Режим испытания. Удар и вибрация

Рассмотренные выше закономерности деформирования тел, проявляющих вязкие свойства, говорят о том, что на результаты испытания должен оказывать большое влияние временной режим испытания. В связи с этим при испыта­ниях надо иметь в виду, что различные конструкции испыта­тельных машин создают различные режимы, и результаты испытаний на разных машинах могут оказаться несравни­мыми. Основными видами испытаний с точки зрения времен­ного режима являются следующие:

1.   Испытание при постоянной нагрузке осуще­ствляется проще всего при помощи рычажных прессов. На-гружение ведется обычно гирями, которые помещаются на подвеску рычага. При этом нагрузка быстро возрастает и затем остается постоянной. Деформация же протекает со скоростью, зависящей от условий приложения и величины усилия, а также формы образца и вязких свойств мате­риала.

2.   Испытание при постоянной деформации про­ще всего осуществляется при помощи винтовых прессов. Де­формация создается быстро винтом и потом оставляется постоянной. Нагрузка же быстро увеличивается и затем по­степенно падает в зависимости от вязких свойств материала.

3.   Ступенчатая нагрузка представляет собой се­рию нагружений или ступеней постоянной нагрузки, каждая из которых прикладывается после затухания деформации от предыдущей ступени. При равной величине ступеней и промежутков между ними и уменьшении величины каждой ступени при увеличении их числа испытание ступенчатой на­грузкой переходит в испытание с постоянной скоростью на-гружения. При большой величине ступени возможно дина­мическое воздействие нагрузки.

4.   Испытание с постоянной скоростью нагружен и я удобно осуществлять при помощи рычажно-механических прессов, где равномерное увеличение нагрузки про­исходит путем передвижения груза по рычагу при помощи мотора, или рычажных прессов с автоматическим устрой­ством для непрерывного равномерного увеличения нагрузки, которой может служить вода, песок, дробь и т. п.

5.   Испытание с постоянной скоростью дефор­мации обычно осуществляется машинами, где натяжение или давление создается винтом, приводимым в движение электромотором.

6.  Циклическая нагрузка характеризуется посто-янным возрастанием и убыванием нагрузки по определенно­му закону, чаще всего гармоническому, а именно по закону синуса или косинуса и осуществляется при помощи устройств, содержащих эксцентрики. При периодически повторяющихся циклах нагрузка называется периодической или повторной.

Циклическая нагрузка характеризуется:

а)   законом изменения усилия во времени, т. е. законом нагружения;

б)   максимальным или амплитудным значением нагрузки

в)   минимальным значением нагрузки

г)   средним значением нагрузки за полупериод

д)    продолжительностью цикла, или периодом нагружения, равным времени изменения нагрузки между двумя сходными ее значениями, или частотой количеством циклов в единицу времени, или наконец, круговой частотой.

Если при циклическом нагружении меняется знак усилия, то циклы называются знакопеременными, причем если положительная и отрицательная части цикла отлича­ются только по знаку, то циклы, кроме того, являются сим­метричными.

7. Ударная нагрузка характеризуется малым време­нем воздействия значительных сил, в результате которых телу, на которое оказано воздействие, сообщается конечное приращение количества движения. Таким образом, удар можно рассматривать как циклическую нагрузку с большой амплитудой и малым временем нагружения (рис. 18, в). Обычно ударная нагрузка осуществляется при помощи коп­ров или других ударных устройств, использующих для уда­ра падающий груз.

Но при бесконечно малом времени согласно уравнению сила является бесконечно большой, поэтому в меха­нике ударное воздействие измеряют не величиной силы, а величиной импульса силы или удельным импульсом, т. е. импульсом, отнесенным к площади сечения или объему деформируемого тела V:

Таким образом, изменение работы и импульса могут не соответствовать друг другу. Например, при уменьшении массы и увеличении высоты падения в четыре раза работа увеличится в два раза, импульс же останется неизменным.

Частота при ударном воздействии обычно не учиты­вается, если она не очень велика.

Что же касается скважности ударных циклов, то она равна бесконечности и поэтому такая характеристика в данном случае не имеет смысла.

8. Вибрация заключается в приложении к телу пе­риодического движения, скорость которого изменяется от нуля до некоторой максимальной величины, т. е., как говорят, в приложении к телу ускорения. Сила, воздействующая-при этом на частицы, согласно второму закону Ньютона,, определяется массой частиц, т. е. зависит как от времени, так и от величины частиц. Для осуществления вибрации служат специальные устройства — вибраторы, обязательно включающие так называемые дебалансы — вращающиеся массы, центр тяжести которых смещен по отношению к оси вращения. Благодаря этому при вращении создаются ускоре­ния, направленные в сторону смещения центра тяжести.

Расположение дебалансов в вибраторе опреде­ляет характер вибрации. Если дебаланс один — ускорение направлено попеременно в разные стороны и виб­рация является ненаправленной, или беспорядочной. Для направленной вибрации необходимы два одинаковых дебаланса, вращающиеся в разные сторо­ны, причем так, чтобы ускорения были направлены либо строго в одну сторону и складывались, либо строго в проти­воположные и уничтожались. Если при этом центры враще­ния   находятся   на   горизонтальной   прямой, уничтожаются горизонтальные ускорения и вибрация яв­ляется вертикальной. Если центры вращения находятся на вертикальной прямой уничтожаются вертикаль­ные ускорения и вибрация является горизонтальной.

Ускорение, прикладываемое к телу (внешнее), опреде­ляется скоростью вращения дебалансов и эксцентриситетом центров тяжести вращающихся масс по отношению к цент­рам вращения, ускорение и масса дебалансов определяют силу воздействия, т. е. амплитуду колебания.

Вибрация частиц тела характеризуется:

а)  законом изменения деформации чаще всего гармони-
ческим, например,

б)  амплитудой ,

в)  частотой /, круговой частотой со, или периодом колебаний,

г)  максимальным ускорением колебаний.

Поскольку силы тяжести, воздействующие на частицы при вибрации, согласно второму закону Ньютона пропор­циональны их массе и ускорению, то при ускорении, заданном параметрами вибратора, силовое воздействие на частицы те­ла при вибрации будет тем больше, чем больше их масса и наоборот: чем меньше масса частиц, тем большее ускорение надо к ним приложить, чтобы получить заданную величину инерционных сил. Если инерционные силы превысят силы, связывающие частицы тела, то в зависимости от условий при­ложения воздействия может наступить разрушение тела.

Перечисленные временные режимы деформирования или нагружения обладают своими особенностями, которые надо иметь в виду при испытании материалов.

Испытание при постоянной нагрузке или деформации создает условия, соответствующие наиболее простым уравнениям деформирования упруго-вязких и вязко-пластич­ных тел.

Деформирование с постоянной скоростью удобно тем, что позволяет изучать поведение материала, после того как на­пряжение достигло своей наибольшей величины, т. е на­блюдать процесс разрушения тела, чего нельзя сделать при постоянной скорости нагружения, так как после максималь­ной нагрузки скорость деформации становится очень боль­шой. Скорость деформации или нагружения имеет очень большое влияние на результаты испытания.

Увеличение сопротивления тела при увеличении скорости деформирования возникает в том случае, если скорость при­нудительного деформирования больше собственной скорости деформации тела под данной нагрузкой. Собственная ско­рость деформации зависит от вязких свойств материала и соотношения между действующей нагрузкой и пределом те­кучести. При нагрузках, меньших предела текучести, как указывалось выше, эта скорость не постоянна и с течением Бремени стремится к нулю; при нагрузках, соответствующих пределу текучести, деформация протекает с постоянной ско­ростью. При нагрузках больше предела текучести скорость деформирования может быть возрастающей.

При приложении к телу циклических и ударных нагрузок сопротивление тел повышается еще больше, чем при посто­янных скоростях нагружения или деформирования, так как время действия максимальной нагрузки в этом случае неве­лико, а скорости обычно большие. Но при периодическом воздействии силы или периодической деформации, особенно при изменении не только величины, но и знака воздействия, например, при знакопеременной нагрузке или вибрации со­противление падает, что объясняется появлением инерцион­ных сил, нарушающих связность тела. В некоторых случаях падение сопротивления при повторных нагрузках и вибра­ции является остаточным. Это явление называется устало­стью материала.