Johdanto

Tekniikassa materiaalit altistuvat erityyppisille kuormituksille. Materiaaleihin kohdistuvat kuormitukset voidaan luetella veto-, puristus-, taivutus-, leikkaus- tai vääntökuormituksina. Samalla nämä kuormitukset voivat vaihdella staattisesti tai dynaamisesti. Materiaalin on ehkä kestettävä yhtä tai useampaa näistä kuormituksista samanaikaisesti. Tällöin on tiedettävä, mitä materiaalia on käytettävä missäkin olosuhteissa. Materiaalien ryhmittelyä varten niiden reaktioita tietyissä kuormituksissa tarkkaillaan testeillä, ja näin saadaan selville materiaalien mekaaniset ominaisuudet.

Voimme jakaa elastisuusominaisuuksien määrittämiseksi tehtävät testit staattisiin ja dynaamisiin testeihin. Jotta testi olisi staattinen, voima on kohdistettava enintään 1 Hz:n taajuudella, vakiona ja vain kerran. Tällöin jännitys on vakio ja venymissuhde on staattisessa testissä alle 0,25. Tämäntyyppisiin kuormituksiin käytetään dynaamisia testejä, koska staattiset testit eivät pysty muodostamaan riittävää mallia äkillisesti muuttuville kuormituksille. Dynaamisessa testauksessa kuormitus on muuttuva ja näytteeseen kohdistetaan sinimuotoinen muodonmuutos. Nämä testit voidaan suorittaa myös korkeissa tai matalissa lämpötiloissa. Dynaamisten testien tuloksena saadaan tietoa kovuudesta ja vaimennuksesta. Väsymistestejä voidaan tarkastella dynaamisten testien alahaarana. Kuormitus kohdistetaan syklisesti. Näitä testejä tehdään veto-veto-, puristus-puristus- tai puristus-kääntövetosykleillä. Väsytystestin tuloksena voidaan määrittää materiaalien käyttöikä. Väsymiskokeella määritetään myös väsymislujuus ja halkeilunkestävyys.

 

Vetokoe

Vetokoe on yksi yleisimmistä teknisessä tutkimuksessa käytettävistä testeistä, joilla määritetään materiaalien lujuusominaisuudet. Se tehdään isotrooppisten materiaalien mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi. Tämä testi perustuu periaatteessa siihen, että näytteeseen kohdistetaan vetovoima vastakkaisilta pinnoilta samaan suuntaan ja materiaaliin kohdistuvaa jännitystä seurataan, kunnes materiaali murtuu. Vetokokeen tuloksena saadaan materiaalin myötölujuus, suurin vetolujuus, sitkeys, Youngin moduuli, leikkausmoduuli ja Poissonin luku.

Jännitys - venymäkäyrät

Jännitys- ja venymäkäyrät

Testin aikana materiaaliin kohdistuva nimellinen vetojännitys on seuraava:

Jossa F on vetovoima ja A_0 on jännityksen alainen poikkipinta-ala. Jännitys määritellään seuraavasti;

Jossa L_0 on kappaleen alkuperäinen pituus ja Δ_L on materiaalin venymä testin jälkeen.

Testistä saatujen arvojen avulla saadaan jännitys-venymäkäyrä. Käyrästä käy ilmi materiaalin murtumispiste, myötölujuus, suurin vetolujuus ja murtolujuus- taipuisuustila. Toinen etu on, että se antaa tietoa materiaalin mitoista riippumatta.

Yllä olevassa kaaviossa on hauraan materiaalin jännitys-venymäkäyrä.

Useimpien käyrien alkuosa on lineaarinen. Myötölujuuden arvo saadaan käyrälle, kun käyrän kaltevuuden suuntainen käyrä piirretään pisteestä, jossa jännitys-muodonmuutoskäyrän venymä on 0,2%. Myötölujuuden avulla voidaan määrittää suurin jännitys, jonka materiaali kestää ilman pysyviä vaurioita. Tähän pisteeseen asti kappale on kimmoisalla alueella. Tämän jälkeen materiaali siirtyy plastiselle alueelle, jossa siihen kohdistuvat voimat aiheuttavat pysyviä vaurioita.

Myötöjännitys

Myötölujuuden määrittämiseksi piirretyn kuvitteellisen viivan kaltevuus antaa Youngin moduulin, joka on tärkeä materiaaliominaisuus. Youngin moduuli saadaan seuraavasti:

Seuraava yhtälö esittää Poissonin suhdelukua, joka on vaakasuuntaisen siirtymän ja pystysuuntaisen siirtymän suhteen negatiivinen arvo:

Testi

Kuvassa on esitetty suurin osa vetokokeessa käytettyjen näytteiden poikkileikkausnäkymistä. Näytteet voidaan muodostaa levyksi tai sylinteriksi.

Eri materiaaleista ja mittausherkkyystasoista riippuen voidaan käyttää erilaisia kiinnitystyyppejä. Kullakin kiinnitystavalla on omat etunsa ja haittansa.

Puristustesti

Puristustesti osoittaa, miten materiaalit käyttäytyvät puristettaessa tai murskattaessa. Testi kestää yleensä siihen asti, kunnes aine hajoaa tai ennalta määrättyyn rajaan asti. Näin saadaan laskettua kuorma, jonka materiaali kestää ennen repeämistä, ja sen hajoamisen laajuus tähän pisteeseen asti. Materiaalin testaamiseksi sitä usein lämmitetään tai jäähdytetään ja siihen kohdistetaan monensuuntainen puristusvoima. Testejä voidaan kuitenkin tehdä vaihtelevissa olosuhteissa.

Materiaaleilla, joilla on korkea vetolujuus, on yleensä alhainen puristuslujuus. Tästä syystä näitä materiaaleja tutkitaan puristuskokeilla. Materiaalit, joille tehdään eniten puristuskokeita, ovat yleensä hauraita materiaaleja, esimerkiksi komposiitteja, betonia, puuta, metallia ja tiilimateriaaleja sekä polymeerejä, muoveja ja vaahtomuoveja.

Puristuskokeen tuloksena saadaan voima-venymäkäyrä. Tämän jälkeen voima muunnetaan jännitykseksi jännitys-venymäkäyrän luomiseksi. Tämä käyrä on hyvin samankaltainen kuin vetokokeen jännitys-muodonmuutoskäyrä. Akselit ovat vain lyhenemistä osoittavaan suuntaan.

Puristusjännitys - % Puristusmuodonmuutos

Vetokokeen laskelmat pätevät myös puristuskokeessa. puristuslujuus ilmaistaan seuraavasti;

Murskaus

Murskausta käytetään ilmaisemaan, kuinka paljon materiaali lyheni testin aikana.

Ilmaise murskautuminen.

Turvotus

Turvotus on testattavan materiaalin poikkileikkauksen kasvua. Sitkeät materiaalit ovat alttiimpia turpoamiselle. Se on virallistettu seuraavasti:

Testi

Hauraat materiaalit ovat tyypillisesti puristuskokeiden kohteena. Jäykkien vaahtomuovien puristusominaisuudet on esitetty ISO 844 -standardissa esimerkkinä standardeista. Poikkipinta-alan arvot ja muodot, lämpötila- ja kosteusarvot sekä odotettavissa olevat näytetulokset ilmoitetaan tässä standardissa. Jännitykset ilmoitetaan kPa:na.

Puristusjouston arvo standardissa on seuraava:

Tässä σ_e on voima tavanomaisen elastisen alueen lopussa, h_0 on materiaalin alkuperäinen paksuus ja x_e on jännityksen aiheuttavan voiman kulkema tie.

Seuraavassa on lueteltu muutamia puristustestejä varten kehitettyjä standardeja:

ASTM D575-91 - Standarditestausmenetelmät kumin ominaisuuksien testaamiseksi puristettaessa

ASTM E9-19 - Metallisten materiaalien puristuskoestuksen standarditestausmenetelmät huoneenlämmössä

TS EN ISO 14126 - Kuituvahvisteiset muovikomposiitit - Puristusominaisuuksien määrittäminen tasonsuuntaisesti.

 

Tekniikan kuvaus

Arvioimalla näytteen mekaanista käyttäytymistä jännitys- ja puristusolosuhteissa voidaan saada materiaalin ominaisuuksia koskevia perustietoja, jotka ovat ratkaisevia komponenttien suunnittelun ja käyttöominaisuuksien arvioinnin kannalta. Veto- ja puristuslujuusarvoja koskevat vaatimukset ja näiden ominaisuuksien testausmenetelmät on määritelty useissa standardeissa monille eri materiaaleille. Testaus voidaan suorittaa työstetyille materiaalinäytteille tai todellisten komponenttien täysikokoisille tai mittakaavamalleille. Nämä testit tehdään yleensä yleisellä mekaanisella testauslaitteella.

Vetokoe on menetelmä, jolla määritetään materiaalien käyttäytyminen aksiaalisessa vetokuormituksessa. Testit suoritetaan kiinnittämällä näyte testauslaitteeseen ja kohdistamalla sitten näytteeseen voima erottamalla testauslaitteen poikkipäät. Ristipään nopeutta voidaan muuttaa testikappaleen venymänopeuden säätelemiseksi. Testistä saatavia tietoja käytetään vetolujuuden, myötölujuuden ja kimmomoduulin määrittämiseen. Mittaamalla näytteen mitat testauksen jälkeen saadaan myös pinta-alan pienennys ja venymäarvot materiaalin sitkeyden kuvaamiseksi. Vetokokeita voidaan tehdä monille materiaaleille, kuten metalleille, muoveille, kuiduille, liimoille ja kumille. Testit voidaan suorittaa sekä ympäristön alapuolella että kohotetuissa lämpötiloissa.

Puristustesti on menetelmä, jolla määritetään materiaalien käyttäytyminen puristuskuormituksen alaisena. Puristuskokeet tehdään kuormittamalla koekappale kahden levyn väliin ja kohdistamalla sitten koekappaleeseen voima liikuttamalla poikkilevyjä yhteen. Testin aikana koekappaletta puristetaan ja muodonmuutos suhteessa kohdistettuun kuormitukseen kirjataan. Puristuskokeen avulla määritetään kimmoraja, suhteellinen raja, myötöraja, myötölujuus ja (joidenkin materiaalien osalta) puristuslujuus.

 

Analyyttiset tiedot

Puristuslujuus - Puristuslujuus on suurin puristusjännitys, jonka materiaali kestää murtumatta. Hauraat materiaalit murtuvat testauksen aikana ja niillä on tietty puristuslujuuden arvo. Plastisten materiaalien puristuslujuus määräytyy sen mukaan, missä määrin ne vääntyvät testauksen aikana.

Elastinen raja - Kimmoraja on suurin jännitys, jonka materiaali kestää ilman pysyvää muodonmuutosta jännityksen poistamisen jälkeen.

Venymä - Venymä on vetokokeessa murtuneen näytteen pysyvän venymän määrä.

Jouston moduulit - Kimmomoduuli on jännityksen (suhteellisuusrajan alapuolella) ja venymän suhde eli jännitys-venymäkäyrän kaltevuus. Sitä pidetään metallin jäykkyyden tai jäykkyyden mittana.

Proportionaalinen raja - Suhteellinen raja on suurin jännitys, jonka materiaali pystyy saavuttamaan ilman, että se poikkeaa jännitys-muodonmuutoskäyrän lineaarisesta suhteesta, eli ilman, että siihen kehittyy plastinen muodonmuutos.

Pinta-alan pienentäminen - Pinta-alan pieneneminen on vetokoekappaleen alkuperäisen poikkileikkauspinta-alan ja pienimmän pinta-alan erotus murtuman jälkeen testin jälkeen.

Kanta - Jännitys on voiman aiheuttama materiaalin koon tai muodon muutoksen määrä.

Tuottopiste - Myötöraja on materiaalin jännitys (yleensä pienempi kuin suurin saavutettavissa oleva jännitys), jossa muodonmuutos tapahtuu ilman jännityksen kasvua. Vain tietyillä metalleilla on myötöraja.

Myötölujuus - Myötölujuus on jännitys, jossa materiaali poikkeaa lineaarisesta jännitys-muodonmuutossuhteesta. Metalleille käytetään usein 0,2%:n poikkeamaa.

Murtovetolujuus - Vetomurtolujuus eli UTS on suurin vetojännitys, jonka materiaali kestää murtumatta. Se lasketaan jakamalla vetokokeen aikana kohdistettu enimmäiskuorma näytteen alkuperäisellä poikkipinta-alalla.

 

Tyypilliset sovellukset

Veto- ja puristus raaka-aineen ominaisuudet tuotespesifikaatioihin vertaamista varten

Hankitaan materiaaliominaisuustietoja äärellisten elementtien mallintamista tai muuta tuotesuunnittelua varten halutun mekaanisen käyttäytymisen ja käyttösuorituskyvyn saavuttamiseksi.

Komponentin mekaanisen suorituskyvyn simulointi käytössä

 

Esimerkkivaatimukset

Metallien ja muovien tavanomaiset vetokokeet tehdään erityisesti valmistetuille koekappaleille. Nämä näytteet voivat olla työstettyjä sylinterimäisiä näytteitä tai litteitä levynäytteitä (dogbone). Testinäytteiden pituuden ja leveyden tai halkaisijan on oltava tietyssä suhteessa testialueella (mittalaite), jotta tulokset olisivat toistettavissa ja vastaisivat standardeja. testausmenetelmä vaatimukset. Putkimaisten tuotteiden, kuitujen ja lankojen vetotestaus voidaan tehdä täysikokoisina käyttäen erityisiä kiinnikkeitä, jotka edistävät optimaalista tarttumista ja vikojen paikantamista.

Yleisin puristuskokeessa käytettävä koekappale on oikeanmuotoinen pyöreä sylinteri, jossa on litteät päät. Muitakin muotoja voidaan käyttää, mutta ne vaativat erityisiä kiinnikkeitä, jotta vältetään vääntyminen. Komponenttien testaukseen tai käyttösimulointeihin käytettävät erikoiskokoonpanot riippuvat käytettävästä testilaitteesta.

Vetotestaus- ja puristustestauslaitteiden välinen ero

Vetokokeissa testikoneeseen kohdistuu vetokuormitus tai voima, joka vetää vetokoenäytteet erilleen toisistaan. Muovien vetokokeissa testinäyte vedetään erilleen vetolujuuden ja muiden ominaisuuksien, kuten jäykkyyden ja myötölujuuden, mittaamiseksi. On olemassa useita yleisiä teollisuusstandardeja, jotka tarjoavat sovitut menetelmät muovien vetokokeille. ASTM D638- ja ISO 527-2 -standardeissa on molemmissa samanlainen mutta erilainen standardoitu testinäytteen geometria ja mitat. Näissä testeissä tarvitaan vetokahvoja, joiden odotetaan tarttuvan näytteeseen ja mukautuvan sen ohentuessa testiprosessin aikana. Nämä tarvikkeet ovat erilaisia kuin puristuskiinnikkeet. 

Puristustesteissä testikone käyttää painavaa tai puristavaa kuormaa tai voimaa puristaakseen testinäytettä, kunnes se murtuu tai puristuu. Polymeerisen rakenteellisen vaahtomateriaalin puristuskokeita käsitellään kohdassa ASTM D1621 jossa määritetään käytettyjen puristuslevyjen ja taipumamittarin tyyppi. Testinäyte asetetaan puristuslevyjen väliin, kunnes solurakenne pettää tai repeää.

Yleiskoekoneella voidaan tehdä joko veto- tai puristuskokeita tai molempia. Poikkipäätä voidaan käyttää vetämään tai puristamaan testinäytettä, joka sijaitsee pohjalevyn ja liikkuvan pään välissä.

Vetokoelaitteilla eli tartuntalaitteilla ja venymäantureilla (ns. ekstensiometreillä) ei voida tehdä puristustestejä. Myös vetokahvat sovitetaan erityisesti kattamaan testikappaleen tarkka geometria ja mitat. Puristustestilevyt ja deflektometri pystyvät myös suorittamaan vain puristustestejä, joten tässä tapauksessa tarvitaan molemmat lisävarustesarjat.

 

Jos haluat lisätietoja tästä tuotteesta, ota rohkeasti yhteyttä meihin.