Поведение материала при растяжении

Статическое растяжение — одно из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов.

Основные характеристики, определяемые при испытании[править | править код]

При статическом растяжении, как правило, определяются следующие характеристики материала.

• Характеристики прочности:
  • предел пропорциональности,
  • предел текучести,
  • предел прочности (временное сопротивление разрушению),
  • истинное сопротивление разрыву.
• Характеристики пластичности:
  • относительное остаточное удлинение,
  • относительное остаточное сужение.
• Характеристики упругости:
  • модуль упругости (модуль Юнга).
• Прочие характеристики:
  • коэффициент механической анизотропии
  • коэффициент (модуль) упрочнения

Основные типы материалов[править | править код]

Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие состоит в том, что первые деформируются в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (lк − l0)/l0, где l0 и lк — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответствии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:

• пластичные (δ ≥ 10 %);
• малопластичные (5 % < δ < 10 %);
• хрупкие (δ ≤ 5 %).

Существующие материалы могут быть изотропными или анизотропными. В последнем случае из-за различия характеристик в различных направлениях необходимо произвести не одно, а несколько испытаний.

Образцы для испытаний на статическое растяжение[править | править код]

Для испытаний на статическое растяжение используют образцы как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры.

Образцы круглого сечения, как правило, имеют рабочую длину, равную четырём или пяти диаметрам — т. н. короткие образцы или десяти диаметрам — т. н. нормальные образцы. Перед началом испытания замеряется диаметр образца (обычно 6, 10 или 20 мм) для вычисления напряжения σ и для расчёта относительного остаточного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ — ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещениям конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.

Диаграмма растяжения пластичного материала[править | править код]

Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A0, где A0 — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l0 ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.

Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:

Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.

По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Холла-Петча:

После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 — 2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σВ) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» — область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).

Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 1 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций.

Для многих материалов, например, с Г. Ц. К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2. Основное отличие — отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2 % (σ0.2).

После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения σ) за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца. Соответствующий (последний) участок диаграммы называют зоной местной текучести, так как пластические деформации продолжают интенсивно развиваться только в области шейки.

Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S — e (истинное напряжение S = P/A, где A — текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = ln(l+Δl/l), где l — текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в «шейке» образца. Поэтому различие между диаграммами истинных и условных напряжений наблюдается только после предела прочности — до точки 1 они практически совпадают друг с другом.

Образцы из пластичного материала разрушаются по поперечному сечению с уменьшением диаметра в месте разрыва из-за образования «шейки».

Диаграмма растяжения хрупкого материала[править | править код]

Диаграмма растяжения и диаграмма условных напряжений хрупких материалов по виду напоминает диаграмму, показанную на рис. 2 за тем исключением, что не наблюдается снижения нагрузки (напряжения) вплоть до точки разрушения. Кроме того, данные материалы не получают таких больших удлинений как пластичные и по времени разрушаются гораздо быстрее. На диаграмме хрупких материалов уже на первом участке имеется ощутимое отклонение от прямолинейной зависимости между нагрузкой и удлинением (напряжением и деформацией), так что о соблюдении закона Гука можно говорить достаточно условно. Так как пластических деформаций хрупкий материал не получает, то в ходе испытания не определяют предела текучести. Не имеет особенного смысла также рассчитывать и относительное сужение образца, так как шейка не образуется и диаметр после разрыва практически не отличается от исходного.

Влияние скорости деформации и температуры на прочностные характеристики[править | править код]

Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 — 0,07 мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести) (источник???).

В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:

где  — скорость деформации;  — астотный фактор,  — активационный объём;  — напряжение течения;  — экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации.

Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочности даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.

Стандарты на проведение испытаний[править | править код]

• ГОСТ 6996-66
• ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
• ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78) Пластмассы. Метод испытания на растяжение
• ASTM E-8 и ASTM E-8M

Литература[править | править код]

• Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. 3-е изд. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974
• М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.
• А. Н. Васютин, А. С. Ключ. Влияние температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию малоуглеродистых и низколегированных сталей. Заводская лаборатория, 1985, № 4.

См. также[править | править код]

• Растяжение-сжатие

Растяжение связок – одно из самых распространенных травматических повреждений. Наряду с ушибами занимает одно из первых мест в списке основных причин обращения в травмпункты. Может возникать у пациентов любого возраста и пола, особенно часто наблюдается у спортсменов и людей, ведущих активный образ жизни. Чаще всего выявляются растяжения связок голеностопного сустава, коленного сустава, плечевого сустава и лучезапястного сустава. Обычно активное лечение продолжается в течение 3-5 недель, а для полного восстановления требуется 8-9 недель.

В большинстве случаев растяжение связок является изолированной травмой, однако возможны и сочетания с повреждениями других структур, чаще – расположенных в той же анатомической области. Например, при внутрисуставных переломах и вывихах наблюдаются растяжения и разрывы связок в области пораженного сустава. Реже растяжения связок сочетаются с травмами других анатомических областей: переломами таза, позвоночника и конечностей, тупой травмой живота, ЧМТ, повреждением грудной клетки и т. д. Лечением растяжения связок занимаются травматологи-ортопеды.

Растяжение связок

В быту растяжение связок чаще всего возникает в результате спотыкания, подворачивания ноги или падения. Например, причиной повреждения связок голеностопного сустава может стать подворачивание ноги при ходьбе на высоких каблуках или передвижение по скользкой поверхности (льду, укатанному снегу или слишком гладкому полу). А растяжение связок лучезапястного сустава образуется при падении на руку в тех же обстоятельствах.

У спортсменов повреждения связок имеют свою специфику, связанную с видом спорта. Так, у конькобежцев и лыжников часто встречаются травмы голеностопного сустава, вызванные резкой внутренней ротацией (вращением) стопы при торможении. У баскетболистов, волейболистов, метателей ядра и теннисистов могут выявляться растяжения связок плечевого сустава в результате резкого замаха или броска. У людей, занимающихся пауэрлифтингом и бодибилдингом, иногда выявляются повреждения связок верхней конечности, обусловленные работой с большими грузами, жимом лежа либо от плеч.

Факторами, способствующими повреждению связок в быту или при занятиях спортом, являются избыточный вес, неудобная обувь, одежда или спортивное снаряжение, а также патологические изменения структур сустава в результате артроза, ранее перенесенных травм и инфекционных заболеваний. Вероятность травмы связок увеличивается и при врожденных или приобретенных аномалиях, нарушающих нормальные анатомические соотношения и распределение нагрузки между отдельными сегментами конечности (например, при плоскостопии).

Связки – эластичные плотные соединительнотканные тяжи, соединяющие одну кость с другой. От связок нужно отличать сухожилия, которые тоже состоят из соединительной ткани, но соединяют между собой не несколько костей, а кость и мышцу. Связки укрепляют сустав и «регулируют» движения. Они обеспечивают как подвижность сустава, так и его фиксацию, позволяя совершать физиологичные движения, но удерживая от нефизиологичных. В зависимости от основного функционального назначения различают связки, укрепляющие суставы; связки, направляющие движения; связки, тормозящие движения.

При растяжении связка испытывает нагрузку, превышающую ее прочность и эластичность. В результате часть волокон разрывается. Поврежденная связка частично или полностью утрачивает способность выполнять свои функции, сустав становится нестабильным. В ткани связки много мелких сосудов и нервных окончаний, поэтому при растяжении возникают кровоизлияния и сильная боль. В течение первых трех суток наблюдается нарастающий отек, при множественных разрывах волокон пораженная область приобретает «слоновый» вид – контуры сустава полностью сглаживаются, отек распространяется на нижележащие отделы (например, на стопу при повреждении связок голеностопного сустава). Возможно местное повышение температуры, синюшность и гиперемия.

В травматологии и ортопедии выделяют три степени растяжения связок:

• 1 степень – разрывы отдельных волокон связки при сохранении ее механической целостности и непрерывности. Отек выражен незначительно, кровоизлияния отсутствуют. Опора и движения несколько ограничены, боли умеренные.
• 2 степень – имеются множественные разрывы волокон, возможно частичное повреждение капсулы. Отмечается умеренный отек, часто выявляются кровоподтеки. Движения ограничены, болезненны, опора затруднена. Может определяться некоторая нестабильность сустава.
• 3 степень – полный разрыв. Сопровождается резкой болью, значительным отеком и выраженными кровоподтеками. Движения резко ограничены, опора, как правило, невозможна. При попытке пассивных движений выявляется нестабильность сустава.

При повреждении связок 1-2 степени в абсолютном большинстве случаев требуется консервативное лечение. Самостоятельное заживление наступает через несколько недель. При полных разрывах, несмотря на высокие регенеративные способности связок, самостоятельное восстановление происходит не всегда, может потребоваться хирургическое вмешательство. При этом вероятность самостоятельного заживления зависит от локализации связки, сопутствующих травматических повреждений, своевременности и адекватности консервативной терапии.

В момент травмы возникает резкая боль. При разрыве значительной части волокон иногда слышен характерный хлопок. Затем появляется нарастающий отек, при тяжелых травмах образуются гематомы и подкожные кровоизлияния. Беспокоит боль, которая резко усиливается при попытке повернуть конечность в ту сторону, в которую она была повернута в момент повреждения. Степень нарушения опоры и движений зависит от тяжести травмы – от незначительного ограничения при легком растяжении до невозможности при тяжелых надрывах и полных разрывах.

При осмотре выявляется отек. Незначительное растяжение сопровождается образованием локальной припухлости в области связки. При травмах средней степени тяжести отек распространяется на весь сустав. При тяжелых повреждениях наблюдается выраженная отечность с распространением не только на сам сустав, но и на дистальную часть конечности, из-за отека сустав полностью перестает контурироваться. Кровоизлияния и гематомы возникают преимущественно при средних и тяжелых повреждениях.

Пальпация травмированной области резко болезненна, определяется местное повышение температуры кожи. Крепитация отсутствует. При легких и средних травмах пассивные движения ограничены из-за боли, при тяжелых повреждениях выявляется излишняя подвижность, имеющая определенные отличия от патологической подвижности вследствие перелома. При переломах патологическая подвижность возникает в области излома, то есть, там, где ее в норме вообще быть не должно. При повреждении связок движения совершаются там, где и должны (в суставе), однако их амплитуда больше, чем в норме.

Диагноз выставляется на основании симптомов и, при возможности, данных МРТ, УЗИ сустава или артроскопии. Связки – мягкотканные образования, они не видны на рентгенограммах, поэтому рентгенография может использоваться только для исключения перелома, поскольку переломы и растяжения сопровождаются весьма сходной симптоматикой и иногда сочетаются друг с другом. Кроме того, в ходе дифференциальной диагностики с переломами учитываются характерные клинические признаки.

При растяжениях, в отличие от переломов, не возникает боли при надавливании на кость (за исключением надавливания в области поврежденной связки). В момент травмы слышен хлопок, а не костный хруст. В состоянии покоя, как правило, отсутствует выраженный болевой синдром, нарушающий сон и отдых больного. При пальпации не определяется крепитация, а деформация образуется, в основном, за счет отека, а не за счет смещения отломков.

В отличие от переломов, при которых повреждение связочного аппарата сустава наблюдается лишь в отдельных случаях, вывих всегда сопровождается разрывом или растяжением связок. Вывихи также исключают на основании рентгенографии и отсутствия типичных клинических признаков. При растяжении, в отличие от вывиха, никогда не бывает резкой и грубой деформации сустава, укорочения конечности и пружинящего сопротивления при попытке пассивных движений.

При повреждениях 1 и 2 степени проводится амбулаторное лечение в травмпункте. При повреждениях 3 степени обычно требуется госпитализация в травматологическое отделение. Пациентам рекомендуют покой, возвышенное положение конечности. В течение первых суток к травмированной области прикладывают холод (грелку или полиэтиленовый пакет со льдом, завернутые в полотенце). Начиная с третьих суток, используют сухое тепло. При легких растяжениях на время ходьбы накладывают эластичный бинт или надевают суппорт (специальную ортопедическую повязку). В покое удерживающие приспособления снимают, чтобы не препятствовать кровообращению в пораженной области. При тяжелых травмах проводят иммобилизацию с использованием гипсовой либо пластиковой лонгеты.

Пациентам с растяжением связок, особенно в первые трое суток, противопоказаны тепловые процедуры: теплые компрессы, горячие ванны, сауна или баня. Не следует принимать алкоголь или проводить массаж, поскольку это способствует нарастанию отека и увеличению кровоподтеков. На начальном этапе не рекомендуется совершать движения в поврежденном суставе, так как это может спровоцировать дополнительные микроразрывы волокон связки и замедлить скорость ее восстановления. Массаж и физические упражнения показаны только в восстановительном периоде.

В первые дни после травмы для устранения боли и уменьшения воспаления при необходимости можно использовать нестероидные противовоспалительные препараты (диклофенак, ибупрофен и др.). Если интенсивные боли сохраняются неделю или более, нужно обратиться к врачу, чтобы он порекомендовал другие, более безопасные способы обезболивания, поскольку длительный прием НПВП может спровоцировать возникновение гастрита или образование язвы желудка. Наряду с НПВП для приема внутрь можно применять более безопасные наружные средства из той же группы.

На этапе восстановления пациентов направляют на ЛФК. Упражнения сначала включают в себя только легкие разминочные движения, затем комплекс постепенно расширяется. При этом общим принципом является отсутствие боли при выполнении упражнений. Следует помнить, что слишком длительный полный покой, как и слишком ранние движения в суставе, могут негативно сказаться на продолжительности восстановительного периода, поэтому лечебной физкультурой следует заниматься в строгом соответствии с рекомендациями врача и инструктора ЛФК.