Краткая характеристика физико-механических методов определения показателей качества

Физико-механические методы наиболее часто применяются для определения прочностных свойств материалов — твердости, предела прочности, износостойкости материалов и др.

Эти методы, как правило, основаны на приложении к образцам внешних механических усилий и измерении работы, затрачиваемой на деформирование или разрушение образца.

Механические методы определения показателей качества товаров основаны на применении специальных технических средств (измерительных инструментов, приборов, установок). Эти методы используются для исследования предела прочности материалов из кожи, меха, полимеров, резины, металлических сплавов; твердости металлических сплавов, лакокрасочных пленок, глазурей; износостойкости кож, тканей и др.

Испытание материалов (тканей, волокон, полимерных пленок, кож, изделий из металлов и сплавов) на растяжение материала позволяет определить:

• — упругость — способность материала изменять форму и размеры под действием нагрузки и возвращаться в исходное состояние после снятия этой нагрузки;
• — пластичность — способность материала приобретать необратимые деформации под действием нагрузки и сохранять их после ее снятия;
• — прочность — способность материала сопротивляться приложенным нагрузкам без разрушения.

Рис. 10.2. Образец для испытания на растяжение металла.

L0 — длина рабочей части образца; (d0 — диаметр рабочей части образца; F0 — площадь поперечного сечения рабочей части образца; l0/d0 = 5/10 — соотношение при испытании.

При испытании на растяжение металлов используют специально подготовленные образцы (рис. 10.2, 10.3).

В ходе испытания головки образца зажимают в захватах нагружающей (разрывной) машины и образец нагружают возрастающим усилием Р до разрыва.

Удлинение образца, возникшее из-за приложения нагрузки, измеряют в рабочей части образца:

(57).

где l — длина рабочей части образца под действием усилия; /0 — начальная длина рабочей части образца;? = P/F0 кгс/см2.

Удлинение относительной деформации (?).

(58).

Механическим методом испытаний является метод определения твердости по Бриннелю.

Твердость — способность материала сопротивляться внедрению в пего инородного тела при статическом вдавливании.

Метод, иллюстрируемый на рис. 10.4, основан на вдавливании в плоскую поверхность образца круглого наконечника заданного диаметра D = 2,5; 5; 10 мм.

Рис. 10.3. Диаграммы растяжения металлов (зависимость относительного удлинения от предела прочности и абсолютного удлинения от нагрузки).

?пц — предел пропорциональности — максимальное напряжение, до которого материал деформируется упруго; ?0,2 — условный предел текучести — максимальное напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2%; ?? — физический предел текучести — максимальное напряжение, при котором происходит значительная пластическая деформация при постоянном усилии; ?? — предел прочности (временное сопротивление) — максимальное напряжение, выдерживаемое материалом до разрушения.

Испытание твердости методом вдавливания стального закаленного твердого шарика основывается на измерении величины местной деформации в испытуемом материале.

В этом случае твердость (статическая) определяется вдавливанием твердого шарика определенного диаметра (D = 2,5; 5; 10 мм) соответствующим грузом (Р = 187,5; 750; 3000 кг) при статическом приложении нагрузки (в течение 15 с при последующей выдержке 30 с). В зависимости от твердости материала размеры вмятины, получающейся при вдавливании стального шарика (данного диаметра при соответствующей нагрузке), будут различны, что устанавливается измерением величин d и h.

Рис. 10.4. Метод определения твердости металлов и сплавов.

Твердость рассчитывается на основе площади полученного отпечатка по формуле.

(59).

где d — диаметр отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в поверхность конического индентора (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Прибор для определения твердости по Роквеллу.

Индентор нагружается усилием Р0 для обеспечения контакта с образцом.

О твердости образца судят по глубине отпечатка конуса.

В методе Роквелла существует три шкалы, которые отличаются усилием, прикладываемым к индентору, и типом индентора: шкала «В» индентор — шарик, шкалы «А» и «С» — конусы.

Метод пригоден для измерения твердости образцов только большой толщины (из-за больших нагрузок); непригоден для измерения твердости материалов с неоднородной структурой.

Метод определения твердости по Виккерсу (HRV) (рис. 10.6) основан на вдавливании индентора в форме прямоугольной пирамиды с силой от 9,8 до 1900 Н в исследуемых образцах.

(60).

где k — размерная константа; Р — усилие вдавливания; D — диагональ отпечатка.

Благодаря изменению нагрузки (Р) метод Виккерса обеспечивает измерение твердости материалов в широком диапазоне, в том числе и для тонких образцов. Однако, методом Виккерса невозможно измерение твердости материалов с неоднородной структурой.

Рис. 10.6. Метод определения твердости по Виккерсу — вид отпечатка сверху.

Определение твердости методом царапания основано на использовании карандашей твердости, изготовленных в соответствии с минералогической шкалой Мооса (табл. 10.1).

Таблица 10.1

Шкала твердости Мооса

Метод определения ударной вязкости материалов проиллюстрирован на рис. 10.7.

Вязкость — способность материала поглощать энергию развивающейся в ней трещины. Чем выше вязкость, тем меньше скорость роста трещины.

Ударная вязкость КС (Дж/м2) рассчитывается по формуле.

КС = Еразр / Fизл (61).

где Eразр — энергия, необходимая для разрушения образца;

Е = mg (H — h); Fизл — площадь поверхности излома.

Рис. 10.7. Метод определения ударной вязкости материалов.

Методы определения прочности материалов при сжатии отражены в табл. 10.2.

Например, при определении прочностных свойств строительных материалов определяют предел прочности на сжатие Rсж (МПа):

(62).

где Р_разр — давление разрушающей силы; F — площадь поперечного сечения образца.

В таблице систематизированы характерные образцы, применяемые для определения предела прочности строительных материалов при сжатии.

Методы определения износостойкости материалов к внешнему механическому износу основаны на определении сопротивления материала истиранию.

Для различных материалов используются приборы разных конструкций для истирания исследуемых образцов, причем в качестве истирающих абразивных поверхностей используют металлические сплавы (сталь, бронзу), карборунд, наждачную бумагу, ткани и др.

Сопротивление материалов внутреннему износу определяют на основании данных, получаемых при установлении механических свойств материалов, и дополнительными исследованиями путем применения многократных нагрузок (многократного растяжения, сжатия, изгиба и проч.).

Стойкость материалов и изделий к износу при физико-химических воздействиях устанавливается путем изучения физико-химических свойств и специальных исследований материалов, подвергаемых различным воздействиям с последующим определением изменений названных свойств — прочности, удлинения, сопротивления истиранию и др.

Таблица 10.2

Стандартные методы определения прочности строительных материалов на сжатие

Образец.	Эскиз.	Расчетная формула.	Материал.	Размер стандартного образца, см.
Куб.			Бетон Раствор	10×10×10; 15×15×15; 20×20×20; 7,07×7,07×7,07
			Природный камень.	5 х 5×5 и др.
Цилиндр			Бетон.	d = 15; h = 30.
			Природный камень.	d=k=5; 7; 10; 15.
Призма.			Бетон.	а = 10; 15; 20. h = 40; 60; 80.
			Древесина.	а = 2; h = 3;
Составной образец.			Кирпич.	а = 12; b = 12,3; h=14.
Половина образца-призмы, изготовленной из цементно-песчаного раствора.			Цемент.	а = 4; S = 25 см2.
Проба щебня (гравия) в цилиндре.			Крупный заполнитель для бетона.	d = 15; k = 15.

При определении износостойкости изделий в эксплуатации учитывается, что на нее будет влиять не только материал и его свойства, но и конструкция изделия. Например, неправильная конструкция одежды и обуви помимо того, что она вызывает неудобства при ношении, провоцирует быстрый износ или даже полное разрушение изделий в начальной стадии носки.

Для исследования безопасности, обусловленной физико-механическими показателями материалов и конструкции товара, проводятся испытания на готовых изделиях.

Так, транспортные средства испытывают по прочностным показателям на заводах-изготовителях, проектно-конструкторских бюро, международным некоммерческим объединением EURO NCAP (European New Саг Assessment Programme) и другими подобными организациями (рис. 10.8).

В процессе испытаний определяют деформации автомобиля, напряжения на деталях кузова и манекене, характер травм манекена-водителя и манекенов-пассажиров при столкновении с препятствиями и боковыми ударами автомобиля. Направления ударных нагрузок, форма и размер поверхностей столкновения имитируют наиболее распространенные дорожно-транспортные происшествия. Испытания на столкновение с 40% перекрытия барьерного препятствия проводятся на скорости 64 км/ч. Боковые столкновения имитируют ударом вагонетки шириной 1,5 м на скорости 50 км/ч в неподвижный автомобиль в бок со стороны водителя. Имитация бокового удара в столб проводится при боковом движении автомобиля со скоростью 29 км/ч и ударяется о твердый столб диаметром 254 мм.

Механические методы используются для определения показателей комфортабельности мебели при этом устанавливается мягкость, податливость, общая деформация элементов. При проведении испытаний к мягким элементам мебели для сидения и лежания прикладывают нагрузку (3; 5; 15; 70 даН) с помощью нажимного диска, измеряют деформацию элементов и рассчитывают податливость и равномерность усадки мягких элементов. На образец помещают нажимной диск так, чтобы геометрический центр его опорной поверхности совпадал с одной из контрольных точек.

Мягкость мягких элементов мебели характеризуют податливостью и общей деформацией под нагрузкой 70 даН.

Максимальная оценка за фронтальные и боковые столкновения — 37 баллон.

Имитация фронтального столкновения.

Максимальная оценка — 16 баллов — соответствует 100-процентной защите при данных условиях испытаний Удар со смещением о деформируемый барьер происходит на скорости 64 к. м/ч.

Имитация боковых столкновений

Столкновение со столбом в зоне центральной стойки на скорости 29 км/ч.

Столкновение с барьером в зоне боковых дверей происходит на скорости 50 км/ч.

Рис. 10.8. Испытания легковых автомобилей EURO NCAP.

Максимальная оценка — 16 или 18* баллов (* дополнительные 1−2 балла — при наличии надувных шторок безопасности).

Податливость (П), мм · даН-1, вычисляют с округлением результата до десятичного знака по формуле.

(63).

где Н5 и H15 — соответствующие высоты образца под нагрузкой 5 и 15 даН, мм.

Общую деформацию элемента (D) в миллиметрах, определяемую под нагрузкой 70 даН, вычисляют с округлением до целого числа по формуле.

(64).

где Н3 — начальная высота образца под нагрузкой 3 даН, мм; Н70 - высота образца иод нагрузкой 70 даН, мм.

Для определения многих показателей качества непродовольственных товаров используются комбинированные методы. Например, при определении функциональных показателей стиральных машин — эффективности отстирывания образцы тканей предварительно загрязняют модельными загрязнителями, затем стирают и фотометрическим методом определяют исходную белизну тканей, белизну загрязненных тканей и отстиранных.

Краткая характеристика микробиологических методов определения показателей качества товаров

Микробиологические методы применяются для определения гигиенических свойств товаров; исследования процессов, проходящих при хранении товаров в различных условиях. Они основаны на измерении интенсивности развития микроорганизмов в зависимости от количества определяемого вещества.

Интенсивность развития (роста) микроорганизмов устанавливают по числу и диаметру выросших колоний микроорганизмов, по интенсивности помутнения питательной среды (с использованием метода нефелометрии), по количеству образовавшейся молочной кислоты (с использованием алкалиметрического метода), по высушенной массе выросших микроорганизмов (с использованием гравиметрии).

К основным недостаткам микробиологических методов относят высокую трудоемкость и продолжительность измерений, низкую чувствительность.