Испытание металлов на растяжение

Испытание металлов на растяжение — один из основных методов определения механических свойств сталей, цветных металлов и сплавов. По результатам испытания оценивают прочность и пластичность материала, определяют предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение и другие характеристики. Метод применяют при входном и производственном контроле, исследовании материалов и подтверждении соответствия продукции установленным требованиям. Испытание заключается в осевом растяжении стандартного образца с контролируемой скоростью. Испытательная машина регистрирует силу, перемещение и, при использовании экстензометра, деформацию рабочей части образца. Полученные данные используют для построения диаграммы растяжения и расчета механических характеристик. В России для статических испытаний черных и цветных металлов и изделий из них диаметром или толщиной 3 мм и более применяется ГОСТ 1497-2023 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».

Какие характеристики определяют при растяжении

В процессе испытания материал проходит стадии упругой и пластической деформации, а при дальнейшем нагружении образец, как правило, разрушается. По результатам могут определяться:

Конкретный перечень зависит от материала, нормативного документа и задачи лаборатории.

Предел прочности и предел текучести

Одни из наиболее востребованных характеристик — предел прочности и предел текучести металла. Предел текучести характеризует переход материала от преимущественно упругого поведения к пластическому деформированию. После превышения соответствующего уровня нагрузки часть деформации сохраняется после разгрузки. У некоторых металлов этот переход хорошо выражен на диаграмме. Если явной площадки текучести нет, определяют условный предел текучести, например при заданной величине остаточной пластической деформации.

Предел прочности, или временное сопротивление, связан с максимальным напряжением, достигнутым в процессе испытания. После достижения максимальной нагрузки у пластичных образцов обычно начинается локальное уменьшение поперечного сечения — образование шейки, после чего происходит разрушение. Определению физического и условного предела текучести будет посвящена отдельная статья блока.

Диаграмма растяжения металла

В ходе испытания формируется зависимость силы или напряжения от перемещения либо деформации образца. На начальном участке деформация преимущественно упругая. Затем начинается пластическое деформирование, материал может упрочняться, нагрузка возрастает до максимального значения, после чего развивается локализация деформации и происходит разрушение. Диаграмма позволяет увидеть поведение металла на разных стадиях нагружения и определить расчетные характеристики. 

Образцы для испытаний металлов

Форма и размеры образца определяются нормативным документом, видом материала и способом изготовления исходной продукции. Для испытаний применяют круглые цилиндрические и плоские образцы, образцы из листового и сортового проката, заготовок и готовых изделий. Рабочая часть должна соответствовать установленной геометрии. Повреждения поверхности, заусенцы, грубая механическая обработка или существенные отклонения размеров могут повлиять на результат. Перед испытанием измеряют исходные размеры рабочей части и рассчитывают площадь поперечного сечения, необходимую для определения напряжений.

Как проводится испытание на растяжение

Подготовленный образец устанавливают в захваты испытательной машины. Его продольная ось должна совпадать с направлением приложения нагрузки. Перекос создает дополнительную изгибающую составляющую и может исказить результат. Если необходимо точно измерять деформацию рабочей части, на образец устанавливают экстензометр. После настройки методики запускают испытание. Машина перемещает траверсу с заданной скоростью и регистрирует силу, перемещение и деформацию. Испытание продолжают до достижения заданной характеристики или до разрушения образца. После разрыва при необходимости измеряют конечную расчетную длину и размеры поперечного сечения для определения относительного удлинения и сужения.

Почему важна скорость испытания

Скорость деформирования или нагружения может влиять на определяемые свойства материала, поэтому ее задают в соответствии с применяемой методикой. Особенно важен корректный режим при определении текучести и деформационных характеристик. Универсальная испытательная машина должна обеспечивать стабильное управляемое перемещение траверсы и поддерживать заданный алгоритм на разных этапах испытания.

Для чего нужен экстензометр

Перемещение траверсы не равно непосредственно удлинению рабочей части образца: в него входят деформации элементов силовой цепи, оснастки и конструкции машины. Для точного определения деформации применяют экстензометр, который измеряет изменение расчетной длины непосредственно на образце. Выбор экстензометра зависит от размеров образца, базы измерения, диапазона деформации и требований методики. Экстензометр особенно важен при определении:

• модуля упругости;
• физического и условного предела текучести;
• малых относительных деформаций;
• характеристик, рассчитываемых по диаграмме «напряжение–деформация».

Какие захваты применяют

Захваты должны надежно удерживать образец без проскальзывания и не вызывать его преждевременного разрушения в месте крепления. Для плоских и круглых металлических образцов широко применяют клиновые захваты. Для образцов с резьбовыми головками используют резьбовые, а для отдельных форм — тисочные, цанговые и специальные приспособления. При выборе учитывают максимальную силу, форму и размеры головок образца, материал, рабочее пространство машины и возможность установки экстензометра.

При испытаниях металлов при повышенных температурах силовую цепочку дополняют вводными тягами, специальными захватами и печами для температурных испытаний, обеспечивающими заданный температурный режим непосредственно в зоне образца.

Как выбрать испытательную машину для металлов

Первый параметр — требуемый диапазон силы. Машина должна обеспечивать необходимую нагрузку для наиболее прочных и крупных образцов, которые планируется испытывать. Для таких задач ООО «Эталон-Профит» выпускает универсальные испытательные машины серий РКМ, РКМ SVO, X-PRO и НИМ. Конкретную серию выбирают с учетом всей программы лаборатории: геометрии образцов, скоростей, оснастки, способов измерения деформации и применяемых методик. Кроме максимальной силы учитывают:

• диапазон и точность измерения силы;
• рабочий ход и размеры рабочего пространства;
• диапазон скоростей;
• типы захватов и размеры образцов;
• возможность подключения экстензометров;
• необходимость дополнительных испытаний на сжатие или изгиб.

Автоматизация и обработка результатов

Программное обеспечение позволяет задавать алгоритм испытания, регистрировать силу, перемещение и деформацию, строить диаграммы, рассчитывать механические характеристики и формировать протоколы. Для испытательных машин ООО «Эталон-Профит» применяется программное обеспечение Prof IT. Оно используется для управления машиной и обработки результатов механических испытаний. При серийных испытаниях автоматизация помогает применять единый алгоритм для всей партии образцов.

Основные причины ошибок

На достоверность результата влияет не только класс испытательной машины. Поэтому машину, захваты, экстензометр, методику и программное обеспечение необходимо рассматривать как единый испытательный комплекс. К частым причинам ошибок относятся:

• перекос образца и появление дополнительной изгибающей нагрузки;
• проскальзывание в захватах;
• неточное измерение исходного сечения;
• определение деформации только по перемещению траверсы там, где требуется экстензометр;
• неверно заданная скорость испытания;
• разрушение образца рядом с захватом.

Что учитывать при организации испытаний

Для получения воспроизводимых результатов необходимо согласовать между собой материал и геометрию образца, диапазон нагрузки, испытательную машину, захваты, экстензометр, скорость нагружения и алгоритм обработки данных. Такой подход позволяет использовать результаты испытания на растяжение для входного контроля сырья, контроля готовой продукции, исследовательских работ и оценки соответствия металлов и изделий установленным требованиям.