Въведение

В инженерната практика материалите са подложени на различни видове натоварвания. Натоварванията, на които могат да бъдат подложени материалите, могат да бъдат изброени като опън, натиск, огъване, срязване или усукване. В същото време тези натоварвания могат да се различават статично или динамично. Може да се наложи материалът да устои на едно или повече от тези натоварвания едновременно. В този случай е необходимо да се знае кой материал при какви условия да се използва. За да се групират материалите, техните реакции при определени натоварвания се наблюдават с изпитвания и по този начин се разкриват механичните свойства на материалите.

Можем да разделим тестовете за получаване на еластични свойства на статични и динамични. За да бъде едно изпитване статично, силата трябва да се прилага с максимална честота 1 Hz, постоянно и само веднъж. В този случай напрежението е постоянно и коефициентът на удължение е по-малък от 0,25 при статичното изпитване. Динамичните изпитвания се използват за тези видове натоварвания, тъй като статичните изпитвания не могат да създадат адекватен модел за внезапно променящи се натоварвания. При динамичното изпитване натоварването е променливо и към образеца се прилага синусоидална деформация. Тези изпитвания могат да се извършват и при високи или ниски температури. В резултат на динамичните изпитвания се получава информация за твърдостта и демпфирането. Можем да разгледаме изпитванията на умора като подвид на динамичните изпитвания. Натоварването се прилага циклично. Тези изпитвания се извършват с цикли на опън-изтегляне, компресия-сгъстяване или компресия-обратен опън. В резултат на изпитването за умора може да се определи животът на материалите. С изпитването на умора се определят също така якостта на умора и устойчивостта на пукнатини.

 

Изпитване на опън

Изпитването на опън е едно от най-разпространените изпитвания в инженерната практика за определяне на якостните свойства на материалите. То се извършва за определяне на механичните свойства на изотропни материали. Това изпитване се основава основно на прилагането на сила на опън върху образеца от противоположни страни в една и съща посока и следене на напрежението върху материала до неговото разрушаване. В резултат на изпитването на опън могат да се получат границата на провлачане, максималната граница на опън, пластичността, модулът на Юнг, модулът на срязване и коефициентът на Поасон на материала.

Криви на напрежението и деформацията

Криви на напрежение и деформация

Номиналното напрежение на опън, приложено към материала по време на изпитването, е следното:

Където F е силата на опън, а A_0 е площта на напречното сечение, подложено на опън. А деформацията се определя като;

Където L_0 е началната дължина на спесимена, а Δ_L е удължението на материала след изпитването.

Със стойностите, получени от изпитването, се получава кривата напрежение-деформация. Тази крива разкрива точката на скъсване на материала, границата на провлачване, максималната граница на опън и състоянието на крехкост и дуктилност. Друго предимство е, че тя дава информация независимо от размерите на материала.

Диаграмата по-горе показва кривата напрежение-деформация на крехък материал.

За повечето криви началната част е линейна. Стойността на границата на провлачване се получава на кривата, когато от точката, в която удължението в кривата напрежение-деформация е 0,2%, се прокара крива, успоредна на наклона на кривата. Можем да определим максималното напрежение, което даден материал може да издържи без трайни повреди, като използваме неговата граница на провлачване. До тази точка обектът е в еластичната област. След това материалът навлиза в пластичната област, където силите, приложени върху него, причиняват трайни повреди.

Напрежение на добива

Наклонът на въображаемата линия, която прокарваме, за да намерим границата на провлачване, ни дава модула на Юнг, който е важно свойство на материала. Модулът на Юнг се получава по следния начин:

Следното уравнение представя коефициента на Поасон, който е отрицателната стойност на отношението на хоризонталното преместване към вертикалното преместване:

Тест

На фигурата са показани повечето от изгледите на напречните сечения на образците, използвани при изпитването на опън. Образците могат да бъдат оформени като лист или цилиндър.

Могат да се използват различни видове затягане в зависимост от различните материали и нива на чувствителност на измерването. Всеки метод на обвързване има своите предимства и недостатъци.

Тест за компресия

Изпитването на натиск показва как се държат материалите, когато са компресирани или смачкани. Обикновено изпитването продължава, докато веществото се разруши или до предварително определена граница. По този начин се изчислява натоварването, което материалът може да издържи, преди да се разкъса, и степента на неговото разграждане до този момент. За да се тества даден материал, той често се нагрява или охлажда и се подлага на много посоки на натискаща сила. Изпитванията обаче могат да се извършват при различни условия.

Материалите с висока якост на опън обикновено имат ниска якост на натиск. По тази причина тези материали се изследват чрез изпитване на натиск. Материалите, върху които се извършват най-много изпитвания на натиск, обикновено са крехки материали, например композитни материали, бетон, дърво, метал и тухли; полимери, пластмаси и пяна.

В резултат на изпитването на натиск се получава крива "сила-деформация". След това силата се преобразува в напрежение, за да се създаде крива "напрежение-деформация". Тази крива е много подобна на кривата напрежение-деформация при изпитването на опън. Само че осите са в посока, показваща скъсяването.

Напрежение при компресия - % Деформация при компресия

Изчисленията при изпитването на опън са валидни и за изпитването на натиск. натискът при натиск се изразява като;

Раздробяване

Смачкването се използва за изразяване на степента на скъсяване на материала по време на изпитването.

Изразете смазването.

Подуване

Набъбването е нарастване на напречното сечение на изпитвания материал. Материалите, които са пластични, са по-склонни към набъбване. Той се оформя чрез:

Тест

Крехките материали обикновено са обект на изпитвания на натиск. Характеристиките на компресия на твърда пяна са дадени в ISO 844 като пример от стандартите. Стойностите и формите на напречното сечение, стойностите на температурата и влажността и очакваните резултати от пробите са посочени в този стандарт. Напреженията са посочени в kPa.

Стойността на еластичността на натиск в стандарта е следната:

Тук σ_e е силата в края на конвенционалната еластична област, h_0 е началната дебелина на материала, а x_e е пътят, изминат от силата, пораждаща напрежението.

По-долу са изброени някои от стандартите, разработени за изпитвания на натиск:

ASTM D575-91 - Стандартни методи за изпитване на свойствата на каучука при натиск

ASTM E9-19 - Стандартни методи за изпитване на метални материали на натиск при стайна температура

TS EN ISO 14126 - Пластмасови композити, армирани с влакна - Определяне на свойствата на натиск в равнинно направление

 

Описание на техниката

Оценката на механичното поведение на даден образец в условия на опън и натиск може да се извърши, за да се предоставят основни данни за свойствата на материала, които са от решаващо значение за проектирането на компонента и оценката на експлоатационните характеристики. Изискванията за стойностите на якостта на опън и натиск и методите за изпитване на тези свойства са определени в различни стандарти за голямо разнообразие от материали. Изпитванията могат да се извършват върху машинно обработени проби от материала или върху пълноразмерни или мащабни модели на действителни компоненти. Тези изпитвания обикновено се извършват с помощта на универсален инструмент за механично изпитване.

Изпитването на опън е метод за определяне на поведението на материалите при осово натоварване на опън. Изпитванията се провеждат чрез закрепване на образеца в изпитвателната апаратура и след това прилагане на сила върху образеца чрез разделяне на кръстосаните глави на изпитвателната машина. Скоростта на кръстосаните глави може да се променя, за да се контролира скоростта на деформация в изпитвания образец. Данните от изпитването се използват за определяне на якостта на опън, границата на провлачане и модула на еластичност. Измерването на размерите на образеца след изпитването осигурява също така намаляване на площта и стойности на удължението, за да се характеризира еластичността на материала. Изпитванията на опън могат да се извършват върху много материали, включително метали, пластмаси, влакна, лепила и каучуци. Изпитванията могат да се извършват при субамбиентални и повишени температури.

Изпитването на натиск е метод за определяне на поведението на материалите при натискане. Изпитванията на натиск се провеждат чрез натоварване на изпитвания образец между две плочи, след което върху образеца се прилага сила чрез преместване на кръстосаните глави заедно. По време на изпитването образецът се компресира и се записва деформацията в зависимост от приложеното натоварване. Изпитването на натиск се използва за определяне на границата на еластичност, пропорционалната граница, точката на провлачване, границата на провлачване и (за някои материали) якостта на натиск.

 

Аналитична информация

Сила на натиск - Якостта на натиск е максималното напрежение на натиск, което даден материал може да издържи, без да се разруши. Крехките материали се разрушават по време на изпитването и имат определена стойност на якостта на натиск. Якостта на натиск на дуктилните материали се определя от степента на деформация по време на изпитването.

Граница на еластичност - Границата на еластичност е максималното напрежение, което материалът може да понесе, без да се деформира трайно след отстраняване на напрежението.

Удължаване - Удължаването е степента на постоянно удължаване на образец, който е бил счупен при изпитване на опън.

Модули на еластичността - Модулът на еластичност е отношението на напрежението (под пропорционалната граница) към деформацията, т.е. наклонът на кривата напрежение-деформация. Той се счита за мярка за твърдост или коравина на даден метал.

Пропорционален лимит - Границата на пропорционалност е най-голямото напрежение, което материалът може да достигне, без да се отклони от линейната зависимост на кривата "напрежение-деформация", т.е. без да развие пластична деформация.

Намаляване на площта - Намаляването на площта е разликата между първоначалната площ на напречното сечение на образеца за опън и най-малката площ след счупването след изпитването.

Щам - Деформацията е промяната в размера или формата на даден материал, дължаща се на сила.

Точка на доходност - Точката на провлачване е напрежението в материала (обикновено по-малко от максималното достижимо напрежение), при което нарастването на деформацията се извършва без увеличаване на напрежението. Само някои метали имат граница на провлачване.

Сила на провлачване - Границата на провлачване е напрежението, при което материалът показва определено отклонение от линейната зависимост напрежение-деформация. За металите често се използва отклонение от 0,2%.

Максимална якост на опън - Максималната якост на опън или UTS е максималното напрежение на опън, което даден материал може да издържи, без да се разруши. Тя се изчислява, като се раздели максималното натоварване, приложено по време на изпитването на опън, на първоначалната площ на напречното сечение на образеца.

 

Типични приложения

Разтягане и компресия свойства на суровината за сравнение със спецификациите на продукта.

Получаване на данни за свойствата на материалите за моделиране по метода на крайните елементи или друг дизайн на продукта за желаното механично поведение и експлоатационни характеристики

Симулация на механичните характеристики на компонента при експлоатация

 

Примерни изисквания

Стандартните изпитвания на опън на метали и пластмаси се провеждат върху специално подготвени образци за изпитване. Тези образци могат да бъдат машинно обработени цилиндрични образци или образци от плоска плоча (кучешка кост). Изпитваните образци трябва да имат специфично съотношение между дължина и ширина или диаметър в зоната на изпитване (калибър), за да се получат повторяеми резултати и да се спазят стандартните изисквания. метод на изпитване изисквания. Тръбните продукти, влакната и проводниците могат да бъдат тествани на опън в пълен размер, като се използват специални приспособления, които спомагат за оптимално захващане и локализиране на повредата.

Най-често използваният образец за изпитване на натиск е правоъгълен цилиндър с плоски краища. Могат да се използват и други форми, но за тях са необходими специални приспособления, за да се избегне огъване. Специалните конфигурации за изпитване на компоненти или за симулиране на експлоатацията зависят от конкретната машина за изпитване, която ще се използва.

Разлика между оборудване за изпитване на опън и изпитване на натиск

При изпитванията на опън машината за изпитване упражнява натоварване на опън или сила, която разкъсва пробите за изпитване на опън. При изпитването на пластмаси на опън изпитваната проба се разкъсва, за да се измери якостта на опън и други свойства, включително твърдост и граница на провлачване. Съществуват няколко общи промишлени стандарта, които предоставят съгласувани методи за изпитване на пластмаси на опън. Стандартите ASTM D638 и ISO 527-2 се характеризират с подобна, но различна геометрия и размери на стандартния образец за изпитване. Тези изпитвания изискват хватки за опън, от които се очаква да захващат образеца и да се регулират при разреждането му по време на процеса на изпитване. Тези приспособления се различават от приспособленията за компресия. 

При изпитванията на натиск машината за изпитване упражнява натиск или сгъстяване, за да смачка изпитваната проба до нейното разрушаване или смачкване. Изпитванията на компресия на полимерен материал от структурна пяна са обхванати от ASTM D1621 в която се посочва типът на използваните плочи за натиск и дефлектометър. Изпитваният образец се поставя между плочите за изпитване на натиск, докато клетъчната структура се разруши или се разкъса.

Една универсална машина за изпитване може да извършва както изпитвания на опън, така и на натиск. Кръстосаната глава може да се използва за изтегляне или свиване на изпитваната проба, която се намира между основната плоча и подвижната глава.

Приспособленията за изпитване на опън или хватките и сензорите за деформация (известни като екстензометър) не могат да извършват изпитвания на натиск. Освен това захватите за опън са специално пригодени, за да покрият точната геометрия и размери на изпитвания образец. Пластините за изпитване на натиск и дефлектометърът също могат да извършват само изпитване на натиск и затова в този случай са необходими и двата комплекта принадлежности.

 

Ако желаете да получите повече информация за този продукт, моля, не се колебайте да се свържете с нас.