Proprietățile de întindere indică modul în care materialul va reacționa la forțele aplicate la întindere. Un test de tracțiune este un test mecanic fundamental în care o epruvetă pregătită cu atenție este încărcată într-un mod foarte controlat, măsurându-se în același timp sarcina aplicată și alungirea epruvetei pe o anumită distanță. Testele de tracțiune sunt utilizate pentru a determina modulul de elasticitate, limita de elasticitate, alungirea, limita de proporționalitate, reducerea suprafeței, rezistența la tracțiune, limita de curgere, limita de elasticitate și alte proprietăți de tracțiune.
Produsul principal al unui test de tracțiune este o curbă de sarcină în funcție de alungire, care este apoi transformată într-o curbă de tensiune în funcție de deformație. Deoarece atât tensiunea tehnică, cât și deformația tehnică se obțin prin împărțirea sarcinii și a alungirilor la valori constante (informații despre geometria epruvetei), curba sarcină-alungire va avea aceeași formă ca și curba tensiune-alungire tehnică. Curba tensiune-deformare pune în relație tensiunea aplicată și deformația rezultată, iar fiecare material are propria sa curbă tensiune-deformare unică. O curbă tehnică tipică de tensiune-deformație este prezentată mai jos. Dacă se utilizează tensiunea reală, bazată pe suprafața reală a secțiunii transversale a epruvetei, se constată că curba tensiune-deformație crește continuu până la rupere.
Regiunea liniar-elastică și constantele elastice
După cum se poate observa în figură, tensiunea și deformația cresc inițial cu o relație liniară. Aceasta este porțiunea liniar-elastică a curbei și indică faptul că nu a avut loc nicio deformare plastică. În această regiune a curbei, atunci când tensiunea este redusă, materialul va reveni la forma sa inițială. În această regiune liniară, linia se supune relației definite ca Legea lui Hooke, unde raportul dintre tensiune și deformație este o constantă.
Panta liniei în această regiune în care tensiunea este proporțională cu deformația și se numește modul de elasticitate sau modulul lui Young. Modulul de elasticitate (E) definește proprietățile unui material atunci când acesta este supus unei tensiuni, se deformează și apoi revine la forma sa inițială după ce tensiunea este eliminată. Este o măsură a rigidității unui anumit material. Pentru a calcula modulul de elasticitate , este suficient să împărțiți tensiunea la deformația din material. Deoarece deformația nu are unități, modulul va avea aceleași unități ca și tensiunea, cum ar fi kpi sau MPa. Modulul de elasticitate se aplică în mod specific în situația în care o componentă este întinsă cu o forță de tracțiune. Acest modul este de interes atunci când este necesar să se calculeze cât de mult se întinde o tijă sau un fir sub o sarcină de tracțiune.
Există mai multe tipuri diferite de module în funcție de modul în care materialul este întins, îndoit sau distorsionat în alt mod. Atunci când o componentă este supusă la forfecare pură, de exemplu, o bară cilindrică supusă la torsiune, modulul de forfecare descrie relația liniar-elastică tensiune-deformare.
Deformația axială este întotdeauna însoțită de deformații laterale de semn opus în cele două direcții reciproc perpendiculare pe deformația axială. Deformațiile care rezultă dintr-o creștere a lungimii sunt desemnate ca fiind pozitive (+), iar cele care rezultă dintr-o scădere a lungimii sunt desemnate ca fiind negative (-). Raportul lui Poisson este definit ca fiind negativul raportului dintre deformația laterală și deformația axială pentru o stare de tensiune uniaxială.
Raportul lui Poisson este uneori definit și ca raportul dintre valorile absolute ale deformației laterale și axiale. Acest raport, ca și deformația, este unitar, deoarece ambele deformații sunt unitare. Pentru tensiuni aflate în domeniul elastic, acest raport este aproximativ constant. Pentru un material elastic perfect izotropic, raportul lui Poisson este de 0,25, dar pentru majoritatea materialelor valoarea se situează între 0,28 și 0,33. În general, pentru oțeluri, raportul lui Poisson va avea o valoare de aproximativ 0,3. Acest lucru înseamnă că, dacă există un inch pe inch de deformare în direcția în care se aplică tensiunea, vor exista 0,3 inch pe inch de deformare perpendiculară pe direcția în care se aplică forța.
Doar două dintre constantele elastice sunt independente, astfel încât, dacă se cunosc două constante, cea de-a treia poate fi calculată folosind următoarea formulă:
E = 2 (1 + n) G.
| Unde: | E | = | modulul de elasticitate (modulul lui Young) | |
| n | = | Raportul lui Poisson | ||
| G | = | modulul de rigiditate (modulul de forfecare). |
Câteva constante elastice suplimentare care pot fi întâlnite includ modulul aparent (K) și constantele lui Lame (m și l). Modulul grosier este utilizat pentru a descrie situația în care o bucată de material este supusă unei creșteri de presiune pe toate laturile. Relația dintre modificarea presiunii și deformarea rezultată este modulul în vrac. Constantele lui Lame sunt derivate din modulul de elasticitate și raportul lui Poisson.
Punctul de curgere
În materialele ductile, la un moment dat, curba tensiune-deformație se abate de la relația rectilinie și Legea nu se mai aplică, deoarece deformația crește mai repede decât tensiunea. Din acest punct al încercării de tracțiune, în epruvetă apare o anumită deformare permanentă și se spune că materialul reacționează plastic la orice creștere ulterioară a sarcinii sau a tensiunii. Materialul nu va reveni la starea inițială, nesolicitată, atunci când sarcina este îndepărtată. În cazul materialelor fragile, se produce o deformare plastică mică sau deloc, iar materialul se fracturează aproape de sfârșitul porțiunii liniar-elastice a curbei.
La majoritatea materialelor există o tranziție treptată de la comportamentul elastic la cel plastic, iar punctul exact în care începe să apară deformarea plastică este greu de determinat. Prin urmare, se folosesc diverse criterii de inițiere a cedării în funcție de sensibilitatea măsurătorilor de deformare și de utilizarea preconizată a datelor. (A se vedea tabelul) Pentru majoritatea aplicațiilor de proiectare și specificații tehnice, se utilizează limita de curgere. Limita de curgere este definită ca fiind tensiunea necesară pentru a produce o cantitate mică de deformare plastică. Limita de curgere decalată este tensiunea corespunzătoare intersecției dintre curba tensiune-deformație și o linie paralelă cu partea elastică a curbei, decalată cu o deformație specificată (în SUA, decalajul este de obicei de 0,2 % pentru metale și de 2 % pentru materiale plastice).
În Marea Britanie, limita de curgere este adesea menționată ca tensiune de probă. Valoarea decalajului este fie de 0,1%, fie de 0,5%
Pentru a determina limita de curgere folosind acest decalaj, se găsește punctul de pe axa de deformare (axa x) de 0,002 și apoi se trasează o linie paralelă cu linia tensiune-deformare. Această linie va intersecta linia tensiune-deformație puțin după ce aceasta începe să se curbeze, iar acea intersecție este definită ca fiind limita de curgere cu un decalaj de 0,2%. Un mod bun de a privi limita de curgere cu decalaj este că, după ce o epruvetă a fost încărcată până la limita de curgere cu decalaj de 0,2 % și apoi descărcată, aceasta va fi cu 0,2 % mai lungă decât înainte de încercare. Chiar dacă limita de curgere este menită să reprezinte punctul exact în care materialul devine permanent deformat, alungirea de 0,2% este considerată a fi o cantitate tolerabilă de sacrificiu pentru ușurința pe care o creează în definirea limitei de curgere.
Câteva materiale, cum ar fi fonta cenușie sau cuprul moale, nu prezintă în esență un comportament liniar-elastic. Pentru aceste materiale, practica obișnuită este de a defini limita de curgere ca fiind tensiunea necesară pentru a produce o anumită cantitate totală de deformare.
- Limita elastică reală este o valoare foarte mică și este legată de mișcarea câtorva sute de dislocații. Sunt necesare măsurători de microdeformație pentru a detecta deformații de ordinul a 2 x 10 -6 in/in.
- Limita proporțională este cea mai mare tensiune la care tensiunea este direct proporțională cu deformația. Se obține prin observarea abaterii de la porțiunea rectilinie a curbei tensiune-deformație.
- Limita elastică este cea mai mare tensiune pe care materialul o poate suporta fără ca la eliberarea completă a sarcinii să rămână vreo deformație permanentă măsurabilă. Ea se determină cu ajutorul unei proceduri plictisitoare de încercare de încărcare-descărcare incrementală. Cu sensibilitatea măsurătorilor de deformare utilizate de obicei în studiile inginerești (10 -4in/in), limita elastică este mai mare decât limita proporțională. Odată cu creșterea sensibilității măsurătorilor de deformare, valoarea limitei elastice scade până când, în cele din urmă, este egală cu adevărata limită elastică determinată din măsurătorile microdeformației.
- Limita de curgere este tensiunea necesară pentru a produce o cantitate mică-specificată de deformare plastică. Limita de curgere obținută printr-o metodă de compensare este utilizată în mod obișnuit în scopuri inginerești, deoarece evită dificultățile practice de măsurare a limitei elastice sau a limitei proporționale.
Rezistența ultimă la tracțiune
Rezistența ultimă la tracțiune (UTS) sau, mai simplu, rezistența la tracțiune, este nivelul maxim de tensiune tehnică atins într-un test de tracțiune. Rezistența unui material este capacitatea sa de a rezista la forțe externe fără a se rupe. În cazul materialelor fragile, UTS se va afla la capătul porțiunii liniar-elastice a curbei tensiune-deformare sau aproape de limita elastică. În cazul materialelor ductile, UTS se va afla cu mult în afara porțiunii elastice, în porțiunea plastică a curbei tensiune-deformare.
Pe curba tensiune-deformație de mai sus, UTS este punctul cel mai înalt în care linia este momentan plată. Deoarece UTS se bazează pe tensiunea tehnică, adesea nu este același lucru cu rezistența la rupere. În cazul materialelor ductile are loc întărirea prin deformare și tensiunea va continua să crească până la rupere, dar curba tehnică tensiune-deformație poate arăta o scădere a nivelului de tensiune înainte de rupere. Acesta este rezultatul faptului că tensiunea tehnică se bazează pe suprafața secțiunii transversale inițiale și nu ține cont de gâtuirea care apare în mod obișnuit în epruveta de încercare. Este posibil ca UTS să nu fie complet reprezentativă pentru cel mai înalt nivel de solicitare pe care îl poate suporta un material, dar, oricum, această valoare nu este utilizată de obicei în proiectarea componentelor. În cazul metalelor ductile, practica curentă de proiectare este de a utiliza limita de curgere pentru dimensionarea componentelor statice. Cu toate acestea, deoarece UTS este ușor de determinat și destul de ușor de reprodus, este utilă în scopul specificării unui material și în scopul controlului calității. Pe de altă parte, pentru materialele fragile, proiectarea unei componente se poate baza pe rezistența la tracțiune a materialului.
Măsuri de ductilitate (alungire și reducere de suprafață)
Ductilitatea unui material este o măsură a gradului în care un material se va deforma înainte de rupere. Cantitatea de ductilitate este un factor important atunci când se iau în considerare operațiunile de formare, cum ar fi laminarea și extrudarea. De asemenea, oferă o indicație cu privire la cât de vizibile pot deveni deteriorările cauzate de suprasarcină la o componentă înainte ca aceasta să se rupă. Ductilitatea este, de asemenea, utilizată ca măsură de control al calității pentru a evalua nivelul de impurități și prelucrarea corespunzătoare a unui material.
Măsurile convenționale de ductilitate sunt deformația tehnică la rupere (numită de obicei alungire ) și reducerea suprafeței la rupere. Ambele proprietăți se obțin prin ajustarea specimenului la loc după rupere și măsurarea modificării lungimii și a ariei secțiunii transversale. Alungirea este modificarea lungimii axiale împărțită la lungimea inițială a epruvetei sau a porțiunii de epruvetă. Se exprimă în procente. Deoarece o fracțiune apreciabilă din deformarea plastică va fi concentrată în zona de gâtuială a epruvetei de tracțiune, valoarea alungirilor va depinde de lungimea de măsurare pe care se face măsurarea. Cu cât lungimea gabaritului este mai mică, cu atât mai mult va fi luată în considerare în calcul deformația mare localizată în zona de gâtuială. Prin urmare, atunci când se raportează valorile de alungire, trebuie indicată lungimea de măsurare.
O modalitate de a evita complicațiile cauzate de gâtuire este să se bazeze măsurarea alungirilor pe deformarea uniformă până la punctul în care începe gâtuirea. Acest lucru funcționează bine uneori, dar unele curbe inginerești de tensiune-deformare sunt adesea destul de plate în vecinătatea încărcării maxime și este dificil de stabilit cu precizie deformația în momentul în care începe să apară gâtuirea.
Reducerea ariei este modificarea ariei secțiunii transversale împărțită la aria secțiunii transversale inițiale. Această modificare se măsoară în regiunea gâtuită a epruvetei. Ca și alungirea, se exprimă de obicei ca procent.
După cum s-a discutat anterior, tensiunea este doar unul dintre modurile în care un material poate fi încărcat. Alte moduri de încărcare a unui material includ compresia, încovoierea, forfecarea și torsiunea și există o serie de teste standard care au fost stabilite pentru a caracteriza modul în care un material se comportă în aceste alte condiții de încărcare. O introducere foarte sumară a unora dintre aceste alte proprietăți ale materialelor va fi prezentată pe pagina următoare.