Механические динамические испытания

Динамические испытания 

Механические динамические испытания — это один из видов разрушающего контроля, при котором объект контроля (ОК) подвергается ударной нагрузке длительностью не более сотых долей секунды со скоростью деформации ≈ 102 с-1. В качестве ОК, в соответствии с требованиями ГОСТ 9454-78, изготавливаются специальные испытательные образцы. В процессе динамических испытаний усилия к исследуемой детали или узлу прикладываются импульсно.

Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки

Основными видами динамических испытаний являются:

• Вибрационные;
  Вибрационные испытания
  

  Практически вся продукция машиностроительных предприятий в ходе реальной эксплуатации и доставки потребителю подвержена вибрационным воздействиям. Для подтверждения надежности и долговечности продукции при воздействии указанных нагрузок проводятся вибрационные испытания.

  Для проведения испытаний используются специальные стенды, которые позволяют воздействовать на изделия с требуемой частотой и амплитудой колебаний. Имитируя транспортные (эксплуатационные) частоты продолжительностью соответствующей времени транспортировки, можно определить прочность и надежность изделия при перевозках или эксплуатации. Как правило, в процессе испытаний исследуется дополнительно широкий диапазон частот для определения резонанса. При резонансе частота вынужденных и собственных колебаний изделия совпадают, и нагрузки резко возрастают. Если в процессе испытаний выявляется, что частота транспортных или эксплуатационных колебаний близка к резонансным характеристикам изделия, то внося конструктивные коррективы, меняются амплитудно-частотные характеристики изделия.

  В качестве датчиков при проведении используются:
  для определения напряженно-деформированного состояния — тензометрические датчики;
  для определения уровня перегрузок — акселерометрические датчики (датчики ускорений).

• Ударные;
  Ударные испытания
  

  Для проведения ударных испытаний используется специальное оборудование — копровые установки. Эти установки имеют вертикальную подвижную платформу, ускорители, основание на которую платформа падает с требуемым ускорением, которые позволяют имитировать фронт нарастания нагрузок при ударе. Испытываемое изделие устанавливается на платформу, вместе с изделием она сбрасывается на основание с системой крешеров с расчетным ускорением.

  В качестве датчиков при проведении используются:
  для определения напряженно-деформированного состояния — тензометрические датчики;
  для определения уровня перегрузок — акселерометрические датчики (датчики ускорений).

• Климатические испытания;
  Климатические испытания
  

  Для экспресса имитации воздействия влажности и температуры испытываемых изделием в процессе эксплуатации проводятся климатические испытания. Как правило, в течение полугода имитируется десятилетний срок эксплуатации. Испытания проводятся в специальных камерах.

  В процессе испытаний визуальным способам определяется состояние покрытий и поверхностей изделия. Могут проведены в последующем дополнительные испытания для оценки климатических воздействий на технические параметры изделия.

  Ударные испытания проводятся в разных температурных режимах: как при отрицательных температурах, так и при повышенных. Испытательные образцы для этих испытаний используются такие же, как и при комнатной температуре.

  Испытания образцов на ударный изгиб при температурах от -100 до -269 С° регламентируются ГОСТом 22848-77. Образцы помещаются в криогенную камеру, где в жидком хладагенте при температуре ниже заданной на 2 – 6 С° их выдерживают в течение 15 мин., после чего извлекают из камеры и не позднее 3 – 5 с. испытывают. Для получения необходимых температур используются различные хладагенты:

  • для температур от -100 до -180 – жидкий азот;
  • для температур от -100 до -253 – жидкий водород;
  • для температур от -100 до -269 – жидкий гелий. 

  При высокотемпературных испытаниях используется аналогичная методика. Нагрев образцов производится в муфельных печах с перегревом на +3 — +50 С° в соответствии с заданной температурой и, в зависимости от условий, в нейтральной атмосфере.

  Для обозначения КС, определённой при высокой или низкой температурах, к индексу ударной вязкости добавляется цифровой температурный индекс, например: KCU+900, KCV-60 и т.д.

  Проведение динамических испытаний является необходимым требованием при выборе материалов, удовлетворяющих условиям их эксплуатации.  

• Климатические испытания;
  Климатические испытания
  

  Для экспресса имитации воздействия влажности и температуры испытываемых изделием в процессе эксплуатации проводятся климатические испытания. Как правило, в течение полугода имитируется десятилетний срок эксплуатации. Испытания проводятся в специальных камерах.

  В процессе испытаний визуальным способам определяется состояние покрытий и поверхностей изделия. Могут проведены в последующем дополнительные испытания для оценки климатических воздействий на технические параметры изделия.

  Ударные испытания проводятся в разных температурных режимах: как при отрицательных температурах, так и при повышенных. Испытательные образцы для этих испытаний используются такие же, как и при комнатной температуре.

  Испытания образцов на ударный изгиб при температурах от -100 до -269 С° регламентируются ГОСТом 22848-77. Образцы помещаются в криогенную камеру, где в жидком хладагенте при температуре ниже заданной на 2 – 6 С° их выдерживают в течение 15 мин., после чего извлекают из камеры и не позднее 3 – 5 с. испытывают. Для получения необходимых температур используются различные хладагенты:

  • для температур от -100 до -180 – жидкий азот;
  • для температур от -100 до -253 – жидкий водород;
  • для температур от -100 до -269 – жидкий гелий. 

  При высокотемпературных испытаниях используется аналогичная методика. Нагрев образцов производится в муфельных печах с перегревом на +3 — +50 С° в соответствии с заданной температурой и, в зависимости от условий, в нейтральной атмосфере.

  Для обозначения КС, определённой при высокой или низкой температурах, к индексу ударной вязкости добавляется цифровой температурный индекс, например: KCU+900, KCV-60 и т.д.

  Проведение динамических испытаний является необходимым требованием при выборе материалов, удовлетворяющих условиям их эксплуатации.

• Rомплексные испытания.
  Rомплексные испытания
  

  В реальной эксплуатации изделие испытывает несколько видов воздействия параллельно и последовательно. Для исследования воздействия комплекса факторов проводятся комплексные испытания. Это наиболее сложные и дорогостоящие испытания. Требуют предварительных изучений и исследований порядка и продолжительности воздействия на изделие отдельных факторов. По результатам исследований разрабатывается программа испытаний.

Стандартный образец представляет собой четырёхгранную призму размерами 10х10х55 мм в соответствии с НТД, где посередине одной из граней выполняется надрез (концентратор). Он может быть U-образной формы с шириной и глубиной впадины 2 мм и радиусом закругления 1 мм, или V-образной с глубиной 2 мм и радиусом 0,25 мм, либо в виде трещины, нанесённой на специальном стенде.

Основной, а зачастую и единственной, выходной характеристикой, при динамических испытаниях образцов с надрезом, является ударная вязкость (КС), которая зависит от состава металлов и сплавов, а также от их структуры; она определяется отношением:

КС=К/F0, где К — величина работы, израсходованной на разрушение образца; 

F0 — первоначальная площадь поперечного сечения ОК в месте надреза. 

Размерностью ударной вязкости (КС) является Дж/см2 (кгс×м/см2) и, в зависимости от формы концентратора, она обозначается: KCU, KCV, КСТ (с усталостной трещиной).

Динамические испытания на ударный изгиб регламентируются ГОСТом 9454-78 и проводятся на маятниковых копрах, запас энергии которых не превышает 300 Дж.

Рабочим органом копра является нож (2), закреплённый на тяжёлом маятнике (1) весом Р, свободно качающемся вокруг оси на подвеске длиной l.

Копер маятниковый МК-30а с наибольшим запасом потенциальной энергии 30кгс•м (~30Дж) предназначен для испытания образцов 1-3, 5-13 и 19-го типов металлов и сплавов на двухопорный ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 (метод Шарпи). Копер МК-30а изготавливается в соответствии с ГОСТ 10708-82 «Копры маятниковые. Технические условия». По общероссийскому классификатору продукции машина для испытания на ударный двухопорный изгиб МК-30а применяется для испытаний по ОКП 427111.

Копер используется для работы в помещениях лабораторного типа и устанавливается на основании в 12 раз более тяжелом, чем масса копра. После разрушения образца маятник вручную взводится в верхнее заданное положение (угол подъема маятника фиксированный – 156+50). Индикация значений разрушающей потенциальной энергии отображаются на аналоговом двухкоординатном циферблате. Конструктивно предусмотрено ручной подъем маятника, автоматическое торможение маятника и ручная (с помощью приспособления) установка образца.

Лабораторный копер МК-30а может быть модернизирован с целью передачи и обработки данных опыта с выводом данных значений испытания на монитор ПК в реальном времени, автоматической обработкой данных испытания с возможностью распечатки в виде протокола испытания по ГОСТ 9454-78, ISO 148-1983, ASTM E 23 на принтере.

Каждый испытательный копер проходит поверку перед отгрузкой, о чем делается запись в паспорте копра маятникового.

Знание механических свойств материала незаменимо и важно для конструктора, технолога, которые используют их в своей работе. Определяя максимальную нагрузку на ту или иную конструкцию, деталь, при превышении которой начнется пластическая деформация, и конструкция потеряет с вою прочность, форму и может быть разрушена. 

Разрушение или серьезная деформация строительных конструкций или элементов транспортных систем может привести к масштабным разрушениям, материальным потерям и даже к человеческим жертвам.