Úvod

Ve strojírenství jsou materiály vystaveny různým typům zatížení. Zatížení, kterým mohou být materiály vystaveny, lze vyjmenovat jako tahové, tlakové, ohybové, smykové nebo kroucení. Zároveň se tato zatížení mohou lišit staticky nebo dynamicky. Materiál může být nucen odolávat jednomu nebo více z těchto zatížení současně. V takovém případě je nutné vědět, který materiál za jakých podmínek použít. Aby bylo možné materiály seskupit, sledují se jejich reakce při určitém zatížení pomocí zkoušek, a tím se odhalují mechanické vlastnosti materiálů.

Zkoušky pro získání elastických vlastností můžeme rozdělit na statické a dynamické. Aby se jednalo o statickou zkoušku, musí síla působit s maximální frekvencí 1 Hz, konstantně a pouze jednou. V tomto případě je napětí konstantní a poměr prodloužení je při statické zkoušce menší než 0,25. Pro tyto typy zatížení se používají dynamické zkoušky, protože statické zkoušky nemohou vytvořit vhodný model pro náhle se měnící zatížení. Při dynamické zkoušce je zatížení proměnné a na vzorek působí sinusová deformace. Tyto zkoušky lze rovněž provádět při vysokých nebo nízkých teplotách. Výsledkem dynamických zkoušek jsou informace o tvrdosti a tlumení. Únavové zkoušky můžeme zkoumat jako podobor dynamických zkoušek. Zatížení je aplikováno cyklicky. Tyto zkoušky se provádějí s cykly tah-tah, tlak-stlak nebo tlak-obrácený tah. Výsledkem únavové zkoušky je stanovení životnosti materiálů. Únavovou zkouškou se rovněž určuje únavová pevnost a odolnost proti praskání.

 

Zkouška tahem

Zkouška v tahu je jednou z nejběžnějších zkoušek ve strojírenství, která slouží ke stanovení pevnostních vlastností materiálů. Provádí se za účelem stanovení mechanických vlastností izotropních materiálů. Tato zkouška je v podstatě založena na působení tahové síly na vzorek z protilehlých stran ve stejném směru a na sledování napětí v materiálu až do jeho porušení. Výsledkem tahové zkoušky je zjištění meze kluzu, maximální pevnosti v tahu, tažnosti, Youngova modulu, modulu pružnosti ve smyku a Poissonova poměru materiálu.

Křivky napětí - deformace

Křivky napětí a deformace

Jmenovité tahové napětí působící na materiál během zkoušky je následující:

Kde F je tahová síla a A_0 je plocha průřezu v tahu. A deformace je definována jako;

Kde L_0 je počáteční délka vzorku a Δ_L je prodloužení materiálu po zkoušce.

Na základě hodnot získaných ze zkoušky se získá křivka napětí a deformace. Tato křivka odhaluje bod přetržení materiálu, mez kluzu, maximální pevnost v tahu a stav křehkosti a tažnosti. Další výhodou je, že poskytuje informace bez ohledu na rozměry materiálu.

Výše uvedený diagram znázorňuje křivku napětí a deformace křehkého materiálu.

U většiny křivek je počáteční část lineární. Hodnotu meze kluzu získáme na křivce, když z bodu, kde je prodloužení na křivce napětí-deformace 0,2%, vedeme křivku rovnoběžnou se sklonem křivky. Pomocí meze kluzu můžeme určit maximální napětí, které materiál vydrží bez trvalého poškození. Až do tohoto bodu je předmět v oblasti pružnosti. Poté se materiál dostává do plastické oblasti, kde na něj působící síly způsobují trvalé poškození.

Mez kluzu

Sklon pomyslné přímky, kterou jsme nakreslili pro zjištění meze kluzu, nám udává Youngův modul, což je důležitá vlastnost materiálu. Youngův modul získáme takto:

Následující rovnice vyjadřuje Poissonův poměr, který je zápornou hodnotou poměru vodorovného a svislého posunutí:

Test

Na obrázku je zobrazena většina průřezů vzorků použitých při tahové zkoušce. Vzorky mohou být vytvořeny jako plech nebo válec.

V závislosti na různých materiálech a úrovních citlivosti měření lze použít různé typy upínání. Každý způsob vázání má své vlastní výhody a nevýhody.

Zkouška stlačením

Zkouška stlačením ukazuje, jak se materiály chovají při stlačení nebo rozdrcení. Zkouška obvykle trvá, dokud se látka nerozloží, nebo dokud nedosáhne předem stanovené hranice. Vypočítá se tak zatížení, které materiál vydrží před roztržením, a rozsah jeho degradace do tohoto okamžiku. Při zkoušce se materiál často zahřívá nebo chladí a působí na něj tlaková síla mnoha směrů. Zkoušky však mohou být prováděny při různých nastaveních.

Materiály s vysokou pevností v tahu mají obvykle nízkou pevnost v tlaku. Z tohoto důvodu se tyto materiály zkoušejí zkouškou v tlaku. Materiály, na kterých se provádí nejvíce zkoušek v tlaku, jsou obecně křehké materiály, například kompozity, beton, dřevo, kov a cihlové materiály; polymery, plasty a pěny.

Výsledkem tlakové zkoušky je křivka závislosti síly na deformaci. Síla se pak převede na napětí a vytvoří se křivka napětí-deformace. Tato křivka je velmi podobná křivce napětí-deformace při zkoušce tahem. Pouze osy jsou ve směru znázorňujícím zkrácení.

Tlakové napětí - % Deformace v tlaku

Výpočty pro zkoušku tahem platí i pro zkoušku tlakem. napětí v tlaku se vyjádří jako;

Drcení

Drcení se používá k vyjádření toho, jak moc byl materiál během zkoušky zkrácen.

Vyjádřete zdrcení.

Otok

Bobtnání je zvětšení průřezu zkoušeného materiálu. Tažné materiály jsou k bobtnání náchylnější. Formalizuje se podle:

Test

Křehké materiály jsou obvykle předmětem tlakových zkoušek. Tlakové charakteristiky tuhých pěn uvádí norma ISO 844 jako příklad z norem. V této normě jsou uvedeny hodnoty a formy průřezu, hodnoty teploty a vlhkosti a předpokládané výsledky vzorků. V kPa jsou uvedena napětí.

Hodnota pružnosti v tlaku v normě je následující:

Zde σ_e je síla na konci konvenční pružné oblasti, h_0 je počáteční tloušťka materiálu a x_e je dráha, kterou prochází síla generující napětí.

Níže je uvedeno několik norem vyvinutých pro tlakové zkoušky:

ASTM D575-91 - Standardní metody zkoušení vlastností pryže v tlaku

ASTM E9-19 - Standardní zkušební metody pro zkoušení kovových materiálů v tlaku při pokojové teplotě

TS EN ISO 14126 - Plastové kompozity vyztužené vlákny - Stanovení vlastností v tlaku v rovinném směru

 

Popis techniky

Vyhodnocením mechanického chování vzorku v tahu a tlaku lze získat základní údaje o vlastnostech materiálu, které jsou rozhodující pro konstrukci součástí a hodnocení jejich provozních vlastností. Požadavky na hodnoty pevnosti v tahu a tlaku a metody zkoušení těchto vlastností jsou specifikovány v různých normách pro širokou škálu materiálů. Zkoušky lze provádět na obrobených vzorcích materiálu nebo na modelech skutečných součástí ve skutečné velikosti či měřítku. Tyto zkoušky se obvykle provádějí pomocí univerzálního mechanického zkušebního přístroje.

Zkouška tahem je metoda pro stanovení chování materiálů při axiálním zatížení tahem. Zkoušky se provádějí upevněním vzorku do zkušebního zařízení a následným působením síly na vzorek oddělením příčných hlav zkušebního stroje. Rychlost křížových hlavic lze měnit, aby bylo možné řídit rychlost deformace zkušebního vzorku. Údaje ze zkoušky se používají ke stanovení pevnosti v tahu, meze kluzu a modulu pružnosti. Měření rozměrů vzorku po zkoušce rovněž poskytuje hodnoty redukce plochy a prodloužení, které charakterizují tažnost materiálu. Tahové zkoušky lze provádět na mnoha materiálech, včetně kovů, plastů, vláken, lepidel a pryží. Zkoušky lze provádět při teplotách pod bodem mrazu i při zvýšených teplotách.

Zkouška tlakem je metoda pro stanovení chování materiálů při zatížení tlakem. Zkoušky tlakem se provádějí tak, že se zkušební vzorek zatíží mezi dvě desky a poté se na vzorek působí silou pohybem příčných hlavic k sobě. Během zkoušky se vzorek stlačuje a zaznamenává se deformace v závislosti na působícím zatížení. Zkouška tlakem se používá ke stanovení meze pružnosti, meze úměrnosti, meze kluzu, meze kluzu a (u některých materiálů) pevnosti v tlaku.

 

Analytické informace

Pevnost v tlaku - Pevnost v tlaku je maximální tlakové napětí, kterému je materiál schopen odolat, aniž by došlo k jeho porušení. Křehké materiály se při zkouškách lámou a mají určitou hodnotu pevnosti v tlaku. Pevnost v tlaku tvárných materiálů je určena stupněm jejich deformace během zkoušení.

Mez pružnosti - Mez pružnosti je maximální napětí, které může materiál vydržet, aniž by došlo k jeho trvalé deformaci po odstranění napětí.

Prodloužení - Prodloužení je velikost trvalého prodloužení vzorku, který byl při tahové zkoušce porušen.

Moduly pružnosti - Modul pružnosti je poměr napětí (pod mezí úměrnosti) a deformace, tj. sklon křivky napětí-deformace. Považuje se za míru tuhosti nebo tuhosti kovu.

Proporcionální limit - Mez úměrnosti je největší velikost napětí, které je materiál schopen dosáhnout, aniž by se odchýlil od lineární závislosti křivky napětí a deformace, tj. aniž by došlo k plastické deformaci.

Snížení plochy - Zmenšení plochy je rozdíl mezi původní plochou průřezu vzorku v tahu a nejmenší plochou po lomu po zkoušce.

Kmen - Deformace je změna velikosti nebo tvaru materiálu způsobená silou.

Výnosový bod - Mez kluzu je napětí v materiálu (obvykle menší než maximální dosažitelné napětí), při kterém dochází k nárůstu deformace bez zvýšení napětí. Bod kluzu mají pouze některé kovy.

Pevnost v tahu - Mez kluzu je napětí, při kterém materiál vykazuje určitou odchylku od lineárního vztahu napětí a deformace. Pro kovy se často používá odchylka 0,2%.

Mez pevnosti v tahu - Pevnost v tahu (UTS) je maximální tahové napětí, které materiál vydrží, aniž by došlo k jeho porušení. Vypočítá se vydělením maximálního zatížení působícího během tahové zkoušky původní plochou průřezu vzorku.

 

Typické aplikace

Tah a tlak vlastnosti suroviny pro porovnání se specifikacemi výrobku

Získání údajů o vlastnostech materiálu pro modelování metodou konečných prvků nebo jiný návrh výrobku pro požadované mechanické chování a provozní vlastnosti.

Simulace mechanických vlastností součástí v provozu

 

Vzorové požadavky

Standardní tahové zkoušky kovů a plastů se provádějí na speciálně připravených zkušebních vzorcích. Těmito vzorky mohou být obrobené válcové vzorky nebo ploché desky (psí kosti). Zkušební vzorky musí mít určitý poměr délky a šířky nebo průměru ve zkušební oblasti (měřidlo), aby bylo možné získat opakovatelné výsledky a dodržet standardní požadavky. zkušební metoda požadavky. Trubkové výrobky, vlákna a dráty lze testovat v tahu v plné velikosti pomocí speciálních přípravků, které podporují optimální uchopení a lokalizaci poruchy.

Nejběžnějším vzorkem používaným pro zkoušku tlakem je pravý kruhový válec s plochými konci. Lze použít i jiné tvary, které však vyžadují speciální přípravky, aby nedocházelo k vybočení. Speciální konfigurace pro zkoušky součástí nebo simulace provozu závisí na konkrétním zkušebním stroji, který se má použít.

Rozdíl mezi zařízením pro zkoušku tahem a zařízením pro zkoušku tlakem

V případě tahových zkoušek působí zkušební stroj tahovým zatížením nebo silou, která roztahuje zkušební vzorky. V případě tahových zkoušek plastů se zkušební vzorek roztahuje a měří se pevnost v tahu a další vlastnosti včetně tuhosti a meze kluzu. Existuje několik běžných průmyslových norem, které poskytují dohodnuté metody tahových zkoušek plastů. Normy ASTM D638 a ISO 527-2 obsahují podobné, ale odlišné standardizované geometrie a rozměry zkušebních vzorků. Tyto zkoušky vyžadují tahové úchyty, od nichž se očekává, že vzorek uchopí a přizpůsobí se jeho ztenčení během zkušebního procesu. Toto příslušenství se liší od lisovacích přípravků. 

Při tlakových zkouškách působí zkušební stroj tlakem nebo tlakovou silou na zkušební vzorek, dokud se nerozlomí nebo nerozmačká. Zkouškami polymerního konstrukčního pěnového materiálu v tlaku se zabývá ASTM D1621 který určuje typ použitých tlakových desek a deflektometru. Zkušební vzorek se umístí mezi desky pro tlakovou zkoušku, dokud nedojde k porušení nebo prasknutí buněčné struktury.

Univerzální zkušební stroj může provádět zkoušky v tahu i tlaku. K tahu nebo stlačení zkušebního vzorku lze použít křížovou hlavu, která je umístěna mezi základní deskou a pohyblivou hlavou.

Zkušební přípravky pro tahové zkoušky nebo úchyty a snímače tahu (tzv. extenzometry) nemohou provádět zkoušky tlakem. Rovněž tahové úchyty jsou speciálně přizpůsobeny tak, aby pokrývaly přesnou geometrii a rozměry zkušebního vzorku. Tlakové zkušební desky a defektometr jsou rovněž schopny provádět pouze tlakovou zkoušku, a proto jsou v tomto případě zapotřebí obě sady příslušenství.

 

Chcete-li získat více informací o tomto produktu, neváhejte nás kontaktovat.