Механические испытания материала определяют его свойства независимо от геометрии детали. Важным шагом в процессе проектирования является знание свойств материала, чтобы убедиться, что он подходит для своего назначения. Эта статья о том, как использовать доступные типы механических испытаний материалов и методы, применяемые для расчета его механических характеристик.

Что такое испытание на растяжение?
Тест на механическое растяжение направлен на то, чтобы полностью охарактеризовать свойства материала при растяжении. Полный профиль свойств при растяжении можно получить, приложив к материалу растягивающее (вытягивающее) усилие и измерив его реакцию на напряжение. С помощью построения таблицы данных, собранных на графике напряжения-деформации, определяются важные свойства, такие как точка разрушения, модуль упругости, предел текучести и деформация.

Какова процедура испытания на растяжение?
Для обеспечения контролируемого и последовательного получения данных, собранных в результате испытания на растяжение, следует выполнить следующую процедуру:
✅ Образец для испытаний обрабатывается на станке с ЧПУ или печатается на 3D-принтере в форме собачьей кости для создания образца.
✅ Испытуемый образец осматривают, чтобы убедиться в отсутствии зазубрин или трещин, связанных с производственным процессом. ✅ Также не должно быть дефектов поверхности, которые могут отрицательно сказаться на тесте.
✅ При тестировании 3D-печатных материалов проводится вторая проверка тестовых образцов, чтобы проверить направление наслоения материала, подтвердить ориентацию печати детали.
✅ Скорость отклонения должна быть установлена и подготовлена для записи данных об удлинении под нагрузкой на машине для испытаний на растяжение.
✅ Затем образец загружается в машину, усилие обнуляется, и начинается испытание на растяжение.
Данные будут записаны в электронном виде в текстовые файлы. На экране компьютера будет отображаться кривая «нагрузка-удлинение в реальном времени», чтобы дать визуальное представление о реакции материала.
Собранные данные используются для создания кривой напряжения-деформации.

Закон Гука (точка А)
Как правило, большинство материалов демонстрируют линейную зависимость между приложенной силой и удлинением образца на начальном участке испытания. Эта линейная область регулируется законом Гука, который гласит, что отношение напряжения к деформации является постоянным. Эта константа известна как «модуль упругости» или «модуль Юнга». Модуль Юнга является мерой жесткости материала и применяется только в начальной линейной области кривой. Образец вернется к своей исходной ненагруженной геометрии в этой области упругости, когда растягивающая нагрузка будет снята.

Предел текучести (точка B)
Точка, в которой материал больше не подчиняется закону Гука, называется «пределом упругости». Эта точка указывает на предел текучести материалов и определяется как напряжение, приложенное к материалу, при котором начинается пластическая деформация. За пределами этой точки происходит остаточная деформация, и материал пластически реагирует на любую дополнительную нагрузку. Он не вернется к своей исходной ненагруженной геометрии после снятия нагрузки.

Предел прочности при растяжении (точка C)
Одним из важнейших свойств, определяемых при испытаниях материалов, является предел прочности при растяжении (UTS). Это максимальное напряжение, которое материал может выдержать во время испытания. В зависимости от характеристик материала (хрупкий/пластичный) UTS может приравниваться или не приравниваться к прочности на разрыв. Однако, это также может варьироваться в зависимости от температуры окружающей среды.

Точка разрушения (точка D)
Это точка, в которой материал не может выдерживать дальнейшее приложенное напряжение и разрывается. Напряжение, связанное с этой точкой, известно как предел прочности.

Испытание на твёрдость используется для определения устойчивости материала к вдавливанию и дает представление о механических свойствах материала. Его можно использовать для измерения прочности, износостойкости и ударной вязкости материала. Это метод неразрушающего контроля, при котором применяется постоянная нагрузка для создания вмятины в материале. Затем измеряется отпечаток для расчета твердости материала. Два наиболее часто используемых метода тестирования: Метод испытаний Роквелла и метод испытаний Виккерса.
Тест Роквелла
Испытание по Роквеллу является наиболее часто используемым испытанием на твердость во всем мире. Это быстрая и простая процедура тестирования, которую можно проводить практически на всех материалах. Он неразрушающий и оставляет лишь небольшую вмятину на материале. Испытание измеряет постоянную глубину отпечатка, производимого индентором при заданном усилии. Более мягкие материалы используют шкалу HRB, а более твердые материалы используют шкалу HRC.
Процедура испытаний по Роквеллу
К испытуемому образцу прикладывают небольшое предварительное усилие с помощью алмазного конуса или стального шарика, известное как предварительная нагрузка. Эта предварительная нагрузка нарушает поверхность материала, чтобы уменьшить любые эффекты отделки поверхности.
Усилие предварительного натяжения удерживается, и измеряется глубина вдавливания, чтобы определить базовую глубину.
Для достижения испытательной нагрузки к материалу прикладывается дополнительное усилие, называемое основной нагрузкой.
Основная нагрузка удерживается в течение установленного времени, чтобы обеспечить упругое восстановление, а затем снижается до силы предварительной нагрузки.
Измеряется окончательная глубина вдавливания, а твердость по Роквеллу рассчитывается на основе базовых и конечных измерений глубины.
Что такое испытание на удар?
Испытание на удар, также известное как испытание с V-образным надрезом, используется для расчета количества энергии, поглощаемой материалом во время удара. Он используется для расчета ударной вязкости материала: чем выше ударопрочность, тем прочнее считается материал. Метод испытаний определяется как кинетическая энергия, необходимая для полного разрушения испытуемого материала за один удар. Используются два метода испытаний: качающийся маятник и более часто используемый тест на удар по Шарпи.
Испытание на удар по Шарпи
Испытание на удар по Шарпи измеряет кинетическую энергию, необходимую для разрушения образца с U-образным или V-образным надрезом при одном ударе. Метод тестирования прост и дешев в проведении, однако он является деструктивным методом тестирования. Образец помещают горизонтально на две не зажатые опоры. Испытания можно проводить при различных температурах, чтобы увидеть, как материал ведет себя в различных условиях, и определить минимальную рабочую температуру материала.

Что представляет собой процедура испытания на удар по Шарпи?

Образец изготовлен с V-образным надрезом: глубиной 2 мм, углом 45 и радиусом 0,25 мм вдоль основания.
Испытываемый образец помещается на опоры с обоих концов, чтобы он был устойчивым, но не зажимался.
Ударная нагрузка используется для удара по противоположной стороне надреза. Если испытуемый образец не разрушается, используется более тяжелый ударный элемент до тех пор, пока он не сломается.
Энергия, поглощенная испытуемым образцом, рассчитывается путем измерения уменьшения движения ударного элемента. Эффективность удара рассчитывается путем деления общей энергии разрушения на площадь разрушения.
Дополнительные методы тестирования
Также может быть важно понимать точный химический состав материала, чтобы гарантировать, что материал, с которым вы работаете, соответствует требуемой спецификации. Лучший способ проверить химический состав материала — провести тест оптической эмиссионной спектрометрии.