Inledning

Inom ingenjörsvetenskapen utsätts material för olika typer av belastningar. De belastningar som material kan utsättas för kan listas som drag, tryck, böjning, skjuvning eller vridning. Samtidigt kan dessa belastningar skilja sig åt statiskt eller dynamiskt. Materialet kan behöva motstå en eller flera av dessa belastningar samtidigt. I detta fall är det nödvändigt att veta vilket material som ska användas under vilka förhållanden. För att gruppera material observeras deras reaktioner under vissa belastningar med hjälp av tester, och materialens mekaniska egenskaper avslöjas på så sätt.

Vi kan dela in testerna för att erhålla elasticitetsegenskaper i statiska och dynamiska. För att ett test ska vara statiskt måste kraften appliceras med en maximal frekvens på 1 Hz, vid en konstant och endast en gång. I detta fall är spänningen konstant och töjningskvoten är mindre än 0,25 i det statiska testet. Dynamiska tester används för dessa typer av belastningar eftersom statiska tester inte kan utgöra en adekvat modell för plötsligt föränderliga belastningar. Vid dynamisk provning är belastningen variabel och provet utsätts för en sinusformad deformation. Dessa tester kan också utföras vid höga eller låga temperaturer. Som ett resultat av dynamiska tester erhålls information om hårdhet och dämpning. Vi kan betrakta utmattningsprov som en undergren till dynamiska prov. Belastningen appliceras cykliskt. Dessa tester utförs med drag-drag-, kompression-kompression- eller kompression-omvända dragcykler. Som ett resultat av utmattningstestet kan materialens livslängd bestämmas. Utmattningshållfasthet och sprickmotstånd bestäms också med utmattningstestet.

 

Dragprov

Dragprovning är ett av de vanligaste testerna inom ingenjörsvetenskapen för att bestämma materialens hållfasthetsegenskaper. Det görs för att bestämma de mekaniska egenskaperna hos isotropiska material. Detta test baseras i princip på appliceringen av en dragkraft på provet från motsatta ytor i samma riktning och övervakning av spänningen på materialet tills materialet går sönder. Som ett resultat av dragprovet kan man få fram materialets sträckgräns, maximala draghållfasthet, duktilitet, Youngs modul, skjuvmodul och Poissons tal.

Kurvor för spänning - töjning

Spännings- och töjningskurvor

Den nominella dragspänning som materialet utsätts för under provningen är följande:

Där F är dragkraften och A_0 är tvärsnittsarean under spänning. Och töjningen definieras som;

Där L_0 är den ursprungliga längden på provföremålet och Δ_L är materialets töjning efter provningen.

Med de värden som erhålls från testet erhålls spännings-töjningskurvan. Denna kurva avslöjar materialets brottgräns, sträckgräns, maximala draghållfasthet och brittleness-ductilitetsförhållande. En annan fördel är att den ger information oberoende av materialets dimensioner.

Diagrammet ovan visar spännings-töjningskurvan för ett sprött material.

För de flesta kurvor är den inledande delen linjär. Värdet för sträckgränsen erhålls på kurvan när en kurva parallell med kurvans lutning dras från den punkt där töjningen i spännings-töjningskurvan är 0,2%. Med hjälp av sträckgränsen kan vi bestämma den maximala påkänning som ett material tål utan att skadas permanent. Fram till denna punkt befinner sig objektet i det elastiska området. Därefter övergår materialet till det plastiska området, där de krafter som materialet utsätts för orsakar permanenta skador.

Sträckgräns

Lutningen på den imaginära linje som vi drar för att hitta sträckgränsen ger oss Youngs modul, som är en viktig materialegenskap. Youngs modul erhålls genom att:

Följande ekvation representerar Poissons tal, som är det negativa värdet av förhållandet mellan horisontell förskjutning och vertikal förskjutning:

Test

De flesta tvärsnittsvyerna av de provkroppar som används i dragprovet visas i figuren. Proverna kan formas som ett ark eller en cylinder.

Olika typer av fastspänning kan användas beroende på olika material och mätkänslighetsnivåer. Varje bindningsmetod har sina egna för- och nackdelar.

Kompressionstest

Kompressionstestet visar hur material beter sig när de trycks ihop eller krossas. Testet varar vanligtvis tills ämnet bryts ned eller till en förutbestämd gräns. På så sätt beräknas den belastning som materialet klarar innan det går sönder och hur mycket det har försämrats fram till denna punkt. För att testa ett material värms eller kyls det ofta och utsätts för tryckkrafter i många riktningar. Tester kan dock utföras under varierande förhållanden.

Material med hög draghållfasthet har i allmänhet låg tryckhållfasthet. Av denna anledning undersöks dessa material genom kompressionsprovning. De material som det utförs flest tryckprov på är i allmänhet spröda material, t.ex. kompositer, betong, trä, metall och tegel, polymerer, plast och skum.

En kraft-töjningskurva erhålls som ett resultat av kompressionstestet. Kraften omvandlas sedan till spänning för att skapa en spännings-töjningskurva. Denna kurva är mycket lik spännings-töjningskurvan i dragprovet. Det är bara axlarna som är i den riktning som visar förkortningen.

Kompressionsspänning - % Kompressionsdeformation

Beräkningarna i dragprovet gäller även för tryckprovet. tryckhållfastheten uttrycks som;

Krossning

Krossning används för att uttrycka hur mycket materialet förkortades under testet.

Uttryck den krossande.

Svullnad

Svullnad är en ökning av tvärsnittet hos det material som testas. Duktila material är mer benägna att svälla. Det formaliseras av:

Test

Sköra material är typiskt föremål för kompressionstester. Kompressionsegenskaperna hos styva skum ges av ISO 844 som ett exempel från standarderna. I denna standard anges värden och former för tvärsnittsarea, temperatur- och fuktighetsvärden samt förväntade provningsresultat. Spänningarna anges i kPa.

Värdet för kompressionselasticitet i standarden är enligt följande:

Här är σ_e kraften vid slutet av den konventionella elastiska regionen, h_0 är materialets initiala tjocklek och x_e är den väg som tas av kraften som genererar spänningen.

Nedan följer några av de standarder som utvecklats för kompressionstester:

ASTM D575-91 - Standard testmetoder för gummiegenskaper vid kompression

ASTM E9-19 - Standard testmetoder för kompressionsprovning av metalliska material vid rumstemperatur

TS EN ISO 14126 - Fiberförstärkta plastkompositer - Bestämning av kompressionsegenskaper i riktning i planet

 

Beskrivning av tekniken

Utvärderingen av det mekaniska beteendet hos ett prov under drag- och tryckförhållanden kan utföras för att tillhandahålla grundläggande materialegenskapsdata som är avgörande för komponentkonstruktion och bedömning av serviceprestanda. Kraven på drag- och tryckhållfasthetsvärden och metoderna för provning av dessa egenskaper anges i olika standarder för en mängd olika material. Provningen kan utföras på bearbetade materialprover eller på modeller i full storlek eller skala av faktiska komponenter. Dessa tester utförs vanligtvis med hjälp av ett universellt mekaniskt testinstrument.

Ett dragprov är en metod för att bestämma beteendet hos material under axiell dragbelastning. Provningen utförs genom att provkroppen fixeras i provningsapparaten och sedan utsätts för en kraft genom att provningsmaskinens krysshuvuden separeras. Korshuvudets hastighet kan varieras för att kontrollera töjningshastigheten i provkroppen. Data från provningen används för att bestämma draghållfasthet, sträckgräns och elasticitetsmodul. Mätning av provkroppens dimensioner efter provningen ger också värden för areareduktion och töjning för att karakterisera materialets duktilitet. Dragprov kan utföras på många olika material, t.ex. metaller, plaster, fibrer, lim och gummi. Provningen kan utföras vid lägre och högre temperaturer.

Ett kompressionstest är en metod för att bestämma hur material beter sig under tryckbelastning. Kompressionsprov utförs genom att provkroppen läggs mellan två plattor och sedan utsätts för en kraft genom att tvärhuvudena förs samman. Under provningen komprimeras provkroppen och deformationen mot den pålagda lasten registreras. Tryckprovet används för att bestämma elasticitetsgräns, proportionalitetsgräns, sträckgräns, sträckgräns och (för vissa material) tryckhållfasthet.

 

Analytisk information

Tryckhållfasthet - Tryckhållfastheten är den maximala tryckspänning som ett material kan motstå utan att spricka. Sköra material går sönder under provningen och har ett bestämt tryckhållfasthetsvärde. Tryckhållfastheten hos duktila material bestäms av deras grad av distorsion under provningen.

Elastisk gräns - Elasticitetsgränsen är den maximala spänning som ett material kan motstå utan permanent deformation efter att spänningen har avlägsnats.

Töjning - Töjning är den permanenta förlängningen av en provkropp som har brutits i ett dragprov.

Moduler för elasticitet - Elasticitetsmodulen är förhållandet mellan spänning (under den proportionella gränsen) och töjning, dvs. lutningen på spännings-töjningskurvan. Den anses vara ett mått på en metalls styvhet eller styvhet.

Proportionell gräns - Proportionalitetsgränsen är den största påfrestning som ett material kan utsättas för utan att avvika från det linjära förhållandet i spännings-töjningskurvan, dvs. utan att utveckla plastisk deformation.

Minskning av area - Arealminskningen är skillnaden mellan den ursprungliga tvärsnittsarean hos en dragprovkropp och den minsta arean vid brott efter provningen.

Stam - Töjning är den förändring i storlek eller form som ett material utsätts för på grund av kraft.

Avkastningspunkt - Flytgränsen är den spänning i ett material (vanligtvis mindre än den maximalt uppnåeliga spänningen) vid vilken en ökning av töjningen sker utan en ökning av spänningen. Endast vissa metaller har en sträckgräns.

Utbyteshållfasthet - Sträckgränsen är den spänning vid vilken ett material uppvisar en specificerad avvikelse från ett linjärt spännings-töjningsförhållande. En offset på 0,2% används ofta för metaller.

Slutlig draghållfasthet - Ultimate tensile strength, eller UTS, är den maximala dragspänning som ett material kan utstå utan att spricka. Den beräknas genom att dividera den maximala belastning som appliceras under dragprovet med provets ursprungliga tvärsnittsarea.

 

Typiska tillämpningar

Drag- och tryckhållfasthet råmaterialets egenskaper för jämförelse med produktspecifikationer

Skaffa materialegenskapsdata för finita elementmodellering eller annan produktdesign för önskat mekaniskt beteende och serviceprestanda

Simulering av komponentens mekaniska prestanda under drift

 

Exempel på krav

Standarddragprov på metaller och plaster utförs på speciellt förberedda provkroppar. Dessa provkroppar kan vara maskinbearbetade cylindriska prover eller platta plattor (dogbone). Provkropparna måste ha ett specifikt förhållande mellan längd och bredd eller diameter i provområdet (gage) för att ge repeterbara resultat och överensstämma med standard Testmetod krav. Rörformade produkter, fibrer och trådar kan dragprovas i full storlek med hjälp av specialfixturer som ger optimal grepp- och brottlokalisering.

Den vanligaste provkroppen för tryckprovning är en rätvinklig cylinder med plana ändar. Andra former kan användas, men de kräver speciella fixturer för att undvika buckling. Speciella konfigurationer för komponentprovning eller simulering av service är beroende av den specifika testmaskin som ska användas.

Skillnaden mellan dragprovnings- och tryckprovningsutrustning

Vid dragprovning utövar provningsmaskinen en dragbelastning eller kraft som drar isär dragproverna. Vid dragprovning av plast dras provet isär för att mäta draghållfasthet och andra egenskaper, t.ex. styvhet och sträckgräns. Det finns flera gemensamma industristandarder som tillhandahåller överenskomna metoder för dragprovning av plast. ASTM D638 och ISO 527-2 har båda liknande men olika standardiserade geometrier och dimensioner för testprover. Dessa tester kräver draghandtag som förväntas greppa provet och justeras när det tunnas ut under testprocessen. Dessa tillbehör skiljer sig från kompressionsfixturer. 

Vid kompressionstest utövar testmaskinen en tryckande eller komprimerande belastning eller kraft för att pressa ihop testprovet tills det går sönder eller pressas ihop. Kompressionsprovning av ett polymert strukturellt skummaterial omfattas av ASTM D1621 som anger vilken typ av kompressionsplattor och deflektometer som används. Provexemplaret placeras mellan kompressionsplattor tills cellstrukturen sviktar eller brister.

En universaltestmaskin kan utföra antingen eller både drag- och tryckprov. Tvärhuvudet kan användas för att dra eller trycka ihop provkroppen som är placerad mellan basplattan och det rörliga huvudet.

Dragprovningsfixturerna, eller greppen, och töjningssensorerna (så kallade extensometrar) kan inte utföra kompressionstester. Även draghållarna är specialanpassade för att täcka provkroppens exakta geometri och dimensioner. Tryckprovplattorna och deflektometern kan också bara utföra ett tryckprov, och därför behövs båda tillbehören i det här fallet.

 

Om du vill ha mer information om denna produkt, är du välkommen att kontakta oss.