Испытание на относительное сужение

 
В инженерной практике и материаловедении прочность, безусловно, остается главной характеристикой, определяющей способность конструкции выдерживать нагрузки и обеспечивать безопасность. Однако не менее важную роль играет другой параметр — пластичность. Именно она позволяет материалу деформироваться, не разрушаясь, предотвращая хрупкий излом и обеспечивая податливость металла в процессе производства. Наиболее точным и важным показателем этой способности является относительное сужение (ОС).

Относительное сужение — это важнейшая характеристика, определяющая, насколько сильно образец материала уменьшился в поперечном сечении в месте разрыва по сравнению с его первоначальным размером. Эта величина, выраженная в процентах, представляет собой отношение разности между первоначальной площадью поперечного сечения цилиндрического образца и его минимальной площадью, измеренной после разрыва, к первоначальной площади.

Относительное сужение является одним из двух ключевых параметров, наряду с относительным удлинением, которые дают полное представление о степени пластичности материала.

В отличие от хрупкого разрушения, когда излом происходит практически мгновенно после достижения предела прочности, разрушению пластичных материалов предшествует явление, известное как формирование «шейки». При растяжении деталь начинает постепенно сужаться в наиболее ослабленном месте, и это сужение интенсивно нарастает непосредственно перед моментом разрыва, который наступает при достижении максимального временного сопротивления (предела прочности). Именно количественное выражение этого сужения и дает относительное сужение.

Пластичность металлов и сплавов

Показатель относительного сужения напрямую влияет на технологические возможности металлов и сплавов. Чем выше значение сужения, тем более пластичен материал, и тем легче он поддается различным видам механической обработки давлением, таким как:

Сплавы с высокой пластичностью (высоким относительным сужением) необходимы в тех отраслях, где требуется значительная деформация металла без нарушения его структурной целостности. Однако существует обратная зависимость: одновременный рост пластичности, как правило, приводит к снижению прочности и способности материала сопротивляться совокупности эксплуатационных нагрузок.

Инженеры и производственники, разрабатывая арматуру, компоненты железнодорожного полотна, детали машин и строительные металлоконструкции, стремятся найти баланс: подобрать такую марку сплава, которая будет достаточно технологичной для изготовления (высокая пластичность), но при этом обладать достаточной прочностью для длительной и безопасной эксплуатации. Точное знание относительного сужения позволяет им принимать обоснованные решения.

Материалы с низкой пластичностью (относительное сужение которых находится в пределах до 5% или даже близко к нулю) считаются хрупкими. Они не могут быть обработаны давлением, так как разрушаются даже при незначительной давящей или растягивающей нагрузке.

Примеры пластичности

Различные металлы и сплавы демонстрируют кардинально отличающиеся значения относительного сужения:

• Вольфрам, известный своей тугоплавкостью, характеризуется показателем близким к нулю, что определяет его как очень хрупкий материал, который практически не деформируется перед разрывом.
• Молибден имеет умеренную пластичность, с показателями относительного сужения в диапазоне 12–40%.
• Алюминий обладает высокой пластичностью, достигая значения около 80%, что позволяет легко деформировать его.
• Такие металлы, как золото (~90%) и свинец (92–100%), демонстрируют максимальную пластичность. Свинец легко вытягивается и сжимается, что и подтверждается его высочайшим показателем сужения.

Испытание на растяжение. Методика определения относительного сужения

Относительное сужение определяется в ходе стандартного статического испытания на растяжение. Образец (чаще всего цилиндрической формы) устанавливается в универсальную испытательную машину и растягивается с плавно возрастающим усилием до полного разрушения.
Во время этого процесса машина непрерывно регистрирует силу и деформацию, позволяя определить такие характеристики, как временное сопротивление (предел прочности) и предел текучести.

Однако, в отличие от других параметров, относительное сужение измеряется не в процессе нагружения, а после разрыва образца. Используя высокоточные измерительные инструменты, лаборант замеряет минимальную площадь поперечного сечения в том месте, где произошел излом (наименьший диаметр «шейки»). Далее по специальным формулам рассчитывается процентное отношение этого минимального сечения к первоначальной площади образца.

Температурный фактор

Способность металла к пластической деформации, выраженная относительным сужением, не является постоянной величиной. Она сильно зависит от температуры, при которой эксплуатируется конструкция или деталь.
Когда детали работают в условиях сильного нагрева (например, в двигателях, печах, оборудовании ТЭЦ), температура существенно увеличивает пластичность металла. Это явление должно быть учтено при проектировании, так как чрезмерная пластичность может привести к необратимой деформации или ползучести. Для оценки прочности и пластичности в таких условиях проводятся специальные испытания.

Металлические конструкции, работающие на открытом воздухе в северных регионах или в криогенной технике, подвергаются воздействию холода. При охлаждении пластичность металла незначительно уменьшается. При этом пластичные при обычной температуре сплавы могут стать хрупкими при низких температурах, что требует тщательной проверки их свойств.
Поскольку температурный режим кардинально меняет поведение материала, испытания для получения характеристики пластичности, включая относительное сужение, проводятся при пониженных, нормативных и повышенных температурах.

Нормативное регулирование

Точное и воспроизводимое определение относительного сужения возможно только при строгом соблюдении государственных стандартов, которые регламентируют методы проведения испытаний на растяжение и требования к оборудованию.
Для оценки относительного сужения используются следующие ключевые ГОСТы:

1. ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение»: Этот стандарт устанавливает общие методы статических испытаний на растяжение для металлов и изделий из них. Он используется для определения основных механических свойств, включая относительное сужение, при нормальной комнатной температуре (20 °C).
2. ГОСТ 9651-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах»: Этот документ регламентирует методику проведения статических испытаний на растяжение для черных и цветных металлов при повышенных температурах — в диапазоне от 35 до 1200 °С. Его цель — оценить, как изменяется относительное сужение и другие механические свойства металла, работающего в условиях сильного нагрева.
3. ГОСТ 11150-84 «Металлы. Методы испытания на растяжение при пониженных температурах»: Стандарт устанавливает методы испытаний на растяжение для металлов при пониженных температурах — в диапазоне от 0 до минус 100 °С. Он используется для определения относительного сужения и других характеристик, что критически важно для оценки надежности металлических конструкций, эксплуатируемых в холодных климатических условиях.

Оборудование для статических испытаний

Для точного и контролируемого определения относительного сужения необходимы высокоточные универсальные испытательные машины и специализированные системы для моделирования температурных режимов.
Компания Эталон-Профит производит оборудование для статических испытаний, используемое для оценки относительного сужения:

Универсальные испытательные машины (УИМ)
Эти машины являются основным инструментом, так как они обеспечивают контролируемое растяжение образцов до их разрушения. УИМ позволяют моделировать все варианты статических нагрузок, включая растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Эталон-Профит предлагает УИМ различных конфигураций, таких как одноколонные, двухколонные и четырехколонные исполнения. Для испытаний длинномерных или крупногабаритных образцов могут применяться горизонтальные машины.

Системы температурных испытаний (СТИ)
Для соответствия требованиям ГОСТ 9651 и ГОСТ 11150 необходимо использовать интегрированные СТИ.
Для испытаний при повышенных температурах применяются высокотемпературные электрические печи серий СТС и СТС-М, которые создают равномерный температурный фон.
Для испытаний при пониженных температурах используются криотермостаты серий СКС (с охлаждением жидким азотом) и СКС-М (с фреоновой системой), которые воссоздают климатический фон, свойственный низким температурам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Относительное сужение является незаменимой характеристикой, которая позволяет инженерам точно оценить пластичность материала, его способность к деформации без разрушения и технологичность при обработке. Точное измерение этого параметра с использованием универсальных испытательных машин и систем температурного контроля, в соответствии с нормативными требованиями, такими как ГОСТ 1497, 9651 и 11150, обеспечивает долговечность и безопасность критически важных конструкций.

Контакты Эталон-Профит 8 (4932) 57-43-34 , office@etalon-profit.ru