ИЗПИТВАНЕ НА МАТЕРИАЛИТЕ ПРИ ОПЪН И НАТИСК

 

Едно от основните понятия на Техническата механика – “деформация”, беше дефинирано като промяна на формата и размерите на телата при външно въздействие. Връзката между деформацията и външното въздействе, което я поражда, за различните материали се установява по опитен път. За целта част от материала с подходящи форма и размери (пробно тяло, образец), се подлага на различни въздействия с помощта на спезиализирана апаратура (изпитвателна машина)

 Фиг.1

 

 

r     Изпитвателна машина

На фиг.1 е показана снимка, а на фиг.2 - схема на устройството на ðåëàêñîìåòúð ZP400 (Германия). При тази машина се задава деформация в материала посредством преместване на челюстите в които е закрепено пробното тяло (образеца) и се измерва натоварващата сила. При това трябва да се следи за подходящо установяване на обхвата за натоварването (налични три обхвата за материали с различна якост – до 400N, до 2000N и до 4000N), на преводното одношение за регистриране на деформациите (налични три обхвата за материали с различна деформативност – 1:5, 1:1, 5:1) и на скоростта на натоварване (възможност за плавно регулиране от 0 до 100 мм/сек).

 

  Фиг.2

 

 

1. íîñåùà ðàìêà;

2. ÷åëþñòè;

3. ïîäâèæíà ðàìà;

4. âèíòîâà êîëîíà;

5. çàäâèæâàùî óñòðîéñòâî;

6. äàò÷èê çà ñèëà;

7. äàò÷èê çà äåôîðìàöèÿ;

8. çàïèñâàùî óñòðîéñòâî;

9. èíäèêàòîð çà äåôîðìàöèÿ;

10. èíäèêàòîð çà ñèëà.

 

 

 

Фиг.3  Фиг.4

 

На фиг.3 е показан динамометър - машина, която мери точно (с индикаторен часовник) само силата, а деформацията се отчита грубо от разграфен плъзгач или от записващото устройство.

Машините на фиг.2 и фиг.3 работят по стара технология (за съжаление такива са по-вечето машини, реално достъпни за учебния процес), при която резултатите от експеримента се записват на книжен носител, след което се разчитат и обработват.

На фиг.4 е показано едно по-съвременно изпитвателно средство, при което резултатите за регистрираните сила и преместване се подават на числово устройство, където се обработват по зададена програма, така че потребителят получава готови крайни резултати.

 

 

 

 Фиг.5

Фиг.6      Фиг.7

r     Пробно тяло (опитен образец)

Обикновено при провеждане на експериментите се измерват сили и удължения, а се правят заключения за напрежения и относителни деформации. За да се получат желаните напрежения, трябва да се подберат образци с подходяща форма и размери, които да осиурят хомогенно и еднородно напрегнато състояние. При този експеримент се използват пробни тела с правоъгълно напречно сечение на работния участък и уширявания (глави) в двата края, осигуряващи закрепването им в челюстите на машината (тип “лопатка”, фиг.5).

Характеристики на пробното тяло са началната дължина на работния участък lо,  ширината b и дебелината h, както и площта на напречното сечение Ao (фиг.6).

По време на експеримента работният участък се натоварва със сила Р (фиг.7), която формира напрежение

.

Под действие на силата участъкът получава удължение Δl, което формира относителна деформация

.

 

Фиг.8

кликни върху снимката за анимация

 

r     Експериментално изследване при опън

По време на експеримента пробното тяло се закрепва в челюстите на машината, след което двигателят се включва и той задвижва едната челюст така, че разстоянието между челюстите се увеличава до скъсване на образеца (фиг.8).

 

 

 

 

 

 

По време на експеримента пишещото устройство регистрира резултати за силата (Р) через хоризонтално преместване на писеца и удължението на работния участък (Dl) через завъртане на хартиения барабан (фиг.9).

За да е възможна обработката на записа, трябва да бъде въведен определен мащаб - на колко нютона отговаря 1 см хоризонтално преместване на писеца

( 1 см = ? [N] )

и на каква промяна на разстоянието между челюстите отговаря 1 см вертикално преместване на хартията.

( 1см = ? [мм] )

 

 

 

 

 

r     Привеждане на индикаторната диаграма в условна деформационна. Механични характеристики.

 

Фиг. 10

 

При натоварване на пробното тяло, от пишещото устройство се получава индикаторна диаграма в координати “сила Р” – “удължение Δl” (фиг.10 А). За да е възможно количествено сравнение между механичните характеристики на различните материали е необходимо да се съпоставят относителни характеристики. За целта индикаторната диаграма се трансформира в  условна деформационна, в координатна система напрежение ® деформация (s®e) (фиг.10 В) с помощта на формулите  и  .  

 

Терминът “условен” отбелязва, че относителните характеристики се формират с началните размери A0 и l0, а не с действителните текущи размери на образеца A и l, които са трудни за измерване.

При анализа на условната диаграма тя най-често се разполага така, че вертикалната ос да енапрежението s, а по хоризонталната - относителната деформация e (фиг.10С). Основните механични характеристики, които се определят при анализа са граница на пропорционалност и модул на еластичност, граница на провлачване, якост.

-         Определяне на якостта на материала

Якостта на материала (σВ) се отчита от най-високата точка на деформационната диаграма (т.В на фиг. 10С). Трябва да се отбележи, че освен от качествата на материала, тази характеристика (това важи и за останалите) се влияе и от скоростта на натоварване - при по-голяма скорост обикновено се регистрира по-голяма якост.

-         Определяне на модула на еластичност Е от закона на Хук:

σ = Е ε.

 

Законът на Хук определя линейна връзка между напрежението и деформацията. Поради това определянето на модула на еластичност се определя от началния, праволинеен участък на деформационната диаграма. Крайната точка Р, която разделя участъка, в който действа закона на Хук, и останалата част от диаграмата, в която той не действа, се нарича граница на пропорционалнаст. Същият термин се употребява и за напрежението в тази точка σР. Един от начините да бъде определен модулът на еластичност е по формулата

 

като σP и εP се отчетат от деформационната диаграма (фиг.10С).

 

-         Граница на еластичност т.Е

Границата на еластичност разделя участъка на диаграмата, в който деформацията е еластична (след премахване на натоварването образецът възвръща първоначалната си дължина) и останалата част, в която деформацията не е еладтична и има остатъчна деформация. В участъка между т.Р и т.Е деформацията е нелинейна и еластична (диаграмата е подчертано крива линия). За повечето материали този участък е много малък и се пренебрегва. Тогава се говори само за граница на еластичност, като се подразбира, че това е и граница на пропорционалност.

-         Границата на провлачване т.S

Границата на провлачване е напрежението, при което настъпва пренареждане на структурните единици в материала, съпроводено от значителна деформация без увеличаване ва напрежението. На диаграмата това се изразява с хоризонтален участък (площадка на провлачване). Тази механична характеристика се наблюдава в явен вид само при някои материали, от които най-популярни са различните видове стомани.

 

Фиг.11

кликни върху снимката за анимация

  Определяне характера на разрушаването

Най-общото деление на материалите според характера на разрушаването е на “жилави”, които се разрушават при големи деформации и на “крехки” – при съвсем малки деформации. Освен това характерът е различен при пластичните и еластичните материли.

Идеално пластичните материали се разрушават по деформационен признак. При тях се образува шиика (фиг.11), която постепенно изтънява до прекъсване на работния участък.

 

 

 

 

Фиг.12

кликни върху снимката за анимация

 

 

 

 

Еластичните материали се разрушават по силов признак – нормалните напрежения прекъсват връзките между частиците на материала и образуват пукнатина, перпендикулярна на оста на пробното тяло (фиг.12).

 

 

 

 

 

   

Фиг.13

 

 

 

 

 

Съществува и преходен тип разрушаване, което може да бъде наречено “еласто-пластично”. При него процесът започва с разкъсване на междучастичните връзки от тангенциалните напрежения и образуване на пукнатини, насочени под ъгъл 45о спрямо оста на пробното тяло (пластичен стадии, фиг.13) . Пукнатините започват да намаляват напречното сечение на работния участък, докато се стигне до пълно разделяне на участъка от нормалните напрежения с пукнатина, перпендикулярна на оста (еластичен стадии). Получава се характерна форма на разрушаване “конус-чашка”.

 

 

 

 

 

 

 

r     Експериментално изследване при натиск

 

Ôèã.14

1. пробно тяло, 2.натоварващи елементи, 3- рамка, 4- захват

Експериментът се осъществява, като пробното тяло се поставя между два натоварващи елемента, които след пускането на машината се приближават един към друг и осъществяват натиска. За целта долният натоварващ елемент посредством рамка е свързан с горния захват на машината, а горният елемент – с долния захват (фиг.14). 

 

 

 

 

 

 

Фиг.15

r     Пробно тяло

Пробното тяло има призматична или цилиндрична форма (фиг.15). Трябва да се отбележи, че при експериментите на натиск резултатите значително се влияят от размерите и пропорциите на пробното тяло, които са определени в съответните стандарти. Тук ще бъдат отбелязани две особености.

а) Опасност от загуба на устойчивост

Статическата схема на пробното тяло е сходна с тази на центрично натиснатите пръти и съществува опасност по време на натоварването да се получи загуба на устойчивост (изкълчване). Поради това дължината на пробното тяло не трябва да има голяма стройност. За призматичните тела се спазват пропорциите , а за цилиндричните - (d – диаметър на напречното сечение).

 

Фиг.16

Фиг.17

б) Опасност от нарушаване на еднородното напрегнато състояние

По време на експеримента пробното тяло намалява размера си в надлъжно направление и го увеличава в напречно. Например точката п от тялото на фиг.16 трябва да се придвижи от положение 1 в недеформирано състояние към положение 2 в деформирано състояние. Така се формира желаното едномерно напрегнато състояние, съпроводено от двумерно деформирано състояние. Големият натиск при натоварващите елементи обаче поражда големи сили на триене, които могат да възпрепятстват движението на т.п (фиг.17). Така се получава характерна “бъчвообразна” форма, съдържаща области с едномерно деформирано състояние и двумерно напрегнато състояние, което не отговаря на естеството на експеримента и нетрябва да се допуска. Този ефект може да се избегне като се нанесе смазващо вещество при контакта между натоварващите елементи и пробното тялокоето да намали коефициента на триене, а от там и силите на триене.

 

q       Определяне на характера на разрушаването

 

Фиг.18

кликни върху фигурата за анимация

При натиск идеално пластичните материали получават големи деформации (жилави материали), но не се разрушават (фиг.18). При тях може да бъде въведена “условна якост” по деформационен признак – напрежението s при което се получава недопустима деформация eÂ.

 

 

 

 

 

 

 

 

Фиг.19

кликни върху фигурата за анимация

 

Крехките материали се разрушават по деформационен признак – когато положителната напречна деформация  стане равна на граничната стойност e (). Визуално това се изразява с появяването на надлъжни пукнатини (надлъжно нацепване, фиг.19).

 

 

 

 

 

 

 

    

 

Съществува и междинна форма на разрушаване, която може да бъде наречена “еласто-пластично разрушаване” – когато максималните тангенциални напрежения достигнат гранична стойност (). Както и при експериментите на чист опън, и тук това разрушаване се проявява с пукнатини, насочени под ъгъл 45о спрямо оста на пробното тяло (фиг. 20).

 

към следващ материал