Staattinen venytys

Staattinen jännitys  on yksi yleisimmistä kokeista materiaalien mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi.

Testin aikana määritetyt pääominaisuudet

Staattisessa jännityksessä pääsääntöisesti määritetään seuraavat materiaalin ominaisuudet.

Pääasialliset materiaalityypit

On tapana erottaa sitkeät ja hauraat materiaalit. Suurin ero on, että ensimmäiset deformoituvat testauksen aikana plastisten muodonmuutosten muodostuessa, ja jälkimmäiset käytännössä ilman niitä tuhoutumiseen asti. Materiaalien ehdollisen luokittelun kriteeriksi voidaan ottaa suhteellinen jäännösvenymä δ \u003d (l to  - l 0 ) / l 0 , missä l 0 ja l to  ovat näytteen työskentelyosan alku- ja loppupituus. ), lasketaan yleensä prosentteina. Jäljellä olevan venymän määrän mukaan materiaalit voidaan jakaa:

Olemassa olevat materiaalit voivat olla isotrooppisia tai anisotrooppisia . Jälkimmäisessä tapauksessa eri suuntien ominaisuuksien erojen vuoksi on tarpeen suorittaa ei yksi, vaan useita testejä.

Staattiset vetokoekappaleet

Staattisissa vetokokeissa käytetään näytteitä, joilla on sekä pyöreä että suorakulmainen poikkileikkaus. Näytteiden valmistuksen vaatimukset ovat lisääntyneet sekä geometrian että leikkauksen osalta. Edellytetään näytteen halkaisijan suurta tasaisuutta sen pituudella, koaksiaalisuutta ja korkeaa pinnan laatua (alhainen karheus, ei naarmuja ja lovia). Näytteitä valmistettaessa tulee välttää materiaalin ylikuumenemista ja sen mikrorakenteen muutoksia.

Pyöreän poikkileikkauksen näytteiden työpituus on yleensä neljä tai viisi halkaisijaa - ns. lyhyitä näytteitä tai kymmenen halkaisijaa - ns. normaaleja näytteitä. Ennen testin aloittamista mitataan näytteen halkaisija (yleensä 6, 10 tai 20 mm) jännityksen σ laskemiseksi ja suhteellisen jäännöskutistumisen laskemiseksi näytteen rikkoutumisen jälkeen. Ekstensometriä käytettäessä näytteen työosan pituutta ei mitata, vaan muodonmuutos ε ja suhteellinen murtovenymä tallennetaan automaattisesti tietokoneella tai mitataan kaaviosta σ - ε. Ekstensometrin puuttuessa (standardi ei suosittele) näytteen työpituus merkitään muistiin, muodonmuutos ε lasketaan näytteen pään (kahvan) siirtymistä ja suhteellinen murtovenymä lasketaan tuhoutuneen näytteen mittaaminen.

sitkeän materiaalin vetolujuuskaavio

Tyypillisesti jännitysdiagrammi on kohdistetun kuormituksen P riippuvuus absoluuttisesta venymästä Δl. Nykyaikaiset mekaanisen testauksen koneet mahdollistavat kaavion kirjoittamisen jännityksen σ (σ = P/A 0 , missä A 0  on alkupoikkileikkausala) ja lineaarisen muodonmuutoksen ε (ε = Δl/l 0 ) suhteen. Tällaista kaaviota kutsutaan ehdolliseksi jännitysdiagrammiksi, koska se ei ota huomioon näytteen poikkileikkausalan muutosta testin aikana.

Alkuleikkaus on lineaarinen (ns. elastisen muodonmuutoksen osa). Hooken laki pätee siihen :

Sitten alkaa plastisen muodonmuutoksen alue. Tämä muodonmuutos säilyy kohdistetun kuormituksen poistamisen jälkeen. Siirtyminen muovialueelle havaitaan paitsi jäännösmuodonmuutosten ilmentymisenä myös käyrän kaltevuuden pienenemisenä muodonmuutosasteen kasvaessa. Tätä kaavion osaa kutsutaan yleensä yleisen tuoton alueeksi (vyöhykkeeksi), koska plastisia muodonmuutoksia muodostuu näytteen koko työpituudella. Muodonmuutoskaavion tutkimiseksi ja tarkaksi analysoimiseksi nykyaikaiset testauskoneet on varustettu tulosten tietokoneella tallentamalla.

Youngin moduuli lasketaan kaavion alkuosan kulmasta. Pehmeälle teräkselle on olemassa ns. "tuottohammas" ja sitten myötörajan alue. Sujuvuuden "hampaan" ilmiö liittyy muodonmuutoksen dislokaatiomekanismiin . Alkuosassa dislokaatiotiheys ei ole riittävä aikaansaamaan suuremman muodonmuutosasteen. Kun ylempi myötöraja on saavutettu, alkaa intensiivinen uusien dislokaatioiden muodostuminen, mikä johtaa jännityksen laskuun. Lisämuodonmuutos myötörajassa tapahtuu ilman jännityksen lisääntymistä . Myötölujuuden riippuvuus raekoosta d ilmaistaan ​​Hall-Petchin suhteella :

Myöntötasanteen päätyttyä (venymä luokkaa 2–2,5 %) alkaa venymäkovettuminen (kovettumisalue), joka näkyy kaaviossa jännityksen lisääntymisenä venymän kasvaessa. Tällä alueella makrodeformaatio pysyy tasaisena koko koenäytteen pituudella, kunnes maksimikuorma (jännitys (σ В )) saavutetaan. Kun murtolujuuspiste on saavutettu, alkaa muodostua ns. "niska" - alue. keskittyneen muodonmuutoksen. "Kaulan" sijainti riippuu näytteen geometristen mittojen tasaisuudesta ja sen pinnan laadusta. "Kaula" ja lopulta tuhopaikka sijaitsee yleensä heikoin osa. Lisäksi jännitystilan yksiakselisuus (näytteen vääristymän puuttuminen testauskoneessa) on tärkeää Muovimateriaaleille testattaessa staattista jännitystä Yksiakselinen jännitystila säilyy vain ns. ” muodostuu (kunnes maksimikuorma saavutetaan ja keskittynyt muodonmuutos alkaa).

Kuvassa näytetty jännitysdiagrammi. 1 on tyypillinen bcc - materiaaleille, joilla on alhainen dislokaatiotiheys.

Monille materiaaleille, esimerkiksi fcc - kidehilalle, sekä materiaaleille, joilla on suuri virheiden alkutiheys, kaavio on kuvan 2 mukaisessa muodossa. 2. Suurin ero on selvän myötörajan puuttuminen. Myötörajaksi valitaan jännityksen arvo jäännösmuodonmuutoksella 0,2 % (σ 0,2 ) .

Maksimikuorman saavuttamisen jälkeen kuorma (ja vastaavasti jännitys σ) pienenee näytteen poikkileikkausalan paikallisen pienenemisen vuoksi. Kaavion vastaavaa (viimeistä) osaa kutsutaan paikalliseksi myötörevyöhykkeeksi, koska plastiset muodonmuutokset kehittyvät edelleen voimakkaasti vain kaulan alueella.

Joskus käytetään todellista jännityskaaviota, S - e (tosi jännitys S = P/A, missä A on nykyisen näytteen poikkileikkausala; todellinen venymä e = ln(l+Δl/l), missä l on virran pituus näytteestä). Tässä tapauksessa maksimikuorman saavuttamisen jälkeen jännitepudotusta ei ole, todellinen jännitys kasvaa johtuen näytteen "kaulan" poikkileikkauksen paikallisesta pienenemisestä. Siksi ero todellisten ja ehdollisten jännitysten kaavioiden välillä havaitaan vasta lopullisen lujuuden jälkeen - pisteeseen 1 saakka ne käytännössä ovat toistensa kanssa samat.

Muovimateriaalista valmistetut näytteet murtuvat poikkileikkaukseltaan halkaisijan pienentyessä murtumiskohdassa "kaulan" muodostumisen vuoksi.

Hauraan materiaalin vetolujuuskaavio

Ulkonäöltään hauraiden materiaalien vetolujuusdiagrammi ja ehdollinen jännityskaavio muistuttavat kuvassa 1 esitettyä kaaviota. 2 lukuun ottamatta sitä, että kuormitus (rasitus) ei vähene vikakohtaan saakka. Lisäksi nämä materiaalit eivät saa niin suuria venymiä kuin sitkeät ja hajoavat paljon nopeammin ajan myötä. Hauraiden materiaalien kaaviossa on jo ensimmäisessä osassa havaittava poikkeama kuormituksen ja venymän suorasta suhteesta (jännitys ja venymä), joten Hooken lakia voidaan noudattaa melko ehdollisesti. Koska hauras materiaali ei saa plastisia muodonmuutoksia, myötörajaa ei määritetä testin aikana. Ei myöskään ole erityistä järkeä laskea näytteen suhteellista kapenemista, koska kaulaa ei muodostu ja halkaisija repeämisen jälkeen ei käytännössä poikkea alkuperäisestä.

Venymänopeuden ja lämpötilan vaikutus lujuusominaisuuksiin

Staattisen vetokokeen standardit rajoittavat yleensä jännitysnopeutta tai kuormituksen kohdistamisnopeutta. Siten ASTM E-8 -standardi rajoittaa venytysnopeuden arvoon 0,03–0,07 mm/min. Tämä rajoitus johtuu tulosten vääristymisestä, joka johtuu metallien lujuuden kasvusta venymänopeuden kasvaessa (vakiolämpötilassa). Muodostumisnopeuksilla aina 1 sekuntiin asti jännitysnopeudella ei käytännössä ole vaikutusta lujuusominaisuuksiin (erityisesti myötörajaan) (lähde???).

Yleisesti ottaen kaava jännitysnopeuden vaikutukselle myötörajaan voidaan ilmaista muodossa:

missä  on jännitysnopeus;  on atomitekijä,  on aktivointitilavuus;  - virtausjännitys;  — virtausjännityksen ekstrapolointi nollavenymäsuhteeseen.

Sama riippuvuus antaa myös virtausjännityksen riippuvuuden lämpötilasta. Matalissa lämpötiloissa ja faasimuutosten puuttuessa kiteisten materiaalien lujuus kasvaa. Lujuuden kasvuun vaikuttaa myös siirtyminen termisesti aktivoidusta muodonmuutosprosessista, joka johtuu dislokaatioiden liikkeestä muodonmuutosmekanismiin twinningillä.

Testausstandardit

Kirjallisuus

Katso myös