Tahová zkouška je pokus z fyziky , která umožňuje:
a to ve stavu jednoosého stresu .
Některé vyrobené předměty musí mít minimální pevnost, aby odolaly zatížení, hmotnosti a mnoha dalším snahám. Zkouška tahem umožňuje charakterizovat materiály bez ohledu na tvar předmětu pod tlakem nebo na výkon mechanické sestavy . Jako každá mechanická zkouška, zkouška tahem reprodukuje jednoduché napětí, tedy daleko od skutečných napětí, ale snadno ovladatelné a reprodukovatelné.
Tento test nebo experiment spočívá v umístění malé tyče zkoumaného materiálu mezi čelisti trakčního stroje, která táhne za tyč, dokud se nerozbije. Zaznamená se prodloužení a použitá síla, které se poté převedou na přetvoření a napětí . Moderní variantou zkoušek v tahu je použití odstředivé síly na sestavu pro generování tahového napětí. Když se mezní hodnota pevnosti v tahu (vyjádřená v MPa nebo N) sestavy nebo vazby rovná aplikované odstředivé síle, vygeneruje se jejich prasknutí a zaznamená se mez porušení. Výhoda spočívá v provádění testů baterie na několika vzorcích vystavených během testu přísně stejnému namáhání.
Zkouška tahem dává několik důležitých hodnot:
Obvyklá velikost a jednotka | Příjmení | Kvalita (y), vlastnosti | Chování |
---|---|---|---|
E , GPa | Youngův modul | Tuhost-Flexibilita: tuhá, pokud je E vysoká, flexibilní, pokud je E nízká. | Pružnost |
R e (nebo ), MPa | Mez pružnosti | Tvrdost: hard-li R e je vysoký, měkký-li R e je nízká. | Elastoplasticita |
R m (nebo ), MPa | Síla (napětí při přetržení) | Odpor: odolný, pokud je R m vysoký. | Elastoplasticita |
A %, bezrozměrný (%) | Prodloužení% (přetvoření, relativní prodloužení při přetržení) |
Tažnost, tvárnost, křehkost: křehká, pokud A % je nízké; tvárná, tvárná, je-li A % vysoké | Elastoplasticita |
Zkoušky lze provádět na válcové tyči nebo na obdélníkovém průřezu ( plochý zkušební kus ). Válcový zkušební kus umožňuje mít symetrický systém a jednoduchý závěsný systém (šroubováním), plochý zkušební kus umožňuje vidět, co se děje na jedné straně: vzhled posuvných čar, tvar krystalitů ( metalografie ), textura měření pomocí rentgenové difraktometrie , atd
Standardní vzorky pro zkoušku tahem
Schematické znázornění válcového zkušebního vzorku
Vzorek praskl po zkoušce tahem
Chování při zkoušce tahem: (a) křehké , (b) tvárné ac) zcela tvárné.
Konce vzorku jsou rozšířeny zaoblením, aby se zajistilo, že plastická deformace a prasknutí proběhnou ve střední části vzorku: jevy kontaktu na úrovni spojení se strojem jsou složité a nepředstavují to, co chceme testovat, takže omezíme dopad testu na tyto oblasti. Rozměry zkušebního kusu jsou standardizované, což nevylučuje použití jiných tvarů zkušebních kusů, pokud test nemusí splňovat normy (například v kontextu výzkumu a vývoje).
Válcové vzorky se obvykle získávají soustružením . Ploché vzorky lze získat řezáním plechu a následným frézováním .
Zkušební vzorky se často odebírají ze skutečné součásti nebo z polotovaru (ingotu, plechu, profilu atd. ). V tomto případě je důležité místo, kde se odebere zkušební vzorek, a směr odběru vzorků: materiál je často heterogenní a anizotropní . To představuje problém reprezentativnosti testu ( vzorkování ).
Zkouška má však smysl pouze tehdy, je-li samotný zkušební kus homogenní, což je obecně zaručeno jeho malou velikostí ve srovnání s odchylkami ve vlastnostech materiálu. Kromě toho se pro analýzu výsledku obecně považuje za izotropní.
V testovacím kusu nás zajímá kalibrovaná část, což je část, ve které se průřez nemění (část jednotné šířky). V této kalibrované části nakreslíme z listů dvě referenční značky „trochu na dálku“; síly a deformace v této části mezi referenční značkou se považují za jednotné ( princip Saint-Venant ). Délka kalibrovaného dílu je označena L c . Délka části mezi značkami je označena L 0 a může být pevná nebo proporcionální:
nebo:
V praxi je hodnota k přijatá na mezinárodní úrovni 5,65 (norma ISO 6892-1), což odpovídá n = 5 pro válcový zkušební kus:
L 0 = 5 × d 0 nebo odkud pózováním získáváme: .Vyjádření hodnoty prodloužení musí být vždy spojeno s testovacím kusem, který byl použit k měření; je nezbytné specifikovat L 0 a S 0 pro neproporcionální zkumavku a k nebo n pro proporcionální zkumavku. Převod hodnot prodloužení je možný z norem ISO 2566-1 (uhlíkové oceli) a ISO 2566-2 (austenitické oceli).
Zkouška se provádí na tažném stroji. Jakmile je vzorek na místě, je aplikováno mírné předpětí, aby se zajistilo, že nedojde k vůli . Poté se při konstantní rychlosti provede posunutí rozpětí, které má za následek protažení zkušebního kusu, a změří se síla generovaná tímto posunem; pohyb lze provádět pomocí nekonečného šroubového systému nebo hydraulického pístu , síla se měří elastickou deformací rozpětí nebo častěji snímačem síly zasunutým do linie zatížení.
Zkouška se zastaví, když se zkušební kus rozbije.
Rychlost lze vyjádřit v mm / min nebo v% / s (procento užitečné délky za sekundu).
Rychlost je důležitým parametrem testu: množství běžně požadován ( R e , R m , atd. ), Které vyžadují nízkou rychlost, aby se omezil vliv lokálního ohřevu na jedné straně, a zajistit kinetiky změny struktury materiálu dostatečně pomalé, aby byly reprezentativní a reprodukovatelné.
Z posunutí u rozpětí se vypočítá nominální (nebo konvenční) deformace, někdy nazývaná „prodloužení“ a zaznamenaná e :
nebo:
a ze síly F , měřené dynamometrem , se vypočítá jmenovité (nebo konvenční) napětí , také nazývané „jednotkové zatížení“ a zaznamenané s :
kde A 0 je plocha průřezu v kalibrované části zkušebního kusu. Takto získáme konvenční křivku R = ƒ ( e ).
Konvenční křivka je pro většinu aplikací dostatečná. Pokud však někoho zajímají jemné jevy s jevy s velkými deformacemi, je třeba vzít v úvahu změnu rozměrů zkumavky. Definujeme pro toto:
kde L je skutečná délka části mezi značkami, L = L 0 + Δ L ;
od té doby :
a ;je :
.Křivka σ = ƒ ( ε I ) se nazývá „racionální křivka“.
Pokud se variace průřezu určuje vycházející z Poissonova poměru ν , v pružnosti, pak:
. Najdeme předchozí případ, kdy ν dosáhne své mezní hodnoty: ½.Zpočátku je deformace elastická . Křivka v tahu je tedy přímka, sklon této přímky dává Young E modul .
Od určitého prodloužení se křivka ohne: toto je začátek plastické deformace . Přechod může být přímočarý ( selhání sklon ), díky němuž je snadné určit mez pružnosti R e . V tomto případě obecně existuje plošina se stresem menším než maximální napětí v elastické doméně, což odpovídá skutečnosti, že dislokace jsou osvobozeny od cizích atomů, které je přitlačily (viz Cottrelův mrak ). Poté definujeme vysokou mez pružnosti, R eH , což je maximum pružné části, a dolní mez pružnosti, R eL ( nízká ), odpovídající plató.
Pokud porucha svahu není přímá - to je zejména případ velmi tažných materiálů - je konvenční mez pružnosti definována jako napětí způsobující 0,2% zbytkové deformace, R e 0,2 ; lze jej také definovat pro další hodnoty zbytkového napětí (například R p 0,1 pro 0,1% napětí).
Křivka v tahu poté vykazuje maximum, které určuje obvyklou pevnost v tahu R m . Plastová prodloužení v tomto místě se nazývá protažení při maximálním zatížení a je označován g ; je to maximální zbytkové napětí, které může člověk uvalit. Rovněž definujeme celkové prodloužení při maximálním zatížení A gt , které zahrnuje pružnou deformaci. Parametr g poskytuje informace o maximální deformace, které může být dosaženo pro tvarování, a GT umožňuje nastavit tvarovací zařízení (protože se jedná o celkovou deformaci, která je uložena).
Od tohoto bodu je deformace soustředěna do jedné zóny, to je zúžení („zúžení“). Registrovaná síla klesá, protože řez se zmenšuje v oblasti výstřihu.
K prasknutí pak dochází v zúžené zóně. Jednotkové zatížení s nemá v okamžiku poruchy žádný zvláštní význam, protože napětí ve vzorku již není homogenní.
Racionální trakční křivka se vždy zvyšuje. Zúžení označuje inflexní bod , protože průřez klesá rychleji než síla. Je třeba poznamenat, že skutečné napětí σ dosažené v okamžiku poruchy je mnohem větší než nominální napětí s.
Pouzdro z materiálu s tažným hákem.
Pouzdro z materiálu, který má měkký elastický / plastový přechod.
Racionální křivka v tahu typická pro tvárný materiál.
Porovnání konvenční křivky s racionální křivkou uhlíkové oceli
Počátek zúžení lze stanovit podle zákona chování, kritéria Zvažte : kde σ a ε jsou racionální napětí a přetvoření (true). Tato prahová hodnota odpovídá okamžiku, kdy je účinek kalení kalením přesně kompenzován účinkem zmenšení průřezu. Odpovídá maximu konvenčních napětí s .
Zlomenina tvář ze vzorku vykazuje typický směr selhání při 45 ° vzhledem k ose v tahu. Toto je skutečně směr, kde je smykové napětí maximální (viz Mohrova kruh> jednoosé napětí ).
Na rozbitém vzorku měříme:
Určujeme tedy:
V případě křehkého materiálu k prasknutí dochází na konci oblasti pružnosti. Lomová plocha je obecně kolmá k ose tahu. Prodloužení při přetržení je nulové nebo velmi nízké.
Z křivky můžeme odvodit pouze Youngův modul E a pevnost v tahu R m .
Pokud na zkušebním vzorku vytvoříme zářez, vyvolá to koncentraci napětí charakterizovanou koeficientem K t . Při zdánlivém jednotkovém zatížení tedy dochází k prasknutí mnohem menšímu než R m .
V únavových studiích se často používají vzorky s vrubem : to urychluje test, který může zahrnovat několik milionů cyklů, a my víme, kde se trhlina objeví, což ji umožňuje sledovat.
V mechanismu nebo konstrukci se části nesmí zlomit, což znamená, že tahová napětí jsou menší než R m . Musí však také dodržet své rozměry, jinak mechanismus již nemusí fungovat (viz Světlá výška (mechanika) ).
Při výrobě a provozu, které představují nejistoty, použijeme bezpečnostní koeficient s (nebo někdy označený n ), obvykle mezi 2 a 5. Poté definujeme praktickou mez pružnosti R pe :
.Posouzení mezního zatěžovacího stavu nebo mezního stavu únosnosti (ULS) je tedy validováno, pokud pro všechny tahové konstrukce platí:
σ ≤ R pe .Bezpečnostní koeficient závisí na pravidlech daného oboru nebo na normách. Obecně máme:
U křehkých materiálů je praktická odolnost proti roztažení založena na pevnosti v tahu, takže bezpečnostní faktor je vyšší:
.V některých aplikacích brání nadměrná elastická deformace dílu správné funkci mechanismu. V tomto případě je mezní síla menší než určená R pe a závisí na pružnosti součásti, která je odvozena od Youngova modulu E a geometrie součásti. Poté navrhujeme podle mezního stavu v provozu (SLS).
Zkouška tahem modeluje napětí v tahu a lze ji také použít přímo pro napětí v tlaku. Ale tyto případy jsou poměrně vzácné: ojnice, popruh, řetěz, kabel, spojovací tyč. Obecně platí, že napětí je různé ( smykové , ohybové , torzní , složené napětí), ai když je díl vystaven jednoosému napětí, složitost jeho tvaru znamená, že lokálně na dílu nejsme v stav jednoosého napětí.
Lze však extrahovat ekvivalentní napětí σ éqv počínaje tenzorem napětí, jako je napětí von Mises nebo Tresca. Ověření na ELU se pak stává:
σ éqv ≤ R pe .Zkoušky tahem musí obecně vyhovovat požadavkům norem, které definují tvar, rozměry, zkušební rychlosti, kalibraci stroje, přesnost zařízení, definici charakteristik, informace, které mají být uvedeny ve zkušebním protokolu. U kovových materiálů je referenční normou EN ISO 6892-1 : Kovové materiály - Zkouška tahem - Část 1 : Zkušební metoda při pokojové teplotě.