Wprowadzenie

W inżynierii materiały są narażone na różne rodzaje obciążeń. Obciążenia, którym mogą być poddawane materiały, można wymienić jako rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie lub skręcanie. Jednocześnie obciążenia te mogą różnić się statycznie lub dynamicznie. Materiał może być odporny na jedno lub więcej z tych obciążeń w tym samym czasie. W takim przypadku konieczne jest określenie, który materiał należy zastosować w danych warunkach. Aby pogrupować materiały, ich reakcje pod pewnymi obciążeniami są obserwowane za pomocą testów, a właściwości mechaniczne materiałów są w ten sposób ujawniane.

Testy mające na celu uzyskanie właściwości sprężystych można podzielić na statyczne i dynamiczne. Aby test był statyczny, siła musi być przykładana z maksymalną częstotliwością 1 Hz, w sposób stały i tylko jeden raz. W tym przypadku naprężenie jest stałe, a współczynnik wydłużenia jest mniejszy niż 0,25 w teście statycznym. Testy dynamiczne są stosowane do tego typu obciążeń, ponieważ testy statyczne nie mogą stanowić odpowiedniego modelu dla nagle zmieniających się obciążeń. W testach dynamicznych obciążenie jest zmienne, a do próbki przykładane jest odkształcenie sinusoidalne. Testy te mogą być również przeprowadzane w wysokich lub niskich temperaturach. W wyniku testów dynamicznych uzyskuje się informacje o twardości i tłumieniu. Testy zmęczeniowe mogą być traktowane jako podgałąź testów dynamicznych. Obciążenie jest przykładane cyklicznie. Testy te są wykonywane z cyklami rozciąganie-ciągniecie, ściskanie-ściskanie lub ściskanie-odwrotne rozciąganie. W wyniku testu zmęczeniowego można określić żywotność materiałów. Wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na pękanie są również określane w teście zmęczeniowym.

 

Próba rozciągania

Próba rozciągania jest jednym z najczęściej stosowanych testów w inżynierii w celu określenia właściwości wytrzymałościowych materiałów. Wykonuje się ją w celu określenia właściwości mechanicznych materiałów izotropowych. Test ten opiera się na przyłożeniu siły rozciągającej do próbki z przeciwległych powierzchni w tym samym kierunku i monitorowaniu naprężenia materiału aż do jego pęknięcia. W wyniku próby rozciągania można uzyskać granicę plastyczności, maksymalną wytrzymałość na rozciąganie, plastyczność, moduł Younga, moduł ścinania i współczynnik Poissona materiału.

Krzywe naprężenie - odkształcenie

Krzywe naprężenia i odkształcenia

Nominalne naprężenie rozciągające przyłożone do materiału podczas testów jest następujące:

Gdzie F jest siłą rozciągającą, a A_0 jest polem przekroju pod wpływem rozciągania. Odkształcenie definiuje się jako;

Gdzie L_0 to początkowa długość próbki, a Δ_L to wydłużenie materiału po teście.

Na podstawie wartości uzyskanych z testu uzyskuje się krzywą naprężenie-odkształcenie. Krzywa ta ujawnia granicę zerwania materiału, granicę plastyczności, maksymalną wytrzymałość na rozciąganie i stan ciągliwości. Kolejną zaletą jest to, że dostarcza informacji niezależnie od wymiarów materiału.

Powyższy wykres przedstawia krzywą naprężenie-odkształcenie materiału kruchego.

W przypadku większości krzywych początkowa część jest liniowa. Wartość granicy plastyczności uzyskuje się na krzywej, gdy krzywa równoległa do nachylenia krzywej jest rysowana od punktu, w którym wydłużenie na krzywej naprężenie-odkształcenie wynosi 0,2%. Możemy określić maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać bez trwałego uszkodzenia, wykorzystując jego granicę plastyczności. Do tego momentu obiekt znajduje się w obszarze sprężystym. Następnie materiał wchodzi w obszar plastyczny, w którym działające na niego siły powodują trwałe uszkodzenie.

Naprężenie plastyczne

Nachylenie wyimaginowanej linii, którą rysujemy, aby znaleźć granicę plastyczności, daje nam moduł Younga, który jest ważną właściwością materiału. Moduł Younga uzyskuje się przez:

Poniższe równanie przedstawia współczynnik Poissona, który jest ujemną wartością stosunku przemieszczenia poziomego do przemieszczenia pionowego:

Test

Większość przekrojów poprzecznych próbek stosowanych w próbie rozciągania pokazano na rysunku. Próbki mogą być formowane jako arkusze lub cylindry.

W zależności od różnych materiałów i poziomów czułości pomiarowej można stosować różne typy mocowania. Każda metoda wiązania ma swoje zalety i wady.

Test ściskania

Test ściskania pokazuje, jak zachowują się materiały po ściśnięciu lub zgnieceniu. Test zwykle trwa do momentu rozpadu substancji lub do wcześniej określonego limitu. W ten sposób obliczane jest obciążenie, które materiał może wytrzymać przed rozerwaniem i zakres jego degradacji do tego momentu. Aby przetestować materiał, jest on często podgrzewany lub chłodzony i poddawany działaniu wielu kierunków siły ściskającej. Testy mogą być jednak przeprowadzane w różnych warunkach.

Materiały o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie mają zazwyczaj niską wytrzymałość na ściskanie. Z tego powodu materiały te są badane za pomocą testów ściskania. Materiały, na których przeprowadza się większość testów ściskania, to zazwyczaj materiały kruche, na przykład kompozyty, beton, drewno, metal i materiały ceglane; polimery, tworzywa sztuczne i pianki.

W wyniku próby ściskania uzyskuje się krzywą siła-odkształcenie. Siła jest następnie przekształcana w naprężenie w celu utworzenia krzywej naprężenie-odkształcenie. Krzywa ta jest bardzo podobna do krzywej naprężenie-odkształcenie w próbie rozciągania. Jedynie osie są skierowane w kierunku pokazującym skracanie.

Naprężenie ściskające - Odkształcenie ściskające %

Obliczenia dotyczące próby rozciągania są również ważne w przypadku próby ściskania;

Miażdżenie

Zgniatanie służy do wyrażenia stopnia skrócenia materiału podczas testu.

Wyraź zmiażdżenie.

Obrzęk

Pęcznienie to wzrost przekroju badanego materiału. Materiały ciągliwe są bardziej podatne na pęcznienie. Jest to sformalizowane przez:

Test

Materiały kruche są zazwyczaj przedmiotem testów ściskania. Charakterystyka ściskania sztywnych pianek jest podana w normie ISO 844 jako przykład. W normie tej podano wartości i kształty przekroju poprzecznego, wartości temperatury i wilgotności oraz przewidywane wyniki próby. Naprężenia podane są w kPa.

Wartość elastyczności kompresji w normie jest następująca:

Tutaj σ_e to siła na końcu konwencjonalnego obszaru sprężystego, h_0 to początkowa grubość materiału, a x_e to droga przebyta przez siłę generującą naprężenie.

Poniżej przedstawiono kilka norm opracowanych dla testów ściskania:

ASTM D575-91 - Standardowe metody badania właściwości gumy podczas ściskania

ASTM E9-19 - Standardowe metody badań ściskania materiałów metalowych w temperaturze pokojowej

TS EN ISO 14126 - Kompozyty tworzyw sztucznych wzmacniane włóknami - Oznaczanie właściwości ściskających w kierunku płaszczyzny

 

Opis techniki

Ocena mechanicznego zachowania próbki w warunkach rozciągania i ściskania może być przeprowadzona w celu dostarczenia podstawowych danych o właściwościach materiału, które są krytyczne dla projektowania komponentów i oceny wydajności serwisowej. Wymagania dotyczące wartości wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie oraz metody testowania tych właściwości są określone w różnych normach dla szerokiej gamy materiałów. Testy mogą być wykonywane na obrobionych próbkach materiału lub na pełnowymiarowych lub skalowanych modelach rzeczywistych komponentów. Testy te są zwykle wykonywane przy użyciu uniwersalnego mechanicznego przyrządu testującego.

Próba rozciągania to metoda określania zachowania materiałów pod obciążeniem osiowym rozciągającym. Testy przeprowadzane są poprzez zamocowanie próbki w aparacie badawczym, a następnie przyłożenie siły do próbki poprzez rozdzielenie trawers maszyny wytrzymałościowej. Prędkość trawersy może być zmieniana w celu kontrolowania szybkości odkształcenia próbki. Dane z testu są wykorzystywane do określenia wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i modułu sprężystości. Pomiar wymiarów próbki po badaniu zapewnia również zmniejszenie powierzchni i wartości wydłużenia w celu scharakteryzowania plastyczności materiału. Próby rozciągania mogą być wykonywane na wielu materiałach, w tym metalach, tworzywach sztucznych, włóknach, klejach i gumach. Testy mogą być przeprowadzane w temperaturach ujemnych i podwyższonych.

Próba ściskania to metoda określania zachowania materiałów pod obciążeniem ściskającym. Testy ściskania są przeprowadzane poprzez obciążenie próbki testowej między dwiema płytami, a następnie przyłożenie siły do próbki poprzez przesunięcie poprzeczek razem. Podczas testu próbka jest ściskana, a odkształcenie w stosunku do przyłożonego obciążenia jest rejestrowane. Próba ściskania służy do określenia granicy sprężystości, granicy proporcjonalności, granicy plastyczności, granicy plastyczności oraz (w przypadku niektórych materiałów) wytrzymałości na ściskanie.

 

Informacje analityczne

Wytrzymałość na ściskanie - Wytrzymałość na ściskanie to maksymalne naprężenie ściskające, jakie materiał jest w stanie wytrzymać bez pęknięcia. Materiały kruche pękają podczas testów i mają określoną wartość wytrzymałości na ściskanie. Wytrzymałość na ściskanie materiałów ciągliwych jest określana na podstawie stopnia ich odkształcenia podczas testów.

Granica elastyczności - Granica sprężystości to maksymalne naprężenie, które materiał może wytrzymać bez trwałego odkształcenia po usunięciu naprężenia.

Wydłużenie - Wydłużenie to wielkość trwałego wydłużenia próbki, która została złamana w próbie rozciągania.

Moduły elastyczności - Moduł sprężystości to stosunek naprężenia (poniżej granicy proporcjonalności) do odkształcenia, tj. nachylenie krzywej naprężenie-odkształcenie. Jest on uważany za miarę sztywności metalu.

Limit proporcjonalny - Granica proporcjonalności to największa wartość naprężenia, jaką materiał jest w stanie osiągnąć bez odchylenia od liniowej zależności krzywej naprężenie-odkształcenie, tj. bez rozwoju odkształcenia plastycznego.

Zmniejszenie powierzchni - Zmniejszenie powierzchni jest różnicą między pierwotną powierzchnią przekroju poprzecznego próbki do rozciągania a najmniejszą powierzchnią po pęknięciu po teście.

Napięcie - Odkształcenie to wielkość zmiany rozmiaru lub kształtu materiału pod wpływem siły.

Punkt wydajności - Granica plastyczności to naprężenie w materiale (zwykle mniejsze niż maksymalne osiągalne naprężenie), przy którym następuje wzrost odkształcenia bez wzrostu naprężenia. Tylko niektóre metale mają granicę plastyczności.

Wytrzymałość na rozciąganie - Granica plastyczności to naprężenie, przy którym materiał wykazuje określone odchylenie od liniowej zależności naprężenie-odkształcenie. W przypadku metali często stosuje się przesunięcie 0,2%.

Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie - Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie (UTS) to maksymalne naprężenie rozciągające, jakie materiał może wytrzymać bez pęknięcia. Oblicza się ją dzieląc maksymalne obciążenie przyłożone podczas próby rozciągania przez pierwotny przekrój poprzeczny próbki.

 

Typowe zastosowania

Rozciąganie i ściskanie właściwości surowca do porównania ze specyfikacją produktu

Uzyskanie danych o właściwościach materiału do modelowania metodą elementów skończonych lub innego projektowania produktu pod kątem pożądanego zachowania mechanicznego i wydajności serwisowej.

Symulacja wydajności mechanicznej komponentów podczas eksploatacji

 

Przykładowe wymagania

Standardowe próby rozciągania metali i tworzyw sztucznych są przeprowadzane na specjalnie przygotowanych próbkach. Próbki te mogą być obrobionymi próbkami cylindrycznymi lub próbkami płaskimi (dogbone). Próbki testowe muszą mieć określony stosunek długości do szerokości lub średnicy w obszarze testowym (przyrządzie pomiarowym), aby uzyskać powtarzalne wyniki i być zgodne ze standardem. metoda testowa wymagania. Produkty rurowe, włókna i druty mogą być testowane na rozciąganie w pełnym rozmiarze przy użyciu specjalnych uchwytów, które promują optymalne chwytanie i lokalizację uszkodzeń.

Najczęstszą próbką używaną do prób ściskania jest prawy okrągły cylinder z płaskimi końcami. Inne kształty mogą być stosowane, jednak wymagają one specjalnych uchwytów, aby uniknąć wyboczenia. Specjalne konfiguracje do testowania komponentów lub symulacji serwisowych zależą od konkretnej maszyny testowej, która ma być używana.

Różnica między urządzeniami do prób rozciągania i ściskania

W przypadku testów na rozciąganie, maszyna testowa wywiera obciążenie rozciągające lub siłę, która rozciąga badane próbki. W przypadku prób rozciągania tworzyw sztucznych, próbka testowa jest rozciągana w celu pomiaru wytrzymałości na rozciąganie i innych właściwości, w tym sztywności i granicy plastyczności. Istnieje kilka wspólnych norm branżowych, które zapewniają uzgodnione metody testów rozciągania tworzyw sztucznych. Normy ASTM D638 i ISO 527-2 charakteryzują się podobną, ale różną znormalizowaną geometrią i wymiarami próbek testowych. Testy te wymagają uchwytów do rozciągania, które powinny chwytać próbkę i regulować jej grubość podczas procesu testowego. Akcesoria te różnią się od uchwytów do ściskania. 

W testach ściskania maszyna testowa wywiera obciążenie lub siłę ściskającą, aby zgnieść badaną próbkę do momentu jej pęknięcia lub zgniecenia. Testy ściskania polimerowego strukturalnego materiału piankowego są objęte zakresem ASTM D1621 który określa rodzaj zastosowanych płyt ściskających i ugięciomierza. Badana próbka jest umieszczana pomiędzy płytami do prób ściskania do momentu zniszczenia lub pęknięcia struktury komórkowej.

Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa może wykonywać zarówno próby rozciągania, jak i ściskania. Głowica poprzeczna może być używana do ciągnięcia lub ściskania próbki testowej, która znajduje się pomiędzy płytą bazową a ruchomą głowicą.

Uchwyty do prób rozciągania i czujniki odkształcenia (znane jako ekstensometry) nie mogą wykonywać prób ściskania. Ponadto uchwyty do prób rozciągania są specjalnie dopasowane do dokładnej geometrii i wymiarów próbki testowej. Płyty do prób ściskania i ugięciomierz są również w stanie wykonać tylko próbę ściskania, dlatego w tym przypadku potrzebne są oba zestawy akcesoriów.

 

Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji na temat tego produktu, prosimy o kontakt.