Innledning

I ingeniørfaget utsettes materialer for ulike typer belastninger. Materialene kan utsettes for ulike typer belastning, for eksempel strekk, trykk, bøying, skjæring eller vridning. Samtidig kan disse belastningene variere statisk eller dynamisk. Materialet må kanskje motstå en eller flere av disse belastningene samtidig. I slike tilfeller er det nødvendig å vite hvilket materiale som skal brukes under hvilke forhold. For å kunne gruppere materialene observeres deres reaksjoner under bestemte belastninger ved hjelp av tester, og materialenes mekaniske egenskaper avdekkes på denne måten.

Vi kan dele testene for å finne elastisitetsegenskaper inn i statiske og dynamiske. For at en test skal være statisk, må kraften påføres med en maksimal frekvens på 1 Hz, konstant og kun én gang. I dette tilfellet er spenningen konstant, og forlengelsesforholdet er mindre enn 0,25 i den statiske testen. Dynamiske tester brukes for denne typen belastninger, siden statiske tester ikke kan danne en adekvat modell for plutselig skiftende belastninger. Ved dynamisk testing er belastningen variabel, og prøven påføres en sinusformet deformasjon. Disse testene kan også utføres ved høye eller lave temperaturer. Resultatet av dynamiske tester er informasjon om hardhet og demping. Vi kan se på utmattingstester som en undergren av dynamiske tester. Belastningen påføres syklisk. Disse testene utføres med strekk-trekk-, kompresjon-kompresjon- eller kompresjon-omvendt strekksykluser. Som et resultat av utmattingstesten kan materialenes levetid bestemmes. Utmattingsstyrken og sprekkmotstanden bestemmes også ved hjelp av utmattingstesten.

 

Strekkprøving

Strekkprøving er en av de vanligste testene innen ingeniørfaget for å bestemme materialers styrkeegenskaper. Den brukes til å bestemme de mekaniske egenskapene til isotrope materialer. Denne testen er i utgangspunktet basert på påføring av en strekkraft på prøven fra motsatte sider i samme retning, og overvåking av spenningen på materialet til materialet går i stykker. Resultatet av strekkprøvingen er at man kan finne materialets flytegrense, maksimale strekkfasthet, duktilitet, Youngs modul, skjæremodul og Poissons forhold.

Spenning - tøyningskurver

Spennings- og tøyningskurver

Den nominelle strekkbelastningen som påføres materialet under testingen, er som følger:

Hvor F er strekkraften og A_0 er tverrsnittsarealet under strekk. Og tøyningen er definert som;

Hvor L_0 er den opprinnelige lengden på prøven og Δ_L er forlengelsen av materialet etter testen.

Med verdiene fra testen får man en spenning-tøyningskurve. Denne kurven avslører materialets bruddgrense, flytegrense, maksimale strekkfasthet og sprøhet/duktilitet. En annen fordel er at den gir informasjon uavhengig av materialets dimensjoner.

Diagrammet over viser spenning-tøyningskurven for et sprøtt materiale.

For de fleste kurver er den første delen lineær. Strekkgrenseverdien oppnås på kurven når en kurve parallell med kurvens helning trekkes fra det punktet der forlengelsen i spenning-tøyningskurven er 0,2%. Ved hjelp av flytegrensen kan vi bestemme den maksimale påkjenningen et materiale kan tåle uten permanent skade. Frem til dette punktet befinner gjenstanden seg i det elastiske området. Etter dette går materialet over i det plastiske området, der kreftene som virker på det, forårsaker permanent skade.

Strekkgrense

Helningen på den imaginære linjen vi tegner for å finne flytegrenseverdien, gir oss Youngs modul, som er en viktig materialegenskap. Youngs modul finner vi ved å

Følgende ligning representerer Poissons forholdstall, som er det negative av forholdet mellom horisontal forskyvning og vertikal forskyvning:

Test

Figuren viser de fleste tverrsnitt av prøvene som brukes i strekktesten. Prøvene kan være formet som et ark eller en sylinder.

Ulike innspenningstyper kan brukes avhengig av ulike materialer og målefølsomhetsnivåer. Hver innbindingsmetode har sine egne fordeler og ulemper.

Kompresjonstest

Kompresjonstesten viser hvordan materialer oppfører seg når de trykkes sammen eller knuses. Testen varer vanligvis til stoffet brytes ned eller til en forhåndsbestemt grense. På denne måten beregnes belastningen som materialet tåler før det går i stykker, og omfanget av nedbrytningen frem til dette punktet. For å teste et materiale blir det ofte varmet opp eller avkjølt og utsatt for mange retninger av trykkraft. Testene kan imidlertid utføres under varierende innstillinger.

Materialer med høy strekkfasthet har generelt lav trykkfasthet. Derfor undersøkes disse materialene ved hjelp av kompresjonstesting. De materialene som det utføres flest kompresjonstester på, er vanligvis sprø materialer, for eksempel kompositter, betong, tre, metall og murstein, samt polymerer, plast og skum.

Resultatet av kompresjonstesten er en kraft-tøyningskurve. Kraften konverteres deretter til spenning for å lage en spenning-tøyningskurve. Denne kurven er svært lik spenning-tøyningskurven i strekktesten. Det er bare aksene som er i den retningen som viser forkortelsen.

Kompresjonsspenning - % Kompresjonsdeformasjon

Beregningene i strekkprøven gjelder også for trykktesten. trykkfastheten uttrykkes som;

Knusing

Knusing brukes for å uttrykke hvor mye materialet ble forkortet under testen.

Uttrykk det knusende.

Hevelse

Hevelse er vekst i tverrsnittet av materialet som testes. Duktile materialer er mer utsatt for svelling. Det er formalisert av:

Test

Sprø materialer er vanligvis gjenstand for kompresjonstester. Kompresjonsegenskapene til stivt skum er gitt i ISO 844 som et eksempel fra standardene. I denne standarden er tverrsnittsarealverdier og -former, temperatur- og fuktighetsverdier og forventede prøveresultater oppgitt. Spenningene er oppgitt i kPa.

Verdien for kompresjonselastisitet i standarden er som følger:

Her er σ_e kraften ved enden av det konvensjonelle elastiske området, h_0 er den opprinnelige tykkelsen på materialet, og x_e er den veien kraften som genererer spenningen, tar.

Nedenfor følger noen av standardene som er utviklet for kompresjonstester:

ASTM D575-91 - Standard testmetoder for gummiegenskaper ved kompresjon

ASTM E9-19 - Standard testmetoder for kompresjonstesting av metalliske materialer ved romtemperatur

TS EN ISO 14126 - Fiberforsterkede plastkompositter - Bestemmelse av trykkegenskaper i retning i planet

 

Beskrivelse av teknikken

Evalueringen av den mekaniske oppførselen til en prøve under strekk- og trykkforhold kan utføres for å fremskaffe grunnleggende data om materialegenskaper som er avgjørende for komponentutforming og vurdering av serviceytelse. Kravene til strekk- og trykkfasthet og metodene for testing av disse egenskapene er spesifisert i ulike standarder for en lang rekke materialer. Testingen kan utføres på maskinbearbeidede materialprøver eller på modeller i full størrelse eller skala av faktiske komponenter. Disse testene utføres vanligvis ved hjelp av et universelt mekanisk testinstrument.

En strekkprøving er en metode for å bestemme hvordan materialer oppfører seg under aksial strekkbelastning. Testene utføres ved å feste prøven i testapparatet og deretter påføre prøven en kraft ved å skille testmaskinens krysshoder fra hverandre. Tverrhodets hastighet kan varieres for å kontrollere tøyningshastigheten i prøven. Data fra testen brukes til å bestemme strekkfasthet, flytegrense og elastisitetsmodul. Måling av prøvedimensjonene etter testing gir også arealreduksjon og tøyningsverdier for å karakterisere materialets duktilitet. Strekktester kan utføres på mange materialer, inkludert metaller, plast, fibre, lim og gummi. Testingen kan utføres ved lave og høye temperaturer.

En kompresjonstest er en metode for å bestemme hvordan materialer oppfører seg under trykkbelastning. Kompresjonstester utføres ved å legge prøven mellom to plater, og deretter påføre en kraft på prøven ved å flytte krysshodene sammen. Under testen komprimeres prøven, og deformasjonen registreres i forhold til den påførte belastningen. Kompresjonstesten brukes til å bestemme elastisitetsgrense, proporsjonalgrense, flytegrense, flytegrense og (for noen materialer) trykkfasthet.

 

Analytisk informasjon

Trykkfasthet - Trykkfastheten er den maksimale trykkpåkjenningen et materiale kan motstå uten å sprekke. Sprø materialer sprekker under testing og har en bestemt verdi for trykkfasthet. Trykkfastheten til duktile materialer bestemmes av graden av deformasjon under testing.

Elastisk grense - Elastisitetsgrensen er den maksimale påkjenningen et materiale kan tåle uten permanent deformasjon etter at påkjenningen er fjernet.

Forlengelse - Strekkforlengelse er den permanente forlengelsen av en prøve som har blitt brukket i en strekkprøve.

Moduler av elastisitet - Elastisitetsmodulen er forholdet mellom spenning (under den proporsjonale grensen) og tøyning, dvs. helningen på spenning-tøyningskurven. Det regnes som et mål på stivheten eller stivheten til et metall.

Proporsjonal grense - Den proporsjonale grensen er den største spenningsmengden et materiale kan oppnå uten å avvike fra det lineære forholdet i spenning-tøyningskurven, det vil si uten å utvikle plastisk deformasjon.

Reduksjon i areal - Arealreduksjonen er forskjellen mellom det opprinnelige tverrsnittsarealet til en strekkprøve og det minste arealet ved bruddet etter prøvingen.

Stamme - Tøyning er den endringen i størrelse eller form et materiale gjennomgår på grunn av en kraftpåvirkning.

Utbyttepunkt - Flytegrensen er den spenningen i et materiale (vanligvis mindre enn den maksimalt oppnåelige spenningen) der en økning i tøyning skjer uten at spenningen øker. Bare visse metaller har en flytegrense.

Strekkfasthet - Strekkgrensen er den spenningen der et materiale viser et spesifisert avvik fra et lineært forhold mellom spenning og tøyning. For metaller brukes ofte en forskyvning på 0,2%.

Ultimate strekkfasthet - Strekkfasthet, eller UTS, er den maksimale strekkbelastningen et materiale kan tåle uten brudd. Den beregnes ved å dividere den maksimale belastningen som påføres under strekkprøvingen, med prøvens opprinnelige tverrsnittsareal.

 

Typiske bruksområder

Strekk og kompresjon råmaterialets egenskaper for sammenligning med produktspesifikasjoner

Innhent materialegenskapsdata for finite-element-modellering eller annen produktdesign for ønsket mekanisk oppførsel og serviceytelse

Simulering av komponenters mekaniske ytelse under bruk

 

Eksempel på krav

Standard strekkprøving på metaller og plast utføres på spesialtilpassede prøveemner. Disse prøvene kan være maskinbearbeidede sylindriske prøver eller flate plateprøver (dogbone). Prøvene må ha et spesifikt forhold mellom lengde og bredde eller diameter i testområdet (gage) for å gi repeterbare resultater og være i samsvar med standard testmetode krav. Rørformede produkter, fibre og ledninger kan strekkprøves i full størrelse ved hjelp av spesielle fiksturer som gir optimalt grep og optimal lokalisering av feil.

Den vanligste prøven som brukes til kompresjonstesting, er en rett, sirkulær sylinder med flate ender. Andre former kan også brukes, men da kreves det spesielle fiksturer for å unngå knekking. Spesielle konfigurasjoner for komponenttesting eller servicesimuleringer er avhengig av den spesifikke testmaskinen som skal brukes.

Forskjellen mellom strekkprøve- og kompresjonstestutstyr

Ved strekkprøving utøver testmaskinen en strekkbelastning eller kraft som trekker prøvene fra hverandre. Ved strekktesting av plast trekkes prøven fra hverandre for å måle strekkfasthet og andre egenskaper, inkludert stivhet og flytegrense. Det finnes flere vanlige bransjestandarder som inneholder anerkjente metoder for strekktesting av plast. ASTM D638 og ISO 527-2 har begge lignende, men ulike standardiserte geometrier og dimensjoner for prøvene. Disse testene krever strekkhåndtak som forventes å gripe prøven og justere den etter hvert som den tynnes ut i løpet av testprosessen. Dette tilbehøret er forskjellig fra kompresjonsfiksturer. 

Ved kompresjonstester utøver testmaskinen en trykk- eller kompresjonsbelastning eller -kraft for å presse sammen prøven til den går i stykker. Kompresjonstester av et strukturelt polymerskummateriale dekkes av ASTM D1621 som spesifiserer hvilken type kompresjonsplater og deflektometer som skal brukes. Prøven plasseres mellom kompresjonsplatene til cellestrukturen svikter eller sprekker.

En universaltestmaskin kan utføre enten strekk- eller kompresjonstester, eller begge deler. Tverrhodet kan brukes til å trekke eller komprimere prøven som er plassert mellom bunnplaten og det bevegelige hodet.

Strekktestfiksturer, eller grep, og tøyningssensorer (kjent som ekstensometre) kan ikke utføre kompresjonstester. Strekkhåndtakene er også spesialtilpasset for å dekke den nøyaktige geometrien og dimensjonene til prøven. Kompresjonstestplatene og deflektometeret kan også bare utføre kompresjonstester, og i dette tilfellet er det derfor behov for begge sett med tilbehør.

 

Hvis du ønsker mer informasjon om dette produktet, er du velkommen til å kontakte oss.