Методы механических испытаний материалов

Упругая и пластическая деформация материалов

Деформацией называют изменение размера и формы образца материала без его разрушения под воздействием внутренних механических напряжений. Причиной этих внутренних напряжений обычно выступают различного рода внешние нагрузки. Однако возможно влияние и внутренних факторов, таких как структурно-фазовые превращения в материале, неравномерный нагрев или охлаждение образца и т.п.

Деформацию материалов подразделяют на упругую и пластическую.

Упругая деформация наблюдается при относительно небольших напряжениях в образце и исчезает после исчезновения причин её вызвавших, в частности после снятия внешней нагрузки.

Пластическая или остаточная деформация наряду с упругой наблюдается при более высоких напряжениях в образце и не исчезает после исчезновения причин её вызвавших, т.е. сохраняется после снятия внешней нагрузки.

Способность материалов испытывать значительную пластическую деформацию перед разрушением называют пластичностью. Многие металлы и сплавы отличаются достаточно высокой пластичностью.

Под механическими свойствами материалов понимают их способность сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода внешних нагрузок. К механическим свойствам относят твёрдость материалов, их прочность, пластичность, вязкость и т.д. От механических свойств в значительной степени зависит успех эксплуатации различных деталей, механизмов и конструкций.

Для оценки механических свойств материалов проводят специальные механические испытания, в которых на испытуемый образец подают различные нагрузки и изучают его деформацию иногда вплоть до разрушения.

Методы механических испытаний материалов

В зависимости от характера нагрузок, подаваемых на испытуемый материал, механические испытания подразделяют на статические, динамические и циклические.

В статических испытаниях нагрузки на образец подаются относительно плавно и сравнительно долго выдерживаются. К статическим испытаниям относят, в частности, испытания материалов на одноосное растяжение, а также испытания, связанные с определением твёрдости материала.

Твёрдостью называют способность материалов сопротивляться деформации в поверхностных слоях при местном контактном воздействии. Для определения твёрдости в образец материала под нагрузкой вдавливают либо стальной закалённый шарик (метод Бринелля), либо алмазную пирамидку (метод Виккерса). Твёрдость вычисляют по отношению нагрузки к площади полученного отпечатка. Таким образом, твёрдость по Бринеллю и Виккерсу имеет смысл давления, выдерживаемого поверхностным слоем материала, при вдавливании в него того или иного индентора. Единицей измерения такой твёрдости является МПа (10⁶ Па). (На практике часто пользуются внесистемной единицей измерения – кгс/мм² = 10 МПа). В методе Роквелла твёрдость определяют по глубине проникновения в материал алмазного конуса (для твёрдых материалов) или стального закалённого шарика (для более мягких материалов).

В динамических испытаниях нагрузки, подаваемые на испытуемый материал, являются кратковременными (ударными). К испытаниям такого рода относятся, в частности, испытания на ударный изгиб, в которых определяется ударная вязкость материала (КС). Метод основан на разрушении стандартного образца материала с надрезом на поверхности одним ударом маятникового копра. По разнице высот поднятия копра до и после удара (h₁ и h₂) определяют работу разрушения А_р, а затем ударную вязкость материала:

А_р = mg(h₁ – h₂), КС = А_р / S₀, (4.1)

где m – массакопра, S₀ - площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Вязкие материалы отличаются от хрупких более высоким значением КС. Если испытания проводятся при различных понижающихся температурах, то появляется возможность определить порог хладноломкости материала, т.е. такую температуру, при охлаждении до которой величина КС резко уменьшается и вязкое разрушение сменяется хрупким.

В циклических испытаниях нагрузки, подаваемые на испытуемый материал, носят продолжительный характер и могут изменяться со временем по определённому закону (например, синусоидальному или пилообразному). К динамическим испытаниям относятся испытания на усталость и ползучесть материала. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в металле под воздействием длительных переменных напряжений. Следствием усталости является образование и развитие усталостных трещин, приводящих, в конечном счёте, к разрушению материала. В испытаниях на усталость образец круглого сечения вращается в условиях постоянно действующей нагрузки на изгиб. (Рис 4.1). При этом напряжение в образце циклически меняет знак. В ходе испытаний регистрируют разрушающее напряжение и соответствующее ему число циклов. В результате определяют предел выносливости s_-1 – максимальное напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения.

Ползучестью называют пластическую деформацию материала при очень маленьких, но продолжительных нагрузках.

 

s

 

 

t

 

Р

 

Рис. 4.1. Циклические испытания материала.