Статические механические испытания

Испытание на растяжение. Это один из самых распространённых методов, который позволяет определить предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и другие характеристики материала. Испытание проводится путём растяжения образца до его разрушения и регистрации нагрузки и деформации.

Из всех видов испытаний на растяжение этот метод является наиболее популярным, поскольку за один эксперимент можно получить сразу несколько ключевых показателей качества материала. Такие испытания проводятся при различных температурных режимах:

• при комнатной температуре (20±5°С) согласно ГОСТ 1497–84,
• при низких температурах (от +10°С до -100°С) по ГОСТ 11150–84,
• при повышенных температурах (до 1200°С) по ГОСТ 9651–84.

Методика испытания при нормальных условиях позволяет определить временное сопротивление разрыву (σв), относительное сужение (Ψ) и удлинение (δ) образца после разрушения, а также пределы текучести (условный σ₀,₂ и физический σт), пределы упругости (σуп) и пропорциональности (σпц).

Образцы для испытания на растяжение подбираются согласно рекомендациям ГОСТ 1497 (приложение 2 для цилиндрических или приложение 3 для плоских образцов). Эксперимент проводится на разрывных машинах, которые автоматически записывают диаграмму зависимости силы (F) от удлинения (Δl). Для устранения влияния геометрических размеров такие диаграммы переводят в условные, где по осям откладываются напряжение (σ) и деформация (ε).

В качестве примера, на условной диаграмме для малоуглеродистой стали можно выделить несколько участков:

• σпц – зона упругой деформации, где соблюдается закон Гука и при снятии нагрузки материал полностью восстанавливается;
• σу – момент, когда достигается максимальное напряжение, после которого начинается пластическая деформация (текучесть металла);
• σт – предел текучести, характеризующийся постоянством напряжения при росте деформации;
• B2C – участок пластической деформации, где происходит сдвиг атомных слоёв, что приводит к остаточным изменениям формы после снятия нагрузки;
• CD – зона упрочнения материала вследствие пластической деформации (так называемый эффект наклёпа), при котором сопротивление возрастает вплоть до предела прочности (σв);
• DK – область локальной текучести, где формируется сужение материала («шейка»), после чего происходит разрушение.

Кроме того, испытания прочности на растяжение проводятся и для других типов образцов, таких как тонкие металлические листы (согласно ГОСТ 11701–84), проволока (ГОСТ 10446–80), трубы (ГОСТ 10006–80) и арматурная сталь (ГОСТ 12004–81). При испытаниях в условиях пониженных температур к обозначаемым характеристикам добавляют цифровой индекс (например, σт(–80) для предела текучести при –80°С). Для таких экспериментов используют оборудование по ГОСТ 1497–84, предусматривающее наличие криокамеры с удлинительными штангами, обеспечивающей точное центрирование образцов.

Охлаждение проводится с использованием смесей спиртов и других незамерзающих жидкостей с хладагентами (например, жидкий азот или твёрдая углекислота) или в газовой среде, при этом охладители должны быть безопасными, не токсичными и не агрессивными.

При испытаниях на повышенных температурах (до 1200°С) применяется аналогичная методика, однако используются образцы других размеров и типовой пропорции, как это предусмотрено в приложении к ГОСТ 9651–84, а также специализированное нагревательное оборудование для поддержания требуемого температурного режима.

Испытание на сжатие. Этот метод используется для определения свойств материалов при сжатии. Он позволяет оценить прочность, жёсткость и пластичность материала.

Методика проведения испытаний на сжатие регламентируется ГОСТ 25.503–97. Эти испытания обычно выполняются на том же оборудовании, что и испытания на растяжение, с применением специальных направляющих устройств (например, шаровой вкладыш в верхнем захвате), что позволяет избежать перекоса образца. При сжатии из-за трения на торцах образец принимает форму, напоминающую «бочку». Для уменьшения трения используют прокладки, смазки, а также образцы и подкладки с коническими торцами или сверление центрального отверстия, снимающего концентрацию напряжений в зоне конуса. Испытания на сжатие применяются преимущественно для хрупких материалов, поскольку пластичные образцы, как правило, не разрушаются, а лишь сплющиваются. Предел прочности (σсж) определяется по формуле: σсж = P/F, где P – разрушающая нагрузка, а F – первоначальная площадь сечения.

Испытание на изгиб. Метод применяется для оценки способности материала выдерживать изгибающую нагрузку. Он позволяет определить прочность и жёсткость материала при изгибе.

Изгибовые испытания проводятся по стандарту ГОСТ 14019–80 и осуществляются двумя основными способами:

1. Приложением сосредоточенной нагрузки к центру пролёта между опорами, что создаёт изгибающий момент Mизг = Pl/4.
2. Приложением двух равномерно удалённых нагрузок от опор, формирующих чистый изгиб с моментом Mизг = Ра/2.

Эти испытания позволяют определить напряжения (σ) и измерить стрелу прогиба (f) образца.

Испытание на кручение. 
Испытания на кручение, регулируемые ГОСТ 3565–80, проводятся для материалов, предназначенных для изготовления деталей, работающих на вращении (например, валов, свёрл, торсионных элементов и болтов). Данный метод применим как для пластичных, так и для хрупких материалов, и позволяет выявить полный спектр их механических свойств.

Испытание на твёрдость. Этот метод позволяет оценить твёрдость материала, то есть его способность сопротивляться внедрению другого тела. Существует несколько методов испытания на твёрдость, включая методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Испытание заключается в том, что на поверхность образца оказывается воздействие с определённой силой, и измеряется глубина или форма вдавливания. Среди наиболее распространённых методик выделяют испытания по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, каждая из которых использует различный тип нагрузки и инструментарий для получения объективного показателя твёрдости.

Испытание на усталость. Этот метод оценивает способность материала выдерживать циклические нагрузки без разрушения. Он позволяет определить усталостную прочность материала.

Этот тест важен для определения того, как материал будет себя вести в условиях повторяющегося напряжения, что критично для конструкций, подверженных динамическим воздействиям. Результаты подобных исследований помогают предсказать ресурс изделия и его надёжность в длительной эксплуатации.

Испытание на ползучесть. Метод позволяет оценить способность материала деформироваться под действием постоянной нагрузки в течение длительного времени. Он важен для оценки поведения материалов при высоких температурах. Такой анализ помогает оценить долговечность материала и его способность сохранять эксплуатационные качества в условиях постоянного стресса.

Испытание на ударную вязкость. Испытание на ударную вязкость определяет, насколько материал способен поглощать энергию удара, не подвергаясь значительным разрушениям. Этот метод критически важен для оценки безопасности конструкций, поскольку позволяет выявить, как материал реагирует на резкие, динамические нагрузки. Результаты испытания дают понимание его стойкости к внезапным воздействиям и способности рассеивать кинетическую энергию.

Каждый из этих методов требует изготовления специальных образцов, соответствующих нормативным требованиям. Результаты исследований фиксируются при помощи тензодатчиков, установленных на образце, либо измеряются с использованием штангенциркулей или микрометров.

Статические механические испытания широко используются в различных отраслях промышленности, включая машиностроение, авиацию, судостроение, строительство и многие другие. Они позволяют инженерам и конструкторам выбирать наиболее подходящие материалы для своих проектов и обеспечивать безопасность и надёжность конструкций. В машиностроении статические механические испытания используются для оценки свойств сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов. В авиации и судостроении они применяются для проверки свойств высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов. В строительстве статические механические испытания важны для оценки свойств бетона, стали и других строительных материалов. Таким образом, статические механические испытания являются незаменимым инструментом для обеспечения качества и безопасности материалов и конструкций в различных отраслях промышленности.