Результаты испытаний стали на растяжение и кривые «напряжение–деформация»

Что фактически измеряет испытание стали на растяжение

Испытание стали на растяжение — это контролируемый эксперимент, в ходе которого металлический образец растягивают вдоль одной заданной оси до тех пор, пока он не достигнет текучести, не начнёт деформироваться, образовывать шейку и обычно не разрушится. Машина регистрирует силу и перемещение; приводимая в отчёте диаграмма «напряжение–деформация» рассчитывается на основе этих измерений и размеров, определённых до и после испытания. Это не прямое ранжирование марок стали, независимое от условий испытания.

Образец, ось нагружения и испытание при комнатной температуре

Рабочая часть образцаРабочая часть образца Уменьшенная часть образца для испытания на растяжение между концами, закрепляемыми в захватах, где предполагается возникновение деформации и разрушения.

Образец имеет уменьшенное сечение, называемое рабочей частью, между более широкими концами, которые закрепляются в захватах испытательной машины. Его начальная площадь поперечного сечения $A_0$ и начальная расчётная длина $L_0$ должны быть измерены до начала нагружения. Образцы могут быть круглыми или плоскими, а их размеры, форма переходных участков, схема закрепления в захватах и расчётная длина регламентируются применимым стандартом. Плоский образец, вырезанный параллельно направлению прокатки, не обязательно даст такое же удлинение, как образец, вырезанный поперёк этого направления, поскольку прокатка может создавать различия в направленности микроструктуры и механического отклика.

Ось нагружения должна проходить через заданную осевую линию образца. Несоосность вызывает изгиб, поэтому одна сторона рабочей части может испытывать большее напряжение, чем другая. В таком случае машина регистрирует отклик, отражающий как растяжение, так и непреднамеренный изгиб. Проскальзывание в захватах, плохо обработанный переходный участок, повреждение поверхности или неправильно нанесённая отметка расчётной длины также могут изменить результат.

Стандарт ASTM E8/E8M-21 регламентирует испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре. Он включает методы определения предела текучести, удлинения в области площадки текучести, временного сопротивления, удлинения и относительного сужения. Стандарт ISO 6892-1:2019 также устанавливает метод испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и определяет механические свойства, которые можно получить в результате этого испытания. Поэтому «комнатная температура» является частью описания испытания, а не допущением, которое можно опустить. Результат, полученный для нагретого образца или в условиях испытания в высокотемпературной печи, относится к другому режиму испытания.

Средняя скорость деформации (с^-1)

Образец нагружают монотонно, однако скорость имеет значение. В зависимости от стандарта и методики испытательная машина может регулировать скорость перемещения траверсы, скорость деформации или другой связанный со скоростью параметр. Данные NIST для стали ASTM A1008 включают средние скорости деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Они различаются на четыре порядка. При более высоких скоростях измеренное напряжение течения может изменяться, а кажущиеся пределы текучести и прочности при растяжении могут смещаться.

Механические свойства, определяемые по результатам испытания

Инженерное напряжение рассчитывают как отношение силы к начальной площади поперечного сечения образца:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

Инженерную деформацию рассчитывают как изменение расчётной длины, делённое на её начальное значение:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}.$$

Michigan Technological University и Georgia Tech описывают эти соглашения, используя одну и ту же исходную площадь и начальную расчётную длину. Следовательно, инженерное напряжение не учитывает непрерывное изменение площади по мере сужения образца.

Удлинение в области текучестиУдлинение в области текучести Пластическое удлинение, возникающее на измеримом интервале деформации, в течение которого инженерное напряжение остаётся почти постоянным или изменяется по характерной схеме точки текучести.

Начальный прямолинейный участок диаграммы указывает на упругое пропорциональное поведение. DOE Fundamentals Handbook указывает на типичной инженерной диаграмме для конструкционной стали предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности и точку разрушения. Предел текучести может определяться по отчётливо выраженной площадке текучести или методом заданного смещения — обычно по условной деформации 0,2 %, если чётко выраженная площадка текучести отсутствует. У некоторых сталей наблюдается удлинение в области площадки текучести: образец пластически удлиняется в пределах измеримого интервала деформации, тогда как напряжение остаётся почти постоянным либо изменяется характерным образом. ASTM E8/E8M-21 прямо включает удлинение в области площадки текучести в число величин, определяемых при испытании.

Предел прочности при растяжении, также называемый во многих отчётах временным сопротивлением, представляет собой максимальное инженерное напряжение. Он достигается до начала локализованного образования шейки или примерно в момент его начала. После образования шейки фактическая площадь в области шейки продолжает уменьшаться, тогда как при расчёте инженерного напряжения по-прежнему используется $A_0$; поэтому построенная кривая может снижаться даже при росте локального истинного напряжения. В лабораторных материалах MIT за 2004 год различаются предел прочности при растяжении, полученный по инженерной диаграмме «напряжение–деформация», и истинный предел прочности при растяжении, учитывающий уменьшение площади поперечного сечения.

Удлинение — это остаточное увеличение заданной расчётной длины после разрушения, выраженное в процентах. Его значение сильно зависит от расчётной длины: короткая расчётная длина может включать большую долю локализованного образования шейки и часто даёт иной процент, чем более длинная. Относительное сужение рассчитывают по начальной площади и наименьшей конечной площади в области разрушения. Оно характеризует локальное уменьшение сечения и не является взаимозаменяемым с удлинением.

В эксперименте Syracuse University с углеродистой сталью 1018 использовались плоские образцы для испытания на растяжение по ASTM, чтобы определить напряжение текучести, максимальное напряжение и напряжение разрушения. Этот пример показывает, почему даже известное обозначение, такое как 1018, должно сопровождаться сведениями об образце и методике.

Почему результат неотделим от метода испытания

Сообщаемое значение, например «предел текучести стали: 350 МПа», является неполным. Необходимо указать марку и состояние изделия, геометрию образца, направление нагружения, начальную площадь, расчётную длину, температуру, скорость деформации или требование к скорости машины, способ измерения с помощью экстензометра или по перемещению, определение предела текучести и применимый стандарт.

Методика измерения может изменить диаграмму. В работе NIST по ASTM A1008 для определения перемещения и деформации при указанных скоростях деформации применялась цифровая корреляция изображений, а не только измерение перемещения траверсы. Перемещение траверсы включает податливость машины и захватов; оно не обязательно совпадает с деформацией рабочей части образца. National Bureau of Standards также сообщало, что условные напряжения при заданной остаточной деформации в нержавеющих сталях и цветных металлах могут зависеть от предшествующей пластической деформации, интервалов выдержки, внутренних напряжений и наклёпа.

При ещё более высоких скоростях это различие становится более выраженным. В отчёте NIST по конструкционной стали представлены кривые при высоких скоростях деформации для стали периферийной колонны с заданным пределом текучести 50 ksi. Эти кривые нельзя напрямую сравнивать с медленной лабораторной кривой, полученной при комнатной температуре, как если бы значение имела только марка стали. Результат испытания представляет собой измерение свойств стали в сочетании с определёнными образцом, методом и условиями. Если исключить эти определения, число утрачивает инженерный смысл.

Как рассчитываются инженерное напряжение и инженерная деформация

Разрывная машина регистрирует усилие и перемещение, однако для построения диаграммы «напряжение–деформация» эти измерения необходимо привести к заданным размерам образца. Обычно отображаемые инженерные величины относятся к образцу до нагружения, а не к его непрерывно изменяющейся форме. Благодаря этому результаты легко рассчитывать и сопоставлять, при условии что указаны геометрия образца, расчетная длина, стандарт испытания и метод измерения.

Инженерное напряжение: F, делённое на исходную площадь

Инженерное напряжение рассчитывается как приложенное растягивающее усилие, делённое на исходную площадь поперечного сечения образца:

$${\sigma }_e=\frac{F}{A_0}$$

Здесь ${\sigma }_e$ — инженерное напряжение, $F$ — растягивающее усилие, а $A_0$ — площадь поперечного сечения, измеренная до начала испытания. Для плоского образца прямоугольного сечения:

$$A_0=w_0{t}_0$$

где $w_0$ — исходная ширина образца, а $t_0$ — его исходная толщина. Для круглого образца:

$$A_0=\frac{\pi d_0^2}{4}$$

где $d_0$ — исходный диаметр.

Усилие обычно регистрируется в ньютонах (N), тогда как площадь может указываться в квадратных миллиметрах (mm²). В этом случае результат выражается в N/mm², что численно равно мегапаскалям (MPa), поскольку $1{\text{N/mm}}^2=1\text{MPa}$. Если усилие выражено в килоньютонах, а площадь — в квадратных миллиметрах, перед расчётом в MPa усилие необходимо перевести в ньютоны. Напряжение также может указываться в паскалях или фунтах на квадратный дюйм (psi), однако пересчёт единиц должен выполняться согласованно.

Использование $A_0$ является преднамеренным. При растяжении стального образца площадь его поперечного сечения обычно уменьшается сначала вследствие упругого сужения, а затем вследствие пластической деформации. После начала локализованного образования шейки уменьшение площади концентрируется в меньшей области. Инженерное напряжение не пересчитывает знаменатель в каждый момент времени; оно по-прежнему представляет измеренное усилие, делённое на площадь, существовавшую до нагружения. Благодаря этому для каждой точки кривой сохраняется единое исходное состояние отсчёта.

Полученный результат отличается от истинного напряжения. Истинное напряжение использует мгновенную площадь и обычно записывается как ${\sigma }_t=F/A$, где $A$ — текущая локальная площадь. Поэтому инженерная кривая может снижаться после достижения максимального усилия, даже если локальное напряжение в области шейки продолжает возрастать. Лабораторные материалы Массачусетского технологического института за 2004 год различают предел прочности при растяжении, полученный по инженерной диаграмме «напряжение–деформация», и истинный предел прочности при растяжении, учитывающий уменьшение площади поперечного сечения.

Инженерная деформация: удлинение, делённое на исходную расчетную длину

Инженерная деформация представляет собой изменение расчетной длины, делённое на исходную расчетную длину:

$${\epsilon }_e=\frac{L-L_0}{L_0}$$

Технологический институт Джорджии приводит эквивалентную запись ${\epsilon }_e=(l-l_0)/l_0$. В этих выражениях $L_0$ или $l_0$ — исходная расчетная длина, а $L$ или $l$ — измеренная расчетная длина во время испытания. Их разность $L-L_0$ является удлинением.

Деформация не имеет физической единицы измерения, поскольку представляет собой отношение длины к длине. Обычно её записывают в виде десятичной дроби либо умножают на 100 и выражают в процентах. Удлинение на 0,25 mm при исходной расчетной длине 50,00 mm даёт

$${\epsilon }_e=\frac{0.25}{50.00}=0.005$$

или 0,5% инженерной деформации.

Исходная расчетная длина остаётся в знаменателе даже после удлинения образца, поскольку инженерная деформация представляет собой нормированное изменение относительно исходной геометрии. Поэтому приведённое значение зависит от заданной расчетной длины, а не только от перемещения траверсы машины. Удлинение на 2 mm соответствует деформации 4% при расчетной длине 50 mm, но только 2% при расчетной длине 100 mm. Поэтому результаты по удлинению нельзя корректно сопоставлять, если определения расчетной длины различаются.

Мичиганский технологический университет определяет инженерную деформацию как перемещение, делённое на исходную расчетную длину, а инженерное напряжение — как нагрузку, делённую на исходную площадь поперечного сечения. Эти определения просты, однако воспроизводимы только в том случае, если известны $L_0$, $A_0$ и способ измерения перемещения.

Единицы измерения, размеры образца и обработка данных

Обработка данных начинается до регистрации первого значения усилия. Оператор фиксирует тип образца, его ширину, толщину или диаметр и расчетную длину, после чего вычисляет $A_0$ по заданным размерам. Разрывная машина определяет усилие как функцию времени или перемещения. Экстензометр, тензометрический датчик или оптическая система определяет изменение расчетной длины. Каждая зарегистрированная пара значений преобразуется с использованием $F/A_0$ и $(L-L_0)/L_0$, в результате чего строится инженерная диаграмма «напряжение–деформация».

Метод измерения перемещения имеет значение. Перемещение траверсы включает деформацию в захватах, станине машины и других компонентах, тогда как экстензометр измеряет деформацию заданного рабочего участка. Метод цифровой корреляции изображений позволяет оптически измерять перемещения и локальные поля деформаций. В испытаниях стали ASTM A1008, проведённых NIST, изучались средние скорости деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, при этом для измерения перемещения и деформации применялась цифровая корреляция изображений. Следовательно, полученная кривая связана как со скоростью нагружения, так и с методом измерения.[1][1] Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2021.[2][2] Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. International Organization for Standardization. ISO standard, 2019.[3][3] Properties of Metals. U.S. Department of Energy. DOE Fundamentals Handbook reference.

Стандарт ASTM E8/E8M-21 регламентирует испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и рассматривает предел текучести, удлинение в точке текучести, предел прочности при растяжении, удлинение и уменьшение площади поперечного сечения. Стандарт ISO 6892-1:2019 также устанавливает требования к испытаниям металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и к определяемым при этом механическим свойствам. Эти стандарты определяют не только уравнения: они регламентируют геометрию образца, соосность, расчетную длину, скорость нагружения и процедуры представления результатов. На типичной диаграмме для конструкционной стали Министерства энергетики США обозначены предел пропорциональности, предел текучести, максимальный предел прочности и точка разрушения, однако каждое обозначение зависит от описанного выше процесса измерения и обработки данных. Воспроизводимость диаграммы ограничена воспроизводимостью размеров и методов, лежащих в основе её осей.

Чтение инженерной диаграммы напряжение–деформация

Диаграмма растяжения показывает, как определённый образец реагирует на возрастающую нагрузку. Это не универсальный рейтинг марок стали. Полученный результат зависит от формы образца, его начальной площади поперечного сечения, расчётной длины, скорости нагружения, метода с использованием экстензометра или измерения перемещения, стандарта испытания и принятого соглашения для расчёта напряжения и деформации.

Для инженерной диаграммы напряжение–деформация инженерное напряжение определяется как

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

где $F$ — приложенная нагрузка, а $A_0$ — начальная площадь поперечного сечения образца. Инженерная деформация определяется как

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

где $L_0$ — начальная расчётная длина, а $L$ — измеренная расчётная длина во время нагружения. Эти определения приведены в учебных материалах Мичиганского технологического университета и Технологического института Джорджии. Поскольку исходные площадь и длина остаются в знаменателях, диаграмма не показывает напрямую изменяющиеся локальные напряжение и деформацию после того, как образец начинает сужаться.

ASTM E8/E8M-21 регламентирует испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре, а также определение предела текучести, удлинения при текучести, временного сопротивления разрыву, удлинения и относительного сужения. ISO 6892-1:2019 устанавливает метод испытания на растяжение при комнатной температуре и определяет механические свойства, которые могут быть получены в ходе испытания. Поэтому диаграмму необходимо анализировать вместе с протоколом испытания, а не отдельно от него.

Упругая реакция и предел пропорциональности

В начале диаграммы и нагрузка, и деформация равны нулю. На первом участке диаграммы напряжение возрастает приблизительно пропорционально деформации. Если снять нагрузку в этой области, образец возвращается к исходным размерам, за исключением небольших экспериментальных погрешностей. Это упругая деформация: межатомные связи смещаются, но материал ещё не претерпел остаточного изменения формы.

Наклон этого начального прямолинейного участка представляет собой модуль Юнга $E$:

$$E=\frac{\Delta \sigma }{\Delta \epsilon }$$

Для стали, испытанной в обычных условиях, этот наклон обычно близок к 200 GPa, хотя измеренное значение может изменяться в зависимости от соосности, точности экстензометра, температуры и выбранного участка данных. Его не следует путать с пределом текучести. Модуль характеризует жёсткость, а предел текучести — напряжение, соответствующее началу пластической деформации или заданной величине пластической деформации.

В справочнике DOE Fundamentals Handbook конец строго линейного участка обозначен как предел пропорциональности. За этой точкой диаграмма может оставаться частично упругой, но уже не является точно пропорциональной. При разгрузке образца сразу за пределом пропорциональности может восстановиться большая часть деформации, однако небольшое остаточное удлинение сохранится. После начала пластической деформации полную деформацию можно представить как сумму упругой и пластической деформаций:

$${\epsilon }_{\mathrm{total}}={\epsilon }_{\mathrm{elastic}}+{\epsilon }_{\mathrm{plastic}}$$

Это различие важно при интерпретации удлинения. Деформация, видимая на испытательной машине, является полной деформацией; при разгрузке исчезает только её упругая составляющая.

Предел текучести и удлинение при текучести

Текучесть обозначает переход к значительному пластическому течению. В стали с выраженной площадкой текучести диаграмма может подниматься до верхнего предела текучести, затем опускаться до нижнего предела текучести и после этого продолжаться в относительно плоской области. Соответствующее удлинение называется удлинением при текучести. Образец продолжает удлиняться, тогда как инженерное напряжение изменяется незначительно; по расчётной длине могут распространяться полосы Людерса.

Такое поведение обычно связывают с некоторыми низкоуглеродистыми сталями, включая отдельные листовые и конструкционные изделия, однако его нельзя автоматически предполагать для каждой марки стали или каждого протокола испытания. В стали с непрерывной текучестью выраженные верхний и нижний пределы текучести могут отсутствовать. Холодная деформация, история отжига, содержание углерода и азота в твёрдом растворе, старение, геометрия образца и скорость деформации способны изменить или устранить характерный участок текучести.

Если выраженный предел текучести нельзя измерить, стандарт может предусматривать метод смещённой прямой. Знакомый условный предел текучести при 0,2 % получают проведением линии, параллельной начальному упругому участку, со смещением по деформации на 0,002; точка её пересечения с диаграммой определяет сообщаемое значение. Термины «предел текучести» и «условный предел текучести при 0,2 %» не следует считать взаимозаменяемыми, если соответствующий стандарт и протокол испытания прямо не устанавливают такое соответствие. В отчёте National Bureau of Standards об условных пределах текучести для нержавеющих сталей и цветных металлов задокументировано влияние предшествующей пластической деформации, выдержки между этапами, внутренних напряжений и упрочнения при деформации на такие измерения.

После достижения текучести пластическая деформация накапливается. При разгрузке в любой точке происходит упругое восстановление, однако образец остаётся длиннее и после достаточного нагружения уже, чем был первоначально. Повторное нагружение может проходить по смещённой траектории вследствие упрочнения при деформации.

Временное сопротивление разрыву, шейкообразование и разрушение

После удлинения при текучести или при непрерывной текучести, если площадка отсутствует, диаграмма обычно снова поднимается: упрочнение при деформации повышает напряжение, необходимое для дальнейшей пластической деформации. Наибольшее инженерное напряжение представляет собой временное сопротивление разрыву (UTS), называемое пределом прочности в DOE Fundamentals Handbook. Оно рассчитывается с использованием исходной площади $A_0$, несмотря на то что образец уже удлинился, а его поперечное сечение изменилось.

При достижении UTS обычно начинается локализованная деформация. В рабочей части образуется шейка, концентрирующая деформацию в меньшей области. Фактическая площадь поперечного сечения в шейке быстро уменьшается, поэтому локальное истинное напряжение может продолжать возрастать даже при снижении инженерной кривой. Следовательно, нисходящая ветвь не означает, что локальное сопротивляющееся напряжение материала просто исчезло; она отражает использование исходной площади в расчёте инженерного напряжения.

В лабораторных материалах MIT по строительным материалам за 2004 год различаются прочность при растяжении, полученная по инженерной диаграмме, и истинная прочность при растяжении, учитывающая уменьшение площади поперечного сечения. Это различие особенно важно при сравнении пластичных сталей с разными размерами расчётной длины или значениями относительного сужения.

Конечной точкой является разрушение, которое в справочнике DOE описывается после области шейкообразования. Сообщаемые значения удлинения и относительного сужения в значительной степени зависят от расчётной длины, геометрии образца, места разрушения и способа совмещения разрушенных частей при восстановлении образца. Например, в эксперименте Syracuse University со сталью 1018 использовались плоские образцы для испытания на растяжение по ASTM с целью определения напряжения текучести, предельного напряжения и напряжения разрушения; эти значения характеризуют данную конфигурацию испытания, а не абстрактное свойство, зависящее только от марки стали.

Скорость деформации и метод измерения также изменяют диаграмму. NIST сообщил о результатах испытаний стали ASTM A1008 при средних скоростях деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, при этом для измерения перемещения и деформации применялась цифровая корреляция изображений. NIST также опубликовал диаграммы при высоких скоростях деформации для стали периферийных колонн с заданным пределом текучести 50 ksi. Такие диаграммы не следует напрямую сравнивать с результатами медленного испытания при комнатной температуре с использованием экстензометра без предварительной проверки стандарта и определений.

Предел текучести, условное напряжение текучести и значение термина «текучесть»

Термин «текучесть» не обозначает один универсальный признак, присущий каждой диаграмме напряжение–деформация для стали. Он описывает переход от преимущественно обратимой деформации к деформации, сохраняющейся после разгрузки, однако сообщаемое значение зависит от того, как проявляется этот переход и какое правило предписывает применяемый стандарт. ASTM E8/E8M-21 регламентирует испытания металлов на растяжение при комнатной температуре и определение предела текучести, удлинения при пределе текучести, временного сопротивления, удлинения и относительного сужения. ISO 6892-1:2019 устанавливает сопоставимый метод испытания на растяжение при комнатной температуре, однако определения и требования к представлению результатов по-прежнему необходимо извлекать из действующего стандарта, а не выводить из знакомого вида графика.

Обычные инженерные величины уже предполагают определённую условность. Инженерное напряжение равно $F/A_0$, где $F$ — нагрузка, а $A_0$ — исходная площадь поперечного сечения образца; инженерная деформация равна $(l-l_0)/l_0$ и определяется относительно исходной расчётной длины $l_0$. Michigan Technological University и Georgia Tech приводят именно эти определения. Поэтому сообщаемый предел текучести относится к образцу, его геометрии, определению расчётной длины, скорости нагружения, измерительной системе и заданной методике интерпретации, а не к абстрактной кривой, рассматриваемой отдельно от испытания.

Явление текучести и определённый предел текучести

У некоторых низкоуглеродистых сталей наблюдается отчётливо выраженное явление текучести. Кривая достигает верхнего предела текучести, затем снижается и продолжает проходить через нижнюю, относительно горизонтальную область пластической деформации. При таком удлинении полосы Людерса могут перемещаться вдоль расчётной длины. В этом случае материал как будто «течёт» посредством узнаваемого события, поэтому верхний или нижний предел текучести, удлинение при пределе текучести и связанные с ними величины могут быть определены в соответствии с применяемым методом.

У других сталей резкого падения нагрузки не наблюдается. Нержавеющие стали, многие высокопрочные марки и стали, испытанные в иных условиях, могут постепенно переходить от упругой к пластической деформации. Нельзя обоснованно выбрать единственную точку, просто отыскав перегиб на кривой. Предел пропорциональности, обозначающий конец строгой пропорциональности между напряжением и деформацией, также автоматически не является пределом текучести. В справочнике Fundamentals Handbook Министерства энергетики США предел пропорциональности, предел текучести, временное сопротивление и точка разрушения показаны на типичной инженерной диаграмме для конструкционной стали, однако эти обозначения соответствуют различным свойствам.

Это различие важно, поскольку плавная на вид кривая всё же может давать формально определённое значение предела текучести. ASTM E8/E8M-21 допускает представление результатов на основе явления текучести, если оно присутствует, и предусматривает специальные процедуры в случаях его отсутствия. ISO 6892-1:2019 также определяет механические свойства, которые могут быть получены при испытании, однако результат зависит от метода и выбранного параметра. Один только график не позволяет установить, какое именно определение применялось.

Условное напряжение текучести и построения со смещением

Условное напряжение текучести обеспечивает воспроизводимую замену, когда отчётливо выраженная площадка текучести отсутствует. При испытании регистрируют кривую нагружения, а затем определяют напряжение, которое после разгрузки приводит к заданной остаточной деформации. Распространённым является метод смещения на 0,2 %: из точки, соответствующей деформации 0,002, проводят линию, параллельную начальному упругому участку, а её пересечение с кривой даёт условное напряжение текучести при 0,2 %, которое в обозначениях, используемых в ISO, часто записывают как $R_{p0.2}$. Точный символ, величина смещения, способ определения наклона и процедура оценки зависят от стандарта и спецификации материала.

Это построение, а не внезапное физическое событие, происходящее ровно при деформации 0,2 %. Условное напряжение текучести при 0,2 % и нижний предел текучести отвечают на разные вопросы. Первое показывает, какому напряжению соответствует заданный критерий остаточной деформации; второе выявляет особенность наблюдаемого отклика материала на нагрузку. Если оба показателя без уточнений называть просто «пределом текучести», это различие может остаться незамеченным.

Отчёт Национального бюро стандартов об условных напряжениях текучести в нержавеющих сталях и цветных металлах показывает, почему результаты определения условного напряжения требуют тщательной интерпретации. Предшествующая пластическая деформация может изменить последующую кривую нагружения, а образец, выдержанный перед повторным нагружением, может иметь иное условное напряжение текучести, чем образец, испытанный без перерыва. Внутренние напряжения также влияют на кажущееся начало остаточной деформации: остаточные растягивающие и сжимающие напряжения могут привести к более раннему началу текучести в одном направлении по сравнению с другим. Следовательно, сообщаемое условное напряжение текучести зависит от истории образца, а не только от состава сплава.

Измерительный выбор добавляет ещё один уровень сложности. В исследованиях NIST по ASTM A1008 использовались средние скорости деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, а для измерения перемещения и деформации применялась корреляция цифровых изображений. Это существенно различные испытания, даже если номинальная марка материала не меняется. Показание перемещения траверсы может включать податливость машины и захватов, тогда как экстензометр, установленный на базе измерения, или система корреляции цифровых изображений измеряет другую величину.

Наклёп, интервалы выдержки и внутренние напряжения

После начала пластического течения сталь обычно упрочняется в результате наклёпа: для дальнейшей пластической деформации требуется возрастающее напряжение, поскольку взаимодействие дислокаций повышает сопротивление деформированию. Поэтому после площадки текучести или пересечения с уровнем условного напряжения текучести кривая снова поднимается. Этот подъём не является ещё одним пределом текучести. Он отражает изменение напряжения течения материала, микроструктура и внутреннее напряжённое состояние которого уже претерпели изменения.

При разгрузке упрочнённого наклёпом образца часть деформации восстанавливается, тогда как пластическая деформация сохраняется. Повторное нагружение может проходить по смещённой упругой траектории и приводить к более высокому кажущемуся условному напряжению текучести. Интервал выдержки может способствовать процессам восстановления или изменениям, связанным со старением при деформации, поэтому последующий отклик не обязательно совпадает с откликом при немедленном повторном нагружении. В отчёте Национального бюро стандартов об условных напряжениях текучести эти эффекты рассматриваются как основные экспериментальные переменные, а не как незначительные помехи.

Поэтому утверждение «сталь A имеет более высокий предел текучести, чем сталь B» имеет смысл только в том случае, если оба значения получены при одинаковых стандарте испытаний, температуре, скорости деформации, геометрии образца, определении расчётной длины и критерии текучести. Например, в отчёте NIST по конструкционным сталям представлены кривые при высоких скоростях деформации для стали периметральных колонн, заданной пределом текучести 50 ksi; это обозначение не делает данное значение взаимозаменяемым с условным напряжением текучести при 0,2 %, определённым в ходе медленного испытания. Текучесть — это сообщаемое определение, применённое к измеренному отклику. Без обеих составляющих число является неполным.

Инженерные кривые и кривые истинных напряжений–деформаций

График испытания на растяжение не отражает одного-единственного, очевидного свойства материала. Его форма частично зависит от того, каким образом сила, удлинение и размеры образца преобразуются в напряжение и деформацию. Стандарт ASTM E8/E8M-21 регламентирует испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и определение предела текучести, удлинения в точке текучести, предела прочности при растяжении, удлинения и относительного сужения. Стандарт ISO 6892-1:2019 устанавливает сопоставимый метод испытаний металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и определяет получаемые при этом механические свойства. Ни один из этих стандартов не отменяет необходимости указывать, какая именно система определения напряжений и деформаций использовалась.

Инженерное напряжение рассчитывают как отношение приложенной силы к первоначальной площади поперечного сечения образца:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

Инженерную деформацию определяют по первоначальной расчетной длине:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

Эти определения приведены в учебных материалах Мичиганского технологического университета и Georgia Tech, где в Georgia Tech инженерное напряжение записывается как $F/A_0$, а инженерная деформация — как $(l-l_0)/l_0$. Во время испытания образец может значительно утончаться и удлиняться, однако при инженерном расчете по-прежнему используются $A_0$ и $L_0$. Такой подход упрощает сопоставление результатов при условии, что также указаны геометрия образца, расчетная длина, стандарт и методика испытания.

Почему инженерное напряжение может снижаться после начала образования шейки

До образования шейки деформация приблизительно равномерно распределена по расчетной длине. Вся рабочая часть образца воспринимает нагрузку, а деформационное упрочнение при пластической деформации может повышать силу, необходимую для дальнейшего удлинения. На инженерной кривой это проявляется в виде роста напряжения после достижения текучести, пока нагрузка не достигнет максимума. Деление этой максимальной нагрузки на $A_0$ дает инженерный предел прочности при растяжении, который часто называют пределом прочности или временным сопротивлением.

Образование шейки изменяет характер деформации. Локальный участок начинает сокращаться быстрее, чем остальная часть расчетной длины, и в области шейки формируется меньшая площадь поперечного сечения. После этого образец деформируется уже неравномерно. Деформационное упрочнение по-прежнему повышает локальное напряжение течения, однако уменьшающаяся площадь может снижать общую нагрузку быстрее, чем упрочнение увеличивает напряжение, необходимое для деформирования материала. Поскольку испытательная машина регистрирует нагрузку, а инженерное напряжение представляет собой просто нагрузку, деленную на неизменную $A_0$, отображаемое инженерное напряжение снижается.

Это снижение не означает, что деформация прекратилась или что материал внезапно полностью утратил сопротивление локальному пластическому течению. Оно означает, что общая нагрузка, воспринимаемая образцом, уменьшилась. Материал внутри шейки может по-прежнему испытывать возрастающие напряжение и деформацию. В справочнике Fundamentals Handbook Министерства энергетики США на типичной инженерной кривой напряжение–деформация для конструкционной стали указаны предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности и точка разрушения; поэтому нисходящая ветвь между пределом прочности и разрушением является особенностью выбранного способа представления данных, а не непосредственным отображением равномерного поведения материала во всех точках образца.

Это различие важно при сравнении марок материала или результатов испытаний. Более высокий инженерный предел прочности при растяжении не означает автоматически, что материал выдерживает более высокое локальное напряжение на каждом этапе деформации после образования шейки. Результат также зависит от первоначальной площади, формы образца, расчетной длины, скорости нагружения, соосности и места измерения деформации.

Мгновенная площадь и истинное напряжение

Истинное напряжение определяется по площади, которая воспринимает нагрузку в данный момент:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}=\frac{F}{A_i}$$

где $A_i$ — мгновенная площадь поперечного сечения. Истинную деформацию обычно определяют интегрированием приращений удлинения по текущей длине:

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln \left(\frac{L}{L_0}\right)$$

При равномерной деформации инженерные и истинные величины можно связать следующими соотношениями:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}={\sigma }_{\mathrm{eng}}(1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

и

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln (1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

Эти преобразования применимы только до тех пор, пока деформация остается достаточно равномерной и выполняются необходимые допущения. Они не являются универсальной поправкой для любой точки после образования шейки.[4][4] Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. Massachusetts Institute of Technology. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004.

В справочном материале лаборатории строительных материалов MIT за 2004 год прямо различаются предел прочности при растяжении, определенный по инженерной кривой напряжение–деформация, и истинный предел прочности при растяжении, учитывающий уменьшение площади поперечного сечения. Различие может быть значительным вблизи разрушения, поскольку локальная площадь шейки может быть намного меньше $A_0$. Если сила 20 кН действует на первоначальную площадь $100{\text{мм}}^2$, инженерное напряжение составляет 200 МПа. Если фактическая площадь шейки в этот момент равна $50{\text{мм}}^2$, номинальное локальное истинное напряжение, рассчитанное по этой площади, составляет 400 МПа. Эти два числа описывают одну и ту же силу, но используют разные определения площади.

Измерение $A_i$ не является тривиальной задачей. Экстензометр может измерять среднее удлинение на расчетной длине, тогда как корреляция цифровых изображений позволяет определять локальные поля перемещений и деформаций. В ходе работы со сталью ASTM A1008 NIST сообщал об испытаниях при средних скоростях деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\text{с}}^{-1}$, при этом для измерения перемещений и деформаций использовалась корреляция цифровых изображений. Таким образом, видимая кривая отражает как реакцию материала, так и выбранный метод измерения и скорость деформации.

Равномерная деформация, образование шейки и интерпретация данных после образования шейки

Обычное преобразование инженерных данных в данные об истинных напряжениях и деформациях наиболее обоснованно при равномерной деформации и до начала образования шейки. Максимальная инженерная нагрузка обычно обозначает начало развития сосредоточенной шейки при растяжении, хотя локальное поведение и структура материала могут усложнять такую интерпретацию. До этого момента одна площадь поперечного сечения и одно измерение по расчетной длине могут достаточно точно характеризовать значительную часть активной области образца.

После начала образования шейки поле деформаций становится сильно локализованным. Поперечное сечение изменяется вдоль шейки, на поверхности появляется кривизна, а напряженное состояние перестает быть чисто одноосным. Материал вблизи шейки может испытывать не только осевые, но и поперечные напряжения. Поэтому умножение инженерного напряжения на $1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}}$ после достижения максимальной нагрузки не позволяет получить достоверную кривую локального истинного напряжения.

Преобразование данных после образования шейки требует соответствующих данных о локальной геометрии и деформации, например изменяющегося минимального диаметра или площади шейки, измерений локальной деформации и, при необходимости, поправки на кривизну шейки и возникающее трехосное напряженное состояние. Измерение площади в месте разрушения может использоваться для расчета относительного сужения, однако оно не позволяет восстановить всю историю деформации после образования шейки. Поэтому механическое применение уравнений для равномерной деформации может привести к физически вводящим в заблуждение значениям на нисходящей ветви кривой.

В отчетах следует указывать, являются ли кривые инженерными или истинными, каким образом измерялись площадь и деформация и в какой области допущения о равномерности перестают быть применимыми из-за образования шейки. Такая точность особенно важна при сравнении обычных результатов, полученных при комнатной температуре, с данными при высоких скоростях деформации; например, в отчете NIST по конструкционной стали представлены кривые при высоких скоростях деформации для стали периметральных колонн с заданным пределом текучести 50 ksi. Название кривой — лишь начало. Ее определения и условия испытания определяют смысл отображаемых чисел.

Как скорость деформации изменяет регистрируемое поведение стали

Скорость деформации — это скорость, с которой деформируется образец при растяжении; обычно ее выражают в обратных секундах (с⁻¹). В любом описании испытания ее следует указывать наряду с маркой стали, геометрией образца, температурой и принятой системой определения напряжения и деформации. Кривая, измеренная при ${10}^{-5}{\text{с}}^{-1}$, не может автоматически считаться взаимозаменяемой с кривой, измеренной при ${10}^{-1}{\text{с}}^{-1}$, даже если оба образца были изготовлены из одной и той же плавки стали.

Причина имеет как физический, так и методический характер. Пластическая деформация требует перемещения дислокаций, а это перемещение связано со временем, доступным для преодоления препятствий, формирования локальных концентраций напряжений и распространения деформации по рабочей длине образца. Поэтому зарегистрированная кривая может изменяться в области текучести, по наклону после достижения текучести, по пределу прочности при растяжении и по кажущейся пластичности. Величину каждого такого изменения необходимо устанавливать для конкретного материала и условий испытания; ее не следует рассматривать как универсальный процент, применимый ко всем сталям.

Серия испытаний NIST для ASTM A1008 при различных скоростях деформации

NIST испытал сталь ASTM A1008 при средних скоростях деформации 10^-5, 10^-3 и 10^-1 с^-1. Strong evidence

Исследование Национального института стандартов и технологий (NIST) делает это сравнение наглядным на примере стали ASTM A1008. Испытания проводились при средних скоростях деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\text{с}}^{-1}$. Эти значения охватывают четыре порядка величины, хотя обозначения испытаний соответствуют трем дискретным условиям, а не непрерывному закону поведения материала. Полученные данные показывают, почему подпись к кривой, в которой не указана скорость деформации, является неполной.

Наиболее медленное условие соответствует накоплению деформации в течение сравнительно длительного времени, тогда как ${10}^{-1}{\text{с}}^{-1}$ обеспечивает значительно более быстрое деформирование. Изменение представляет собой не просто горизонтальный сдвиг графика. Могут смещаться начало текучести и последующее течение материала, а форма кривой может изменяться по мере того, как пластическая деформация становится более локализованной. Поэтому зарегистрированное значение предела текучести при одной скорости может отличаться от значения, полученного при другой скорости, даже если используется один и тот же расчет инженерного напряжения.

NIST также применял цифровую корреляцию изображений (DIC) для измерения перемещения и деформации. Эта деталь имеет значение. Сигнал перемещения траверсы включает податливость испытательной машины и может также учитывать деформацию за пределами предусмотренной рабочей части образца; DIC позволяет измерять локальное перемещение поверхности и выявлять концентрацию деформации. Поэтому две лаборатории могут регистрировать кривые деформации, заметно различающиеся по виду, поскольку они измеряли разные физические величины, а не потому, что сталь вела себя по-разному.

Обычные инженерные определения по-прежнему имеют важное значение. Инженерное напряжение — это нагрузка, деленная на первоначальную площадь поперечного сечения образца, $F/A_0$, а инженерная деформация — изменение рабочей длины, деленное на ее первоначальное значение, $(l-l_0)/l_0$, как описано Georgia Tech и Michigan Technological University. Эти определения не устраняют зависимость от скорости деформации. Они лишь устанавливают, каким образом измеренные нагрузка и перемещение преобразуются в координаты графика.

Чувствительность к скорости деформации при текучести и пластическом течении

Текучесть особенно чувствительна к тому, как проводится испытание и как интерпретируются его результаты. ASTM E8/E8M-21 охватывает испытания на растяжение при комнатной температуре и определение предела текучести, удлинения при текучести, предела прочности при растяжении, удлинения и относительного сужения. Значение предела текучести может определяться по отчетливой площадке текучести, по площадке текучести или методом смещения — в зависимости от поведения материала и процедуры представления результатов. Если изменение скорости деформации влияет на переход от упругой к пластической деформации, выбранный показатель текучести может измениться еще до рассмотрения последующей кривой течения.

После достижения текучести скорость деформации может влиять на напряжение, необходимое для поддержания пластического течения. При более быстром испытании для достижения заданной пластической деформации образцу может требоваться более высокое напряжение, чем при медленном испытании. Это утверждение описывает тип поведения, исследованный в серии испытаний NIST для ASTM A1008, но не является фиксированным правилом для каждой марки стали, температуры или диапазона скоростей. Эффект также может изменяться вдоль кривой: небольшое изменение вблизи текучести не позволяет предсказать изменение при равномерном течении, образовании шейки или разрушении.

Место измерения создает еще один источник кажущейся чувствительности к скорости деформации. Если деформация усредняется по длинной рабочей длине, локальная шейка может быть сглажена в зарегистрированном значении деформации. Если DIC отслеживает меньшую область, локализация проявляется раньше и сильнее. Инженерное напряжение также рассчитывается с использованием первоначальной площади, поэтому оно не показывает мгновенное уменьшение площади при образовании шейки. MIT проводит различие между таким инженерным пределом прочности при растяжении и истинным пределом прочности при растяжении, при определении которого учитывается уменьшение площади поперечного сечения. Поэтому скорость деформации, определение деформации и используемая система учета площади необходимо рассматривать совместно.

Квазистатические испытания и данные при высоких скоростях деформации

Большинство обычных испытаний на растяжение при комнатной температуре являются квазистатическими. ASTM E8/E8M-21 и ISO 6892-1:2019 определяют методы испытаний металлических материалов при комнатной температуре, однако стандартная методика не делает каждый результат независимым от скорости деформации. Скорость испытания, метод управления скоростью деформации, рабочая длина образца, экстензометр или система DIC, а также выбранное определение свойства по-прежнему влияют на зарегистрированное поведение.

Испытания конструкционной стали при высоких скоростях деформации представляют собой иной объект сравнения. В одном отчете NIST приведены кривые растяжения «напряжение–деформация» при высоких скоростях деформации для стали периметральной колонны с заданным пределом текучести 50 ksi. Эти кривые описывают условия нагружения, существенно отличающиеся от обычного лабораторного испытания на растяжение. Их цель — охарактеризовать поведение стали при быстром деформировании, имеющем значение для анализа конструкций при особых событиях, а не заменить кривую квалификационных испытаний при комнатной температуре.

Квазистатическую кривую не следует накладывать на этот набор данных при высокой скорости и интерпретировать как простое ранжирование прочности. Образцы, скорости нагружения, измерительная аппаратура и, возможно, процедуры обработки кривых могут различаться. Даже если на обоих графиках используются инженерные напряжение и деформация, совпадение этих осей не означает совпадения условий эксперимента.

Практическое правило является строгим: сравнивать кривые следует только при совпадающих скоростях деформации либо необходимо четко указывать скорости и рассматривать их различие как часть результата. Значение, полученное при испытании на растяжение, без указания скорости деформации представляет собой неполное измерение.

Измерение деформации: перемещение траверсы, экстензометрия и цифровая корреляция изображений

Разрывная машина не измеряет деформацию непосредственно, если на ней не установлен прибор для измерения деформации и не используется оптический метод. Основным измеряемым параметром является сила, тогда как траверса регистрирует, на какое расстояние перемещается подвижный элемент машины. Это расстояние можно преобразовать в кажущуюся деформацию, однако оно не является автоматически удлинением рабочей части стального образца.

Деформация на расчетной длине и перемещение машины

Условная деформация определяется относительно заданной расчетной длины:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

где $L_0$ — начальная расчетная длина, а $L$ — текущее расстояние между контрольными метками. Условное напряжение определяется с использованием начальной площади поперечного сечения:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

Эти определения приведены в учебных материалах Michigan Technological University и Georgia Tech, где условное напряжение записывается как $F/A_0$, а условная деформация — как $(L-L_0)/L_0$. Заданная расчетная длина имеет значение. При большей расчетной длине деформация усредняется по большему объему материала, поэтому обычно получается иное зарегистрированное удлинение, чем при меньшей расчетной длине, особенно после начала образования шейки.

Перемещение траверсы включает не только удлинение образца. Часть перемещения обусловлена упругой деформацией силовой рамы, захватов, резьбовых приспособлений, датчика силы и других компонентов машины. Эта податливость системы может привести к завышению рассчитанной деформации, если показание перемещения траверсы напрямую разделить на расчетную длину образца. Усадка захватов и проскальзывание создают еще один источник кажущегося удлинения. Даже небольшое перемещение в зажимах может заметно повлиять на результат для короткого образца или на начальную область кривой при малых деформациях.

Результат также зависит от выравнивания. Изгиб, вызванный эксцентричным приложением нагрузки, может привести к тому, что одна сторона образца будет удлиняться сильнее другой, тогда как трение или неравномерное зажатие способны перераспределять напряжения вблизи переходных участков. Поэтому машина может формировать плавную запись зависимости силы от перемещения даже в том случае, если рабочая часть образца деформируется неравномерно. Экстензометры уменьшают влияние этих факторов, измеряя расстояние между двумя точками непосредственно на образце. При этом необходимо контролировать их расчетную длину, способ крепления, класс точности и момент снятия с образца.

ASTM E8/E8M-21 регламентирует испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и рассматривает предел текучести, удлинение при пределе текучести, прочность при растяжении, удлинение и относительное сужение. ISO 6892-1:2019 устанавливает метод испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и определяет характеристики, которые могут быть получены с его помощью. Ни один из этих стандартов не превращает перемещение траверсы в универсальное значение деформации: зарегистрированная характеристика по-прежнему зависит от геометрии образца, определения расчетной длины, конфигурации испытания и процедуры измерения.

Это различие становится критически важным после достижения максимальной прочности при растяжении. Условное напряжение по-прежнему рассчитывается с использованием $A_0$, несмотря на уменьшение поперечного сечения образца. В лабораторных материалах MIT по материаловедению за 2004 год эта условная прочность при растяжении отличается от истинной прочности при растяжении, при расчете которой учитывается изменяющаяся площадь поперечного сечения. После образования шейки перемещение траверсы также становится неточным описанием локальной деформации, поскольку удлинение концентрируется в небольшой области, а не распределяется равномерно по всей расчетной длине.

Цифровая корреляция изображений в исследовании NIST

В исследовании стали ASTM A1008 Национальный институт стандартов и технологий использовал цифровую корреляцию изображений (DIC) для измерения перемещений и деформаций. Метод DIC отслеживает перемещение рисунка на поверхности, зафиксированного на последовательных изображениях. Программное обеспечение сопоставляет небольшие области изображений, часто называемые подмножествами, и рассчитывает их перемещение между кадрами; пространственные производные этих перемещений дают поля деформаций.

Этот метод отличается от единичного измерения экстензометром. Экстензометр регистрирует изменение расстояния между заданными точками, тогда как DIC позволяет рассчитывать перемещение во множестве точек по всей видимой поверхности образца. В исследовании NIST рассматривались средние скорости деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. Поскольку как скорость деформации, так и метод измерения влияют на регистрируемый отклик, полученные кривые не следует рассматривать как независимое от условий испытания ранжирование материалов.

DIC не заменяет измерение силы разрывной машиной. Сила по-прежнему определяется датчиком силы, а для расчета напряжения необходимо задать площадь поперечного сечения. Вместо этого DIC предоставляет пространственно разрешенное измерение деформации, которое можно сопоставить с силой, чтобы определить, где образец удлиняется, переходит в пластическое состояние или происходит концентрация деформации. Это метод, применяемый в отдельных исследованиях, включая исследование NIST стали ASTM A1008, а не требование, согласно которому каждое испытание на растяжение по ASTM должно выполняться с использованием оптической визуализации.

Локальные поля деформаций вблизи шейки и разрушения

До начала текучести деформация в правильно выровненной рабочей части может быть почти равномерной. Пластическая деформация некоторое время может оставаться широко распределенной, особенно в образце со стабильной геометрией и подходящим состоянием поверхности. Позднее деформация становится неравномерной. Образуется шейка, локальная площадь поперечного сечения уменьшается, а локальная деформация возрастает быстрее, чем средняя деформация по расчетной длине.

Обычный экстензометр регистрирует среднее значение по своей расчетной длине. Это среднее значение может скрывать узкую область, в которой происходит основная часть пластического удлинения. DIC непосредственно показывает это изменение: карты осевой деформации демонстрируют начало локализации, ее перемещение или развитие, а также резкую концентрацию в области шейки. Вблизи разрушения поле деформаций может резко изменяться на расстояниях, значительно меньших исходной расчетной длины. Поэтому конечное удлинение, измеренное после совмещения разрушенных половин образца, нельзя считать взаимозаменяемым с локальной деформацией на поверхности разрушения.

Это различие также объясняет, почему кривая может снижаться после достижения условной максимальной прочности при растяжении, тогда как материал вблизи шейки продолжает упрочняться. Нагрузка уменьшается, поскольку уменьшение площади поперечного сечения опережает увеличение локального напряжения течения. Интерпретация через истинное напряжение требует учета изменяющейся площади, тогда как полнопольное оптическое измерение помогает показать, где происходят уменьшение площади и концентрация деформации. Типичная кривая для конструкционной стали, приведенная Министерством энергетики США, содержит обозначения предела пропорциональности, предела текучести, максимальной прочности и точки разрушения, однако эти ориентиры приобретают смысл только в том случае, если исходные измерения перемещения и площади определены.

Геометрия образца, стандарты и источники разброса результатов испытаний

Кривая растяжения частично отражает характеристики образца и испытательной установки, а не только марку стали. Две лаборатории могут испытывать номинально одинаковую углеродистую сталь 1018 и получать разные значения предела текучести, временного сопротивления или напряжения разрушения, если они используют разные методы измерения поперечного сечения, разные расчетные длины, скорости деформации или методы регистрации деформации. Эксперимент Syracuse University с углеродистой сталью 1018 демонстрирует это положение: в нем для определения предела текучести, временного сопротивления и напряжения разрушения применялись плоские образцы для испытаний на растяжение по ASTM. Эти значения имеют смысл только вместе с размерами образца и использованными расчетными соглашениями.

ASTM E8/E8M-21 распространяется на испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и определение предела прочности, удлинения в области площадки текучести, временного сопротивления, удлинения и относительного сужения. ISO 6892-1:2019 устанавливает метод испытания на растяжение при комнатной температуре и определяет механические свойства, которые можно получить с его помощью. Эти стандарты связаны между собой, однако результат, обозначенный только как «прочность при растяжении по ASTM» или «удлинение по ISO», является неполным, если не указаны тип и размеры образца, скорость испытания и метод представления результатов.

Плоские образцы по ASTM и размеры расчетной длины

Плоский образец по ASTM имеет более широкую рабочую часть, суженную расчетную часть и увеличенные концы для захвата. Суженная часть должна содержать место разрушения, а радиусы переходов ограничивают концентрацию напряжений между расчетной длиной и уступами. Стандартные образцы и образцы уменьшенного размера имеют разные ширину, толщину, расчетную длину и размеры концов. В распространенной геометрии плоского образца по ASTM используется расчетная длина 50 мм и расчетная ширина 12,5 мм, однако эти размеры нельзя автоматически считать применимыми к каждому образцу. Указанную в эксперименте Syracuse геометрию плоского образца по ASTM следует сохранять вместе с результатами, а не заменять общим описанием «образец в форме гантели».

Расчетная длина не равна общей длине металлической полосы. Это начальная длина, обозначенная метками или заданная экстензометром, на которой рассчитывается условная деформация. Условная деформация определяется выражением

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0},$$

где $L_0$ — начальная расчетная длина. Более длинная расчетная длина обычно распределяет измеряемую деформацию по большему объему материала и может давать меньшее значение процентного удлинения, если в конечной деформации преобладает одна и та же шейка. Поэтому показатель «удлинение 18%» не имеет однозначного смысла без указания расчетной длины.

Толщина и ширина образца также влияют на результат. Небольшая ошибка в любом из этих размеров изменяет рассчитанную начальную площадь и, следовательно, каждое значение условного напряжения. Следы механической обработки, заусенцы, надрезы на кромках, перегрев, остаточная холодная деформация и коррозия могут вызвать преждевременное разрушение. Образец, вырезанный поперек направления прокатки, может отличаться от образца, вырезанного вдоль него, поскольку прокатка изменяет текстуру материала, а также распределение включений и дефектов.

Измерение площади, выравнивание и захват образца

Условное напряжение рассчитывается по исходной площади поперечного сечения:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

Именно такая расчетная схема описана Michigan Technological University и Georgia Tech; в ней $A_0$ измеряется до приложения нагрузки. Исходную площадь следует определять в пределах расчетной части образца с помощью калиброванных средств измерения и фиксировать фактические значения толщины и ширины, а не номинальные размеры по чертежу. Если образец имеет конусность, деформирован или локально выполнен с уменьшенным размером, измерение только в одном месте может скрыть наиболее слабое сечение. Несколько измерений по длине расчетной части позволяют выполнить проверку.

Не менее важно выравнивание. Центральная линия образца должна совпадать с осью нагружения. Угловое смещение или неравномерный захват вызывают изгиб, из-за чего одна кромка воспринимает большее напряжение, чем другая. В результате на кривой могут наблюдаться преждевременные текучесть или разрушение, хотя средняя нагрузка, показываемая испытательной машиной, кажется приемлемой. Захваты должны удерживать увеличенные концы без проскальзывания, смятия или повреждения суженной части. Зубчатые захваты могут повредить тонкий плоский образец; недостаточное зажатие может вызвать перемещение, которое экстензометр интерпретирует как деформацию.

В протоколе испытания следует указывать экстензометр или метод измерения перемещения, его расчетную длину и, если применимо, момент его снятия. В испытаниях стали ASTM A1008, проведенных NIST, применялась цифровая корреляция изображений и исследовались средние скорости деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. Изменение скорости и изменение метода измерения являются частью описания эксперимента, а не второстепенными лабораторными подробностями. Конструкционная сталь с заданным пределом текучести 50 ksi, испытанная при высокой скорости деформации, как описано в отчете NIST по конструкционным сталям, не может напрямую сравниваться с медленной лабораторной кривой без указания этого различия.

Удлинение и относительное сужение после разрушения

Удлинение после разрушения обычно рассчитывают, совмещая разрушенные части образца и измеряя конечное расстояние между метками расчетной длины:

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100\%.$$

Это полное удлинение на заданной расчетной длине. Оно включает равномерное удлинение до образования шейки и локализованное удлинение в области шейки. Участок рядом с местом разрушения может значительно удлиниться, тогда как другие участки расчетной длины удлиняются лишь незначительно. Поэтому короткая расчетная длина в большей степени учитывает деформацию в области шейки и может давать более высокий процентный показатель, чем длинная расчетная длина при испытании того же разрушенного образца.

Относительное сужение характеризует уменьшение площади поперечного сечения в области шейки:

$$\mathrm{RA}=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100\%,$$

где $A_f$ — минимальная площадь в месте разрушения. Это не другое название удлинения. Пластичный образец из стали 1018 может демонстрировать значительное относительное сужение, даже если измеренное удлинение на расчетной длине отличается от значения, приведенного в другом отчете.

Напряжение разрушения в эксперименте Syracuse также следует идентифицировать по основе расчета — обычно как нагрузку при разрушении, деленную на исходную площадь, если речь идет об условной величине. Истинное напряжение разрушения, напротив, рассчитывается по уменьшенной площади в области шейки. MIT различает временное сопротивление, полученное по условной кривой, и истинную прочность при растяжении, учитывающую уменьшение поперечного сечения. Поэтому в каждом протоколе испытания следует указывать расчетную длину, $A_0$, конечную площадь, если она используется, место разрушения, метод измерения деформации, а также то, являются ли напряжение и деформация условными или истинными величинами.

Как сообщать и сопоставлять результаты испытаний стали на растяжение

Кривую растяжения можно сопоставлять с другой кривой лишь настолько, насколько сопоставима информация, приведённая вместе с ней. График зависимости напряжения от деформации может скрывать различия в форме образца, расчётной длине, скорости испытания, расположении экстензометра и принятом определении напряжения. Эти различия могут изменить кажущийся предел текучести, высоту пика прочности при растяжении и указанное удлинение, даже если сама сталь не изменилась.

Минимальная информация, сопровождающая кривую

На каждой кривой следует точно указывать обозначение стали в том виде, в котором оно приведено в нормативной документации или задано при поставке, например ASTM A1008, ASTM A36, SAE J403 1018 или EN 1.4301. Важна также форма изделия: лист, плита, пруток, проволока, труба или механически обработанный образец, вырезанный из сварного изделия, не обязательно покажут одинаковую механическую реакцию. При наличии следует указывать идентификацию плавки или партии, а также толщину или диаметр, состояние поверхности и любую термическую обработку.

Следует указать ориентацию образца относительно направления прокатки, ковки, экструзии или сварки. Обозначения «продольный» и «поперечный» не являются взаимозаменяемыми. Необходимо привести геометрию образца: плоское или круглое сечение, ширину, толщину или диаметр, размеры рабочей части, параметры головок и радиусов, а также начальную расчётную длину $L_0$. Значение удлинения неполно без указания расчётной длины. Указанное удлинение 25% при расчётной длине 50 мм нельзя напрямую сравнивать с удлинением 25%, измеренным на другой длине.

Следует назвать применимый стандарт на испытания и его редакцию. ASTM E8/E8M-21 регламентирует испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и определение предела текучести, удлинения при текучести, прочности при растяжении, удлинения и относительного сужения. ISO 6892-1:2019 устанавливает метод испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре и определяет механические свойства, которые можно получить в ходе этого испытания. Эти стандарты предусматривают сходные измерения, однако их требования к образцам, методы управления, правила расчёта и правила представления результатов всё равно необходимо проверять, а не считать идентичными.

Температуру следует указывать рядом с кривой, а не в отдельной сноске. Нужно сообщить температуру испытания и указать, поддерживалась ли она регулируемой или только измерялась. Следует привести скорость деформации, скорость перемещения траверсы, скорость нагружения или режим управления, включая момент, в который машина перешла от управления усилием к управлению деформацией. В испытаниях стали ASTM A1008, проведённых NIST, изучались средние скорости деформации ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, при этом для измерения перемещения и деформации применялась цифровая корреляция изображений. Скорость и метод измерения являлись экспериментальными переменными.

Следует описать, каким образом определялась деформация: с помощью экстензометра, по перемещению траверсы, методом цифровой корреляции изображений или расчётным способом. Перемещение траверсы включает деформацию машины и захватов; оно не является автоматически деформацией рабочей части образца. Необходимо указать базу экстензометра, его разрешение, момент снятия и то, фиксировалось ли локальное шейкообразование.

Оси графика следует обозначать как соответствующие инженерным или истинным величинам. Инженерное напряжение равно $F/A_0$, где $F$ — нагрузка, а $A_0$ — начальная площадь; инженерная деформация равна $(L-L_0)/L_0$, как описано Michigan Technological University и Georgia Tech. При расчёте истинного напряжения используется мгновенная площадь, а истинная деформация накапливается как сумма приращений длины. MIT различает прочность при растяжении, определяемую по инженерной кривой, и истинную прочность при растяжении, учитывающую уменьшение площади поперечного сечения.

В отчёте следует определить принятую трактовку предела текучести или условного предела текучести: верхний или нижний предел текучести, условный предел текучести при смещении 0,2%, другое смещение, предел пропорциональности или значение, полученное с помощью заданного алгоритма. Необходимо привести прочность при растяжении, равномерное удлинение, если оно измерялось, полное удлинение и его расчётную длину, относительное сужение и наблюдения по характеру разрушения. Следует зафиксировать место образования шейки, срезные губы, вид излома по типу «чашка — конус», расслоение и то, произошло ли разрушение внутри расчётной части образца.

Сопоставление марок без смешения определений

Не следует ранжировать марки, помещая кривые, полученные по разным методикам, на один график и принимая самую высокую линию за показатель наиболее прочной стали. Кривая для круглого прутка и кривая для листа могут отражать разные направления и условия стеснения деформации. Малая расчётная длина может давать иное полное удлинение, чем большая. Высокая скорость деформации способна повысить измеренное напряжение течения; результаты NIST для ASTM A1008 при скоростях ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ и ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$ показывают, почему скорость должна указываться вместе с результатом. Кривые NIST, полученные при высоких скоростях деформации для стали периметральных колонн с заданным пределом текучести 50 ksi, отвечают на иной инженерный вопрос, чем квазистатическое испытание при комнатной температуре.

После образования шейки разные правила расчёта площади могут изменить кажущийся вывод. Инженерное напряжение по-прежнему рассчитывается как нагрузка, делённая на $A_0$, поэтому после достижения максимальной нагрузки оно обычно снижается. Истинное напряжение рассчитывается по уменьшающейся площади сечения и может продолжать расти в течение части стадии шейкообразования. Называть инженерный максимум «истинной прочностью при растяжении» означает смешивать две разные величины.

Стандарты также определяют, как измеряются предел текучести, условный предел текучести, удлинение и относительное сужение. U.S. Department of Energy указывает предел пропорциональности, предел текучести, временное сопротивление и точку разрушения на типичной инженерной кривой, однако эти названия не задают единой универсальной процедуры расчёта. Сопоставление марок обоснованно только тогда, когда согласованы форма образца, направление, температура, скорость, определения и стандарт либо когда различия явно скорректированы и оговорены.

Дисциплинированный порядок интерпретации

Начинайте с исходного файла зависимости усилия от перемещения, а не с опубликованного изображения. Проверьте частоту дискретизации, нулевые значения нагрузки, установку образца в захватах, снятие экстензометра, податливость машины, а также наличие пропущенных или сглаженных данных. Убедитесь, что единицы усилия и перемещения не были преобразованы дважды.

Затем проверьте исходные размерные данные. Повторно измерьте или изучите зарегистрированные ширину, толщину или диаметр, начальную площадь, расчётную длину и конечную минимальную площадь. Небольшие ошибки площади влияют на каждое значение инженерного напряжения; ошибки расчётной длины влияют на деформацию и удлинение.

После этого воспроизведите кривую по исходным данным, используя указанные инженерные или истинные определения. Отметьте предел пропорциональности, предел текучести или условный предел текучести, максимальную нагрузку, равномерное удлинение, точку разрушения и относительное сужение в соответствии с заявленным методом. Сопоставляйте эти точки с отчётом, а не только с нанесённой на график линией.

Наконец, оцените неопределённость и место разрушения. Укажите разброс результатов повторных испытаний, неопределённость измерения размеров, точность экстензометра, изменение температуры и вариации скорости. Не следует объяснять различия металлургическими причинами, пока не проверены артефакты испытания, ориентация образца, а также наблюдения за шейкой и разрушением. Только после этого различия следует связывать с составом, технологией обработки, микроструктурой или деформационным упрочнением.

Источники

1. [1]ASTM International. Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2021. https://store.astm.org/e0008_e0008m-21.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. ISO standard, 2019. https://www.iso.org/standard/78322.html
3. [3]U.S. Department of Energy. Properties of Metals. DOE Fundamentals Handbook reference. https://engineeringlibrary.org/reference/properties-of-metals-doe-handbook
4. [4]Massachusetts Institute of Technology. Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004. https://ocw.mit.edu/courses/1-103-civil-engineering-materials-laboratory-spring-2004/e9253657127a6630f10b61b392b1d2d9_lab_2.pdf