اختبار الشد: دليل علمي كامل - TESTEX

يُطلق على اختبار تحديد المادة تحت التوتر اسم اختبار الشد ، المعروف أيضًا باسم اختبار الشد. إنها إحدى الطرق الأساسية لاختبار الخواص الميكانيكية للمواد وتستخدم للتحقق من أداء المادة وما إذا كانت تلبي المعايير ذات الصلة. هذا المنشور معني بما يلي.

• ما هو اختبار الشد؟ ما الذي يمكن اختباره؟
• المفاهيم والمصطلحات المتعلقة باختبار الشد
• ما هو اختبار الشد؟ ما هي المواد التي يمكن اختبارها؟
• التحضير لاختبار الشد
• إجراءات اختبار الشد
• اختبار الشد: المراحل الأربع للإجهاد والانفعال
• معايير الاختبار الشائعة لاختبار الشد
• ما هي العوامل التي تؤثر على مقاومة الشد في اختبار الشد؟

ما هو اختبار الشد؟ ما الذي يمكن اختباره؟

اختبار الشد هو تطبيق قوة الشد على عينة في ظل ظروف معينة لتحديد مقاومة العينة للحمل المطبق. على سبيل المثال ، يمكن أيضًا اشتقاق مؤشر القوة ودليل اللدونة للمادة ، بالإضافة إلى تشوه البلاستيك للمادة.

يمكن استخدام البيانات التي تم الحصول عليها من اختبار الشد لتحديد حد المرونة والاستطالة ومعامل المرونة والحد التناسبي وتقليل المساحة وقوة الشد ونقطة الخضوع وقوة الخضوع وخصائص الشد الأخرى للمادة.

مؤشرات القوة

• قوة المادة هي القوة لكل وحدة مساحة للمادة في Pa.
• 1 باسكال = 1 نيوتن / متر مربع
• ومع ذلك ، فإن الوحدة Pa صغيرة جدًا ، لذلك في الهندسة العملية ، غالبًا ما يتم استخدام MPa كوحدة للقوة ، على سبيل المثال ، تتراوح قوة الخضوع للفولاذ بشكل عام من 100 ~ 2000 ميجا باسكال.
• 1 ميجا باسكال = 10⁶ Pa

• قوة الخضوع العليا: ReH = FeH / إذن (So يشير إلى منطقة المقطع العرضي الأصلية ، FeH يشير إلى القوة المحورية المقابلة لنقطة العائد العليا)
• انخفاض قوة الخضوع: ReL = FeL / لذا (So يشير إلى منطقة المقطع العرضي الأصلية ، فيل يشير إلى القوة المحورية المقابلة لنقطة العائد المنخفضة)
• قوة الشد: جمهورية مقدونيا = فماكس / هكذا (اف ماكس هي أقصى قوة محورية)

ظاهرة الغلة ليست مادة واضحة ، لإنتاج 0.2 ٪ تشوه متبقي من قيمة الإجهاد لحد العائد ، والمعروف باسم حد العائد الشرطي أو قوة الخضوع الشرطية. ستؤدي القوى الخارجية التي تزيد عن هذا الحد إلى فشل الجزء بشكل دائم ولا يمكن استعادته.

• يتمتع الفولاذ الصلب (الفولاذ عالي الكربون) بقوة عالية ، ودونة ضعيفة ولا توجد مرحلة إنتاجية واضحة في عملية الشد ، لذلك لا يمكن تحديد قوة الخضوع مباشرة ، ويتم استخدام قوة الخضوع المشروطة بدلاً من قوة الخضوع.
• مقاومة الخضوع الشرطية: Rp0.2 ، مما يشير إلى الضغط المقابل لاستطالة بلاستيكية محددة بنسبة 0.2٪.

مؤشر اللدونة

عندما يتم سحب العينة ، يختفي التشوه المرن ، لكن يبقى التشوه البلاستيكي. في الهندسة ، يتم استخدام التشوه المتخلف بعد سحب قطعة الاختبار للإشارة إلى مؤشر اللدونة للمادة. هناك نوعان من مؤشرات اللدونة شائعة الاستخدام.

• الاستطالة: A = (Lu - Lo) / Lo * 100٪
• انكماش القسم: Z = (So - Su) / So * 100٪

المفاهيم والمصطلحات المتعلقة باختبار الشد

الإجهاد والتوتر

الإجهاد: الإجهاد هو القوة في المنطقة التي يعمل فيها ، معبرًا عنه بـ N / mm² ، وبالوحدات المترية مثل kPa أو MPa.

الانفعال: الانفعال هو معدل التغيير في أبعاد مادة الاختبار ، وهو التغير في الأبعاد الناجم عن تحميل الإجهاد. نظرًا لأن الإجهاد هو معدل تغيير ، فلا يوجد لديه وحدات.

المصطلحات المتعلقة بالعينة

• مساحة المقطع العرضي So: المساحة المقطعية الأصلية للعينة قبل الاختبار.
• المقياس الأصلي Lo: حجم العينة قبل تطبيق القوة.
• مسافة ما بعد الاستراحة Lu: مسافة العينة بعد الكسر.
• الطول المتوازي Lc: طول الجزء الموازي للعينة بين الرأسين أو الجزئين المثبتين.
• استطالة بعد الكسر A: نسبة الاستطالة المتبقية للعينة بعد علامة الكسر (لو - لو) إلى العلامة الأصلية Lo ، معبرًا عنها بالنسبة المئوية.
• انكماش القسم Z: نسبة الحد الأقصى في مساحة المقطع العرضي (لذا - سو) إلى منطقة المقطع العرضي الأصلي So بعد كسر العينة ، معبراً عنها بالنسبة المئوية.

ما هو اختبار الشد؟ ما هي المواد التي يمكن اختبارها؟

• يُعرف اختبار الشد أيضًا باسم آلة اختبار الشد العالمية. جهاز اختبار الشد هو عبارة عن آلة اختبار القوة الميكانيكية المستخدمة في التحميل الثابت ، والتمدد ، والضغط ، والانحناء ، والقص ، والتمزيق ، والتقشير ، واختبار الخواص الميكانيكية الأخرى للمواد المختلفة. آلة قوة الشد هي عبارة عن معدات اختبار لا غنى عنها لتطوير المواد ، واختبار الخصائص الفيزيائية ، والتعليم والبحث ، ومراقبة الجودة ، وما إلى ذلك. آلة اختبار الشد العالمية مستخدمة على نطاق واسع للغاية ويمكن استخدامها لاختبار الأنواع التالية من المواد.

• المواد المطاطية: منتجات المطاط ، الخراطيم ، الأشرطة ، الحلقات ، الإطارات وغيرها من المواد والمنتجات المطاطية.
• المواد البلاستيكية: المنتجات البلاستيكية والأفلام والأنابيب والألواح ومواد التعبئة والتغليف ومنتجات النايلون واللفائف المقاومة للماء والمواد والمنتجات البلاستيكية الأخرى.
• المواد المعدنية: المنتجات المعدنية ومنتجات الفولاذ المقاوم للصدأ والمسامير والأسلاك الفولاذية ومنتجات السبائك والمواد والمنتجات المعدنية الأخرى.
• مواد البناء: الخشب ، الألواح ، الزجاج ، الخرسانة ، منتجات الجرافيت ، إلخ.

التحضير لاختبار الشد

يعد موقع واتجاه وعدد العينات ثلاثة عوامل لها تأثير كبير على نتائج اختبارات خصائص المواد. يجب أن يكون موقع واتجاه وعدد العينات التي سيتم أخذها وفقًا لمعيار المنتج ISO 377 أو الاتفاقية ذات الصلة.

طريقة أخذ العينات

• أخذ العينات مباشرة من المواد الخام.
• تؤخذ عينات من مناطق مهمة بالمنتج (الأجزاء الأضعف والأكثر خطورة).
• الاختبار المباشر مع الأجزاء المادية ، مثل قضبان التسليح أو البراغي أو البراغي أو السلاسل.
• الاختبار مباشرة على عينات مصبوبة أو عن طريق تشكيل العينات.

تجهيز العينات

• لمنع الخواص الميكانيكية من التأثر بالتشوه البارد أو الحرارة. عادة ما يتم تشكيلها بشكل أساسي عن طريق القطع.
• يجب أن تكون الأقسام المتوازية ناعمة وخالية من تصلب العمل وخالية من العيوب مثل الرقائق وعلامات الأدوات والأزيز.
• يجب أن يكون لجزء تثبيت المادة الهشة والجزء الموازي نصف قطر كبير من الانتقال الدائري.
• بالنسبة لعينات الصب غير المشغولة بالآلات ، يجب أن يكون سطح الرمال ، والخبث ، والأزيز ، والحواف الطائرة ، وما إلى ذلك واضحًا.

فحص العينة ووضع العلامات

• يجب فحص العينة قبل الاختبار للتأكد من أن مظهرها يلبي المتطلبات.
• عادةً ما يتم تمييز العلامات الأصلية للعينات بخطوط دقيقة ويجب ألا تؤثر الطريقة المستخدمة على الكسر المبكر للعينة.
• بالنسبة للمواد الرقيقة جدًا أو الهشة ، يمكن طلاء العينة بطلاء تلوين سريع الجفاف في أقسام متوازية ثم كتابتها برفق باستخدام خط تعليم.

بالإضافة إلى: منطقة المقطع العرضي الأصلي So من العينة يجب قياسها وحسابها قبل الاختبار.

إجراء اختبار الشد

1 تحضير العينة: قم بإعداد العينة وفقًا للمتطلبات القياسية واحتفظ بالسجلات.

2 اضبط آلة اختبار الشد: قم بتغيير التركيب وفقًا لمعيار الاختبار واضبط ظروف الاختبار لآلة الشد.

3 قم بربط العينة: قم أولاً بربط العينة في الظرف العلوي ، ثم انقل الظرف السفلي إلى موضع تثبيت مناسب ، وأخيراً ثبت الطرف السفلي للعينة.

4 فحص واختبار التشغيل: تحقق من اكتمال الخطوات المذكورة أعلاه. ابدأ تشغيل آلة السحب وقم بتحميل كمية صغيرة مسبقًا (يجب ألا يتجاوز الحمل المقابل للضغط الحد النسبي للمادة) ثم قم بتفريغها إلى الصفر للتحقق من أن آلة السحب تعمل بشكل صحيح.

5 ابدأ تشغيل آلة الشد وقم بإجراء اختبار الشد.

6 قم بإزالة قطعة الاختبار وورقة التسجيل.

7 قم بقياس مسافة ما بعد الكسر باستخدام ملاقط ذات الورنية.

8 قياس الحد الأدنى لانكماش القطر عند العنق باستخدام الفرجار الورنية.

اختبار الشد: المراحل الأربع للإجهاد والانفعال

• OB: المرحلة المرنة
• قبل الميلاد: مرحلة العائد
• القرص المضغوط: مرحلة التعزيز
• DE: مرحلة العنق

في مرحلة التشوه المرن للمادة المعدنية ، يكون الإجهاد والانفعال متناسبين مع بعضهما البعض ، وفقًا لقانون هوك ، أي σ = Eε ، مع عامل مقياس E يسمى معامل المرونة.

E = σ / ε

الحد المرن قريب جدًا من الحد التناسبي لدرجة أنه في الهندسة العملية ، يتم تقريب الحد التناسبي بدلاً من حد المرونة.

قوة الغلة: عندما تُظهر مادة معدنية ظاهرة الغلة ، يتم الوصول إلى نقطة الضغط التي يحدث عندها تشوه البلاستيك دون زيادة القوة أثناء الاختبار ؛ يجب التمييز بين قوة الخضوع العلوية والسفلية.

• قوة الخضوع العليا: أعلى إجهاد قبل أن تنتج العينة وتقل القوة أولاً.
• مقاومة الخضوع المنخفضة: أقل إجهاد أثناء الخضوع ، دون احتساب التأثير المؤقت الأولي.
• عادة ما يشار إلى قيمة الإجهاد المقابلة لنقطة العائد المنخفضة باسم قوة الخضوع.

بعد مرحلة الغلة ، تبدأ النقطة C في المنحنى في الارتفاع تدريجيًا مرة أخرى ، مما يشير إلى أنه لزيادة الإجهاد ، يجب زيادة الضغط واستعادة المادة قدرتها على مقاومة التشوه ، وهي ظاهرة تسمى التقوية ، ويكون قسم CD هو تسمى مرحلة التقوية (عملية التصلب).

تسمى قيمة الإجهاد المقابلة لأعلى نقطة في المنحنى مقاومة الشد (أو حد القوة) للمادة ، وهي مؤشر مهم آخر لقوة المادة.

عندما يصل المنحنى إلى النقطة D ، يزداد التشوه بشكل كبير في أحد الأجزاء الأضعف من العينة (حيث تكون المادة غير متساوية أو معيبة) ، وينخفض ​​المقطع العرضي الفعال بشكل حاد ، وتحدث ظاهرة التعنق ويتم سحب العينة بسرعة.

عدد قليل من منحنيات الإجهاد والانفعال الشائعة

ال (a) المنحنى هو منحنى الإجهاد والانفعال للصلب الطري ، والذي يتميز بمرحلة إنتاجية خشنة ، مع إنتاج أعلى وأقل ، وتشوه بلاستيكي موحد يتبعه عنق ثم كسر للعينة.

ال (b) المنحنى هو منحنى الإجهاد والانفعال للصلب الكربوني المتوسط ​​، والذي له مرحلة إنتاجية ، ولكن مع تقلبات صغيرة وخط مستقيم تقريبًا ، مع تشوه بلاستيكي موحد يتبعه عنق ثم كسر للعينة.

ال (c) المنحنى هو منحنى الإجهاد والانفعال للصلب المروي ، متوسط ​​إلى منخفض درجة الحرارة ، والذي ليس له مرحلة إنتاج مرئية وينتج عنق بعد تشوه بلاستيكي موحد ثم كسور العينة.

ال (d) المنحنى هو منحنى الإجهاد والانفعال للحديد الزهر ، والمواد المروية ، والتي لا تحتوي فقط على طور إنتاج ولكن أيضًا كسور مفاجئة بعد إنتاج كمية صغيرة من تشوه البلاستيك المنتظم.

معايير الاختبار الشائعة لاختبار الشد

• ISO-6892 1
• المواد المعدنية - اختبار الشد - الجزء 1: طريقة الاختبار في درجة الحرارة المحيطة
• ISO-6892 2
• المواد المعدنية - اختبار الشد - الجزء 2: طريقة الاختبار عند درجة حرارة مرتفعة
• إعتماد ISO-204
• المواد المعدنية - طريقة اختبار الزحف أحادية المحور في حالة الشد
• إعتماد ISO-377
• منتجات الصلب والصلب - موقع وتحضير العينات وقطع الاختبار للاختبار الميكانيكي
• إعتماد ISO-783
• المواد المعدنية - اختبار الشد عند درجة حرارة مرتفعة
• JIS G0601
• صفائح فولاذية مغطاة - اختبار ميكانيكي وتكنولوجي
• إعتماد ISO-3108
• حبال الأسلاك الفولاذية للأغراض العامة - تحديد حمل التكسير الفعلي
• EN 10319
• المواد المعدنية - اختبار استرخاء إجهاد الشد - الجزء الأول: إجراء اختبار الآلات
• إعتماد ISO-15579
• المواد المعدنية - اختبار الشد عند درجة حرارة منخفضة
• أستم B557M
• قطع الاختبار وطريقة اختبار الشد لمنتجات الألمنيوم المطاوع وسبائك المغنيسيوم
• DIN EN ISO 2566-1
• الصلب - تحويل قيم الاستطالة - الجزء 1: الكربون والفولاذ منخفض السبائك
• DIN EN ISO 2566-2
• الصلب - تحويل قيم الاستطالة - الجزء 2: الفولاذ الأوستنيتي
• ASTM E111-04 و ASTM E1875-00
• طريقة الاختبار القياسية لمعامل يونغ ، ومعامل الظل ، ومعامل الوتر
• طريقة الاختبار القياسية لمعامل ديناميكي يونغ ، ومعامل القص ، ونسبة بواسون بواسطة الرنين الصوتي

ما هي العوامل التي تؤثر على مقاومة الشد في اختبار الشد؟

تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على اختبار الشد لآلة اختبار الشد: منطقة أخذ العينات وطريقة أخذ العينات ، وشكل العينة وحجمها ودقتها ، وأدوات القياس ، ومعدات الاختبار ، ودرجة حرارة بيئة الاختبار ، واختيار التجهيزات ، وطريقة التثبيت للعينة ، ومعدل التمدد ، مساحة المقطع العرضي لعينة الشد ، وخطأ القياس ، وما إلى ذلك.

1 مواقع وطرق أخذ العينات

يمكن أن تؤثر الاختلافات في موقع أخذ العينات بشكل مباشر على اختبار الشد للمواد المعدنية بعد الاستطالة وقوة الخضوع وقوة الشد ومؤشرات الأداء الأخرى. إن التوزيع غير المتكافئ للمواد المعدنية بسبب التركيب ، والتنظيم ، والهيكل ، والعيوب ، وتشوه المعالجة ، وما إلى ذلك ، يجعل الخواص الميكانيكية لنفس الدفعة أو حتى الأجزاء المختلفة من نفس المنتج تبدو مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، عند قطع قالب العينة ، من الضروري منع الخواص الميكانيكية من التأثر بالحرارة ، تصلب العمل والتشوه.

2 شكل العينة وحجمها ودقتها

بالنسبة للمادة نفسها في نفس الحالة ، إذا كان شكل المقطع العرضي مختلفًا ، فإن النتائج المقاسة سيكون لها تأثير أكبر على قوة الخضوع العليا وأقل على مقاومة الخضوع المنخفضة ؛ تكون مقاومة الشد لعينة ذات مساحة مقطع عرضي كبيرة (حجم كبير) أقل من تلك ذات الحجم الأصغر ويتم أيضًا تقليل مؤشر اللدونة ؛ يمكن أن يؤثر التوازي ودقة الأبعاد ضمن الطول المتوازي للعينة بسهولة على نتائج الاختبار. يمكن أن يؤثر التوازي ودقة الأبعاد ضمن الطول المتوازي للعينة بسهولة على نتائج الاختبار. وذلك لأن قيمة الأبعاد المقاسة للعينة قد لا تكون الحد الأدنى لموضع العينة الفعلية ، مما يؤدي إلى نتيجة اختبار منخفضة. لذلك يجب أن يكون شكل العينة وأبعادها متوافقًا مع المعيار.

3 لأجهزة القياس

يجب أن تفي دقة أدوات القياس والمقاييس بمتطلبات الاختبار. لذلك ، قبل إجراء الاختبار ، يجب معايرة جميع أنواع أدوات القياس ويجب أن تظل المقاييس نظيفة وواضحة في نفس الوقت.

4 معدات الاختبار

آلة الاختبار ومقياس التمدد هما نوعان من معدات الاختبار المستخدمة بشكل شائع في اختبار الشد للمواد المعدنية ، والتي تؤثر بشكل مباشر على دقة نتائج الاختبار ومصداقيتها. الأول يستخدم لقياس قيمة القوة ؛ يستخدم هذا الأخير بشكل أساسي لتحديد الإزاحة أو الامتداد. لذلك ، من المهم التأكد من أن آلة الاختبار ومقياس التمدد ضمن فترة صلاحية الاختبار ومعايرتهما بانتظام.

5 اختبار درجة حرارة البيئة

بعض المواد المعدنية شديدة الحساسية لدرجة الحرارة وحتى المواد المعدنية الشائعة يمكن أن تؤدي إلى قياسات اختبار غير متسقة إذا اختلفت درجة حرارة الاختبار كثيرًا. بشكل عام ، تزداد قوة الخضوع للمعادن المكعبة المتمركزة في الجسم بشكل حاد مع انخفاض درجة الحرارة ، بينما يكون التغيير أقل وضوحًا بالنسبة للمعادن المكعبة المتمركزة على الوجه. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تقل قوة الخضوع للمعدن بشكل عام.

6 لقط اختيار الجهاز ، وتأثير لقط العينة

يمكن أن يؤثر الاختيار غير الصحيح للتركيبات وتثبيت العينات وتحميل مقياس التمدد وتفريغه على نتائج الاختبار. عدم التطابق بين جهاز التثبيت وشكل عينة الاختبار وشكل نمط السطح لجهاز التثبيت غير مناسب ، مما يؤدي إلى عدم تشكيل جهاز التثبيت والعينة منطقة تثبيت كافية ، والاحتكاك الثابت غير كافٍ ، مما أدى إلى الانزلاق النسبي لجهاز التثبيت والعينة أثناء عملية الشد ، مما يؤثر على نتائج الشد.

7 طريقة التثبيت

يمكن أن تتسبب طرق التثبيت غير المعقولة بسهولة في انزلاق العينة أو كسر الفكين ، مما يؤدي إلى بيانات اختبار غير دقيقة أو بيانات اختبار منخفضة.

8 معدل التمدد

معدل التمدد يؤثر بشكل مباشر على العلاقة بين الإجهاد والانفعال للمادة المعدنية. المواد المختلفة حساسة لدرجات مختلفة من السرعة ، ومعدل التمدد على المواد المختلفة ، وتأثير حجم المواد المختلفة ، والقوة المنخفضة ، واللدونة الجيدة لتأثير المواد لتكون كبيرة.

9 تحديد مساحة المقطع العرضي لعينة الشد

هناك طريقتان لتحديد مساحة المقطع العرضي لعينة الشد: الأولى هي طريقة اختبار الشد ISO 6892 للمعادن والأخرى هي معيار المنتج المقابل للمادة. تحدد بعض معايير المنتج أن مساحة المقطع العرضي لعينة اختبار الشد يجب تحديدها من خلال مساحة المقطع العرضي للحجم الاسمي.

10 طرق قياس أبعاد العينة والخطأ البشري في القياس

يجب قياس عينات الشد بميكرومتر القطر الخارجي أو الفرجار الورني ، اعتمادًا على القطر. إذا كانت طريقة القياس غير دقيقة ، فهذا يؤدي إلى قياس حجم كبير بشكل مصطنع. نظرًا للعوامل الذاتية وتقنيات التشغيل المختلفة ، يمكن أن يؤدي أيضًا إلى حدوث أخطاء في نتائج القياس.