Применение экстензометров в испытаниях материалов

В современном мире, где безопасность и надежность конструкций играют ключевую роль, точное определение механических свойств материалов становится первостепенной задачей. Одним из основных инструментов, позволяющих получить эти данные, являются экстензометры – приборы, предназначенные для измерения деформации образца под нагрузкой. Когда материал растягивается, сжимается или изгибается, такое оборудование фиксирует, насколько он изменяет свою форму, и предоставляет точные численные характеристики этих изменений.
      

Зачем измерять деформацию?

Измерение деформации имеет решающее значение для определения таких фундаментальных характеристик материала, как модуль упругости (модуль Юнга), предел текучести, удлинение при разрыве и коэффициент Пуассона. Эти параметры позволяют судить о способности материала выдерживать рабочие нагрузки, его пластичности, упругости и в конечном итоге определить, пригоден ли он для использования в конкретной конструкции. Без точных данных о деформации невозможно корректно спроектировать безопасные и долговечные изделия, будь то мост, самолет, медицинский имплант, элементы автомобиля или даже упаковочные пленки.
     

Измеряемые параметры и их значение

Экстензометры позволяют точно определить ряд ключевых механических характеристик материала:

●    Модуль Юнга (модуль упругости): Характеризует способность материала сопротивляться упругой деформации при растяжении или сжатии. Чем выше значение модуля, тем жестче материал.

●    Предел текучести: Напряжение, при котором материал начинает деформироваться пластически без увеличения нагрузки. Это конец упругой деформации и начало пластической.

●    Удлинение при разрыве (относительное удлинение): Характеризует пластичность материала, показывая, насколько он может удлиниться до разрушения.

●    Коэффициент Пуассона: Отношение относительного изменения поперечной деформации к относительной продольной деформации. Этот параметр важен для характеристики деформационного поведения твердых изотропных материалов.

Модуль Юнга и коэффициент Пуассона полностью характеризуют упругие свойства изотропных материалов, таких как чугун, сталь, пластмасса, гранит. Точное определение этих параметров с помощью экстензометров критически важно для выбора материалов и проектирования надежных конструкций.

Типы экстензометров

Все экстензометры по принципу работы делятся на две основные категории: контактные и бесконтактные (оптические).

Контактные экстензометры

Физически крепятся непосредственно к поверхности образца. Они преобразуют изменение длины образца в электрический сигнал, пропорциональный деформации. Исторически контактные модели используются давно и зарекомендовали себя как надежные устройства, обеспечивающие высокую точность измерений. К их преимуществам также относятся простота использования и, для некоторых модификаций, более низкая стоимость. Однако они могут оказывать воздействие на образец, что делает их менее подходящими для испытаний очень деликатных или малых по величине материалов.

Контактные экстензометры включают несколько типов.

Навесные экстензометры (Clip-on)

Это экономичное решение для стандартных испытаний, требующих высокой точности. Они устанавливаются непосредственно на образец с помощью ножей или зажимов. Передача измеряемого пути короткая и жесткая, что способствует высокой точности. Модификации могут отличаться диапазоном измерений и установочной базой образца. Навесные экстензометры могут использоваться при повышенных или пониженных температурах совместно с печами и камерами. Примером таких приборов являются навесные измерители продольной деформации серии ИДК-Н производства компании «Эталон-Профит». Они применяются для измерения продольной деформации при растяжении образцов из металлов, сплавов, композитов, керамики, дерева. Эти датчики высокочувствительны к изменениям длины образца и могут использоваться как самостоятельно, так и в составе испытательных машин.

Длинноходовые экстензометры 

Разработаны для материалов с большой деформацией, таких как резина, полимеры, пленки, текстильные волокна. Они способны измерять растяжение образцов на очень большую величину (до 1000 мм). Длинноходовые экстензометры крепятся к образцу и могут оставаться на нем до момента разрушения, измеряя крайне большие растяжения без потери точности. Примером такого прибора является длинноходовой измеритель продольной деформации серии ИДК-Д. Эти стационарные контактные экстензометры используются для высокоэластичных полимерных материалов при растяжении или сжатии. Они могут применяться как отдельно, так и в составе испытательных машин, включая работу внутри термокамер с удлиненными щупами

Автоматические экстензометры

Эти приборы значительно повышают производительность испытательного оборудования. Они способны устанавливаться на образец автоматически, обеспечивая лучшую повторяемость результатов по сравнению с ручными методами. Автоматические экстензометры не оказывают значительного воздействия на образец и могут оставаться на нем до разрушения. Они обладают высоким разрешением и точностью. Примером является автоматический измеритель продольных перемещений серии ИДК-А. Эти электронные измерители деформации предназначены для автоматических измерений перемещений и деформаций при растяжении, сдвиге, срезе, сжатии, сплющивании. Они оснащены автоматической системой управления зажимами и используются с испытательными машинами для различных материалов, включая металлы, дерево, резину, пластмассы, пленки, композиты.

Экстензометры для сжатия и изгиба

Представляют собой отдельную группу, часто выполненную в виде измерительных щупов. Они могут входить в состав специальных приспособлений для испытаний на сжатие и изгиб. Измерители перемещений серии ИДК-П компании «Эталон-Профит» являются контактными экстензометрами, предназначенными для измерений деформации (прогиба) образцов при испытаниях на изгиб и сжатие. Они применяются для металлов, пластмассы, дерева, композитов и могут использоваться стационарно в составе испытательных машин. В процессе испытания они фиксируют изменение положения каретки, которое преобразуется в электрический сигнал, используемый для расчета деформации.

Высокотемпературные экстензометры

Специализированные контактные экстензометры, разработанные для работы в условиях высоких температур, например, в лабораторных печах, а также при нормальных и низких температурах в термокриокамерах. Они служат для измерения удлинений материалов при термических испытаниях. Высокотемпературные измерители продольной деформации серии ИДК-ВТ от «Эталон-Профит» являются навесными усредняющими экстензометрами, предназначенными для металлов, сплавов, керамики, композитов при растяжении при высоких температурах (до 700/1100 °C). Их конструкция позволяет устанавливать их по меткам на базе образца, а датчики перемещений отслеживают удлинение.

Бесконтактные (оптические) экстензометры

Эти приборы работают без физического контакта с образцом, используя оптические методы, такие как видеокамеры или лазеры. Они особенно удобны в случаях, когда использование контактного экстензометра невозможно или нежелательно. Например, при испытаниях очень деликатных материалов (пленок, нитей), которые могут быть повреждены контактом, или когда масса навесного экстензометра искажает свойства образца. Бесконтактные экстензометры часто применяются при испытаниях при повышенных или пониженных температурах. К ним относятся видеоэкстензометры и лазерные экстензометры. Принцип действия лазерных экстензометров заключается в сканировании лазерным лучом контрастных меток, нанесенных на образец. Бесконтактные системы могут измерять деформацию вплоть до разрушения образца без риска повреждения самого прибора. Среди их преимуществ также возможность работы в труднодоступных средах, определение коэффициента Пуассона при использовании двух приборов одновременно, и отсутствие смещения результатов при длительных исследованиях. К недостаткам можно отнести сложность настройки, более высокую стоимость, зависимость от качества оптической системы и необходимости наличия четких меток на образце.

Применение экстензометров в различных отраслях

Благодаря своей универсальности и высокой точности, экстензометры нашли широкое применение во многих сферах:

●    Промышленность и металлургия: Контроль прочности и деформации металлов, сплавов, пластмасс, композитов для различных изделий.

●    Автомобильная и аэрокосмическая промышленность: Испытания автодеталей и структурных элементов самолетов/космических аппаратов для обеспечения безопасности и надежности.

●    Строительство: Контроль строительных материалов (бетон, сталь, дерево) и мониторинг состояния конструкций (мосты, здания, тоннели).

●    Производство полимеров, текстиля, бумаги: Испытания высокоэластичных материалов, пленок, тканей, шнуров.

●    Научные исследования и образование: Получение точных данных о поведении материалов при различных условиях, разработка новых материалов.

●    Нефтегазовая отрасль, производство медикаментов, клинического оборудования.

Экстензометры работают как в обычных лабораторных условиях, так и в специальных камерах, позволяющих проводить испытания при экстремальных температурах (от -265°С до +200°С для некоторых навесных моделей, до 1100°C для высокотемпературных контактных экстензометров).

Экстензометры в составах испытательных систем

Чаще всего экстензометры используются в составе испытательных машин, таких как разрывные или универсальные электромеханические машины, а также прессы для испытаний на сжатие и изгиб. Например, компания «Эталон-Профит», являясь производителем испытательного оборудования, предлагает ряд экстензометров, разработанных для работы со своими машинами.

Типовой процесс испытания с экстензометром включает нанесение меток на образец (для некоторых типов), установку экстензометра на расчетную длину, подачу нагрузки испытательной машиной, и фиксацию прибором деформации образца. Полученные данные обрабатываются программно-техническим комплексом (ПО) на компьютере или пульте оператора, где рассчитываются все необходимые характеристики материала.

Каждый тип экстензометра имеет свои особенности и области применения. Например, навесные экстензометры серии ИДК-Н подходят для измерения продольной деформации металлов и композитов при растяжении и утверждены в Государственном реестре средств измерений. Длинноходовые экстензометры серии ИДК-Д, также утвержденные в Госреестре, специализируются на высокоэластичных полимерах с большим удлинением при растяжении или сжатии. Автоматические экстензометры серии ИДК-А, зарегистрированные в Госреестре, обеспечивают автоматизированные измерения для широкого спектра материалов и видов нагружения. Для высокотемпературных испытаний металлов и сплавов применяются навесные экстензометры серии ИДК-ВТ, а для испытаний на изгиб и сжатие используются измерители прогиба серии ИДК-П.

Выбор конкретной модели зависит от таких факторов, как материал и форма образца, требуемая точность, условия испытания (температура, среда) и соответствующие стандарты.

Заключение

Экстензометры являются незаменимыми измерительными приборами в области механических испытаний материалов. Они позволяют с высокой точностью определять деформационные свойства образцов, что критически важно для характеристики материалов, контроля их качества, обеспечения безопасности и надежности конструкций в самых различных отраслях промышленности и науки. Благодаря разнообразию типов и модификаций, таких как контактные навесные, длинноходовые, автоматические экстензометры, а также специализированные приборы для высокотемпературных испытаний или измерений прогиба, производители испытательного оборудования, например, компания «Эталон-Профит», предлагают решения практически для любых задач по измерению деформации материалов. Использование этих приборов в составе испытательных машин позволяет получать комплексную и достоверную информацию о механическом поведении материалов, способствуя прогрессу в создании более прочных, долговечных и безопасных изделий.

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