Úvod

V strojárstve sú materiály vystavené rôznym typom zaťaženia. Zaťaženia, ktorým môžu byť materiály vystavené, možno vymenovať ako ťahové, tlakové, ohybové, strihové alebo krútiace. Zároveň sa tieto zaťaženia môžu líšiť staticky alebo dynamicky. Materiál môže musieť odolávať jednému alebo viacerým z týchto zaťažení súčasne. V takom prípade je potrebné vedieť, ktorý materiál sa má za akých podmienok použiť. Na zoskupenie materiálov sa pomocou skúšok sledujú ich reakcie pri určitých zaťaženiach, a tým sa zisťujú mechanické vlastnosti materiálov.

Skúšky na získanie elastických vlastností môžeme rozdeliť na statické a dynamické. Aby bola skúška statická, musí sila pôsobiť s maximálnou frekvenciou 1 Hz, konštantne a len jedenkrát. V tomto prípade je napätie konštantné a pomer predĺženia je pri statickej skúške menší ako 0,25. Pri týchto typoch zaťaženia sa používajú dynamické skúšky, pretože statické skúšky nemôžu vytvoriť vhodný model pre náhle sa meniace zaťaženie. Pri dynamických skúškach je zaťaženie premenlivé a na vzorku pôsobí sínusová deformácia. Tieto skúšky sa môžu vykonávať aj pri vysokých alebo nízkych teplotách. Výsledkom dynamických skúšok sú informácie o tvrdosti a tlmení. Únavové skúšky môžeme skúmať ako pododvetvie dynamických skúšok. Zaťaženie sa aplikuje cyklicky. Tieto skúšky sa vykonávajú s cyklami ťah - ťah, tlak - stlačenie alebo tlak - spätný ťah. Výsledkom únavovej skúšky je určenie životnosti materiálov. Únavovou skúškou sa určuje aj únavová pevnosť a odolnosť proti praskaniu.

 

Skúška ťahom

Skúška ťahom je jednou z najbežnejších skúšok v strojárstve na určenie pevnostných vlastností materiálov. Vykonáva sa na určenie mechanických vlastností izotropných materiálov. Táto skúška je v podstate založená na pôsobení ťahovej sily na vzorku z protiľahlých strán v rovnakom smere a na sledovaní napätia na materiáli až do porušenia materiálu. Výsledkom ťahovej skúšky je medza klzu, maximálna medza pevnosti v ťahu, ťažnosť, Youngov modul, modul pružnosti v šmyku a Poissonov pomer materiálu.

Krivky napätia a deformácie

Krivky napätia a deformácie

Nominálne ťahové napätie pôsobiace na materiál počas skúšky je nasledovné:

Kde F je ťahová sila a A_0 je plocha prierezu v ťahu. A deformácia je definovaná ako;

Kde L_0 je počiatočná dĺžka vzorky a Δ_L je predĺženie materiálu po skúške.

Pomocou hodnôt získaných zo skúšky sa získa krivka napätia a deformácie. Táto krivka odhaľuje bod porušenia materiálu, medzu klzu, maximálnu pevnosť v ťahu a stav krehkosti a ťažnosti. Ďalšou výhodou je, že poskytuje informácie bez ohľadu na rozmery materiálu.

Uvedený diagram znázorňuje krivku napätia a deformácie krehkého materiálu.

Pre väčšinu kriviek je počiatočná časť lineárna. Hodnota medze klzu sa získa na krivke, keď sa krivka rovnobežná so sklonom krivky vedie z bodu, kde je predĺženie v krivke napätie-deformácia 0,2%. Pomocou medze klzu môžeme určiť maximálne napätie, ktoré materiál znesie bez trvalého poškodenia. Až do tohto bodu je predmet v pružnej oblasti. Potom sa materiál dostáva do plastickej oblasti, kde sily naň pôsobiace spôsobujú trvalé poškodenie.

Výnosové napätie

Sklon pomyselnej priamky, ktorú sme narysovali na zistenie medze klzu, nám udáva Youngov modul, ktorý je dôležitou vlastnosťou materiálu. Youngov modul sa získa takto:

Nasledujúca rovnica predstavuje Poissonov pomer, ktorý je zápornou hodnotou pomeru vodorovného posunu k zvislému posunu:

Test

Väčšina prierezov vzoriek použitých pri skúške ťahom je znázornená na obrázku. Vzorky môžu byť vytvorené ako plech alebo valec.

V závislosti od rôznych materiálov a úrovní citlivosti merania sa môžu použiť rôzne typy upínania. Každý spôsob viazania má svoje vlastné výhody a nevýhody.

Test kompresie

Skúška stlačením ukazuje, ako sa materiály správajú pri stlačení alebo rozdrvení. Skúška zvyčajne trvá dovtedy, kým sa látka nerozloží alebo kým sa nedosiahne vopred stanovená hranica. Vypočíta sa tak zaťaženie, ktoré materiál vydrží pred roztrhnutím, a rozsah jeho degradácie do tohto bodu. Na testovanie sa materiál často zahrieva alebo ochladzuje a pôsobí naň tlaková sila v mnohých smeroch. Skúšky sa však môžu vykonávať pri rôznych nastaveniach.

Materiály s vysokou pevnosťou v ťahu majú spravidla nízku pevnosť v tlaku. Z tohto dôvodu sa tieto materiály skúmajú skúškou v tlaku. Materiály, na ktorých sa vykonáva najviac skúšok v tlaku, sú vo všeobecnosti krehké materiály, napríklad kompozitné materiály, betón, drevo, kov a tehlové materiály; polyméry, plasty a peny.

Výsledkom tlakovej skúšky je krivka sily a deformácie. Sila sa potom prepočíta na napätie a vytvorí sa krivka napätie-deformácia. Táto krivka je veľmi podobná krivke napätie-deformácia pri skúške ťahom. Len osi sú v smere, ktorý znázorňuje skrátenie.

Napätie v tlaku - % Deformácia v tlaku

Výpočty pri skúške ťahom platia aj pre skúšku tlakom. tlaková sila sa vyjadruje ako;

Drvenie

Drvenie sa používa na vyjadrenie toho, o koľko sa materiál počas testu skrátil.

Vyjadrite zdrvenie.

Opuchy

Napučiavanie je rast prierezu testovaného materiálu. Ťahavé materiály sú náchylnejšie na napučiavanie. Formalizuje sa podľa:

Test

Krehké materiály sú zvyčajne predmetom skúšok v tlaku. Tlakové charakteristiky tuhých pien uvádza norma ISO 844 ako príklad z noriem. V tejto norme sú uvedené hodnoty prierezu a formy, hodnoty teploty a vlhkosti a predpokladané výsledky vzoriek. V kPa sa uvádzajú napätia.

Hodnota pružnosti pri stlačení v norme je takáto:

Tu σ_e je sila na konci konvenčnej pružnej oblasti, h_0 je počiatočná hrúbka materiálu a x_e je dráha, ktorú prekonáva sila generujúca napätie.

Nasleduje niekoľko noriem vyvinutých pre tlakové skúšky:

ASTM D575-91 - Štandardné skúšobné metódy pre vlastnosti gumy v tlaku

ASTM E9-19 - Štandardné skúšobné metódy skúšania kovových materiálov v tlaku pri izbovej teplote

TS EN ISO 14126 - Plastové kompozity vystužené vláknami - Stanovenie tlakových vlastností v rovinnom smere

 

Opis techniky

Vyhodnotenie mechanického správania sa vzorky v podmienkach ťahu a tlaku môže byť vykonané s cieľom poskytnúť základné údaje o vlastnostiach materiálu, ktoré sú rozhodujúce pre návrh súčiastky a posúdenie prevádzkových vlastností. Požiadavky na hodnoty pevnosti v ťahu a tlaku a metódy skúšania týchto vlastností sú špecifikované v rôznych normách pre širokú škálu materiálov. Testovanie sa môže vykonávať na strojovo opracovaných vzorkách materiálu alebo na plnorozmerných alebo zmenšených modeloch skutočných komponentov. Tieto skúšky sa zvyčajne vykonávajú pomocou univerzálneho mechanického skúšobného prístroja.

Ťahová skúška je metóda na určenie správania sa materiálov pri axiálnom zaťažení ťahom. Skúšky sa vykonávajú upevnením vzorky do skúšobného zariadenia a následným pôsobením sily na vzorku oddelením priečnych hlavíc skúšobného stroja. Rýchlosť krížovej hlavy sa môže meniť, aby sa kontrolovala rýchlosť deformácie skúšobnej vzorky. Údaje zo skúšky sa používajú na určenie pevnosti v ťahu, medze klzu a modulu pružnosti. Meranie rozmerov vzorky po skúške poskytuje aj hodnoty redukcie plochy a predĺženia na charakterizovanie ťažnosti materiálu. Ťahové skúšky sa môžu vykonávať na mnohých materiáloch vrátane kovov, plastov, vlákien, lepidiel a gumy. Skúšky sa môžu vykonávať pri teplotách pod teplotou a pri zvýšených teplotách.

Skúška v tlaku je metóda na určenie správania sa materiálov pri zaťažení v tlaku. Skúšky tlakom sa vykonávajú tak, že sa skúšobná vzorka zaťaží medzi dvoma doskami a potom sa na vzorku pôsobí silou pohybom priečnych hrán. Počas skúšky sa vzorka stláča a zaznamenáva sa deformácia v závislosti od pôsobiaceho zaťaženia. Skúška stlačením sa používa na určenie medze pružnosti, medze úmernosti, medze klzu, medze klzu a (v prípade niektorých materiálov) pevnosti v tlaku.

 

Analytické informácie

Pevnosť v tlaku - Pevnosť v tlaku je maximálne tlakové napätie, ktoré je materiál schopný vydržať bez porušenia. Krehké materiály sa počas skúšky lámu a majú určitú hodnotu pevnosti v tlaku. Pevnosť v tlaku tvárnych materiálov sa určuje podľa stupňa ich deformácie počas skúšky.

Limit pružnosti - Medza pružnosti je maximálne napätie, ktoré môže materiál vydržať bez trvalej deformácie po odstránení napätia.

Predĺženie - Predĺženie je veľkosť trvalého predĺženia vzorky, ktorá bola porušená pri skúške ťahom.

Moduly pružnosti - Modul pružnosti je pomer napätia (pod hranicou úmernosti) k deformácii, t. j. sklon krivky napätie-deformácia. Považuje sa za mieru tuhosti alebo pevnosti kovu.

Proporcionálny limit - Medza úmernosti je najväčšia veľkosť napätia, ktorú je materiál schopný dosiahnuť bez toho, aby sa odchýlil od lineárnej závislosti krivky napätia a deformácie, t. j. bez vzniku plastickej deformácie.

Zníženie plochy - Zmenšenie plochy je rozdiel medzi pôvodnou plochou prierezu vzorky v ťahu a najmenšou plochou po zlome po skúške.

Kmeň - Deformácia je zmena veľkosti alebo tvaru materiálu vplyvom sily.

Výnosový bod - Bod klzu je napätie v materiáli (zvyčajne menšie ako maximálne dosiahnuteľné napätie), pri ktorom dochádza k nárastu deformácie bez zvýšenia napätia. Bod klzu majú len niektoré kovy.

Výťažnosť - Medza klzu je napätie, pri ktorom materiál vykazuje určitú odchýlku od lineárneho vzťahu medzi napätím a deformáciou. Pre kovy sa často používa odchýlka 0,2%.

Pevnosť v ťahu - Pevnosť v ťahu alebo UTS je maximálne ťahové napätie, ktoré môže materiál vydržať bez porušenia. Vypočíta sa vydelením maximálneho zaťaženia pôsobiaceho počas ťahovej skúšky pôvodnou plochou prierezu vzorky.

 

Typické aplikácie

Ťah a kompresia vlastnosti surovín na porovnanie so špecifikáciami výrobku

Získanie údajov o vlastnostiach materiálu pre modelovanie metódou konečných prvkov alebo iný návrh výrobku pre požadované mechanické správanie a prevádzkové vlastnosti.

Simulácia mechanických vlastností komponentov v prevádzke

 

Vzorové požiadavky

Štandardné ťahové skúšky kovov a plastov sa vykonávajú na špeciálne pripravených skúšobných vzorkách. Tieto vzorky môžu byť opracované valcové vzorky alebo vzorky z plochých dosiek (psie kosti). Skúšobné vzorky musia mať špecifický pomer dĺžky k šírke alebo priemeru v skúšobnej oblasti (meradle), aby sa dosiahli opakovateľné výsledky a aby boli v súlade so štandardom skúšobná metóda požiadavky. Rúrkové výrobky, vlákna a drôty možno testovať v ťahu v plnej veľkosti pomocou špeciálnych prípravkov, ktoré podporujú optimálne uchopenie a lokalizáciu poruchy.

Najbežnejšou vzorkou používanou na skúšku tlakom je pravý kruhový valec s plochými koncami. Môžu sa použiť aj iné tvary, ktoré si však vyžadujú špeciálne prípravky, aby sa zabránilo ich vybočeniu. Špeciálne konfigurácie na skúšanie komponentov alebo simuláciu prevádzky závisia od konkrétneho skúšobného stroja, ktorý sa má použiť.

Rozdiel medzi zariadením na skúšku ťahom a tlakom

V prípade ťahových skúšok skúšobný stroj pôsobí ťahovým zaťažením alebo silou, ktorá ťahá skúšobné vzorky od seba. V prípade ťahových skúšok plastov sa skúšobná vzorka rozťahuje, aby sa zmerala pevnosť v ťahu a ďalšie vlastnosti vrátane tuhosti a medze klzu. Existuje niekoľko spoločných priemyselných noriem, ktoré poskytujú dohodnuté metódy skúšok plastov v ťahu. Normy ASTM D638 a ISO 527-2 obsahujú podobné, ale odlišné štandardizované geometrie a rozmery skúšobných vzoriek. Tieto skúšky si vyžadujú ťahové úchyty, od ktorých sa očakáva, že uchopia vzorku a prispôsobia sa jej stenčovaniu počas skúšobného procesu. Toto príslušenstvo sa líši od lisovacích prípravkov. 

Pri tlakových skúškach vyvíja skúšobný stroj tlačné alebo tlačné zaťaženie alebo silu, aby sa skúšobná vzorka zmáčkla, až kým sa neroztrhne alebo nezmáčkne. Skúšky stlačenia polymérneho konštrukčného penového materiálu sú pokryté ASTM D1621 v ktorom sa uvádza typ použitých kompresných dosiek a deflektometra. Skúšobná vzorka sa umiestni medzi skúšobné dosky na stlačenie, kým nedôjde k porušeniu alebo prasknutiu bunkovej štruktúry.

Univerzálny skúšobný stroj môže vykonávať skúšky ťahom aj tlakom. Krížová hlava sa môže použiť na ťahanie alebo stláčanie skúšobnej vzorky, ktorá je umiestnená medzi základnou doskou a pohyblivou hlavou.

Prípravky na ťahové skúšky alebo úchytky a snímače ťahu (známe ako extenzometer) nemôžu vykonávať tlakové skúšky. Aj ťahové úchyty sú špeciálne prispôsobené tak, aby pokrývali presnú geometriu a rozmery skúšobnej vzorky. Tlakové skúšobné kliešte a defektometer sú tiež schopné vykonávať len tlakovú skúšku, a preto sú v tomto prípade potrebné obe sady príslušenstva.

 

Ak chcete získať viac informácií o tomto výrobku, neváhajte nás kontaktovať.