Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е
обычно к увеличению коэффициента поглощения. Исследование величины коэффициента поглощения – чувствительный метод определения совершенства структуры и чистоты материала.
4. Поглощение на колебаниях решетки.
Спектр такого поглощения имеет вид пиков в определенной области длин волн. Полупроводниковые соединения АIIIBV, состоящие из атомов разного типа, можно рассматривать как набор электрических диполей. Под действием света эти диполи могут поглощать энергию электромагнитного поля, и наибольшее взаимодействие будет наблюдаться при совпадении частоты излучения с частотой колебания диполя. Обычно это имеет место в далекой инфракрасной области спектра.
Наибольшее практическое значение имеет измерение поглощения в кремнии, связанное с присутствием в решетке кремния атомов кислорода.
146
ЧАСТЬ II. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
4.1. Классификация и особенности механических испытаний
Многообразие условий службы и обработки конструкционных материалов предопределяет необходимость проведения большого числа механических испытаний. Они классифицируются по разным принципам. Один из них - схема напряженного или деформированного состояния. Всего существует восемь схем. Они сведены в табл. 4.1 вместе с соответствующими примерами реализации в различных испытаниях и условиях эксплуатации (рис. 4.1).
Приведенные в табл. 4.1 схемы применимы, строго говоря, лишь в области упругой и равномерной деформации. В процессе реальных испытаний, особенно после начала сосредоточенной пластической деформации, эти схемы могут значительно изменяться. Помимо напряженного, важное значение при механических испытаниях имеет деформированное состояние, возникающее в материале образца. В большинстве случаев испытаний деформированное состояние гораздо сложнее напряженного состояния.
При любом способе нагружения в материале возникают нормальные и касательные напряжения. Рост касательных напряжений приводит к пластической деформации материала и вязкому разрушению, в то время как нормальные напряжения приводят к упругой деформации и к хрупкому разрушению. Отношение максимальных касательных max к максимальным нормальным напряжениям max , действующим в материале, зависит от способа нагружения и называется коэффициентом жесткости нагружения
max / max . |
(4.1) |
147
|
|
|
Таблица 4.1 |
||
Напряженное |
Схема напря- |
Примеры реали- |
|||
состояние |
|
жен. состоян. |
зации |
|
|
Линейное |
Одноосное |
Рис. 4.1 (1) |
Испытание на рас- |
||
|
растяжение |
|
тяжение образцов |
||
|
|
|
без надреза |
||
|
Одноосное |
Рис. 4.1 (2) |
Испытания на |
||
|
сжатие |
|
сжатие |
||
Плоское |
Двухосное |
Рис. 4.1 (3) |
Изгиб широкого |
||
|
растяжение |
|
образца |
||
|
Двухосное |
Рис. 4.1 (4) |
Кольцевое сжатие |
||
|
сжатие |
|
образцов по боко- |
||
|
|
|
вой поверхности |
||
|
Разноимен- |
Рис. 4.1 (5) |
Кручение ци- |
||
|
ное напря- |
|
линдрического |
||
|
женное со- |
|
стержня |
||
|
стояние |
|
|
|
|
Объемное |
Трехосное |
Рис. 4.1 (6) |
Гидростатиче- |
||
|
растяжение |
|
ское растяжение в |
||
|
|
|
центре |
нагревае- |
|
|
|
|
мого шара. |
|
|
|
|
|
Растяжение |
ци- |
|
|
|
|
лидрического |
||
|
|
|
образца |
с |
коль- |
|
|
|
цев. надрезом |
||
Объемное |
Трехосное |
Рис. 4.1 (7) |
Гидростатическое |
||
|
сжатие |
|
сжатие. Испыта- |
||
|
|
|
ние на твердость |
||
|
|
|
вдавливанием |
||
|
Разноимен- |
Рис. 4.1 (8) |
индентора |
||
|
ное объем- |
|
Растяжение об- |
||
|
ное напря- |
|
разца с шейкой |
||
|
женное со- |
|
под гидростати- |
||
|
стояние |
|
ческим давлен. |
||
148
Рис. 4.1. Схемы напряженного состояния при различных испытаниях: 1 - одноосное растяжение; 2 - одноосное сжатие; 3 - двухосное растяжение; 4 - двухосное сжатие; 5 - разноименное напряженное состояние; 6 - трехосное растяжение; 7 - трехосное сжатие; 8 - разноименное объемное напряженное состояние
Второй принцип классификации механических испытаний основан на способе нагружения образца в процессе испытания.
Восновном используют два способа нагружения образца:
1)путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации и
2)подачей постоянной нагрузки (напряжения) 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. Второй способ нагружения (например, при испытании на ползучесть, длительную прочность, замедленное разрушение) применяется реже.
Механические испытания можно классифицировать также по характеру изменения нагрузки во времени. По этому прин-
149
ципу нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки относительно медленно возрастают 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 усталостные испытания.
Статические испытания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформации. Наиболее важны следующие разновидности статических испытаний, отличающиеся схемой приложения нагрузок к образцу (т. е. схемой напряженного состояния): одноосное растяжение, одноосное сжатие (в дальнейшем - просто растяжение, сжатие), изгиб, кручение, растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной (плоские и объемные схемы напряженного состояния).
Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью деформации. Длительность всего испытания не превышает сотых - тысячных долей секунды. В результате динамических испытаний определяют величину полной или удельной работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации образца (абсолютной или относительной). Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.
Испытания на усталость проводят при многократном приложении к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы - сотни часов), по их результатам определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге - то предельное напряжение,
150