Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

которое образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Помимо рассмотренных статических, динамических и усталостных, различают еще две большие специфические группы испытаний. Первая из них - испытания на твердость, в которых оценивают различные характеристики сопротивления деформации или, реже, разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии их с другим телом – индентором. Большинство испытаний на твердость статические.

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

Как видно, методы проведения испытаний весьма разнообразны. К тому же они проводятся при разных температурах, начиная от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в разных средах и т. д. Все это вполне естественно, ибо отражает разнообразие условий эксплуатации и обработки металлов и сплавов, которые в конечном итоге пытаются моделировать испытаниями.

Большинство характеристик механических свойств конструкционных материалов не является их физическими константами. Они в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Поэтому необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний, так чтобы эти результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а не влияние условий испытания, и могли войти в справочники. Условия, обеспечивающие такое

151

лютных температур испытания и плавления Тисп/Тпл (в градусах Кельвина).

Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа, кроме соблюдения трех перечисленных условий подобия, большое значение имеет методика изготовления образцов для испытания. Способ изготовления образца должен быть таким, чтобы в последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей детали.

Структура реальных металлов и сплавов и распределение ее дефектов неодинаковы даже в пределах одного образца. Поэтому механические свойства, определяемые структурой и дефектами, строго говоря, различны для разных объемов одного образца. В результате те характеристики механических свойств, которые мы должны оценивать при испытаниях, являются среднестатистическими величинами, дающими суммарную, математически наиболее вероятную характеристику всего объема образца, который принимает участие в испытании. Даже при абсолютно точном замере механических свойств они будут неодинаковы у разных образцов из одного и того же материала. Инструментальные ошибки определения характеристик свойств, связанные с измерением нагрузок, деформаций, размеров и т. д., еще более увеличивают разброс экспериментальных результатов. Поэтому механические испытания требуют статистической обработки результатов, т.е. оценки среднего значения свойств и ошибки в определении этого среднего, а также выбора минимально необходимого числа образцов (или замеров) для оценки среднего значения с заданной точностью. Эти задачи являются стандартными для статистической обработки результатов любых измерений.

4.2. Методы определения упругих свойств

Упругие свойства часто называют константами потому, что они подобно физическим и в отличие от большинства механических свойств не зависят от метода определения, а являются

153

постоянными для данного материала и определенных внешних условий.

Упругая деформация в твердом теле развивается с очень большой скоростью, соответствующей скорости распространения звука в данном материале. Для стали, например, эта скорость составляет ~ 5000, для меди 3670, для свинца 1320 м/с, что значительно выше скоростей деформирования не только при статическом, но и динамическом нагружении. Поэтому величина упругих констант не должна зависеть от скорости нагружения, и они могут определяться по результатам любых испытаний.

Некоторые упругие свойства могут быть определены с помощью стандартных статических испытаний. Так, по результатам испытаний на одноосное растяжение оценивают модуль Юнга Е, на кручение – модуль сдвига G. Однако чаще модули упругости измеряют с использованием специальных динамических методов, отличающихся более высокой точностью, а коэффициент Пуассона находят по результатам рентгеноструктурного анализа, определяя период решетки уп- руго-напряженного образца вдоль и поперек направления деформации. Повышенная точность динамических методов определения модулей упругости объясняется возможностью измерений при малых деформациях, когда явления неупругости (см. следующий раздел) еще пренебрежимо малы. Эти явления могут вызывать также завышение экспериментально определяемых значений коэффициента Пуассона. Последний у металлов обычно заметно увеличивается при повышении уровня напряжений, создающих измеряемые продольную и поперечную деформации. Чем ниже используемое в эксперименте напряжение, тем ближе коэффициент Пуассона к 0,25.

Особенно хорошо разработаны динамические методы определения модуля сдвига G и модуля нормальной упругости Е. Все динамические методы базируются на том, что частота колебаний исследуемого образца (резонансные методы) или ско-

154