Испытание на изгиб реферат
Обновлено: 18.05.2024
2. Неоднородное напряженное состояние в изгибаемом образце.
3. Образцы для испытаний на изгиб.
4. Диаграмма изгиба.
5. Графические методы определения прочностных свойств по диаграмме изгиба.
6. Испытания на кручения.
7. Диаграмма кручения.
Рекомендуемые материалы
Испытания на изгиб. Диаграмма изгиба.
Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкости по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластическое (например, у хладноломких о.ц.к.-металлов и интерметаллидов).
При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах: 1) нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами и 2) нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор. Первая схема нашла большее распространение из-за простоты. Следует учитывать, что вторая схема во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максимальный изгибающий момент возникает на определенном участке длины образца, а не в одном сечении как при использовании первой схемы.
В изгибаемом образце создается неоднородное напряженное состояние. Нижняя часть образца оказывается растянутой, верхняя – сжатой. Напряжения, связанные с величиной изгибающего момента, различны по длине и сечению образца.
Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок. Для изгиба используют прямоугольные или цилиндрические стержни. Для оценки характеристик конструктивной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения – 30×30 мм.
Испытания на изгиб можно проводить на любой испытательной машине, используемой для испытаний на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и деформируют изгибающим ножом, который крепят в верхнем захвате машины. Изгиб достигается путем опускания верхнего или подъема нижнего захвата. При этом может быть записана диаграмма изгиба в координатах нагрузка Р – стрела прогиба f. Для пластичного материала диаграмма изгиба выглядит, как на рисунке 23. Если материал хрупкий, то кривая обрывается в точке b.
 |
Рисунок 23 – Диаграмма изгиба
Знание величины нагрузок Рпц, Рупр, Рт, Рв позволяет определять пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности при изгибе. Напряжения на стадии упругой деформации обычно рассчитывают по обычным формулам сопротивления материалов.
Условное нормальное напряжение в крайнем растянутом волокне
σ=M/W,
где М – изгибающий момент. В случае нагружения сосредоточенной силой:
М=Рl/4;
W – момент сопротивления сечения. Для прямоугольного образца.
W=bh 2 /6,
а для цилиндрического
W=πd 3 /32.
Рабочей формулой для расчета упругих напряжений при изгибе образцов прямоугольного сечения является
σ=3·Р·l/2·b·h 2 ,
а для цилиндрических образцов
σ=8·P·l/π·d 3 .
Эти формулы часто используют для расчета всех прочностных характеристик при изгибе. Но достаточно точные результаты получают только при определении пределов упругости и пропорциональности.
Графические методы определения прочностных свойств по диаграмме изгиба аналогичны применяемым при растяжении. Допуски и величину деформации при определении предела пропорциональности σпц, предела упругости σ0,05, предела текучести σ0,2 задаются по величине стрелы прогиба, которая связана с относительным удлинением крайнего растянутого волокна в изогнутом образце. Для прямоугольного стержня:
f=l 2 ·δ/6·h.
Отсюда, при определении условного предела текучести допуск на остаточный прогиб f0,2, соответствующий удлинению крайнего волокна на 0,2% будет
f0,2=0,002·l 2 /b·h.
При испытаниях на изгиб достаточно пластичные материалы не разрушаются. Образец при этом загибается вплоть до параллельности его частей, расположенных по обе стороны от его ножа (рисунок 24, в). Материалы, которые разрушаются при изгибе, могут предварительно деформироваться на разную величину. Разрушение может произойти в любой точке диаграммы изгиба (рисунок 23). У пластически деформирующихся образцов точка максимума b на диаграмме часто совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровождается резкими спадами нагрузки на правой ветви диаграммы изгиба (штрихпунктир на рисунке 23).
В качестве характеристики пластичности при изгибе помимо f часто используют угол загиба β дополнительным до 180 0 к углу изгиба α (рисунок 24). Угол β возрастает по мере повышения деформационной способности материала, а угол α уменьшается.
В заводских условиях применяют технологические пробы, задача которых – оценить пластичность деформированных полуфабрикатов, отливок и изделий (листов, труб, проволоки). Критерием годности продукции может быть заданный угол загиба образцов β (рисунок 24, б); появление первой трещины после загиба на угол β, равный или больше заданного; возможность загиба пластины до параллельности (рисунок 24, в) или соприкосновения сторон (рисунок 24, г).
Существуют также пробы на перегиб листа, ленты и проволоки, в которых фиксируют заданное число перегибов либо количество перегибов, после которых появились трещины, либо образец разрушился.
а – образец перед испытанием, б – загиб до определенного угла,
в – загиб до параллельности сторон, г – загиб до соприкосновения сторон
Рисунок 24 – Технологическая проба на изгиб
Испытания на кручение. Диаграмма кручения
Кручение осуществляют двумя равными по величине и противоположно направленными крутящими моментами, которые прикладываются к концам образца в плоскостях, нормальных к его продольной оси. В рабочей части образца возникает разноименное плоское напряженное состояние с коэффициентом мягкости α=0,8 (большее, чем при растяжении). При испытании на кручение до разрушения можно довести любой материал.
Максимальные касательные напряжения при кручении действуют в плоскостях, перпендикулярных оси образца. Наибольшие нормальные напряжения действуют под углом 45 0 , причем Smax=tmax. Важным следствием неизменности напряженного состояния является постоянство рабочей длины и поперечного сечения образца во время испытания.
Методика испытаний образцов из любых материалов диаметром не менее 5 мм стандартизирована. Образцы должны иметь цилиндрическую рабочую часть и квадратные головки. Образец с диметром рабочей части 10 мм и длиной 50 или 100 мм принят за нормальный. Допускается использование геометрически подобных нормальному образцов, а также трубчатых.
Испытания на кручение проводятся на специальных машинах, которые должны обеспечивать надежную центровку образца, плавность нагружения и отсутствие изгибающих усилий, возможность достаточно точного задания и измерения величины крутящего момента. Используются машины с горизонтальным и вертикальным расположением образца. Максимальный крутящий момент меняется от 6 до 200000 кгс·м. Основные узлы этих машин – станина, привод, от которого вращается активный захват, силоизмеритель, диаграммный механизм, счетчик оборотов и угломер для определения угла закручивания образца.
В качестве меры деформации в процессе испытания фиксируется угол закручивания φ. Для точного измерения этого угла используют зеркальный прибор Мартенса или другой тензометр с большой точностью. Два зеркала крепятся на границах расчетной длины образца. Напротив каждого из зеркал устанавливают шкалы и зрительные трубы, с помощью которых фиксируют отраженные в зеркалах показания шкалы.
В процессе испытания каждый захват машины поворачивается на определенный угол (больший у активного захвата). Угол закручивания образца равен разности этих углов. Однако он включает паразитные деформации зажимов и головок образца. Для их исключения угол закручивания определяют по расчетной длине l0, помещая зеркала на некотором расстоянии от головок:
В области малых углов
где a1, a2 – отсчеты по шкалам после закручивания; b1-b2 – начальные отсчеты.
Тогда угол закручивания
φ=φ1-φ2= (a1-a2)-( b1-b2)/2·L=Δ/2·L.
Зная значения крутящего момента и угла закручивания, можно построить диаграмму кручения в координатах Мкр-φ. Эта диаграмма состоит из участка упругой (Op) и пластической деформации (рк). Из-за отсутствия значительного местного сужения ниспадающего участка на диаграмме кручения не бывает. Условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности, а также истинный предел прочности выражаются через касательные напряжения.
Истинный предел прочности определяют по формуле, учитывающей поправку на пластическую деформацию:
,
где Мкр – наибольший крутящий момент, предшествующий разрушению образца;
θ – удельный угол закручивания перед разрушением (в радианах на 1 мм):
1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.
2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.
3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.
Контрольные задания для СРС (темы 1, 2, 3) [1], [2], [4], [5], [12]
1. Машины для испытаний на растяжение. Схемы испытательных машин.
2. Силоизмерители в машинах для испытаний на растяжение.
3. Схемы испытаний на растяжение при повышенных и отрицательных температурах.
4. Деформационное упрочнение металлических монокристаллов.
5. Деформационное упрочнение поликристаллов.
6. Влияние различных факторов на деформационное упрочнение.
7. Испытания на двухосное растяжение методом выдавливания.
8. Твердорастворное упрочнение.
9. Влияние выделений избыточных фаз.
10. Меры борьбы с трением на опорных поверхностях образцов при испытаниях на сжатие.
11. Схемы напряженного состояния в образце при испытаниях на изгиб.
12. Графические методы определения прочностных свойств по диаграмме изгиба.
13. Машины для испытаний на изгиб.
14. Характеристики пластичности при изгибе.
15. Особенности испытаний на кручение.
16. Машины для испытаний на кручение.
17. Характеристик диаграммы кручения.
18. Определение условных пределов пропорциональности, текучести, упругости и прочности.
Корпус атомного реактора ВВЭР-1000 является наиболее ответственной частью АЭС. При обосновании безопасной эксплуатации корпусов реакторов типа ВВЭР определяющее значение имеет поверочный расчет на сопротивление хрупкому разрушению (СХР). При проведении расчета на СХР используются температурная зависимость статической трещиностойкости и критическая температура хрупкости корпусных материалов. Определение данных характеристик на облученном материале является длительной и трудоемкой задачей.
Для решения методических вопросов, связанных с испытанием облученных образцов, предлагается использовать образцы, изготовленные из искусственно охрупченного металла. В качестве способа искусственного охрупчивания стали марки 15Х2НМФА-А применена специальная термическая обработка.
МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
Образцы для испытаний изготавливали из металла промышленной поковки для обечайки активной зоны корпуса реактора ВВЭР-1000. Поковка была изготовлена из стали марки 15Х2НМФА-А, выплавленной в электропечи с разливкой в вакууме на заводе "Энергомашспецсталь". Термическая обработка поковки была выполнена по штатному режиму на ПО “Атоммаш”. Сталь характеризуется предельно низким содержанием примесей (табл.1). Механические свойства материала обечайки представлены в таблице 2.
Таблица 1. Химический состав материала обечайки, %
Точность регулировки температуры
Выдержка образца при заданной температуре
Размеры образца
Частота опроса датчиков нагрузки и перемещения при инструментованном испытании
содержащая характеристические точки и стадии
при испытании на ударный изгиб.
Точками отмечены характерные места, в которых происходит вовлечение новых механизмов в процесс деформирования и разрушения образца [7].
Fgy , Fm , Fin , Fa , - нагрузка начала пластической деформации, вязкого роста трещины (максимальная нагрузка), старта хрупкого разрушения и торможения трещины соответственно.
Вертикальный участок между точками Fin и Fa указывает на резкое падение нагрузки при хрупком распространении трещины.
Соответственно общую энергию можно разложить на энергии упругого (от 0 до Fgy ) и пластического деформирования сечения (от Fgy до Fm ), вязкого распространения трещины (от Fm до Fin ) и долома образца (после Fa ). Соотношение этих характеристик может существенно изменяться в зависимости от температуры испытаний и состояния материала.
Было испытано три серии образцов Шарпи. Первая серия была составлена из образцов, изготовленных из материала обечайки в исходном состоянии. Две последующие изготавливались из заготовок, прошедших термическую обработку, описанным выше способом.
Результаты ударных испытаний представлены на рис.3. Данные описывались функцией гиперболического тангенса с параметрами, определенными методом наименьших квадратов. На рисунке видно, что в результате дополнительной термической обработки температурная зависимость работы удара существенно изменилась. Произошло снижение верхнего шельфа температурной зависимости данных по ударной вязкости. Нижний шельф фиксировался достаточно четко и разброс данных на нем незначителен. Следует отметить, что увеличилась также и ширина зоны переходной области.
Рис. 3. Результаты ударных испытаний образцов в исходном состоянии (сплошная линия) и после дополнительных термообработок партий 1 и 2 (пунктирная и точечная линии соответственно)
Таблица 5. Значения критической температуры хрупкости
Очень часто детали в процессе работы испытывают действие не только плавно возрастающих нагрузок, но одновременно подвергаются и ударным (динамическим) нагрузкам. Поэтому необходимо знать, насколько хорошо сопротивляется металл действию на него этих нагрузок. Испытания на ударный изгиб проводят, чтобы спрогнозировать поведение материала (и конструкции, изготовленнойиз него) в условиях эксплуатации, для установления склонности материала к хрупкому разрушению.
Испытание на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах металлов и сплавов, а также сварных соединений регламентировано ГОСТ 9454-78, ГОСТ 6996-66.
Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором) посередине одним ударом маятникого копра, когда концы образцасвободно лежат на опорах копра. В результате испытаний определяют полную работу (К), затраченную на разрушение образца (работу удара), или удельную работу, т.е. ударную вязкость (КС).
Для испытания используют маятниковые копры с максимальной энергией удара маятника от 4,9 до 294 Дж. Образец устанавливают горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза в середине пролета между опорами.Удар маятника наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости его симметрии, и перпендикулярно продольной оси образца. Маятник закрепляется в исходном верхнем положении Н и углом подъема α. Затем маятник отпускают, он свободно падает, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь после этого на высоту h и угол β. Чем больше энергии затрачено на разрушение образца, тем меньше h иβ. Величина работы удара (энергии разрушения) К определяется как разность потенциальной энергии, запасенной при подъеме маятника Кп и остаточной энергии Кост, которой обладает маятник после разрушения образца.
Значения Кп и Кост определяют по шкале копра, проградуированной в кгс м (Дж).
Работу удара обозначают двумя буквами и цифрами: первая буква (К) – символ работы удара,вторая буква (U или V или T) – вид концентратора; последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Индекс указывает температуру испытаний, отличную от комнатной. Эти цифры не вносят в обозначение работы удара, если испытание проведено в “стандартных” условиях: копер имеет максимальную энергию удара маятника 294 Дж, глубина концентратора (Uили V) 2 мм и 3 мм (Т) и ширина образца 10 мм.
Например, символы КV-40 50/2/5 обозначают работу удара, определенную на образце шириной 5 мм с концентратором вида V глубиной 2 мм при температуре минус 40 °С при максимальной энергии удара маятника 50 Дж.
Образцы с концентратором вида U используют при выборе или приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов, а V – образным концентратором - приоценке возможности использования или приемо-сдаточных испытаниях материалов конструкций повышенной степени надежности: транспортных средств, трубопроводов, сосудов под давлением, летательных аппаратов и т.п. При испытаниях материалов для особо ответственных конструкций, при эксплуатации которых первостепенное значение имеет оценка сопротивления развитию трещины, а также при исследовании причин разрушенияответственных конструкций используют образцы с концентратором вида Т.
Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
Ударную вязкость КС, Дж/см, (кгс·м/см) вычисляют по формуле
где К– работа удара, Дж (кгс·м);
S0 – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см, вычисляемая по формулеS0=Н1· B,
где Н1– начальная высота рабочей части образца, см; B– начальная ширина образца
Рисунок 1. Расположение образца на опорах
Ударную вязкость обозначают путем прибавления к символу работы удара буквы С, причем стандартные условия так же не вводят в обозначение. Например:
КСТ+100 150/3/7,5 – ударная вязкость, определенная на образце шириной 7,5 мм с.
ГОСТ 14019-2003
(ИСО 7438:1985)
Метод испытания на изгиб
Metallic materials. Bend test method
Дата введения 2004-09-01
1 РАЗРАБОТАН Российской Федерацией, Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 145 "Методы контроля металлопродукции"
ВНЕСЕН Госстандартом России
2 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 23 от 22 мая 2003 г.)
За принятие проголосовали:
Наименование национального органа по стандартизации
Госстандарт Республики Беларусь
Госстандарт Республики Казахстан
3 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 7438:1985 "Материалы металлические. Испытание на изгиб". При этом разделы полностью идентичны, а приложение А дополняет их с учетом потребностей национальной экономики указанных выше государств
4 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 20 января 2004 г. N 23-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 14019-2003 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 сентября 2004 г.
6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2006 г.
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод определения способности металлических материалов выдерживать пластическую деформацию при изгибе.
Дополнительные требования, отражающие потребности экономики страны, приведены в приложении А.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики
ГОСТ 7564-97 Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний
ГОСТ 28840-90 Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования
3 Обозначения и определения
Обозначения (рисунки 1 и 2) и наименования параметров приведены в таблице 1.
Толщина или диаметр образца (или диаметр вписанной окружности для образцов многоугольного сечения), мм
Ширина образца, мм
Длина образца, мм
Расстояние между опорами изгибающего устройства, мм
Диаметр оправки, мм
Угол изгиба, градус
Внутренний радиус изогнутой части образца после испытания, мм
4 Сущность метода
Испытание на изгиб заключается в пластической деформации образца круглого, квадратного, прямоугольного или многоугольного сечения путем изгиба без изменения направления действия силы до достижения заданного угла изгиба.
Оси двух опор при изгибе образца должны оставаться в плоскости, перпендикулярной к направлению действия силы. При изгибе на 180° две боковые поверхности могут, в зависимости от требований стандарта на металлопродукцию, соприкасаться друг с другом или быть параллельными, находясь одна от другой на заданном расстоянии; для контроля этого расстояния применяют прокладку.
5 Аппаратура
5.1 Испытание на изгиб должно проводиться на универсальных испытательных машинах или прессах (ГОСТ 28840), снабженных следующими устройствами:
- изгибающим устройством с двумя опорами и оправкой (рисунок 1);
- изгибающим устройством с V-образной выемкой и оправкой (рисунок 2);
- изгибающим устройством с тисками (рисунок 3).
2 - оправка
5.2 Изгибающее устройство с опорами и оправкой
5.2.1 Длина опор и ширина оправки должны превышать ширину или диаметр образца. Диаметр оправки определяется нормативным документом на металлопродукцию. Опоры для образца и оправка должны быть достаточно твердыми.
Дополнительные требования к оправке и опорам приведены в приложении А.
5.2.2 Если нет иных указаний, то расстояние между опорами определяют по формуле
, (1)
где - диаметр оправки, мм;
- толщина (диаметр) образца, мм.
Данное расстояние не должно изменяться в течение всего испытания на изгиб.
5.3 Изгибающее устройство с V-образной выемкой и оправкой
Наклонные плоскости V-образной выемкой образуют угол 180°- (рисунок 2). Величина угла устанавливается нормативными документами на металлопродукцию.
Кромки V-образной выемки должны иметь радиус закругления, в 1-10 раз превышающий толщину образца, и должны быть достаточно твердыми.
Дополнительные требования к изгибающему устройству приведены в приложении А.
5.4 Изгибающее устройство с тисками
Устройство состоит из тисков и оправки достаточной твердости; оно может быть снабжено рычагом для приложения усилия к образцу (рисунок 3).
Дополнительные требования к изгибающему устройству приведены в приложении А.
6 Подготовка к испытанию
6.1 Отбор проб, заготовок и образцов - по нормативным документам на металлопродукцию.
Дополнительные требования к отбору заготовок и образцов приведены в приложении А.
6.2 Для испытания применяют образцы круглого, квадратного, прямоугольного или многоугольного сечения. Любые участки материала, подвергавшиеся резке ножницами, пламенной резке или аналогичным операциям во время отбора проб, должны быть удалены. Если такие участки не удалены, допускается проводить испытания образцов на изгиб при условии, что результаты испытаний будут соответствовать нормативным документам на металлопродукцию.
6.3 Кромки образцов прямоугольного сечения должны быть закруглены радиусом не более 0,1 толщины образца. Закругление должно выполняться таким образом, чтобы оно не влекло за собой образование поперечных заусенцев, царапин или вмятин, которые могут отрицательно влиять на результаты испытания.
Допускается проводить испытания на образце с незакругленными кромками при условии, что результаты испытания будут соответствовать нормативным документам на металлопродукцию.
6.4 Если в нормативных документах на металлопродукцию не оговорено иное, ширина образца должна быть следующей:
- при ширине изделия не более 20 мм ширина образца равна ширине изделия;
- при ширине изделия более 20 мм ширина образца составляет (20±5) мм для изделий толщиной менее 3 мм и от 20 до 50 мм - для изделий толщиной 3 мм и более.
6.5 Толщина образцов, отбираемых от листов, полос и фасонных профилей, должна быть равна толщине испытуемого изделия. Если толщина изделия более 25 мм, она может быть уменьшена путем механической обработки одной стороны для получения толщины не менее 25 мм. При изгибе необработанная поверхность должна быть на растягиваемой стороне образца.
6.6 Образцы круглого, квадратного, прямоугольного или многоугольного сечения испытывают на изгиб с поперечным сечением, равным поперечному сечению изделия, при условии, если диаметр образца при круглом поперечном сечении или диаметр вписанной окружности (для многоугольного сечения) не превышает 50 мм. Если диаметр образца или диаметр вписанной окружности более 30 мм, но не более 50 мм включительно, то образец может быть уменьшен до диаметра не менее 25 мм. Если диаметр образца или диаметр вписанной окружности превышает 50 мм, то образец должен быть уменьшен до диаметра не менее 25 мм (рисунок 4).
Читайте также: