ЧАСТЬ 2 Основы экспериментальных методов механики деформируемого твердого

ЧАСТЬ 2. Основы экспериментальных методов механики деформируемого твердого тела.

Три основных типа экспериментов в МДТТ 1. Определение механических констант материала 2. Натурные эксперименты 3. Поисковые исследования Цель: получаемыеописание процессов, происходящих в дефоризучение и текущего необходимы для аналитического определениеконстантынапряженно-деформированного мируемом элементов конструкций в создания технологий экссостояния и разрушаемом материале на масштабных уровнях и численного решения задач МДТТ, условиях их реальной обравыше материалов, нагружении, плуатации или прирасчета конструкций. ботки кристаллической решетки. моделирующем рабочее. Основные особенности: Могут использоваться стандартные образцы, натурные форму. 1. Образцы имеют специальную воздействие экспериментатора Необходимо минимизировать стандартизированную объекты или модельные образцы, изготовленные таким действуюна исследуемый объект в процессе измерения, особенно если 2. Условия нагружения минимизируют количествообразом, чтобы интересующий исследователя процесс проходил максиречь идет о работающей конструкции (например при исследощих факторов, что необходимо для максимально однозначной мально изолированно от других процессов, для уменьшения вании механических характеристик материала функционируютрактовки связи между приложенной нагрузкой и наблюдаемой числа параметров, щего трубопровода). реакцией образца. которые необходимо учитывать. 2. Эксперименты проводятся на натурных объектах, а не на образцах или моделях, что позволяет наиболее полно учесть весь комплекс факторов, воздействующих на объект.

2. 1. Основные виды стандартных механических экспериментов. Растяжение, сжатие, кручение, изгиб. Технологические испытания. Истинные напряжения при пластическом деформировании до достижения временной прочности можно вычислить исходя из несжимаемости материала, находящегося в состоянии пластического течения. . Наиболее распространенное и универсальное испытание – статическое одноосное растяжение. На рабочем участке образца истинное конечное растяжение после разрыва достигается однородное НДС. истинное сопротивление разрыву коэффициент Пуассона

2. 1. Основные виды стандартных механических экспериментов. Растяжение, сжатие, кручение, изгиб. Технологические испытания. Испытания на статическое сжатие во многом аналогичны испытаниям на статическое растяжение и проводятся в основном тогда, когда нет возможности изготовить образцы на растяжение. Можно аналогично растяжению определить при сжатии модуль Юнга, предел текучести и прочности (последний – только для достаточно хрупких материалов). Основной недостаток – существенная неоднородность НДС при более-менее значительном сжатии. Из-за этого для сравнения с другими материалами необходимо изготавливать образцы той же формы и размера. Предел прочности хрупких материалов при сжатии обычно гораздо больше, чем при растяжении. Способность к пластическому деформированию при растяжении и сжатии у некоторых материалов может существенно различаться.

2. 1. Основные виды стандартных механических экспериментов. Растяжение, сжатие, кручение, изгиб. Технологические испытания. Для определения характеристик, связанных со сдвиговой деформацией, проводят испытания на кручение, при которых один торец образца закрепляется, а к другому прикладывается крутящий момент. касательное напряжение кривая строится при r =R относительный сдвиг Модуль сдвига G определяют, проводя ступенчатое нагружение с замером приращения угла и момента.

2. 1. Основные виды стандартных механических экспериментов. Растяжение, сжатие, кручение, изгиб. Технологические испытания. Энергия, идущая на разрушение единицы объема. Пусть P – некоторое значение приложенной силы, l – соответствующее ей удлинение, d. P и d( l ) – приращения этих величин. Тогда элементарная работа на приращении удлинения, полная работа и удельная работа деформации Диаграммы нагружения можно использовать также для определяются выражениями: определения энергии, затраченной на деформирование материала, то есть работы упругой и пластической деформации.

2. 1. Основные виды стандартных механических экспериментов. Растяжение, сжатие, кручение, изгиб. Технологические испытания. Пределы упругости. – аналог и прочности растяжение по Испытания на изгибтекучести испытаний наопределяются для диаграмме материалов, изгиба так же, как по условной образец на из которых трудно изготовить диаграмме растяжения. растяжение, не разрушающийся в захватах. Также могут использоваться из тех соображений, что при таком нагружении для создания в образце больших растягивающих нагрузок нужно меньшее внешнее усилие. а) чистый (четырехточечный) изгиб б) поперечный (трехточечный) изгиб

2. 1. Основные виды стандартных механических экспериментов. Растяжение, сжатие, кручение, изгиб. Технологические испытания разрабатываются применительно к частным случаям нагружения материалов в процессе обработки или эксплуатации конструкций. Их результаты в известной мере условны, но позволяют получить некоторые количественные характеристики поведения материала в том или ином случае, которые можно использовать для оптимизации выбора материала, для разработки технологий обработки или для контроля качества изделий. а) срез б) раздир в) отрыв от клеевого слоя г) штампуемость круговой лункой

2. 2. Испытания на ползучесть, длительную прочность и релаксацию. Релаксация полезна для определения остаточных испытания, Статическими или квазистатическими называютнапряжений Ползучесть применяется для в материале при формовании. Кроме при которых можно считать, формованиятогодеталей, что воздействие прилагаемой возрастание от релаксации может служить в материале мгновенно. Скорость нагрузки распространяетсяпризнаком частичного разрушения которых требуется максиматериала. приложения нагрузки или деформирования материаламинимальная прочность при этом могут учитываться и оказывать существенное(крыльевые мальном весе влияние на механические характеристики материала. панели самолетов). Ползучесть на испытания прочность проводятся длительном Динамические длительную – те, где скоростьвпри так же, как и Релаксация – нарастание деформаций Испытания – уменьшение напряжений распространения материале при воздействии деформации приложение нагрузки необходимо в материале статических напряжений. характеристика: предел постоянной реакции на и температуре. Происходит из-за на ползучесть, но определяется другая 1) неустановившаясявзрывное кристаллическойпри учитывать (ударное, дефектов и (скорость убывает) заданной перераспределения ползучесть вибрационное решетки за длительной прочности – напряжение, котороенагружение). 2) установившаяся ползучесть (скорость постоянна) и за счет испытания, напряжений этих дефектов температуре за заданное время приводит к разрушению Есть полей упругих не являющиеся динамическими, но 3) разупрочнение (развивающееся разрушение) диффузии. учета времени, в перераспределения является образца. требующие Результатом такоготечение которого протекают Определяется предел – это испытания на ползучесть, минимизация внутренней энергии системы. Релаксация изучаемые процессы ползучести – напряжение, которое необходимо приформуле релаксацию. вычисляется по данной длительную прочность итемпературе для достижения заданной деформации за заданный промежуток времени.

2. 3. Усталостные испытания. Выделяются три характерных участка: Выносливость – способность материалаасимптоту, Если кривая Вёллера имеет горизотнальную сопротивляться 1) малоцикловая повторно-переменном нагружении. Для разрушению принапряжение называют пределом соответствующее усталость (максимальное напряжение превышает ее характеристик получения предел текучести); проводят серю усталостных выносливости. 2) ограниченная долговечность; образцах при испытаний на нет и кривая в пределе стремится кразличных Если асимптоты одинаковых оси 3) неограниченная долговечность. амплитудных нагружениях до предел выносливости, до абсцисс, используют ограниченный разрушения или определенного числа циклов. Результаты испытаний (число соответствующий заданному числу циклов, определяемому из циклов, при котором данное амплитудное напряжение доводит соображений практического использования материала. до разрушения) объединяются в кривую Вёллера.

2. 4. Натурные и модельные эксперименты. Эксперимент является натурным, если он проводится на самом объекте исследования без замены его моделью. Активные натурные эксперименты: конструкция нагружается силовыми установками или подвергается нагрузкам, испытываемым в условиях эксплуатации (штатных или аварийных). Пассивные натурные эксперименты: конструкция находится в состоянии эксплуатации и обследуется методами неразрушающего контроля. Активные натурные эксперименты позволяют получить наиболее полное представление о реакции объекта на нагружение, однако они в большинстве случаев очень дороги и сложны.

2. 4. Натурные и модельные эксперименты. Еще один метод моделирования: изготовление моделей Эксперимент является модельным, если он проводится на металлических элементов конструкций из прозрачных модели в той или иной мере подобной натурному объекту. материалов (оргстекло), масштабированная копия объекта. Простейшее подобие – характер деформирования или разрушения которых может считаться в некоторой степени Плюсы: дешевле стоит, удобнее нагружать и контролировать. подобным поведению моделируемого материала. сил (важно Минусы: уменьшение напряжений от массовых для больших объектов типа строительных конструкций и Метод позволяет наблюдать за развитием внутренних трещин кораблей, либо для объектов, испытывающих большие и определять внутренние напряжения. ускорения), влияние масштабного эффекта (важно для материалов с многомасштабной неоднородностью, как, например, горные породы. Другой вариант подобия – упрощение объекта, при котором сохраняются наиболее важные элементы (например наиболее опасные с точки зрения разрушения), а остальные либо устраняются. либо заменяются некоторым усредненным внешним воздействием.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость. В большинстве экспериментов измеряемыми величинами являются приложенное усилие и вызванная им деформация тела. Если поле деформаций однородно, используют тензометрические методы измерения деформации. Суть этих методов: деформация определяется как относительное удлинение некоторого отрезка, начальную длину которого называют базой измерения. Этот отрезок может быть расстоянием между нанесенными на объект метками или базой внешнего датчика, фиксируемого на образце.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость. Наиболее распространенный тензометрический метод – использование наклеиваемых тензорезисторов (тензодатчиков сопротивления). Электротензометрия основана на том, что омическое сопротивление проводника зависит от его удельного сопротивления, длины и площади поперечного сечения: Тензочувствительность – изменение удельного сопротивления проводника при его растяжении или сжатии. Достоинства: возможность термокомпенсации, экранирова. Проблемы: необходимость измерения деформаций в труднодоступных местах, при вибрирующих и ударных нагрузках, ния кабелей, правильного выбора клея, невозможность изменаличие датчиков с достаточно маленькими деформаций рения больших деформаций, при измерениибазами, удобство перевода получаемой информации в цифровой вид. сложных объектов – огромный объем подготовительной работы.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость. Если поле деформаций неоднородно, его можно определить методами сравнения цифровых изображений. Один из них – автоматизированный метод делительных сеток (подходит для плоских поверхностей или поверхностей, легко переводимых в плоскость). Деформация, отнесенная к середине ячейки сетки, вычисляется из взаимного перемещения узлов этой ячейки.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость. Более универсальный и простой в использовании метод – трехмерный анализ спекл-картин на поверхности объектов при их деформировании.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость. Если просвечивать метод экспериментального определения Фотоупругость – такой материал поляризованным светом, а прошедший состояния свет наблюдать через поляроид, напряженногочерез негодеталей и конструкций на прозрачных пропускающий лучи, поляризованный только в одном моделях из оптически чувствительных материалов. определенном том, что большинство прозрачных изотропных в модели образуются Он основан на направлении, интерференционные полосы – приобретают свойство двойного материалов при нагружении изохромы. Точки, лежащиесостоящее в том, что при прохождении через лучепреломления, внутри одной полосы, находятся под воздействием одинаковых луч разлагается на две взаимно такой материал световой наибольших касательных напряжений, поэтому при увеличении нагрузки число составляющие, полос растет, а перпендикулярные плоскополяризованные их порядок остаетсяскорости распространения. имеющие различные неизменным. Таким образом, полосе с порядковым номером n в данном материале всегда соответствует Свет называется плоскополяризованным, если колебания напряжение τn и, установив это соответствие, одной по картине световых волн происходят только в можно плоскости. изохром определить характер распределения напряжений в Направления поляризации этих составляющих совпадают с моделируемом объекте, а при достаточно Таким установленных направлениями главных напряжений. точно образом, при коэффициентах подобия модели и исходного объекта, получить нагружении изотропный прозрачный материал становится количественную информацию о напряжениях. оптически анизотропным.

2. 5. Методы измерения деформаций и напряжений. Тензометрические методы. Метод делительных сеток. Корреляционные методы. Фотоупругость.

2. 6. Измерение твердости и микротвердости. Ультразвуковая дефектоскопия. Метод акустической эмиссии. Многие важные характеристики материала, в том числе степень его пластического деформирования, запас пластичности до разрушения, степень поврежденности, наличие внутренних напряжений в поверхностном слое, можно узнать при помощи измерения твердости. Твердостью материала называют способность сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела, называемого индентором.

2. 6. Измерение твердости и микротвердости. Ультразвуковая дефектоскопия. Метод акустической эмиссии. Метод ультразвуковой дефектоскопии основан на том, что звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале, но отражаются от границ раздела сред с различными звукопроводящими характеристиками. Чем больше разница этих характеристик, тем полнее отражение. Кроме обнаружения отдельных дефектов, можно определить среднюю поврежденность материала, т. к. при наличии в материале микродефектов увеличивается коэффициент затухания проходящих через него ультразвуковых волн.

2. 6. Измерение твердости и микротвердости. Ультразвуковая дефектоскопия. Метод акустической эмиссии.

2. 6. Измерение твердости и микротвердости. Ультразвуковая дефектоскопия. Метод акустической эмиссии. Деформируемый материал является источником звуковых колебаний. Пластическая деформация связана с перемещением дефектов кристаллической решетки различных масштабных уровней. Эти перемещения порождают упругие колебания в материале, которые можно фиксировать как звук. Такие звуковые сигналы, исходящие из деформируемого материала, называют акустической эмиссией или акустическим излучением. Она может возникать так же при образовании и развитии трещин. По характеристикам Совпадение сигналов можно получать косвенные данные о акустической эмиссии со скачками напряжения при прерывистой текучести корабельного скорости пластической деформации, росте трещин, титанового разрушении волокнистых материалов. внутреннемсплава 17. В случае прерывистой текучести металлов интенсивность эмиссии может быть настолько велика, что легко фиксируется обычными звукозаписывающими устройствами.