Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е
Чем меньше отношение высоты образца к диаметру, тем сильнее контактное трение влияет на результаты испытаний. С этих позиций следовало бы проводить испытания на возможно более длинных образцах. Но при сжатии длинных образцов трудно избежать их продольного изгиба. Как показывает опыт, оптимальной для цилиндрического образца является величина отношения h0/d0 в пределах 1-3.
Для определения модуля нормальной упругости при сжатии, пределов упругости и пропорциональности иногда используют плоские образцы в виде пластин толщиной 2 - 5 мм, длиной 100 и шириной 20 мм. Они испытываются в специальных приспособлениях, обеспечивающих их продольную устойчивость.
При испытании на сжатие машина может зафиксировать первичную диаграмму сжатия - зависимость усилия Р от уменьшения высоты образца (абсолютной деформации) h. Вид диаграммы сжатия различен для материалов, разрушающихся (рис. 4.11, 1) и не разрушающихся (см. рис. 4.11, 2) в результате испытания. В отличие от испытаний на растяжение при сжатии удается разрушить далеко не любой материал. Достаточно пластичные материалы при сжатии расплющиваются в тонкие пластины и не разрушаются при максимально возможных усилиях испытательной машины.
Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины контактных сил трения. Если они велики, то обычно наблюдается разрушение путем среза; если же они незначительны, то фиксируется разрушение отрывом.
По диаграмме сжатия определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. При этом условный предел прочности материалов, не разрушающихся при сжатии, определить нельзя. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия полностью аналогична методике для растяжения.
171
Рис. 4.11. Диаграммы сжатия разрушающихся при сжатии
(1) и не разрушающихся (2) в процессе испытания
При определении характеристик сопротивления малым деформациям для повышения точности рекомендуется использовать удлиненные образцы с h0 = 8d0.
Искажение схемы линейного сжатия контактными силами трения затрудняет определение истинной величины сопротивления металла пластической деформации. Но, учитывая правило постоянства объема образца в процессе пластической деформации, можно перестроить первичную диаграмму сжатия Р - h, кривую истинных напряжений S - . Поскольку объем образца V=Foh0 = Fh = const, F = Foh0/h = Fo/(h/hQ+1-1)
= Fo/(1 - ). При этом d2 = d02 h0 / h. Здесь F - площадь поперечного сечения образца, отвечающая условию постоянства объема и равномерности сжатия по высоте образца, a d - средний диаметр цилиндрического или бочкообразного образца. От-
сюда F/Fo = 1/(1-), = (F-Fo)/Fo = F/Fo -1 = 1/(1- )-1 = /(1- ),
172
= /(1+ ). Истинное напряжение сжатия S=P/F=P(1-
)/F0= (1- )= /(1- ).
Отсюда видно, что при сжатии, в противоположность растяжению, S < , так как F >F0. Диаграммы истинных напряжений при сжатии строят обычно в координатах S - , хотя в качестве меры деформации более строго было бы использовать истинное относительное сжатие. Кривая условных напряжений- , которая при сжатии всегда имеет вид, качественно аналогичный диаграмме истинных напряжений, поскольку на первичной диаграмме сжатия никогда нет максимума и участка снижения нагрузки.
Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий. Стандартизованы пробы на осадку и расплющивание. С их помощью по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину.
4.5. Испытания на изгиб
Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкостью по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластичное (например, у хладноломких о. ц. к. металлов и интерметаллидов). При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах: 1) нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами (рис. 4.12, а) и 2) нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор (см. рис. 4.12, б).
173
а) |
б) |
Рис. 4.12. Схемы изгиба сосредоточенной силой (а) и двумя симметричными нагрузками (б) с эпюрами изгибающего
момента М
Экспериментально первую схему реализовать гораздо проще, поэтому она и нашла наибольшее распространение. Следует учитывать, что вторая схема «чистого изгиба» во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максимальный изгибающий момент возникает на определенном участке длины образца, а не в одном сечении, как при использовании первой схемы.
В изгибаемом образце создается неоднородное напряженное состояние, зависящее от геометрии образца и способа нагружения. При чистом изгибе узких образцов с прямоугольным сечением напряженное состояние в каждой точке можно считать линейным. В широких образцах (с отношением ширины к высоте сечения более трех) при обеих схемах изгиба (см. рис. 4.12) создается двухосное напряженное состояние вследствие трудности поперечной деформации. Нижняя часть образца оказывается растянутой, а верхняя - сжатой. К тому же напряжения, связанные с величиной изгибающего момента, различны по длине и сечению образца. Максимальные напряжения
174
возникают вблизи поверхности. Все это затрудняет оценку средних истинных напряжений и деформаций, строго характеризующих механические свойства при изгибе.
Одним из преимуществ испытаний на изгиб по сравнению с растяжением является то, что образцы не имеют головок, поскольку изготовление образцов с головками, особенно из хрупких материалов, значительно сложнее. На изгиб испытывают прямоугольные или цилиндрические стержни. Для определения свойств отливок из чугуна используют цилиндрические образцы диаметром 30±1 и длиной 340 или 650 мм (при расстоянии между опорами 300 и 600 мм соответственно). Для исследовательских целей испытания на изгиб обычно ведут на цилиндрических образцах с d0 = 2-10 мм и расстоянием между опорами l 10d0 или плоских образцах с высотой b =1 - 3, шириной h = 3-15 мм и l 10h. Для оценки характеристик конструкционной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения до 30 x 30 мм2.
Испытания на изгиб можно проводить на любой универсальной испытательной машине, используемой для испытаний на растяжение. При этом образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и деформируют изгибающим ножом, закрепленным в верхнем захвате машины. Для уменьшения трения опоры, на которых лежит образец, часто делают из роликоподшипников. Образец изгибается при опускании верхнего или подъеме нижнего захвата. При этом на диаграммной ленте может быть записана диаграмма изгиба в координатах нагрузка Р - стрела прогиба f. Для пластичного материала диаграмма изгиба выглядит так, как показано на рис. 4.13. Если материал хрупкий, то кривая обрывается в точке b. Знание величины нагрузок Рпц, Рупр, РТ, РB позволяет определять условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности при изгибе. Напряжения на стадии упругой деформации рассчитывают по обычным формулам сопротивления материалов.
175