Испытание на растяжение

Испытание на растяжение — это вид механических испытаний материалов, при котором образец определённой формы и размеров подвергается одноосному растяжению до разрушения (или до заданной деформации) с регистрацией зависимости между приложенной силой и удлинением образца. Испытание на растяжение является основным методом определения механических свойств конструкционных материалов, таких как металлы, сплавы, полимеры, композиты и текстиль. Результаты испытания используются для расчёта прочности, жёсткости и пластичности деталей машин, конструкций и изделий.

История

Первые систематические испытания материалов на растяжение начали проводиться в XVII—XVIII веках. В 1638 году Галилео Галилей в своей работе «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» впервые сформулировал задачу определения прочности балки на разрыв. Однако практические методы испытаний появились позже. В 1729 году французский инженер Антуан Парадиз де Монж провёл серию опытов по разрыву железных прутьев. В 1807 году английский учёный Томас Юнг ввёл понятие модуля упругости (модуль Юнга), который определяется именно по результатам испытаний на растяжение.

В XIX веке, с развитием металлургии и железнодорожного транспорта, возникла необходимость в стандартизации методов испытаний. В 1850-х годах немецкий инженер Август Вёлер разработал первые методики испытаний на усталость, но испытания на растяжение оставались базовыми. В 1901 году в Германии был принят первый национальный стандарт на испытания металлов (DIN 50125). В XX веке методика была унифицирована международными организациями, в частности ISO (Международная организация по стандартизации) и ASTM (Американское общество по испытаниям и материалам). В России действуют ГОСТ 1497-84 (для металлов) и ГОСТ 11262-2017 (для пластмасс).

Сущность метода

Испытание на растяжение заключается в приложении к образцу осевой растягивающей нагрузки, плавно возрастающей от нуля до разрушения. В процессе испытания непрерывно измеряются сила (нагрузка) и удлинение образца. По полученным данным строится диаграмма растяжения в координатах «напряжение — деформация» (σ-ε) или «нагрузка — удлинение» (F-Δl). По этой диаграмме определяются механические характеристики материала.

Основные этапы испытания

1. Установка образца в захваты испытательной машины.
2. Приложение нагрузки с постоянной скоростью деформирования (обычно 0,5–5 мм/мин для металлов).
3. Регистрация данных до разрушения или до достижения заданной деформации.
4. Обработка результатов — вычисление напряжений, деформаций и модуля упругости.

Оборудование

Для проведения испытаний на растяжение используются универсальные испытательные машины (разрывные машины). Они состоят из:

• Силовой рамы с двумя траверсами (подвижной и неподвижной).
• Привода (электромеханического или гидравлического), обеспечивающего перемещение траверсы.
• Силоизмерителя (датчика силы), преобразующего нагрузку в электрический сигнал.
• Датчика деформации (экстензометра) для измерения удлинения образца на базе длины.
• Системы управления и сбора данных (компьютер с программным обеспечением).

Современные машины позволяют проводить испытания с точностью измерения силы до 0,5% от измеряемого значения и деформации до 0,1 мкм.

Образцы для испытаний

Форма и размеры образцов регламентируются стандартами. Для металлов наиболее распространены цилиндрические и плоские образцы.

Типы образцов по ГОСТ 1497-84

Для пластмасс по ГОСТ 11262-2017 применяются образцы в виде лопаток с шириной рабочей части 10–25 мм и толщиной 2–4 мм. Для резин и эластомеров — образцы в виде полосок или колец.

Определяемые характеристики

По результатам испытания на растяжение вычисляются следующие показатели:

Прочностные характеристики

• Предел прочности (временное сопротивление разрыву) σв — максимальное напряжение, выдерживаемое образцом до разрушения. Вычисляется как отношение максимальной нагрузки Fmax к начальной площади поперечного сечения S0: σв = Fmax / S0. Единица измерения — паскаль (Па) или мегапаскаль (МПа).
• Предел текучести (физический) σт — напряжение, при котором происходит рост деформации без увеличения нагрузки (для материалов с чётко выраженной площадкой текучести, например, низкоуглеродистой стали).
• Предел текучести условный σ0,2 — напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2% от начальной длины (для материалов без площадки текучести, например, высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов).
• Модуль упругости (модуль Юнга) E — коэффициент пропорциональности между напряжением и упругой деформацией в начальном линейном участке диаграммы: E = σ / ε. Характеризует жёсткость материала.

Пластические характеристики

• Относительное удлинение после разрыва δ — отношение приращения длины образца после разрушения к начальной расчётной длине, выраженное в процентах: δ = (Δl / l0) × 100%. Характеризует способность материала к пластической деформации.
• Относительное сужение после разрыва ψ — отношение уменьшения площади поперечного сечения в месте разрыва к начальной площади, выраженное в процентах: ψ = ((S0 — Sш) / S0) × 100%, где Sш — площадь сечения в шейке.

Другие характеристики

• Напряжение при заданной деформации (например, σ1% для резин).
• Энергия разрушения — площадь под диаграммой растяжения, характеризующая вязкость материала.

Диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения (σ-ε) для типичного пластичного материала (например, малоуглеродистой стали) имеет следующие характерные участки:

1. Упругий участок (OA) — линейная зависимость между напряжением и деформацией, подчиняющаяся закону Гука. После снятия нагрузки деформация исчезает полностью.
2. Площадка текучести (AB) — участок, на котором деформация растёт при постоянном или слабо меняющемся напряжении. Наблюдается у некоторых материалов (сталь, латунь).
3. Участок упрочнения (BC) — после площадки текучести напряжение снова начинает расти, но с меньшей скоростью, чем на упругом участке. Материал упрочняется за счёт наклепа.
4. Участок образования шейки (CD) — после достижения предела прочности (точка C) на образце образуется локальное сужение — шейка. Напряжение в шейке растёт, но среднее напряжение по сечению падает из-за уменьшения площади.
5. Разрушение (точка D) — образец разрывается в месте шейки.

Для хрупких материалов (чугун, закалённая сталь, керамика) диаграмма не имеет площадки текучести и участка пластической деформации — разрушение происходит почти сразу после упругого участка при малых деформациях (менее 1–2%).

Факторы, влияющие на результаты

• Скорость деформирования — при увеличении скорости предел текучести и предел прочности обычно возрастают, а пластичность снижается.
• Температура — при понижении температуры прочность возрастает, пластичность падает (хладноломкость). При повышении температуры — наоборот.
• Размеры образца — для тонких образцов (толщина менее 1 мм) может проявляться масштабный эффект (повышение прочности).
• Направление вырезки образца — для анизотропных материалов (прокат, композиты) свойства вдоль и поперек направления деформации могут различаться.
• Влажность — для полимеров и композитов влажность может снижать прочность и модуль упругости.

Применение

Испытание на растяжение используется в следующих областях:

• Материаловедение — для оценки качества новых материалов и контроля соответствия стандартам.
• Металлургия — при приёмке металлопроката, литья, поковок.
• Машиностроение — для расчёта деталей на прочность (валы, балки, крепёж).
• Строительство — для испытания арматуры, бетона (косвенно), стальных конструкций.
• Авиа- и ракетостроение — для сертификации материалов, работающих при экстремальных нагрузках.
• Медицина — для испытания имплантатов, шовных материалов, стентов.
• Текстильная промышленность — для определения прочности нитей, тканей, канатов.

Стандарты

В Российской Федерации и странах СНГ действуют следующие основные стандарты:

• ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) — «Металлы. Методы испытаний на растяжение».
• ГОСТ 11262-2017 (ИСО 527-1:2012) — «Пластмассы. Метод испытания на растяжение».
• ГОСТ 270-75 — «Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении».
• ГОСТ 25.503-97 — «Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов».

Международные стандарты: ISO 6892-1 (металлы), ASTM E8/E8M (металлы), ISO 527 (пластмассы), ASTM D638 (пластмассы).

Ограничения и недостатки

• Испытание на растяжение даёт информацию только о поведении материала при одноосном растяжении. Реальные конструкции часто работают в условиях сложного напряжённого состояния (растяжение + кручение + изгиб), для оценки которого требуются другие испытания (например, на кручение или сжатие).
• Для хрупких материалов (стекло, керамика) испытание на растяжение технически сложно из-за концентрации напряжений в захватах; чаще применяют испытания на изгиб или сжатие.
• Результаты испытания зависят от формы образца и скорости нагружения, что требует строгого соблюдения стандартов.
• Для анизотропных материалов (например, древесины, композитов) одного испытания недостаточно — необходимо проводить испытания в разных направлениях.

Интересные факты

• Самое большое значение предела прочности при растяжении среди известных материалов — у углеродных нанотрубок (до 63 ГПа), что примерно в 100 раз больше, чем у конструкционной стали.
• В 2020 году российские учёные из НИЦ «Курчатовский институт» разработали методику испытаний на растяжение сверхтонких (толщиной менее 1 мкм) плёнок с использованием атомно-силового микроскопа.
• Испытание на растяжение — один из немногих методов, который позволяет одновременно определить и прочностные, и пластические характеристики материала.