Test di trazione: una guida scientifica completa – TESTEX

Il test per determinare il materiale sotto tensione è chiamato test di trazione, noto anche come test di tensione. È uno dei metodi di base per testare le proprietà meccaniche dei materiali e viene utilizzato per verificare le prestazioni del materiale e se soddisfa gli standard pertinenti. Questo post riguarda quanto segue.

• Cos'è la prova di trazione? Cosa si può testare?
• Concetti e termini relativi alle prove di trazione
• Cos'è un tester di trazione? Quali materiali possono essere testati?
• Preparazione per prove di trazione
• Procedure di prova di trazione
• Prove di trazione: le quattro fasi dello sforzo-deformazione
• Standard di prova comuni per le prove di trazione
• Quali sono i fattori che influenzano la resistenza alla trazione nelle prove di trazione?

Cos'è la prova di trazione? Cosa si può testare?

La prova di trazione è l'applicazione della forza di trazione a un provino in determinate condizioni per determinare la resistenza del provino a un carico applicato. Ad esempio, è possibile ricavare anche l'indice di resistenza e l'indice di plasticità del materiale, inoltre, la deformazione plastica del materiale.

I dati ottenuti dalla prova di trazione possono essere utilizzati per determinare il limite elastico, l'allungamento, il modulo di elasticità, il limite proporzionale, la riduzione dell'area, la resistenza alla trazione, il punto di snervamento, la resistenza allo snervamento e altre proprietà di trazione del materiale.

Indicatori di forza

• La forza di un materiale è la forza per unità di area del materiale in Pa.
• 1 Pa = 1 N/m²
• Tuttavia, l'unità Pa è così piccola, così che nell'ingegneria pratica, MPa è spesso usato come unità di resistenza, ad esempio la resistenza allo snervamento dell'acciaio varia generalmente da 100 ~ 2000 MPa.
• 1MPa = 10⁶ Pa

• Carico di snervamento superiore: ReH = FeH/So (So indica l'area della sezione trasversale originale, Fe H indica la forza assiale corrispondente al punto di snervamento superiore)
• Resistenza allo snervamento inferiore: ReL = FeL/So (So indica l'area della sezione trasversale originale, FeL indica la forza assiale corrispondente al punto di snervamento inferiore)
• Resistenza alla trazione: Rm = Fmax/So (Fmax è la massima forza assiale)

Il fenomeno di snervamento non è materiale ovvio, per produrre una deformazione residua dello 0.2% del valore di sollecitazione per il limite di snervamento, noto come limite di snervamento condizionale o resistenza allo snervamento condizionale. Forze esterne superiori a questo limite causeranno il cedimento permanente della parte e non potranno essere ripristinate.

• L'acciaio duro (acciaio ad alto tenore di carbonio) ha un'elevata resistenza, scarsa plasticità e nessuna evidente fase di snervamento nel processo di trazione, quindi la resistenza allo snervamento non può essere determinata direttamente e viene utilizzata la resistenza allo snervamento condizionale invece della resistenza allo snervamento.
• Resistenza allo snervamento condizionale: Rp0.2, che indica la sollecitazione corrispondente a un allungamento plastico specificato dello 0.2%.

Indicatore di plasticità

Quando si estrae un campione, la deformazione elastica scompare, ma la deformazione plastica rimane. In ingegneria, la deformazione lasciata dopo l'estrazione del pezzo di prova viene utilizzata per indicare l'indice di plasticità del materiale. Ci sono due indicatori di plasticità comunemente usati.

• Allungamento: A = (Lu – Lo) / Lo * 100%
• Ritiro di sezione: Z = (So – Su) / So * 100%

Concetti e terminologia relativi alle prove di trazione

Stress e tensione

Sforzo: Lo stress è la forza nell'area su cui agisce, espressa in N/mm² e in unità metriche come kPa o MPa.

Deformazione: la deformazione è il tasso di variazione delle dimensioni di un materiale di prova, è la variazione delle dimensioni causata dal carico di una sollecitazione. Poiché la deformazione è un tasso di cambiamento, non ha unità.

Termini relativi al campione

• Area della sezione trasversale So: L'area della sezione trasversale originale del provino prima della prova.
• Scala originale Lo: la scala del provino prima dell'applicazione della forza.
• Distanza post-break Lu: la distanza del provino dopo la rottura.
• Lunghezza parallela Lc: la lunghezza della parte parallela del provino tra le due teste o le due parti serrate.
• Allungamento dopo la rottura A: il rapporto dell'allungamento residuo del provino dopo il segno di rottura (Lu – Lo) al marchio originario Lo, espresso in percentuale.
• Ritiro della sezione Z: il rapporto della riduzione massima dell'area della sezione trasversale (Quindi - Su) all'area della sezione trasversale originale So dopo la frattura del provino, espressa in percentuale.

Cos'è un tester di trazione? Quali materiali possono essere testati?

I il tester di trazione è anche noto come macchina per prove di trazione universale. Un tester di trazione è una macchina per prove di forza meccanica utilizzata per il carico statico, l'allungamento, la compressione, la flessione, il taglio, la lacerazione, la pelatura e altre prove di proprietà meccaniche di vari materiali. La macchina per la resistenza alla trazione è un'apparecchiatura di prova indispensabile per lo sviluppo dei materiali, il test delle proprietà fisiche, l'insegnamento e la ricerca, il controllo di qualità, ecc. La macchina per prove di trazione universale è molto utilizzata e può essere utilizzata per testare i seguenti tipi di materiali.

• Materiali in gomma: prodotti in gomma, tubi flessibili, nastri, O-ring, pneumatici e altri materiali e prodotti in gomma.
• Materie plastiche: prodotti in plastica, pellicole, tubi, lastre, materiali da imballaggio, prodotti in nylon, rotoli impermeabili e altri materiali e prodotti in plastica.
• Materiali metallici: prodotti in metallo, prodotti in acciaio inossidabile, bulloni, fili di acciaio, prodotti in lega e altri materiali e prodotti in metallo.
• Materiali da costruzione: legno, lamiera, vetro, calcestruzzo, prodotti in grafite, ecc.

Preparazione per prove di trazione

La posizione, la direzione e il numero di campionamenti sono tre fattori che hanno un'influenza significativa sui risultati dei test sulle proprietà dei materiali. La posizione, la direzione e il numero dei campioni da prelevare devono essere conformi alla norma di prodotto ISO 377 o al relativo accordo.

Metodo di campionamento

• Campionamento direttamente dalla materia prima.
• I campioni vengono prelevati da aree importanti del prodotto (le parti più deboli e pericolose).
• Collaudo diretto con parti fisiche, ad es. barre di rinforzo, bulloni, viti o catene.
• Test direttamente su provini fusi o mediante lavorazione meccanica in provini.

Lavorazione dei campioni

• Per evitare che le proprietà meccaniche vengano influenzate dalla deformazione a freddo o dal calore. Solitamente lavorato principalmente mediante taglio.
• Le sezioni parallele devono essere lisce, prive di incrudimento e prive di difetti come trucioli, segni di utensili e sbavature.
• La parte di bloccaggio del materiale fragile e la parte a sezione parallela dovrebbero avere un ampio raggio di transizione circolare.
• Per i provini di colata non lavorati, la superficie della sabbia, delle scorie, delle bave, dei bordi volanti, ecc. deve essere pulita.

Ispezione e marcatura dei campioni

• Il campione deve essere controllato prima della prova per assicurarsi che il suo aspetto soddisfi i requisiti.
• Le marcature originali dei campioni sono generalmente contrassegnate da linee sottili e il metodo utilizzato non deve influire sulla rottura prematura del campione.
• Per materiali molto sottili o fragili, il campione può essere rivestito con una vernice colorante a rapida essiccazione in sezioni parallele e quindi tracciato delicatamente con una linea di marcatura.

Inoltre: l'area della sezione trasversale originale So del campione deve essere misurato e calcolato prima della prova.

Procedura di prova di trazione

1 Preparare il campione: preparare il campione secondo i requisiti standard e conservare i registri.

2 Regolare la macchina per prove di trazione: modificare il dispositivo in base allo standard di prova e regolare le condizioni di prova della macchina per prove di trazione.

3 Bloccare il campione: prima bloccare il campione nel mandrino superiore, quindi spostare il mandrino inferiore in una posizione di bloccaggio adatta e infine bloccare l'estremità inferiore del campione.

4 Controllo e prova di funzionamento: verificare che i passaggi precedenti siano stati completati. Avviare il traino e precaricare una piccola quantità (il carico corrispondente alla sollecitazione non deve superare il limite proporzionale del materiale) e poi scaricare a zero per verificare il corretto funzionamento del traino.

5 Avviare la macchina di tensionamento ed eseguire il test di tensione.

6 Rimuovere il pezzo di prova e la carta da registrazione.

7 Misurare la distanza post-rottura con calibri Vernier.

8 Misurare il diametro minimo al restringimento del collo con calibri a corsoio.

Prove di trazione: le quattro fasi dello sforzo-deformazione

• OB: stadio elastico
• BC: fase di rendimento
• CD: Fase di rinforzo
• DE: Fase del collo

Nella fase di deformazione elastica di un materiale metallico, la tensione e la deformazione sono tra loro proporzionali, secondo la legge di Hooke, cioè σ = Eε, con un fattore di scala E chiamato modulo di elasticità.

E = σ/ε

Il limite elastico è così vicino al limite proporzionale che nell'ingegneria pratica il limite proporzionale viene approssimato invece del limite elastico.

Carico di snervamento: quando un materiale metallico presenta il fenomeno di snervamento, durante la prova si raggiunge il punto di sollecitazione in cui si verifica la deformazione plastica senza aumento di forza; dovrebbe essere fatta una distinzione tra limiti di snervamento superiori e inferiori.

• Carico di snervamento superiore: la massima sollecitazione prima che il provino ceda e la forza prima diminuisca.
• Resistenza allo snervamento inferiore: lo stress più basso durante lo snervamento, senza contare l'effetto transitorio iniziale.
• Il valore di sollecitazione corrispondente al punto di snervamento inferiore viene solitamente indicato come resistenza allo snervamento.

Superata la fase di snervamento, il punto C della curva ricomincia a salire gradualmente, indicando che per far aumentare la deformazione occorre aumentare lo sforzo e il materiale riacquista la capacità di resistere alla deformazione, fenomeno detto irrobustimento, e la sezione CD viene chiamato fase di rafforzamento (indurimento del processo).

Il valore di sollecitazione corrispondente al punto più alto della curva è chiamato resistenza alla trazione (o limite di resistenza) del materiale ed è un altro importante indicatore della resistenza del materiale.

Quando la curva raggiunge il punto D, la deformazione aumenta significativamente in una delle parti più deboli del provino (dove il materiale è irregolare o difettoso), la sezione trasversale effettiva diminuisce bruscamente, si verifica il fenomeno della strizione e il provino si stacca rapidamente.

Alcune comuni curve sforzo-deformazione

Il (a) curva è la curva sforzo-deformazione per l'acciaio dolce, che presenta una fase di snervamento frastagliata, con snervamento superiore e inferiore, deformazione plastica uniforme seguita da collo e quindi frattura del provino.

Il (b) curva è la curva sforzo-deformazione per l'acciaio al carbonio medio, che ha una fase di snervamento, ma con piccole fluttuazioni e quasi una linea retta, con deformazione plastica uniforme seguita da strozzatura e quindi frattura del provino.

Il (c) curva è la curva sforzo-deformazione dell'acciaio temprato, temprato a temperatura medio-bassa, che non ha una fase di snervamento visibile e produce strozzatura dopo una deformazione plastica uniforme e quindi la frattura del provino.

Il (d) curva è la curva sforzo-deformazione della ghisa, materiale temprato, che non solo non ha fase di snervamento ma si frattura anche improvvisamente dopo aver prodotto una piccola quantità di deformazione plastica uniforme.

Standard di prova comuni per le prove di trazione

• ISO-6892 1
• Materiali metallici – Prove di trazione – Parte 1: Metodo di prova a temperatura ambiente
• ISO-6892 2
• Materiali metallici – Prove di trazione – Parte 2: Metodo di prova a temperatura elevata
• ISO 204
• Materiali metallici – Metodo di prova di creep uniassiale in trazione
• ISO 377
• Acciaio e prodotti siderurgici – Localizzazione e preparazione di campioni e provini per prove meccaniche
• ISO 783
• Materiali metallici – Prove di trazione a temperature elevate
• JIS G0601
• Lamiere rivestite – Prove meccaniche e tecnologiche
• ISO 3108
• Funi in acciaio per usi generali – Determinazione del carico di rottura effettivo
• EN 10319
• Materiali metallici - Prove di rilassamento da sforzo di trazione - Parte 1: Procedura per le macchine di prova
• ISO 15579
• Materiali metallici – Prove di trazione a bassa temperatura
• ASTM B557M
• Provini e metodo per prove di trazione per prodotti lavorati in alluminio e leghe di magnesio
• DIN EN ISO 2566-1
• Acciaio – Conversione dei valori di allungamento – Parte 1: Acciai al carbonio e bassolegati
• DIN EN ISO 2566-2
• Acciaio – Conversione dei valori di allungamento – Parte 2: Acciai austenitici
• ASTM E111-04 e ASTM E1875-00
• Metodo di prova standard per modulo di Young, modulo tangente e modulo di corda
• Metodo di prova standard per modulo di Young dinamico, modulo di taglio e rapporto di Poisson mediante risonanza sonica

Quali sono i fattori che influenzano la resistenza alla trazione nelle prove di trazione?

I principali fattori che influenzano la prova di trazione della macchina per prove di trazione includono: area di campionamento e metodo di campionamento, forma, dimensione e precisione del campione, strumenti di misurazione, attrezzatura di prova, temperatura dell'ambiente di prova, selezione del dispositivo, metodo di serraggio del campione, velocità di allungamento, area della sezione trasversale del campione di trazione, errore di misurazione, ecc.

1 Siti e metodi di campionamento

Le differenze nel sito di campionamento possono influenzare direttamente la prova di trazione dei materiali metallici dopo l'allungamento, la resistenza allo snervamento e la resistenza alla trazione e altri indicatori di prestazione. La disomogenea distribuzione dei materiali metallici dovuta a composizione, organizzazione, struttura, difetti, deformazioni di lavorazione, ecc., fa apparire diverse le proprietà meccaniche dello stesso lotto o anche di parti diverse dello stesso prodotto. Inoltre, durante il taglio della billetta campione, è necessario evitare che le proprietà meccaniche vengano influenzate dal calore, dall'incrudimento e dalla deformazione.

2 Forma, dimensione e precisione del campione

Per lo stesso materiale nello stesso stato, se la forma della sezione trasversale è diversa, i risultati misurati avranno un effetto maggiore sulla resistenza allo snervamento superiore e minore sulla resistenza allo snervamento inferiore; la resistenza alla trazione di un provino con un'ampia area della sezione trasversale (grande dimensione) è inferiore a quella di una dimensione inferiore e anche l'indice di plasticità è ridotto; anche il parallelismo e l'accuratezza dimensionale all'interno della lunghezza parallela del provino possono facilmente influenzare i risultati del test. Anche il parallelismo e l'accuratezza dimensionale all'interno della lunghezza parallela del provino possono facilmente influenzare i risultati del test. Questo perché il valore dimensionale misurato del campione potrebbe non essere la posizione minima del campione effettivo, il che si tradurrà in un risultato del test basso. Pertanto la forma e le dimensioni del campione devono essere conformi allo standard.

3 Per strumenti di misura

La precisione degli strumenti di misurazione dimensionale e dei calibri deve soddisfare i requisiti di prova. Pertanto, prima di eseguire la prova, tutti i tipi di strumenti di misura devono essere calibrati e gli indicatori devono essere mantenuti puliti e sgombri allo stesso tempo.

4 Apparecchiature di prova

La macchina di prova e l'estensimetro sono due tipi di apparecchiature di prova comunemente utilizzate nelle prove di trazione di materiali metallici, che influenzano direttamente l'accuratezza e l'autenticità dei risultati del test. Il primo è utilizzato per misurare il valore della forza; quest'ultimo è utilizzato principalmente per la determinazione dello spostamento o dell'estensione. Pertanto, è importante garantire che la macchina di prova e l'estensimetro rientrino nel periodo di validità della prova e siano regolarmente calibrati.

5 Verificare la temperatura dell'ambiente

Alcuni materiali metallici sono altamente sensibili alla temperatura e anche i comuni materiali metallici possono portare a misurazioni di prova incoerenti se la temperatura di prova varia troppo. In generale, la resistenza allo snervamento dei metalli cubici a corpo centrato aumenta bruscamente al diminuire della temperatura, mentre la variazione è meno pronunciata per i metalli cubici a faccia centrata. All'aumentare della temperatura, la resistenza allo snervamento del metallo generalmente diminuisce.

6 Selezione del dispositivo di bloccaggio, l'impatto del bloccaggio del campione

La selezione errata delle attrezzature, il bloccaggio del provino e il caricamento e lo scaricamento dell'estensimetro possono influenzare i risultati del test. La discrepanza tra il dispositivo di bloccaggio e la forma del provino e la forma del modello superficiale del dispositivo di bloccaggio non sono adatte, il che farà sì che il dispositivo di bloccaggio e il campione non formino un'area di bloccaggio sufficiente, l'attrito statico non è sufficiente, con conseguente scorrimento relativo del dispositivo di bloccaggio e del provino durante il processo di trazione, influenzando così i risultati di trazione.

7 Metodo di bloccaggio

Metodi di bloccaggio irragionevoli possono facilmente causare lo scivolamento o la rottura del campione nelle ganasce, con conseguenti dati di test imprecisi o dati di test bassi.

8 Tasso di allungamento

La velocità di stiramento influisce direttamente sulla relazione sforzo-deformazione del materiale metallico. Materiali diversi sono sensibili a diversi gradi di velocità, velocità di allungamento su materiali diversi, impatto delle dimensioni di materiali diversi, bassa resistenza, buona plasticità dell'impatto del materiale per essere grandi.

9 Determinazione dell'area della sezione trasversale di un provino a trazione

Esistono due metodi per determinare l'area della sezione trasversale di un provino di trazione: uno è il metodo di prova di trazione ISO 6892 per i metalli e l'altro è lo standard di prodotto corrispondente per il materiale. Alcuni standard di prodotto specificano che l'area della sezione trasversale di un provino di trazione deve essere determinata dall'area della sezione trasversale della dimensione nominale.

10 Metodi di misurazione delle dimensioni del provino ed errore umano nella misurazione

I campioni di trazione devono essere misurati con un micrometro per diametro esterno o un calibro a corsoio, a seconda del diametro. Se il metodo di misurazione non è accurato, portando così a misurazioni di dimensioni artificialmente grandi. A causa di fattori soggettivi e diverse tecniche operative, può anche portare errori ai risultati della misurazione.