Прочностные характеристики
Прочностные характеристики материалов, кроме пределов прочности σсж, σр, σрзг, σсд, могут включать также и другие показатели, например, предел прочности при ударных нагрузках, предел текучести и т. д. Обычно эти характеристики определяются при линейном напряженном состоянии.
Пределы прочности материала определяются формулой
(1)
где Р – нагрузка, при которой наступает разрушение,
S – площадь образца.
Для испытаний используются специальные испытательные машины с учетом ряда требований, обеспечивающих достоверность измерений. Размеры и
форма образцов для проведения испытаний оговариваются в техничес-кой документации.
Прочность изделия является комплексной характеристикой, зависящей от характера распределения действующих нагрузок, геометрических размеров и формы изделия. Прочность изделия определяется обычно при сложном напряженном состоянии, максимально приближенном к условиям эксплуата-ции. При испытании изделий одного типоразмера и определенных прочностных характеристик материала по одной методике может наблюдаться большой разброс результатов. Это заставляет при проектировании изделий и конструкций закладывать большой запас по прочности, что приводит к перерасходу материала для обеспечения надежности.
Возрастающие требования к уменьшению веса и габаритов изделий при одновременном повышении их надежности приводят к необходимости разра-ботки и внедрения неразрушающих методов контроля прочности. Неразру-шающий контроль не только дает возможность значительно увеличить число контролируемых изделий, но и, в случае необходимости, проводить сплошной контроль, который позволяет выяснять причины изменчивости характеристик.
Методы НК прочности основаны на установлении связи между характеристиками прочности и физическими свойствами материала, причем наиболее близки по своей физической сути к прочностным характеристикам упругие характеристики материала, определение которых часто используется при акустическом методе контроля.
Упругие характеристики
Упругие характеристики описывают свойства материала в области упругости, т. е. при сравнительно малых нагрузках и деформациях, при которых сохраняется способность материала возвращаться в исходное положение после снятии нагрузки.
Изотропный материал имеет две независимые упругие константы, одна из которых характеризует поведение материала при продольных нагрузках, другая – при поперечных нагрузках. В качестве таких констант могут быть взяты, например, модуль Юнга Е (модуль продольной упругости) и коэффициент Пуассона ν. Все другие упругие константы, применяемые для характеристики упругих свойств изотропного материала, могут быть выражены через эти две независимые константы. Большое количество материалов, применяемых в технике, не являются в строгом смысле изотропными, поскольку состоят из многих компонент, присутствующих в материале в виде связанных между собой конгломератов. Однако для основных применений все эти материалы могут рассматриваться как квазиизотропные, т. е. практически изотропные, поскольку размеры отдельных частиц материала обычно гораздо меньше размеров изделий и длин волн упругих колебаний, которые обычно применяются для акустического контроля этих изделий.
Важнейшей характеристикой упругости является МОДУЛЬ ЮНГА Е. Этот модуль определяется как коэффициент пропорциональности между приложенным напряжением σ и относительной деформацией δ, вызванной этим напряжением при продольном сжатии или растяжении:
. (2)
Если представить графически диаграмму нагружения при сжатии или растя-жении (зависимость относительной деформации от приложенного напряжения), то модуль Юнга Е на этой диаграмме можно определить как тангенс угла наклона к оси абсцисс линейного участка. Чем больше модуль Юнга Е материала, тем большее напряжение надо приложить для получения той же относительной деформации. Примерами материалов с большими значениями модуля Юнга могут служить искусственные сверхтвердые материалы на основе алмаза, кубического нитрида бора и др.
Другой важной характеристикой упругости является КОЭФФИЦИЕНТ ПУАССОНА ν. Этот коэффициент определяет поведение упругого материала при поперечных деформациях и выражается как отношение относительной поперечной деформации к относительной продольной:
(3)
Примером материала с большим коэффициентом Пуассона является резина, у которой при небольших продольных деформациях (например, при сжатии) наблюдаются значительные изменения поперечных размеров. Коэффициент Пуассона может иметь значения, не превышающие 0,5.
Широко используются и другие упругие характеристики такие, как МОДУЛЬ СДВИГА (или модуль кручения) G, МОДУЛЬ ВСЕСТОРОННЕГО СЖАТИЯ К и некоторые др., которые связаны с приведенными выше Е и ν следующим образом:
; (4)
; (5)
. (6)
В анизотропных материалах число независимых упругих констант значительно больше, чем в изотропных материалах, и зависит от типа анизотропии. Например, трансверсально–изотропный материал характеризует-ся пятью независимыми упругими постоянными, а ортотропный – девятью.
К упругим характеристикам могут быть отнесены и некоторые АКУСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ материалов, которые часто используются при неразрушающем контроле. Наиболее важные из них – СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ различных типов: продоль-ных колебаний в бесконечной среде С, поперечных колебаний в бесконечной среде Сtи продольных колебаний в бесконечно длинном тонком стержне Сl.Выражения, связывающие эти параметры с модулем Юнга Е, модулем сдвига G, коэффициентом Пуассона υ и плотностью ρ, имеют вид
; (7)
; (8)
; (9)
. (10)
Свойство материала ослаблять акустические колебания характеризуется его КОЭФФИЦИЕНТОМ ЗАТУХАНИЯ, под которым понимается отношение амплитуды колебаний у источника колебаний к амплитуде колебаний на определенном расстоянии. Ослабление может быть также выражено в виде расстояния, на котором амплитуда колебаний уменьшается в «е» раз, где «е» - основание натурального логарифма (ослабление в децебеллах). При резонансных измерениях ослабление может быть определено как отношение ширины резонансной кривой на уровне 0,7 от резонансного пика к резонансной частоте
Все приведенные выше упругие параметры относятся к материалам и не зависят от размеров изделий, на которых они определяются. Однако имеются упругие характеристики, которые присущи только изделиям. К таким характеристикам относятся частоты собственных колебаний изделий. В отличие от приведенных выше параметров ЧАСТОТА СОСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ f зависит как от упругих характеристик материала, так и от КОЭФФИЦИЕНТА ФОРМЫ F (коэффициента, зависящего от формы и размеров изделия, вида возбуждаемых колебаний и коэффициента Пуассона). В общем виде эту зависимость можно выразить в виде
. (11)
Частоту собственных колебаний по способу ее измерения часто называют также РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСОТОЙ.
Твердость
ТВЕРДОСТЬ определяется как способность материала сопротивляться вдавливанию или царапанию. Не существует единого метода определения твердости, пригодного для всех типов материалов и в связи с этим отсутствуют единые единицы и абсолютная шкала твердости. Существует ряд приборов и соответствующих этим приборам шкал твердости.
Наиболее распространены в технике следующие приборы и шкалы твердости:
- твердость по Роквеллу Нr - при использовании прибора Роквелла твердость определяется по величине отпечатка стального шарика определен-ного размера, внедряемого в контролируемый материал при определенной нагрузке. Этот прибор наиболее часто применяется для контроля металлов.
- твердость по Бринеллю Hb - при использовании прибора Бринелля твердость определяется по глубине проникновения индентора в контроли-руемый материал при определенной нагрузке. Этот прибор наиболее часто применяется для контроля твердости чугуна и ряда других металлов.
- твердость по Виккерсу Hv - при использовании прибора Виккерса твердость определяется по глубине проникновения алмазной пирамидки в контролируемый материал при определенной нагрузке. Этот прибор наиболее часто применяется для контроля твердости твердых минералов и искус-ственных твердых и сверхтвердых материалов.
Для ряда материалов и изделий используются специальные методы. Например, твердость шлифовальных инструментов определяют пескоструйным прибором по глубине лунки, получаемой в изделии при воздействии на него струи песка при заданных условиях (величина сопла, давление воздуха и др.).