Механические статические испытания

Статические испытания – неотъемлемый этап разработки новых материалов, контроля качества не разборных соединений и монолитных изделий. Испытания относятся к разрушающим, т.е. в процессе приложения нагрузки образец разрушается и восстановлению не подлежит.

В зависимости от способа приложения нагрузки, испытания дифференцируются на:

• Разрыв (растяжение);

  Испытания на разрыв
  Выполняются на вертикальных или горизонтальных разрывных стендах. Для испытаний изготавливают специальный образец, в виде цилиндрического стержня с разными диаметрами. Концы стержня закрепляют, и образец растягивают до разрушения. При этом приборы фиксируют прилагаемую в течение испытаний нагрузку. Испытаниям на разрыв чаще всего подвергают металлы и полимеры.
  

• Сжатие (сдавливание);

  Испытания на сжатие
  Выполняют при помощи испытательного пресса. Образец цилиндрической или кубической формы устанавливают на стол и подвергают сжатию до полного разрушения. Стенд оснащён приборами фиксирующими изменение нагрузки в течение испытаний. На сжатие испытывают все материалы, но наиболее актуальны данные испытания для бетонов, керамики, и других строительных материалов.
  
  

• Излом (изгиб);

  Испытания на изгиб
  Выполняется на специальных стендах или на стендах, предназначенных для разрыва или сжатия, при условии применения дополнительной оснастки. Образец в виде платины изгибают, прилагая усилие, в зависимости от способа изгиба, к двум или более точкам. Деформация происходит до разрушения образца или до состояния невозврата к первоначальной геометрической форме.
  Т.к. нагрузка может прилагаться в разных плоскостях, система регистрации результатов испытаний, имеет боле сложную конструкцию.Важные испытания для металлов и полимеров, как монолитных, так и неразборных стыков, например сварки.
  
  

• Излом (изгиб);

  Испытания на скручивание
  Испытания на скручивание проводятся на специальных стендах, в которых зажимные устройства вращаются в разных направлениях, с разными скоростями и усилиями, тем самым имитируя реальные условия эксплуатации контролируемого материала. Важным фактором является правильная центровка образца, чтобы избежать факта изгиба, при приложении нагрузки.
  Испытания скручиванием применяют как к материалам, так и неразъёмным соединениям.

Независимо от вида испытаний, в основе их лежит единый физический процесс — разрушение материала при максимальной нагрузке, после которой невозможно восстановление пластических и прочностных свойств образца. На этапе максимального приложения силы, образец деформируется до полной потери первоначальных геометрических параметров, затем нагрузку снижают, а образец продолжает разрушаться.

Статические испытания позволяют определить предельно допустимые постоянные или плавно нарастающие нагрузки, при которых материал способен сохранять заданные характеристики.

В связи с широким применением статических испытаний, требования и методы их проведения регламентированы во множестве нормативных документов.

Испытания на растяжение металлов, пластмасс (ГОСТ 1497-84, ГОСТ 6996-66, ГОСТ 11262 -2017) — характеристики : 

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

Предел текучести — механическая характеристика материала, характеризующая напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки. С помощью этого параметра рассчитываются допустимые напряжения для пластичных материалов.  

Модуль упругости стали (модуль Юнга) — характеристика металлического элемента. В основе меры лежит сопротивляемость деформации растяжения. По-простому, цифра дает понять на сколько металл перед глазами инженера пластичен.

Предел пропорциональности (σпц) — максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением. При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Удлинение металла — это характеристика пластичности металла, оцениваемая по увеличению длины образца из этого металла при растяжении. 

Относительное сужение материала — это характеристика пластичности металла, оцениваемая по относительному уменьшению площади поперечного сечения растягиваемого образца.

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.

Нормативные требования

Базовыми нормативными документами, регламентирующими статические испытания, являются ГОСТы. На их основании разрабатывают программы испытаний и инструкции, которыми пользуется персонал.

Государственный стандарт выбирают в зависимости от вида, материала и условий испытаний. Например:

• ГОСТ 1497-84 — испытание металлов на растяжение;
• ГОСТ 11262-2017 — испытаний пластмасс на растяжение;
• ГОСТ 25.503-97 — испытания металлов на сжатие и прочностные расчеты;
• ГОСТ 25.602-80 — испытаний на сжатие композитных материалов и прочностные расчёты;
• ГОСТ 4648-2014 — испытаний пластмасс на изгиб;
• ГОСТ 14019-80 — испытания металлов на изгиб.

Также на результат испытаний влияют температурные условия, при которых проводятся контроль. Например:

• ГОСТ 9651 - 84 — испытания металлов при повышенных до +1200°С температурах;
• ГОСТ 11150 - 84 — испытания металлов при пониженных от -10оС до -100°С температурах;

Очевидно, что при планировании статических испытаний необходимо проанализировать будущие условия применения разрабатываемого материала или изделия, с учётом климатических зон или особых условий эксплуатации.