Estiramiento estático

La tensión estática  es uno de los tipos de pruebas más comunes para determinar las propiedades mecánicas de los materiales.

Las principales características determinadas durante la prueba

En tensión estática, por regla general, se determinan las siguientes características del material.

Principales tipos de materiales

Es costumbre separar materiales dúctiles y frágiles. La principal diferencia es que los primeros se deforman durante el ensayo con formación de deformaciones plásticas, y los segundos prácticamente sin ellas, hasta su destrucción. Como criterio para la clasificación condicional de los materiales, se puede tomar el alargamiento residual relativo δ \u003d (l to  - l 0 ) / l 0 , donde l 0 y l to  son la longitud inicial y final de la parte de trabajo de la muestra ), generalmente calculado como un porcentaje. Según la cantidad de elongación residual, los materiales se pueden dividir en:

Los materiales existentes pueden ser isotrópicos o anisotrópicos . En este último caso, debido a la diferencia de características en diferentes direcciones, es necesario realizar no una, sino varias pruebas.

Muestras de ensayo de tracción estática

Para los ensayos de tracción estática, se utilizan probetas con secciones transversales tanto redondas como rectangulares. Hay mayores requisitos para la fabricación de muestras, tanto en términos de geometría como en términos de corte. Se requiere una alta uniformidad del diámetro de la muestra a lo largo de su longitud, coaxialidad y alta calidad superficial (baja rugosidad, sin rayas ni muescas). Al preparar muestras, se debe evitar el sobrecalentamiento del material y los cambios en su microestructura.

Las muestras de sección transversal circular, por regla general, tienen una longitud de trabajo igual a cuatro o cinco diámetros, los llamados. muestras cortas o diez diámetros - los llamados. muestras normales. Antes de comenzar la prueba, se mide el diámetro de la muestra (generalmente 6, 10 o 20 mm) para calcular la tensión σ y calcular la contracción residual relativa después de la falla de la muestra. En el caso de usar un extensómetro , la longitud de la parte de trabajo de la muestra no se mide, y la deformación ε y el alargamiento relativo a la falla se registran automáticamente usando una computadora o se miden del diagrama σ - ε. En ausencia de un extensómetro (no recomendado por la norma), se anota la longitud de trabajo de la muestra, la deformación ε se calcula a partir de los desplazamientos del extremo de la muestra (agarre), y el alargamiento relativo a la falla se calcula mediante medir la muestra destruida.

Diagrama de tracción de un material dúctil

Normalmente, el diagrama de tensión es la dependencia de la carga aplicada P del alargamiento absoluto Δl. Las máquinas modernas para pruebas mecánicas le permiten escribir un diagrama en términos de tensión σ (σ = P/A 0 , donde A 0  es el área transversal inicial) y deformación lineal ε (ε = Δl/l 0 ). Tal diagrama se llama diagrama de estrés condicional, ya que no tiene en cuenta el cambio en el área de la sección transversal de la muestra durante la prueba.

La sección inicial es lineal (la llamada sección de deformación elástica). Se le aplica la ley de Hooke :

Entonces comienza la región de deformación plástica. Esta deformación permanece después de la eliminación de la carga aplicada. La transición a la región plástica se detecta no solo por la manifestación de deformaciones residuales, sino también por una disminución en la pendiente de la curva con un aumento en el grado de deformación. Esta sección del diagrama generalmente se denomina área (zona) de rendimiento general, ya que se forman deformaciones plásticas a lo largo de toda la longitud de trabajo de la muestra. Para estudiar y analizar con precisión el diagrama de deformación, las máquinas de prueba modernas están equipadas con un registro computarizado de los resultados.

El módulo de Young se calcula a partir de la pendiente de la sección inicial del diagrama. Para el acero dulce, hay un llamado. "diente de rendimiento" y luego el área del punto de rendimiento. El fenómeno del "diente" de fluidez está asociado con el mecanismo de dislocación de la deformación. En la sección inicial, la densidad de dislocaciones es insuficiente para proporcionar un mayor grado de deformación. Una vez que se alcanza el punto de fluencia superior, comienza la formación intensa de nuevas dislocaciones, lo que conduce a una disminución de la tensión. La deformación adicional en el límite elástico se produce sin un aumento de la tensión . La dependencia del límite elástico del tamaño de grano, d , se expresa mediante la relación Hall-Petch :

Después de alcanzar el final de la meseta de fluencia (deformación del orden de 2 a 2,5 %), comienza el endurecimiento por deformación (área de endurecimiento), visible en el diagrama como un aumento de la tensión a medida que aumenta la deformación. En esta región, hasta que se alcanza la carga máxima (tensión (σ В ), la macrodeformación permanece uniforme a lo largo de la muestra de prueba. Después de alcanzar el punto de máxima resistencia, comienza a formarse el llamado "cuello", un área de deformación concentrada. La ubicación del "cuello" depende de la uniformidad de las dimensiones geométricas de la muestra y la calidad de su superficie. Como regla general, el "cuello" y, en última instancia, el lugar de destrucción se encuentra en la sección más débil. Además, la uniaxialidad del estado de tensión (la ausencia de distorsión de la muestra en la máquina de ensayo) es importante. Para materiales plásticos cuando se prueba la tensión estática Un estado de tensión uniaxial persiste solo hasta que el llamado "cuello ” se forma (hasta que se alcanza la carga máxima y comienza la deformación concentrada).

La vista del diagrama de deformaciones que se muestra en la fig. 1 es típico para materiales bcc con una densidad de dislocación inicial baja.

Para muchos materiales, por ejemplo, con una red cristalina fcc , así como para materiales con una alta densidad inicial de defectos, el diagrama tiene la forma que se muestra en la Fig. 2. La principal diferencia es la ausencia de un límite elástico pronunciado. El valor de la tensión a una deformación residual del 0,2 % (σ 0,2 ) se elige como el límite elástico .

Después de alcanzar la carga máxima, la carga (y, en consecuencia, la tensión σ) disminuye debido a una disminución local en el área de la sección transversal de la muestra. La sección correspondiente (última) del diagrama se denomina zona de fluencia local, ya que las deformaciones plásticas continúan desarrollándose intensamente solo en la región del cuello.

A veces se usa un diagrama de tensión real, S - e (tensión real S = P/A, donde A es el área de la sección transversal de la muestra actual; deformación real e = ln(l+Δl/l), donde l es la longitud actual de la muestra). En este caso, después de alcanzar la carga máxima, no hay caída de voltaje, la tensión real aumenta debido a una disminución local de la sección transversal en el "cuello" de la muestra. Por lo tanto, la diferencia entre los diagramas de tensiones reales y condicionales se observa solo después de la resistencia última; hasta el punto 1, prácticamente coinciden entre sí.

Las muestras hechas de material plástico se fracturan a lo largo de la sección transversal con una disminución del diámetro en el punto de fractura debido a la formación de un "cuello".

Diagrama de tracción de un material frágil

El diagrama de tracción y el diagrama de tensión condicional de materiales frágiles en apariencia se asemejan al diagrama que se muestra en la fig. 2 excepto que no hay disminución en la carga (esfuerzo) hasta el punto de falla. Además, estos materiales no reciben alargamientos tan grandes como los dúctiles y se descomponen mucho más rápido en el tiempo. En el diagrama de materiales frágiles, ya en la primera sección, hay una desviación notable de la relación lineal entre carga y alargamiento (esfuerzo y deformación), por lo que la ley de Hooke puede observarse de manera bastante condicional. Dado que el material quebradizo no recibe deformaciones plásticas, el límite elástico no se determina durante la prueba. Tampoco tiene especial sentido calcular el estrechamiento relativo de la muestra, ya que el cuello no se forma y el diámetro tras la rotura prácticamente no difiere del original.

Efecto de la velocidad de deformación y la temperatura sobre las características de resistencia

Las normas para las pruebas de tracción estática generalmente limitan la tasa de deformación o la tasa de aplicación de la carga. Por lo tanto, la norma ASTM E-8 limita la velocidad de deformación a 0,03–0,07 mm/min. Esta limitación está provocada por una distorsión de los resultados debido a un aumento de la resistencia de los metales con un aumento de la velocidad de deformación (a temperatura constante). A velocidades de deformación de hasta 1 segundo , la velocidad de deformación prácticamente no tiene efecto sobre las características de resistencia (en particular, sobre el límite elástico) (fuente???).

En términos generales, podemos expresar la fórmula para el efecto de la velocidad de deformación sobre el límite elástico en la forma:

donde  es la tasa de deformación;  es el factor atómico,  es el volumen de activación;  - flujo de estrés;  — extrapolación del esfuerzo de fluencia a velocidad de deformación cero.

La misma dependencia da también la dependencia de la tensión de flujo de la temperatura. A bajas temperaturas y en ausencia de transformaciones de fase , aumenta la resistencia de los materiales cristalinos. También contribuye al aumento de la resistencia la transición del proceso de deformación activado térmicamente debido al movimiento de dislocaciones al mecanismo de deformación por maclado.

Estándares de prueba

Literatura

Véase también