Испытание на растяжение

Испытание на растяжение , также известное как испытание на растяжение , ^[1] Это фундаментальное испытание в области материаловедения и инженерии , в ходе которого образец подвергается контролируемому напряжению 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 деформационного упрочнения . характеристики ^[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.

Цели испытаний на растяжение

Испытание на растяжение может преследовать различные цели, например:

Выберите материал или изделие для применения
Прогнозируйте, как материал будет вести себя при использовании: нормальные и экстремальные нагрузки .
Определите, выполняются ли или проверьте, что требования спецификации , нормативного акта или контракта выполнены.
Решите, разработки нового продукта реализуется ли программа
Продемонстрировать доказательство концепции
Продемонстрировать полезность предлагаемого патента
Предоставлять стандартные данные для других научных, инженерных функций и обеспечения качества . функций
Обеспечить основу для технической коммуникации
Предоставить технические средства сравнения нескольких вариантов
Предоставление доказательств в судебном процессе

Растяжимый образец

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, чем измерительная секция. ^[4] чтобы их можно было легко захватить. 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 критических 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]

Различные формы уступов для образцов, подвергающихся растяжению. Клавиши от A до C предназначены для круглых образцов, а клавиши D и E — для плоских образцов. Ключ:

A. Резьбовой уступ для использования с резьбой.
B. Круглый выступ для использования с зубчатыми ручками.
C. Торцевой выступ для использования с разрезным воротником.
D. Плоский выступ для использования с зубчатыми ручками.

E. Плоское плечо со сквозным отверстием для штифтового хвата.

Номенклатура тестовых образцов

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 концаОбразцы должны иметь достаточную длину и такое состояние поверхности, чтобы они были надежно закреплены.во время тестирования. Начальная расчетная длина Lo стандартизирована (в нескольких странах) и варьируется в зависимости отдиаметр (Do) или площадь поперечного сечения (Ao) образца, как указано в списке.

Типовой образец	США (АСТМ)	Британия	Германия
Лист ( Ло / √Ао)	4.5	5.65	11.3
Род (Ло/До)	4.0	5.00	10.0

В следующих таблицах приведены примеры размеров и допусков образцов для испытаний в соответствии со стандартом ASTM E8.

Плоский образец для испытаний ^[10]
Все значения в дюймах	Тип пластины (ширина 1,5 дюйма)	Тип листа (ширина 0,5 дюйма)	Образец меньшего размера (0,25 дюйма в ширину)
Длина датчика	8.00±0.01	2.00±0.005	1.000±0.003
Ширина	1.5 +0.125–0.25	0.500±0.010	0.250±0.005
Толщина	0,188 ≤ Т	0,005 ≤ Т ≤ 0,75	0,005 ≤ Т ≤ 0,25
Радиус скругления (мин.)	1	0.25	0.25
Общая длина (мин.)	18	8	4
Длина уменьшенной секции (мин.)	9	2.25	1.25
Длина секции захвата (мин.)	3	2	1.25
Ширина рукоятки (прибл.)	2	0.75	3 ⁄ 8

Круглый испытательный образец ^[10]
Все значения в дюймах	Стандартный образец номинального диаметра:		Небольшой образец номинального диаметра:
Все значения в дюймах	0.500	0.350	0.25	0.160	0.113
Длина датчика	2.00±0.005	1.400±0.005	1.000±0.005	0.640±0.005	0.450±0.005
Допуск диаметра	±0.010	±0.007	±0.005	±0.003	±0.002
Радиус скругления (мин.)	3 ⁄ 8	0.25	5 ⁄ 16	5 ⁄ 32	3 ⁄ 32
Длина уменьшенной секции (мин.)	2.5	1.75	1.25	0.75	5 ⁄ 8

Оборудование

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 одностороннего 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 изгибающую на образец 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 коэффициента Пуассона . измерении ^[6] Новые испытательные машины имеют цифровые системы измерения времени, силы и удлинения, состоящие из электронных датчиков, подключенных к устройству сбора данных (часто компьютеру) и программному обеспечению для обработки 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 ссылка ]}

Процесс

Образцы алюминия для испытаний на растяжение после разрушения

Сторона «чашки» характерной картины отказов «чашка-конус».

Некоторые части имеют форму «чашки», некоторые — форму «конуса».

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 технической деформации ε : по следующему уравнению ^[5]

\varepsilon ={\frac {\Delta L}{L_{0}}}={\frac {L-L_{0}}{L_{0}}}

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]

\sigma ={\frac {F_{n}}{A}}

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 ползучестью

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 ( см. в разделе «ползучесть дополнительную информацию »). 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 процентный изгиб можно определить как разницу между деформациями на одной стороне ( $\varepsilon _{1}$ ) и среднюю деформацию ( $\varepsilon _{0}$ ): ^[16]

${\text{Percent Bending}}={\frac {\varepsilon _{1}-\varepsilon _{0}}{\varepsilon _{0}}}\times 100$

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]

Стандарты

Металлы

ASTM E8/E8M-13: «Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение» (2013 г.)
ISO 6892-1: «Металлические материалы. Испытание на растяжение. Метод испытания при температуре окружающей среды» (2009 г.)
ISO 6892-2: «Металлические материалы. Испытание на растяжение. Метод испытаний при повышенной температуре» (2011 г.)
JIS Z2241 Метод испытания металлических материалов на растяжение
Стандарт испытаний MPIF 10: «Метод определения свойств материалов порошковой металлургии (ПМ) на растяжение» «Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение» (2015 г.)

Композиты

ASTM D 3039/D 3039M: «Стандартный метод испытаний свойств на растяжение композиционных материалов с полимерной матрицей»

Гибкие материалы

ASTM D638 Стандартный метод испытания свойств пластмасс на растяжение
ASTM D828 Стандартный метод испытания свойств бумаги и картона на растяжение с использованием аппарата с постоянной скоростью удлинения
ASTM D882 Стандартный метод испытания свойств тонких пластиковых листов на растяжение
Резина ISO 37, вулканизированная или термопластичная — определение свойств растяжения и деформации.

Ссылки

^ Чихос, Хорст (2006). Справочник Springer по методам измерения материалов . Берлин: Шпрингер. стр. 303–304. ISBN 978-3-540-20785-6 .
^ Jump up to: ^а ^б Дэвис, Джозеф Р. (2004). Испытание на растяжение (2-е изд.). АСМ Интернешнл. ISBN 978-0-87170-806-9 .
^ Дэвис 2004 , с. 33.
^ Общие испытания материалов. Инженерный архив. (без даты). https://theengineeringarchive.com/material-science/page-common-material-tests.html
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Дэвис 2004 , с. 2.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дэвис 2004 , с. 9.
^ Jump up to: ^а ^б Дэвис 2004 , с. 8.
^ Маккаферри, Эмануэле; Кокки, Давиде; Маццоккетти, Лаура; Бенелли, Тициана; Бруго, Томмазо Мария; Джорджини, Лорис; Зуккелли, Андреа (июль 2021 г.). «Как нановолокна несут нагрузку: к универсальному и надежному подходу для испытаний на растяжение полимерных нановолокнистых мембран» . Макромолекулярные материалы и инженерия . 306 (7): 2100183. doi : 10.1002/mame.202100183 . hdl : 11585/821061 .
^ Как правильно подготовить образцы нановолоконного мата для испытаний на растяжение . youtube.com
^ Jump up to: ^а ^б Дэвис 2004 , с. 52.
^ Gedney, 2005
^ Дэвис 2004 , с. 11.
^ Маккаферри, Эмануэле; и др. (2021). «Как нановолокна несут нагрузку: к универсальному и надежному подходу для испытаний на растяжение полимерных нановолокнистых мембран» . Макромолекулярные материалы и инженерия . 306 (7). дои : 10.1002/мамэ.202100183 . hdl : 11585/821061 .
^ Биссоннетт, Бенуа; Голубь, Мишель; Вайсбурд, Александр М. (1 июля 2007 г.). «Полузучесть бетона при растяжении: исследование его чувствительности к основным параметрам». Материалы журнала . 104 (4): 360–368. дои : 10.14359/18825 . ПроКвест 197938866 .
^ «Системы испытания рычажного рычага» . www.mltest.com . Проверено 21 мая 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б Кэрролл, Дэниел Ф.; Видерхорн, Шелдон М.; Робертс, Делавэр (сентябрь 1989 г.). «Методика испытания керамики на ползучесть при растяжении». Журнал Американского керамического общества . 72 (9): 1610–1614. дои : 10.1111/j.1151-2916.1989.tb06291.x .

Внешние ссылки

[1] Чихос, Хорст (2006). Справочник Springer по методам измерения материалов . Берлин: Шпрингер. стр. 303–304. ISBN 978-3-540-20785-6 .

[davis1-2] Jump up to: ^а ^б Дэвис, Джозеф Р. (2004). Испытание на растяжение (2-е изд.). АСМ Интернешнл. ISBN 978-0-87170-806-9 .

[3] Дэвис 2004 , с. 33.

[4] Общие испытания материалов. Инженерный архив. (без даты). https://theengineeringarchive.com/material-science/page-common-material-tests.html

[davis2-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Дэвис 2004 , с. 2.

[davis9-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дэвис 2004 , с. 9.

[davis8-7] Jump up to: ^а ^б Дэвис 2004 , с. 8.

[8] Маккаферри, Эмануэле; Кокки, Давиде; Маццоккетти, Лаура; Бенелли, Тициана; Бруго, Томмазо Мария; Джорджини, Лорис; Зуккелли, Андреа (июль 2021 г.). «Как нановолокна несут нагрузку: к универсальному и надежному подходу для испытаний на растяжение полимерных нановолокнистых мембран» . Макромолекулярные материалы и инженерия . 306 (7): 2100183. doi : 10.1002/mame.202100183 . hdl : 11585/821061 .

[9] Как правильно подготовить образцы нановолоконного мата для испытаний на растяжение . youtube.com

[davis52-10] Jump up to: ^а ^б Дэвис 2004 , с. 52.

[11] Gedney, 2005

[12] Дэвис 2004 , с. 11.

[13] Маккаферри, Эмануэле; и др. (2021). «Как нановолокна несут нагрузку: к универсальному и надежному подходу для испытаний на растяжение полимерных нановолокнистых мембран» . Макромолекулярные материалы и инженерия . 306 (7). дои : 10.1002/мамэ.202100183 . hdl : 11585/821061 .

[14] Биссоннетт, Бенуа; Голубь, Мишель; Вайсбурд, Александр М. (1 июля 2007 г.). «Полузучесть бетона при растяжении: исследование его чувствительности к основным параметрам». Материалы журнала . 104 (4): 360–368. дои : 10.14359/18825 . ПроКвест 197938866 .

[15] «Системы испытания рычажного рычага» . www.mltest.com . Проверено 21 мая 2022 г.

[:0-16] Jump up to: ^а ^б Кэрролл, Дэниел Ф.; Видерхорн, Шелдон М.; Робертс, Делавэр (сентябрь 1989 г.). «Методика испытания керамики на ползучесть при растяжении». Журнал Американского керамического общества . 72 (9): 1610–1614. дои : 10.1111/j.1151-2916.1989.tb06291.x .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]