Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

Тогда

a-(5i~53)/[25i-2v(52 + S3)l. "(11)

У многих металлов коэффициент Пуассона примерно одинаков (v0,25) и величину а можно рассчитывать по уравнению

а = (Si - S3)/[2Si - 0,5 (S, + S,)\.

Смысл отношения max/S [J кэк характеристики «мягкости» схемы напряженного состояния сводится к следующему. Величина /max определяет легкость начала пластической деформации, а 5;; - хрупкого отрыва. Если /inax> >S[j, то при нагружении образца, прежде чем произойдет хрупкое разрушение, начнется пластическая деформация и хрупкий отрыв будет предотвращен. Если же /щзх <5;\з, то разрушение может произойти до появлении пластической деформации. Поэтому чем больше /щах и меньше mas (-- больше а), тем более благоприятны условия для развития пластической деформации.

В то же время, как следует из формулы (11), величина а определяется соотношением сжимающих и растягивающих напряжений. В табл. 3 приведены значения коэффициента мягкости для испытаний нескольких видов с различными схемами напряженного состояния. Таблица 3

Коэффициенты мягкости (а) и трехогности (р) при нспытг,ииих различных видов

В условиях трехосного растяжения, когда в схеме напряженного состояния.нет сжимающих напряжений, а = /5 (если Si=S2~S3, то (к = 0). ГЙ схема отличается максимальной «жесткостью», т.е. способность материала пласти-

чески деформироваться в таких условиях минимальна. Наоборот, при трехосном сжатии материал должен проявлять максимальную пластичность, а=4. Именно поэтому некоторые металлы и сплавы, отличающиеся хрупкостью при малых значениях а (например, серый чугун, закаленная сталь, многие интерметаллиды при растяжении), могут существенно деформироваться в условиях более мягких схем напряженного состояния.

Жесткость схемы напряженного состояния может быть охарактеризована также коэффициентом трехосности

P=.S,/S

(12)

где Sniax -наибольшее (по модулю) главное нормальное напряжение; Sn - гидростатическое или среднее нормальное напряжение, действующее иа октаэдрических площадках, равнонаклонениых к Трем главным осям.

Поскольку для плоскости октаэдра направляющие косинусы = ау ~ ,

то в соответствии с уравнением (5) 5п = Чз (Si-f-S2+S3).

Коэффициент трехосности для разных видов напряжеи-ного состояния может меняться от -1 до -f-1. Чем больше р, тем труднее проходит пластическая деформация и, следовательно, в меньшей степени проявляется деформационная способность материала. Из табл. 3 видно, что, по крайней мере, в некоторых случаях коэффициент р лучше характеризует жесткость схемы напряженного состояния. В частности, двухосное растяжение по величине а должно быть более «мягким», чем одноосное, а по величине р - наоборот. Практика показывает, что двухосное растяжение - более жесткая схема напряженного состояния и, следовательно, коэффициент трехосности в данном случае дает более правильную информацию.

Следует подчеркнуть, что абсолютные значения коэффициентов «мягкости» и трехосности ие позволяют количественно оценивать характеристики деформации (е, g, 6 др.). Величины аир могут и должны использоваться лишь для сравнительной оценки жесткости различных испытаний.

Такая оценка может потребоваться при решении различных задач, например, при выборе метода испытаний того или иного материала. Обычно для оценки механических

Октаэдрнческими эти площадки называют, потому, что их восемь и они образуют восьмигранник- октаэдр.

свойств малопластичных материалов используют испытания с большим а (малым р), а свойства пластичных металлов и сплавов определяют по результатам испытаний с жесткой схемой напряженного состояния.

4. Классификация механических испытаний

Многообразие условий службы и обработки металлических материалов предопределяет необходимость проведения большого числа механических испытаний. Они классифицируются по разным принципам. Один из них - схема напряженного или деформированного состояния- уже рассмотрен выше. Второй - это способ нагружения образца в процессе испытания.

В основном используют два способа нагружения образца: 1) путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации и 2) подачей постоянной нагрузки (наиряжеиия) иа образец с измерением возникающей при этом деформации.

Наиболее распространен первый способ, обеспечивающий возможность непрсрыв.чого измерения и записи силы сопротивления образца деформированию. Он используется практически во всех разновидностях статических испытаний.

Примеры применения второго способа нагружеиия - испытания иа ползучесть, длительную прочность и замедленное разрушение.

Механические испытания можно классифицировать также по характеру изменения нагрузки во времени. По этому принципу нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки относительно медленно возрастают от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды-минуты). При динамическом нагружении это возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) по величине.

В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания.

Статические испытания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформации,

Наиболее важны следующие разновидности статических испытаний, отличающиеся схемой приложения нагрузок к образцу (т. е. схемой напряженного состояния); одноосное растяжение, одноосное сжатие (в дальнейшем - просто растяжение, сжатие), изгиб, кручение, растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной (плоские и объемные схемы напряженного состояния).

Динамические [1спытання характеризуются приложением к образ* цу нагрузок с резким и.чменением их величины и большой скоростью деформации. Длительность всего испытания не превышает сотых - тысячных долей секунды.

В результате динамических испытаний определяют величину полной или удельной работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации образца (абсолютной или относительной). Да1шых о величине напряжений и деформаций в процессе этих испытан1<1 обычно не получают, хотя в принципе это возможно. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.

Испытания на усталость проводят при многократном приложении к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы - сотни часов), по их результатам определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге-то предельное напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Помимо рассмотренных статических, динамических и усталостных, различают еще две большие специфические группы испытаний. Первая из них - испытания на твердость, в которых оценивают различные характеристики сопротивления деформации или, реже, разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии их с другим телом- индентором (от английского indentation - вдавливание). Большинство испытаний на твердость статические.

Вторая группа - испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. Образцы здесь в течение всего испытания находятся под постоянным напряжением нли нагрузкой. При испытании на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени при разных напряжениях в образце, а при испытаини на длительную прочность оценивают время до разрушения под действием различных напряжений.

Существует еще ряд методов и разновидностей мехаинческнх испытаний, которые используют на практике в более ограниченных масштабах. Эти испытания в книге рассматриваться ие будут.

Как видно, методы проведения испытаний весьма разнообразны. К тому же они проводятся при разных температурах, начиная от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в разных средах и т. д. Все это вполне естественно, нбо отражает разнообразие условий эксплуатации и обработки металлов и сплавов, которые в конечном итоге пытаются моделировать испытаниями.

5, Условия подобия механических испытаний

Большинство характеристик механических свойств металлов и сплавов не является их физическими константами. Они в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Поэтому нельзя судить о свойствах металлических материалов по данным механических испытаний, которые проводятся разными исследователями по разным методикам. Необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний, так чтобы эти результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а ие влияние условий испытания. Кроме того, соблюдение этих правил должно гарантировать сопоставимость результатов испытаний, проведенных в разное время, в разных лабораториях, на различном оборудовании, образцах и т. д. Условия, обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются условиями подобия механических испытаний.

Для соблюдения условий подобия образцы следует подвергать испытаниям прн одинаковой схеме напряженного состояния и в одинаковых физических условиях. Отсюда следует необходимость соблюдения трех видов подобия:

1) геометрического (форма и размеры образца);

2) механического (схема и скорость приложения нагрузок);

3) физического (внешние физические условия).

Условие геометрического подобия сводится к тому, что испыты-

Рис, 5. Геометрически подобные образцы

паемые образны должны иметь геометрически подобную форму. Н;з-пример, два образца на рис. 5 1еометричос?1и подобны, если онч имеют кач»ствепно одинаковую конфигурацию, а отношения любых двух сс-отсетственных размеров каждого из них равны d]ID\ = d-2.iD2, ljdi~ = hldi и т. д. Форма и размеры образца влияют па результаты испытания через схему напряженного состояния, котора;! зависит с-т фор-

Mf.i тела н опрсделекного расположения точек приложения нагрузок.

Нстественно, что еще в большей степени на напряженное состояние в обра.це влияет схема приложения нагрузок. В общем виде механическое подобие заключается в том, что в сходственных сечениях рабочей части образцов возникают тождественное напряженное состояние и одинаковая относительная деформация.

Следует отметить, что сформу-лиро!1а1ныс условия геомотрпческого j и .\1сханическогЬ подобия обеспечивают тождество напряженных состояний н относительных деформаций не во всех случаях. Огк.юнеиия наблюдаются, в частности, при хрупком разрушении, при очень больших различиях в абсолюных размерах образцов (масштабный фактор) и в ряде других случаев, каждый из которых имеет свое объяснение. Например, влияние .масштабного фактора можно объяснить на основе статистичсскьх теорий прочности. Снижение механических свойств при увеличении размеров образцов связывают с увеличением вероятности существования опасных поверхностных н виутреиннх дефектов - концентратороз напряжений, вызывающих преждевременную деформацию и разрушение.

Необходимость физического подобия для получения воспроизводимых и сопоставимых результатов испытаний сове:шо;но очевидна и ие требует специальных ризъясиенпь

Когда необходимо получение сопоставимых данных по свойствам разных материалов, соблюдение физического подобия усложняется. Например, сравнение механических свойств разных металлов и сплавов прн одной температуре может быть при решении определенных задач лишено физического смысла. Механические свойства, з частности прочностные, связаны с температурой начала плавления металла или сплава: при прочих равных условиях чем выше эта температура, тем выше прочностные характеристики прн заданной температуре испытания. Поэтому сопоставление свойств разных металлических материалов более правильно проводить при одинаковых гомолог!1ческих температурах, т. е. одинаковых отношениях абсолютных температур испытания и плавления Тясп/Тал (в градусах Кельвина).

Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа, кроме соблюдения трех перечисленных услсвий подобия, большое значение имеет методика изготовления образцов для испытаний.

Способ изготовления образца должен быть таким, чтобы f* последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей

ЛОТ!ЛИ,

Важность соблюдения условий подобия при проведении механических испытаний наглядно демонстрируется стандартизацией их методики в государственном, а некоторых испытаний и в международном масштабе. В СССР имеются ГОСТы на большинство наиболее распространенных испытаний. В них с учетом всех условий подобия унифицированы формы и размеры образцов, качество их изготовления, основные методические приемы испытания, а также требования к применяемой аппаратуре, точности замера напряжений и деформаций, температуры и т. д.

6. Статистическая обработка результатов механических испытаний

Структура реальных металлов и сплавов н распределение ее дефектов неодинаковы даже в пределах одного образца. Поэтому механические свойства, определяемые структурой и дефектами, crpoio говоря, различны дл разных объемов одного образца. В результате те характеристики механических свойств, которые мы должны оценивать при испытаниях, являются среднестатистическими величинами, дающими суммарную, математически наиболее вероятную характеристику всего объема образца, который принимает участие в испытании. Даже при абсолютно точном замере механических свойств оии будут неодинаковы у разных образцов из одного и того же материала. Инструментальные ошибки определения характеристик свойств, связанные с измерением нагрузок, деформаций, размеров и т. д., еще более увеличивают разброс экспериментальных результатов. Основные задачи статистической обработки результатов механических испытаний - оценка среднего значения свойств и ошибки в определенин этого среднего, а также выбор минимально необходимого числа образцов (или замеров) для оценки среднего с заданной точностью.

Эти задачи являются стандартными для статистической обработки результатов любых измерений. Основные положения методов обработки результатов измерений и оценки их погрешностей сформулированы в ГОСТ 8.207-76 и подробно рассмотрены в различных руководствах. Здесь будут даны лишь некоторые элементы обработки, необходимые практически при любых механических испытаниях. Специфические особенности обработки результатов длительных высокстем-иературных н усталостных испытаний рассмотрены в соответствующих главах.

Обычно мы определяем численное значение механического свойства по результатам нескольких измерений. Совокупность из п значений этого свойства для испытываемого материала есть статистическая выборка, которая должна быть частью генеральной совокупности значений свойства, объем которой теоретически бесконечно велик. Объем выборки прн механических испытаннях может меняться в широких пределах: от 3-5 до нескольких десятков и даже сотен измерении, когда обрабатываются, (гапример, результаты испытаний какого-нибудь изделия на заводе за длительный период времени.

Множество определенных в результате испытаний значении xi (i= 1,2, п) некоторого свойства (например, числа твердости илн предела текучести) обычно подчиняется нормальному распределению (рис. 6). При числе измерений п15 проверки нормальности их ])ас-пределения не проводят. Если же п>15, ГОСТ 8,207-76 требует выполнения такой проверки с помощью специальных критериев.

При нормальном законе распределения п отдельных значений свои-