Конструктор, выбирая материал для проектируемой детали, а затем рассчитывая ее на прочность (жесткость, устойчивость), должен располагать данными о механических свойствах материала, т. е. его прочности, пластичности и т. п. В связи с этим создано много различных видов испытаний, но основными и наиболее распространенными являются испытания на растяжение и сжатие. С их помощью удается получить наиболее важные характеристики материала, находящие прямое применение в расчетной практике. Для испытания на растяжение используют специально изготовленные образцы (рис. 11), основной особенностью которых является наличие усиленных мест захвата и плавного перехода к сравнительно узкой ослабленной рабочей части. Начальную расчетную длину /0 образца принимают обычно раз в 10 большей диаметра d. Рис. 11. Стандартный образец для испытаний на растяжение Испытания на растяжение и сжатие проводят на специальных машинах, где усилие создают либо при помощи груза, действующего на образец через систему рычагов (рычажная машина), либо при помощи гидравлического давления, передаваемого на поршень (гидравлическая машина). Современные испытательные машины обычно снабжены прибором для автоматической записи диаграммы растяжения — сжатия. Это дает возможность сразу после испытаний получить вычерченную в определенном масштабе кривую F = / (At), которую называют диаграммой растяжения образца. Рис. 12. Диаграмма растяжения образца На рис. 12 показан примерный вид диаграммы растяжения, полученной при испытании образца из малоуглеродистой стали. На диаграмме точка 0 соответствует началу растяжения образца. В начальной стадии испытания (до точки А с ординатой F»4) зависимость между силой и удлинением линейна, т. е. справедлив закон Гука. При растягивающей силе Fy (т. В), почти не отличающейся от Fm, в образце возникают первые остаточные деформации. При некотором значении растягивающей силы FT наблюдается рост удлинения образца без увеличения нагрузки. Это явление называется текучестью металла. Соответствующий участок диаграммы (почти горизонтальная линия) называется площадкой текучести. В этой стадии деформации полированная поверхность образца становится матовой и на ней можно обнаружить сетку линий, наклоненных к оси образца под углом примерно 45°. Это так называемые линии Людерса — Чернова, представляющие собой следы сдвигов частиц материала. Направление указанных линий соответствует площадкам, на которых при растяжении образца возникают наибольшие касательные напряжения. По окончании стадии текучести материал вновь начинает сопротивляться деформации (т. L), здесь связь между силой и удлинением нелинейна: удлинение растет быстрее нагрузки. Этот участок диаграммы называют зоной упрочнения. При силе, примерно равной Fmax, на образце появляется местное утонь- шение — шейка (т. С), в результате сопротивление образца падает и его разрыв (т. D) происходит при силе, меньшей Fmax. Пользоваться построенной диаграммой растяжения образца неудобно, так как она существенно зависит от размера поперечного сечения образца и длины выбранной измерительной базы /0. Для того чтобы исключить влияние этих факторов, диаграмму Д/ = /(F) перестраивают: все ординаты делят на начальную площадь поперечного сечения Аа, а все абсциссы — на начальную расчетную длину /а. В результате получают так называемую условную диаграмму растяжения материала Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичного материала На диаграмме отмечены точки (и их ординаты), соответствующие механическим характеристикам, полученным при статических испытаниях на растяжение. Предел пропорциональности — это наибольшее напряжение, до которог о материал следует закону Гука: При дальнейшем увеличении нагрузки диаграмма становится криволинейной. Однако если напряжения не превосходят определенной величины — предела упругости оу, то материал сохраняет свои упругие свойства, при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. Предел упругости — это наибольшее напряжение, до достижения которого в образце возникают только упругие деформации: Предел текучести — это напряжение, при котором проис ходит рост деформаций без заметного увеличения нагрузки: При напряжениях, больших а» в конструкции развиваются пластические деформации, которые не исчезают при снятии нагрузки. Ряд материалов при растяжении дает диаграмму без выраженной площадки текучести; для них устанавливается так называемый условный предел текучести. Условным пределом текучести оь,2 называется напряжение, которому соответствует остаточная деформация, равная 0,2%. Предел прочности, или временное сопротивление — это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом до разрушения: Напряжение, возникающее в образце в момент разрыва, называется истинным сопротивлением разрыву SK: где FK и Ак — соответственно сила и площадь поперечного сечения образца в момент разрыва. Кроме перечисленных выше механических характеристик материала, при испытании на растяжение определяют также характеристики пластичности, к которым относятся относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение при разрыве. Относительное остаточное удлинение при разрыве S определяется по формуле где 1К — длина рабочей части образца после разрушения; 10 — длина рабочей части образца до испытания. Относительное остаточное сужение при разрыве Ч* является второй характеристикой пластичности: где А0 — начальная площадь поперечного сечения образца; Ак — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Данные характеристики служат для оценки пластичности материала, чем они выше, тем материал пластичнее. Условно считают, что к пластичным могут быть отнесены материалы, для которых д > 5%. К числу пластичных материалов можно отнести медь, алюминий, латунь, малоуглеродистую сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабопластичных материалов относится большинство легированных сталей. На рис. 14, а представлены диаграммы растяжения различных пластичных материалов. Как видим, некоторые пластичные материалы не имеют ярко выраженной площадки текучести. Рис. 14. Диаграммы растяжения различных материалов: а) пластичные материалы; б) хрупкий материал Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т. е. способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях. Для таких материалов величина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2-5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. Типичные хрупкие материалы — серый чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, камень и др. Хрупкие материалы дают иного рода диаграммы растяжения (см. рис. 14, б). Такая диаграмма не имеет явно выраженного прямолинейного участка, т. е. прямой пропорциональности между напряжением и относительным удлинением не наблюдается. У хрупкого материала отсутствует явление текучести, и деформации упруги почти вплоть до разрушения. Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура и т. п.) и вида напряженного состояния хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие. Остановимся дополнительно еще на некоторых вопросах, связанных со статическими испытаниями малоуглеродистой стали (и других пластичных материалов) на растяжение. Опытным путем установлено, что при разгрузке образца, растянутого так, что в нем возникают напряжения выше предела упругости и даже выше предела текучести (например, от точки N диаграммы на рис. 15), линия разгрузки оказывается прямой, параллельной начальному участку ОА диаграммы. Следовательно, полная деформация образца состоит из двух частей — упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и остаточной (пластической). Рис. 15. Закон упругой разгрузки Полное удлинение, соответствующее нагрузке в точке N, выражается отрезком OL, упругое — отрезком ML и пластическое — отрезком ОМ оси абсцисс диаграммы (см. рис. 15). Упругая деформация и при напряжениях, больших предела пропорциональности, может быть также определена по закону Гука. Это следует из того, что линия разгрузки — прямая. Параллельность этой линии начальному участку диаграммы указывает, что модуль упругости Е при разгрузке имеет то же значение, что и при нагружении в пределах справедливости закона Гука. Если подвергнуть повторному нагружению образец, который был предварительно растянут до возникновения в нем напряжений, больших предела текучести, то оказывается, что линия нагрузки практически совпадает с линией разгрузки, а часть диаграммы, лежащая левее точки, от которой производилась разгрузка, не повторяется. Таким образом, в результате предварительной вытяжки материала за предел текучести его свойства изменяются: повышается предел пропорциональности и уменьшается пластичность. Это явление называется наклепом. В определенном смысле можно сказать, что в результате наклепа материал упрочняется. Уменьшение пластичности материала при наклепе подтверждается следующим. Пластичность материала характеризуется значением относительного остаточного удлинения при разрыве S пропорционально отрезку OL оси абсцисс диаграммы (см. рис. 15), а при наклепе оно пропорционально меньшему отрезку ML. так как часть диаграммы, лежащая левее точки N, не повторяется. Наклеп может быть также следствием холодной обработки металла. Например, при изготовлении клепаных конструкций отверстия для заклепок зачастую продавливают (пробивают) на специальных прессах. В результате материал у краев отверстия оказывается наклепанным, обладает повышенной хрупкостью и при действии переменных напряжений в этой зоне возможно появление трещин. Поэтому целесообразно пробивать отверстия меньшего диаметра, чем требуется, а затем рассверливать их до заданного размера. При этом наклепанная часть материала будет удалена. В других случаях наклеп полезен и его создают специально. Например, провода, тросы, стержни для арматуры железобетонных конструкций зачастую подвергают предварительной вытяжке за предел текучести. Изложенная выше методика испытаний и соответствующая ей терминология складывались постепенно и включали в себя результаты работ многих ученых. Окончательную форму они приняли в XIX в., когда основным конструкционным материалом была малоуглеродистая сталь. Диаграмма для этой стали с ее характерными точками и определила номенклатуру механических характеристик. Диаграмма растяжения (см. рис. 13), имеющая явно выраженную площадку текучести, характерна лишь для малоуглеродистой стали и некоторых сплавов цветных металлов. Диаграмма растяжения некоторых пластичных металлов и сплавов, не имеющих площадки текучести, представлена на рис. 16. Рис. 16. Диаграмма напряжения материала, не имеющего площадки текучести |
Для проведения расчетов конструкций и моделирования их поведения в тех или иных условиях нужны механические характеристики материалов. Их получают экспериментальным путем, проводя испытания образцов в условиях нагружения. В связи с этим создано много различных видов испытаний, но основными и наиболее распространенными являются статические испытания на растяжение и сжатие при комнатной температуре. С их помощью удается получить наиболее важные сведения о материале, используемые в расчетной практике. Для проведения испытаний применяются специальные машины и приспособления. На рис. 2.7 приведена фотография сервогидравличе- ской испытательной машины фирмы Instron. Машина имеет гидравлические захваты, позволяющие надежно закрепить образец. Верхний захват закреплен неподвижно на поперечной траверсе, а нижний перемещается под действием гидроцилиндра. В процессе испытания усилие, действующее на образец, измеряется встроенным высокоточным датчиком. Для измерения деформации образца служат внешние навесные датчики — экстензометры (рис. 2.8). Ножи датчика закрепляются на поверхности образца и, перемещаясь, вырабатывают сигнал, пропорциональный этим перемещениям. Испытательная машина работает под управлением персонального компьютера, на котором устанавливается специальное программное обеспечение для управления экспериментом, сбора информации и для интерпретации результатов в требуемом виде. Обычно по результатам эксперимента строится диаграмма зависимости удлинения образца от действующего на него усилия (рис. 2.9). Рис. 2.7. Внешний вид испытательной машины Instron 8801 Рис. 2.8. Внешний вид эстензометра, закрепленного на поверхности образца Рис. 2.9. Диаграмма зависимости удлинения образца от действующего на него усилия Можно отметить пять характерных точек на диаграмме. Точка 1 лежит в конце прямолинейного участка, в пределах которого удлинение пропорционально нагрузке. При нагрузках, меньших Fn4 (отрезок О — I1 ), зависимость между силой и удлинением линейная. Точке 2 соответствует нагрузка, являющаяся верхней границей проявления чисто упругих деформаций, она обозначается Fy и равна отрезку О — 2/Точка 3 характеризуется тем, что при достижении нагрузкой величины FT, измеряемой отрезком О — З1, дальнейшее удлинение образца в некоторых пределах может происходить без увеличения нагрузки. Это явление носит название текучести, и горизонтальный отрезок диаграммы, расположенный непосредственно правее точки 3, называется площадкой текучести. После площадки текучести для дальнейшего увеличения деформации требуется и дальнейшее увеличение растягивающей силы. Материал приобретает снова способность сопротивляться деформации, поэтому участок за площадкой текучести до точки 4 называется участком упрочнения. Точка 4 соответствует максимальной силе, которую способен воспринять образец. После нагрузки FB, измеренной отрезком 0-41, рост деформации происходит без увеличения и даже при уменьшении силы. В образце по достижении нагрузкой величины О — 41 вблизи какого-то промежуточного сечения образуется резкое сужение, называемое шейкой, развитие которой заканчивается разрушением образца. Разрушению соответствует точка 5. В процессе деформации образца по мере его удлинения еще до образования в нем «шейки» происходит уменьшение диаметра образца, т. е. происходит его поперечное сужение. Если загружение образца произвести до силы F > FT (точка С на диаграмме), а далее осуществить разгрузку, то ей будет соответствовать отрезок CD, параллельный отрезку 0-1. Повторное загружение характеризуется тем, что до нагрузки О-С диаграмма совпадает с прямой CD разгрузки. При дальнейшем увеличении нагрузки точки попадают на кривую С-4-5, которая имела бы место в случае, если бы образец и не подвергался разгрузке. Отрезок ОСхарактеризует величину удлинения базы образца, которое соответствует силе ОС. Эту величину удлинения называют полным удлинением Д/полн. При полной разгрузке образца некоторая часть полного удлинения исчезает, а другая часть остается. Имея в виду, что свойство деформируемых тел принимать первоначальные форму и размеры после удаления причин, вызвавших деформацию, называется упругостью, обозначим упругую часть удлинения, т. е. исчезающую при разгрузке, символом А 1е. Остальная, неисчезающая, часть удлинения называется остаточным, или пластическим удлинением А1р, а соответствующую ему деформацию называют пластической деформацией. Соответственно Д/полн = А 1е + А1р. Если образец был нагружен в пределах участка 0-2 и затем разгружен, то удлинение будет чисто упругим, и А 1р = 0. Если диаграмму растяжения (рис. 2.9) подвергнуть некоторому преобразованию, то из нее можно получить так называемую диаграмму напряжений при растяжении. Это преобразование состоит в том, что по каждому значению нагрузки находится соответствующее значение напряжения: где Л0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца. Аналогично, зная первоначальную длину образца /0 и пользуясь формулой осуществляем переход от абсолютных удлинений А/ к относительной линейной деформации s. Из диаграммы в системе осей F — А/ получается диаграмма в системе осей ст-8 (путем аффинного преобразования — «сжатия»: вдоль осей ординат — в А0 раз и в /0 раз — вдоль оси абсцисс). Полученная таким образом диаграмма (сплошная линия на рис. 2.10) называется диаграммой условных напряжений. Диаграмма условных напряжений характеризует уже не свойства образца, а свойства материала. Условность диаграммы состоит в том, что при ее построении все силы относятся к Aq — первоначальной площади поперечного сечения образца, тогда как на самом деле с увеличением силы площадь поперечного сечения растягиваемого образца уменьшается. Если при переходе от F к а учитывать это фактическое уменьшение А, то получим так называемую диаграмму истинных напряжений (пунктир на рис. 2.10). Рис. 2.10. Диаграмма условных напряжений Напряжения, соответствующие точкам 1, 2, 3, 4, т. е. силам Fm, Fy, FT, FB, обозначаются символами стпц, сту, ат, ств(апч) и имеют специальные названия: • ^пц/Д)=апц- предел пропорциональности — это наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука
Рис. 2.11. Определение условного предела текучести Рассмотренные выше напряжения называются механическими характеристиками материала. Обычно апц и ау близки одно к другому по величине. Основными механическими характеристиками прочности материала, используемыми в расчетной практике, являются предел пропорциональности апц, предел текучести ат, предел прочности ав. Диаграмма, изображенная на рис. 2.10, имеет вид, характерный для очень многих материалов. Важно, что подавляющее большинство материалов, имеет линейный участок, характеризующийся напряжениями от нуля до предела пропорциональности. В пределах этого участка особенно просто выражается функциональная связь между напряжениями и деформациями. Это один из фундаментальных законов механики — закон Гука. В общем случае в окрестности любой точки могут действовать три нормальных напряжения на трех взаимноперпендикулярных площадках. Тогда деформация в одном направлении зависит от всех трех нормальных напряжений. Это обобщенный закон Гука: где гх, еу, ez — линейные деформации в направлении осей х, у, г, сх, су, cz — нормальные напряжения; р — коэффициент Пуассона, связывает продольную деформацию с поперечной; Е — модуль Юнга. Соотношения (2.9) следует дополнить зависимостями между деформациями сдвига и касательными напряжениями. где уху, у уz, у^ — угловые деформации на соответствующих площадках; Тху, Туг, Тгх — касательные напряжения; G — модуль сдвига [8,9]. |
- ОФС.1.2.1.2.0003.15 Тонкослойная хроматография // Государственная фармакопея, XIII изд.
- А.В. Ланцова, Е.В. Санарова, Н.А. Оборотова и др. Разработка технологии получения инъекционной лекарственной формы на основе отечественной субстанции производной индолокарбазола ЛХС-1208 // Российский биотерапевтический журнал. 2014. Т. 13. № 3. С. 25-32.
- Baas, «Geschichte d. Medicin».
- https://studme.org/230324/tehnika/ispytanie_materialov_rastyazhenie_szhatie_osnovnye_mehanicheskie_harakteristiki_materialov.
- https://studref.com/555455/meditsina/ispytanie_materialov_rastyazhenie_szhatie.
- Renouard, «Histoire de la medicine» (П., 1948).
