2.2Випробування на вигин

У багатьох випадках металеві матеріали в конструкціях працюють під статичними навантаженнями. Тому для оцінки механічних властивостей широко використовуються статичні випробування, які проводяться із застосуванням різних схем напруженого стану в зразку. До основних різновидів статичних випробувань відносяться випробування на розтягування, стискування, вигин і кручення.

Застосування випробувань на вигин обумовлене широкою поширеністю цієї схеми вантаження в реальних умовах експлуатації і більшою її м'якістю в порівнянні з розтягуванням, що дає можливість оцінювати властивості матеріалів, що крихко руйнуються при розтягуванні. Випробування на вигин зручні для оцінки температур переходу з крихкого стану в пластичний(наприклад, у холодноламких о. ц. до. металів і интерметал-лидов).

При випробуваннях на вигин застосовують дві схеми вантаження зразка, що лежить на нерухомих опорах : 1) навантаження прикладається зосередженою силою на середині відстані між опорами(мал. 2.1, а) і 2) навантаження прикладається в двох точках на однаковій відстані від опор(див. мал. 2.1, б). Експериментально першу схему реалізувати набагато простіше, тому вона і знайшла найбільше поширення. Слід враховувати, що друга схема "чистого вигину" у багатьох випадках забезпечує надійніші результати, оскільки тут максимальний момент, що вигинає, виникає на певній ділянці довжини зразка, а не в одному перерізі, як при використанні першої схеми.

Рис.2.1 схеми вигину зосередженою силою(а) і двома симетричними навантаженнями(б) з епюрами моменту М, що вигинає

У зразку, що згинається, створюється неоднорідний напружений стан, залежний від геометрії зразка і способу вантаження. При чистому вигині вузьких зразків з прямокутним перерізом напружений стан в кожній точці можна вважати лінійним. У широких зразках(з відношенням ширини до висоти перерізу більше трьох) при обох схемах вигину(див. рис. 2.1) створюється двовісний напружений стан із-за утруднення поперечної деформації. Нижня частина зразка виявляється розтягнутою, верхня - стислою. До того ж напруга, пов'язана з величиною моменту, що вигинає, різна по довжині і перерізу зразка. Максимальна напруга виникає поблизу поверхні. Усе це утрудняє оцінку середньої істинної напруги і деформацій, що строго характеризують механічні властивості при вигині.

Випробування на вигин можна проводити на будь-якій універсальній випробувальній машині, використовуваній для випробувань на розтягування. Зразок встановлюють на опорну плиту в нижньому захопленні і деформують ножем, що вигинає, кріпиться у верхньому захопленні машини. Для зменшення тертя опори, на яких лежить зразок, часто роблять з роликопідшипників. Зразок згинається при опусканні верхнього або підйомі нижнього захоплення. При цьому на діаграмній стрічці може бути записана діаграма вигину в координатах навантаження Р - стріла прогину f . Знання величини навантажень , , , дозволяє визначати межі пропорціональності, пружності, плинності і міцності при вигині. Напруга на стадії пружної деформації розраховує по звичайних формулах опору матеріалів.

Умовна нормальна напруга в крайнім розстянутім волокну , где М — изгибающий момент, а W - момент опору перерізу. У випадку напруження зосередженою силою (див. рис. 2.1, а)

M=Pl/4 (1)

Для прямокутного зразка

W=b (2)

для циліндричного

W=π /6 (3)

Отже, робочою формулою для розрахунку пружної напруги при вигині зразків прямокутного перерізу являється

(4)

а для циліндричних зразків

(5)

По формулах(5) і(4) часто розраховують усі міцності характеристики при вигині. Але досить точні результати виходять тільки при визначенні меж пропорціональності і пружності.

Із-за нерівномірності розподілу напруги по перерізу зразка, що згинається, визначають дві межі плинності - номінальний і реальний. Номінальну межу плинності при вигині розраховують по формулах(4) і(5), припускаючи, що напруга лінійно зростає від осі зразка до його поверхні, де і досягається заданий допуск на подовження. Реальну межу плинність визначає з урахуванням дійсного розподілу напруги по перерізу як істинну напругу, при якій в поверхневих волокнах виникає залишкова деформація заданої величини.

При випробуваннях на вигин, як і у разі стискування, досить пластичні матеріали не руйнуються. Зразок при цьому загинається аж до паралельності його частин, розташованих по обидві сторони від ножа(рис. 2.2, в). Матеріали, які руйнуються при вигині, можуть заздалегідь деформуватися на різну величину. У зразків, що пластично деформуються, точка максимуму Ь на діаграмі часто співпадає з появою першої тріщини. Іноді утворення тріщин супроводжується різкими спадами навантаження на правій гілці діаграми.

В якості характеристики пластичності при вигині, окрім , часто використовують кут загину р, що є додатковим до 180° до кута. Кут р зростає у міру підвищення деформаційної здатності матеріалу, а кут а зменшується.

Простота випробування на вигин і наочність отримуваних при цьому характеристик пластичності привели до розробки ряду технологічних проб, які застосовуються в заводських умовах. Завдання усіх цих проб - оцінити пластичність деформованих напівфабрикатів, відливань і виробів (листів, труб, дроту та ін.). ГОСТ 14019-80 Методів випробувань на вигин передбачає вигин зосередженою силою плоских зразків з прокату, поковок і відливань, що поміщаються на дві опори(див. рис. 2.2, а). Критерієм придатності продукції може бути: а) заданий кут загину зразків р(див. рис. 2.2, б) \ б) поява першої тріщини після загину на кут р, рівний або більший заданого; в) можливість загину пластини до паралельності(див. рис. 2.2, в) або зіткнення : сторін(див. рис. 2, г). Існують також проби на перегин листа, стрічки(ГОСТ 13813-68) і дроти(ГОСТ 1579-80), в яких фіксують задане число перегинів або кількість перегинів, після яких з'явилися тріщини або зразок зруйнувався.

Рис.2.2 технологічна проба на вигин: а - зразок перед випробуванням би - вигин до певного кута в - загин до паралельності сторін г - загин до зіткнення сторін