VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

Algimantas Krenevičius, Mindaugas Kazimieras Leonavičius

EKSPERIMENTINĖ MEDŽIAGŲ MECHANIKA

Mokomoji knyga

Vilnius 2007

UDK 620.1(075.8) Kr 177

Algimantas Krenevičius, Mindaugas Kazimieras Leonavičius. EKSPERIMENTINĖ MEDŽIAGŲ MECHANIKA. Mokomoji knyga. Vilnius: Technika, 2007. 139 p.

Medžiagos ir konstrukcijų elementų stiprumas, standumas, de-fektai, atsparumas irimui, eksploatacinė būklė patikimai nustatomi tik eksperimentais. Kompleksinis medžiagos mechaninių savybių nustatymas ir irimo proceso analizė priskiriami prie eksperimentinės medžiagų mechanikos uždavinių.

Mokomoji knyga skirta technologijos mokslų srities mechani-kos, medžiagų, informatikos ir transporto inžinerijos mokslo krypčių studentams, magistrantams, doktorantams ir dėstytojams, kurie do-misi medžiagų ir konstrukcijų elementų stiprumo ir irimo proble-momis.

Leidinį rekomendavo VGTU Fundamentinių mokslų fakulteto studijų komitetas Recenzavo: doc. dr. A. Jakštas, doc. dr. S. Stupak VGTU leidyklos „Technika“ 932 mokomosios metodinės literatūros knyga ISBN 978-9955-28-121-4 © Algimantas Krenevičius, 2007 © Mindaugas Kazimieras Leonavičius, 2007 © VGTU leidykla „Technika“, 2007

TURINYS

Įvadas .............................................................................................................5

1. Metalų tamprumo rodikliai ........................................................................7

2. Srieginio strypo deformavimas tempiant .................................................19

3. Sriegio vijų deformavimo savybės ir apkrovos pasiskirstymas

srieginės jungties vijose...........................................................................27

4. Kompaktinio bandinio su plyšiu statinis irimas.......................................40

5. Srieginių jungčių statinis stiprumas .........................................................56

6. Plastikų tempimo bandymas ....................................................................64

7. Plyšių ir defektų matavimas įvairiais neardomosios kontrolės

metodais...................................................................................................76

8. Suirusių bandinių ir detalių tyrimas .........................................................88

Priedas ........................................................................................................108

Literatūra ....................................................................................................138

5

ĮVADAS

Projektuojant šiuolaikinius įrenginius, taikant modernias skaičia-vimo metodikas, dažnai remiamasi medžiagų bei konstrukcijų elemen-tų stiprumo eksperimentinių tyrimų rezultatais. Eksperimentiniai me-todai taikomi, iškilus būtinybei patikrinti teorinius kriterijus, kuriais aprašomi ribiniai įtempių ir deformacijų būviai. Šie metodai nepakei-čiami, kai dėl sudėtingos detalių konfigūracijos ar irimo procesų sudė-tingumo teoriniai stiprumo problemų sprendimo būdai yra neįmanomi.

Medžiagų atsparumo mokymo programos supažindina studentus su standartiniais bandymais, kuriuos atliekant nustatomi pagrindiniai medžiagų mechaninių savybių rodikliai. Knygoje pateikti laboratori-niai darbai, skirti daugiausia originaliems tyrimams, kuriuos atliekant sprendžiami mokslinio pobūdžio eksperimentinės medžiagų mecha-nikos uždaviniai.

Atlikdami šiuos darbus, studentai išsiaiškins mokslinių tyrimų ga-limybes, kurios atsiskleidžia naudojant kompiuterizuotas bandymo ma-šinas, šiuolaikines matavimo priemones ir specialias eksperimentinių duomenų apdorojimo programas ir susipažins su kai kuriais EB šalių ir JAV standartų reikalavimais, keliamais bandymų technikai ir bandymų procedūroms. Viename laboratoriniame darbe numatomas eksperimen-tinių rezultatų naudojimas analitinio konstrukcijos modelio skaitiniam realizavimui pagal studento sudarytą skaičiavimo programą.

Daugelis šiuolaikinių konstrukcijų projektuojamos taikant irimo mechanikos kriterijus, kartu numatant sistemišką jos elementų koky-bės kontrolę, atliekamą eksploatavimo metu. Laboratoriniai darbai suteikia galimybę studentams susipažinti su įvairiais neardomosios kontrolės metodais, jų teoriniais pagrindais ir aparatūra, naudojama plyšiams ir defektams nustatyti.

Fraktografinei suirusių detalių analizei skirtame laboratoriniame darbe mokoma taikyti svarbiausią mokslinę metodiką, nustatant kompleksines irimo priežastis, – kai pagal lūžius nustatoma detalės formos, apkrovimo sąlygų, elementų tarpusavio sąveikos, medžiagos struktūros ypatumų, defektų ir kitų veiksnių įtaka.

6

Knyga bus naudinga būsimiesiems mokslininkams ir inžinie-riams projektuotojams, kurie skaičiuodami naudoja eksperimentais nustatomus medžiagų mechaninių savybių rodiklius; būsimiesiems inžinieriams vadybininkams – potencialiems eksperimentinių darbų užsakovams – ir būsimiesiems inžinieriams eksperimentatoriams, ku-rie atlieka medžiagų ir konstrukcijų savybių eksperimentinius tyri-mus.

7

1. METALŲ TAMPRUMO RODIKLIAI

Darbo tikslas: nustatyti metalo tamprumo savybių rodiklius ir susi-pažinti su standartais, reglamentuojančiais bandymų metodus, taikomus šiems rodikliams nustatyti.

1. Teorinė dalis

Įvairių pramonės šakų konstrukcijų projektavimo normos beveik visada riboja konstrukcijų elementų įtempių didumą taip, kad neatsi-rastų plastinės (liekamosios) deformacijos. Leidžiami tik vietinio po-būdžio tampriai plastinio deformavimo procesai, kurie neapima visos medžiagos. Pavyzdžiui, dažnai jie neišvengiami įtempių koncentrato-riuose. Kai plastinės deformacijos apima didesnes elementų sritis, jos kaupiasi, didėja, labai pakeičia jų geometriją, trikdo jų sąveiką ir pa-daro neįmanomą visos konstrukcijos eksploatavimą.

Taigi konstrukcijų elementai dažniausiai projektuojami darbui tampraus (grįžtamojo) deformavimo srityje tariant, kad konstrukci-nės medžiagos deformuojasi pagal proporcingumo – Huko – dėsnį. Proporcingumo prielaida (Huko dėsnis) sako, kad tamprumo srityje normaliniai įtempiai σ yra proporcingi linijinėms deformacijoms ε. Huko dėsnis užrašomas taip:

σ = E·ε. (1)

Proporcingumo koeficientas E yra vadinamas medžiagos tamp-rumo moduliu. Tamprumo modulis yra tempiamo bandinio tiesaus pradinio įtempių diagramos ruožo krypties kampo tangentas – tgα = σ / ε = E. Jo reikšmė nustatoma eksperimentais, atliekant metalo tempimo bandymą pagal standartus ASTM E111-82 arba GOST 1497-84.

Projektuojant konstrukcijų elementus, nepakanka žinoti vien tik medžiagų tamprumo modulių reikšmes. Reikia dar žinoti rodiklius, apibrėžiančius Huko dėsnio taikymo ribas, ir įtempius, nusakančius plastinių deformacijų pradžią.

8

Įtempis, iki kurio galioja įtempių ir deformacijų proporcingumo (Huko) dėsnis, vadinamas proporcingumo riba. Proporcingumo ribos nustatymą reglamentuoja tik standartas GOST 1497-84, kuriame jis žymimas simboliu (σПЦ). Pagal šį standartą tai yra įtempis, atitinkantis įtempių diagramos tašką, ties kuriuo nubrėžtos liestinės ir įtempių ašies sudaromo kampo tangentas yra 50 % didesnis už tangentą kam-po, kurį sudaro pradinė tiesioji diagramos dalis su įtempių ašimi.

Didžiausias įtempis, iki kurio medžiagoje nepastebima jokių plas-tinių (liekamųjų) deformacijų, vadinamas tamprumo riba. Dažnai ši įtempio reikšmė sutampa su proporcingumo riba arba yra šiek tiek di-desnė už ją (tai reiškia, kad, net ir tapusi neproporcinga įtempiui, de-formacija vis dar tebėra grįžtamoji, išnyksta pašalinus apkrovą).

Metalų tempimo bandymų standartuose ASTM E 111-82, ASTM A 370-92, EN 10002-1/2003 ir GOST 1497-84 tamprumo ri-bos nustatymas nereglamentuojamas. Tačiau standarte GOST 1497-84 leidžiama sąlyginį takumo įtempį, kuris atitinka nedidelį plastinės (liekamosios) deformacijos didumą (nuo 0,005 % iki 0,05 %), vadinti tamprumo riba, žymint ją pagal sąlyginio takumo įtempio žymėjimo taisykles, pvz., σp0,005 arba σp0,05.

Takumo įtempis yra mažiausias įtempis, kuriam veikiant plas-tinė deformacija didėja nedidinant apkrovos. Toks įtempis pastebi-mas, kai tempiamo bandinio įtempių diagramoje yra išreikšta takumo aikštelė. Dažnai takumo aikštelėje įtempio didumas šiek tiek svyruo-ja, todėl standartai šiuo atveju nurodo, kaip reikia nustatyti jo di-džiausiąją ir mažiausiąją reikšmes. Viršutinė takumo įtempio reikšmė atitinka tą įtempių diagramos tašką, ties kuriuo pirmą kartą prasideda įtempio sumažėjimas, – ties pirmuoju įtempio piku, esančiu takumo aikštelės pradžioje. Šis įtempis vadinamas viršutiniu takumo įtempiu. Standarte EN 10002-1/2003 jis žymimas simboliu ReH, o standarte GOST 1497-84 – simboliu σTB.

Mažiausiąją reikšmę takumo aikštelėje turintis įtempis vadina-mas apatiniu takumo įtempiu. Standartuose EN 10002-1/2003 ir GOST 1497-84 jis žymimas atitinkamai ReL ir σTH .

9

Sąlyginis takumo įtempis yra įtempis, dėl kurio medžiagoje atsi-randa nustatyto didumo liekamoji (plastinė) deformacija. Šis įtempis nustatomas tais atvejais, kai įtempių diagrama neturi išreikštos takumo aikštelės. Jo simbolio indeksas rodo jį atitinkant liekamosios (plasti-nės) deformacijos didumą procentais. Konstrukcijų skaičiavimų prak-tikoje labiausiai paplitęs medžiagos sąlyginis takumo įtempis, atitin-kantis 0,2 % liekamąją deformaciją, kuris standarte EN 10002-1/2003 žymimas simboliu Rp0,2, o standarte GOST 1497-84 – σp0,2.

Kartais konstrukcijų elementai eksploatavimo metu arba net ne-prasidėjus eksploatavimui dėl montavimo paklaidų patiria perkrovas ir plastiškai deformuojasi. Tokiu atveju tenka nagrinėti šių elementų tolesnio eksploatavimo galimybes ir jas pagrįsti atitinkamais stipru-mo skaičiavimais. Šie skaičiavimai atliekami naudojant jau plastiškai deformuotos medžiagos mechaninių savybių rodiklius. Plastiškai de-formuotas metalas tamprumo savybių nepraranda. Nukraunant ir vėl apkraunant plastiškai deformuotą bandinį, jo deformacija mažėja ir vėl didėja beveik proporcingai normaliniam įtempiui. Įtempių diag-ramoje šį procesą parodo labai siaura histerezės kilpa. Jos viduriu ei-nančios tiesės krypties kampą sąlygiškai vadinsime plastiškai de-formuoto metalo tamprumo moduliu (standartuose šis rodiklis nereglamentuojamas). Šiame darbe plastiškai deformuoto metalo tamprumo modulį reikia nustatyti eksperimentais ir jo reikšmę paly-ginti su standartinio tamprumo modulio reikšme. Stiprumo skaičia-vimų praktikoje laikoma, kad plastiškai deformuoto metalo nukrovi-mo ir apkrovimo histerezės kilpos viduriu einanti tiesė yra lygiagreti su pradiniu tiesiniu įtempių diagramos ruožu, t. y. šios tiesės krypties koeficientas yra lygus tamprumo moduliui E. Atliekant perkrovas pa-tyrusių elementų įtempių ir deformacijų skaičiavimus, pravartu žinoti paklaidas, atsirandančias dėl šios prielaidos taikymo.

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Bandymo priemonės

Bandymo mašina: TIRA test 2300 (100 kN).

10

Matavimo priemonės: • indukcinis deformometras DDA 50 (bazė 50 mm) – ±1 %

tikslumas; • dinamometras (mašinoje TIRA test 2300) – ±0,5 % tikslu-

mas; • kompiuterinė matavimo sistema su analoginiu skaitmeniniu

keitikliu SPIDER-8; • duomenų registravimo ir tvarkymo programa KATMAN –

EXPRESS; • mikrometras MK (0–25) mm, pad. 0,01 mm.

2.2. Bandinys

Standartinis cilindrinis metalo tempimo bandinys parodytas 1 pav. Nustatant metalo tamprumo modulį, rekomenduojama naudoti kiek įmanoma didesnę deformacijos matavimo bazę L0 ≥ 50 mm. De-formuojant bandinį iki proporcingumo ribos, jo pailgėjimo reikšmės yra mažos ir yra lyginamos su deformometro jautrumo riba. Kuo di-desnė yra bazė L0, tuo didesnis yra skirtumas tarp šių dydžių ir ma-žesnė nustatyto tamprumo modulio reikšmės paklaida.

1 pav. Cilindrinis tempimo bandinys

2.3. Tempimo bandymas

Metalo tempimo bandymo schema parodyta 2 pav.

11

2 pav. Tempimo bandymo schema:

1 – bandymo mašinos TIRA test 2300 korpusas (pagrindas);

2 – paslanki traversa; 3 – kolonos (kreipiančiosios); 4 – stacionari skersė; 5 – dinamometras (tamprusis

elementas); 6 – dinamometro tenzodavikliai; 7 – viršutinis griebtas; 8 – apatinis griebtas; 9 – bandinys; 10 – deformometro korpusas; 11 – deformometro svirtys;

12 – deformometro indukciniai davikliai;

13 – analoginis skaitmeninis keitiklis; 14 – kompiuteris (su įdiegta duomenų

registravimo ir apdorojimo programa CATMAN 3);

15 – analoginis signalas (elektrinis signalas, proporcingas jėgos pokyčiui);

16 – analoginis signalas (elektrinis signalas, proporcingas bandinio ilgio pokyčiui);

17 – skaitmeniniai signalai

12

Tempimo bandymo metu mašinos TIRA test 2300 dinamometras matuoja didėjančią jėgą F, o deformometras – bandinio deformacijos bazės pokytį ΔL0. Šių dydžių sekas kompiuterio laikmenose regist-ruoja matavimo duomenų registravimo ir tvarkymo programa KATMAN – EXPRESS. Naudojant šias sekas, apskaičiuojamos atitin-kamos bandinio deformacijų ε = (ΔL0/L0) ·100 % ir įtempių σ = F/A (A – bandinio skerspjūvio plotas) sekos ir sudaroma įtempių diagra-ma. Tokios diagramos dalys (pavyzdžiai) naudojamos nustatomiems rodikliams skaičiuoti, parodytos 3–5 pav.

2.4. Tamprumo modulio nustatymas

2.4.1. Tamprumo modulio nustatymas pagal GOST 1497-84 (4.3.1 skyrius)

Skaičiuojant tamprumo modulio reikšmę, naudojamas pradinės tiesinės įtempių diagramos ruožas, esantis apytikriai nuo 0,1σpr. iki 0,8σpr.. Čia imama apytikslė (numanoma) proporcingumo ribos (σpr.) reikšmė. Šis ruožas padalijamas į (n – 1) dalių, kurias atitinkantys įtempių ir deformacijų pokyčiai yra beveik vienodi (4 pav.):

(σ2 – σ1) ≈ (σ3 – σ2) ≈ … ≈ (σn – σ(n–1)); (2)

(ε2 – ε1) ≈ (ε3 – ε2) ≈ … ≈ (εn – ε (n–1)); (3)

čia σ1 ≈ 0,1 σpr. ir σn ≈ 0,8 σpr.. Tamprumo modulis apskaičiuojamas pagal formulę:

vid.

vid.EεΔ

σΔ= ; (4)

1

)(...)()( )1(2312

−

σ−σ++σ−σ+σ−σ=σΔ −

n

nnvid. ; (5)

1

)(...)()( 1)(2312

−

ε−ε++ε−ε+ε−ε=εΔ −

n

nnvid. . (6)

13

2.4.2. Tamprumo modulio nustatymas pagal ASTM E 111-82 (9.2 skyrius)

Skaičiuojant tamprumo modulio reikšmę, naudojamas pradinės tiesinės įtempių diagramos ruožas, esantis apytikriai nuo 0,1σpr. iki 0,8σpr.. Čia imama apytikslė (numanoma) proporcingumo ribos (σpr.) reikšmė. Šis ruožas padalinamas į (n – 1) apylygių dalių Tamprumo modulis skaičiuojamas mažiausiųjų kvadratų metodu pagal formulę:

( ) ( )

( )∑∑

−−

⋅−−⋅=

21

1

vid.2i

vid.vid.ii

XnX

YXnYXE ; (7)

( ) ( ) ( ) ( ) ... Y ni ;;;; 1141312 σ−σσ−σσ−σσ−σ= (8)

( ) ( ) ( ) ( ) ... X ni ;;;; 1141312 ε−εε−εε−εε−ε= (9)

;1−

= ∑n

YY

ivid. (10)

.n

XX

ivid.

1−= ∑ (11)

Variacijos koeficientas:

(%); 21

1/1100

2

)n(

rV

−−

−= (12)

čia

.

11

12

22

2

2

2

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−

Σ−⋅⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−−

=

∑∑ ∑

∑ ∑ ∑

)n(

)Y(Y

)n(

)X(X

)n(

YXYX

r

ii

ii

iiii

14

2.4.3. Tamprumo modulio nustatymas pagal ASTM E 111-82 (9.1 skyrius) ir GOST 1497-84 (4.3.2 skyrius)

Apytikslei tamprumo modulio reikšmei nustatyti standartai ASTM E 111-82 (9.1 sk.) ir GOST 1497-84 (4.3.2 sk.) numato pa-prastesnį būdą. Pagal šį būdą skaičiuojant tamprumo modulio reikš-mę, taip pat naudojamas pradinės tiesinės įtempių diagramos ruožas, esantis apytikriai nuo 0,1σpr. iki 0,8σpr.. Imama tik apytikslė (numa-noma) proporcingumo ribos reikšmė. Naudojant tik kraštines šio diagramos ruožo įtempių ir deformacijų reikšmes, tamprumo modulis apskaičiuojamas pagal formulę:

( )( )

;1

1

ε−ε

σ−σ=n

nE (13)

čia σ1 ≈ 0,1 σpr. ir σn ≈ 0,8 σpr..

2.4.4. Plastiškai deformuoto metalo tamprumo modulis

Plastiškai deformuoto metalo tamprumo modulį palyginkite su tamprumo modulio reikšmėmis, kurias nustatysite pagal standartus. Tamprumo modulį apskaičiuokite naudodami plastiškai deformuoto metalo nukrovimo ir apkrovimo histerezės kilpą įtempių diagramoje. Tamprumo modulio reikšmę apskaičiuokite pagal formulę:

( )( )

;ba

baEε−ε

σ−σ= (14)

čia σa, εa ir σb, εb tiesės, einančios histerezės kilpos viduriu, pradžios ir pabaigos koordinatės (5 pav.).

15

2.4.5. Bandymo rezultatai

1 lentelė. Bandinio parametrai

Medžiaga Markė Skersmuo Skerspjūvio

plotas Deformacijos

matavimo bazė d0 A = πd02 / 4 L0

– – mm mm2 mm

Plienas Plienas 45 10,01 78,66 50

2 lentelė. Įtempių ir deformacijų pokyčiai tampriųjų deformacijų srityje

i σi εi σi – σ(i – 1) εi – ε(i – 1) σi – σ1 εi – ε1

MPa – MPa – MPa – – – – (2) form. (3) form. (8) form. (9) form.

1 33,89 0,0151

2 52,74 0,0264 18,85 0,01132 52,7 0,0113

3 70,06 0,0358 17,32 0,00943 70,1 0,0208

4 88,46 0,0472 18,39 0,01132 88,5 0,0321

5 107,92 0,0528 19,46 0,00566 107,9 0,0377

6 124,84 0,0623 16,92 0,00943 124,8 0,0472

7 142,22 0,0717 17,38 0,00943 142,2 0,0566

8 156,18 0,0773 13,96 0,00566 156,2 0,0623

9 174,47 0,0887 18,29 0,01132 174,5 0,0736

10 193,07 0,0962 18,60 0,00755 193,1 0,0811

11 211,77 0,1075 18,70 0,01132 211,8 0,0924

12 227,41 0,1132 15,64 0,00566 227,4 0,0981

Δσvid. (5) form. 17,59 – – –

Δεvid. (6) form. – 0,00892 – –

Yvid. (11) form. – – 140,83 –

Xvid. (12) form. – – – 0,0557

16

3 lentelė. Įtempių ir deformacijų pokyčiai tamprumo srityje

Įtempiai Deformacijos Tamprumo modulis E

(13) form.

MPa – GPa

σn 227,4 εn 0,001132

σ1 33,89 ε1 0,0001510

σn – σ1 193,5 εn – ε1 0,000981

197

4 lentelė. Plastiškai deformuoto bandinio histerezės kilpos parametrai

Įtempiai Deformacijos Tamprumo modulis E

(13) form.

MPa – GPa

σa 373,6 εa 0,03258

σb 49,78 εb 0,03084

σa – σb 323,8 εa – εb 0,00174

186

5 lentelė. Tamprumo modulis

Standartas Formulė E (GPa) V (%)

GOST 1497-84 (4.3.1 sk.) (4) 197 –

ASTM E 111-82 (9.2 sk.) (7) 201 1,395

ASTM E 111-82 (9.1 sk.) GOST 1497-84 (4.3.2 sk.)

(13) 197 –

6 lentelė. Mechaninių savybių rodikliai

Viršutinis takumo įtempis

Apatinis takumo įtempis

Apatinis takumo įtempis

Stiprumo riba

GOST 1497-84 ASTM A 370-92 EN 10002-1:2003

ASTM A 370-92 EN 10002-

1:2003 GOST 1497-84

GOST 1497-84 ASTM A 370-92 EN 10002-1:2003

FeH; FTB

ReH; σTB FeL ReL FTH σTH Fm;FB Rm,σB

kN MPa kN MPa kN MPa kN MPa 23,05 293 22,73 289 22,73 289 43,26 550

Pastaba. 6 lentelė pildoma, jeigu įtempių diagrama turi takumo aikštelę.

17

7 lentelė. Mechaninių savybių rodikliai

Proporcingumo riba

Sąlyginis takumo įtempis

Sąlyginis takumo įtempis

Stiprumo riba

GOST 1497-84 EN 10002-1:2003 EN 10002-1:2003 EN 10002-1:2003

FПЦ σПЦ Fp0,05 Rp0,05 Fp0,2 Rp0,2 Fm σm

kN MPa kN MPa kN MPa kN MPa

Pastaba. 7 lentelė pildoma, kai įtempių diagrama neturi takumo aikštelės.

3 pav. Įtempių diagrama

18

4 pav. Tampriųjų deformacijų sritis ir takumo aikštelė

5 pav. Nukrovimo ir apkrovimo histerezės kilpa

3. Laboratorinio darbo ataskaita

3.1. Bandymo schema ir aprašymas. 3.2. Bandymo rezultatai. 3.3. Įtempių diagrama.

19

2. SRIEGINIO STRYPO DEFORMAVIMAS TEMPIANT

Darbo tikslas: nustatyti plieninių srieginių strypų mechaninių sa-vybių rodiklius ir palyginti juos su atitinkamais to paties plieno rodikliais.

1. Teorinė dalis

Projektuojant sriegines jungtis, reikia atlikti varžtų ar smeigių įtempių ir ilgio pokyčių skaičiavimus. Srieginių jungčių ilgio poky-čiai atsiranda jas įveržiant, dėl relaksacijos eksploatuojant ar pavei-kus perkrovoms. Varžtų ar smeigių įtempių ir ilgio pokyčių skaičia-vimai yra ypač svarbūs tais atvejais, kai srieginės jungtys naudojamos aukštojo slėgio induose jungiamųjų elementų (pvz., dangčio ir indo korpuso) sandarumui užtikrinti. Didelė grėsmė jun-giamųjų elementų sandarumui atsiranda, kai smeigių (varžtų) įtem-piai viršija proporcingumo ribą. Tuomet dėl smeigėse atsiradusių tampriai plastinių deformacijų ir žymaus jų pailgėjimo įveržimo jėga, užtikrinanti sandarumą, mažėja labai greitai.

Bet kuris varžtas arba smeigė visada turi ruožą, kurio cilindrinia-me paviršiuje yra suformuotas sriegis. Tokio ruožo ašinio deformavi-mo ypatumas yra tas, kad kitaip negu glotnių cilindrinių strypų tempi-mo atveju jų deformavimą varžo netolygus srieginis paviršius, taip pat jų skerspjūvio forma nėra skritulinė, bet panaši į ovalą. Vis dėlto tai yra tiesus strypas. Todėl jo nominaliųjų įtempių ir deformacijų skai-čiavimui patogu naudoti žinomus medžiagos mechaninių savybių ro-diklius. Šiame darbe eksperimentais patikrinsime jų taikymo galimy-bes. Palyginsime eksperimentais nustatytus plieno mechaninių savybių rodiklius su atitinkamais rodikliais, nustatytais tempiant specialius bandinius – srieginius strypus, pagamintus iš to paties plieno. Srieginis strypas (1 pav.) yra panašus į medžiagos standartinį tempimo bandinį ir skiriasi tik tuo, kad jo vidurinės tiriamos dalies cilindriniame pavir-šiuje yra suformuotas sriegis. Tempiamųjų srieginių strypų mechani-nių savybių rodiklių pavadinimai atitinka apibrėžimus, kurie taikomi

20

eksperimentais nustatomiems medžiagos mechaninių savybių rodik-liams. Palyginsime plieno ir iš to paties plieno pagamintų srieginių strypų tamprumo modulio E, proporcingumo ribos Rpr., sąlyginio ta-kumo įtempio Rp0,2 (arba viršutinio ir apatinio takumo įtempių ReL ir ReH, kai deformavimo diagramoje yra takumo aikštelė) eksperimenti-nes reikšmes. Vertindami eksperimentinius rezultatus, laikysime, kad srieginiams smeigių ruožams galima taikyti medžiagos mechaninių savybių rodiklius, jeigu atitinkamų eksperimentinių reikšmių skirtu-mas neviršija 4–8 %.

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Bandymo priemonės

Bandymo mašina: TIRA test 2300 Matavimo priemonės:

• indukcinis deformometras Instron GL 25MM (bazė 25 mm) – ±1 % tikslumas;

• dinamometras (mašinoje TIRA test 2300) – ±0,5 % tikslu-mas;

• kompiuterinė matavimo sistema su analoginiu skaitmeniniu keitikliu SPIDER-8;

• duomenų registravimo ir tvarkymo programa KATMAN – EXPRESS;

• mikrometras MK (0–25) mm, pad. 0,01 mm.; • įrankinis mikroskopas BMI-1C, didinimas iki ×50, pad.

0,005 mm.

2.2. Bandiniai

Siekiant sumažinti medžiagos mechaninių rodiklių sklaidos įtaką bandymų rezultatams, standartinis plieno tempimo bandinys ir du srieginiai bandiniai turi būti pagaminti iš tos pačios plieno paruošos, supjaustytos į tris dalis. Standartinis cilindrinis plieno tempimo ban-dinys parodytas laboratorinio darbo Nr. 1 aprašyme. Srieginio strypo

21

tempimo bandinys parodytas 1 pav. Srieginio strypo bandiniai gali turėti skirtingą tiriamos vidurinės dalies sriegio žingsnį P. Šioje ban-dinių dalyje sriegio įdubos užapvalinimo spindulys R = 0,144P (P –sriegio žingsnis), kuris tikrinamas naudojant įrankinį mikroskopą.

1 pav. Bandinys – srieginis strypas

2.3. Srieginio strypo tempimo bandymas

Eksperimentiniam tyrimui naudojamo plieno ir srieginių strypų tempimo bandymai atliekami pagal standartą EN 10002-1/2003. Srieginių strypų tempimo bandymo schema parodyta 2 pav.

22

2 pav. Srieginio strypo tempimo bandymo schema: 1 – bandymo mašinos TIRA test 2300 korpusas; 2 – dinamometras; 3 – bandomasis srieginis strypas; 4 – deformometras; 5 – analoginis

skaitmeninis keitiklis SPIDER-8; 6 – kompiuteris

Tempimo bandymo metu mašinos TIRA test 2300 dinamometras matuoja didėjančią jėgą F, o deformometras – bandinio deformacijos bazės pokytį ΔL0. Šių dydžių sekas kompiuterio laikmenose regist-ruoja matavimo duomenų registravimo ir tvarkymo programa KATMAN – EXPRESS. Naudojant šias sekas apskaičiuojamos atitin-kamos bandinio deformacijų ε = (ΔL0/L0)·100 % ir įtempių σ = F/A sekos ir sudaromos įtempių diagramos (3–5 pav.). Standartinio me-

džiagos tempimo bandinio skerspjūvio plotas – 4200 /dAA π== ;

čia d0 – bandinio skersmuo, matuojamas mikrometru. Srieginio stry-po skerspjūvio plotas apskaičiuojamas pagal ISO 3800:1993 taip:

;24

2

32⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +π== ddAA s (1)

čia d3 – skersmuo, atitinkantis srieginio strypo vijų įdubą; matuoja-mas mikroskopu arba apskaičiuojamas pagal formulę: d3 = d –

SPIDER -

F

SPIDER-8

F

ΔL0

F

L0

1

3

4

5

6

2

23

1,227P, kai sriegio įdubos užapvalinimo spindulys yra R = 0,144P; čia d – nominalus srieginio strypo skersmuo; P – sriegio žingsnis; d2 – sriegio vijų vidurio skersmuo, apskaičiuojamas pagal formu-lę: .6495,02 Pdd ⋅−=

Naudojant plieno ir iš to paties plieno pagamintų srieginių strypų eksperimentines įtempių diagramas, pagal metalų tempimo bandymų standartus apskaičiuojami mechaninių savybių rodikliai.

Proporcingumo ribos Rpr. nustatomos pagal GOST 1497-84 (kiti standartai nereglamentuoja šio rodiklio nustatymo), sąlyginio takumo įtempiai Rp0,2 (arba viršutinio ir apatinio takumo įtempiai ReL ir ReH) nustatomi pagal standartą EN 10002-1/2003, tamprumo moduliai – pagal ASTM E 111-82 (9.1 skyrius). Matavimų ir skaičiavimų rezul-tatai įrašomi į 1–4 lenteles. Plieno ir iš to paties plieno pagamintų srieginių strypų mechaninių savybių rodiklių reikšmių skirtumai įra-šomi į 4 lentelę.

1 lentelė. Standartinio cilindrinio bandinio parametrai

d0 A0 L0

– mm mm2 mm

Plienas 65 10,01 78,66 25

2 lentelė. Bandomųjų srieginių strypų geometriniai parametrai

d d2 d3 AS L0

– – mm mm mm mm2 mm

M10 × 1,0 Plienas 65 10 9,35 8,81 64,72 25

M10 × 1,5 Plienas 65 10 9,026 8,33 59,12 25

3 lentelė. Plieno ir srieginių strypų tamprumo moduliai

σ1 ε1 σn εn E Srieginio strypo žymuo

MPa % MPa % GPa 1 2 3 4 5 6

M10 × 1,0 103 0,051 427,2 0,210 203,9

M10 × 1,5 99,2 0,052 418,6 0,205 208,3

24

3 lentelės pabaiga

1 2 3 4 5 6

Standartinis medžiagos bandinys

98,2 0,054 420,9 0,209 208,5

Pastaba. E = (σn – σ1) / (εn – ε1); σ1 ≈ 0,1Rpr.; σn ≈ 0,8Rpr..

4 lentelė. Srieginių strypų mechaninių savybių rodikliai

Srieginio strypo žymuo

E Skirtumas Rpr. Skirtumas Rp0,2 Skirtumas

GPa % MPa % MPa %

M10 × 1,0 203,9 2,3 518 3,7 711 1,9

M10 × 1,5 208,3 0,3 501 6,9 688 5,1

Plieno standartinis

tempimo bandinys

208,5 – 538 – 725 –

Pastaba. %.100

rodiklisbandinio

iostandartin

plieno

rodiklisbandinio

iostandartin

plieno

rodiklis

strypo

srieginio

Skirtumas ⋅

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

=

25

3 pav. Medžiagos cilindrinio bandinio įtempių diagrama

4 pav. Srieginio strypo M10 × 1 tempimo diagrama

26

5 pav. Srieginio strypo M10 × 1,5 tempimo diagrama

3. Laboratorinio darbo ataskaita

3.1. Bandymo schema ir aprašymas. 3.2. Bandymų rezultatai. 3.3. Srieginių strypų tempimo diagramos.

27

3. SRIEGIO VIJŲ DEFORMAVIMO SAVYBĖS IR APKROVOS PASISKIRSTYMAS SRIEGINĖS

JUNGTIES VIJOSE

Darbo tikslas: eksperimentais nustatyti sriegio vijų poros deforma-vimo savybių rodiklius ir apskaičiuoti apkrovos pa-siskirstymą srieginės jungties vijose.

1. Teorinė dalis

Vienos vijų poros deformavimo ir stiprumo rodikliai dažniausiai naudojami skaičiuojant apkrovos pasiskirstymą srieginių jungčių vi-jose ir jų statinį stiprumą. Šie rodikliai nustatomi tempiant specialią jungtį (1 pav.).

1

N

M

δ

4

F

2

3

3

1 pav. Vienos vijų poros deformavimas tempiant

Specialią jungtį sudaro veržlė 1 ir smeigė 2, turinti tik vieną viją, kuri pasilieka įprastame smeigės sriegyje, pašalinus kitas vijas 3. Specialios jungties veržlė 1 turi lygiagretų su ašimi siaurą vidinį griovelį, kurio gylis lygus vijų aukščiui, kad vijos atsiskirtų ir

28

bandymo metu būtų deformuojama tik viena veržlės vija. Dėl to smeigė 2 ir veržlė 1 turi būti susukamos taip, kad smeigės vija per vi-są perimetrą būtų sukibusi tik su viena veržlės vija, o smeigės vijos pradžia ir galas būtų veržlės išilginiame griovelyje.

Bandymui naudojamo deformometro 4 kojelės, kaip matyti iš 1 pav., yra įremtos į nedeformuojamas (šviesias) detalių 1 bei 2 dalis ir matuoja smeigės šerdies ir veržlės sienelės tarpusavio poslinkį, ku-ris yra lygus taškų M ir N tarpusavio poslinkiui δ . Bandymo pra-džioje taškai M ir N yra vienoje horizontalėje. Poslinkis Δ įvyksta dėl poroje sujungtų sriegio vijų lenkimo, šlyties ir jų paviršiaus glemži-mo. Literatūroje šis poslinkis vadinamas tiesiog vijų įlinkiu.

Atliekant vienos vijų poros tempimo bandymą, gaunama pri-klausomybė δ = f0(F); čia F – ašinė jėga, veikianti tiriamąją vijų po-rą. Ją perskaičiavus, gaunama kita priklausomybė δ = f(q); čia q = F/P (q – ašinis jėgos intensyvumas, P – sriegio žingsnis). Ši priklau-somybė vadinama vijų poros deformavimo diagrama ir naudojama sriegio vijų poros deformavimo rodikliams nustatyti. Jos schema yra parodyta 2 pav.

Realių srieginių jungčių eksperimentinės priklausomybės δ = f(q) pradiniame ruože turi tiesinį pobūdį, kur vyrauja tampriosios de-formacijos. Toliau deformavimo pobūdis akivaizdžiai yra netiesinis. Čia vyrauja plastinės deformacijos.

Vijų poros deformavimo diagrama gali būti aproksimuojama trimis tiesėmis, kaip parodyta 2 pav. Gautąją laužtę atitinka tokie ro-dikliai: qy, qa, qu, Δy, Δa, Δu. Šie rodikliai toliau vadinami vijų poros deformavimo rodikliais. Ypatingieji rodikliai turi atskirus pavadini-mus: qy – vijų takumo jėgos intensyvumas, kurį pasiekus vijos pra-deda deformuotis plastiškai; qu – vijų stiprumo jėgos intensyvumas, kurį pasiekus jos suyra. Vijų deformavimo intensyvumą diagramos ruožuose nusako vijų poros paslankumas (žymimas γ), kuris yra pro-porcingas vijų deformavimo diagramą aproksimuojančių tiesių po-svyrio kampui:

29

,ctgy

y

q

δ=α=γ ,ctg

ya

yayy qq −

δ−δ=α=γ .ctg

au

auaa qq −

δ−δ=α=γ (1)

2 pav. Sriegio vijų poros deformavimo diagrama

Sriegio statinį stiprumą atspindi sriegio vijos stiprumo riba ker-pant. Vijos kirpimo stiprumo riba yra maksimalios bandymo jėgos Fu santykis su nukirptos vijos kerpamuoju plotu:

is

uvu A

F=τ . (2)

Smeigės vijos kerpamasis plotas:

;411 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅⋅π= P

PdA s (3)

čia ( )P,dd ⋅−= 082511 – skersmuo, atitinkantis kerpamą vietą smei-

gės vijoje (šis skersmuo yra lygus vidiniam veržlės kiaurymės skersmeniui); (P – P/4) – kerpamo paviršiaus plotis vijoje.

30

Veržlės vijos kerpamasis plotas:

;42 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅⋅π= P

PdA s (4)

čia d – strypo vijos išorinis skersmuo (nominalusis srieginės jungties skersmuo).

Priklausomai nuo to, kurios detalės vija buvo nukirpta, į formulę (2) reikia įrašyti kerpamojo ploto reikšmę, apskaičiuotą pagal (2) ar-ba (3) formulę.

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Bandymo priemonės

Bandymo mašina: TIRA test 2300 (100 kN) Matavimo priemonės: • indukcinis deformometras ID 25 (bazė 25 mm) – ±1 %

tikslumas; • dinamometras (mašinoje TIRA test 2300) – ±0,5 % tikslu-

mas; • kompiuterinė matavimo sistema su analoginiu skaitmeniniu

keitikliu SPIDER-8; • duomenų registravimo ir tvarkymo programa KATMAN –

EXPRESS; • įrankinis mikroskopas BMI-1C, didinimas iki ×50, pad.

0,005 mm.

2.2. Specialus srieginės jungties bandinys

Specialią bandomąją jungtį, kuri parodyta 3 pav., sudaro veržlė 1 ir smeigė 2, turinti vieną sriegio viją 3. Kitos vijos nuo smeigės darbinės dalies yra pašalintos. Jungties sriegis – ISO M20 × 2,5.

31

2.3. Sriegio vijų poros tempimo bandymas

Vienos sriegio vijų poros tempimo bandymo schema parodyta 3 pav. Bandymas atliekamas, naudojant tempimo bandymo mašiną TIRA test 2300 su kompiuterine jėgos ir deformacijų (arba poslinkių) matavimo sistema. Duomenims registruoti ir tvarkyti naudojama pro-grama KATMAN – EXPRESS.

3 pav. Sriegio vijų poros tempimo bandymo schema:

1, 1* – deformuojama ir nedeformuojama veržlės dalys; 2 – smeigė; 3 – viena smeigės vija; 4, 4* – dešinioji ir kairioji deformometro dalys; 5, 5* – deformometro kojelės; 6 – srieginė galvutė; 7 –pagalbinė veržlė;

8 – cilindrinė smeigės dalis centravimui; 9 – centruojanti įvorė; 10, 11 – sferinė atrama; 12 – griebtas

32

Atliekant šį bandymą yra svarbus veržlės ir smeigės tarpusavio centravimas, nes vijų sąlyčio plotas yra nedidelis. Šių detalių tarpu-savio centravimui skirta įvorė 9, užmauta ant smeigės cilindrinės da-lies 8. Išoriniu paviršiumi įvorė 9 vos liečia veržlės vijų viršūnes ir bandymo metu lengvai be trinties gali slysti jų atžvilgiu. Bandymui naudojamas dvipusis deformometras, kuriuo matuojamas pagalbinės veržlės 7 poslinkis δ atžvilgiu, nedeformuojamos darbinės veržlės dalies 1* iš abiejų pusių ir suformuoja suminį signalą. Veržlė 7 įver-žiama tiek, kad bandymo metu negalėtų judėti. Sferinės atramos de-talės 10 ir 11 leidžia veržlei 1 šiek tiek pakrypti taip, kad vijos galėtų visu šoniniu paviršiumi liestis taip, kaip jos liečiasi standartinėje jungtyje.

Speciali jungtis tempiama, kol vijų pora visiškai suyra (nuker-pama). Atlikus bandymą, naudojant gautas jėgos F ir vijų įlinkių δ duomenų sekas, sudaroma vienos vijų poros deformavimo diagrama ir apskaičiuojami sriegio vijų poros deformavimo rodikliai. Kaip pa-teikti bandymo rezultatus, parodyta 2.4 poskyryje.

2.4. Bandymo rezultatai

1 lentelė. Srieginės jungties rodikliai

Jungties detalė Medžiaga, markė E Ry (R0,2; ReL) Rm P d d1

GPa MPa MPa mm mm mm

Strypas su viena vija M20 × 2,5

plienas 25X1MF

200 900 1052 2,5 20 17,3

Veržlė M20 × 2,5 plienas

25X1MF 200 900 1052 2,5 20 –

2 lentelė. Vijos stiprumo riba kerpant

Detalės su nukirpta vija pavadinimas

d1 A1s A2s Fu τvu τvu/σu

mm mm2 mm2 kN MPa – Varžtas 17,3 101,9 – 56,55 555 0,617

– – – (117,8) – – –

33

3 lentelė. Vijų poros deformavimo diagramos tiesinės aproksimacijos rodikliai

qy qa qu Δy Δa Δu

kN/mm mm

18,26 21,65 22,62 0,069 0,112 0,218

γ γy γa

mm/(kN/mm)

3,78 × 10–3 1,28 × 10–2 1,10 × 10–1

3. Skaičiuojamoji dalis

3.1. Apkrovos pasiskirstymo srieginės jungties vijose modelis

Eksperimentais nustatyti vienos sriegio vijų poros deformavimo rodikliai naudojami jėgos pasiskirstymui srieginės jungties vijose skai-čiuoti. Srieginę jungtį veikianti jėga F tarp vijų pasiskirsto labai nevie-nodai. Didžiausia apkrova tenka pirmajai vijų porai, esančiai ties gniuždomos veržlės atrama. Giliau veržlėje esančių vijų apkrova toly-giai mažėja. Vijų apkrova schematizuojama kintančiu ašiniu jėgos in-tensyvumu q(z), kuris varžtą tempia, o veržlę gniuždo. Kai išorinės jė-gos F didumas viršija tam tikrą reikšmę, arčiausiai atramos esančios vijos deformuojasi plastiškai, o jėgos intensyvumas čia viršija takumo jėgos intensyvumo qy reikšmę. Giliau veržlėje esančių vijų jėgos inten-syvumas lieka mažesnis už qy reikšmę. Dėl šios priežasties jungtis skaidoma į du ruožus, kurių aukščiai žymimi H1 ir H2. Šiuose ruožuose jėgos intensyvumas yra atitinkamai q(z1) ≤ qy ir qy ≤ q(z2) ≤ qa. Bet ku-rio jungties ruožo jėgos intensyvumui skaičiuoti reikalingos išraiškos gaunamos teoriškai, naudojant vijų įlinkių, varžto stiebo ir veržlės sie-nelės skerspjūvių ašinių poslinkių darnos lygtis.

Pirmojo ruožo tampriai deformuojamų vijų jėgos intensyvumas:

)()(

)( 11

1 mzchmHsh

mNzq v= ; (5)

34

čia γβ= /m , 2211

11

AEAE+=β , Nv – varžto ir veržlės ašinė įrąža

pirmojo ruožo gale, kaip parodyta 4 pav., Nv = Nv1 = Nv2 (Nv1 – pir-majame ruože varžtą tempianti ir veržlę gniuždanti ašinė įraža ties koordinate z1 = H1, Nv2 –antrajame ruože varžtą tempianti ir veržlę gniuždanti ašinė įrąža ties koordinate z2 = 0).

z1

z2

H1

H2

H

F

Nv2F

Nv2

q(z 1)

q(z 2)

Nv1

Nv1

z

q(z)

qy

q(H2)

q(z 7)

q(z 2)

q(0)

4 pav. Jėgų pasiskirstymas srieginėje jungtyje

Šiose formulėse 11AE ir 22 AE varžto stiebo ir veržlės sienelės standumai; čia 21, EE ir 21, AA – varžto stiebo ir veržlės sienelės me-

džiagų tamprumo moduliai ir jų skerspjūvių plotai. Varžto stiebo skaičiuotinis skerspjūvio plotas nustatomas taip:

2

321 24

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +π= dd

A ; (6)

čia d2 – sriegio vijų vidinis skersmuo, apskaičiuojamas pagal formu-lę: P,dd ⋅−= 649502 ; d3 – skersmuo, atitinkantis varžto vijų įdubą; matuojamas mikroskopu arba apskaičiuojamas pagal formulę: d3 = d – 1,227P, kai sriegio įdubos užapvalinimo spindulys yra standarti-nis R = 0,144P.

35

Veržlės sienelės skerspjūvio plotas yra lygus:

44

22

2dD

Aπ−π= ; (7)

čia D – veržlės išorinis skersmuo. Pirmojo ruožo ašinė įrąža skaičiuojama pagal formulę:

)()(

)()( 110

111 mzshmHsh

NdzzqzN v

z

== ∫ . (8)

Antrojo ruožo plastiškai deformuojamų vijų jėgos intensyvumas yra:

)()()( 222 zmchqzmshNmzq yyyvy += ; (9)

čia yym γβ= / .

Antrojo ruožo ašinė įrąža skaičiuojama pagal formulę:

)()()()( 220

222 zmshm

qzmchNNdzzqzN y

y

yyv

z

v +=+= ∫ . (10)

Kad galima būtų pasinaudoti formulėmis (5), (8–10), reikia nu-statyti H2 ir įrąžą Nv iš lygčių:

[ ] mHHmthqN yv /)( 2−= , (11)

[ ] )(/)( 22 HmshHmchNFmq yyvyy −= . (12)

Jeigu išorinė jėga F nėra didelė, per visą jungties aukštį H vijos deformuojasi tik tampriai. Tuomet skaičiuojamąjį modelį sudaro vie-nas ruožas; čia H1 = H ir H2 = 0. Jėgos intensyvumas vijose ir ašinė įrąža tuomet kinta pagal dėsnius, kuriuos atitinkamai aprašo formulės (5) ir (8), naudojant jose Nv = F.

Atliekant skaičiavimus reikia žinoti, kad standartinės veržlės aukštis H = 0,8d, o jos išorinis skersmuo D = 1,5d. Norint išsiaiškin-ti, kokią įtaka jėgų pasiskirstymui vijose turi parametrai H ir D, dar galima atlikti skaičiavimus naudojant kitas šių parametrų reikšmes

36

(pvz., imant D = 1,5d ir H = 0,6d; H = 1,0d; H = 1,5d; H = 2,0d arba imant H = 0,8d ir D = 1,35d; D = 1,7d).

Atliekant skaičiavimus, reikia nepamiršti, kad didžiausia išorinė jėga neturi viršyti varžto medžiagos takumo įtempią Ry atitinkančią jėgą. Turi būti F ≤ Fy; čia Fy = RyA1 (tai priklauso nuo medžiagos: Ry = ReL arba Ry = R0,2).

Apskaičiavus vijų jėgos intensyvumo ir ašinės įrąžos reikšmes, veikiant įvairaus didumo jėgoms, reikia iliustruoti gautus rezultatus grafiškai, kaip parodyta 4–6 pav. Prieš sudarant grafiką, kuris paro-dytas 6 pav., reikia nustatyti tą jėgos F* reikšmę, kurią naudojant pirmosios ties atrama esančios vijos jėgų intensyvumas įgyja qy reikšmę (tada q(z1 = H) = qmax = qy). Kai išorinė jėga F pradeda vir-šyti šią reikšmę, pirmojoje vijoje atsiranda plastinės deformacijos.

Atliekant inžinerinius srieginių jungčių stiprumo skaičiavimus, vijų apkrovos intensyvumo ir ašinės įrąžos reikšmės naudojamos maksimaliems vietiniams įtempiams nustatyti. Maksimalūs vietiniai įtempiai atsiranda pirmosios varžto vijos įduboje, kurioje yra di-džiausia įtempių koncentracija. Šių įtempių didumas priklauso nuo bendro vijos apkrovos ir ašinės įrąžos poveikio. Toliau pagal pirmo-sios varžto vijos įdubos vietinius įtempius apskaičiuojamas ir varžto ciklinis (eksploatacinis) ilgalaikiškumas.

3.2. Skaičiavimo rezultatai

4 lentelė. Srieginės jungties elementų geometriniai rodikliai

Srieginė jungtis

Varžto medžiaga

Veržlės medžiaga

d d3 D H

– – – mm

M20 × 2,5 Plienas

25X1MF Plienas

25X1MF 20 16,93 29 16

37

5 lentelė. Srieginės jungties elementų standumo rodikliai

A1 A2 E1 E2 β qy Fy

mm2 mm2 GPa GPa 1/kN kN/mm kN

244,7 346,2 200 200 3,49·10-5 18,26 220,2

γ γy m my

mm/(kN/mm) mm/(kN/mm) 1/mm 1/mm

3,78 × 10–3 1,28 × 10–2 0,0961 0,0522

6 lentelė. Jėgos pasiskirstymas vijose

F/Fy Nv H1 H2 F*/Fy H

– kN mm mm – mm

1,0 160,5 12,9 3,1 0,787 16

z1 q(z1) N(z1) z1 q(z1) N(z1)

mm kN/mm kN mm kN/mm kN

0 9,8 0 0 7,5 0

2,0 10,0 19,7 2,0 7,6 15,1

2,9 10,2 28,3 4,0 8,1 30,8

4,1 10,6 41,0 6,0 8,8 47,6

5,8 11,4 60,1 8,0 9,8 66,1

8,3 13,1 90,6 10,0 11,2 87,1

10,4 15,1 119,9 12,0 13,1 111,4

11,6 16,5 138,1 14,0 15,4 139,8

12,9 18,26 160,5 16,0 18,26 173,3

H1 + z2 q(z2) N(z2)

mm kN/mm kN

12,9 18,26 160,5

13,3 18,5 168,5

13,7 18,7 176,7

14,6 19,1 193,3

15,4 19,5 207,8

16,0 19,9 220,2

38

5 pav. Jėgos pasiskirstymas sriegio vijose M20 × 2,5 25 × 1MF

6 pav. Srieginės jungties ašinė įrąža M20 × 2,5 25 × 1MF

39

7 pav. Maksimalus jėgos intensyvumas pirmojoje vijoje

4. Užduotys savarankiškam darbui

4.1. Duomenis, pateiktus 5 pav., grafiškai iliustruokite naudodami santykines koordinates:

z/H ir q/qvid.; čia qvid. = F/H.

4.2. Sudarykite programėlę jėgos pasiskirstymui vijose skaičiuoti ir skaičiavimo rezultatams grafiškai iliustruoti.

5. Laboratorinio darbo ataskaita

5.1. Trumpas vijų poros tempimo bandymo aprašymas. 5.2. Sriegio vijų poros tempimo diagrama ir deformavimo rodikliai. 5.3. Jėgos pasiskirstymo srieginės jungties vijose grafikai. 5.4. Smeigės (varžto) ašinės įrąžos kitimo grafikai. 5.5. Vijų maksimalaus jėgos intensyvumo priklausomybė nuo išori-

nės jėgos didumo.

40

4. KOMPAKTINIO BANDINIO SU PLYŠIU STATINIS IRIMAS

Darbo tikslas: eksperimentais nustatyti kompaktinio bandinio su plyšiu statinio irimo rodiklius.

1. Teorinė dalis

Tiesinėje irimo mechanikoje įtempių būviui, atsirandančiam ply-šio viršūnės srityje, išreikšti vartojama sąvoka įtempių intensyvumo koeficientas K1. Toliau panagrinėsime šios sąvokos prasmę, kai ply-šys, kurio ilgis a, yra neriboto didumo idealiai tampriame kūne. Šia-me kūne toli nuo plyšio statmena plyšio paviršiams kryptimi (1 pav.) veikia nominalieji (vienodo didumo) įtempiai σ.

1 pav. Įtempiai plyšio viršūnėje

Srityje D aplink plyšio viršūnę atsiranda tokie įtempiai:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ θθ−θ

π=σ

2

3sin

2sin1

2cos

21

r

Kx , (1)

x

r

rp

y

0,5D

θ

σ

σ

a

σy

σz

σx

τyz τzy τxz

τzx

τzy

41

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ θθ+θ

π=σ

2

3sin

2sin1

2cos

21

r

Ky ; (2)

dviašiam deformacijų būviui:

2

cos2

2 1 θπ

ν=σr

Kz ; (3)

dviašiam įtempių būviui:

0=σz ; (3a)

0=τ=τ yzxz ; (4)

2

3cos

2cos

2sin

21 θθθπ

=τr

Kxy ; (5)

čia r ir θ – nagrinėjamo taško, esančio srityje D, polinės koordinatės; ν – Puasono koeficientas. Taigi D iš tikrųjų yra srities, kurioje galioja tiesinės irimo mechanikos išraiškos (1, 2, 3, 4, 5), skersmuo (realiuo-se konstrukcijų elementuose apytikriai D ≈ 5–20 mm).

Išraiškose (1, 2, 3, 4, 5) matome, kad visi įtempiai priklauso tik nuo vieno parametro – įtempių intensyvumo koeficiento K1. Todėl tiesinėje irimo mechanikoje laikoma, kad įtempių būvis ties plyšio viršūne yra visiškai apibrėžtas, jeigu yra žinoma įtempių intensyvu-mo koeficiento K1 reikšmė.

Nagrinėjant lygtis (1, 2, 3, 4, 5), svarbu žinoti, kad įtempių in-tensyvumo koeficientas K1 susieja plyšio ilgį ir nominalųjį įtempimą:

K1 = σ·√(πa). (6)

Lygtis (6) rodo, kad ir skirtingo ilgio plyšių viršūnių aplinkoje įtempių būvis ir K1 gali būti vienodo dydžio. Kad taip atsitiktų, terei-kia, kad kūnus su tais plyšiais veiktų atitinkamų dydžių nominalieji įtempiai σ, kurių reikšmės tenkintų lygtį (6), išlaikant vienodą K1.

Srities D (1 pav.) įtempiai ir joje sukaupta potencinė energija di-džiausią ardomąjį poveikį turi tiems medžiagos mikrostruktūros ele-mentams, kurie sudaro plyšio viršūnės paviršių, ir tiems, kurie yra

42

labai arti šio paviršiaus jau medžiagos gilumoje. Šio plono sluoksne-lio aplink plyšio viršūnę dalelių sukibimo jėgos, arba pasipriešinimas irimui, priklauso nuo medžiagos kristalinės sandaros ypatumų, jos ydų, nuo medžiagos grūdelių sąlyčio netolygumų ir šiame sluoksne-lyje esančių defektų. Šį sluoksnelį aplink plyšio viršūnę apytiksliai galima būtų apibrėžti spinduliu r ≤ 0,1 mm.

Kai srityje D įtempių būvis tampa kritiniu, dėl joje sukauptos energijos medžiagos dalelės plyšio viršūnėje atplėšiamos viena nuo kitos. Įvyksta trapusis irimas – spartus savaiminis (nestabilus) plyšio plitimas net nedidėjant apkrovai. Kritinis įtempių būvis plyšio viršū-nėje apibrėžiamas vienu parametru K1C, kuris vadinamas irimo tą-sumu. Kadangi K1C reikšmės didumas priklauso nuo medžiagos mik-rostruktūros savybių, lemiančių jos pasipriešinimą irimui, tai K1C gali būti laikomas medžiagos rodikliu, kiekybiškai apibūdinančiu me-džiagos savybę priešintis plyšio plitimui arba priešintis trapiajam sui-rimui. Taigi K1C yra medžiagos irimo rodiklis analogiškai kaip, pa-vyzdžiui, medžiagos stiprumo rodiklis yra stiprumo riba. K1C, kaip medžiagos irimo rodiklis, gali būti naudojamas bet kurios formos elementų su plyšiais stiprumui tikrinti – visais atvejais, ar tai būtų varžtas su plyšiu, ar tai būtų aukštojo slėgio indo sienelė su plyšiu, ar tai būtų kitas konstrukcijos elementas su plyšiu, pagamintas iš tos pačios medžiagos.

Taikant tiesinę irimo mechaniką, realiems ribotų matmenų konstrukcijų elementams su plyšiais įtempių intensyvumo koeficien-tas K1 įgyja tokią išraišką:

K1=σ√(πa)·f1k; (7)

čia f1k – funkcija, kuri priklauso nuo kūno ir plyšio geometrijos, nuo apkrovos pobūdžio ir jos išsidėstymo plyšio atžvilgiu. Tuomet irimo tąsumas K1C yra:

K1C =σC√(πa)·f1k,

arba

K1C = σ√(πaC)·f1k. (8)

43

Naudojant lygtis (8), galima apskaičiuoti kritinį įtempį σC, ku-riam veikiant, plyšys, kurio ilgis a žinomas, tampa nestabilus ir dėl to įvyksta trapusis suirimas. Arba galima apskaičiuoti kritinį plyšio ilgį aC, kuris turi būti konstrukcijos elemente, kad, veikiant žinomiems įtempiams σ, įvyktų trapusis suirimas.

Eksperimentiniai įvairių medžiagų su plyšiais tempimo bandy-mai parodė, kad tiesinė irimo mechanika praktiškai be jokių apribo-jimų gerai tinka tik esant labai trapioms medžiagoms (pvz., kerami-ka, stiklas). Yrant šioms medžiagoms ir susidarant naujiems plyšio paviršiams, visa ardanti energija sunaudojama medžiagos dalelėms vieną nuo kitos atplėšti (taip, kaip teoriškai turi atsitikti idealiai tamprioje medžiagoje).

Kai yra plastiškesnės medžiagos (pavyzdžiui metalai: plienas, ketus, aliuminis), aplink plyšio viršūnę susidaro plastinė deformacija, kuri išplinta zonoje, kurios spindulys rp, ji priklausomai nuo medžia-gos plastiškumo ir konstrukcijos elemento didumo apytikriai siekia 1–10 mm (1 pav.).

Vykstant tokiam irimui, energijos kiekis, kurio reikia naujam plyšio paviršiui susidaryti, yra nepalyginamai didesnis už sunaudo-jamą trapiojo irimo atveju.

Moksliniais tyrimais yra nustatyta: kol plastinės deformacijos zona ties plyšio viršūne maža, jos didėjimą, didėjant apkrovai, lemia tampriai deformuotos medžiagos tūris, kuris yra netoliese už plyšio viršūnės ir yra artimas srities D tūriui. Kai kada tokia įtaka ir mažos plastinės deformacijos plyšio viršūnėje išlieka iki pat suirimo (šiuo atveju vadinamo kvazitrapiuoju). Todėl šiais atvejais įtempių būviui aplink plyšio viršūnę apibrėžti taip pat galima naudoti įtempių inten-syvumo koeficientą K1 (K1 < K1C), o kritiniam būviui – K1 = K1C, kaip medžiagos konstantą (t. y. galima naudotis tiesine irimo mecha-nika ir išraiškomis (7) ir (8)).

Bandinių su plyšiais statinio irimo bandymai, kurių rezultatus at-spindi grafikas, pateiktas 2 pav., parodė, kad visų bandinių (paga-mintų iš tos pačios medžiagos), kurių storis B viršija tam tikrą dydį Bcr, plyšio plitimo pradžią atitinkančių įtempių intensyvumo

44

koeficiento KC reikšmės yra vienodos. Ši reikšmė yra mažiausioji – visada mažesnė už tas, kurios gaunamos išbandant plonesnius bandi-nius. Todėl ši reikšmė dažniausiai tampa eksperimentais nustatyta irimo tąsumo K1C reikšme (prieš tai patikrinus dar kai kurių bandymo standarto reikalavimų atitikimą). Šio storio bandiniuose medžiaga ties plyšio viršūne iki pat suirimo visada yra dviašės deformacijos būvio (εz = 0, εy ≠ 0, εx ≠ 0 ir, σz ≠ 0, σy ≠ 0, σx ≠ 0); čia plastinės de-formacijos zonos spindulys ties plyšio viršūne yra:

2

21

1 6

1

t

Cp

Kr

σ⋅

π= ; (9)

čia K1C – irimo tąsumo reikšmė, apskaičiuota po bandymo; σt – sąly-ginis takumo įtempis R0,2 (arba medžiagos fizinio takumo įtempis Ry, kai medžiagos tempimo diagrama turi takumo aikštelę).

Pagal tiesinę irimo mechaniką, kol plastinė zona neviršija (9) formule apibrėžiamo dydžio, irimą lemia tamprusis įtempimų būvis, susidaręs medžiagoje aplink plyšį ir aprašomas tiesinės irimo mecha-nikos lygtimis. Žinoma, kad, esant dviašiam deformacijų būviui, ply-šio viršūnėje plastines deformacijas labai suvaržo aplink esanti me-džiaga ir dėl to jos gali išlikti mažos net iki pat suirimo.

2 pav., a, b, c, yra parodyta, kaip prieš pat bandinio suirimą pri-klausomai nuo jo storio per visą plyšio viršūnės frontą 1 (per visą il-gį, kur viršūnė tęsiasi bandinio storio B kryptimi) išplinta plastinė de-formacija 2. Galima matyti, kad tos sritys ties bandinio kraštais, kur plastinės deformacijos spindulys viršija rp1, yra nežymios (palyginti su visu plyšio fronto ilgiu) tik storesniuose bandiniuose (2 pav., c).

Pagal standartus ASTM E 399-83 ir GOST 25.506-85 tam, kad ties plyšio viršūne plastinės deformacijos nebūtų per didelės, šio bandinio matmuo a, storis B ir plotis be plyšio (W–a) (2 pav.) neturi būti per maži ir turi tenkinti tokias pagrindines sąlygas:

2

215,2t

CKa

σ⋅≥ ; crBB ≥ ,

2

215,2t

Ccr

KB

σ⋅= ,

2

215,2t

CKaW

σ⋅≥− . (10)

45

2 pav. Bandinio storio įtaka irimui

Šios sąlygos tikrinamos po bandymo ir jeigu jos yra tenkinamos, tai rodo, kad irimo pradžioje plyšio viršūnė praktiškai per visą plyšio frontą buvo dviašės deformacijos būvio.

Priešingu atveju K1C reikšmė lieka nenustatyta, bet paaiškėja, kad jai nustatyti reikia didesnių matmenų bandinio. Šiuo atveju nu-statytoji KC reikšmė vadinama sąlyginiu kritiniu įtempių intensyvu-mo koeficientu, kuris charakterizuoja tik naudoto bandinio irimo są-

46

lygas, bet negali būti taikomas kitokių matmenų konstrukcijų ele-mentams ar bandiniams.

Nagrinėjant bandinio matmenų įtaką, reikia žinoti, kad abiejuose šonuose dėl juose esančių laisvų paviršių tam tikro gylio sluoksniuo-se susidaro dviašis įtempimų būvis (σy ≠ 0, σx ≠ 0, σz ≈ 0 ir εz ≠ 0 εy ≠ 0, εx ≠ 0), kai medžiagos plastinis deformavimas beveik neapribotas. Didėjant apkrovai, didėja šių sluoksnių gylis ir plastinės deformaci-jos. Kuo mažesnis bandinio storis B ir kuo plastiškesnė medžiaga, tuo intensyviau bandinio šonuose vyksta šis procesas. Taigi plyšio viršūnės medžiaga, esanti plyšio fronto šonuose (bandinio šonuose), deformuojasi esant dviašio įtempių būvio sąlygoms, o likusioje ply-šio fronto dalyje – tik bandinio viduje – medžiaga deformuojasi esant dviašio deformacijų būvio sąlygoms.

Aišku, kad, nustatant K1C reikšmę, bandymą apsimoka atlikti tik tada, kai plastiškai deformuotų sluoksnių gyliai šonuose, iki bandi-niui suyrant, išlieka labai maži, palyginti su visu bandinio storiu B (2 pav., c). Tik tokiu atveju galima būti tikriems, kad praktiškai visa bandinį suardžiusi jėga buvo panaudota kvazitrapiajam irimui ties plyšio viršūne sukelti, bet ne plastiniam bandinio šonų deformavi-mui. Tie atvejai, kai šonų plastinės deformacijos daro per didelę įtaką bandymo rezultatui, yra iliustruojami 2 pav., a, b. Plastines bandinio šonų deformacijas rodo ir šlyties nuožulos 3, kurios po bandymo yra matomos bandinio lūžio šonuose 2 pav., e, f. Vidurinėje lūžio dalyje matomi plokštieji paviršiai 4 yra kvazitrapaus irimo paviršiai, susida-rę dviašio deformacijų būvio sąlygomis. Tokio paviršiaus visai ne-būna ploniausiųjų bandinių lūžio vietose (2 pav., d). Standartai re-komenduoja neplokščiąją lūžio paviršiaus dalį įvertinti procentais:

%100⋅−

=ϕB

BB f . (11)

Irimas, kurį lemia dviašis įtempių būvis (2 pav., a, b), o plastinė zona ties plyšio viršūne rp per visą arba beveik per visą jo frontą vir-šija apskaičiuotąją pagal (8), vadinamas kvazitąsiu. Šiuo atveju irimo kriterijus nustato gretima mokslo šaka – netiesinė irimo mechanika.

47

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Bandymo priemonės

Bandymo mašina: TIRA test 2300. Matavimo priemonės: • tenzometras plyšio prasivėrimui matuoti DDS-10-1 (bazė

10 mm) – ±1,5 % tikslumas; • dinamometras (mašinoje TIRA test 2300) – ±0,5 % tikslu-

mas; • kompiuterinė matavimo sistema su analoginiu skaitmeniniu

keitikliu SPIDER-8; • duomenų registravimo ir tvarkymo programa KATMAN –

EXPRESS; • mikrometras MK (0–25) mm, pad. 0,01 mm; • įrankinis mikroskopas BMI-1C, didinimas iki ×50, pad.

0,005 mm.

2.2. Kompaktinis bandinys su plyšiu

Medžiagų su plyšiais statinio irimo rodikliai nustatomi eksperi-mentais. Tam labai dažnai yra naudojamas necentrinio tempimo plokščias bandinys su įpjova ir pradiniu plyšiu joje (vadinamas kom-paktiniu bandiniu) (3 pav.). Kompaktinis bandinys yra tvirtinamas bandymo mašinos griebtuose ir iki suirimo apkraunamas necentriniu tempimu (1 pav.). Standartai ASTM E 399-83 ir GOST 25.506-85 reglamentuoja pagrindinius bandinių ir plyšio matmenis: H = 1,2W, B = 0,5W ir 0,45W ≤ a ≤ 0,55W, čia a = L0 + Lpl, L0 – atstumas tarp įpjovos viršūnės ir kaiščiams skirtų bandinio kiaurymių bendros ašies; Lpl – plyšio ilgis.

48

W

a

H

FL0 L p

l

0,01W

B

3 pav. Kompaktinis bandinys

Kompaktinio bandinio plyšys prieš statinio irimo bandymą su-formuojamas nuovargio bandymo mašinoje naudojant ciklinę apkro-vą. Ciklo didžiausios apkrovos dydis turi būti toks, kad, varginant bandinį, nominalieji įtempimai įpjovos, o vėliau ir plintančio nuo-vargio plyšio viršūnėje būtų gerokai mažesni už įtempimus, kurie at-siranda čia vėliau atliekant statinio irimo bandymą.

Standartai ASTM E 399-83 ir GOST 25.506-85 pateikia taisyk-les, kaip turi būti užauginamas pradinis plyšys ir kaip po to turi būti atliekamas bandymas eksperimentais nustatant medžiagos irimo tą-sumo K1C reikšmę. Šie standartai yra skirti tik bandymams su metalo bandiniais.

2.3. Kompaktinio bandinio statinio irimo bandymas

Kompaktinio bandinio statinio irimo bandymo schema parodyta 4 pav. Atliekant bandymą, kompiuterinė matavimo sistema registruo-ja kintamosios jėgos dydį F ir kiek atsivėrė plyšys v, o jų tarpusavio priklausomybės diagrama tuo metu yra matoma monitoriaus ekrane.

49

Analoginis (elektros srovės) signalas, proporcingas jėgos dydžiui, ateina iš dinamometro, o signalas, proporcingas plyšio atsivėrimui, – iš specialaus tenzometro. Atsiveriant plyšiui, didėja atstumas tarp bandinio įpjovos galų (dydis v), kuris matuojamas naudojant tenzo-metro tampriuosius elementus su priklijuotais ant jų tenzodavikliais. 4 pav. galima matyti, kad tampriųjų elementų antgaliai yra įsirėmę ties bandinio įpjovos galais ir bandymo metu kartu su jais tiek pat tolsta vienas nuo kito.

4 pav. Bandymo schema:

1 – bandymo mašinos korpusas; 2 – dinamometras; 3 – griebtai; 4 – kompaktinis bandinys su plyšiu;

5 – plyšio atsivėrimo tenzometras; 6 – SPIDER-8; 7 – kompiuteris

Jėgos FQ reikšmė, kurią reikia panaudoti apskaičiuojant irimo

tąsumą K1C arba kritinį įtempių intensyvumo koeficientą KC, nusta-toma atlikus jėgos ir plyšio atsivėrimo priklausomybės diagramos analizę. Yra trys tokių diagramų tipai, jie 5 pav. pažymėti: I, II ir III.

F

5

1

4 2

3

3

SPIDER - 8

SR30 SR01 SR55

F

δ

SPIDER-8

F

v

6

7

50

Pradžioje gautoje diagramoje brėžiamos dvi tiesės – 0–a ir 0–b. Tiesė 0–a sutampa su diagramos pradinio ruožo tiese. Su ašimi v ši tiesė sudaro kampą α. Tiesė 0–b su ašimi v sudaro kampą α5, kurio tangen-tas 5 % mažesnis už kampo α tangentą. Jėga, atitinkanti šios tiesės susikirtimą su diagrama, toliau žymima simboliu F5. Pirmojo tipo diagramoje jėga FQ atitinka diagramos ir tiesės 0–b susikirtimo vietą, t. y. FQ = F5. Ši jėga yra tinkama irimo tąsumo K1C reikšmei apskai-čiuoti, jeigu tenkinama tokia sąlyga:

1,1max ≤QF

F. (12)

Jeigu sąlyga (12) netenkinama, tai, naudojant gautąjį FQ dydį, galima apskaičiuoti tik šį bandinį charakterizuojančią kritinio įtem-pių intensyvumo koeficiento KC reikšmę.

Antrojo tipo diagrama ypatinga tuo, kad turi lokalųjį jėgos mak-simumą, kurio dydis ir yra laikomas FQ reikšme. Ši jėga yra tinkama irimo tąsumo K1C reikšmei apskaičiuoti, jeigu ją atitinkantis diagra-mos taškas yra tarp tiesių 0–a ir 0–b ir FQ > F5 ir kartu tenkinama są-lyga (12). Jeigu lokaliojo jėgos maksimumo taškas yra dešinėje nuo tiesės 0–b, tai naudojant gautąjį FQ dydį, galima apskaičiuoti tik KC reikšmę. Laiptelis diagramoje ties lokaliuoju jėgos maksimumu at-spindi staigų, bet nedidelį plyšio ilgio padidėjimą, po kurio plyšio plitimą sustabdo plastinės deformacijos, atsiradusios aplink plyšį esant naujai jo viršūnės padėčiai.

5 pav. Plyšio atsivėrimo diagramos

51

Trečiojo tipo diagrama ypatinga tuo, kad jos taškas, atitinkantis Fmax, yra tarp tiesių 0–a ir 0–b. Tuomet Fmax = FQ.

Irimo tąsumui K1C skaičiuoti, be jėgos FQ reikšmės, dar reikia su plyšio ilgiu susijusio parametro a tikslios reikšmės. Prisiminkime, kad pagal 3 pav. ją sudaro dvi dalys: a = L0+Lpl. L0 matuojamas įran-kiniu mikroskopu dar prieš pradinio nuovargio plyšio auginimą. Ply-šio ilgio Lpl skaičiuojamoji reikšmė nustatoma įrankiniu mikroskopu atlikus tris plyšio ilgio matavimus jau bandinio lūžio vietoje (6 pav.).

Vienas matavimas atliekamas ties bandinio viduriu, o kiti du šo-nuose, abiejų pusių viduryje. Kiekvieną kartą tai yra atstumas tarp įpjovos viršūnės ir plyšio fronto linijos. Šių trijų matavimų vidurkis yra Lpl skaičiuojamoji reikšmė. Ji yra tinkama K1C skaičiuoti tik tuo atveju, jeigu yra tenkinama sąlyga:

( ) ( )

( ) %10%100min,0

min,0max,0 <⋅+

+−+

pl

plpl

LL

LLLL; (13)

čia Lpl,max ir Lpl,min – didžiausioji ir mažiausioji pamatuoto plyšio ilgio reikšmė. Ši sąlyga apsaugo nuo to, kad irimo tąsumas nebūtų nusta-tytas naudojant bandinį, kurio plyšio fronto linija pernelyg kreiva.

6 pav. Kompaktinio bandinio lūžio schema:

1 – įpjovos apatinė plokštuma; 2 – nuovargio plyšio plitimo paviršius; 3 – kvazitrapaus statinio irimo paviršius

52

Nustačius Lpl skaičiuojamąją reikšmę ir apskaičiavus parametro a dydį, dar turi būti patikrinta jau anksčiau minėta sąlyga:

.55,045,0 WaW ≤≤ (14)

Ši sąlyga nurodo ribas, kur galima taikyti toliau pateiktą įtempių intensyvumo koeficiento K1 skaičiavimo formulę kompaktinio ban-dinio naudojimo atveju. Ši formulė yra tokia:

;1 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

W

af

WB

FK (15)

čia

.

6,572,14

32,1364.4886,0

1

2

43

2

2/3

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

W

a

W

a

W

a

W

a

W

aW

a

W

af (16)

Atlikus bandymą nustatytas jėgos FQ ir plyšio ilgio parametro a reikšmes įrašius į (15, 16) formulę, apskaičiuojama kritinio įtempių in-tensyvumo koeficiento KC reikšmė. Naudojant šią reikšmę ir kitus ži-nomus ar nustatytus bandinio ir medžiagos rodiklius, turi būti patikrin-tos sąlygos (10), (12), (13) ir (14). Jeigu visos jos tenkinamos, apskaičiuotasis KC yra medžiagos irimo tąsumo rodiklis K1C, kurio reikšmė įrašoma apatinėje lentelės eilutėje. Jei nors viena sąlyga ne-tenkinama, apskaičiuotasis KC yra tik šio bandinio irimą apibūdinantis kritinio įtempių intensyvumo koeficientas (literatūroje kartais vadina-mas sąlyginiu kritiniu įtempių intensyvumo koeficientu KC), kurio reikšmė įrašoma į priešpaskutinę lentelės eilutę. Jėgos ir plyšio atsivė-rimo priklausomybės diagrama pateikiama taip, kaip parodyta 7 pav.

53

BANDYMŲ REZULTATAI

Bandinio eilės Nr. – – 1 bandinys Bandinio kodas – – G2A-2

Medžiagos markė – – Ketus G2A

Bandinio matmenys W × B mm 50 × 25 Atstumas nuo kiaurymių

iki įpjovos viršūnės L0 mm 10,3

Pradinio plyšio ilgiai (Lpl1 ; Lpl2 ;Lpl3)

Lpl,k mm 15,2; 14,2; 13,7

Pradinio plyšio ilgis Lpl = (Lpl1 + Lpl2 + Lpl3)/3

Lpl mm 14,37

Vidutinis atstumas iki plyšio viršūnės

a = L0 + Lpl a mm 24,67

[(amax – amin) / amin] · 100 % Sąlyga (13)

% 6,25 (13) sąlyga

tenkinama (6,25 < 10)

0,45W ir 0,55W (14) sąlyga

0,45W ≤ a ≤ 0,55W mm

22,5 mm; 27,5 mm 22,5 < 24,67 < 27,5

(14) sąlyga tenkinama Sąlyginė takumo riba R0,2 MPa 462

Fizinio takumo įtempis Ry MPa –

Stiprumo riba σu MPa 631

Apkrovimo diagramos tipas (I, II, III)

– – II tipas

Maksimali jėga Fmax kN 20,22 Jėga F5 kN 18,84

Skaičiuojamoji jėga FQ kN 19,09 Įtemp. intensyv.

koeficientas (15), (16) K(FQ) MPa⋅m1/2 32,2

Fmax / FQ (12) sąlyga, kai grafiko

tipas I ir II – –

1,059 (12) sąlyga tenkinama

(1,059 < 1,1)

2,5 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

σ2

2

t

CK – mm 12,1

54

lentelės pabaiga

Bandinio storis ir (10) sąlyga

B mm 25 > 12,1 (10) sąlyga

tenkinama

Bandinio ilgis be plyšio (10) sąlyga

W–a mm 25,4

(10) sąlyga tenkinama (25,4 > 12,1)

Atstumas iki plyšio viršūnės (10) sąlyga

a mm 24,67

(10) sąlyga tenkinama (24,7 > 12,1)

Plokščiojo lūžio paviršiaus plotis

Neplokščia lūžio paviršiaus dalis, (11) sąlyga

Bf ϕ

mm %

24,66 1,36

Kritinis bandinio įtempių intensyvumo koeficientas, kai kuri nors iš sąlygų (10, 12, 13, 14) netenkinama

KQ MPa⋅m1/2 –

Irimo tąsumas kai visos sąlygos (10, 12,

13, 14) tenkinamos K1C MPa⋅m1/2

32,2 tenkinamos visos

sąlygos (10, 12, 13, 14)

55

7 pav. Kompaktinio bandinio G2A-2 statinio irimo diagrama

3. Laboratorinio darbo ataskaita

3.1. Bandymo schema ir aprašymas. 3.2. Bandymų rezultatai. 3.3. Kompaktinio bandinio su plyšiu statinio irimo diagrama.

56

5. SRIEGINIŲ JUNGČIŲ STATINIS STIPRUMAS

Darbo tikslas: eksperimentais nustatyti srieginių jungčių statinio stiprumo priklausomybę nuo veržlės aukščio ir pa-lyginti ją su teorine priklausomybe.

1. Teorinė dalis

Statinį srieginių jungčių stiprumą lemia smeigės (varžto) stiebo tempiamasis stiprumas arba jungties vijų kerpamasis stiprumas, kuris priklauso nuo jungties detalių susukimo aukščio H. Kai veržlės aukš-tis yra H ≥ 0,8 d (d – išorinis sriegio skersmuo), srieginės jungties stiprumą dažniausiai lemia smeigės (varžto) stiebo tempiamasis stip-rumas. Kai veržlės aukštis yra mažesnis kaip 0,8 d, atsiranda vijų nu-kirpimo grėsmė. Srieginių jungčių standartai numato ir mažesnio už 0,8 d aukščio veržlių naudojimą, bet tokiais atvejais reikia tikrinti ir vijų kerpamąjį stiprumą. Akivaizdu, kad, esant mažesniam veržlės aukščiui, jungtis turi mažesnį sukibusių vijų skaičių. Tokiais atvejais ir jėga, kurios reikia vijai nukirpti, yra mažesnė. Šios apkrovos di-dumas priklauso nuo jos pasiskirstymo vijose. Didžiausia apkrovos dalis tenka pirmajai sukibusių vijų porai, kuri yra ties veržlės atrama. Vis giliau veržlės ertmėje esančių vijų apkrova laipsniškai mažėja. Tačiau tais atvejais, kai jungtyje yra mažai vijų (pvz., dvi ar trys), tai pirmosios ir paskutinės vijos apkrova skiriasi nežymiai. Tai reiškia, kad apkrova vijose pasiskirsto beveik tolygiai.

Akivaizdu, kad srieginių jungčių statinis stiprumas priklauso ir nuo medžiagų, iš kurių yra pagamintos jungties detalės, stiprumo. Kai veržlė ir varžtas pagaminti iš tos pačios medžiagos arba panašaus stiprumo medžiagų, nukerpamos varžto vijos, nes jų kirpimo plotas mažesnis. Jų skersmuo di ties kerpama vieta yra mažesnis. Veržlės vijos gali būti nukirptos tuo atveju, jeigu jai skirta medžiaga yra sil-pnesnė už varžto medžiagą.

Eksperimentais tiriant srieginių jungčių statinį stiprumą, nusta-toma jungčių stiprumo priklausomybė nuo sukibusių vijų skaičiaus

57

(nuo veržlės aukščio H). Teoriškai pagal srieginių jungčių statinio stiprumo modelį smeigės (varžto) ir veržlės vijų laikomoji galia nu-statoma pagal formulę:

mpuis kkHdF ⋅⋅τ⋅⋅⋅π= ; (1)

čia Fs – jėga, kuriai veikiant dėl kirpimo suyra smeigės (varžto) arba veržlės vijos; di – nukirptų vijų (smeigėje arba veržlėje) skersmuo ties sriegio įduba; H – sriegio susukimo aukštis (veržlės aukštis); τu – nukirptų vijų (smeigėje arba veržlėje) medžiagos kirpimo stiprumo riba; kp – sriegio vijų pilnumo koeficientas, kuris priklauso nuo vijos formos (metriniam varžto ir veržlės sriegiui atitinkamai kp = 0,75 ir kp = 0,87); km – koeficientas, kuriuo įvertinamas apkrovos Fs pasi-skirstymo vijose netolygumas.

Kai sriegio žingsnis didelis arba pirmasis žingsnis yra mažas, o Rm1 / Rm2 > 1,3 (smeigės ir veržlės medžiagų stiprumo ribų santykis), tai km = 0,70 ÷ 0,75. Kai sriegio antrasis žingsnis mažas arba dar ma-žesnis, o Rm1 / Rm2 > 1,3, tai km = 0,65 ÷ 0,7. Visiems – didelio ir ma-žo žingsnio – sriegiams km = 0,55 ÷ 0,6, kai Rm1 / Rm2 ≤ 1,3.

Kai nukerpamos smeigės vijos formulėje (1), di = d1= (d – 1,0825·P); čia P – sriegio žingsnis. Kai nukerpamos veržlės vijos, di = d. Plieno kerpamojo stiprumo riba τu apskaičiuojama naudojant plieno stiprumo ribą τu = (0,6 ÷ 0,7)·Rm.

Grafiškai lyginant srieginių jungčių statinio stiprumo eksperi-mentinius ir teorinius duomenis, patogu nusibraižyti tris tieses, ap-skaičiuotas pagal formulę (1): Fs,min = f(H/d), Fs,max = f(H/d) ir Fs,vid. = f(H/d). Jos apskaičiuojamos naudojant formulėje (1) mažiausias, di-džiausias ir vidutines koeficiento km ir medžiagos kerpamojo stipru-mo ribos τu reikšmes. Šie dydžiai toliau žymimi taip: km,min, km,max, km,vid. ir τu,max, τu,min, τu,vid.. Dvi ribinės tiesės nusako visą teorinių kir-pimo jėgos reikšmių intervalą.

58

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Bandymo priemonės

Bandymo mašina: TIRA test 2300 (100 kN). Matavimo priemonės:

• dinamometras (mašinoje TIRA test 2300) – ±0,5 % tikslu-mas;

• žingsninis poslinkio matavimo įrenginys (mašinoje TIRA test 2300) – ±0,5 % tikslumas;

• kompiuterinė matavimo sistema su analoginiu skaitmeniniu keitikliu SPIDER-8;

• duomenų registravimo ir tvarkymo programa KATMAN – EXPRESS;

• įrankinis mikroskopas BMI-1C, didinimas iki ×50, pad. 0,005 mm;

• mikrometras MK (25–50) mm, pad. 0,01 mm.

2.2. Srieginės jungties bandiniai

Bandomąją jungtį, parodytą 1 pav., sudaro smeigė 1, bandomoji veržlė 2, kurios aukštis H, ir atraminė veržlė 3. Jungties sriegis – ISO M14 × 1 (gali būti ir kitas sriegis). Atraminės veržlės aukštis – Hatr. = 2 d. Visų bandinių atraminės veržlės aukštis yra gerokai di-desnis už bandomosios veržlės aukštį (Hatr. > H), todėl vijos nuker-pamos gali būti tik jungtyje su bandomąja veržle. Bandomųjų veržlių aukštis keičiasi nuo 0,2 d iki 0,8 d.

2.3. Srieginės jungties smeigė-veržlė tempimo bandymas

Srieginių jungčių tempimo bandymo schema parodyta 1 pav. Bandymas atliekamas, naudojant tempimo bandymo mašiną TIRA test 2300 su kompiuterine jėgos ir poslinkių matavimo sistema. Duomenims registruoti ir tvarkyti naudojama programa KAIMAN – EXPRESS.

59

1 pav. Srieginių jungčių tempimo bandymo schema:

1 – smeigė; 2 – bandomoji veržlė; 3 – atraminė veržlė; 4, 5 – viršutinis ir apatinis griebtai; 6, 7 – sferinės atramos detalės; 8, 9 – elektriniai signalai,

proporcingi jėgai ir apatinio griebto poslinkiui; 10 – analoginis skaitmeninis keitiklis SPIDER; 11 – kompiuteris

Bandomoji srieginė jungtis bandymo mašinos griebtuose įstatoma taip, kad viršutiniame griebte 4 būtų smeigės 1 ir bandomosios veržlės 2 jungtis. Apatiniame griebte 5 yra smeigės jungtis su atramine veržle 3. Bandomąją jungtį centruoja sferinės atramos, esančios abiejuose griebtuose. Jas sudarančių detalių 6 ir 7 sferiniai paviršiai sutepami prieš bandymą. Bandymo procesą, kol vijos suyra, galima stebėti moni-toriaus ekrane. Jį atspindi ekrane matoma didėjančios jėgos F ir apati-nio griebto poslinkio Δ priklausomybės grafikas. Prieš pat vijų suirimą grafikas tampa akivaizdžiai netiesinis dėl atsirandančių didelių sriegio

L0 + Δ

2

F

4

1

F

H

Hatr 3

5

6

7

6

7

F

Fs

Δ

SPIDER-8

8

9

10

11

60

vijų plastinių deformacijų. Didžiausioji jėgos reikšmė lieka matoma monitoriaus ekrane ir nutrūkus bandiniui. Jos reikšmė įrašoma į rezulta-tų lentelę. Apžiūrėjus nutrūkusį bandinį, dar reikia nustatyti, kuriai jungties detalei priklausė nukirptosios vijos – smeigei ar veržlei. Pagal tai nustatomas formulėje (1) naudojamas vijų kirpimo skersmuo di.

Reikia atlikti mažiausiai 12 bandymų, keičiant bandomųjų verž-lių aukštį H intervalu nuo 0,2 d iki 0,8 d žingsniu 0,2 d. Turint dau-giau bandinių, šį intervalą galima praplėsti. Vienodą veržlių aukštį turinčių jungčių skaičius turi būti ne mažesnis kaip 3. Realūs šių veržlių aukščiai neturi skirtis vienas nuo kito daugiau kaip 0,2 mm.

3. Bandymų rezultatai

Bandymų ir skaičiavimų rezultatai pateikiami taip, kaip pavyz-dyje, kuris parodytas šiame skyriuje. Naudojant programos KAIMAN – EXPRESS (arba kitos standartinės programos) duomenų apdorojimo įrankius, mažiausiųjų kvadratų metodu reikia nustatyti tiesinę eksperimentinę priklausomybę Fs, eksp. = a·(H/d) + b (nustatyti koeficientus a ir b) ir atitinkamą koreliacijos koeficientą. Toliau pa-gal šią priklausomybę apskaičiuotus duomenis reikia palyginti su ati-tinkamais teoriniais duomenimis, apskaičiuotais pagal formulę (1), naudojant vidutines km, vid. ir τu, vid. reikšmes (nurodomas skirtumas, iš-reikštas procentais). Jeigu eksperimentinė tiesė yra artimesnė kuriai nors ribinei teorinei tiesei, tai atliekamas ir jų palyginimas.

3.1. Pradiniai duomenys ir bandymų rezultatai

1 lentelė. Srieginės jungties parametrai

d Rm Rm1/Rm2 Jungties detalė Medžiaga, markė mm MPa –

Smeigė M14×1

Plienas 50

14 680 1

Gniuždoma veržlė M14×1

Plienas 50

– 680

61

2 lentelė. Kirpimo jėgos skaičiavimo parametrai (nukirptos smeigės vijos)

di τu kp km Jungties detalė

mm MPa mm

Smeigė M14×1

12,92 408 ÷ 476 0,75 0,55 ÷ 0,6

3 lentelė. Eksperimentinė kirpimo jėga

H H/d Fs Fs Fs

mm – kN kN kN

2,8 0,2 19,0 24,6 33,2

5,6 0,4 45,9 58,2 54,6

8,4 0,6 68,8 78,2 71,6

10,8 0,77 91,3 85,6 95,1

3.2. Eksperimentinių ir teorinių duomenų palyginimas

Palyginimui naudojami eksperimentiniai ir teoriniai duomenys apskaičiuojami pagal (2 ÷ 5) formules.

Sriegio vijų kirpimo jėgos eksperimentinės tiesės lygtis ir kore-liacijos koeficiento kvadratas nustatomi naudojant programos KAIMAN – EXPRESS (arba kitos standartinės programos) statistinio duomenų apdorojimo įrankius. Nustatytos tiesės lygtis yra tokia:

8574,819,107. +⋅=d

HF eksps, . (2)

Koreliacijos koeficiento kvadratas r2 = 0,9404. Teorinės vidutinės sriegio vijų kirpimo jėgos tiesės lygtis:

..,.,., vidmpviduivids kkdd

HdF ⋅⋅τ⋅⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅π= (3)

Pateikiamame pavyzdyje eksperimentinė tiesė yra arti maksima-lios ribinės teorinės tiesės (2 pav.), todėl jos turi būti palygintos. Tam

62

naudojama teorinės maksimalios sriegio vijų kirpimo jėgos tiesės lygtis:

.max,max,max mpuis, kkdd

HdF ⋅⋅τ⋅⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅π= (4)

Eksperimentinių ir teorinių duomenų skirtumas:

%.100.(max),

.(max),, ⋅−

=ζvids

vidseksps

F

FF (5)

4 lentelė. Rezultatų palyginimas

(2) formulė (3) formulė (5) formulė H/d Fs, eksp Fs, vid. skirtumas

– kN kN %

0,2 30,3 21,65 40,0

0,4 51,74 43,33 19,5

0,6 73,18 64,94 12,7

0,77 91,40 83,34 9,7

Pastaba. τu, vid. = 442 MPa, km, vid. = 0,575.

5 lentelė. Rezultatų palyginimas

(2) formulė (4) formulė (5) formulė H/d Fs, eksp. Fs, max skirtumas

– kN kN %

0,2 30,3 24,33 24,5

0,4 51,74 48,65 6,3

0,6 73,18 73,98 0,3

0,77 91,40 93,66 -2,4

Pastaba. τu, max = 476 MPa, km, max = 0,6.

63

y = 107.19x + 8.8574

R2 = 0.9404

0

20

40

60

80

100

120

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

2

1

3

4

5

H/d

F (kN)

2 pav. Eksperimentinių ir teorinių duomenų palyginimas: 1 – eksperimentinė tiesė; 2 – vidutinių teorinių reikšmių tiesė;

3 – mažiausiųjų teorinių reikšmių tiesė; 4 – didžiausiųjų teorinių reikšmių tiesė; 5 – eksperimentiniai taškai

4. Laboratorinio darbo ataskaita

4.1. Bandymo schema ir aprašymas. 4.2. Bandymų rezultatai. 4.3. Grafinis eksperimentinių ir teorinių duomenų palyginimas.

y = 107,19x + 8,8574

R2 = 0,9404

64

6. PLASTIKŲ TEMPIMO BANDYMAS

Darbo tikslas: nustatyti kai kurių plastikų mechaninius savybių ro-diklius tempiant.

1. Teorinė dalis

Atsižvelgiant į plastikų paskirtį nustatomos cheminės, fizikinės, mechaninės ir technologinės savybės. Mechaninių bandymų metu gauti mechaninių savybių rodikliai naudojami medžiagos inžineri-niam įvertinimui. Atliekant skirtingus bandymus gaunama: tempimo (gniuždymo) įtempių ir deformacijų diagrama, deformacija suirimo metu, suirimo įtempimai skirtingais deformavimo atvejais, tamprumo modulis, kietumas, smūginis tąsumas, atsparumas kirpimui, defor-macijos priklausomybė nuo laiko tempiant arba gniuždant ir kiti įvai-rios paskirties rodikliai.

Polimerinės medžiagos – dangiausia plastikai – yra naudojamos įvairiose srityse – pradedant buitimi ir baigiant inžinerinėmis konst-rukcijomis. Polimerai yra pagrindinė ir svarbiausioji plastikų dalis. Polimerais vadinami stambiamolekuliniai (didelės molekulinės ma-sės) junginiai, susidedantys iš daug kartų pasikartojančių vienodų ar-ba skirtingų atomų grupių – mažos molekulinės masės junginių – monomerų, tarp kurių veikia kovalentinio ryšio jėgos.

Pagrindinė struktūrinė polimerų ypatybė – ilgos ir lanksčios makromolekulės, kurių atomai tarpusavyje yra susiję tvirtais ryšiais, o tarpmolekuliniai ryšiai yra silpni. Ilgos makromolekulės dalys gali būti armonikos tipo ir sudaryti kristalinio tipo sritis. Galimas mak-romolekulių jungimasis į trimatį tinklelį. Tuomet tam tikruose taš-kuose susidaro tvirti cheminiai ryšiai. Kaip ir metaluose ar kompozi-tuose, polimeruose gali būti sudaryta mikrostruktūra – orientuota makromolekulių padėtis arba atskiros zonos gali turėti skirtingą cheminę sudėtį. Taip sukuriamos reikiamų savybių turinčios medžia-gos, kurių irimo procesui įvertinti reikia specifinių žinių.

65

Polimerai skirstomi į gamtinius (celiuliozė, krakmolas, vilna, šil-kas, oda, baltymai, natūralusis kaučiukas), dirbtinius (gaunami per-dirbus gamtinius, pvz., viskozė, kazeinas) ir sintetinius (kryptingos sintezės produktas). Sintetiniai polimerai gaunami dviem būdais: po-limerizacijos ir polikondensacijos. Polimerų savybės priklauso ne tik nuo monomerų sudėties, bet ir nuo jų erdvinio išsidėstymo.

Linijinės struktūros polimeruose susijungę monomerai sudaro ilgą liniją, arba grandinę. Tokį polimerą sudaro daugybė linijinių makromolekulių, tarp kurių veikia taprmolekulinės jėgos, turinčios didelės įtakos polimero tankiui ir jo mechaninėms savybėms.

Šakotos struktūros polimerų linijinėse grandinėse yra šoninių at-sišakojimų.

Erdvinės (tinklinės) struktūros polimerų grandinės erdvėje suda-ro uždarą tinklinę sandarą.

Pagal fizikines bei mechanines savybes plastikai skirstomi: • minkštieji (E < 4·102 MPa), • vidutinio kietumo (4·102 < E < 1·103 MPa), • kietieji (tamprumo modulis E > 1·103 MPa). Pagal plastikuose vykstančius procesus aukštesnėje temperatūro-

je jie skirstomi į termoplastinius ir reaktoplastinius. Termoplastiniai polimerai suminkštėja aukštesnėje temperatūro-

je ir sukietėja ataušę. Iš termoplastikų liejamos, štampuojamos ir su-virinamos įvairios detalės, jie naudojami plėvelių ir indų gamybai.

Polietilenas yra vienas pigiausių ir plačiausiai naudojamų poli-merų. Storas jo sluoksnis baltas, plonas bespalvis ir skaidrus. Gami-namos dvi polietileno rūšys: didelio slėgio ir mažo slėgio (didesnio tankio).

Polimetilmetakrilatas, arba konstrukcinis organinis stiklas (plek-siglazas), yra skaidrus, praleidžia apie 75 % ultravioletinių spindulių (silikatinis stiklas – tik 0,6 %), atlaiko dideles deformacijas nesuir-damas, atsparus vandeniui, lengvai dažomas.

Poliizobutilenas yra labai lengva, minkšta, elastinga, kaučiuko pavidalo medžiaga, atspari rūgštims, šarmams ir vandeniui, gerų an-tikorozinių savybių.

66

Polivinilacetatas yra bespalvė, skaidri sintetinė derva. Ji yra plastiška, atspari šviesai, tačiau neatspari šalčiui ir vandeniui, tirpi spirite ir kituose skysčiuose.

Poliamidai kapronas, nailonas ir kt. yra stiprūs, elastingi, nedegūs, gerų dielektrinių ir antifrikcinių savybių, atsparūs smūginei apkrovai, tepalams, spiritui, eteriui, silpnoms rūgštims, mikroorganizmų, pelėsių ir plovimo priemonių (muilo, šarminių preparatų) poveikiui.

Polikarbonatai (makrolonas, diflonas) yra stiprūs, atsparūs smū-giams, senėjimui aukštesnėje temperatūroje, labai lengvai apdirbami mechaniškai, gerų dielektrinių savybių, atsparūs termiškai ir chemiš-kai (jų neveikia druskų tirpalai, riebalai, skiestos rūgštys ir šarmai).

Poliuretanas savo savybėmis primena poliamidus, bet yra gero-kai atsparesnis atskiestoms rūgštims, šarmams, tepalams, vandens ir vandens garų poveikiui.

Poliacetaliai pasižymi kietumu, standumu, atsparumu smū-giams.

Poliformaldehidas – dažniausiai naudojamas poliacetalis. Jis yra mažo valkšnumo, atsparus dilimui, tepalams, benzinui ir vandeniui, patvarus atmosferos sąlygoms, tačiau neatsparus rūgščių ir šarmų tir-palams.

Poliakrilnitrilas naudojamas nitrono pluoštui (primena vilną, tik dvigubai stipresnis) formuoti. Pridėjus stireno, vinilchlorido, vinili-denchlorido, gaunamas akrilanas. Jis atsparus drėgmei, šviesai dau-geliui cheminių junginių.

Polivinilidenchloridas naudojamas kaip kopolimeras polietileno, polivinilchlorido, polistireno ir kitų termoplastinių medžiagų savy-bėms gerinti. Iš jo gaminamos hermetinės pakuotės plėvelės, polime-rinė tara ir kt. Plėvelės yra nelaidžios dujoms ir organiniams skys-čiams, netirpios.

Reaktoplastikai – tai kompozitiniai plastikai, kuriuos sudaro termoreakcinės dirvos užpildai, plastifikatoriai ir specialieji priedai. Reaktoplastikai yra minkšti tik pirminės būsenos. Įkaitintuose ir il-giau palaikytuose aukštesnėje temperatūroje reaktoplastikuose įvyks-

67

ta cheminės reakcijos ir jie negrįžtamai sukietėja dar karšti, tampa stiprūs ir netirpūs.

Medžiagos iš kaučiuko skirstomos į elastomerus, ebonitą (labai kieta guma), hermetizuojančias medžiagas bei antikorozines dangas.

Elastomerai yra stambiamolekulinės medžiagos, kurioms būdin-gos didelės tampriosios deformacijos ir mažas tamprumo modulis (pailgėjimas nėra proporcingas apkrovai). Būdingiausi elastomerai – natūralus ir sintetinis kaučiukas bei iš jų pagaminta guma.

Guma – elastomerų vulkanizacijos produktas. Tamprumo modu-lis E = 1–10 MPa, Puasono koeficientas v = 0,4–0,5.

Projektuojant detales ir konstrukcijas iš plastikų, reikia atsiminti, kad plastikų deformacinės savybės labai skiriasi nuo kitų tradicinių konstrukcinių medžiagų, pavyzdžiui, plieno, deformacinių savybių. Deformuojant plienines detales arba bandinius laikantis proporcin-gumo ribų, kaip žinoma, galioja Huko dėsnis. Deformuojant detales arba bandinius beveik iš visų rūšių konstrukcinių plastikų, jau nuo pat deformavimo pradžios kartu su tampriosiomis deformacijomis vystosi ir plastinės (valkšnumo) deformacijos. Tai rodo, kad defor-muojant plastikus tarp įtempių ir deformacijų nėra tiesinio ryšio ir todėl negalima besąlygiškai taikyti Huko dėsnį plastikams. Įsidėmė-tina, kad plastikų stiprumas ir deformacinės savybės labai priklauso nuo plastikų amžiaus, aplinkos temperatūros, drėgmės, deformavimo greičio ir daugelio kitų veiksnių. Visa tai rodo, kad plastikų mecha-niniai bandymai turi būti atliekami griežtai vienodomis sąlygomis, kurios išdėstytos atitinkamuose standartuose.

Tempimo bandymas yra atliekamas pagal standartą ISO 527-1:1993 (E) Plastic – Determination of tensile properties – Part 1 (General principles), standartą ISO 527-2:1993 (E) – Part 2 (Test con-ditions for moulding and extrusion plastics) ir standartą GOST 11262-80 „Plastmasės. Tempimo bandymo metodika“. Bandymai pagrįsti tempiant tiriamąjį bandinį reglamentuojamu greičiu ir fiksuojant ap-krovą bei bandomosios dalies pailgėjimą bet kuriuo momentu, t. y. gaunama tempimo diagrama.

68

Standartų ISO ir GOST reikalavimai, keliami bandiniams, ban-dymo ir skaičiavimo metodikoms, yra panašūs. 1–3 pav. parodyti bandiniai reglamentuojami pagal ISO standartą, kuriame nurodomas matmenų tikslumas ir gamybos būdas.

Specialiaisiais tyrimais bandomi natūriniai arba pusiaunatūriniai konstrukcijų elementai arba iš jų gaminami specialūs bandiniai.

Bandiniai gaminami formavimu arba mechaniškai apdirbant pusfabrikačius ir specialius ruošinius. Bandinių gaminimo būdas ir režimas nurodomi standartuose arba medžiagos techninėse sąlygose.

Prieš bandant, pirmiausia išmatuojami bandinių skerspjūvių matmenys 0,01 mm tikslumu ne mažiau kaip trijose vietose. Jei ban-dinio bandomosios dalies skerspjūvio matmenų trijų matavimų rezul-tatai skiriasi daugiau kaip 0,2 mm, jis bandymui nenaudojamas, o pakeičiamas kitu. Skaičiuojant įtempius imamas mažiausias bandinio skerspjūvio plotas. Išmatavus bandinius, jų paviršiuje pažymima bandomoji dalis. Padarytos atžymos neturi sumažinti bandinio stip-rumo ir bandinys neturi trūkti ties atžymomis.

Plastikų tempimo bandymai atliekami bandymo mašinomis, ku-riomis tempimo jėgą galima išmatuoti 1 % tikslumu. Bandant stik-loplastus mašinos griebtų paviršius susilietimo su bandiniu vietoje turi būti lygus. Trinties jėgoms padidinti naudojamos šlifuotos odos arba gumuoto audinio intarpas. Nerekomenduojama naudoti griebtus su savaime susiveržiančiais įdėklais ir griebtus su šiurkščiu rifliuotu paviršiumi. Bandinys tvirtinamas griebtuose pagal padarytas atžymas taip, kad bandymo metu neslydinėtų ir jo išilginė ašis griežtai sutaptų su tempimo jėgos linkme. Bandant stikloplastus, slėgis į griebtais su-spaustą bandinio dalį turi būti tolygus per visą sąlyčio plotą. Bandy-mo metu mašina turi užtikrinti pastovų griebtų judėjimo greitį. Maši-nos griebtų judėjimo greitis nurodomas standartuose arba medžiagos techninėse sąlygose. Lentelėje pateikti rekomenduojami apkrovimo greičiai ir leistinasis nuokrypis.

69

l

l

l1

0

3

2

1

b 2b

h

L

L

r

1 pav. Bandinys

Dimensijos, mm bandinio tipas 1A 1B l3 bendras ilgis ≥150 ≥150 l1 susiaurėjimo ilgis 80 ± 2 60,0 ± 0,5 r spindulys 20–25 ≥60 l2 atstumas tarp šoninių briaunų 104–113 106–120 b2 galų plotis 20,0 ± 0,2 20,0 ± 0,2 b1 bandomosios dalies plotis 10,0 ± 0,2 10,0 ± 0,2 h bandinio storis 4,0 ± 0,2 4,0 ± 0,2 L0 bandomasis ilgis 50,0 ± 0,5 50,0 ± 0,5

L atstumas tarp griebtų 115 ± 1 520+l

l

l

l

1

0

3

2

1

b2

b

h

L

L

r

2 pav. Trumpas bandinys

Dimensijos, mm bandinio tipas 1BA 1BB l3 bendras ilgis ≥75 ≥30

70

l1 siaurosios dalies ilgis 30 ± 0,5 12 ± 0,5 r spindulys ≥30 ≥12 l2 atstumas tarp šoninių briaunų 58 ± 2 23 ± 2 b2 galų plotis 10 ± 0,5 4 ± 0,2 b1 bandomosios dalies plotis 5 ± 0,5 2 ± 0,2 h storis ≥2 ≥2 L0 bandomasis ilgis 25 ± 0,5 10 ± 0,2 L atstumas tarp griebtų 2

20+l 1

20+l

L

L

ll

b 1

h

0

1

2

b2r 2

r1

3 pav. Trumpas bandinys

Dimensijos, mm bandinio tipas 5A 5B l2 bendras ilgis (minimalus) ≥75 ≥35 b2 galų plotis 12,5 ± 1 6 ± 0,5 l1 siaurosios dalies ilgis 25 ± 1 12 ± 0,5 b1 bandomosios dalies plotis 4 ± 0,1 2 ± 0,1 r1 mažas spindulys 8 ± 0,5 3 ± 0,1 r2 didelis spindulys 12,5 ± 1 3 ± 0,1 L atstumas tarp griebtų 50 ± 2 20 ± 2 L0 bandomasis ilgis 20 ± 0,5 10 ± 0,2 h storis ≥2 ≥1

Apkrovimo greitis

Greitis, mm/min Leistinasis nuokrypis, % 1 2

1 ±20 2 ±20 5 ±20 1 2

71

Lentelės pabaiga

10 ±20 20 ±10 50 ±10 100 ±10 200 ±10 500 ±10

Atliekant plastikų tempimo bandymus dažniausiai matuojamos ir

bandinių deformacijos. Jas matuoti galima bet kokios konstrukcijos tenzometrais. Kai kurių plastikų deformacijos, prieš bandiniui nutrūks-tant, būna didelės. Tokiais atvejais tenzometrai prie bandinių netvirti-nami ir deformacijos matuojamos optiniais prietaisais pagal atžymas, padarytas bandinio paviršiuje. Naudojamų prietaisų ir tenzometrų tiks-lumas turi būti toks, kad jais būtų galima matuoti bandinių deformaci-jas neišeinant iš šių ribų: kai deformacija 0,5–10 mm, matavimo pa-klaida turi būti ne didesnė kaip 0,1 mm; kai deformacija didesnė kaip 10 mm, paklaida turi būti ne didesnė kaip 1%. Bandant stikloplastus, deformacijų matavimo paklaida turi būti ne didesnė kaip 0,01 mm.

Tipiškos plastikų tempimo diagramos pavaizduotos 4 pav. Krei-vė 1 būdinga trapiems plastikams. Diagramos (2, 3 kreivė) būdingos plastikams, turintiems takumo ribą, o kreivė 4 – neturintiems aiškiai išreikštos takumo ribos. Kaip matyti, plastikų tempimo diagramos skiriasi nuo diagramų, gaunamų tempiant plastiško, mažaanglio plie-no bandinius.

Įtempiai skaičiuojami pagal formulę:

A

F=σ ; (1)

čia σ – tempimo įtempiai, išreiškiami megapaskaliais; F – tempimo jėgos (bandinio ašinės jėgos N) didumas niutonais; A – pradinis ban-dinio skerspjūvio plotas.

72

1 2 B y y B

MMM

x%1

2

x

B

B

B

y

y

B

1B

1M

1B

12

3

4

1

M

M

M

M

4 pav. Tipinės tempimo įtempimų diagramos:

1 – trapūs plastikai; 2, 3 – tąsūs plastikai su takumo aikštele; 4 – tąsūs plastikai be takumo aikštelės

Eksperimento metu fiksuojant jėgą Fy, kuriai esant prasideda ta-kumas, pagal formulę (1) galime apskaičiuoti takumo įtempius (4 pav. kreivės 2 ir 3).

Tempimo įtempiai ,Bσ kuriems esant bandinys suyra, gaunami

užfiksavus tempimo jėgą FB. Maksimalūs įtempiai ,Mσ kuriuos atlaiko tempiamas bandinys,

parodyti 4 pav.

BM σ=σ – kreivė 1;

BM σ=σ – kreivė 2;

yM σ=σ – kreivė 3;

BM σ=σ – kreivė 4.

Tempimo įtempiai xσ apskaičiuojami pasirinkus deformaciją x

plastikams, kurie neturi takumo (kreivė 4). Deformacija x gali būti nurodyta medžiagos techninėse sąlygose ir nustatytas įtempis gali būti laikomas sąlyginiu takumu.

73

Deformacijos skaičiuojamos pagal bandinio ilgio pokytį:

0

0

l

lΔ=ε ,

( )0

0100l

lΔ×=%ε ; (2)

čia ε – išilginė deformacija, išreiškiama santykiniu dydžiu arba pro-centais; 0l – bandinio bandomosios dalies ilgis prieš bandymą;

0lΔ – matuojamasis bandinio ilgio pokytis.

Pagal formulę (2) galima apskaičiuoti deformacijas, kaip paro-dyta 4 pav.: yε – santykinė deformacija, atitinkanti takumą (kreivės

2 ir 3); Bε – santykinė deformacija, atitinkanti trūkimą (kreivės 1 ir

4); Mε – maksimali santykinė deformacija, jeigu nėra takumo (krei-

vės 1 ir 4). Nominalioji pradinė tempimo deformacijos reikšmė gali būti ap-

skaičiuota pagal bandinio griebtų eigą:

l

lΔ=ε1 ,

( )l

lΔ×=%ε 1001 ; (3)

čia 1ε – nominalioji (pradinė) tempimo deformacija, išreiškiama san-

tykiniu dydžiu arba procentais; l – bandinio griebtų eiga; lΔ – at-

stumo tarp griebtų pokytis. Pagal formulę (3) galima apskaičiuoti deformacijas, kaip paro-

dyta 4 pav.: Btε – nominalioji deformacija, atitinkanti suirimą, jeigu

bandinys teka (kreivės 2 ir 3); Mtε – nominalioji deformacija, atitin-

kanti tempimo jėgą, mažesnę už jėgą, sukeliančią takumą (kreivė 2). Tamprumo modulis apskaičiuojamas įvertinus dviejų deformaci-

jų skirtumą, kaip parodyta 4 pav.

74

12

12

ε−εσ−σ=tE ; (4)

čia Et – tamprumo (Jungo) modulis megapaskaliais; σ1 – įtempis me-gapaskaliais, atitinkantis deformaciją ε1 = 0,0005; σ2 – įtempis me-gapaskaliais, atitinkantis deformaciją ε2 = 0,0025.

Puasono koeficientas skaičiuojamas kaip dviejų statmenų de-formacijų santykis:

ε

ε−=μ n

n ;

ε – išilginė deformacija; εn – skersinė deformacija bandinio pločio n = b arba aukščio n = h kryptimi.

Remiantis visų bandinių bandymo rezultatais, skaičiuojami sta-tistiniai rodikliai.

Bandiniai, kurie suyra už bandomosios zonos ribų arba kuriuose bandymo metu nustatyti defektai (burbuliukai, neaiškūs intarpai, vidi-niai plyšiai ir pan.), yra brokuojami ir jų skaičiavimas neatliekamas.

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Bandymo įranga ir įrankiai: bandymo mašina, matuojanti ap-krovą 1 % tikslumu, įrenginys bandiniams žymėti, slankmatis, kurio matavimo tikslumas 0,1 mm.

2.2. Bandiniai: eksperimentiniams bandymams pateikiami vienodi standartiniai arba specialūs bandiniai.

l0

b

h

1

75

2.3. Tempimo įtempių diagramos: remiantis gautais duomenimis, iš tempimo diagramos sudaroma tempimo įtempių diagrama (koor-dinatės ε−σ ).

2.4. Bandymo rezultatai

Bandinio eilės Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8

Bandomasis ilgis 0l

Plotis 1b

Ban

dini

o m

atm

enys

, mm

Storis h

Skerspjūvio plotas A, mm2 Takumo jėga Fy, kN Stiprumo jėga FB, kN Takumo įtempiai σy, MPa Stiprumo riba σB, MPa Santykinis ištįsimas εB pasiekus takumą (%)

Santykinės deformacijos ε1 = 0,0025

Santykinės deformacijos ε2 = 0,0005

Įtempis σ1 (MPa), atitinkantis ε1 Įtempis σ2 (MPa), atitinkantis ε2 E tamprumo modulis, MPa

2.5. Bandymo statistiniai rodikliai. Statistiniai rodikliai apskaičiuo-

jami naudojant standartinę programinę įrangą arba programą CATMAN-EXPRESS.

3. Laboratorinio darbo ataskaita

3.1. Trumpas darbo aprašymas.

3.2. Darbo rezultatai, grafinė dalis, išvados.

76

7. PLYŠIŲ IR DEFEKTŲ MATAVIMAS ĮVAIRIAIS NEARDOMOSIOS KONTROLĖS METODAIS

Darbo tikslas: susipažinti su defektų (porų, įdubų, plyšių ir pan.) matavimu neardomosios kontrolės metodais, nusta-tyti defektų formą arba dydį.

1. Teorinė dalis

Konstrukcijų elementų ir mašinų detalių suirimo priežasčių ana-lizė rodo, kad eksploatacinis ilgalaikiškumas gali būti padidintas lai-ku atlikus techninės būklės įvertinimą.

Techninės būklės įvertinimas gali būti atliekamas gaminant deta-lę technologinio proceso metu, eksploatacijos ir remonto metu.

Neardomosios kontrolės metodų paskirtis: • defektoskopija – tuštumų, plyšių, įtrūkių ir kitokių defektų

aptikimas; • matmenų nuokrypų nuo verčių: gaminio ilgio, pločio, aukš-

čio, sienelės storio, paviršiaus sluoksnio (pvz., užgrūdinto) storio, kontrolė;

• fizikinių ir cheminių objekto savybių (magnetinės skvarbos, elektrinio laidžio, kietumo, struktūros, tankio ir pan.) nusta-tymas;

• pavojingų reiškinių, vykstančių konstrukcijoje (plyšių, įtem-pių, tarpų didėjimo, sienelių plonėjimo), diagnozavimas.

Dėl to kontrolė skirstoma į: • neardomąją defektų kontrolę; • neardomąją savybių kontrolę; • neardomąją įtempių kontrolę. Neardomosios defektų kontrolės metodai pagal tai, kokiais fizi-

kiniais reiškiniais remiamasi, skirstomi į optinius, akustinius, kapilia-rinius, magnetinius, šiluminius, nuotėkių paieškos, elektrinius, elekt-romagnetinius, radiacinius.

77

1 pav. parodytos neardomųjų kontrolės metodų taikymo galimy-bės. Paviršinius defektus galima aptikti optiniu-vizualiniu, kapiliari-niu ir visais kitais metodais. Jeigu defektas yra tam tikrame gylyje, tai taikomi magnetinis – miltelinis, sūkurinių srovių, ultragarsinis, radiografinis ir kiti metodai. Vidinius defektus, taip pat defektus ant paviršių, prie kurių neįmanoma prieiti, galima aptikti ultragarsiniu ir radiografiniu metodais.

1 pav. Defektų kontrolės metodų taikymo galimybės

1.1. Optinis-vizualinis metodas

Technologinio proceso metu išoriniu medžiagos paruošų ir ga-minių apžiūrėjimu nustatomas geometrinės formos pokytis ir išori-niai trūkumai (erozinės ir korozinės pažaidos, įpjovos, užvartos ir kt.). Eksploatacijos metu žmogaus akis yra pagrindinis kontrolės prietaisas atliekant defektoskopinę apžiūrą, kai nustatomas paviršiaus poringumas, makroplyšiai, spalvos, paviršinės dangos pokytis ir pan.

Optinės kontrolės metodus sąlygiškai galima suskirstyti į tris grupes:

• vizualūs kontrolės metodai; kontrolės rezultatus lemia sub-jektyvios operatoriaus savybės – regėjimas, žinios ir patyri-mas; šie metodai paprasčiausi, todėl ir taikomi dažniausiai;

78

• fotometrinis, densitometrinis, spektrinis ir televizinis meto-dai; naudojami tam tikri prietaisai, todėl kontrolė objekty-vesnė, ją galima automatizuoti;

• interferencinis, difrakcinis, fazinio kontrasto, refraktometri-nis, nefelometrinis, poliarizacinis, holografijos metodai; remiasi šviesos banginėmis savybėmis, todėl kartais jų jaut-ris siekia dešimtąsias šviesos bangos ilgio dalis, bet aparatū-ra yra sudėtingesnė.

Atliekant vizualinę optinę kontrolę, žmogaus akies galimybes pa-didina optiniai prietaisai: lupos, mikroskopai, teleskopiniai ir projekci-niai įtaisai. Didžiausias jų trūkumas – mažas kontrolės našumas, todėl dažnai šie prietaisai naudojami įtartinoms objekto vietoms patikrinti.

Vizualiai sunkiau kontroliuoti vidines objekto ertmes. Tam tiks-lui kuriami specialūs optiniai prietaisai endoskopai. Jų techninės cha-rakteristikos labai pagerėjo pritaikius šviesolaidžius. Labai perspek-tyvios televizinės sistemos, kurios remiasi techninės regos laimėjimais.

1.2. Kapiliarinis metodas

Kapiliarinis metodas paremtas drėkinimo reiškiniu. Šis reiškinys atsiranda dėl kietojo kūno ir skysčio atomų bei molekulių tarpusavio traukos. Dirbant kapiliariniu metodu, naudojami gerai objektą drėki-nantys skysčiai. Darbinis skystis vadinamas indikatoriniu penetrantu. Kontrolė atliekama švariai nuvalytą paviršių sudrėkinus raudonos spalvos arba liuminescenciniu skysčiu, kuris gerai užpildo tuštumas, kaip parodyta 2 pav.

Vėliau skystis nuvalomas nuo detalės paviršiaus, o defektuose likęs skystis matomas kaip tam tikros formos juostelė.

Penetranto paviršių pabarsčius milteliais, susidaro papildoma kapiliarų sistema, skystis prasisunkia į kūno paviršių ir drėkina milte-lius – ryškalą. Tai fizikinė adsorbcija. Kartais panaudojama penetran-to cheminė sąveika su ryškalu – cheminė adsorbcija. Išryškinus de-fekto matmuo matomas didesnis, negu yra iš tikrųjų, dėl to defektą

79

lengviau aptikti. 2 pav., d, matyti detalės paviršiuje defekto vieta, forma ir ilgis.

Spalvoto ir liuminescencinio metodo defektų kopijos medžiagų komplektą sudaro:

• raudonas arba liuminescencinis indikatorinis penetrantas (noriolas ir kt.);

• valymo skystis (vanduo, emulgatorius, techninis spiritas); ryš-kalas, kurio spalvotas variantas: kreida, talkas, silikagelis; liu-minescencinis variantas: įvairūs milteliai (kreida, talkas) ir nit-roemaliai, pasižymintys geromis adsorbcinėmis savybėmis.

Išryškintas defektas apžiūrimas optinėmis priemonėmis arba ult-ravioletinėje šviesoje (taip paryškinamos defekto ribas).

a

b

c

d

Liuminescencinisapsvietimas

Defektas

2 pav. Kontrolė kapiliariniu metodu:

a – paviršiaus drėkinimas penetrantu; b – paviršiaus valymas; c – ryškalo užpylimas; d – defekto matavimas

80

1.3. Magnetinis metodas

Magnetinis-miltelinis metodas pagrįstas magnetinio lauko skir-tumais metale be defektų ir metale su defektais. Tiriamas objektas įmagnetinamas ir apibarstomas feromagnetiniais milteliais. Geležies dalelės pritraukiamos prie tų vietų, kuriose yra magnetinė sklaida.

3 pav. parodyta magnetinio srauto sklaida plyšio aplinkoje. Pri-klausomai nuo detalės matmenų, spėjamos defekto vietos ir dydžio gali būti taikomi įvairūs įmagnetinimo metodai.

3 pav. Magnetinio srauto sklaida defekto aplinkoje

4 pav. parodytas įmagnetinimas jungu, kuris taikomas didelių matmenų detalių lokalizuotam magnetiniam srautui sukurti.

5 pav. parodytas įmagnetinimas rite, kuris taikomas nedidelio ir vidutinio dydžio detalėms (velenai, varžtai, vamzdžiai ir pan.). Mag-netinimui naudojami nuolatiniai magnetai, pastovios ir kintamosios srovės šaltiniai. Esant kintamajai srovei, didžiausias magnetinio srau-to dydis yra detalės paviršiuje.

Feromagnetiniai milteliai būna juodi arba padengti liuminescen-ciniu apvalkalu. Apibarstytos tokiais milteliais detalės defektas ultra-violetinėje šviesoje ryškesnis ir jo dydį lengviau nustatyti optinėmis priemonėmis.

81

4 pav. Magnetinimas jungu:

1 – jungas; 2 – srovės šaltinis; 3 – magnetinio srauto sklaida; 4 – plyšys; 5 – virintinė siūlė; 6 – magnetinis srautas

5 pav. Magnetinimas rite:

1 – detalė; 2 – ritė; 3 – plyšys; 4 – magnetinis srautas; 5 – srovė

1.4. Sūkurinių srovių metodas

Sūkurinių srovių metodas gali būti taikomas visoms laidžioms srovei medžiagoms. Jeigu kintamąja srove maitinamas solenoidas įtaisomas arti detalės, kuri padaryta iš laidžios srovei medžiagos, tai

82

medžiagoje susidaro magnetinis laukas. Jeigu medžiagoje nėra de-fektų, tai pirminis ir antrinis magnetiniai laukai bus vienodi.

Pirminis magnetinis laukas – tai prietaiso balansavimas etaloninu bandiniu, kuriame nėra defektų. Nevienalytiškumai medžiagoje iškrai-po magnetinį lauką taip, kad antrinis magnetinis laukas sumažėja. Šiuo atveju sukūrinės srovės nueina didesnį atstumą medžiagoje, kaip paro-dyta 6 pav. Gaunamas sudėtinis magnetinis laukas, kurį fiksuoja kont-rolinis prietaisas. Rodmens dydis priklauso nuo defekto dydžio.

Metodas taikomas vamzdžių ir kitų detalių defektoskopijai.

6 pav. Sūkurinių srovių metodas: 1 – srovė; 2 – magnetinis srautas; 3 – ritė; 4 – sukūrinės srovės; 5 –

defektas; 6 – sūkurinių srovių sklaida

1.5. Ultragarsinis metodas

Ultragarsinis metodas yra plačiai taikomas, nes juo galima nu-statyti defekto plotą ir gylį detalėje. Neardomosios kontrolės prietai-suose taikomas 0,5–10 Mhz dažnis. Pjezoelektriniu kristalu sukuria-mos ultragarso bangos, kurios ir sužadina medžiagoje tamprius svyravimus.

Tiesioginis pjezoefektas (elektros krūvių atsiradimas, deformuo-jant pjezoelektrinės medžiagos plokštelę) naudojamas garso bangoms priimti, o atvirkštinis pjezoefektas (plokštelės deformacija, pridėjus potencialų skirtumą) – garso bangoms spinduliuoti. Elementas,

5

4

6

83

spinduliuojantis garso bangas, vadinamas ieškikliu. Elementas, prii-mantis garso bangas, vadinamas imtuvu.

Ultragarso impulsai siunčiami į detalę ir, jeigu defekto nėra, at-sispindi nuo priešingo detalės paviršiaus.

Defektoskopo ekrane pradinis impulsas atitinka išspinduliavimo momentą. Atsispindėjęs spindulys matomas ekrane kitoje vietoje, kaip parodyta 7 pav. Signalo aukštis ekrane yra bangos plitimo laiko funkcija.

Žinant ultragarso plitimo medžiagoje greitį, galima nustatyti de-talės storį arba atstumą iki defekto. Skalė sudaryta taip, kad iš karto galėtų parodyti atstumą milimetrais.

Ultragarsinės kontrolės informacinis parametras yra aido signalo amplitudė ir jų išsidėstymo ekrane vieta, kaip parodyta 7 pav.

7 pav. Ultragarsinis metodas: a – pradinė pjezogalvutės padėtis; b – pjezogalvutė ties defektu;

1 – pjezogalvutė (siųstuvas-imtuvas; 2 – detalė; 3 – defektas; 4 – ekranas; 5 – signalas nuo defekto

Defekto dydis ir vieta detalėje yra svarbus veiksnys, įvertinant tolesnę eksploatacijos trukmę. Ultragarsinis kontrolės metodas TOFD (Time-of-flight-diffraction Technique) taikomas defektų padė-čiai detalėje nustatyti. Šiam metodui pritaikytos išilginės garso ban-gos tam, kad pirminis difrakcijos signalas nuo plyšio viršūnės taip pat būtų išilginė banga.

84

Jeigu ultragarsinė banga pasiekia paviršių arba defektą tam tikru kampu į jos normalę, tai atspindžio banga sudarys išilgines ir skersi-nes dedamąsias. Šių dedamųjų greičiai skirtingi, todėl rezultatą gau-sime, jeigu žinosime, kokias bangas matuojame. Paprastai dirbant TOFD metodu matuojamos išilginės atspindžio bangos. 8 pav. paro-dytas įvairiai orientuotų defektų matavimas.

8 pav. Įvairiai orientuotų defektų matavimas:

1 – keitiklis (pjezogalvutė); 2 – ieškiklis; 3 – kontrolės objektas; 4 – plyšys; 5 – ultragarsinių bangų pluoštas; 6 – vaizdas ekrane

1.6. Akustinės emisijos metodas

Akustinės emisijos metodas priklauso tūriniams kontrolės meto-dams. Jis dažniausiai taikomas slėginiams indams kontroliuoti. Kont-rolės metu indas apkraunamas ir kintant slėgiui mikrofonais, pritvir-tintais prie indo sienelių, matuojami triukšmai. Keičiant mikrofonų padėtį, nustatoma defekto vieta. Žinoma, kad plyšys konstrukcijos elemente pradeda didėti, jeigu įtempimai pasiekia tam tikrą ribinį dydį. Plyšio didėjimą lydi įvairaus dažnio garso bangos. Mikrofonais garsas perduodamas registruojančiai ir analizuojančiai aparatūrai, kaip parodyta 9 pav.

Akustinio impulso metodas taikomas daugiasluoksnių konstrukcijų neardomajai kontrolei. Jo veikimas grindžiamas mechaninio impedanso kontroliuojamo gaminio defektiniuose ir bedefekčio ruožuose skirtumu. Jeigu keitiklis yra virš ruožo, kuriame atšokęs sluoksnis, arba nelaiko klijai, reakcijos jėgos amplitudė sumažėja, nes atsisluoksniavusios konstrukcijos dalies standumas yra mažesnis negu bedefekčio ruožo.

85

9 pav. Akustinis metodas:

1 – kontroliuojamas objektas; 2 – mikrofonas; 3 – analizatorius; 4 – akustinė emisija; 5 – defektas

1.7. Radiografiniai metodai

Radiografinis metodas pagrįstas elektromagnetinių spindulių poveikiu į fotojuostą. Tiriamas objektas dedamas tarp spindulių šal-tinio ir fotojuostos. Spindulių šaltinis – tai rentgeno arba gama spin-duliai, kurie gali prasiskverbti į gilius sluoksnius. Šiuo metodu gali-ma aptikti storio ir tankio nevienodumus, plyšius ir poras. Jei yra tuštumų ar vientisumo pokyčių, spinduliavimo intensyvumas keičia-si. Tuštumos vietoje intensyvumas yra didesnis negu vientisoje ir vienalytėje medžiagoje. Matavimų informaciniai parametrai yra tam tikrų plėvelės ruožų patamsėjimai.

Spindulių šaltiniu taip pat gali būti neutronų ir kitų elementarių-jų dalelių srautai. Principinė defektų matavimo radiografiniais meto-dais schema parodyta 10 pav.

86

10 pav. Radiografinis metodas:

1 – rentgeno spindulių šaltinis; 2 – tuštuma (ertmė); 3 – tiriamas objektas; 4 – fotojuosta; 5 – patamsėjimo pasiskirstymas juostoje

Aprašytieji neardomosios kontrolės metodai konkrečioms deta-lėms arba bandiniams su defektais matuoti parenkami atsižvelgiant į detalės paskirtį, galimą trūkumą (plyšius, tarpus, intarpus, poras, tuš-tumas ir kitų galimų defektų padėtį, formą ir būklę).

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Matavimo priemonės

2.1.1. Slankmatis. 2.1.2. Liniuotė. 2.1.3. Didinamasis stiklas (lupa), miksroskopas. 2.1.4. Neardomosios kontrolės prietaisai: liuminescencinis, ult-

ragarsinis, sukūrinių srovių, magnetinis ir kt.

2.2. Bandiniai

Defektų matavimui pateikiami įvairūs bandiniai ir detalės su plyšiais ir įvairios formos bei dydžio defektais.

87

2.3. Bandymo atlikimo tvarka ir rezultatų apdorojimas

1. Išmatuojami (pagrindiniai matmenys) ir nubraižomi turimi bandiniai ir detalės.

2. Vizualiai apžiūrint bandinius ir detales, apytikriai nustatoma defekto vieta.

3. Išsiaiškinama, kaip laboratorijoje galima bus taikyti neardo-mosios kontrolės metodus ir parenkamas metodas skirtin-giems defektams matuoti.

4. Parinktu metodu nustatoma defektų padėtys ir dydžiai, paro-domi brėžinyje.

3. Laboratorinio darbo ataskaita

3.1. Trumpas darbo aprašymas. 3.2. Darbo rezultatai, grafinė dalis, išvados.

88

8. SUIRUSIŲ BANDINIŲ IR DETALIŲ TYRIMAS

Darbo tikslas: atlikti bandinių ir detalių suirimo sąlygų analizę, nu-statyti apkrovimo ir suirties pobūdį, lūžio sandaros požymius.

1. Teorinė dalis

Statinis, dinaminis ar ciklinis apkrovimas palieka pėdsakus de-formuojame konstrukcijos elemente. Pagal eksploatacinį (detalių) ir laboratorinį (bandinių) suirimą galima spręsti apie apkrovimo istori-ją, nustatyti lūžimo priežastis.

Paviršių, kurie susidaro suirus konstrukcijoms, analizė rodo, kad suirimo procesas mažai susijęs su medžiagų atsparumo, vientisumo ir vienalytiškumo prielaidomis. Yrant realioms konstrukcijoms susida-ro daug mikro- ir makroplyšių, besišakojančių ertmių ir plastiškai de-formuotų zonų. Makroplyšys ieško pažaidų ir silpnų taškų sistemos medžiagoje, kuri yra veikiama aplinkos, temperatūros ir kitų sudėtin-gų veiksnių, greitinančių arba lėtinančių irimo procesą. Atsparumo irimui teorija nėra visai aiški, tačiau bandoma klasifikuoti įvairiau-sius irimus:

1) plastinis trūkis, 2) trapusis trūkis, 3) nuovargis, 4) korozijos veikiamo elemento nuovargis, 5) įtemptojo elemento korozija, 6) valkšnumas. Visišką suirimą reikia suprasti kaip kūno išsiskyrimą į dalis, vei-

kiant mechaninėms apkrovoms normalioje, agresyviojoje, terminėje, radiacinėje arba kitokio poveikio aplinkoje.

Suirimas – bandinio (konstrukcijos elemento) laikomosios ga-lios praradimas, atsiradęs dėl neriboto plastinio tekėjimo (neriboto formos pasikeitimo) arba dėl laipsniško pažeidimų susikaupimo ir plyšio plitimo.

89

Tamprioji, arba plastinė, deformacija gali apimti visą kūną, o su-irimas vyksta lokalizuotoje kūno dalyje. Todėl didelę reikšmę turi medžiagos struktūra ir jos ydos nedideliame irimo proceso apimtame tūryje. Pagal suirimo makropaviršiaus orientavimą skiriami du pa-grindiniai irimo atvejai:

1) plyšimas – suirimo paviršius yra statmenas maksimaliems normaliniams įtempiams arba maksimalioms deformaci-joms;

2) kirpimas – suirimo paviršius yra lygiagretus su šlyties įtem-piu.

1 lentelėje pateikti pagrindiniai trapiosios ir tąsiosios suirties at-vejai priklausomai nuo apkrovimo pobūdžio. Kai kurie iš jų gaunami atliekant medžiagų mechanikos laboratorinius darbus. Kartais sunku atskirti plyšimą ir kirpimą, suirimo makropobūdis neatitinka mikro-pobūdžio. Irimo procesui didelės įtakos turi įvairiausi defektai. Jie atsiranda įvairiose gamybos stadijose ir eksploatacijos metu.

a b

1 pav. Konstrukcinės (realios, inžinerinės) medžiagos trūkiai: a – plastinės, b – trapios

Medžiagų mechanikos laboratoriniuose darbuose (minkštojo plieno tempimas, įvairių medžiagų gniuždymas, kirpimas) aptariami pagrindiniai suirimo atvejai pateikti 1 lentelėje.

90

1 lentelė. Pagrindiniai suirimo atvejai

Suirimo priežastis Suirties pobūdis Apkrovimas Deformacija

εmax Įtempiai

maxτ Plyšimas Kirpimas

Jei medžiaga būtų idealiai plastinė arba idealiai trapi, tai tem-

piant gautume plastinį arba trapųjį trūkį. Kadangi idealiai plastinių ir idealiai trapių medžiagų nėra, tai realios (konstrukcinės) plastinės medžiagos irimas vyksta esant ir trapumo požymių (1 pav.). Konst-rukcinių medžiagų plastiškumą apibūdina šie rodikliai:

δ – santykinis liekamasis bandinio ilgio pokytis; Ψ – santykinis liekamasis bandinio skerspjūvio ploto pokytis. Sąlygiškai skirstoma: • jei δ ≥ 6 %, Ψ ≥ 10 %, tai medžiaga plastinė; • jei δ ≤ 3 %, Ψ ≤ 6 %, tai medžiaga trapi.

91

1.1. Plastinis trūkis

Plastinį trūkį lydi žymios plastinės deformacijos. Jos pasireiškia ir nedideliame tūryje, būna mikroskopiško dydžio. Visos konstrukci-nės medžiagos netgi mikrolygiu yra nevienalytės (įvairūs intarpai, poros ir pan.). Kai medžiaga plastiškai deformuojama, apie kietąjį in-tarpą susidaro plyšiai, kurie plinta deformacijos kryptimi ertmėje tarp intarpo ir pagrindinio metalo masės. Nors iš pradžių medžiaga buvo beveik vienalytė, didėjant deformacijoms atsiranda daug mikroert-mių ir sąsajų. Tam tikru momentu dėl šlyties poveikio sąsajos suyra, o mikroertmės susijungdamos padidėja iki plyšio. Lūžyje matyti duobučių, kurios susidaro ertmių vietoje. Duobučių dugne galima ap-tikti šlako intarpų. Jos gali būti apskritimo arba elipsės formos pri-klausomai nuo to, kur ertmė susidarė: kūno gilumoje ar netoli jo pa-viršiaus, koks įtempių būvis tai lėmė. 2 pav. parodytos irimo stadijos, kurios gaunamos tempiant plieno bandinį.

2 pav. Plastinis trūkis: a – ertmių susidarymas; b – šlytis sąsajose; c – makroplyšis ir šlytis prie

bandinio paviršiaus; d – suiręs bandinys; e – bandinio vaizdas, atitinkantis makroplyšio susidarymą

92

1.2. Trapusis trūkis

Trapiajame trūkyje plastinių deformacijų nėra arba jos labai ma-žos. Plyšio didėjimas ir plyšimas vyksta statmenai normaliniams įtempiams. Iš lūžyje pastebimų skirtumų galima spręsti apie irimo pobūdį (3 pav.), kuris gali vykti dvejopai:

1) per kristalo vidų – grūdelinis, 2) tarpkristaliniais paviršiais – tarpgrūdelinis. Mikrolygiu pastebima ir didesnių skirtumų tarp jų, taip pat ir tą-

sumo požymių.

3 pav. Trapus trūkis:

a – grūdeliais, b – tarpgrūdelinis, c – bandinio lūžis

1.3. Nuovargis

Veikiant cikliškai pasikartojančiai apkrovai, suirtis gali būti to-kia, kaip parodyta 1, 2 pav. ir 1 lentelėje. Eksperimentiniais tyrimais įrodyta, kad lygiuose bandiniuose, jei įtempiai viršija takumo ribą,

93

iki tam tikro ciklų skaičiaus plastinėje medžiagoje deformacijos kau-piasi ir suirtis įvyksta, kaip ir statinio apkrovimo atveju, t. y. susidaro kakliukas. Tokia suirtis vadinama kvazistatine. Suminė liekamoji de-formacija suirimo metu yra ne mažesnė už plastinę deformaciją vienkartinio apkrovimo metu (irimo mechanizmas parodytas 2 pav.). Nežymiai sumažėjus įtempiams ir padidėjus ciklų skaičiui, pasireiš-kia nuovargio procesas.

Nuovargis – laipsniškas pažeidimų kaupimosi procesas, veikiant kartotiniams kintamiesiems įtempiams, dėl kurio sumažėja ilgalai-kiškumas, atsiranda plyšys, ir bandinys suyra. Nuovargio proceso metu plastinėje medžiagoje atsiranda ir plinta plyšys, kuris, pasiekęs kritinį dydį, sukelia likusios bandinio dalies atotrūkį.

Reiškiniai, vykstantys nuovargio proceso metu, matomi bandi-nio arba detalės lūžyje. 4 pav. parodytas bandinio su žiedine išpjova lūžis. Židinyje pradeda susidaryti plyšio užuomazgos. Kai yra toks koncentratorius, gali būti vienas ar keli židiniai, be to, plyšys gali įvairiai plisti. Manoma, kad jis visada pradeda plisti nuo paviršiaus – nuo išorinio kūno paviršiaus arba vidinio jo paviršiaus (tuštumos, in-tarpai, defektai). Tolesniam jo plitimui didžiausios įtakos turi me-džiagos savybės, kūno forma ir apkrovimo sąlygos.

4 pav. Lūžis

94

Bandinio su koncentratoriumi lūžyje stabilaus prieaugio sritis užima didelę paviršiaus dalį. Šioje srityje pastebimos nuovarginės li-nijos (rievės). Plyšiui pasiekus kritinį dydį, ties aštria jo viršūne susi-daro triašis įtempių būvis, stabdantis plastines deformacijas ir toles-nis jo plitimas yra staigus pagal vieną iš aprašytų mechanizmų. Lūžio sričių dydis priklauso nuo medžiagos savybių (plastinė ar trapi), įtempių kitimo intervalo, deformavimo tipo, medžiagos gebėjimo priešintis plyšio plitimui (irimo tąsumo) ir kitų veiksnių. Kiekvienoje nuovargio proceso stadijoje pasireiškia vienoks ar kitoks irimo me-chanizmas. Plyšio dydis yra klasifikuojamas, kaip parodyta 5 pav.

25 m austenitiniokristalo dydis

3 atstumas tarpatomų

2

2

5 pav. Plyšių klasifikacija

Plyšio susidarymą ir plitimą lemia deformavimo tipas, medžia-gos struktūra, apkrovimo lygis, detalės forma ir daugelis kitų veiks-nių. 2 ir 3 lentelėse parodyti būdingi plyšio plitimo dėsningumai pri-

95

klausomai nuo deformavimo tipo ar apkrovos lygio. Reikia pažymėti, kad šios lentelės neparodo visų galimų plyšio variantų.

2 lentelė. Plyšio plitimas cilindriniuose bandiniuose

Bandiniai Lygūs Su išpjova Lygūs Su išpjova

Nominaliniai įtempiai Apkrovimas

Dideli Maži

Tempimas

Pulsuojantis lenkimas

Kintamojo ženklo

lenkimas

Lenkimas ir sukimas

Medžiagos savybė priešintis nuovargiui yra patvarumas. Pri-

klausomai nuo deformavimo tipo kinta nuovargio (patvarumo) riba, kai ciklų skaičius 106–107:

• lenkiant uσ≈σ− 4,01 ;

• tempiant-gniuždant uσ≈σ− 28,01 ;

96

• sukant uσ≈τ− 22,01 ( uσ – stiprumo riba, uσ , 1−τ – simet-

rinio ciklo patvarumo riba).

3 lentelė. Plyšio plitimas stačiakampio skerspjūvio bandiniuose

Apkrovimas Lygus

bandinys Švelnus

koncentratorius Aštrus

koncentratorius

Maži įtempiai

Tempimas ir

gniuždymas

Pulsuojantis lenkimas

Kintamojo ženklo

lenkimas

Dideli įtempiai

Ciklinis tempimas ir gniuždymas

Pulsuojantis lenkimas

Kintamojo

ženklo

lenkimas

97

1.4. Korozijos veikiamo elemento nuovargis

Jeigu detalė, veikiama ciklinių apkrovų, patiria ir agresyviosios aplinkos poveikį, tai toks irimas vadinamas korozijos veikiamo ele-mento nuovargiu. Aplinka turi įtakos plyšio susidarymui ir jo plitimui.

Elektromechaniniai procesai paspartina plyšio susidarymą, pa-greitina jo plitimą. Detalių, pagamintų iš kai kurių legiruotųjų plienų, ilgalaikiškumas sumažėja keletą kartų, jeigu jų nuovargis vyksta ag-resyviojoje aplinkoje. Nuovargio (Vėlerio) kreivė turi asimptotinį pobūdį, o nuovargio veikiant korozijai kreivė visą laiką mažėja. Šiuo atveju nebėra patvarumo ribos.

Nuovargio ir nuovargio veikiant korozijai plyšys turi ne tik ben-drų bruožų, bet ir daug skirtumų. Abiem atvejais jie beveik tiesūs ir plinta pagal tarpgrūdelinį mechanizmą. Tačiau nuovargio veikiant korozijai plyšiai turi atsišakojimų ir gali atsirasti daugelyje vietų. Dažniausiai plyšio viršūnė būna ne tokia aštri kaip paprasto nuovar-gio atveju. Plyšys atbunka, jeigu eksploatacijos sąlygomis kartais ne-beveikia ciklinai įtempiai. Kai detalė cikliškai vėl apkraunama, ply-šio plitimas prasideda nuo bukosios viršūnės. Plyšio ertmė būna pripildyta korozijos atliekų.

1.5. Įtemptojo elemento korozija

Išorinių apkrovų poveikis pasikeičia, jeigu konstrukcijos ele-mentas yra veikiamas agresyviosios aplinkos. Tai yra įtemptojo ele-mento korozija. Irimo pradžioje atsiranda sunkiai aptinkamų plyšių. Jie pradeda plisti, nors įtempiai pastovūs. Tai kompleksinis procesas, kuriam įtakos turi medžiagos mechaninės savybės, aplinka ir defor-mavimo tipas. Agresyviosios aplinkos poveikis šiuo atveju yra le-miamas. Esant toms pačioms medžiagos mechaninėms savybėms ir apkrovimui irimo procesas detalėje nevyktų, jeigu nebūtų agresyvio-sios aplinkos poveikio.

Irimas gali būti grūdelinis ir tarpgrūdelinis. Grūdelinės korozi-jos atveju plyšys perkerta kristalą. Tarpgrūdelinės korozijos atveju plyšys eina kristalų paviršiumi. Didelę įtaką plyšiui susidaryti ir plisti

98

turi elektrocheminiai procesai. Esant tam tikroms sąlygoms vienu metu gali vykti grūdelinis ir tarpgrūdelinis irimas. Gali būti daug plyšių ir daug atsišakojimų. Plyšio formai didelės įtakos turi ir me-džiagos mikrostruktūra. Jo viršūnė būna aštri, o ertmėje nedaug ko-rozijos atliekų.

1.6. Valkšnumas

Valkšnumu vadinama medžiagos savybė laikui bėgant defor-muotis nuo to paties dydžio įtempių. Ilgainiui tas procesas intensyvė-ja ir sukelia trapią ar plastinę suirtį. Esant aukštoms temperatūroms, veikiant pastoviems įtempiams, gali susidaryti ir plisti dviejų tipų plyšiai:

• poringieji plyšiai (susidaro susijungiant tuštumoms); • kiliniai plyšiai (susidaro trijų kristalų aplinkoje). Valkšnumo procesas trunka ilgai, ir pastebėta, kad pavienės ert-

mės (tuštumos) atsiranda didesnių įtempių srityje arba ten, kur suma-žėjęs medžiagos plastiškumas, kadangi jos struktūrinės dalelės nėra vienalytės ir izotropinės. Be to, gamybos procese, pavyzdžiui, virin-tinėse jungtyse, susidaro sritys, kurių skirtingos mechaninės savybės.

1.7. Eksploatacinių lūžių sandaros analizė

Detalių ir konstrukcijų suirimas eksploatacijos metu turi specifi-nių požymių, kurie atspindi detalės formą, apkrovimo sąlygas, ele-mentų tarpusavio sąveiką medžiagos, struktūros defektus ir pan.

Fraktografinis suirusių detalų tyrimas yra pats svarbiausias meto-das irimo priežasčiai nustatyti, nes irimo pobūdis visada turi specifinių irimo mechanizmo požymių (trapusis, plastinis ir kt.). Tik reikia turėti omenyje, kad irimo pobūdis dažniausiai yra kompleksinis, t. y. me-džiaga patiria įvairias deformacijas ir aplinkos poveikį. Tačiau tarp de-talės irimo pobūdžio ir apkrovimo sąlygų yra ryšys ir jį nusako:

• irimo pobūdis; • plyšio susidarymo mechanizmas; • irimo paviršiaus reljefas.

99

Sąlygiškai klasifikuojant, visas kietųjų kūnų suirtis galima su-skirstyti į trapiąsias ir tąsiąsias. Dauguma trapiųjų lūžių mažesnėje ar didesnėje mikrojungtyje turi ir tąsumo požymių, o tąsieji lūžiai turi trapumo požymių.

Trapusis irimas – tai trapaus kūno dalijimasis, nesant plastinės deformacijos. Tąsusis irimas – tai kūno dalijimasis, esant plastinei deformacijai. Tačiau irimo procesas praktiškai nusakomas ne tik me-džiagos savybėmis: trapi ar plastiška, bet ir apkrovimo sąlygomis, ypač įtempių būviu. Pavyzdžiui, vienodo visomis kryptimis triašio įtempių būvio atveju plastiško kūno irimas visada bus trapusis.

Detalių lūžius galima suskirstyti pagal tam tikrus požymius. • trapusis lūžis – tai toks lūžis, kai irimo paviršius orientuotas

statmenai didžiausių normalinių įtempių veikimo krypčiai, o jo reljefas yra kristalinės arba grūdinės sandaros (blizgan-čių suskaldytų kristalitų ar jų briaunų derinys). 6 pav. paro-dytas plieninės detalės lūžis. Strėlėmis parodytas irimo pli-timas, kuris prasidėjo iš vieno židinio;

• tąsusis lūžis – tai toks lūžis, kai irimo paviršius orientuotas didžiausių tangentinių įtempių veikimo kryptimi ir jo relje-fui būdinga pluoštinė sandara (matinis kristalitų derinys). 6 pav. parodytas detalės lūžis. Vienkartinio apkrovimo metu dauguma konstrukcinių medžiagų suyra pagal tąsiojo irimo mechanizmą, t. y. susiliejant mikroertmėms. Lūžyje mato-mos duobutės ir matinis suirusių ir deformuotų kristalitų da-rinys;

• valkšnumo lūžis – tai toks lūžis, kai irimo paviršius patiria ilgalaikį poveikį (kartu su apkrova) ir susideda iš trijų ne-ryškių zonų: lėto irimo, greito irimo ir galutinio irimo. Pir-moji ir antroji zonos yra orientuotos statmenai didžiausių normalinių įtempių krypties. Pirmosios zonos reljefas grū-dėtas, antrosios – grūdėtas ir pluoštinis, o galutinio irimo zona yra pluoštinės sandaros. Detalės paviršiuje pastebimas plyšėjimas, kaip parodyta 7 pav.;

100

• terminio nuovargio lūžis – tai toks lūžis, kurį sukelia cikli-niai temperatūriniai įtempiai. Pagal susidarymą ir sandarą jis panašus į daugiaciklio nuovargio lūžį. Lūžiui būdinga: nuo vieno iki trijų susidarymo židinių, mažas plyšio didėji-mo zonos ilgis, oksidacija ir paviršiaus glotnumas (tarsi pa-viršius būtų aplydytas), nėra ryškai atskirų zonų, grūdėtos reljefo zonos. 8 ir 9 pav. parodytas terminio nuovargio lūžis ir medžiagos mikrostruktūra.

a

b c

6 pav. Tąsusis ir trapusis lūžiai:

a – plastiško plieno lūžis tempiant (kakliuko kraštuose pastebima šlytis 45° kampu); b – pluoštinis lūžis, atsiradęs plastiškojo grūdelinio irimo procese; c – plieninės detalės trapusis lūžis (lūžio detalės trapusis lūžis (lūžio židinys

viršuje kairėje)

101

7 pav. Valkšnumo plyšiai plieninės detalės paviršiuje, veikiant tempimo įtempiams σ = 250 MPa ir kai temperatūra 850 °C

8 pav. Turbinos disko paviršius: 1 – pradinio terminio plyšio zona; 2 – nuovargio plyšio didėjimo zona; 3 – galutinio lūžio zona

102

9 pav. Disko medžiagos mikrostruktūra lūžio pakraštyje ties terminiu plyšiu (rodyklėmis parodytos zonos, kuriose sumažėjęs legiruojančiųjų elementų

kiekis; padidinta ~500 kartų)

Nuovargio lūžis – tai toks lūžis, kai irimo paviršius yra orientuo-tas statmenai didžiausių įtempių krypties ir susideda iš trijų zonų: iri-mo židinio, laipsniško plyšio didėjimo ir galutinio lūžio. Irimo židi-nio zona turi smulkių kristalų reljefą; laipsniško plyšio didėjimo zonos reljefas yra kristalinis; galutinio lūžio zona yra kristalinės san-daros, turi trapumo;

• mažaciklio nuovargio (iki 100 000 ciklų) lūžis – toks lūžis, kai irimo paviršius orientuotas didžiausiems tempimo įtem-piams statmena kryptimi. Šio lūžio struktūra tokia pat kaip daugiaciklio nuovargio lūžio, tik paviršius ne toks glotnus, be to, neryški plyšio didėjimo zona ir labiau pastebimi plas-tinės deformacijos pėdsakai (ypač galutinio lūžio zonoje). 10 pav. parodyta įvairių detalių nuovargio lūžiai. Nuovargio slenksčiai ir rievės yra makroskopiniai įrimo požymiai. Jie parodo plyšio plitimo frontą ir siejami su plastine deforma-cija plyšio viršūnėje, plyšio plitimo greičio sumažėjimu ar-ba padidėjimu dėl vidinio arba išorinio poveikio;

103

• korozijos nuovargio lūžis – tai lūžis sukeltas daugkartinės korozijos. Pagal orientaciją ir sandarą jis analogiškas dau-giaciklio nuovargio lūžiui. Jam būdinga: daug židinių, ko-rozijos pažeidimai ir korozijos produktai, oksidacija, mažas nuovargio linijų ryškumas; ryški pirmoji nuovargio irimo stadija (nuovargio plyšio didėjimo trajektorija sudaro 450º kampą su svarbiausiais normaliniais įtempiais). 11 pav. pa-rodytas kniedės iš aliuminio lydinio lūžis. Plyšiai plinta grūdelių paviršiais, yra daug plyšio židinių. Kintamųjų įtempių įtaka pastebima atlikus mikroanalizę, nuovargio rievės sutampa su grūdelių briaunomis;

a b

c d

10 pav. Nuovargio lūžiai:

a, b – kakliuko, c – stebulės, d – ašies

104

a

b

11 pav. Korozijos nuovargio irimas:

a – plyšio plitimas tarpgrūdeliniais paviršiais; b – lūžio paviršius

• uždelstas trapusis lūžis – tai toks lūžis, kai irimo paviršius susi-deda iš dviejų uždelsto irimo ir galutinio lūžio zonų. Uždelsto irimo zona orientuota statmenai didžiausių tempimo įtempių krypties, jos sandara grūdinė ar kristalinė; galutinio lūžio zona iš pradžių sutampa su uždelsto irimo zona ir jos sandara plokščia. Uždelstas irimas pasireiškia vamzdžiuose, balionuose ir induose, veikiamuose vidinio spaudimo. 12 pav. parodytos detalės iš aliu-minio lydinio (Al; Zn; Mg; Cu) lūžis. Pirmojoje srityje (uždelsto

105

irimo) vyrauja tarpgrūdeli-nis irimas, tačiau tai patvir-tinti galima tik papildoma mikroanalize;

• korozijos lūžis – toks lūžis, kai irimo paviršius ilgą lai-ką yra veikiamas korozijos.

13 pav. parodytas ko-rozijos lūžis. Paprastai ko-rozijų plyšiai plinta tarpk-ristaliniais paviršiais. Ma-gistralinio plyšio paviršiuje matomi korozijos produk-tai, o antrinių plyšių pavir-šiuje tarpkristalitinės koro-zijos požymiai.

13 pav. Korozijos lūžio profilis. Viršuje matomas korozijos produktų sluoksnis. Antriniai plyšiai plinta tarpgrūdeliniais paviršiais

12 pav. Uždelstas trapusis lūžis

106

2. Eksperimentinė dalis

2.1. Matavimo įrankiai

2.1.1. Slankmatis, kurio matavimo tikslumas ne mažesnis kaip 0,1 mm. 2.1.2. Liniuotė. 2.1.3. Didinamasis stiklas (lupa), mikroskopas.

2.2. Bandiniai

Suirimo sąlygų analizei pateikiami įvairūs bandiniai, detalės ir lūžių nuotraukos.

Bandiniai arba detalės yra pagaminti iš plastiškų arba trapių me-džiagų, t. y. plieno, ketaus, spalvotojo metalo lydinių.

Nuotraukose (žr. priedą) parodyti suirę bandiniai, detalės arba tik lūžiai.

2.3. Lūžių analizės tvarka ir rezultatų apdorojimas

Praktiškai nagrinėjant detalių ir konstrukcijų elementų suirimo priežastis siūloma tokia analizės metodologija:

1. Suirimo sąlygų analizė ir fiksavimas: atskiras kiekvieno su-irimo nagrinėjimas, nustatant kuo didesnį skaičių galimų su-irimo sąlygų, naudojant suirusias detales, bandinius ir re-miantis įvairia informacine medžiaga.

2. Lokalizuotų suirimo zonų analizė, irimo pobūdžio ir apkro-vimo sąlygų ryšio nustatymas.

3. Išvadų formulavimas įvertinant subjektyvų požiūrį. Apžiūrint irimo paviršių vizualiai, naudojant optines priemones

ir įvairius prietaisus, galima nustatyti lūžio struktūrą, irimo proceso dėsningumus, irimo mechanizmą, kinetiką, struktūrinių ir technolo-ginių veiksnių įtaką irimui.

Nagrinėjant lūžius, labai svarbu gauti fraktografinę kokybinę ir kiekybinę informaciją. Iš dažniausiai paplitusių irimo rūšių reikia iš-skirti nuovargio suirimą – nagrinėti tokius medžiagos struktūros ir

107

nuovargio lūžio sandaros požymius, kurie bent apytikriai leistų nu-statyti tam tikras priežastis:

1. Kokie įtempiai (tempimo, lenkimo, sukimo, šlyties ar sudė-tingo deformavimo) lėmė visišką detalės suirimą?

2. Kokio dydžio (bent apytikriai) šie įtempiai? 3. Kur plyšio židinys, kokios plyšio atsiradimo priežastys, koks

aplinkos poveikis plyšio plitimui? 4. Koks kritinis plyšio dydis? 5. Kokie yra kritiniai įtempiai suirimo metu? Juos galima ap-

skaičiuoti remiantis papildoma literatūra arba kompaktinio bandinio su plyšiu statinio irimo aprašu.

3. Laboratorinio darbo ataskaita

3.1. Trumpas darbo aprašymas. 3.2. Darbo rezultatai, grafinė dalis, išvados.