Методы определения прочности: разрушающий метод и неразрушающие методы контроля
Прочность – это способность материала, деталей машин, элементов строительных конструкций и т. д., сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим под действием внешней нагрузки. В данной статье обязательно ещё поговорим о внутренних напряжениях, как они определяются и какими должны быть, чтобы прочность материала, была обеспечена. В рамках данной статьи я расскажу более подробно о том, что такое прочность, какие существуют виды и способы расчёта на прочность при простейших видах деформации: растяжении и сжатии, кручении и изгибе. Расскажу о понятии – «коэффициент запаса прочности». Дам информацию по теориям прочности и современным способам расчёта деталей и конструкций на прочность с помощью ЭВМ, в частности, программных продуктов для решения инженерных задач CAE.
Что такое прочность?
Ответ на этот вопрос неоднозначен и нужно рассмотреть несколько аспектов, чтобы понять ее природу. Прежде всего, это свойство твердого тела, характеризующее его способность противодействовать разрушению, под действием внутренних напряжений, возникающих от действия внешней нагрузки.
Природа прочности в физическом понимании, основана на силе микро взаимодействия между атомами и ионами, из которых состоит любой элемент и обусловлена не столько самим материалом, сколько типом напряжения, воздействующего на него (растяжение, изгиб, сжатие или кручение), а также условиями эксплуатации (температура, влажность).
При проведении испытаний на статические нагрузки, прочность измеряется тестированием шаблонных образцов (прямоугольной или круглой формы) с построением диаграммы, которая показывает зависимость напряжения и деформации образца. При построении такого графика определяются важные прочностные характеристики материала: предел текучести, предел упругости и предел прочности (временное сопротивление).
Специальные расчеты, такие, как выявление предельных напряжений под влиянием постоянных нагрузок, и расчет усталостной нагрузки под воздействием циклических нагрузок, показывают насколько прочен определенный материал.
Существует понятие общей прочности, которое означает устойчивость к разрушению всей системы связей, в целом. Ее нарушение приводит к поражениям различного рода, характер их может иметь хрупкую или вязкую природу. При хрупкости, любая поверхность теряет свою целостность, появляются надломы, трещины. При вязких состояниях поверхность натягивается, имеет вяжущую структуру. Наиболее прочные структуры имеют минимальные показатели пластичности и вязкости, хотя на эти свойства может оказывать серьезное влияние температурный режим, например, при более низких температурах некоторые сплавы металлов становятся более прочными.
Методы определения прочности материалов
На практике применяют два метода определения прочности изделий, с их помощью осуществляется контроль качества как отдельных элементов, так и уже готовых конструкций.
Разрушающий метод
Разрушающий метод — обнаружение предельно допустимых базовых способностей объекта, с применением испытаний на контрольных образцах, до абсолютного разрушения последних. Проводится данное тестирование путем выделения ряда образцов, произведенных по аналогичной технологии и из тех же составляющих компонентов, отбор производится как из готового сооружения или изделия, так и специально изготавливается для тестирования.
Такой метод обладает наибольшей достоверностью и результаты, полученные при его выполнении максимально, подлинно отражают физические свойства материала, но на практике такой анализ требует дополнительных затрат и не всегда имеется возможность его провести.
Неразрушающие методы контроля
Второй способ — это неразрушающие испытания, которые позволяют сохранить рабочие характеристики объектов в неизменном виде, без каких-либо конструктивных изменений, что удобно при инспекции готовых конструкций.
Неразрушающие методики основаны на определении параметров, но только косвенным образом, и проводятся несколькими способами:
Капиллярный
Производится капиллярное проникновение жидкостей или газов в полости исследуемых элементов, затем регистрируются индикаторные следы либо при помощи преобразователя, либо визуально. Таким образом, обнаруживаются поверхностные и сквозные дефекты, однако, это требует больших временных затрат, особенно при тщательных осмотрах поверхности с применением инструментов увеличения (дефектоскопа).
Механическая проверка
Существует несколько вариантов осуществления анализа локальных разрушений объекта — это отрыв со скалыванием, ультразвуковое анализирование, воздействие ударного импульса, упругий отскок, пластическая деформация. Каждый способ проверки обладает как достоинствами, так и ограничениями в применении. Единственный эталонный и для которого в ГОСТе закреплены градуированные зависимости — это метод отрыва со скалыванием, в основном, он применяется для бетона.
Магнитный (магнитопорошковый)
Применяется магнитный индикатор для конструкций, изготовленных из сталей ферромагнитного типа, ограничен формой плоскости намагничивания и не может использоваться для неферромагнитных соединений.
Акустический — резонансный
Определяет колебания упругости образца и частоту продольных или изгибных колебаний, основной плюс такой проверки — это обнаружение дефектов, находящихся еще только в стадии развития (от десятых долей миллиметра), но для качественного проведения такого изучения необходимо дорогостоящее оборудование.
Радиационный
Проводится рентгеновским аппаратом, в основном используется для установления внутренних деформаций соединений, которые получены посредством сварки (непровары, поры, шлаковые включения, трещины).
Тепловой
Делается с помощью тепловизора, выявляются места проходимости тепла, протечек, нарушений изоляционных покрытий, участков нагрева электрических контактов, но на корректность измерений влияют погодные условия, при проведении не всегда удается исключить такие влияния.
Вихретоковый
Используется вихретоковый дефектоскоп, обнаруживает поверхностные повреждения и изъяны, находящиеся на небольших глубинах (глубина -1 – 4 мм), но ограниченно, только в токопроводящих изделиях.
Оценивая все вышеописанные методики, можно сделать вывод, что прочность должна измеряться способом, наиболее подходящим к конкретному исследуемому объекту и при обязательном учете влияния факторов внешней среды, в которой он эксплуатируется.
Важнейшая задача современных производств — это улучшение прочности любых конструкций, она решается включением легирующих элементов в сплавы, радиоактивным облучением, использованием армирующих и композиционных материалов, термической и механической обработкой.
