Введение

В технике материалы подвергаются различным видам нагрузок. Нагрузки, которым могут подвергаться материалы, можно перечислить как растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг или кручение. В то же время эти нагрузки могут быть статическими или динамическими. Возможно, материалу придется противостоять одной или нескольким из этих нагрузок одновременно. В этом случае необходимо знать, какой материал использовать в тех или иных условиях. Чтобы сгруппировать материалы, их реакцию при определенных нагрузках наблюдают с помощью испытаний и таким образом выявляют механические свойства материалов.

Испытания для получения свойств упругости можно разделить на статические и динамические. Для того чтобы испытание было статическим, сила должна прикладываться с максимальной частотой 1 Гц, постоянно и только один раз. В этом случае напряжение постоянно, а коэффициент удлинения при статическом испытании не превышает 0,25. Динамические испытания используются для таких типов нагрузок, поскольку статические испытания не могут создать адекватную модель для внезапно изменяющихся нагрузок. При динамических испытаниях нагрузка изменяется, а к образцу прикладывается синусоидальная деформация. Эти испытания также могут проводиться при высоких или низких температурах. В результате динамических испытаний получают информацию о твердости и демпфировании. Усталостные испытания можно рассматривать как подотрасль динамических испытаний. Нагрузка прикладывается циклически. Такие испытания проводятся с циклами растяжения-вытяжения, сжатия-сжатия или сжатия-обратного растяжения. В результате усталостных испытаний можно определить срок службы материалов. Усталостная прочность и сопротивление растрескиванию также определяются с помощью усталостных испытаний.

 

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение - одно из самых распространенных испытаний в технике для определения прочностных свойств материалов. Оно проводится для определения механических свойств изотропных материалов. Испытание основано на приложении растягивающей силы к образцу с противоположных сторон в одном направлении и наблюдении за напряжением материала до его разрыва. В результате испытания на растяжение можно получить предел текучести, максимальный предел прочности, пластичность, модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона материала.

Кривые напряжения - деформации

Кривые напряжения и деформации

Номинальное растягивающее напряжение, прикладываемое к материалу во время испытаний, следующее:

Где F - растягивающая сила, а A_0 - площадь поперечного сечения при растяжении. Деформация определяется как;

Где L_0 - начальная длина образца, а Δ_L - удлинение материала после испытания.

По значениям, полученным в результате испытания, строится кривая "напряжение-деформация". Эта кривая показывает предел прочности материала, предел текучести, максимальный предел прочности при растяжении и состояние хрупкости и пластичности. Еще одним преимуществом является то, что информация предоставляется независимо от размеров материала.

На рисунке выше показана кривая напряжения и деформации хрупкого материала.

Для большинства кривых начальная часть линейна. Значение предела текучести получается на кривой, когда из точки, где удлинение на кривой напряжения-деформации равно 0,2%, проводится кривая, параллельная наклону кривой. По пределу текучести можно определить максимальное напряжение, которое материал может выдержать без необратимых повреждений. До этого момента объект находится в упругой области. После этого материал переходит в пластическую область, где действующие на него силы вызывают необратимые повреждения.

Напряжение текучести

Наклон воображаемой линии, которую мы проводим для определения предела текучести, дает нам модуль Юнга, который является важным свойством материала. Модуль Юнга определяется следующим образом:

Следующее уравнение представляет собой коэффициент Пуассона, который является отрицательным значением отношения горизонтального смещения к вертикальному:

Тест

Большинство видов поперечного сечения образцов, используемых при испытании на растяжение, показаны на рисунке. Образцы могут быть сформированы в виде листа или цилиндра.

В зависимости от различных материалов и уровней чувствительности измерений могут использоваться различные типы скрепления. Каждый метод крепления имеет свои преимущества и недостатки.

Испытание на сжатие

Испытание на сжатие демонстрирует, как ведут себя материалы при сжатии или раздавливании. Испытание обычно длится до тех пор, пока вещество не разрушится или до заранее установленного предела. Таким образом, рассчитывается нагрузка, которую материал может выдержать до разрыва, и степень его деградации до этого момента. Чтобы испытать материал, его часто нагревают или охлаждают и подвергают сжимающему усилию в разных направлениях. Однако испытания можно проводить и в других условиях.

Материалы с высокой прочностью на растяжение обычно имеют низкую прочность на сжатие. По этой причине такие материалы исследуются с помощью испытаний на сжатие. Материалы, на которых чаще всего проводятся испытания на сжатие, как правило, хрупкие, например, композитные материалы, бетон, дерево, металл и кирпич; полимеры, пластмассы и пенопласты.

В результате испытания на сжатие получается кривая "усилие-деформация". Затем сила преобразуется в напряжение, чтобы создать кривую "напряжение-деформация". Эта кривая очень похожа на кривую "напряжение-деформация" при испытании на растяжение. Только оси расположены в направлении, показывающем укорочение.

Напряжение сжатия - % Деформация сжатия

Расчеты при испытании на растяжение справедливы и для испытания на сжатие;

Дробление

Смятие используется для выражения степени укорочения материала во время испытания.

Выразите сокрушительное.

Отек

Разбухание - это увеличение поперечного сечения испытуемого материала. Вязкие материалы более склонны к разбуханию. Формализуется по:

Тест

Хрупкие материалы обычно подвергаются испытаниям на сжатие. Характеристики сжатия жестких пенопластов приведены в ISO 844 в качестве примера из стандартов. В этом стандарте указаны значения и формы площади поперечного сечения, значения температуры и влажности, а также предполагаемые результаты испытаний образцов. Напряжения указаны в кПа.

Значение упругости при сжатии в стандарте следующее:

Здесь σ_e - сила в конце условной упругой области, h_0 - начальная толщина материала, а x_e - путь, пройденный силой, создающей напряжение.

Ниже приведены некоторые стандарты, разработанные для испытаний на сжатие:

ASTM D575-91 - Стандартные методы испытаний свойств резины при сжатии

ASTM E9-19 - Стандартные методы испытания металлических материалов на сжатие при комнатной температуре

TS EN ISO 14126 - Пластиковые композиты, армированные волокном - Определение свойств при сжатии в плоскостном направлении

 

Описание техники

Оценка механического поведения образца в условиях растяжения и сжатия позволяет получить основные данные о свойствах материала, которые важны для проектирования компонентов и оценки эксплуатационных характеристик. Требования к значениям прочности при растяжении и сжатии и методы испытаний этих свойств указаны в различных стандартах для широкого спектра материалов. Испытания могут проводиться на обработанных образцах материала или на полноразмерных или масштабных моделях реальных компонентов. Эти испытания обычно проводятся с помощью универсального механического испытательного прибора.

Испытание на растяжение - это метод определения поведения материалов при осевой растягивающей нагрузке. Испытания проводятся путем закрепления образца в испытательном устройстве и последующего приложения к нему силы путем разделения траверс испытательной машины. Скорость вращения траверсы можно изменять, чтобы контролировать скорость деформации испытуемого образца. Данные, полученные в ходе испытания, используются для определения предела прочности, предела текучести и модуля упругости. Измерение размеров образца после испытания также позволяет получить значения уменьшения площади и удлинения, характеризующие пластичность материала. Испытания на растяжение могут проводиться для многих материалов, включая металлы, пластмассы, волокна, клеи и резины. Испытания можно проводить при комнатных и повышенных температурах.

Испытание на сжатие - это метод определения поведения материалов под действием сжимающей нагрузки. Испытания на сжатие проводятся путем загрузки образца между двумя пластинами, а затем приложения к образцу силы путем перемещения траверс друг к другу. Во время испытания образец сжимается, и регистрируется деформация в зависимости от приложенной нагрузки. Испытание на сжатие используется для определения предела упругости, предела пропорциональности, предела текучести, предела прочности и (для некоторых материалов) предела прочности при сжатии.

 

Аналитическая информация

Прочность на сжатие - Прочность на сжатие - это максимальное сжимающее напряжение, которое материал способен выдержать без разрушения. Хрупкие материалы разрушаются во время испытаний и имеют определенное значение прочности на сжатие. Прочность на сжатие вязких материалов определяется степенью их деформации во время испытаний.

Предел упругости - Предел упругости - это максимальное напряжение, которое материал может выдержать без необратимой деформации после снятия напряжения.

Удлинение - Удлинение - это величина постоянного удлинения образца, который был разрушен при испытании на растяжение.

Модули эластичности - Модуль упругости - это отношение напряжения (ниже предела пропорциональности) к деформации, т.е. наклон кривой "напряжение-деформация". Он считается мерой жесткости или жесткости металла.

Предел пропорциональности - Предел пропорциональности - это наибольшее напряжение, которого может достичь материал, не отклоняясь от линейной зависимости кривой "напряжение-деформация", то есть без развития пластической деформации.

Уменьшение площади - Уменьшение площади - это разница между первоначальной площадью поперечного сечения образца на растяжение и наименьшей площадью после разрушения после испытания.

Штамм - Деформация - это изменение размера или формы материала под действием силы.

Точка текучести - Предел текучести - это напряжение в материале (обычно меньше максимально достижимого), при котором увеличение деформации происходит без увеличения напряжения. Только некоторые металлы имеют предел текучести.

Предел текучести - Предел текучести - это напряжение, при котором материал демонстрирует определенное отклонение от линейной зависимости напряжения от деформации. Для металлов часто используется смещение 0,2%.

Предельная прочность на разрыв - Предел прочности при растяжении, или UTS, - это максимальное растягивающее напряжение, которое материал может выдержать без разрушения. Он рассчитывается путем деления максимальной нагрузки, приложенной во время испытания на растяжение, на первоначальную площадь поперечного сечения образца.

 

Типовые применения

Растяжение и сжатие свойства сырья для сравнения с техническими характеристиками продукта

Получение данных о свойствах материалов для конечно-элементного моделирования или другого проектирования изделий для обеспечения требуемого механического поведения и эксплуатационных характеристик

Моделирование механических характеристик компонентов в процессе эксплуатации

 

Образцы требований

Стандартные испытания на растяжение металлов и пластмасс проводятся на специально подготовленных образцах. Эти образцы могут представлять собой обработанные цилиндрические образцы или плоские пластины (собачья кость). Образцы для испытаний должны иметь определенное соотношение длины и ширины или диаметра в зоне испытания (калибр) для получения воспроизводимых результатов и соответствия стандарту метод испытания требования. Трубчатые изделия, волокна и провода могут быть испытаны на растяжение в натуральную величину с использованием специальных приспособлений, способствующих оптимальному захвату и определению места разрушения.

Наиболее распространенным образцом для испытания на сжатие является правильный круглый цилиндр с плоскими концами. Можно использовать образцы других форм, однако они требуют специальных приспособлений для предотвращения смятия. Специальные конфигурации для испытания компонентов или моделирования обслуживания зависят от конкретной испытательной машины.

Разница между оборудованием для испытаний на растяжение и сжатие

При испытаниях на растяжение испытательная машина создает нагрузку на растяжение или усилие, которое разрывает образцы для испытаний на растяжение. При испытании пластмасс на растяжение образец растягивается для измерения прочности на растяжение и других свойств, включая жесткость и предел текучести. Существует несколько общепринятых промышленных стандартов, которые обеспечивают согласованные методы испытаний пластмасс на растяжение. ASTM D638 и ISO 527-2 имеют схожую, но различную стандартизированную геометрию и размеры образца для испытаний. Для этих испытаний требуются захваты для растяжения, которые должны захватывать образец и регулироваться по мере его утончения в процессе испытания. Эти приспособления отличаются от приспособлений для сжатия. 

При испытаниях на сжатие испытательная машина прикладывает толкающую или сжимающую нагрузку или силу, чтобы сжать испытуемый образец до тех пор, пока он не сломается или не раздавится. Испытания на сжатие полимерного конструкционного вспененного материала рассматриваются в разделе ASTM D1621 в котором указывается тип используемых компрессионных плит и прогибомера. Испытуемый образец помещается между плитами для испытания на сжатие до тех пор, пока ячеистая структура не разрушится или не разорвется.

Универсальная испытательная машина может выполнять как испытания на растяжение, так и на сжатие. Траверса может использоваться для растяжения или сжатия испытуемого образца, который находится между опорной плитой и подвижной головкой.

Приспособления для испытаний на растяжение, или захваты, и датчики деформации (известные как экстензометры) не могут проводить испытания на сжатие. Кроме того, захваты для испытаний на растяжение специально подбираются под точную геометрию и размеры испытуемого образца. Пластины для испытания на сжатие и дефлектометр также способны проводить только испытание на сжатие, поэтому в данном случае необходимы оба комплекта принадлежностей.

 

Если вы хотите получить дополнительную информацию об этом продукте, пожалуйста, не стесняйтесь связаться с нами.