Εισαγωγή

Στη μηχανική, τα υλικά εκτίθενται σε διαφορετικούς τύπους φορτίων. Τα φορτία στα οποία μπορούν να υποβληθούν τα υλικά μπορούν να απαριθμηθούν ως εφελκυσμός, συμπίεση, κάμψη, διάτμηση ή συστροφή. Ταυτόχρονα, τα φορτία αυτά μπορεί να διαφέρουν στατικά ή δυναμικά. Το υλικό μπορεί να πρέπει να αντισταθεί σε ένα ή περισσότερα από αυτά τα φορτία ταυτόχρονα. Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε ποιο υλικό πρέπει να χρησιμοποιηθεί υπό ποιες συνθήκες. Προκειμένου να ομαδοποιηθούν τα υλικά, παρατηρούνται με δοκιμές οι αντιδράσεις τους κάτω από ορισμένα φορτία και έτσι αποκαλύπτονται οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών.

Μπορούμε να διαχωρίσουμε τις δοκιμές για την απόκτηση ιδιοτήτων ελαστικότητας σε στατικές και δυναμικές. Για να είναι μια δοκιμή στατική, η δύναμη πρέπει να εφαρμόζεται με μέγιστη συχνότητα 1 Hz, σταθερά και μόνο μία φορά. Στην περίπτωση αυτή, η τάση είναι σταθερή και ο λόγος επιμήκυνσης είναι μικρότερος από 0,25 στη στατική δοκιμή. Οι δυναμικές δοκιμές χρησιμοποιούνται για αυτούς τους τύπους φορτίων, δεδομένου ότι οι στατικές δοκιμές δεν μπορούν να αποτελέσουν επαρκές μοντέλο για ξαφνικά μεταβαλλόμενα φορτία. Στη δυναμική δοκιμή, το φορτίο είναι μεταβλητό και στο δείγμα εφαρμόζεται ημιτονοειδής παραμόρφωση. Οι δοκιμές αυτές μπορούν επίσης να εκτελούνται σε υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες. Ως αποτέλεσμα των δυναμικών δοκιμών, λαμβάνονται πληροφορίες για τη σκληρότητα και την απόσβεση. Μπορούμε να εξετάσουμε τις δοκιμές κόπωσης ως υποκλάδο των δυναμικών δοκιμών. Το φορτίο εφαρμόζεται κυκλικά. Οι δοκιμές αυτές εκτελούνται με κύκλους εφελκυσμού-τραβήγματος, συμπίεσης-συμπίεσης ή συμπίεσης-αντίστροφου εφελκυσμού. Ως αποτέλεσμα της δοκιμής κόπωσης, μπορεί να προσδιοριστεί η διάρκεια ζωής των υλικών. Η αντοχή σε κόπωση και η αντίσταση σε ρωγμές προσδιορίζονται επίσης με τη δοκιμή κόπωσης.

 

Δοκιμή εφελκυσμού

Η δοκιμή εφελκυσμού είναι μία από τις πιο συνηθισμένες δοκιμές στη μηχανική για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων αντοχής των υλικών. Γίνεται για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων ισότροπων υλικών. Η δοκιμή αυτή βασίζεται βασικά στην εφαρμογή μιας εφελκυστικής δύναμης στο δοκίμιο από αντίθετες επιφάνειες προς την ίδια κατεύθυνση και στην παρακολούθηση της τάσης στο υλικό μέχρι τη θραύση του υλικού. Ως αποτέλεσμα της δοκιμής εφελκυσμού μπορούν να ληφθούν το όριο διαρροής, το μέγιστο όριο εφελκυσμού, η ολκιμότητα, το μέτρο ελαστικότητας του Young, το μέτρο διάτμησης και ο λόγος Poisson του υλικού.

Καμπύλες τάσης - παραμόρφωσης

Καμπύλες τάσεων και παραμορφώσεων

Η ονομαστική εφελκυστική τάση που εφαρμόζεται στο υλικό κατά τη δοκιμή έχει ως εξής:

Όπου F είναι η εφελκυστική δύναμη και A_0 είναι η επιφάνεια διατομής υπό τάση. Και η τάση ορίζεται ως εξής,;

Όπου L_0 είναι το αρχικό μήκος του δείγματος και Δ_L είναι η επιμήκυνση του υλικού μετά τη δοκιμή.

Με τις τιμές που προκύπτουν από τη δοκιμή, λαμβάνεται η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης. Η καμπύλη αυτή αποκαλύπτει το σημείο θραύσης του υλικού, το όριο διαρροής, τη μέγιστη εφελκυστική αντοχή και την κατάσταση ευκαμψίας-πλαστικότητας του υλικού. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι δίνει πληροφορίες ανεξάρτητα από τις διαστάσεις του υλικού.

Το παραπάνω διάγραμμα δείχνει την καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης ενός εύθραυστου υλικού.

Για τις περισσότερες καμπύλες, το αρχικό τμήμα είναι γραμμικό. Η τιμή του ορίου διαρροής λαμβάνεται στην καμπύλη όταν μια καμπύλη παράλληλη προς την κλίση της καμπύλης σχεδιάζεται από το σημείο όπου η επιμήκυνση στην καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης είναι 0,2%. Μπορούμε να προσδιορίσουμε τη μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς μόνιμη βλάβη χρησιμοποιώντας το όριο διαρροής του. Μέχρι αυτό το σημείο, το αντικείμενο βρίσκεται στην ελαστική περιοχή. Μετά από αυτό, το υλικό εισέρχεται στην πλαστική περιοχή, όπου οι δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό προκαλούν μόνιμη βλάβη.

Τάση ροής

Η κλίση της νοητής γραμμής που σχεδιάζουμε για να βρούμε το όριο διαρροής μας δίνει το μέτρο ελαστικότητας του Young, το οποίο είναι μια σημαντική ιδιότητα του υλικού. Το μέτρο ελαστικότητας του Young προκύπτει από τη σχέση:

Η ακόλουθη εξίσωση αντιπροσωπεύει τον λόγο Poisson, ο οποίος είναι το αρνητικό του λόγου της οριζόντιας μετατόπισης προς την κατακόρυφη μετατόπιση:

Δοκιμή

Οι περισσότερες από τις εγκάρσιες τομές των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν στη δοκιμή εφελκυσμού φαίνονται στο σχήμα. Τα δοκίμια μπορούν να διαμορφωθούν ως φύλλο ή κύλινδρος.

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί τύποι σύσφιξης ανάλογα με τα διάφορα υλικά και τα επίπεδα ευαισθησίας μέτρησης. Κάθε μέθοδος πρόσδεσης έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Δοκιμή συμπίεσης

Η δοκιμή συμπίεσης δείχνει πώς συμπεριφέρονται τα υλικά όταν συμπιέζονται ή συνθλίβονται. Η δοκιμή συνήθως διαρκεί μέχρι να διαλυθεί η ουσία ή μέχρι ένα προκαθορισμένο όριο. Υπολογίζεται έτσι το φορτίο που μπορεί να αντέξει το υλικό πριν από το σχίσιμο και η έκταση της υποβάθμισής του μέχρι το σημείο αυτό. Προκειμένου να δοκιμαστεί ένα υλικό, συχνά θερμαίνεται ή ψύχεται και υποβάλλεται σε πολλές κατευθύνσεις θλιπτικής δύναμης. Ωστόσο, οι δοκιμές μπορούν να πραγματοποιηθούν υπό ποικίλες ρυθμίσεις.

Υλικά με υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό έχουν γενικά χαμηλή αντοχή σε θλίψη. Για το λόγο αυτό, τα υλικά αυτά εξετάζονται με δοκιμές θλίψης. Τα υλικά στα οποία πραγματοποιούνται οι περισσότερες δοκιμές θλίψης είναι γενικά εύθραυστα υλικά, για παράδειγμα, σύνθετα υλικά, σκυρόδεμα, ξύλο, μέταλλο και υλικά από τούβλα, πολυμερή, πλαστικά και αφροί.

Ως αποτέλεσμα της δοκιμής συμπίεσης λαμβάνεται μια καμπύλη δύναμης-παραμόρφωσης. Η δύναμη μετατρέπεται στη συνέχεια σε τάση για να δημιουργηθεί μια καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης. Αυτή η καμπύλη είναι πολύ παρόμοια με την καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης στη δοκιμή εφελκυσμού. Μόνο που οι άξονες είναι προς την κατεύθυνση που δείχνει τη συντόμευση.

Τάση συμπίεσης - % Παραμόρφωση συμπίεσης

Οι υπολογισμοί στη δοκιμή εφελκυσμού ισχύουν και για τη δοκιμή θλίψης.Η αντοχή σε θλίψη εκφράζεται ως εξής,;

Σύνθλιψη

Η σύνθλιψη χρησιμοποιείται για να εκφράσει πόσο το υλικό συντμήθηκε κατά τη διάρκεια της δοκιμής.

Εκφράστε τη συντριβή.

Πρήξιμο

Η διόγκωση είναι η αύξηση της διατομής του εξεταζόμενου υλικού. Τα όλκιμα υλικά είναι πιο επιρρεπή στη διόγκωση. Η διόγκωση διαμορφώνεται από:

Δοκιμή

Τα εύθραυστα υλικά αποτελούν συνήθως αντικείμενο δοκιμών συμπίεσης. Τα χαρακτηριστικά συμπίεσης δύσκαμπτων αφρών παρέχονται από το ISO 844 ως παράδειγμα από τα πρότυπα. Οι τιμές και οι μορφές της διατομής, οι τιμές θερμοκρασίας-υγρασίας και τα αναμενόμενα αποτελέσματα των δειγμάτων αναφέρονται σε αυτό το πρότυπο. Σε kPa αναφέρονται οι τάσεις.

Η τιμή της ελαστικότητας συμπίεσης στο πρότυπο έχει ως εξής:

Εδώ, σ_e, είναι η δύναμη στο τέλος της συμβατικής ελαστικής περιοχής, h_0 είναι το αρχικό πάχος του υλικού και x_e είναι η διαδρομή που ακολουθεί η δύναμη που δημιουργεί την τάση.

Ακολουθούν μερικά από τα πρότυπα που έχουν αναπτυχθεί για δοκιμές συμπίεσης:

ASTM D575-91 - Πρότυπες μέθοδοι δοκιμής για τις ιδιότητες του καουτσούκ σε συμπίεση

ASTM E9-19 - Τυποποιημένες μέθοδοι δοκιμής συμπίεσης μεταλλικών υλικών σε θερμοκρασία δωματίου

TS EN ISO 14126 - Σύνθετα πλαστικά υλικά ενισχυμένα με ίνες - Προσδιορισμός των ιδιοτήτων θλίψης κατά τη διεύθυνση στο επίπεδο

 

Περιγραφή της τεχνικής

Η αξιολόγηση της μηχανικής συμπεριφοράς ενός δείγματος υπό συνθήκες εφελκυσμού και συμπίεσης μπορεί να πραγματοποιηθεί για την παροχή βασικών δεδομένων σχετικά με τις ιδιότητες του υλικού, τα οποία είναι κρίσιμα για τον σχεδιασμό εξαρτημάτων και την αξιολόγηση της απόδοσης σε υπηρεσία. Οι απαιτήσεις για τις τιμές αντοχής σε εφελκυσμό και θλίψη και οι μέθοδοι δοκιμής αυτών των ιδιοτήτων καθορίζονται σε διάφορα πρότυπα για μια μεγάλη ποικιλία υλικών. Οι δοκιμές μπορούν να εκτελεστούν σε επεξεργασμένα δείγματα υλικού ή σε μοντέλα πραγματικών εξαρτημάτων πλήρους μεγέθους ή κλίμακας. Οι δοκιμές αυτές εκτελούνται συνήθως με τη χρήση ενός γενικού οργάνου μηχανικών δοκιμών.

Η δοκιμή εφελκυσμού είναι μια μέθοδος για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς των υλικών υπό αξονική εφελκυστική φόρτιση. Οι δοκιμές διεξάγονται με τη στερέωση του δοκιμίου στη συσκευή δοκιμής και, στη συνέχεια, με την εφαρμογή δύναμης στο δοκίμιο με τον διαχωρισμό των εγκάρσιων κεφαλών της μηχανής δοκιμής. Η ταχύτητα της εγκάρσιας κεφαλής μπορεί να μεταβάλλεται για τον έλεγχο του ρυθμού παραμόρφωσης του δοκιμίου. Τα δεδομένα από τη δοκιμή χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της αντοχής σε εφελκυσμό, του ορίου διαρροής και του μέτρου ελαστικότητας. Η μέτρηση των διαστάσεων του δοκιμίου μετά τη δοκιμή παρέχει επίσης μείωση της επιφάνειας και τιμές επιμήκυνσης για τον χαρακτηρισμό της ολκιμότητας του υλικού. Οι δοκιμές εφελκυσμού μπορούν να εκτελεστούν σε πολλά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων, των πλαστικών, των ινών, των συγκολλητικών και των ελαστικών. Οι δοκιμές μπορούν να πραγματοποιηθούν σε υποαμπεριακές και αυξημένες θερμοκρασίες.

Η δοκιμή συμπίεσης είναι μια μέθοδος για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς των υλικών υπό θλιπτικό φορτίο. Οι δοκιμές θλίψης διεξάγονται με τη φόρτιση του δοκιμίου μεταξύ δύο πλακών και, στη συνέχεια, με την εφαρμογή δύναμης στο δοκίμιο με την κίνηση των εγκάρσιων κεφαλών μαζί. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, το δοκίμιο συμπιέζεται και καταγράφεται η παραμόρφωση σε σχέση με το εφαρμοζόμενο φορτίο. Η δοκιμή συμπίεσης χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ορίου ελαστικότητας, του αναλογικού ορίου, του σημείου διαρροής, του ορίου διαρροής και (για ορισμένα υλικά) της θλιπτικής αντοχής.

 

Αναλυτικές πληροφορίες

Αντοχή σε θλίψη - Η αντοχή σε θλίψη είναι η μέγιστη θλιπτική τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς θραύση. Τα εύθραυστα υλικά θραύονται κατά τη διάρκεια της δοκιμής και έχουν συγκεκριμένη τιμή θλιπτικής αντοχής. Η αντοχή σε θλίψη των όλκιμων υλικών καθορίζεται από τον βαθμό παραμόρφωσής τους κατά τη δοκιμή.

Ελαστικό όριο - Το όριο ελαστικότητας είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς μόνιμη παραμόρφωση μετά την άρση της τάσης.

Επιμήκυνση - Η επιμήκυνση είναι το ποσό της μόνιμης επιμήκυνσης ενός δοκιμίου που έχει υποστεί θραύση σε δοκιμή εφελκυσμού.

Μονάδες ελαστικότητας - Το μέτρο ελαστικότητας είναι ο λόγος της τάσης (κάτω από το αναλογικό όριο) προς την παραμόρφωση, δηλαδή η κλίση της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης. Θεωρείται το μέτρο της ακαμψίας ή της δυσκαμψίας ενός μετάλλου.

Αναλογικό όριο - Το αναλογικό όριο είναι το μεγαλύτερο ποσό τάσης που μπορεί να φτάσει ένα υλικό χωρίς να αποκλίνει από τη γραμμική σχέση της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης, δηλαδή χωρίς να αναπτύξει πλαστική παραμόρφωση.

Μείωση της περιοχής - Η μείωση του εμβαδού είναι η διαφορά μεταξύ του αρχικού εμβαδού διατομής ενός δοκιμίου εφελκυσμού και του μικρότερου εμβαδού στο σημείο μετά τη θραύση μετά τη δοκιμή.

Στέλεχος - Η παραμόρφωση είναι το ποσό της μεταβολής του μεγέθους ή του σχήματος ενός υλικού λόγω δύναμης.

Σημείο απόδοσης - Το σημείο διαρροής είναι η τάση σε ένα υλικό (συνήθως μικρότερη από τη μέγιστη επιτεύξιμη τάση) στην οποία παρατηρείται αύξηση της παραμόρφωσης χωρίς αύξηση της τάσης. Μόνο ορισμένα μέταλλα έχουν σημείο διαρροής.

Αντοχή σε διαρροή - Το όριο διαρροής είναι η τάση στην οποία ένα υλικό παρουσιάζει μια συγκεκριμένη απόκλιση από μια γραμμική σχέση τάσης-παραμόρφωσης. Για τα μέταλλα χρησιμοποιείται συχνά μια απόκλιση 0,2%.

Τελική αντοχή σε εφελκυσμό - Η τελική εφελκυστική αντοχή ή UTS είναι η μέγιστη εφελκυστική τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς να σπάσει. Υπολογίζεται διαιρώντας το μέγιστο φορτίο που εφαρμόζεται κατά τη δοκιμή εφελκυσμού με την αρχική επιφάνεια διατομής του δείγματος.

 

Τυπικές εφαρμογές

Εφελκυσμός και συμπίεση ιδιότητες της πρώτης ύλης για σύγκριση με τις προδιαγραφές του προϊόντος

Λήψη δεδομένων ιδιοτήτων υλικών για μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία ή άλλο σχεδιασμό προϊόντων για την επιθυμητή μηχανική συμπεριφορά και απόδοση υπηρεσιών

Προσομοίωση των μηχανικών επιδόσεων των εξαρτημάτων σε λειτουργία

 

Δείγμα απαιτήσεων

Οι συνήθεις δοκιμές εφελκυσμού σε μέταλλα και πλαστικά διεξάγονται σε ειδικά προετοιμασμένα δοκίμια. Τα δοκίμια αυτά μπορεί να είναι κατεργασμένα κυλινδρικά δοκίμια ή δοκίμια επίπεδης πλάκας (dogbone). Τα δοκίμια πρέπει να έχουν συγκεκριμένη αναλογία μήκους προς πλάτος ή διάμετρο στην περιοχή δοκιμής (μετρητής) για να παράγουν επαναλαμβανόμενα αποτελέσματα και να συμμορφώνονται με τα πρότυπα μέθοδος δοκιμής απαιτήσεις. Τα σωληνοειδή προϊόντα, οι ίνες και τα σύρματα μπορούν να δοκιμαστούν σε εφελκυσμό σε πλήρες μέγεθος χρησιμοποιώντας ειδικά εξαρτήματα που προάγουν τη βέλτιστη σύλληψη και τον εντοπισμό αστοχίας.

Το πιο συνηθισμένο δοκίμιο που χρησιμοποιείται για δοκιμές θλίψης είναι ένας ορθός κυκλικός κύλινδρος με επίπεδα άκρα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα σχήματα, ωστόσο απαιτούν ειδικές διατάξεις για την αποφυγή λυγισμού. Οι ειδικές διαμορφώσεις για δοκιμές εξαρτημάτων ή προσομοιώσεις υπηρεσιών εξαρτώνται από το συγκεκριμένο μηχάνημα δοκιμών που θα χρησιμοποιηθεί.

Η διαφορά μεταξύ του εξοπλισμού δοκιμής εφελκυσμού και του εξοπλισμού δοκιμής συμπίεσης

Στην περίπτωση των δοκιμών εφελκυσμού, η μηχανή δοκιμής ασκεί φορτίο ή δύναμη εφελκυσμού που τραβάει τα δοκίμια της δοκιμής εφελκυσμού μεταξύ τους. Στην περίπτωση των δοκιμών εφελκυσμού πλαστικών, το δείγμα δοκιμής διαχωρίζεται για να μετρηθεί η αντοχή σε εφελκυσμό και άλλες ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ακαμψίας και του ορίου διαρροής. Υπάρχουν διάφορα κοινά βιομηχανικά πρότυπα που παρέχουν συμφωνημένες μεθόδους δοκιμών εφελκυσμού πλαστικών. Το ASTM D638 και το ISO 527-2 διαθέτουν παρόμοια αλλά διαφορετική τυποποιημένη γεωμετρία και διαστάσεις δοκιμίου. Αυτές οι δοκιμές απαιτούν λαβές εφελκυσμού που αναμένεται να πιάνουν το δείγμα και να προσαρμόζονται καθώς λεπταίνει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας δοκιμής. Αυτά τα εξαρτήματα είναι διαφορετικά από τα εξαρτήματα συμπίεσης. 

Στις δοκιμές συμπίεσης, η μηχανή δοκιμής ασκεί ένα ωθητικό ή συμπιεστικό φορτίο ή δύναμη για να συμπιέσει το δείγμα δοκιμής μέχρι να σπάσει ή να συμπιεστεί. Οι δοκιμές συμπίεσης ενός πολυμερούς δομικού αφρώδους υλικού καλύπτονται από το ASTM D1621 το οποίο καθορίζει τον τύπο των πλακών συμπίεσης και του παραμορφωσιόμετρου που χρησιμοποιούνται. Το δοκίμιο τοποθετείται μεταξύ των πλακών δοκιμής συμπίεσης έως ότου η κυψελοειδής δομή αστοχήσει ή διαρραγεί.

Μια μηχανή καθολικών δοκιμών μπορεί να εκτελέσει δοκιμές εφελκυσμού και συμπίεσης ή και τις δύο. Η εγκάρσια κεφαλή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τραβήξει ή να συμπιέσει το δείγμα δοκιμής το οποίο βρίσκεται μεταξύ της πλάκας βάσης και της κινούμενης κεφαλής.

Τα εξαρτήματα δοκιμών εφελκυσμού, ή λαβές, και οι αισθητήρες τάσης (γνωστοί ως εκτασιόμετρα), δεν μπορούν να εκτελέσουν δοκιμές συμπίεσης. Επίσης, οι λαβές εφελκυσμού είναι ειδικά προσαρμοσμένες ώστε να καλύπτουν την ακριβή γεωμετρία και τις διαστάσεις του δοκιμίου. Οι πλάκες δοκιμής συμπίεσης και το εκτροπόμετρο είναι επίσης ικανά να εκτελέσουν μόνο δοκιμή συμπίεσης και έτσι απαιτούνται και τα δύο σετ εξαρτημάτων σε αυτή την περίπτωση.

 

Αν θέλετε περισσότερες πληροφορίες για το προϊόν αυτό, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.