Bevezetés
A mérnöki munkában az anyagok különböző típusú terheléseknek vannak kitéve. Az anyagokra ható terhelések közé sorolhatjuk a húzó, a nyomó, a hajlító, a nyíró és a csavaró igénybevételeket. Ugyanakkor ezek a terhelések statikusan vagy dinamikusan is különbözhetnek. Az anyagnak egyszerre egy vagy több ilyen terhelésnek is ellen kell állnia. Ebben az esetben tudni kell, hogy melyik anyagot milyen körülmények között kell használni. Az anyagok csoportosítása érdekében bizonyos terhelések alatti reakcióikat vizsgálatokkal figyelik meg, és így feltárják az anyagok mechanikai tulajdonságait.
A rugalmassági tulajdonságok meghatározására szolgáló vizsgálatokat statikus és dinamikus vizsgálatokra különíthetjük el. Ahhoz, hogy egy vizsgálat statikus legyen, az erőt legfeljebb 1 Hz-es frekvenciával, állandó és egyszeri alkalommal kell alkalmazni. Ebben az esetben a feszültség állandó, és a nyúlási arány kisebb, mint 0,25 a statikus vizsgálatban. Az ilyen típusú terheléseknél dinamikus vizsgálatokat alkalmaznak, mivel a statikus vizsgálatok nem tudnak megfelelő modellt alkotni a hirtelen változó terhelésekhez. A dinamikus vizsgálat során a terhelés változó, és a mintára szinuszos alakváltozást alkalmaznak. Ezek a vizsgálatok magas vagy alacsony hőmérsékleten is elvégezhetők. A dinamikus vizsgálatok eredményeképpen a keménységre és a csillapításra vonatkozó információkat kapunk. A fáradásvizsgálatokat a dinamikus vizsgálatok egyik alágazataként vizsgálhatjuk. A terhelést ciklikusan alkalmazzák. Ezeket a vizsgálatokat húzó-húzó, nyomó-nyomó-nyomó vagy nyomó-visszahúzó húzóciklusokkal végzik. A fáradásvizsgálat eredményeként meghatározható az anyagok élettartama. A fáradásvizsgálattal a fáradási szilárdság és a repedésállóság is meghatározható.
Szakítóvizsgálat
A szakítóvizsgálat az egyik leggyakoribb vizsgálat a mérnöki tudományban az anyagok szilárdsági tulajdonságainak meghatározására. Izotróp anyagok mechanikai tulajdonságainak meghatározására szolgál. Ez a vizsgálat alapvetően azon alapul, hogy a próbadarabra azonos irányban, ellentétes oldalról húzóerőt alkalmaznak, és az anyagra ható feszültséget az anyag töréséig figyelemmel kísérik. A szakítóvizsgálat eredményeként megkapható az anyag folyáshatára, maximális szakítószilárdsága, alakíthatósága, Young-modulja, nyírási modulusa és Poisson-tényezője.
Feszültség - nyúlás görbék
Feszültség- és nyúlásgörbék
A vizsgálat során az anyagra alkalmazott névleges szakítófeszültség a következő:
Ahol F a húzóerő és az A_0 a feszített keresztmetszet területe. A feszültséget pedig a következőképpen határozzuk meg;
Ahol L_0 a próbatest kezdeti hossza, Δ_L pedig az anyag nyúlása a vizsgálat után.
A vizsgálatból származó értékekkel megkapjuk a feszültség-alakváltozás görbét. Ez a görbe mutatja az anyag töréspontját, folyáshatárát, maximális szakítószilárdságát és törés-idomulási állapotát. További előnye, hogy az anyag méreteitől függetlenül ad információt.
A fenti ábra egy rideg anyag feszültség-nyúlás görbéjét mutatja.
A legtöbb görbe esetében a kezdeti rész lineáris. A folyáshatár értékét akkor kapjuk meg a görbén, ha a görbe meredekségével párhuzamos görbét húzunk abból a pontból, ahol a feszültség-alakváltozás görbén a nyúlás 0,2%. A folyáshatár segítségével meghatározhatjuk azt a maximális feszültséget, amelyet egy anyag maradandó károsodás nélkül elviselhet. Eddig a pontig a tárgy a rugalmas tartományban van. Ezt követően az anyag belép a képlékeny területre, ahol a rá ható erők maradandó károsodást okoznak.
Termelési feszültség
A folyáshatár meghatározásához húzott képzeletbeli vonal meredeksége adja a Young-modult, amely egy fontos anyagtulajdonság. A Young-modul a következő módon kapható:
A következő egyenlet a Poisson-számot mutatja, amely a vízszintes elmozdulás és a függőleges elmozdulás hányadosának negatívja:
Teszt
Az ábrán a szakítóvizsgálatban használt próbatestek legtöbb keresztmetszeti nézete látható. A minták lemezként vagy henger alakúak lehetnek.
A különböző anyagoktól és mérési érzékenységi szintektől függően különböző szorítótípusok használhatók. Minden kötési módnak megvannak a maga előnyei és hátrányai.
Tömörítési teszt
A nyomóvizsgálat azt mutatja be, hogyan viselkednek az anyagok, ha összenyomják vagy összezúzzák őket. A vizsgálat általában az anyag széteséséig vagy egy előre meghatározott határértékig tart. Így kiszámítható az a terhelés, amelyet az anyag a szakadás előtt elvisel, és a lebomlás mértéke addig a pontig. Egy anyag vizsgálatához gyakran felmelegítik vagy lehűtik, és több irányú nyomóerőnek teszik ki. A vizsgálatokat azonban változatos beállítások mellett is el lehet végezni.
A nagy szakítószilárdságú anyagoknak általában alacsony a nyomószilárdságuk. Ezért ezeket az anyagokat nyomóvizsgálattal vizsgálják. Azok az anyagok, amelyeken a legtöbb nyomószilárdsági vizsgálatot végzik, általában rideg anyagok, például kompozitok, beton, fa, fém és téglaanyagok; polimerek, műanyagok és habok.
A nyomóvizsgálat eredményeként erő-alakváltozás görbét kapunk. Az erőt ezután feszültséggé alakítjuk át, hogy létrehozzuk a feszültség-alakváltozás görbét. Ez a görbe nagyon hasonlít a szakítóvizsgálat feszültség-alakváltozás görbéjéhez. Csakhogy a tengelyek a rövidülés irányába mutatnak.
Nyomófeszültség - % Nyomódeformáció
A szakítóvizsgálatnál végzett számítások a nyomóvizsgálatra is érvényesek.A nyomófeszültséget a következőképpen fejezzük ki;
Zúzás
A zúzás azt fejezi ki, hogy a vizsgálat során mennyire rövidült meg az anyag.
Fejezze ki a zúzást.
Duzzanat
A duzzadás a vizsgált anyag keresztmetszetének növekedése. A duktilis anyagok hajlamosabbak a duzzadásra. Ez a következőképpen van formalizálva:
Teszt
A rideg anyagokat jellemzően tömörségi vizsgálatokkal vizsgálják. A merev habok tömörítési jellemzőit az ISO 844 szabványok közül példaként az ISO 844 szabvány adja meg. A keresztmetszeti terület értékeit és formáit, a hőmérséklet-páratartalom értékeket és a várható mintaeredményeket ez a szabvány tartalmazza. A feszültségeket kPa-ban adják meg.
A szabványban a nyomórugalmasság értéke a következő:
Itt σ_e a hagyományos rugalmas tartomány végén fellépő erő, h_0 az anyag kezdeti vastagsága, x_e pedig a feszültséget létrehozó erő által megtett útvonal.
Az alábbiakban néhányat mutatunk be a tömörségi vizsgálatokra kidolgozott szabványok közül:
ASTM D575-91 - Szabványos vizsgálati módszerek gumitulajdonságok vizsgálatára tömörítéskor
ASTM E9-19 - Fém anyagok szobahőmérsékleten történő nyomóvizsgálatának szabványos vizsgálati módszerei
TS EN ISO 14126 - Szálerősítésű műanyag kompozitok - A síkbeli nyomási tulajdonságok meghatározása
A technika leírása
A minta mechanikai viselkedésének értékelése húzó és nyomó körülmények között elvégezhető, hogy alapvető anyagtulajdonsági adatokat szolgáltasson, amelyek kritikusak az alkatrésztervezés és a használati teljesítmény értékeléséhez. A szakító- és nyomószilárdsági értékekre vonatkozó követelményeket és az e tulajdonságok vizsgálatára szolgáló módszereket számos szabvány határozza meg a legkülönbözőbb anyagok esetében. A vizsgálatokat megmunkált anyagmintákon vagy tényleges alkatrészek teljes méretű vagy méretarányos modelljein lehet elvégezni. Ezeket a vizsgálatokat jellemzően univerzális mechanikai vizsgálóműszerrel végzik.
A szakítóvizsgálat az anyagok viselkedésének meghatározására szolgáló módszer axiális szakító terhelés alatt. A vizsgálatokat úgy végzik, hogy a próbadarabot a vizsgálóberendezésbe rögzítik, majd a vizsgálógép keresztfejeinek szétválasztásával erőt gyakorolnak a próbadarabra. A keresztfej sebessége változtatható a próbatestben fellépő alakváltozás mértékének szabályozására. A vizsgálatból származó adatokat a szakítószilárdság, a folyáshatár és a rugalmassági modulus meghatározására használják. A próbatest méreteinek mérése a vizsgálat után a területcsökkenés és a nyúlás értékeit is biztosítja az anyag alakíthatóságának jellemzésére. A szakítóvizsgálat számos anyagon elvégezhető, beleértve a fémeket, műanyagokat, szálakat, ragasztókat és gumikat. A vizsgálatot környezeti hőmérséklet alatti és emelkedett hőmérsékleten is el lehet végezni.
A nyomóvizsgálat az anyagok viselkedésének meghatározására szolgáló módszer nyomóterhelés alatt. A nyomóvizsgálatokat úgy végzik, hogy a próbadarabot két lemez közé terhelik, majd a keresztfejek egymáshoz közelítésével erőt fejtenek ki a próbadarabra. A vizsgálat során a próbadarab összenyomódik, és a deformáció az alkalmazott terhelés függvényében rögzítésre kerül. A nyomóvizsgálatot a rugalmassági határ, az arányos határ, a folyáshatár, a folyáshatár és (egyes anyagok esetében) a nyomószilárdság meghatározására használják.
Analitikai információk
Nyomószilárdság - A nyomószilárdság az a maximális nyomófeszültség, amelyet egy anyag törés nélkül képes elviselni. A rideg anyagok a vizsgálat során törnek, és meghatározott nyomószilárdsági értékkel rendelkeznek. A képlékeny anyagok nyomószilárdságát a vizsgálat során bekövetkező torzulás mértéke határozza meg.
Rugalmassági határérték - A rugalmassági határ az a maximális feszültség, amelyet egy anyag a feszültség megszüntetése után maradandó deformáció nélkül elviselhet.
Nyúlás - A nyúlás a szakítóvizsgálat során megtört próbadarab tartós nyúlásának mértéke.
A rugalmasság moduljai - A rugalmassági modulus a feszültség (az arányossági határ alatt) és az alakváltozás hányadosa, azaz a feszültség-alakváltozás görbe meredeksége. Egy fém merevségének vagy merevségének mértékegységének tekinthető.
Arányos határérték - Az arányos határérték az a legnagyobb feszültség, amelyet egy anyag képes elérni anélkül, hogy a feszültség-alakváltozás görbe lineáris viszonyától eltérne, vagyis anélkül, hogy képlékeny alakváltozás alakulna ki.
Terület csökkentése - A területcsökkenés a szakító próbatest eredeti keresztmetszeti területe és a vizsgálatot követő törés utáni legkisebb terület közötti különbség.
Törzs - A nyúlás az anyag méretének vagy alakjának erő hatására bekövetkező változásának mértéke.
Yield Point - A folyáshatár az a feszültség egy anyagban (általában kisebb, mint a maximálisan elérhető feszültség), amelynél a feszültség növekedése nélkül bekövetkezik az alakváltozás növekedése. Csak bizonyos fémeknek van folyáshatára.
Termelési szilárdság - A folyáshatár az a feszültség, amelynél egy anyag egy meghatározott eltérést mutat a lineáris feszültség-alakváltozás viszonytól. Fémek esetében gyakran 0,2% eltolást használnak.
Végső szakítószilárdság - A szakítószilárdság (UTS) az a maximális szakítófeszültség, amelyet egy anyag törés nélkül elviselhet. Ezt úgy számítják ki, hogy a szakítóvizsgálat során alkalmazott maximális terhelést elosztják a minta eredeti keresztmetszeti területével.
Tipikus alkalmazások
Szakító és nyomószilárdság a nyersanyag tulajdonságai a termékleírásokkal való összehasonlítás céljából
Anyagjellemző adatok beszerzése végeselemes modellezéshez vagy más terméktervezéshez a kívánt mechanikai viselkedés és üzemi teljesítmény érdekében
Az alkatrész mechanikai teljesítményének szimulációja üzem közben
Minta követelmények
A fémek és műanyagok szabványos szakítóvizsgálatait speciálisan előkészített próbatesteken végzik. Ezek a minták lehetnek megmunkált hengeres minták vagy lapos lemezminták (dogbone). A vizsgálati mintáknak a hosszúság és a szélesség vagy az átmérő meghatározott arányával kell rendelkezniük a vizsgálati területen (mérőeszköz), hogy megismételhető eredményeket kapjanak, és megfeleljenek a szabványnak. vizsgálati módszer követelmények. A csőszerű termékek, szálak és huzalok teljes méretben szakítóvizsgálatokat végezhetnek olyan speciális eszközökkel, amelyek elősegítik az optimális megragadást és a hiba helyének meghatározását.
A nyomóvizsgálathoz leggyakrabban használt minta egy lapos végű, kör alakú henger. Más formák is használhatók, azonban ezekhez speciális rögzítésre van szükség, hogy elkerülhető legyen a meghajlás. Az alkatrészek vizsgálatához vagy a szerviz szimulációjához használt speciális konfigurációk a használandó speciális vizsgálógéptől függenek.
A szakítóvizsgálati és a nyomóvizsgálati berendezések közötti különbség
A szakítóvizsgálatok esetében a vizsgálógép feszítő terhelést vagy erőt fejt ki, amely széthúzza a szakító próbatesteket. Műanyagok szakítóvizsgálata esetén a vizsgálati mintát széthúzzák a szakítószilárdság és más tulajdonságok, például a merevség és a folyáshatár mérése céljából. Számos közös ipari szabvány létezik, amelyek a műanyag szakítóvizsgálatok elfogadott módszereit biztosítják. Az ASTM D638 és az ISO 527-2 szabványok hasonló, de eltérő szabványosított vizsgálati minta geometriával és méretekkel rendelkeznek. Ezek a vizsgálatok olyan húzófogókat igényelnek, amelyek várhatóan megragadják a mintát, és a vizsgálati folyamat során a minta elvékonyodása során igazodnak. Ezek a tartozékok különböznek a nyomószerkezeti rögzítésektől.
A nyomóvizsgálatok során a vizsgálógép nyomó vagy nyomó terhelést vagy erőt fejt ki, hogy a vizsgálati mintát addig nyomja, amíg az el nem törik vagy össze nem nyomódik. A polimer szerkezeti habanyag nyomóvizsgálatát a következő címszóval szabályozza ASTM D1621 amely meghatározza a használt nyomólemezek és a deflektométer típusát. A vizsgálati mintát addig kell a nyomólemezek közé helyezni, amíg a cellaszerkezet meg nem szakad vagy el nem szakad.
Az univerzális vizsgálógép képes mind a húzó-, mind a nyomóvizsgálatokat elvégezni. A keresztfej használható a vizsgálati minta húzására vagy összenyomására, amely az alaplemez és a mozgó fej között helyezkedik el.
A húzóvizsgálati eszközök vagy markolatok és a nyúlásérzékelők (ún. extenzométerek) nem képesek nyomóvizsgálatokat végezni. A húzófogantyúkat is speciálisan a pontos próbatestgeometriához és méretekhez igazítják. A nyomóvizsgálati lemezek és a deflektométer szintén csak nyomóvizsgálat elvégzésére alkalmasak, így ebben az esetben mindkét tartozékkészletre szükség van.
Ha további információt szeretne a termékről, kérjük, forduljon hozzánk bizalommal.