ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

Испытания механических свойств материалов

на разрывных машинах

I. Введение

Применение конструкционных ма­териалов определяется их поведением при механических нагрузках и деформировании, если первую роль не играют специальные свойства, такие как электромагнитные, химические, теплофизические, сангигиенические или эстетические. Выход из строя какой-либо вещи: механизма, узла иди отдельной детали чаще всего связано с ее механическим разрушением или деформированием (редко с электрофизическим или химическим разрушением).

Поэтому практически надежность механизмов и конструкций в условиях эксплуатации обеспечивается деформационно - прочностными характеристиками применяемых материалов. Сертификация материалов в первую очередь предусматривает соответствие механических свойств продукции нормативно-техническим документам.

Рис.1. Характерные диаграммы растяжения различных классов конструкционных материалов (численные данные ориентировочные)

Разные классы материалов имеют свои характерные комплексы механических свойств, обусловленные особенностями их структуры.

• Так, у камнеподобных материалов (естественные породы, керамика, бетон) наблюдается высокая твердость и хрупкость в сочетании с невысокой прочностью на растяжение и изгиб. Структура большинства камнеподобных материалов - слабо связанные между собой отдельные мелкие прочные кристаллы.

Деформация практически чисто упругая, при которой до определенных пределов увеличивается расстояние между атомами. Упругая деформация обратима, но имеет очень небольшую величину - не более 2 %.

При разрушении камнеподобных материалов обычно наблюдается мгновенное разделение тела по рельефной поверхности межкристаллической связи - практически раскол (табл.1 и рис. 1).

• Для металлов и сплавов характерной особенностью является их способность к пластическому деформированию в сочетании с достаточно большой прочностью и твердостью. Пластичность металлов объясняется невысоким энергетическим барьером на элементарный процесс пластического перемещения отдельных ионов их кристаллической решетки. Это обеспечивает движение дислокаций и, в конечном счете, пластический сдвиг по кристаллографическим плоскостям. При развитии пластической деформации в металлах наблюдается т.н. предел текучести, после которого деформация образца растет без увеличения нагрузки и даже при его понижении - наблюдается образование шейки в рабочей части образца, который постепенно вытягивается и одновременно сужается, при этом значительно уменьшается сечение образца. Однако истинное напряжение, рассчитанное как отношение текущей нагрузки на истинное сечение образце в области шейки, показывает постепенное увеличение напряжения вплоть до разрушения образца.

При пластическом деформировании отдельные участки тела необратимо смещаются относительно других соседних частей подобно течению жидкости. Пластическая деформация может достигать нескольких десятков %.

• Особенность материалов на основе высокомолекулярных соединений (полимеров) - высокоэластическая деформация в сочетании в общем-то невысокой прочностью. Механизм высокоэластической деформации - разворот полимерной цепи по валентным (межатомным) углам (без изменения длины химических связей) и в результате постепенное вытягивание (ориентирование) макромолекул по направлению деформирования тела. Высокоэластическая деформация может достигать до сотен и тысяч %.

• Древесина обладает значительной анизотропией

• волокнистой вытянутой вдоль ствола и с радиально изменяющейся плотностью структурой целлюлозной клетчатки ;

• неоднородностью механических свойств по направлениям: вдоль ствола высокая прочность на растяжение и низкая на сжатие (наблюдается раскалывание), перпендикулярно стволу обратная картина.

• Высокая прочность современных композитных материалов обеспечивается прочным волокнистым армированием (металло-, угле-, боро- и стекловолокнами) и связующими на полимерных смолах, иногда пластичных металлах. Этот класс материалов обычно обладает анизотропией в зависимости от направления армирования, а также наибольшей удельной прочностью ( отношение прочности к плотности материала).

Табл.1

Сравнительные механические характеристики различных конструкционных материалов

№	Материал	НВ, Гпа	Е, ГПа	в , МПа	р , %	, г/см3	 / 
1	Сталь	5 - 20	30-100	450 - 2000	20 - 50	7,8	60-255
2	Чугун	10 - 30	40-150	130 - 750	3 - 8	7,8	15-100
3	Дюралюминий	1 - 6	6 - 30	100 - 550	30 - 50	2,8	35-200
4	Полиэтилен	0, 1	0,5	20 - 30	100-400	0,9	22-33
5	ПЭТ- полимер	0,8	5	150	200	1,1	136
6	Резина	0,01-1	0,01-1	10 - 60	до 2000	1,2	8 - 50
7	Стеклопластик	1 - 10	10 - 60	100 - 2500	до 10	1,2-1,5	60-2000
8	Фарфор	20 - 30	50-200	до 100	до 3	3,4	до 30
9	Бетон	5 - 15	10 - 30	до 70	до 3	2,3	до 30
10	Древесина по оси	0,05	0,5 - 3	20 - 60	до 10	0,7-0,9	20-90

Здесь : НВ - твердость по Бринеллю; Е - модуль упругости Юнга; _р - прочность на растяжение _р - относительное удлинение при разрыве  - плотность материала;  /  удельная прочность.

Испытания механических свойств материалов

Наиболее массовыми техническими измерениями механических свойств материалов являются испытания при однократном кратковременном нагружении при сравнительно медленном деформировании, результаты которых отражают способность материала выдерживать постоянную нагрузку, хотя и не совсем определенным образом. Поэтому испытания называют квазистатическими. К ним относятся испытания на растяжение, изгиб, сжатие, сдвиг, кручение, раздир и раскалывание.

Обычно эти испытания проводят при постоянной скорости передвижения нагружающего устройства испытательной машины (траверсы с захватом, плунжером и т.д.). Испытания могут проводиться на любой испытательной маши­не, снабженной приспособлениями, обеспечивающими указанные выше виды испытаний.

Диаграммы растяжения ( по оси ординат Y - напряжение, расчитываемое как отношение нагрузки на исходное сечение образца, по оси абсцисс Х - относительное удлинение, равное отношению абсолютного удлинения на иcходную расчетную длину образца в %) наиболее ярко отражают особенности поведения материалов при механических нагружениях. Представленные на рис.1 диаграммы растяжения показывают характерное для различных классов материалов поведение в среднем.

Влияние внешних факторов на механическое поведение материалов

Отдельные материалы могут иметь совершенно отличное от показанных для его класса материалов поведение. Так, хрупкие полимеры дают диаграммы, схожие с диаграммами растяжения керамики. Многие полимеры в стеклообразном состоянии могут иметь диаграмму растяжения, внешне идентичную диаграмме для пластичного металла, с точкой предела текучести и спадом нагрузки вследствие образования шейки. Однако перегиб кривой, после которой может наблюдаться и образование шейки, на деле является пределом вынужденной высокоэластичности, но не текучести - отдельные части полимерного тела относительно соседних участков не смещаются, а совместно с ними вытягиваются по направлению деформирования.

Механическое поведение материалов зависит в значительной степени от температуры (см. рис. 1 по лабораторно-практической работе №2) и скорости деформирования. Так, жидкость при очень быстром воздействии ведет себя как хрупкое твердое тело - струя воды при ударе пули не разбрызгивается на капли, а раскалывается на осколки с острыми краями.

Наиболее значимо в реальных условиях эксплуатации изменяют свое механическое поведение полимерные материалы. На рис. 2 приведены примерные изменения механических свойств полимерных материалов в зависимости от температуры и скорости воздействия.

Характер деформационных кривых полимеров существенно зависит от температуры и скорости испытания, но не зависит от молекулярной мас­сы (рис. 3). Изменение молекулярной массы меняет только положение точки разрыва на диаграмме растяжения. При старении полимерного материала «эффективная» молекулярная масса полимера уменьшается, соответственно уменьшается значение относительного удлинения при разрыве. При сертификации полимерных материалов обязательным являются данные по изменению рабочих характеристик материала в условиях эксплуатации и хранения (рис. 4).

Рис.2. Влияние температуры и скорости деформирования

на диаграммы растяжения полимерного материала