, действующей на образец, может изменяться от долей Н (при испытаниях волокон или нитей) до сотен тонн (при испытаниях крупных деталей или узлов). Величина деформации образца определяется с помощью тензометров (механических или электрических).

Основным результатом этих испытаний являются диаграммы растяжения и сжатия материала, представляющие собой графики зависимости напряжение - относительная деформация σ = f(ε). По этим диаграммам (рис. 4.3) определяются характеристики материала: модуль упругости Е, пределы текучести (σ_т.р, σ_т.сж) и временной прочности (σ_в.р, σ_в.сж) при растяжении и сжатии и т.д. Модуль упругости Е определяется как тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс: Е = tg а = σ / ε.

Испытания на сжатие проводятся реже, чем на растяжение и в основном для хрупких материалов, которые, как правило, имеют прочность на сжатие большую, чем на растяжение (рис. 4.3, в). Для пластичных материалов модуль упругости, пределы упругости и текучести при сжатии примерно такие же, как и при растяжении (рис. 4.3, б), поэтому основная информация об их свойствах получается из испытаний на растяжение. Разрушающие значения напряжений и соответствующие относительные деформации при испытаниях пластичных материалов на сжатие определить нельзя.

Рис. 4.3 Диаграммы растяжения и сжатия материала (графики зависимости напряжение ε - относительная деформация σ).

 

Стандартные испытания на изгиб проводятся для строительных материалов (бетона, кирпича, асбоцемента и др.) и стандартных изделий из относительно хрупких материалов, имеющих различные механические характеристики при растяжении и сжатии. Такие материалы, как правило, имеют прочность на растяжение более низкую, чем на прочность на сжатие, однако их испытание на растяжение затруднено из-за повышенной хрупкости. Кроме того, в реальных условиях растягивающие напряжения в деталях из хрупких материалов в основном возникают при поперечном; изгибе, и разрушение происходит от действия нормальных напряжений.

Испытания проводятся на изделиях или стандартных образцах, представляющих собой балку с прямоугольным, реже - круглым поперечным сечением. Балка устанавливается на две опоры (ножевые призмы) и симметрично нагружается одной или двумя поперечными силами (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Испытания на изгиб.

 

В первом случае изгиб называется трехточечным, во втором - четырехточечным, при котором средняя часть балки находится в условиях чистого изгиба. Нагружение образца поперечными силами производится с помощью испытательной машины, описанной выше (см. рис. 4.2), для чего она снабжается приспособлением - дополнительной траверсой с ножевыми призмами (рис. 4.5).

 

Рис. 4.5 Дополнительной траверсой с ножевыми призмами.

 

При испытаниях обычно определяются модуль упругости Е_и и предел прочности σ_и при изгибе. Для этого используются зависимости между экспериментальными значениями поперечных сил Р или изгибающих моментов и соответствующими значениями максимальных прогибов w_max (прогибов в середине пролета). Для измерения прогибов используются датчики деформаций или стрелочные индикаторы.

Модуль упругости и предел прочности определяются по следующим формулам:

· при трехточечном изгибе (рис.4.4,а)

, (4.1)

· при четырехточечном изгибе (рис. 4.4,б)

, (4.2)

В этих формулах l₀ - расстояние между опорами; I и h - момент инерции и высота поперечного сечения балки; Р_р - разрушающее значение силы Р; с₀ - плечо сил Р относительно опор.

Формулы (4.1), (4.2) для напряжения σ_и справедливы при условии, что разрушение при изгибе происходит в упругой области. При отклонении зависимости между изгибными напряжениями и деформациями от линейной до разрушения полученные значения предела прочности являются условными.

Испытания на кручение проводятся для определения механических характеристик материалов в условиях чистого сдвига. Испытания проводятся на стандартных образцах круглого или кольцевого сечения путем их кручения вокруг продольной оси. Схема нагружения образца при испытаниях показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6 Схема нагружения образца при испытаниях на кручение.

 

Вращение передается через червячный или зубчатый редуктор 1 захвату 2 и закручивает образец, закрепленный в захватах 2 и 3. Захват 3 расположен на оси массивного маятника 4 с регулируемой длиной, который создает момент, противодействующий вращению. Величина крутящего момента М_к, действующего на образец, определяется по углу поворота маятника. Влияние изгиба и продольных усилий при испытаниях исключается путем строгой концентричности установки образца и свободного осевого перемещения концов образца.

В трубчатых образцах касательные напряжения распределены равномерно по длине и по окружности трубы, так что для тонкостенных образцов изменением касательных напряжений по толщине можно пренебречь. В то же время соотношение диаметра трубы и толщины ее стенок выбирается таким, чтобы не происходило разрушения образца из-за потери устойчивости.

В процессе нагружения производится непрерывное измерение момента М_к, и соответствующего значения угла закручивания φ. Угол φ определяется как разность углов поворота двух сечений образца, ограничивающих рабочую часть образца длиной l. Углы поворота сечений измеряются с помощью зеркального или стрелочного угломера.

Модуль упругости при сдвиге G определяется по формуле

(4.3)

где I_р - полярный момент инерции; I_p=nR⁴/2 - для образца круглого сечения; I_p =nR⁴[l-(r/R)⁴]/2 - для образца трубчатого сечения; R - наружный радиус образца; r - внутренний радиус трубчатого образца.

Относительная деформация при кручении (угол сдвига γ) в упругой области линейно зависит от радиуса сечения. Максимальное значение угла сдвига γ _max = φ R /l.

Результатом испытаний являются диаграммы кручения (зависимости М_к = f(φ)), которые имеют вид подобный диаграммам растяжения (рис. 4.3). Некоторое их различие обусловлено тем, что при кручении напряжения изменяются по радиусу сечения и что форма и размер поперечного сечения круглого образца не изменяются, т.е. разрушение образца происходит без образования шейки. Поэтому даже для пластичных материалов на диаграммах кручения обычно нет площадки текучести и участка снижения нагрузки при увеличении угла φ.

По этим диаграммам определяются характеристики материала при кручении: пределы пропорциональности (τ_пщ) и текучести (τ_т), временное сопротивление (τ_в), а также соответствующие этим предельным напряжениям значения остаточной деформации сдвига (γ_ост).

Максимальные напряжения в сечении при кручении образца равны:

(4.4)

Предел пропорциональности может быть определен по формуле

(4.5)

в которой М_пц - крутящий момент, соответствующий границе линейного участка диаграммы М_к = f(φ).

Формулы (4.3), (4,4) справедливы в пределах упругости материала, т. е. когда выполняется закон Гука для сдвига: τ = Gγ.

Сдвиговые напряжения выше предела упругости для тонкостенных трубчатых образцов вычисляются по формуле

(4.6)

При кручении в сечении образцов действуют сопоставимые по величине нормальные и касательные напряжения. Поэтому характер разрушения зависит от сравнительной способности материала сопротивляться растяжению и сдвигу.

Образцы из хрупких материалов разрушаются от действия растягивающих напряжений и трещины разрушения ориентированы по винтовым линиям, касательные к которым ориентированы под углом 45° к оси образца. Образцы из пластичных материалов разрушаются по сечению нормальному к оси образца.

Вопросы для самопроверки:

 

1. Каковы основные задачи испытаний материалов?

2. Что представляет собой испытание на растяжение?

3. Что представляет собой испытание на сжатие?

4. Что представляет собой испытание на кручение?

5. Что представляет собой испытание на изгиб?