Rozwój inżynierii materiałowej na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat wymusza stałe badanie nowych materiałów. Jak obecnie wykorzystuje się badania wytrzymałościowe materiałów i co można ocenić z ich pomocą?
Materiał materiałowi nierówny – tworzywa sztuczne, stale czy żeliwa, chociaż technicznie należą do jednej kategorii materiałów, to mogą mieć skrajne różne właściwości, także te wytrzymałościowe. Badania wytrzymałościowe materiałów umożliwiają identyfikację parametrów, takich jak twardość czy odporność na rozciąganie. Jak wyglądają takie badania i po co się je przeprowadza?
Jakie parametry mierzy się badaniami wytrzymałościowymi materiałów?
Badania wytrzymałościowe materiałów pozwalają na zmierzenie:
- udarności;
- twardości;
- wytrzymałości na rozciąganie;
- wytrzymałości na zginanie;
- przeprowadzenie próby łamania.
Jak wyglądają poszczególne procedury, przeprowadzane w laboratoriach, takich jak Tenslab? O tym poniżej.
Próba udarności
Udarność jest istotnym parametrem materiałów, które są narażone na nagłe działanie dużych sił – to na przykład przemysłowe młoty lub formy do kucia. W ich przypadku obciążenia nie są rozłożone w czasie i stałe, lecz gwałtowne i bardzo krótkie. Udarność ma też istotne znaczenie dla materiałów, które pracują w niskich temperaturach – w takich warunkach parametry wytrzymałościowe znacznie spadają.
Próba jest przeprowadzana na znormalizowanej próbce, która jest niszczona za pomocą odpowiedniego urządzenia, najczęściej wahadła. Taki pomiar pozwala ocenić, jaka energia była potrzebna do złamania (lub nawet przełamania) próbki. Najczęściej przeprowadza się dwie próby, a więc w temperaturze pokojowej i tej poniżej zera.
Pomiary twardości
Badania wytrzymałościowe materiałów oferują kilka różnych metod pomiarów twardości, które pozwalają na ocenę twardości zarówno na całym przekroju próbki, jak i tylko na jej powierzchni.
Ocena na przekroju raczej nie jest stosowana bezpośrednio dla oceny właściwości materiałów, a dla kontroli poprawności procesów obróbki cieplnej metali (czy materiał zostaje zahartowany na wskroś, czy temperatura została dobrana poprawnie). W przypadku pomiarów powierzchniowych mierzy się faktyczną odporność materiału na działanie przyłożonych sił.
Próba wytrzymałości na rozciąganie
Wytrzymałość na rozciąganie to bardzo istotny parametr materiałów, które posłużą do produkcji elementów przenoszących obciążenia, na przykład przęseł czy wahadeł.
W trakcie badania oceniane jest wydłużenie próbki wraz z siłą potrzebną do osiągnięcia wydłużenia. Przyjmuje się, że wydłużenie do 0,2% początkowej długości to tzw. zakres sprężysty, co oznacza, że materiał wróci do pierwotnego rozmiaru, gdy zniknie obciążenie.
Po przekroczeniu wartości 0,2% mówimy już o odkształceniu plastycznym, które jest nieodwracalne.
Przyjmuje się, że graniczna wytrzymałość próbki to obciążenie, które rozpoczyna tworzenie się przewężenia próbki. Siła potrzebna do dalszego rozciągania próbki gwałtownie maleje, a sama próbka szybko zostaje rozerwana, co prowadzi do jej całkowitego zniszczenia.
Badania wytrzymałościowe materiałów zakładają, że próbie wytrzymałościowej poddaje się raczej tylko stale oraz stopy innych materiałów. W tradycyjnych maszynach ocena wytrzymałości na rozciąganie tworzyw sztucznych jest utrudniona ze względu na bardzo niewielką wartość tego parametru.
Próba wytrzymałości na zginanie
To badania wytrzymałościowe materiałów, które pozwalają ocenić to, jak materiał jest odporny na odkształcenie w wyniku działania zewnętrznych sił. To często stosowany odpowiednik próby wytrzymałości na rozciąganie. Próba wytrzymałości na zginanie jest polecana w przypadku metali nieżelaznych i tworzyw sztucznych.
Próba łamania
To proces, który nie polega na bezpośredniej analizie parametrów wytrzymałościowych, ale analizie sposobu pękania materiału i jego przełomu (to pozwala na bezpośrednią ocenę tego, ile znajduje się w nim wad oraz jak są rozłożone). Taka wiedza pozwala w przyszłości przewidzieć, czy element konstrukcyjny nie jest bliski zniszczeniu.
Badania wytrzymałościowe materiałów to bardzo istotny element inżynierii materiałowej. Pozwalają na szybką i bezpośrednią ocenę parametrów materiałów – zarówno stali, jak i tworzyw sztucznych czy betonów albo metalów nieżelaznych.
