Introduktion

I teknikken udsættes materialer for forskellige typer af belastninger. De belastninger, som materialer kan udsættes for, kan være træk, tryk, bøjning, forskydning eller vridning. Samtidig kan disse belastninger variere statisk eller dynamisk. Materialet kan være nødt til at modstå en eller flere af disse belastninger på samme tid. I dette tilfælde er det nødvendigt at vide, hvilket materiale der skal bruges under hvilke forhold. For at kunne gruppere materialer observeres deres reaktioner under bestemte belastninger ved hjælp af tests, og materialernes mekaniske egenskaber afsløres således.

Vi kan opdele testene til opnåelse af elasticitetsegenskaber i statiske og dynamiske. For at en test skal være statisk, skal kraften påføres med en maksimal frekvens på 1 Hz, konstant og kun én gang. I dette tilfælde er spændingen konstant, og forlængelsesforholdet er mindre end 0,25 i den statiske test. Dynamiske tests bruges til disse typer belastninger, da statiske tests ikke kan danne en passende model for pludseligt skiftende belastninger. Ved dynamisk test er belastningen variabel, og prøven udsættes for en sinusformet deformation. Disse tests kan også udføres ved høje eller lave temperaturer. Som et resultat af dynamiske test får man oplysninger om hårdhed og dæmpning. Vi kan undersøge udmattelsestest som en undergren af dynamiske test. Belastningen påføres cyklisk. Disse tests udføres med træk-træk, kompression-kompression eller kompression-omvendt trækcyklusser. Som et resultat af udmattelsestesten kan materialernes levetid bestemmes. Udmattelsesstyrke og revnemodstand bestemmes også med udmattelsestesten.

 

Trækprøvning

Trækprøvning er en af de mest almindelige tests inden for ingeniørvidenskaben til bestemmelse af materialers styrkeegenskaber. Det gøres for at bestemme de mekaniske egenskaber af isotrope materialer. Denne test er grundlæggende baseret på påføring af en trækkraft på prøven fra modsatte sider i samme retning og overvågning af stress på materialet, indtil materialet går i stykker. Som et resultat af træktesten kan man opnå materialets flydespænding, maksimale trækstyrke, duktilitet, Youngs modul, forskydningsmodul og Poissons forhold.

Kurver for spænding og tøjning

Kurver for spænding og belastning

Den nominelle trækspænding, der påføres materialet under testen, er som følger:

Hvor F er trækkraften, og A_0 er tværsnitsarealet under spænding. Og belastningen er defineret som;

Hvor L_0 er prøvens oprindelige længde, og Δ_L er materialets forlængelse efter testen.

Med værdierne fra testen får man en spændings-tøjnings-kurve. Denne kurve afslører materialets brudpunkt, flydespænding, maksimale trækstyrke og brittleness-ductilitetstilstand. En anden fordel er, at den giver information uanset materialets dimensioner.

Diagrammet ovenfor viser spændings-tøjningskurven for et sprødt materiale.

For de fleste kurver er den første del lineær. Flydespændingsværdien fås på kurven, når der tegnes en kurve parallelt med kurvens hældning fra det punkt, hvor forlængelsen i spændings-tøjningskurven er 0,2%. Vi kan bestemme den maksimale belastning, et materiale kan modstå uden permanent skade, ved hjælp af dets flydespænding. Indtil dette punkt befinder genstanden sig i det elastiske område. Herefter går materialet ind i det plastiske område, hvor de kræfter, det udsættes for, forårsager permanent skade.

Flydespænding

Hældningen på den imaginære linje, vi tegner for at finde flydespændingen, giver os Youngs modul, som er en vigtig materialeegenskab. Youngs modul fås ved:

Følgende ligning repræsenterer Poissons forhold, som er det negative af forholdet mellem horisontal forskydning og vertikal forskydning:

Test

De fleste tværsnitsbilleder af de prøver, der bruges i træktesten, er vist i figuren. Prøverne kan formes som en plade eller en cylinder.

Der kan bruges forskellige fastspændingstyper afhængigt af forskellige materialer og målefølsomhedsniveauer. Hver indbindingsmetode har sine egne fordele og ulemper.

Kompressionstest

Kompressionstesten viser, hvordan materialer opfører sig, når de trykkes sammen eller knuses. Testen varer typisk, indtil stoffet nedbrydes eller til en forudbestemt grænse. På den måde beregnes den belastning, som materialet kan modstå, før det går i stykker, og omfanget af dets nedbrydning indtil dette punkt. For at teste et materiale opvarmes eller afkøles det ofte og udsættes for mange retninger af trykkraft. Test kan dog også udføres under andre forhold.

Materialer med høj trækstyrke har generelt lav trykstyrke. Derfor undersøges disse materialer ved hjælp af kompressionstest. De materialer, der udføres flest trykprøvninger på, er generelt sprøde materialer, f.eks. kompositmaterialer, beton, træ, metal og mursten; polymerer, plast og skum.

En kraft-tøjnings-kurve opnås som resultat af kompressionstesten. Kraften omregnes derefter til spænding for at skabe en spændings-tøjnings-kurve. Denne kurve er meget lig stress-tøjningskurven i træktesten. Kun akserne er i den retning, der viser forkortelsen.

Kompressionsspænding - % Kompressionsdeformation

Beregningerne i træktesten gælder også for tryktesten. Trykstyrken udtrykkes som;

Knusning

Knusning bruges til at udtrykke, hvor meget materialet blev forkortet under testen.

Udtryk den knusende.

Hævelse

Hævelse er væksten i tværsnittet af det materiale, der testes. Duktile materialer er mere tilbøjelige til at svulme op. Det formaliseres ved:

Test

Skøre materialer er typisk genstand for kompressionstest. Kompressionsegenskaberne for stift skum fremgår af ISO 844 som et eksempel fra standarderne. Værdier og former for tværsnitsareal, værdier for temperatur og luftfugtighed og forventede prøveresultater er angivet i denne standard. Spændingerne er angivet i kPa.

Kompressionselasticitetsværdien i standarden er som følger:

Her er σ_e kraften ved enden af det konventionelle elastiske område, h_0 er materialets oprindelige tykkelse, og x_e er den vej, som kraften, der genererer spændingen, tager.

Følgende er nogle af de standarder, der er udviklet til kompressionstest:

ASTM D575-91 - Standard testmetoder for gummiegenskaber ved kompression

ASTM E9-19 - Standard testmetoder til kompressionstest af metalliske materialer ved stuetemperatur

TS EN ISO 14126 - Fiberforstærkede plastkompositter - Bestemmelse af kompressionsegenskaber i planets retning

 

Beskrivelse af teknikken

Evalueringen af en prøves mekaniske opførsel under træk- og trykforhold kan udføres for at tilvejebringe grundlæggende data om materialeegenskaber, der er afgørende for komponentdesign og vurdering af serviceydelse. Kravene til træk- og trykstyrkeværdier og metoderne til at teste disse egenskaber er specificeret i forskellige standarder for en lang række materialer. Test kan udføres på bearbejdede materialeprøver eller på modeller i fuld størrelse eller skala af faktiske komponenter. Disse tests udføres typisk ved hjælp af et universelt mekanisk testinstrument.

En træktest er en metode til at bestemme materialers opførsel under aksial trækbelastning. Testene udføres ved at fastgøre prøven i testapparatet og derefter påføre prøven en kraft ved at adskille testmaskinens krydshoveder. Tværhovedets hastighed kan varieres for at kontrollere belastningshastigheden i prøveemnet. Data fra testen bruges til at bestemme trækstyrke, flydespænding og elasticitetsmodul. Måling af prøvedimensionerne efter testning giver også arealreduktion og forlængelsesværdier for at karakterisere materialets duktilitet. Trækprøvninger kan udføres på mange materialer, herunder metaller, plast, fibre, klæbemidler og gummi. Test kan udføres ved lavere og højere temperaturer.

En kompressionstest er en metode til at bestemme materialers opførsel under en trykbelastning. Kompressionstest udføres ved at lægge prøven mellem to plader og derefter påføre prøven en kraft ved at flytte krydshovederne sammen. Under testen komprimeres prøven, og deformation i forhold til den påførte belastning registreres. Kompressionstesten bruges til at bestemme elasticitetsgrænsen, proportionalitetsgrænsen, flydepunktet, flydespændingen og (for nogle materialer) trykstyrken.

 

Analytisk information

Trykstyrke - Trykstyrken er den maksimale trykspænding, som et materiale kan modstå, uden at der opstår brud. Skøre materialer bryder sammen under testning og har en bestemt trykstyrkeværdi. Trykstyrken for duktile materialer bestemmes af deres grad af forvrængning under testning.

Elastisk grænse - Den elastiske grænse er den maksimale belastning, som et materiale kan modstå uden permanent deformation efter fjernelse af belastningen.

Forlængelse - Forlængelse er mængden af permanent forlængelse af en prøve, der er blevet brudt i en træktest.

Moduler af elasticitet - Elasticitetsmodulet er forholdet mellem spænding (under proportionalitetsgrænsen) og tøjning, dvs. hældningen på spænding-tøjningskurven. Det betragtes som et mål for et metals stivhed.

Proportional grænse - Proportionalgrænsen er den største mængde spænding, et materiale er i stand til at nå uden at afvige fra det lineære forhold i spænding-tøjnings-kurven, dvs. uden at udvikle plastisk deformation.

Reduktion i areal - Arealreduktionen er forskellen mellem det oprindelige tværsnitsareal af en trækprøve og det mindste areal ved bruddet efter testen.

Stamme - Tæthed er den ændring, der sker i et materiales størrelse eller form på grund af kraft.

Udbyttepunkt - Flydegrænsen er den spænding i et materiale (normalt mindre end den maksimalt opnåelige spænding), hvor der sker en forøgelse af tøjningen uden en forøgelse af spændingen. Kun visse metaller har et flydepunkt.

Udbyttestyrke - Flydespændingen er den spænding, hvor et materiale udviser en specificeret afvigelse fra et lineært spændings-tøjningsforhold. En forskydning på 0,2% bruges ofte til metaller.

Ultimativ trækstyrke - Ultimativ trækstyrke, eller UTS, er den maksimale trækspænding, som et materiale kan udsættes for uden brud. Den beregnes ved at dividere den maksimale belastning, der påføres under træktesten, med prøvens oprindelige tværsnitsareal.

 

Typiske anvendelser

Træk og tryk råmaterialets egenskaber til sammenligning med produktspecifikationer

Indhent data om materialeegenskaber til finite-element-modellering eller andet produktdesign til ønsket mekanisk opførsel og serviceydelse

Simulering af komponenters mekaniske ydeevne under drift

 

Eksempel på krav

Standardtrækprøver på metaller og plast udføres på specielt forberedte prøveemner. Disse prøver kan være bearbejdede cylindriske prøver eller flade pladeprøver (dogbone). Prøverne skal have et bestemt forhold mellem længde og bredde eller diameter i testområdet (gage) for at give gentagelige resultater og overholde standarden. Testmetode krav. Rørformede produkter, fibre og ledninger kan træktestes i fuld størrelse ved hjælp af specielle armaturer, der fremmer optimalt greb og fejlplacering.

Den mest almindelige prøve, der bruges til trykprøvning, er en ret cirkulær cylinder med flade ender. Andre former kan bruges, men de kræver særlige opstillinger for at undgå knæk. Særlige konfigurationer til komponenttest eller servicesimuleringer afhænger af den specifikke testmaskine, der skal bruges.

Forskellen mellem udstyr til træktest og kompressionstest

Ved trækprøvning udøver testmaskinen en trækbelastning eller kraft, som trækker trækprøverne fra hinanden. Ved trækprøvning af plast trækkes prøven fra hinanden for at måle trækstyrke og andre egenskaber, herunder stivhed og flydespænding. Der findes flere fælles industristandarder, som indeholder aftalte metoder til trækprøvning af plast. ASTM D638 og ISO 527-2 har begge lignende, men forskellige standardiserede prøvegeometrier og -dimensioner. Disse tests kræver trækgreb, som forventes at gribe fat i prøven og justere den, efterhånden som den tyndes ud under testprocessen. Dette tilbehør er anderledes end kompressionsfiksturer. 

Ved kompressionstest udøver testmaskinen en tryk- eller kompressionsbelastning eller -kraft for at mase testprøven, indtil den går i stykker eller mases. Kompressionstest af et strukturelt polymerskummateriale er dækket af ASTM D1621 som specificerer den anvendte type kompressionsplader og deflektometer. Prøven placeres mellem kompressionstestpladerne, indtil cellestrukturen svigter eller brister.

En universaltestmaskine kan udføre enten eller både træk- og tryktest. Tværhovedet kan bruges til at trække eller komprimere prøven, som er placeret mellem bundpladen og det bevægelige hoved.

Trækprøvningsarmaturerne eller -grebene og belastningssensorerne (kendt som extensometer) kan ikke udføre kompressionstest. Trækgrebene er også specielt tilpasset til at dække den nøjagtige prøvegeometri og -dimensioner. Kompressionstestpladerne og deflektometeret er også kun i stand til at udføre en kompressionstest, og derfor er der brug for begge sæt tilbehør i dette tilfælde.

 

Hvis du gerne vil have mere information om dette produkt, Du er velkommen til at kontakte os.