Механічні випробування
Механі́чні випро́бування (англ. mechanical testing) — випробування, що проводяться для експериментального визначення кількісних та (чи) якісних механічних характеристик об'єкта випробувань або дослідження його напружено-деформованого стану[1].
Загальні поняття ред.
Механічні випробування матеріалів необхідні для отримання характеристик їх механічних властивостей, які можна було б використовувати не тільки при розрахунках на міцність деталей машин і споруд, але і при оцінці якості продукції виробників конструкційних матеріалів.
Для оцінки напруженого стану допустимим є застосування тих же гіпотез про будову і властивості матеріалів, які робляться у дисципліні «Опір матеріалів».
Так як умови роботи конструкційних матеріалів є різними, створені відповідно різноманітні види і методи випробувань. При механічних випробуваннях переважно усі спостереження і розрахунки напруженого стану здійснюють у макроскопічних об'ємах. Як виняток, в окремих випадках вдаються і до спостережень у мікрооб'ємах.
При всіх видах механічних випробувань відтворюють за можливості на зразках такі ж зовнішні впливи, яких матеріал зазнає в реальних умовах експлуатації. Характеристики механічних властивостей, що отримують при цьому, переважно, не є абсолютними оскільки у значній мірі залежать від умов проведення випробувань. Це викликає необхідність уніфікації методів механічних випробувань з метою отримання порівнянних даних. Уніфікація методів випробувань реалізується й удосконалюється на рівні державних стандартів та міжнародних рекомендацій.
Класифікація механічних випробувань ред.
Механічні випробування розрізняються за способом навантаження зразків і характером його зміни в часі.
За способом навантаження ред.
Використовують два способи навантаження зразка:
- жорстке — забезпечується шляхом його деформації із заданою швидкістю і вимірюванням сил опору зразка цій деформації;
- м'яке, що реалізується прикладання за заданим законом навантаження до зразка з вимірюванням при цьому деформації, яка виникає.
Перший спосіб використовується практично у всіх різновидах статичних випробувань. Найпоширеніші приклади застосування другого способу навантаження — випробування на повзучість і тривалу міцність.
За характером зміни навантаження у часі ред.
За характером зміни в часі навантаження механічні випробування поділяють на статичні, динамічні, циклічні і технологічні.
Статичне випробування — випробування об'єкта статичним навантажуванням[2] і відрізняється плавною, відносно повільною зміною навантаження зразка і малою швидкістю його деформації, а також такою малою величиною прискорення рухомих частин випробної машини, що силами інерції, які виникають в них можна знехтувати. Під час статичних випробувань можна методом простої статичної рівноваги з достатньою точністю визначати зусилля і деформації, величину роботи при деформуванні у будь-який момент дослідження а також тривалу міцність.
Найважливішими є такі різновиди статичних випробувань, що відрізняються схемою прикладення навантажень до зразка (тобто схемою напруженого стану): одновісне розтягування[3][4], одновісне стискування, згинання[5][6], кручення[7], розтягування і згинання зразків з надрізом і тріщиною (плоскі та об'ємні види напруженого стану).
Динамічні випробування — випробування об'єкта динамічним навантажуванням[2] і характеризуються прикладенням до зразка навантажень з різкою зміною їх величини і великою швидкістю деформації. Динамічне навантаження переважно створюють ударом вільно падаючої важкої маси (випробування на удар). У результаті в окремих частинах зразка і випробувальної машини виникають значні сили інерції. Тому для вимірювання зусиль метод статичної рівноваги тут використовувати не можна. У результаті динамічних випробувань визначають величину повної або питомої роботи динамічної деформації, а також величину залишкової деформації зразка (абсолютної або відносної). Даних про величину напружень і деформацій у процесі цих випробувань, як правило, не одержують, хоча у принципі це можливо. Динамічні випробування найчастіше проводять за схемою згину. До динамічних випробувань відносяться також випробування на лінійні сталі прискорення, дію вібрацій (вібраційні випробування) та акустичного шуму.
Циклічні випробування — випробування об'єкта циклічним навантажуванням[2]. Такі випробування, зазвичай, є тривалими (від декількох до сотень годин). За наслідками циклічних випробувань визначають число циклів до руйнування при різних значеннях напружень, а зрештою — границю витривалості — те граничне напруження, яке зразок витримує без руйнування протягом певного числа циклів навантаження. При випробуваннях на втому використовують різні схеми прикладення навантажень до зразка: згинання, розтягування — стискування, кручення[8].
В умовах циклічних навантажень за схемами триточкового згину або в умовах згасаючих крутильних коливань проводять динамічний механічний аналіз (ДМА) матеріалів у процесі їх старіння з метою визначення зміни у часі комплексного динамічного модуля[9].
Технологічні випробування — випробування, що провадяться під час виготовлення продукції з метою оцінення її технологічності[2] і проводять для оцінки поведінки матеріалу при обробленні тиском (випробування на згинання[5], перегин, видавлювання).
Крім розглянутих, розрізняють ще дві специфічні групи випробувань. Перша з них — це випробування на твердість — короткочасні випробування об'єкта навантажуванням, що утворює місцеві контактні напруження[2], які провадяться з метою визначення характеристик твердості, у яких оцінюють різні характеристики опору проникненню твердішого тіла (індентора) у поверхневий шар зразка. Більшість різновидів випробувань на твердість мають статичний характер.
Друга група — випробування на повзучість і тривалу міцність — тривалі випробування дією на об'єкт сталого напруження за сталої температури, що провадяться з метою визначення характеристик опору повзучості та границі тривалої міцності[2].
Їх, зазвичай, проводять при підвищених температурах для оцінки характеристик жароміцності. Зразки протягом усього випробування знаходяться під постійним навантаженням. При випробуванні на повзучість вимірюють величину деформації у функції від часу при різних напруженнях на зразку, а в результаті випробувань на тривалу міцність оцінюють час до руйнування під дією різних напружень.
Приведена класифікація демонструє, що методи проведення випробувань є досить різноманітними. До того ж вони можуть проводитись при різних температурах, в різних середовищах, після різних видів термооброблення тощо. Це є закономірним, оскільки віддзеркалює різноманітність умов експлуатації та обробки матеріалів, які намагаються моделювати в умовах випробувань.
Обов'язкові види механічних випробувань ред.
1) на статичне розтягування — для посудин усіх груп;
2) на статичний вигин або сплющування — для посудин усіх груп;
3) на ударний вигин — для посудин, призначених для роботи при тискові більше 5 МПа (50 кгс/см2) або температурі вище 450°С, і посудин, виготовлених із сталей, схильних до підгартовування при зварюванні;
4) на ударний вигин — для посудин 1, 2, 3-ї груп, призначених для роботи при температурі нижче мінус 20 °С.
Випробування на ударний вигин зварних з'єднань проводиться для посудин та їх елементів з товщиною стінки 12 мм і більше при температурі 20 °С.
Із кожного контрольного стикового зварного з'єднання повинні бути вирізані:
1) два зразки для випробування на статичне розтягування;
2) два зразки для випробування на статичний вигин або сплющування;
3) три зразки для випробування на ударний вигин.
Випробування на статичний вигин контрольних стиків трубчатих елементів посудин з умовним проходом труб менше 100 мм і товщиною стінки менше 12 мм можуть бути замінені випробуванням на сплющування.
Механічні випробування зварних з'єднань повинні виконуватись відповідно до вимог державних стандартів.
Тимчасовий опір розриву металу зварних швів при 20 °С повинен відповідати значенням, встановленим в НД на основний метал.
Випробування зварних з'єднань на ударний вигин проводиться на зразках з надрізом по осі шва з боку його розкриття, якщо місце надрізу спеціально не обговорено в технічних умовах, на виготовлення або в інструкції по зварюванню і контролю зварних з'єднань.
Випробування на ударний вигин проводиться на зразках KCU або KCV за вимогою стандарту або ТУ на виготовлення виробу.
Див. також ред.
Примітки ред.
- ↑ ДСТУ 2825-94 Розрахунки та випробування на міцність. Терміни та визначення основних понять.
- ↑ а б в г д е ДСТУ 2824-94 Розрахунки та випробування на міцність. Види i методи механічних випробувань. Терміни та визначення.
- ↑ ДСТУ EN 10002-1:2006 Матеріали металеві. Випробування на розтяг. Частина 1. Метод випробування за кімнатної температури (EN 10002-1:2001, IDT).
- ↑ ДСТУ EN 10002-5:2006 Матеріали металеві. Випробування на розтяг. Частина 5. Метод випробування за підвищених температур (EN 10002-5:1991, IDT).
- ↑ а б ДСТУ ISO 7438:2005 Матеріали металеві. Випробування на згин (ISO 7438:1985, IDT)
- ↑ ГОСТ 4648-71 Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб
- ↑ ГОСТ 3565-80 Металлы. Метод испытания на кручение.
- ↑ ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.
- ↑ Meyers and Chawla (1999): "Mechanical Behavior of Materials, " 98-103.
Джерела ред.
- Пчелінцев В. О. Механічні властивості та конструкційна міцність матеріалів [Архівовано 17 жовтня 2013 у Wayback Machine.] [Текст]: навч. посіб. / В. О. Пчелінцев, А. І. Дегула. — Суми: СумДУ, 2012. — 247 с. — ISBN 978-966-657-449-0
- Фридман Я. Б. Механические свойства металлов: в 2 ч. — 3-е изд. — Ч. 2: Механические испытания. Конструкционная прочность. — М.: Машиностроение, 1974. — 368 с.
- ГОСТ 28840-90 Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования.