Механические испытания на растяжение

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80) проводятся по двум схемам:

 

1. Сосредоточенной  нагрузкой, приложенной в середине  пролета (рис. а). В этом случае наибольший изгибающий момент:

М_изг =P l /4,

где Р – изгибающая нагрузка; l – расстояние между опорами, на которых установлен образец. 

 

2. Двумя равными симметрично приложенными (на равных расстояниях от опор) сосредоточенными нагрузками, создающими на определенном участке чистый изгиб (рис. б). Расстояние от опоры, а целесообразно принимать равным 1/3 расчетной длины образца.

При чистом изгибе М_изг =Pa/2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При испытаниях на изгиб  можно подсчитать напряжения, соответствующие различным нагрузкам, а также определить стрелу прогиба образца f. Это определение проводится либо по кривой, полученной на диаграммном приборе машины, либо с помощью специальных приборов – прогибомеров.

На рис. 2 представлены типичные диаграммы изгиба для пластичных (рис. 2 а), малопластичных (рис. 2 б) и хрупких (рис. 2 в) материалов.

При изгибе хрупких  материалов максимум нагрузки часто  совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровождается резкими перегибами на ниспадающей ветви диаграммы.

Предел прочности  при изгибе в этом случае σ_изг = M_изг/W, где W (момент сопротивления) – геометрическая характеристика поперечного сечения бруса, показывающая сопротивляемость бруса изгибу в рассматриваемом сечении.

Для образцов круглого сечения W= π d³/32, где d – диаметр образца. Для образцов прямоугольного сечения со сторонами b и h W=bh²/ 6, где h – высота бруса.

При изгибе можно  определить пределы пропорциональности, упругости и текучести с точным замером деформаций.

Величина  прогиба f_разр характеризует пластичность; она зависит от материала, длины образца, момента инерции, от отношения высоты к ширине и способа приложения нагрузки.

 

При чистом изгибе величина прогиба зависит от соотношения длин участков а и b (рис. 2 б).

При изгибе устраняется  важный недостаток испытаний на растяжение (сжатие) – влияние перекосов  при установке образцов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Диаграммы изгибов:

 

а – пластичный  материал;

б – малопластичный;

в  – хрупкий.

 

 

Удельная работа распространения трещины (УРРТ). Хрупкое разрушение

 

Хрупкое разрушение металлов наиболее сильно проявляется при  ударных нагрузках. Поэтому большинство  методов для оценки сопротивляемости металла хрупким разрушениям основано на применении удара. Распространено испытание основного металла, металла шва и зон сварных соединений на ударный изгиб призматических образцов с надрезом r = 1 мм. В многослойных швах возможна неоднородность свойств по высоте поперечного сечения вследствие различных условий охлаждения металла и сегрегации вредных примесей по мере укладки отдельных слоев. Соответственно образцы изготавливают из корневой, средней и верхней частей шва. В однопроходных швах на сопротивляемость металла шва хрупкому разрушению оказывает влияние направление кристаллитов, сформировавшихся в процессе кристаллизации. Наиболее слабым участком обычно является ось шва. Располагая надрез по оси шва, свойства металла определяют по работе разрушения при движении трещины по направлению сварки либо в противоположном направлении. При оценке зоны термического влияния на сопротивляемость хрупкому разрушению надрезы располагают с небольшим шагом, чтобы можно было проследить изменение свойств металла в зависимости от температуры сварки (от линии сплавления к зонам, нагревавшимся до температур 200 – 300 0С).

 

Полную работу разрушения, состоящую из работы изгиба образца Ази работы распространения трещины по поперечному сечению Ар, относят к площади ослабленного сечения, в результате чего находят ударную вязкость ан. Испытания проводят для определения ан металла при температуре эксплуатации, а также для определения порога хладноломкости металла, т.е. температуры, при которой ан составляет 2,5·105 – 3·105 Дж/м2. Принято считать, что для многих конструкций величина ан должна быть не ниже 2,5·105 – 3·105 Дж/м2, хотя данная оценка является условной. Существуют примеры, когда при статических нагрузках и отсутствии острых концентраторов успешно работают детали при ан ниже 2,5·105 Дж/м2 и, напротив, есть конструкции с ан, превышающим 3·105 Дж/м2, и работающие неудовлетворительно. Данное явление можно объяснить наличием в конструкции мест, от которых может начаться разрушение. В этом случае сопротивляемость конструкции хрупкому разрушению зависит в основном от удельной работы распространения трещины ар, которая может быть весьма малой даже при ан = 3·105 Дж/м2. По этой причине необходимо использовать методы испытаний, позволяющие определить ар. Существует два пути:

 

1. разделить полную удельную работу ан на составляющие аз и ар;

 

2. сделать остроту  надреза такой, чтобы аз была крайне малой по сравнению с ар, тогда ан = ар.

 

При таких неопределенных требованиях к ар по количественному уровню считается достаточным найти температурный интервал Т1 – Т2, при котором величина ар резко снижается от стабильного для данного металла уровня (рис. 7.1,а). Установлено, что этому резкому снижению ар соответствует также изменение процента волокнистости излома в сечении разрушенного образца в том же температурном интервале (рис. 7.1,б). Поэтому можно устанавливать критические температуры изменения ар по соотношению площади кристаллического и волокнистого изломов в сечении образца. Рекомендуется критическую температуру определять при 50 % волокна в изломе. Верхним порогом хладноломкости принято считать температуру, при которой полностью исчезают в изломе образца хрупкие участки. Определение критической температуры возможно также исходя из условия, когда средние разрушающие напряжения достигают значения предела текучести. Необходимо отметить, что значения критических температур существенным образом зависят от размеров опытного образца (увеличение размеров приводит к смещению Ткр в область более высоких температур).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для оценки качества сварных соединений при низких температурах и ударных нагрузках разработаны различные специальные методы испытаний. В частности, Институтом электросварки им. Е.О. Патона предложен образец (рис. 7.2), ребро которого состоит из двух частей, приваренных угловыми швами к целой пластине. Наличие узкой щели в ребре приводит к концентрации напряжений, а процесс сварки создает ряд дополнительных неблагоприятных влияний, связанных с наличием концентратора. При растяжении до определенного напряжения и дополнительном ударе со стороны, противоположной ребру, образцы разрушались. 
К специальным методам испытаний можно также отнести метод Робертсона, позволяющий выявить зависимость между температурой испытаний, величиной ударной нагрузки и характером излома.

В пластине с характерной  геометрией (рис. 7.3) предусмотрен концентратор каплевидной формы. При приложении растягивающего усилия определенного уровня в месте наличия концентратора наносится удар, при этом область образца с концентратором предварительно охлаждена, а противоположная область нагрета. Каплевидная форма концентратора позволяет прогнозировать направление движения трещины. По мере движения из области низких в область высоких температур трещина останавливается. По результатам испытаний определяют область критических температур, а именно первую и вторую критические температуры. Величина второй критической температуры зависит от коэффициента концентрации напряжений, характера приложения нагрузки, среды, наличия собственных остаточных напряжений. В случае расположения концентраторов в зонах пониженной вязкости: Ткр2>Ткр1.

 

Испытания образцов при ударе свидетельствуют  о существенном влиянии состояния  и свойств зоны, где ожидается  начало разрушения, на прочность конструкции  в целом. Если основной металл при температуре испытания имеет свойства, при которых возможны хрупкие и квазихрупкие формы разрушения, то зона начала разрушения имеет решающее значение для прочности конструкции. Если основной металл разрушается вязко, то отрицательное влияние хрупких зон и концентраторов ослабевает. Начавшееся разрушение останавливается, входя в вязкий основной металл.