Методы испытания материалов

     Каждый  размер следует измерять несколько  раз. Например, ГОСТ 1497—73 обязывает  производить замер диаметра в середине и по краям рабочей части образца с последующим определением среднего значения, по которому рассчитывают площадь его поперечного сечения.

     К методике проведения испытаний на растяжение при повышенных и отрицательных  температурах предъявляют ряд специфических требований. При высокотемпературных испытаниях нагревательные устройства (термостаты и печи самых разнообразных конструкций) должны обеспечивать равномерный нагрев образца в пределах расчетной длины и поддержание заданной температуры в установленных пределах в течение всего времени испытания. Рекомендуется, чтобы длина рабочего пространства печи была как минимум в пять раз больше начальной расчетной длины образца. При высокотемпературных испытаниях следует особое внимание уделять надежности крепления головок образцов в захватах, иначе возможно сильное искажение результатов из-за деформации, выскальзывания из захватов и преждевременного разрыва образца у головок, размягчающихся при нагреве. Поэтому при высокотемпературных испытаниях используют чаще всего цилиндрические образцы с резьбовыми головками, или плоские с отверстием, в которое вставляют проходящий через захват поперечный стержень. Точность поддержания температуры в образце тем меньше, чем она выше. До 873 К эта точность не должна быть ниже ±3, от 873 до 1173—±4, от 1173 до 1473 К—±6 К. Время выдержки при температуре испытания, а также скорость нагрева могут существенно сказываться па механических свойствах. Обычно образцы выдерживают 5—30 мин. Скорость нагрева до заданной температуры, как правило, должна быть по возможности минимальной.

     При повышенных температурах на свойствах  многих металлов сильно сказывается  окружающая образец среда. В частности, при нагреве, выдержке и в процессе испытания возможно взаимодействие материала образца с газами воздуха. За счет окисления, азотизации или наводороживания механические свойства могут кардинально изменяться. Поэтому при высоко температурных испытаниях часто приходится использовать вакуумные печи с защитной атмосферой, например инертными газами (чаще всего аргоном). Тяги захватов при этом вводят в рабочее пространство печи через специальные устройства — сильфоны, позволяющие захватам перемещаться без разгерметизации внутреннего объема печи.

     Для низкотемпературных испытаний между  захватами машины устанавливают сосуд с теплоизолирующими стенками, содержащий охлаждающую жидкость. Емкость такой камеры должна быть достаточно большой для того, чтобы обеспечить быстрое охлаждение и возможность поддержания заданной температуры образца при испытании.

     До 213 К в качестве охлаждающей среды  используют смесь этилового спирта разных сортов с сухим льдом. Диапазон температур 213—173 К получается в смесях чистого этилового спирта с жидким азотом. Использование жидкого азота без спирта позволяет получить температуру 77 К. Изменение температуры охлаждающих смесей достигается за счет изменения соотношения компонентов. Кроме жидких охладителей, используются холодильные камеры с воздушной атмосферой. Допускаемые отклонения от заданной температуры испытания не должны быть больше ±2 до 213 К и ±5 ниже 213 К. Время выдержки при температуре испытания обычно составляет 10—20 мин в зависимости от размера образца. Для измерения отрицательных температур рекомендуется использовать жидкостные (нертутные) или термоэлектрические термометры сопротивления. 
 

      Сжатие.

     Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается  при растяжении (рис. 3). Кривая соотношения  между условным напряжением и  условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.  

     Рис. 3 Диаграммы растяжения и сжатия

      Схема одноосного сжатия характеризуется  большим коэффициентом мягкости (а = 2) по сравнению с растяжением (а = 0,5), поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. На практике по этим испытаниям оценивают свойства чугуна и других хрупких сплавов.

     Схема испытания на сжатие и геометрия  используемых образцов показаны на рис. 4. Испытания проводят на тех же машинах, что и растяжение. Образец устанавливают  на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например шарового вкладыша в верхнем захвате (рис. 4,а).

     Рис. 4 Схема (а) и формы образцов (б - г) для испытания на сжатие 
 

      По мере сжатия на торцовых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму (рис. 4,а), а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2, например, возникает схема объемного сжатия, а в точке 3—  разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния образца в практике не учитывают, рассчитывая прочностные характеристики при сжатии по тем же формулам, что и при растяжении. Это придает дополнительную условность определяемым свойствам. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца, что достигают обычно одним из следующих способов или их сочетанием:

1. введением различных смазок (вазелин, солидол) и прокладок (тефлон, пропитанная парафином фильтровальная бумага) между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами;
2. использованием подкладок и образцов с конической поверхностью на торцах (рис. 4, в). Углы конусности £ подбирают так, чтобы tg £ был равен коэффициенту трения;
3. помимо конусности, в образце делают центральное отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса (рис. 4, г).

     Но  полностью устранить контактные силы трения и обеспечить в течение  всего испытания линейное напряженное  состояние в образце не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие.

     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.

     Значения  прочностных характеристик при  сжатии, особенно предела прочности, обычно значительно выше, чем при растяжении. Например, по данным Е. М. Савицкого, предел прочности, МПа, редкоземельных металлов при сжатии в 2—3 раза выше, чем при растяжении, что видно из следующих данных:

     Таблица 3

     Схемы сжатия используют в технологических  пробах для оценки деформационной способности  полуфабрикатов и изделий. Стандартизованы  пробы на осадку (ГОСТ 8817—73) и расплющивание (ГОСТ 8818—73). С их помощью по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину. 

     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. При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах:

1. нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами;
2. нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор.

     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 создается двухосное напряженное состояние из-за затруднения поперечной деформации. Нижняя часть образца оказывается растянутой, верхняя — сжатой. К тому же напряжения, связанные с величиной изгибающего момента, различны по длине и сечению образца. Максимальные напряжения возникают вблизи поверхности. Все это затрудняет оценку средних истинных напряжений и деформаций, строго характеризующих механические свойства при изгибе.

     Образцы для испытаний на изгиб не имеют  головок. Это еще одно преимущество по сравнению с растяжением, так  как 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 растяжении 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 > d₀ или плоских образцах с высотой b=1-3, шириной h=3-15 мм и t≥10h. Для оценки характеристик конструкционной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения до 30×30 мм.

     Испытания на изгиб можно проводить на любой  универсальной испытательной машине, используемой для испытаний на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и деформируют изгибающим ножом, крепящимся 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.

     Простота  испытания на изгиб и наглядность получаемых при этом характеристик пластичности привели к разработке ряда технологических проб, которые применяются в заводских условиях. Задача всех этих проб — оценить пластичность деформированных полуфабрикатов, отливок и изделий (листов, труб, проволоки и др.). ГОСТ 14019— 80 «Методы испытаний на изгиб» предусматривает изгиб сосредоточенной силой плоских образцов из проката, поковок и отливок, помещаемых на две опоры. Критерием годности продукции может быть: а) заданный угол загиба образцов ß (см. рис. 6, б) появление первой трещины после загиба на угол ß, равный или больший заданного; в) возможность загиба пластины до параллельности (см. рис. 6, в) или соприкосновения сторон (см. рис. 6, г). Существуют также пробы на перегиб листа, ленты и проволоки, в которых фиксируют заданное число перегибов либо количество перегибов, после которых появились трещины или образец разрушился.

     Рис. 6 Технологическая проба на изгиб

     а – образец перед испытанием;

     б – загиб до определенного угла;

     в – загиб до параллельности сторон;

     г – загиб до соприкосновения сторон.

      3. Свойства при динамических испытаниях 

     При эксплуатации различные детали и  конструкции часто подвергаются ударным нагрузкам. В качестве примера можно привести переезд автомобиля через выбоину на дороге, взлет и посадку самолетов, высокоскоростную обработку металла давлением (при ковке и штамповке) и др. Для оценки способности металлических материалов переносить ударные нагрузки используют динамические испытания, которые широко применяются также для выявления склонности металлов к хрупкому разрушению. Стандартизованы и наиболее распространены ударные испытания на изгиб образцов с надрезом. Помимо них используются методы динамического растяжения, сжатия и кручения. Скорости деформирования и деформации при динамических испытаниях на несколько порядков больше, чем при статических.