Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
МЕХАНИКАМАТЕРИАЛОВ. МЕТОДЫИСРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ
Под редакцией В.Э. Вильдемана
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки 151600 «Прикладная механика»
Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений РФ по образованию
вобласти материаловедения, технологии материалов
ипокрытий в качестве учебно-методического пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров
150100 «Материаловедение и технологии материалов»
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2011
УДК 539.3+620.17.05] (0,75.8) ББК 22.251+30.3-3]я73
М55
Авторы:
В.Э. Вильдеман, А.В. Бабушкин, М.П. Третьяков, А.В. Ильиных, Т.В. Третьякова, А.В. Ипатова, С.В. Словиков, Д.С. Лобанов
Рецензенты:
академик РАН, д-р техн. наук В.П. Матвеенко (Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь);
проф., д-ра техн. наук: А.О. Чернявский, С.Б. Сапожников
(Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск); проф., д-р физ.-мат. наук Ю.В. Соколкин,
проф., д-ра техн. наук: Н.А. Труфанов, Ю.Н. Симонов, (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
М55 Механикаматериалов. Методыисредстваэкспериментальных исследований: учебное пособие / В.Э. Вильдеман [идр.]; под ред. В.Э. Вильдемана. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2011. – 165 с.
ISBN 978-5-398-00652-0
Изложены теоретические основы экспериментальной механики, включая элементы теории напряженно-деформированного состояния и модели механического поведения упругих, пластических и вязкоупругих материалов. Приведено описание современных электромеханических и сервогидравлических систем для испытания материалов, средств контроля и измерений. Представлен лабораторный практикум по исследованию механических свойств материалов на современном испытательном оборудовании.
Предназначено для преподавателей, специалистов в области прочности материалов и конструкций и студентов, изучающих дисциплины «Механика деформируемого твердого тела», «Механика материалов и конструкций», «Сопротивление материалов», «Расчеты на прочность и методы испытаний», «Основы инженерного и научного эксперимента» и др.
Учебное пособие подготовлено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплексаРоссиина2007–2012 годы» (государственныйконтракт№02.518.11.7135).
Издание осуществлено при финансовой поддержке Министерства промышленности, инноваций и науки Пермского края.
УДК 539.3+620.17.05] (0,75.8) ББК 22.251+30.3-3]я73
ISBN 978-5-398-00652-0 |
© ПНИПУ, 2011 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................... |
5 |
1. ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕХАНИКИ ............. |
7 |
1.1. Параметры напряженно-деформированного состояния ...... |
7 |
1.2. Модели механического поведения материалов .................. |
17 |
1.3. Основные механические характеристики материалов |
|
и методы их определения ..................................................... |
30 |
2. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯИСПЫТАНИЯ |
|
МАТЕРИАЛОВ .................................................................................... |
44 |
2.1. Общая характеристика современных |
|
испытательных комплексов ................................................. |
44 |
2.2. Электромеханическая испытательная система .................. |
59 |
2.3. Сервогидравлическая испытательная система ................... |
65 |
2.4. Двухосевая сервогидравлическая испытательная система ..... |
69 |
2.5. Электродинамическая испытательная система .................. |
76 |
2.6. Оборудование для термомеханического нагружения ........ |
78 |
3. СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ НАГРУЗОК И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, |
|
АНАЛИЗА ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ ........................................ |
85 |
3.1. Датчики нагрузок .................................................................. |
85 |
3.2. Датчики перемещений .......................................................... |
87 |
3.3. Видеоэкстензометр ............................................................... |
89 |
3.4. Оптический метод анализа полей деформаций. Состав |
|
и принцип работы цифровой оптической системы ............ |
93 |
4. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ, |
|
СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ .......................................... |
102 |
4.1. Программное обеспечение управления |
|
испытательными системами .............................................. |
102 |
4.2. Прикладное программное обеспечение Bluehill 2 ............ |
106 |
4.3. Прикладное программное обеспечение WaveMatrix ....... |
108 |
3
5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ |
|
МАТЕРИАЛОВ. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ .............. |
114 |
5.1. Испытание материалов на растяжение ............................. |
114 |
5.2. Испытание на кручение ...................................................... |
120 |
5.3. Испытание материалов при сложном напряженном |
|
состоянии ............................................................................. |
125 |
5.4. Анализ поля деформаций в области концентрации |
|
напряжений ......................................................................... |
132 |
5.5. Исследование характеристик усталостной |
|
долговечности ..................................................................... |
137 |
5.6. Исследование скорости роста усталостной трещины ...... |
146 |
5.7. Определение характеристик трещиностойкости .............. |
157 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................... |
162 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Проектирование конструкций и сооружений, создание новых материалов неотъемлемо от развития моделей механики деформируемого твердого тела, базирующихся на экспериментальных данных об основных закономерностях механического поведения материалов и их характеристиках.
История развития и в определенной степени современное состояние экспериментальных методов исследования свойств материалов отражены в фундаментальных изданиях [1, 2, 13, 24, 25]. Многим методическим вопросам экспериментальной механики материалов уделено внимание также в работах [10, 17, 20, 21, 23]. Крайне полезные рекомендации исследователямэкспериментаторам приведены в книге [4].
В настоящее время ведущие мировые производители обеспечивают интенсивное развитие высокоточных испытательных систем, методов и средств измерений, информационных систем управления и контроля в процессе испытаний, что определяет существенное расширение круга решаемых задач. В связи с этим представляется актуальной задача подготовки новых научных и методических изданий, отражающих современные возможности и достижения экспериментальной механики.
Представленное учебное пособие подготовлено коллективом авторов – сотрудников Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета. Центр был создан в рамках реализации национального проекта «Образование» с целью эффективного использования уникального комплекса современного оборудования для экспериментального исследования механических свойств материалов, проведения фундаментальных и прикладных исследований, повышения качества образования.
Целью настоящего издания является дополнение методического обеспечения программ подготовки специалистов, бака-
5