Uvod

V inženirstvu so materiali izpostavljeni različnim vrstam obremenitev. Obremenitve, ki so jim lahko izpostavljeni materiali, so natezne, tlačne, upogibne, strižne ali sukalne. Hkrati se te obremenitve lahko razlikujejo statično ali dinamično. Material se lahko upira eni ali več tem obremenitvam hkrati. V tem primeru je treba vedeti, kateri material je treba uporabiti pod katerimi pogoji. Da bi materiale razvrstili v skupine, s preskusi opazujemo njihove reakcije pri določenih obremenitvah in tako razkrijemo mehanske lastnosti materialov.

Preskuse za pridobivanje elastičnih lastnosti lahko razdelimo na statične in dinamične. Da bi bil preskus statičen, mora sila delovati z največjo frekvenco 1 Hz, konstantno in enkratno. V tem primeru je obremenitev konstantna, razmerje raztezanja pa je pri statičnem preskusu manjše od 0,25. Za te vrste obremenitev se uporabljajo dinamični preskusi, saj statični preskusi ne morejo tvoriti ustreznega modela za nenadno spreminjajoče se obremenitve. Pri dinamičnem preskušanju je obremenitev spremenljiva, na vzorec pa deluje sinusna deformacija. Ti preskusi se lahko izvajajo tudi pri visokih ali nizkih temperaturah. Rezultat dinamičnih preskusov so podatki o trdoti in dušenju. Preizkuse utrujanja lahko obravnavamo kot podpodročje dinamičnih preizkusov. Obremenitev se izvaja ciklično. Ti preskusi se izvajajo s cikli natezanje-napetje, stiskanje-stiskanje ali stiskanje-obratno natezanje. Na podlagi utrujenostnega preskusa lahko določimo življenjsko dobo materialov. S preskusom utrujenosti se določita tudi utrujenostna trdnost in odpornost proti razpokam.

 

Test raztezanja

Natezni preskus je eden najpogostejših preskusov v inženirstvu za določanje trdnostnih lastnosti materialov. Z njim določamo mehanske lastnosti izotropnih materialov. Ta preskus v osnovi temelji na delovanju natezne sile na vzorec z nasprotnih strani v isti smeri in spremljanju napetosti na material, dokler se material ne pretrga. Kot rezultat nateznega preskusa lahko dobimo mejo plastičnosti, največjo natezno trdnost, duktilnost, Youngov modul, strižni modul in Poissonovo razmerje materiala.

Krivulje napetosti in deformacij

Krivulje napetosti in deformacij

Nazivna natezna napetost, ki deluje na material med preskušanjem, je naslednja:

Pri čemer je F natezna sila, A_0 pa površina prečnega prereza, ki je pod napetostjo. Deformacija je definirana kot;

Pri čemer je L_0 začetna dolžina vzorca, Δ_L pa je raztezek materiala po preskusu.

Z vrednostmi, pridobljenimi s preskusom, dobimo krivuljo napetosti in deformacije. Ta krivulja pokaže točko preloma, mejo plastičnosti, največjo natezno trdnost in stanje krhkosti in duktilnosti materiala. Še ena prednost je, da daje informacije ne glede na dimenzije materiala.

Zgornji diagram prikazuje krivuljo napetosti in deformacije krhkega materiala.

Za večino krivulj je začetni del linearen. Vrednost meje plastičnosti dobimo na krivulji, ko iz točke, kjer je raztezek na krivulji napetosti in deformacije 0,2%, potegnemo krivuljo, vzporedno z naklonom krivulje. S pomočjo meje plastičnosti lahko določimo največjo obremenitev, ki jo lahko material prenese brez trajnih poškodb. Do te točke je predmet v elastičnem območju. Po tej točki material preide v plastično območje, kjer sile, ki delujejo nanj, povzročijo trajne poškodbe.

Tlačna napetost

Naklon namišljene premice, ki jo potegnemo, da ugotovimo mejo plastičnosti, nam da Youngov modul, ki je pomembna lastnost materiala. Youngov modul dobimo z:

Naslednja enačba predstavlja Poissonovo razmerje, ki je negativno razmerje med vodoravnim in navpičnim pomikom:

Test

Na sliki je prikazana večina prečnih prerezov vzorcev, uporabljenih pri nateznem preskusu. Vzorci so lahko oblikovani kot pločevina ali valj.

Glede na različne materiale in ravni merilne občutljivosti se lahko uporabljajo različne vrste vpenjanja. Vsaka metoda vezave ima svoje prednosti in slabosti.

Preskus stiskanja

Preskus stiskanja pokaže, kako se materiali obnašajo, ko so stisnjeni ali zdrobljeni. Preskus običajno traja, dokler snov ne razpade ali dokler ne doseže vnaprej določene meje. Tako se izračunata obremenitev, ki jo lahko snov prenese, preden se pretrga, in stopnja njene razgradnje do te točke. Za testiranje materiala se ta pogosto segreje ali ohladi in izpostavi več smerem tlačne sile. Vendar pa se lahko preskusi izvajajo pri različnih nastavitvah.

Materiali z visoko natezno trdnostjo imajo običajno nizko tlačno trdnost. Zato se ti materiali preverjajo s tlačno preiskavo. Materiali, na katerih se izvaja največ tlačnih preskusov, so običajno krhki materiali, na primer kompoziti, beton, les, kovina in opečni materiali; polimeri, umetne mase in pene.

Pri tlačnem preskusu dobimo krivuljo sile in deformacije. Sila se nato pretvori v napetost, da se izdela krivulja napetosti in deformacije. Ta krivulja je zelo podobna krivulji napetosti in deformacije pri nateznem preskusu. Le osi so v smeri, ki prikazuje skrajšanje.

Deformacija pri stiskanju - % Deformacija pri stiskanju

Izračuni za natezni preskus veljajo tudi za tlačni preskus. tlačna obremenitev je izražena kot;

Drobljenje

Z drobljenjem izražamo, za koliko se je material med preskusom skrajšal.

Izrazite stiskanje.

Otekanje

Nabrekanje je povečanje prečnega prereza preskušanega materiala. Tukljivi materiali so bolj nagnjeni k nabrekanju. Formalizira se z:

Test

Krhki materiali so običajno predmet tlačnih preskusov. V standardu ISO 844 so kot primer iz standardov navedene značilnosti stiskanja togih pen. V tem standardu so navedene vrednosti in oblike prečnega prereza, vrednosti temperature in vlažnosti ter predvideni rezultati vzorčenja. Napetosti so navedene v kPa.

Vrednost kompresijske elastičnosti v standardu je naslednja:

Pri tem je σ_e sila na koncu običajnega elastičnega območja, h_0 je začetna debelina materiala, x_e pa je pot sile, ki povzroča napetost.

V nadaljevanju je navedenih nekaj standardov, razvitih za tlačne preskuse:

ASTM D575-91 - Standardne preskusne metode za lastnosti gume pri stiskanju

ASTM E9-19 - Standardne preskusne metode za tlačno preizkušanje kovinskih materialov pri sobni temperaturi

TS EN ISO 14126 - Z vlakni ojačani plastični kompoziti - Določanje tlačnih lastnosti v smeri v ravnini

 

Opis tehnike

Z vrednotenjem mehanskega obnašanja vzorca v pogojih raztezanja in stiskanja je mogoče pridobiti osnovne podatke o lastnostih materiala, ki so ključnega pomena za načrtovanje sestavnih delov in oceno učinkovitosti delovanja. Zahteve za vrednosti natezne in tlačne trdnosti ter metode za preskušanje teh lastnosti so določene v različnih standardih za najrazličnejše materiale. Preskus lahko opravimo na strojno obdelanih vzorcih materiala ali na modelih dejanskih sestavnih delov v polni velikosti ali merilu. Ti preskusi se običajno izvajajo z univerzalnim mehanskim preskusnim instrumentom.

Natezni preskus je metoda za ugotavljanje obnašanja materialov pri osni natezni obremenitvi. Preskusi se izvajajo tako, da se vzorec pritrdi v preskuševalno napravo, nato pa se na vzorec deluje s silo z ločitvijo prečnih glav preskuševalnega stroja. Hitrost prečne glave se lahko spreminja, da se nadzoruje hitrost deformacije preskusnega primerka. Podatki iz preskusa se uporabijo za določitev natezne trdnosti, meje plastičnosti in modula elastičnosti. Z merjenjem dimenzij vzorca po preskušanju se pridobijo tudi vrednosti zmanjšanja površine in raztezka, s katerimi se opredeli duktilnost materiala. Natezne preskuse lahko izvajamo na številnih materialih, vključno s kovinami, plastiko, vlakni, lepili in gumami. Preskušanje se lahko izvaja pri subambientalnih in povišanih temperaturah.

Tlačni preskus je metoda za ugotavljanje obnašanja materialov pod tlačno obremenitvijo. Tlačne preskuse izvajamo tako, da preskusni primerek obremenimo med dve plošči, nato pa na primerek delujemo s silo tako, da križnice premikamo skupaj. Med preskusom se vzorec stisne in zabeleži se deformacija glede na uporabljeno obremenitev. S preskusom stiskanja določimo mejo elastičnosti, sorazmerno mejo, mejo plastičnosti, mejo plastičnosti in (pri nekaterih materialih) tlačno trdnost.

 

Analitične informacije

Tlačna trdnost - Tlačna trdnost je največja tlačna obremenitev, ki jo material lahko prenese, ne da bi se zlomil. Krhki materiali se med preskušanjem zlomijo in imajo določeno vrednost tlačne trdnosti. Tlačna trdnost duktilnih materialov je določena s stopnjo njihove deformacije med preskušanjem.

Meja elastičnosti - Elastična meja je največja napetost, ki jo material lahko prenese, ne da bi se po odstranitvi napetosti trajno deformiral.

Raztezek - Raztezek je količina trajnega podaljšanja vzorca, ki je bil zlomljen pri nateznem preskusu.

Moduli elastičnosti - Modul elastičnosti je razmerje med napetostjo (pod sorazmerno mejo) in deformacijo, tj. naklon krivulje napetost-deformacija. Velja za merilo togosti ali togosti kovine.

Proporcionalna omejitev - Proporcionalna meja je največja napetost, ki jo material lahko doseže, ne da bi se oddaljil od linearne odvisnosti krivulje napetost-deformacija, tj. ne da bi prišlo do plastične deformacije.

Zmanjšanje površine - Zmanjšanje površine je razlika med prvotno površino prečnega prereza nateznega vzorca in najmanjšo površino po zlomu po preskusu.

Selekcija - Deformacija je sprememba velikosti ali oblike materiala zaradi sile.

Točka donosa - Točka plastičnosti je napetost v materialu (običajno manjša od največje dosegljive napetosti), pri kateri pride do povečanja deformacije brez povečanja napetosti. Točko plastičnosti imajo le nekatere kovine.

Moč raztezka - Mejnik plastičnosti je napetost, pri kateri material kaže določeno odstopanje od linearnega razmerja med napetostjo in deformacijo. Za kovine se pogosto uporablja odmik 0,2%.

Največja natezna trdnost - Natezna trdnost ali UTS je največja natezna obremenitev, ki jo material lahko prenese, ne da bi se zlomil. Izračunamo jo tako, da delimo največjo obremenitev med nateznim preskusom s prvotno površino prečnega prereza vzorca.

 

Tipične aplikacije

Natezno in tlačno obremenjevanje lastnosti surovin za primerjavo s specifikacijami izdelka.

Pridobiti podatke o lastnostih materiala za modeliranje s končnimi elementi ali drugo načrtovanje izdelka za želeno mehansko obnašanje in zmogljivost pri uporabi.

Simulacija mehanskega delovanja sestavnih delov v uporabi

 

Vzorčne zahteve

Standardni natezni preskusi kovin in plastike se izvajajo na posebej pripravljenih preskusnih vzorcih. Ti vzorci so lahko strojno obdelani valjasti vzorci ali vzorci iz ploščate pločevine (pasja kost). Preskusni vzorci morajo imeti določeno razmerje med dolžino in širino ali premerom v preskusnem območju (merilo), da so rezultati ponovljivi in skladni s standardom preskusna metoda zahteve. Cevaste izdelke, vlakna in žice je mogoče natezno preskusiti v polni velikosti s posebnimi nastavki, ki omogočajo optimalen oprijem in iskanje okvare.

Najpogostejši vzorec, ki se uporablja za tlačno preskušanje, je pravokotni valj z ravnimi konci. Uporabljajo se lahko tudi druge oblike, vendar je treba zanje uporabiti posebne pritrdilne elemente, da se izognemo izbočenju. Posebne konfiguracije za preskušanje sestavnih delov ali simulacije delovanja so odvisne od posebnega preskusnega stroja, ki ga je treba uporabiti.

Razlika med opremo za natezni in tlačni preskus

Pri nateznih preskusih preskusni stroj deluje z natezno obremenitvijo ali silo, ki natezne preskusne vzorce vleče narazen. Pri nateznih preskusih plastike se preskusni vzorec raztrga, da se izmeri natezna trdnost in druge lastnosti, vključno s togostjo in mejo plastičnosti. Obstaja več skupnih industrijskih standardov, ki zagotavljajo dogovorjene metode za natezne preskuse plastike. ASTM D638 in ISO 527-2 imata podobno, vendar različno standardizirano geometrijo in dimenzije preskusnih vzorcev. Za te preskuse so potrebna natezna držala, od katerih se pričakuje, da zgrabijo vzorec in se med preskusom prilagajajo, ko se vzorec tanjša. Ti pripomočki se razlikujejo od pritrdil za stiskanje. 

Pri tlačnih preskusih preskusni stroj deluje s potisno ali tlačno obremenitvijo ali silo, da se preskusni vzorec zmečka, dokler se ne zlomi ali zmečka. Tlačne preskuse polimernega materiala iz strukturne pene pokriva ASTM D1621 ki določa vrsto uporabljenih tlačnih plošč in deflektometra. Preskusni vzorec se namesti med tlačne preskusne plošče, dokler celična struktura ne odpove ali poči.

Univerzalni preskusni stroj lahko opravlja tako natezne kot tlačne preskuse. S prečno glavo lahko vlečete ali stiskate preskusni vzorec, ki se nahaja med osnovno ploščo in gibljivo glavo.

Pripomočki za natezne preskuse ali držala in senzorji napetosti (znani kot ekstenzometer) ne morejo opravljati preskusov stiskanja. Poleg tega so natezna držala posebej prilagojena za pokrivanje natančne geometrije in dimenzij preskusnega primerka. Tudi plošče za tlačni preskus in defektometer lahko izvajajo samo tlačni preskus, zato sta v tem primeru potrebna oba kompleta pribora.

 

Če želite več informacij o tem izdelku, prosimo, da nas kontaktirate.