Испытание на растяжение , также известное как испытание на растяжение , [1] представляет собой фундаментальное испытание в области материаловедения и техники , при котором образец подвергается контролируемому растяжению до разрушения. Свойства, которые непосредственно измеряются посредством испытания на растяжение, — это предельная прочность на разрыв , прочность на разрыв , максимальное удлинение и уменьшение площади. [2] На основе этих измерений также можно определить следующие свойства: модуль Юнга , коэффициент Пуассона , предел текучести и характеристики деформационного упрочнения . [3] Испытание на одноосное растяжение чаще всего используется для получения механических характеристик изотропных материалов. Некоторые материалы подвергаются испытаниям на двухосное растяжение . Основное различие между этими испытательными машинами заключается в том, как нагрузка прикладывается к материалам.
Испытание на растяжение может преследовать различные цели, например:
Подготовка образцов для испытаний зависит от целей испытаний и основного метода испытаний или технических условий . Растягиваемый образец обычно имеет стандартизированное поперечное сечение образца. Он имеет два плеча и калибр (секцию) между ними. Плечи и секция захвата обычно на 33% больше калибра [4] , поэтому их можно легко захватывать. Меньший диаметр измерительной секции также допускает возникновение деформации и разрушения в этой области. [2] [5]
Плечи испытуемого образца могут быть изготовлены различными способами для соединения с различными захватами испытательной машины (см. изображение ниже). Каждая система имеет преимущества и недостатки; например, плечи, предназначенные для зубчатых захватов, просты и дешевы в изготовлении, но выравнивание образца зависит от навыков техника. С другой стороны, штифтовая рукоятка обеспечивает хорошее выравнивание. Уступы и захваты с резьбой также обеспечивают хорошее выравнивание, но техник должен знать, что каждое плечо ввинчивается в захват на длину, по крайней мере, на один диаметр, иначе резьба может сорвать до того, как образец сломается. [6]
В крупные отливки и поковки обычно добавляют дополнительный материал, который предназначен для удаления из отливки и изготовления из него испытательных образцов. Эти образцы не могут точно отражать всю заготовку, поскольку структура зерен может быть разной. При изготовлении заготовок меньшего размера или при необходимости испытания критически важных частей отливки заготовкой можно пожертвовать для изготовления образцов для испытаний. [7] Для заготовок, изготовленных из прутка , образец для испытаний может быть изготовлен из той же детали, что и пруток.
Для мягких и пористых материалов, таких как электропряденые нетканые материалы из нановолокон, образец обычно представляет собой полоску образца, поддерживаемую бумажной рамкой, чтобы облегчить ее установку на машине и избежать повреждения мембраны. [8] [9]
Повторяемость испытательной машины можно определить, используя специальные испытательные образцы, тщательно изготовленные так, чтобы они были как можно более похожими. [7]
Стандартный образец изготавливают круглого или квадратного сечения по расчетной длине, в зависимости от используемого стандарта. Оба конца образцов должны иметь достаточную длину и такое состояние поверхности, чтобы их можно было надежно удерживать во время испытания. Начальная расчетная длина Lo стандартизирована (в нескольких странах) и варьируется в зависимости от диаметра (Do) или площади поперечного сечения (Ao) образца, как указано в списке.
В следующих таблицах приведены примеры размеров и допусков образцов для испытаний в соответствии со стандартом ASTM E8.
Испытания на растяжение чаще всего проводятся в лаборатории по испытанию материалов. ASTM D638 является одним из наиболее распространенных протоколов испытаний на растяжение. ASTM D638 измеряет свойства пластмасс на растяжение, включая предел прочности на разрыв, предел текучести, удлинение и коэффициент Пуассона.
Наиболее распространенной испытательной машиной, используемой при испытаниях на растяжение, является универсальная испытательная машина . Этот тип машины имеет две траверсы ; один регулируется по длине образца, а другой приводится в действие для приложения напряжения к испытуемому образцу. Испытательные машины бывают электромеханическими или гидравлическими . [5]
Электромеханическая машина использует электродвигатель, систему редуктора и один, два или четыре винта для перемещения траверсы вверх или вниз. Диапазон скоростей траверсы может быть достигнут путем изменения скорости двигателя. Скорость траверсы и, следовательно, скорость нагрузки можно контролировать с помощью микропроцессора в сервоконтроллере с обратной связью. Гидравлическая испытательная машина использует поршень одинарного или двойного действия для перемещения крейцкопфа вверх или вниз. Также доступны системы тестирования с ручным управлением. Ручные конфигурации требуют, чтобы оператор регулировал игольчатый клапан, чтобы контролировать скорость загрузки. Общее сравнение показывает, что электромеханическая машина способна работать в широком диапазоне испытательных скоростей и на большие перемещения траверсы, тогда как гидравлическая машина является экономичным решением для создания больших усилий. [11]
Машина должна обладать соответствующими возможностями для тестируемого образца. Существует четыре основных параметра: мощность силы, скорость, точность и аккуратность . Под грузоподъемностью подразумевается тот факт, что машина должна быть в состоянии создать достаточную силу для разрушения образца. Машина должна иметь возможность прикладывать усилие достаточно быстро или медленно, чтобы правильно имитировать фактическое приложение. Наконец, машина должна иметь возможность точно и точно измерять расчетную длину и приложенные силы; например, большая машина, предназначенная для измерения больших удлинений, может не работать с хрупким материалом, который испытывает небольшое удлинение перед разрушением. [6]
Выравнивание испытуемого образца в испытательной машине имеет решающее значение, поскольку, если образец смещен, либо под углом, либо смещен в одну сторону, машина будет оказывать на образец изгибающую силу. Это особенно плохо для хрупких материалов, поскольку резко искажает результаты. Эту ситуацию можно свести к минимуму, используя сферические седла или U-образные соединения между захватами и испытательной машиной. [6] Если начальная часть кривой растяжения изогнута и не является линейной, это указывает на то, что образец в испытательной машине смещен. [12]
Измерения деформации чаще всего проводятся с помощью экстензометра , но тензорезисторы также часто используются на небольших испытуемых образцах или при измерении коэффициента Пуассона . [6] Новые испытательные машины оснащены цифровыми системами измерения времени, силы и удлинения, состоящими из электронных датчиков, подключенных к устройству сбора данных (часто компьютеру) и программному обеспечению для управления и вывода данных. Тем не менее, аналоговые машины продолжают соответствовать и превосходить требования ASTM, NIST и ASM к точности испытаний металлов на растяжение, продолжая использоваться и сегодня. [ нужна цитата ]
Процесс испытаний включает в себя помещение испытуемого образца в испытательную машину и медленное его растяжение до тех пор, пока он не сломается. Во время этого процесса удлинение измерительной секции регистрируется в зависимости от приложенной силы. Данные обрабатываются таким образом, чтобы они не зависели от геометрии тестового образца. Измерение удлинения используется для расчета инженерной деформации ε по следующему уравнению: [ 5]
где Δ L – изменение расчетной длины, L 0 – начальная расчетная длина, а L – конечная длина. Измерение силы используется для расчета инженерного напряжения σ по следующему уравнению: [5]
где F — растягивающая сила, А — номинальное поперечное сечение образца. Машина выполняет эти расчеты по мере увеличения силы, так что точки данных можно отобразить в виде кривой растяжения-деформации . [5]
При работе с пористыми и мягкими материалами, такими как электропряденые нановолокнистые мембраны, применение приведенной выше формулы напряжения проблематично. Толщина мембраны действительно зависит от давления, приложенного во время ее измерения, что приводит к переменному значению толщины. Как следствие, полученные кривые растяжения демонстрируют высокую изменчивость. В этом случае для получения надежных результатов растяжения рекомендуется нормировать нагрузку по массе образца, а не по площади поперечного сечения (А). [13]
Испытание на растяжение можно использовать для проверки ползучести материалов, медленной пластической деформации материала от постоянных приложенных напряжений в течение длительных периодов времени. Ползучести обычно способствуют диффузия и движение дислокаций. Хотя существует множество способов проверки ползучести, испытания на растяжение полезны для таких материалов, как бетон и керамика, которые по-разному ведут себя при растяжении и сжатии и, следовательно, обладают разными скоростями ползучести при растяжении и сжатии. Таким образом, понимание ползучести при растяжении важно при проектировании бетона для конструкций, испытывающих напряжение, таких как резервуары для хранения воды, или для общей структурной целостности. [14]
Испытание на ползучесть на растяжение обычно повторяет тот же процесс испытаний, что и стандартное испытание, хотя обычно при более низких напряжениях, чтобы оставаться в области ползучести, а не пластической деформации. Кроме того, специализированное оборудование для испытаний на ползучесть при растяжении может включать в себя встроенные компоненты высокотемпературной печи для облегчения диффузии. [15] Образец выдерживается при постоянной температуре и натяжении, а деформация материала измеряется с помощью тензодатчиков или лазерных датчиков. Измеренную деформацию можно аппроксимировать уравнениями, описывающими различные механизмы ползучести, такие как степенная ползучесть или диффузионная ползучесть ( дополнительную информацию см. в разделе ползучесть ). Дальнейший анализ можно получить, исследуя образец после разрушения. Понимание механизма и скорости ползучести может помочь в выборе материалов и проектировании.
Важно отметить, что выравнивание образца важно для ползучести при испытаниях на растяжение. Нецентрированная нагрузка приведет к тому, что к образцу будет приложено изгибающее напряжение. Изгиб можно измерить, отслеживая деформацию со всех сторон образца. Тогда процент изгиба можно определить как разницу между деформацией на одной стороне ( ) и средней деформацией ( ): [16]
Процент изгиба должен быть менее 1 % на более широкой стороне нагруженных образцов и менее 2 % на более тонкой стороне. Изгиб может быть вызван несоосностью нагрузочного зажима и асимметричной обработкой образцов. [16]
