Главная

Тема 3. Кратковременное нагружение

После решения задачи растяжения-сжатия стержня в курсах сопротивления материалов, как правило, рассматриваются результаты экспериментального изучения растяжения-сжатия — механические свойства материалов.

Вероятно, одним из первых, кто производил испытания материалов на растяжение, был Леонардо да Винчи. Он испытывал на растяжение проволоки различной длины, замеряя разрывающую силу и удлинение в момент разрыва. В его заметке «Испытание сопротивления железных проволок разных длин» приведен рисунок, иллюстрирующий это испытание.

IMG00004

Схема испытаний материалов на растяжение Леонардо да Винчи

 

Интересно отметить, что Леонардо да Винчи установил увеличение разрывающей силы с уменьшением длины испытуемой проволоки, что, очевидно, было проявлением масштабного эффекта.

Испытание материалов на растяжение производил также Г.Галилей. В книге [150], вышедшей в Лейдене в 1638г., он описал результаты произведенных им испытаний на растяжение. Г.Галилей установил, что сила, разрывающая стержень, пропорциональна площади его поперечного сечения и не зависит от длины.

Э.Мариотт также начал исследования по сопротивлению материалов с испытаний на растяжение. Он испытывал образцы из различных пород дерева и различных сортов бумаги [426].

Влияние различных способов термообработки на механические свойства проволоки было изучено Р.Реомюром, который построил одну из первых машин рычажного типа. Им же был изобретен метод измерения твердости путем замера углублений в двух треугольных призмах при вдавливании их одна в другую ребрами, расположенными под прямым углом, так что ребро одной призмы составляет одинаковые углы с гранями другой призмы. Результаты своих исследований Р.Реомюр изложил в нескольких мемуарах, представленных в Парижскую академию наук в 1720 — 1722гг., и в книге, вышедшей в 1722г. [470].

IMG00005

Схема испытаний материалов на растяжение П.Мушенбрука

IMG00006

Захваты для испытательной машины П.Мушенбрука

 

П.Мушенбрук построил машину для испытаний на растяжение тоже рычажного типа. Результаты испытаний П.Мушенбрука были опубликованы в его книге, вышедшей в свет в 1729г. [440]. Они были получены при испытании малых образцов, так как его машина позволяла доводить до разрушения только образцы малых размеров, и поэтому были подвергнуты критике Ж.Бюффоном. Он провел обширные исследования механических свойств древесины и установил, что дерево является резко неоднородным материалом и поэтому испытания образцов небольших размеров не дают представления о прочности деревянных конструкций. Результаты его исследований опубликованы в книге [331], вышедшей в свет в 1775г.

IMG00007

Испытательная машина на сжатие П.Мушенбрука

IMG00008

Испытательная машина на сжатие Э. Готэ

 

Э.Готэ сконструировал рычажную машину для испытаний на сжатие каменных материалов. Потребность в таких испытаниях возникла в связи с постройкой церкви св. Женевьевы в Париже. Эта машина была усовершенствована инженером Жаном Батистом Ронделе (Rondelet J.В., 1734 -1829), который заменил ось опорной призмой, тем самым, уменьшив трение в этом узле. Описание машины Ж.Ронделе приведено в его книге [474], первое издание которой вышло в 1812г.

IMG00009

Ж.Ронделе

Обширные исследования прочности каменных материалов были произведены инженером, одним из организаторов, первым и многолетним (в течение 47лет) директором основанной в 1747г. в Париже. Школы мостов и дорог Жаном Родольфом Перроне (PerronetJ.R., 1708 - 1794). Для испытания Ж.Перроне спроектировал реверсор, при помощи которого на прессе можно было производить испытания на растяжение.

IMG00010

Ж.Перроне

В книге [190] С.К.Котельникова, опубликованной в 1773г., дано определение предела прочности материала как отношения силы, разрывающей образец, к первоначальной площади его перечного сечения. Эта величина названа им «крепостью» материала. В книге приведены таблицы этой величины для различных металлов и пород дерева.

В работе Ш.Кулона, опубликованной в 1773г. [352], приведены результаты испытаний на растяжение и сжатие образцов песчаника.

Большое экспериментальное исследование растяжения стержня было выполнено Ф.Герстнером. В книге [369], вышедшей в 1831г., он изложил результаты экспериментального исследования растяжения рояльных струн и установил, что зависимость растягивающей силы F от удлинения имеет параболический характер:

где a и b постоянные. При малых удлинениях вторым слагаемым можно пренебречь, и тогда справедлив закон Гука. Ф.Герстнер сформулировал закон разгрузки, согласно которому уменьшение напряжений при разгрузке прямо пропорционально уменьшению деформаций, причем коэффициент пропорциональности тот же, что в начальной стадии нагружения (модуль упругости), т.е. разгрузка подчиняется закону Гука. Он также установил, что при вторичном нагружении напряжением того же знака пластические деформации возникают при напряжении, от которого производилась разгрузка, т.е. в результате нагружения за пределы пропорциональности границы справедливости закона Гука расширяются. Это дало возможность Ф.Герстнеру рекомендовать предварительно растягивать за пределы пропорциональности проволоку, предназначенную для использования в висячих мостах.

В России первая машина для испытаний на растяжение была построена в 1824г. по инициативе Г.Ламе на Петербургском механическом заводе Берда по заказу Главного управления путей сообщения. В то время Ламе был профессором Петербургского института корпуса инженеров путей сообщения. Вероятно, машина строилась без чертежей и была результатом творчества рабочих завода Берда.

IMG00012

Схема машины для испытания цепей висячих мостов Г.Ламе

 

Описание машины, предназначенной для испытания цепей висячих мостов (цепепробной машины), названной Г.Ламе сидерометром, дано в его статье [416] в 1825г. Нагружение образца производилось за счет движения поршня гидравлического насоса. Результаты испытаний, проведенных Г.Ламе, описаны в его мемуаре [417], опубликованном в 1826— 1827гг. Ламе заметил образование шейки при испытании образца на растяжение, а также нагрев образца при деформировании его за пределами пропорциональности.

IMG00013

П.Лагерхъелм

По проекту физика Пьера Лагерхъелма (LagerhjelmP., 1787—1856) в 1826г. была построена машина для испытаний на растяжение, подобная машине Г.Ламе. Экспериментальные исследования, проведенные на этой машине П.Лагерхъелмом, позволили установить [412], что модуль упругости железа является стабильной величиной, которая не зависит от технологических процессов изготовления металла и от его термической обработки, в то время как на пределы пропорциональности и прочности они оказывают сильное влияние. П.Лагерхъелм считал, что прочность железа прямо пропорциональна его пределу пропорциональности. Он установил также, что величины модуля упругости, полученные статическим и динамическим методами, совпадают и что плотность материала перед разрывом меньше, нежели до разрыва. Машина Лагерхъелма была использована механиком и инженером директором политехнического института в Стокгольме Кнутом Стиффе (StyffeК., 1824—1898) для исследования механических свойств железа и стали, применявшихся в железнодорожном строительстве в Швеции. В частности, он изучил влияние на механические свойства температуры в интервале от — 50до 200° С.К.Стиффе пользовался репутацией крупного специалиста в металлургии и механических свойствах материалов.

IMG00014

К.Стиффе

Дальнейшее развитие исследования растяжения и сжатия связано с организацией лаборатории механических испытаний. Вероятно, первая такая лаборатория была создана в России в 1853г. П.И.Собко в Институте инженеров путей сообщения.

В дальнейшем развитием этой лаборатории руководил Н.А.Белелюбский. Работы, проводимые этой лабораторией, обсуждались на международных конгрессах, но испытанию материалов.

За рубежом одной из первых лабораторий по испытанию материалов была частная лаборатория Дэвида Киркальди (KirkaldyD.), открытая в 1865г. в Лондоне.

IMG00015

Д.Киркальди

Д.Киркальди построил испытательную машину. На рисунке изображены образцы для испытаний на его машине. Результаты исследований, которые Д.Киркальди производил в течение трех лет с 1858по 1861гг., были изложены в его книге [407], опубликованной в 1862г.

IMG00016

Одна из первых частных лабораторий по испытанию материалов Д.Киркальди

IMG00017

Испытательная машина Д.Киркальди

IMG00018

Образцы для испытания на машине Д.Киркальди

 

Несовершенная измерительная техника того времени не позволила Киркальди получить диаграмму растяжения. Он определял только разрушающую нагрузку, остаточное удлинение и уменьшение площади поперечного сечения образца в момент разрыва. Однако и на основе этих испытаний им был сделан ряд интересных заключений. Киркальди установил, что остаточная деформация в момент разрыва зависит от отношения длины образца к его диаметру. Он сделал правильный вывод о том, что качество материала определяется не только его пределом прочности, но также и некоторой характеристикой пластичности, за которую Киркальди принимал остаточную деформацию или остаточное относительное сужение площади поперечного сечения образца в момент разрыва.

Диаграмму растяжения материала ввел Ж.Понселе в 1828—1829гг. [465]. Он считал ее важнейшей характеристикой материала и отметил, что площадь, ограниченная этой диаграммой и осью в определенном масштабе, равна отношению работы, необходимой для разрушения образца к его объему, и что в пределах пропорциональности эта работа равна

где E — модуль упругости, σ — напряжение в поперечном сечении, A — площадь поперечного сечения, l — длина стержня. Заметим, впрочем, что первая попытка изображать графически зависимость между силой, растягивающей образец, и его удлинением была сделана математиком и механиком Джакопо Франческо Риккати (RiccatiJ.F., 28.05.1676 — 15.04.1754) в 1721г. [472].

Однако реальное получение качественных диаграмм растяжения материала стало возможным только после того, как инженером А.Г.Гагариным был в 1895—1900гг. сконструирован и построен пресс, который долгое время был лучшей машиной для механических испытаний материалов. В 1896г. пресс был удостоен золотой медали на Всероссийской промышленной выставке в Нижнем Новгороде.

В Германии первая лаборатория испытания материалов была организована в 1871г. в Высшей технической школе г. Мюнхена (Германия) профессором механики этой школы И.Баушингером. Он приобрел машину для испытания материалов конструкции инженера Людвига Вердера (WerderL., 1808—1885). На этой машине, а также на других установках с помощью изобретенного И.Баушингером зеркального тензометра высокой чувствительности, описанного в статье в 1879г. [316], он проводил испытания образцов различных металлов на растяжение, сжатие, изгиб и кручение и экспериментально определял их модули упругости и коэффициенты Пуассона. Результаты своих исследований Баушингер публиковал в выходивших ежегодно сообщениях высшей технической школы в Мюнхене и других изданиях. По-видимому, Баушингер впервые определил понятие пределов упругости, пропорциональности и текучести и установил, что различие между пределами упругости и пропорциональности настолько невелико, что их можно считать совпадающими. И.Баушингер подтвердил установленное впервые Ф.Герстнером повышение предела пропорциональности материала после его предварительного нагружения за пределы пропорциональности, при повторном нагружении его напряжениями того же знака. Кроме этого, он установил и опубликовал в 1886г. [318], что при вторичном нагружении напряжениями обратного знака предел пропорциональности материала, наоборот, понижается по сравнению с величиной напряжения первичного нагружения, превышающего предел пропорциональности. Это положение известно в сопротивлении материалов как эффект Баушингера. Однако этот эффект впервые был экспериментально установлен Г.Видеманом при испытании образцов на кручение и изгиб и опубликован им в 1859г. в работах [499, 500], а затем Стиффе в 1866г. [484].

IMG00020

А.Мартенс

В том же 1871г. лаборатория по испытанию материалов была создана в Высшей технической школе в Берлине профессором А.Мартенсом (MartensА.), который в 1898и 1912гг. описал различные методы испытания материалов и используемые для этого машины и приборы в книге [427], два тома которой опубликованы в 1898и 1912гг.

IMG00021

Л. Тетмайер

IMG00022

К. Бах

В 1879г. были созданы лаборатории по испытанию материалов в Цюрихском политехническом институте профессором Людвигом Тетмайером (TetmajerL., 1850 — 1905) и в Высшей технической школе г. Штутгарта профессором этой школы по курсу деталей машин Карлом Бахом (BachК.).


e-mail: KarimovI@rambler.ru

Башкирский государственный аграрный университет

Кафедра теоретической и прикладной механики
450001, гфа, ул.50 лет Октября, д.34, корпус №3, ком.279/3

Рейтинг@Mail.ru Каталог-Молдова - Ranker, Statistics

Directrix.ru - рейтинг, каталог сайтов