Коллеров М.Ю. Функциональные материалы (пособие)

а)

б)

Р исунок 3. 6. Развитие усилий восстановления формы образцом, предва ительно деформированного растяжением (а) и сжатием (б), при нагреве в захватах испыта ельной установки [17, стр. 52]

71

3.3.2 Определен е термомеханических характерис тик образцов при испы таниях на кручение

Исследование термомеханических характе истик при испытаниях проволочных образцов на кручение обычно проводят на установ е типа «обратный крутильный маятник» [17]. В этих установках нижний конец

образца (проволоки)	закреплен в	захвате непо вижно,	а верхн й – в
подви жном захвате,	подвешенном	на вертикальной	нити с грузом,

перетянутой через блок. Закручивание верхнего захвата относител но оси образца обеспечивает его деформацию . При этом определяют угол закручивания , по которому рассчитываю т степень деформации кручением

( ) (рисунок 3.7).

а) б)

Р исунок 3.7. Схема определен ия углов закручивания проволочного образца на установке типа «обратного крутильного маятника» [17, ст . 55] (а – вид сбоку, б – вид сверху): 1 – проволочный образец, 2 – захваты крутильногомаятника.

Степень наведенной дефор мации

H		H d	100%	(10)
		2 L

Степень остаточной деформ ации

72

ост	ост d	100%	(11)
	2L

Степень восстановленной деформации

	В	В d		( ост НВ ) d	100%	(12)
				2L
		2L

Степень невосстановленной деформации

	НВ	НВ d		( ост В ) d	100%	(13)
				2L
		2L

При определении степени сверхупругой деформации:

	СУ		( Н ост ) d	100%	(14)
			2L

где L – длина рабочей части образца (расстояние между захватами), м; d – диаметр рабочей части образца, м; Н – угол закручивания образца при деформации (угол поворота верхнего захвата), рад; ост – угол закручивания образца после разгрузки, рад; НВ – угол закручивания образца после восстановления формы, рад.

При нагреве деформированного образца определяют температурную зависимость угла закручивания при восстановлении формы - В(t) (рисунок 3.8), по которой рассчитывают температурную зависимость степени восстановленной деформации:

В (t)	В (t) d	100%	(15)
	2L

При этом определяют температуры начала и конца восстановления формы (АНВ и АКВ, соответственно).

Схема «обратного крутильного маятника» удобна для определения силовых характеристик образцов. При их исследованиях к верхнему захвату установки прикладывают постоянный крутящий момент (МКР). Под действием этого момента в образце возникают касательные (тангенциальные) напряжения :

	16 M
	d 3КР , [МПа]	(16)

Деформированный на определенную степень образец, нагруженный заданными тангенциальными напряжениями нагревают и фиксируют изменение угла закручивания от температуры, по которому рассчитывают

73

В(t), В и	НВ, (рисунок 3.9), а также			дельную	работу восстановления
формы:
		В		3
	aВ		,	[Дж/м ]	(17)
		100 % 360

Р исунок 3.8. Изменение угла закручивания ) при нагреве образца, предварительно деформированного кру чением [17, стр. 55]

акой эк перимент повторяют при разных уровнях тангенциальных напря ений и по его результатам строят зависимости В от и аВ от

(рисунок 3.10).

Р исунок 3.9. Изменение угла закручивания ( ) пр нагреве деформир ванного образца, нагруже ного до различного уровня тангенциальных напряжений ( ) [17, стр. 57]

74

Р исунок 3 .10. Влияние противодействующих напряжений ( ) на степень восстановленной деформации ( В) и удельную работу вос тановления формы (ав) [17,

стр. 57]

По этим зависимостям нах одят величины Рm ax ( В= 0) и (аВ)max при Р

(предельные рабочие на пряжения).
Как правило,	при испыта ниях на кручение			используют образцы с
круглы м сечением.	Од ако,	в к ачестве образцов		для испытаний можно
использовать также	пруток	с более сл жным сечением. При этом для
расчета характеристик использую тся фор			улы, аналогичные формулам (10)
– (17). Расчетные формы для образцов			различного сечения приведены в
таблице 3.1.

75

68

Таблица 3.1 Расчет термомеханических характеристик при деформировании кручением образцов различного сечения [17]

Вид сечения

Деформация, %

Касательные напряжения, Па

Работа ВФ,

Удельная

Дж

работа

ВФ, Дж/м3

max

M КР

m g R

0,2 d 3

0,2 d 3

r

МКР – момент кручения, Н м

Для

любого

d – диаметр образца, м

aB A

l

вида сечения

- угол закручивания, рад

m

–

масса

груза,

обеспечивающего

A

M КР

V

постоянный крутящий момент, кг

V r 2 l

2

d = 2r

r – радиус образца, м

g

–

ускорение свободного падения,

m g R

l – длина образца, м

(g 9,8 м/с2)

2

R

–

плечо

(характеристика

испытательной установки), м

76

b

M КР

m g R

l

max

W

a b2

,

-

коэффициенты

КР

m – масса груза, кг

aB

A

a

(зависят

от

отношения

падения,

h/b)

g

–

ускорение свободного

V

(g 9,8 м/с2)

V a b l

b

l – длина образца, м

R

–

плечо,

(характеристика

b

–

меньшая

сторона

испытательной установки), м

прямоугольника, м

max

M КР 9 m g h R

WКР

b h2 b2

b

m – масса груза, кг

A

l

aB

g

–

ускорение свободного

падения,

h

- угол закручивания, рад

V

(g

2

V h b l

h

–

большая

диагональ

9,8 м/с )

(характеристика

куба, м

R

–

плечо,

2

испытательной установки), м

b

l – длина образца, м

h – большая диагональ ромба, м

b – малая диагональ ромба, м

69

77

3.3.3 Определение термомеханических характ еристи при испытаниях на изги

Деформа ию обр зцов в виде по осы, вырезанной из листа, или проволоки при определении характеристик при изгибе пр оводят о каткой вокруг вала определенного диаметра (рисунок 3.1 1). При этом угол загиба

не влияет на степень	деформации	образца, а изменяет только
дефор мированный объем,	что важно при	определении удельной работы
восстановления формы [17].

Р исунок 3.11. Схема определения радиуса кривизн образца после деформации (а) и последующе о нагрева (б) [17, стр. 60]

В общем виде степень деформации образца при изгиб е можно									писать
формулой:
		1				1			(18)
		2 R h 2R
h						2	h 100 %
		1
где h – толщина образца в плоскости изгиба, [м]; R1 и R2 – исходный и
конечный радиусы изгиба образца.
сли ис одный образец не				имеет				изгиба (R1 ), то	степень
наведенной деформации равна:
H		h	100%					(19)
	2R H h

где RH – радиус оправки, вокруг которой обкатывается образец Степень остаточной деформ ации ост :

78

ост 2R h h 100%

ост

где Rост – радиус изгиба образца после снятия нагрузки. Невосстановленная степень деформации НВ :

НВ 2R h h 100%

НВ

где RНВ – радиус изгиба образца после восстановления формы. Степень восстановленной деформации В :

В ост НВ , [%]

Степень восстановления формы СВФ:

	СВФ	В	100%	RНВ Rост	100% ,
		ост		RНВ 0,5h

(20)

(21)

(22)

(23)

Замеры Rост, RНВ обычно осуществляют подбором радиуса кривизны по планшету, на который заранее нанесены окружности различного радиуса. Такой замер не всегда удобен и не позволяет проводить запись изменения текущего радиуса от температуры для точного определения температур восстановления формы. Поэтому часто используют схему деформации четырехточечного изгиба с определением величины прогиба (f) образца при нагружении и восстановлении формы, рисунок 3.12.

При этом для малых (упругих) деформаций выполняется соотношение:

			f	Pl3	, [мм]	(24)
				48EJ
где Р – усилие		[Н];		Е	– модуль упругости материала [МПа];
J – момент инерции сечения образца (для круглого сечения						J	d 4	; для
						64
прямоугольного – J	bh3		; где d – диаметр образца [мм], b и h – ширина и
12

толщина образца) [мм]; l – расстояние между опорами [мм].

79

f

P P

B

Рисунок 3.12. Схема установки для определения термомеханических характеристик методом четырехточечного изгиба [17, стр. 62]

Расчет характеристик проводят по формулам 19 – 23.

Этим методом можно определить удельную работу восстановления формы:

	Р f	3
аВ		, [Дж/м ]	(25)
	S l

где Р – усилие, приложенное к образцу, [Н]; f – изменение величины

прогиба; S – площадь поперечного сечения, [м2].

Для экспресс анализа характеристик часто применяют метод консольного изгиба (рисунок 3.13). В данном методе образец (1) в виде пластины или проволоки закрепляют одним концом в неподвижном захвате и изгибают вокруг вала (2) определенного радиуса на угол примерно 90 . Ось вала совмещена с осью измерительного круга (3), на котором закреплен упорный штырь (4), соприкасающийся с образцом. К измерительному кругу может быть приложен изгибающий момент Мизг. с помощью груза (5):

	МИЗГ.	Р D	, [Н м]	(26)
		2

где Р – вес груза, [Н], D – диаметр измерительного круга, [м].

80