Za procjenu performansi proizvoda i određivanje fizičkih i mehaničkih karakteristika materijala koriste se razne upute, GOST-ovi i drugi regulatorni i savjetodavni dokumenti. Preporučuju se i metode za ispitivanje uništenja čitavog niza proizvoda ili uzoraka iste vrste materijala. Ovo nije vrlo ekonomična metoda, ali je učinkovita.
Definicija karakteristika
Glavne karakteristike mehaničkih svojstava materijala su sljedeće.
1. Vlačna čvrstoća ili vlačna čvrstoća – ona sila naprezanja koja je fiksirana pri najvećem opterećenju prije uništenja uzorka. Mehaničke karakteristike čvrstoće i plastičnosti materijala opisuju svojstva čvrstih tijela da se odupru nepovratnim promjenama oblika i razaranju pod utjecajem vanjskih opterećenja.
2. Uvjetna granica popuštanja je naprezanje kada zaostala deformacija dosegne 0,2% duljine uzorka. Ovo jenajmanje naprezanje dok se uzorak nastavlja deformirati bez primjetnog povećanja naprezanja.
3. Granica dugotrajne čvrstoće naziva se najvećim naprezanjem, na određenoj temperaturi, koje uzrokuje uništenje uzorka za određeno vrijeme. Određivanje mehaničkih karakteristika materijala usredotočuje se na krajnje jedinice dugotrajne čvrstoće - uništenje se događa na 7.000 stupnjeva Celzija u 100 sati.
4. Uvjetna granica puzanja je naprezanje koje na određenoj temperaturi uzrokuje u uzorku određeno produljenje, kao i brzinu puzanja. Granica je deformacija metala tijekom 100 sati na 7000 stupnjeva Celzija za 0,2%. Puzanje je određena brzina deformacije metala pod stalnim opterećenjem i visokom temperaturom tijekom dugog vremena. Otpornost na toplinu je otpornost materijala na lom i puzanje.
5. Granica zamora je najveća vrijednost ciklusnog naprezanja kada ne dođe do kvara na zamor. Broj ciklusa opterećenja može biti zadan ili proizvoljan, ovisno o tome kako se planira mehaničko ispitivanje materijala. Mehaničke karakteristike uključuju zamor i izdržljivost materijala. Pod djelovanjem opterećenja u ciklusu, oštećenja se nakupljaju, nastaju pukotine, što dovodi do uništenja. Ovo je umor. A svojstvo otpornosti na zamor je izdržljivost.
Razvucite i skupite
Materijali koji se koriste u inženjerstvupraksi su podijeljene u dvije skupine. Prva je plastična, za čije se uništavanje moraju pojaviti značajne zaostale deformacije, druga je krhka, ruši se pri vrlo malim deformacijama. Naravno, takva je podjela vrlo proizvoljna, jer se svaki materijal, ovisno o stvorenim uvjetima, može ponašati i kao krhak i kao duktilan. Ovisi o prirodi stanja naprezanja, temperaturi, brzini deformacije i drugim čimbenicima.
Mehaničke karakteristike materijala pri napetosti i kompresiji rječite su i za duktilne i za krhke. Na primjer, blagi čelik se ispituje na napetost, dok se lijevano željezo ispituje na kompresiju. Lijevano željezo je krhko, čelik je duktilan. Krhki materijali imaju veću tlačnu čvrstoću, dok je vlačna deformacija lošija. Plastika ima približno iste mehaničke karakteristike materijala u kompresiji i napetosti. Međutim, njihov se prag još uvijek određuje istezanjem. Upravo te metode mogu točnije odrediti mehaničke karakteristike materijala. Dijagram napetosti i kompresije prikazan je na ilustracijama za ovaj članak.
Krhkost i plastičnost
Što je plastičnost i krhkost? Prva je sposobnost da se ne sruši, primajući zaostale deformacije u velikim količinama. Ovo svojstvo je odlučujuće za najvažnije tehnološke operacije. Savijanje, izvlačenje, izvlačenje, štancanje i mnoge druge operacije ovise o karakteristikama plastičnosti. Nodljivi materijali uključuju žareni bakar, mjed, aluminij, blagi čelik, zlato i slično. Mnogo manje duktilne broncei dural. Gotovo svi legirani čelici su vrlo slabo duktilni.
Karakteristike čvrstoće plastičnih materijala uspoređuju se s granom tečenja, o čemu će biti riječi u nastavku. Na svojstva lomljivosti i plastičnosti uvelike utječu temperatura i brzina opterećenja. Brza napetost čini materijal krhkim, dok ga spora napetost čini duktilnim. Na primjer, staklo je krhak materijal, ali može izdržati dugotrajno opterećenje ako je temperatura normalna, odnosno pokazuje svojstva plastičnosti. I blagi čelik je duktilan, ali pod udarnim opterećenjem izgleda kao krhki materijal.
Varijacijska metoda
Fizičko-mehaničke karakteristike materijala određuju se pobuđivanjem uzdužnih, savijajućih, torzijskih i drugih, još složenijih vrsta vibracija, a ovisno o veličini uzoraka, oblicima, vrsti prijemnika i uzbudnika, metodama učvršćenja i sheme za primjenu dinamičkih opterećenja. Ovom metodom ispituju se i proizvodi velikih dimenzija, ako se bitno promijeni način primjene u metodama primjene opterećenja, pobuđivanja vibracija i njihovog registriranja. Ista metoda se koristi za određivanje mehaničkih karakteristika materijala kada je potrebno procijeniti krutost konstrukcija velikih dimenzija. Međutim, ova metoda se ne koristi za lokalno određivanje karakteristika materijala u proizvodu. Praktična primjena tehnike moguća je samo kada su poznate geometrijske dimenzije i gustoća, kada je moguće pričvrstiti proizvod na nosače i naproizvod - pretvarači, potrebni su određeni temperaturni uvjeti, itd.
Na primjer, kada se mijenjaju temperaturni režimi, dolazi do jedne ili druge promjene, mehaničke karakteristike materijala postaju različite kada se zagrijavaju. Gotovo sva tijela se pod tim uvjetima šire, što utječe na njihovu strukturu. Svako tijelo ima određene mehaničke karakteristike materijala od kojih se sastoji. Ako se ove karakteristike ne mijenjaju u svim smjerovima i ostaju iste, takvo tijelo nazivamo izotropnim. Ako se fizikalne i mehaničke karakteristike materijala mijenjaju – anizotropno. Potonje je karakteristično za gotovo sve materijale, samo u različitoj mjeri. Ali postoje, na primjer, čelici, gdje je anizotropija vrlo neznatna. Najizraženije je u prirodnim materijalima kao što je drvo. U proizvodnim uvjetima mehaničke karakteristike materijala određuju se kontrolom kvalitete, gdje se koriste različiti GOST-ovi. Procjena heterogenosti dobiva se statističkom obradom kada se rezimiraju rezultati ispitivanja. Uzorci bi trebali biti brojni i izrezani prema određenom dizajnu. Ova metoda dobivanja tehnoloških karakteristika smatra se prilično mukotrpnom.
Akustična metoda
Postoji mnogo akustičkih metoda za određivanje mehaničkih svojstava materijala i njihovih karakteristika, a sve se razlikuju po načinima unosa, prijema i registracije oscilacija u sinusnim i impulsnim modovima. Akustičke metode se koriste u proučavanju, na primjer, građevinskih materijala, njihove debljine i stanja napetosti, tijekom detekcije nedostataka. Mehaničke karakteristike konstrukcijskih materijala također se određuju akustičnim metodama. Već se razvijaju i masovno proizvode brojni različiti elektronički akustični uređaji koji omogućuju bilježenje elastičnih valova, parametara njihovog širenja u sinusoidnom i impulsnom modu. Na njihovoj osnovi određuju se mehaničke karakteristike čvrstoće materijala. Ako se koriste elastične oscilacije niskog intenziteta, ova metoda postaje apsolutno sigurna.
Nedostatak akustičke metode je potreba za akustičnim kontaktom, što nije uvijek moguće. Stoga ovi radovi nisu vrlo produktivni ako je potrebno hitno dobiti mehaničke karakteristike čvrstoće materijala. Na rezultat uvelike utječu stanje površine, geometrijski oblici i dimenzije proizvoda koji se proučava, kao i okruženje u kojem se provode ispitivanja. Da bi se prevladale te poteškoće, određeni problem mora se riješiti strogo definiranom akustičkom metodom ili, naprotiv, treba ih koristiti nekoliko odjednom, ovisno o konkretnoj situaciji. Na primjer, stakloplastike su pogodne za takvu studiju, budući da je brzina širenja elastičnih valova dobra, pa se sondiranje od kraja do kraja naširoko koristi, kada su prijemnik i emiter smješteni na suprotnim površinama uzorka.
Defektoskopija
Defektoskopske metode koriste se za kontrolu kvalitete materijala u raznim industrijama. Postoje nedestruktivne i destruktivne metode. Nedestruktivni uključuju sljedeće.
1. Magnetska detekcija mana koristi se za određivanje površinskih pukotina i nedostatka prodiranja. Područja koja imaju takve nedostatke karakteriziraju zalutala polja. Možete ih otkriti posebnim uređajima ili jednostavno nanijeti sloj magnetskog praha na cijelu površinu. Na mjestima nedostataka, mjesto pudera će se promijeniti čak i kada se nanese.
2. Defektoskopija se također provodi uz pomoć ultrazvuka. Usmjerena zraka će se drugačije reflektirati (raspršiti), čak i ako postoje diskontinuiteti duboko unutar uzorka.
3. Defekti u materijalu dobro se pokazuju radijacijskom metodom istraživanja koja se temelji na razlici u apsorpciji zračenja medijem različite gustoće. Koriste se detekcija gama grešaka i rendgensko snimanje.
4. Kemijska detekcija mana. Ako je površina urezana slabom otopinom dušične kiseline, klorovodične kiseline ili njihovom mješavinom (aqua regia), tada se na mjestima gdje postoje nedostaci pojavljuje mreža u obliku crnih pruga. Možete primijeniti metodu u kojoj se uklanjaju otisci sumpora. Na mjestima gdje je materijal nehomogen, sumpor bi trebao promijeniti boju.
Destruktivne metode
Destruktivne metode su ovdje već djelomično demontirane. Uzorci se ispituju na savijanje, kompresiju, napetost, odnosno koriste se statičke destruktivne metode. Ako proizvodispituju se promjenjivim cikličkim opterećenjima na udarno savijanje - određuju se dinamička svojstva. Makroskopske metode crtaju opću sliku strukture materijala i to u velikim količinama. Za takvu studiju potrebni su posebno polirani uzorci koji se podvrgavaju jetkanju. Dakle, moguće je identificirati oblik i raspored zrna, na primjer, u čeliku, prisutnost kristala s deformacijom, vlakana, školjki, mjehurića, pukotina i drugih nehomogenosti legure.
Mikroskopske metode proučavaju mikrostrukturu i otkrivaju najmanje nedostatke. Uzorci se prethodno bruse, poliraju i potom na isti način jetkaju. Daljnja ispitivanja uključuju korištenje električnih i optičkih mikroskopa te analizu difrakcije rendgenskih zraka. Temelj ove metode je interferencija zraka koje se raspršuju od strane atoma tvari. Karakteristike materijala kontroliraju se analizom uzorka difrakcije rendgenskih zraka. Mehaničke karakteristike materijala određuju njihovu čvrstoću, što je glavna stvar za građevinske konstrukcije koje su pouzdane i sigurne u radu. Stoga se materijal pažljivo i različitim metodama testira u svim uvjetima koje može prihvatiti bez gubitka visoke razine mehaničkih karakteristika.
Kontrolne metode
Za provođenje nerazornog ispitivanja svojstava materijala od velike je važnosti pravi izbor učinkovitih metoda. Najtočnije i najzanimljivije u tom pogledu su metode otkrivanja nedostataka - kontrola nedostataka. Ovdje je potrebno poznavati i razumjeti razlike između metoda za implementaciju metoda detekcije grešaka i metoda za određivanje fizičkemehaničke karakteristike, budući da se međusobno bitno razlikuju. Ako se potonji temelje na kontroli fizičkih parametara i njihovoj naknadnoj korelaciji s mehaničkim karakteristikama materijala, tada se otkrivanje kvara temelji na izravnoj pretvorbi zračenja koje se reflektira od defekta ili prolazi kroz kontrolirani okoliš.
Najbolja stvar je, naravno, složena kontrola. Složenost je u određivanju optimalnih fizikalnih parametara, koji se mogu koristiti za identifikaciju čvrstoće i drugih fizičko-mehaničkih karakteristika uzorka. Istodobno se razvija i potom implementira optimalan skup sredstava za kontrolu strukturnih nedostataka. I, konačno, pojavljuje se cjelovita procjena ovog materijala: njegovu učinkovitost određuje cijeli niz parametara koji su pomogli u određivanju nedestruktivnih metoda.
Mehaničko ispitivanje
Mehanička svojstva materijala testiraju se i ocjenjuju uz pomoć ovih testova. Ova vrsta kontrole pojavila se davno, ali još uvijek nije izgubila na važnosti. Čak su i moderni visokotehnološki materijali često i ozbiljno kritizirani od strane potrošača. A to sugerira da se pregledi trebaju provoditi pažljivije. Kao što je već spomenuto, mehanička ispitivanja mogu se podijeliti u dvije vrste: statička i dinamička. Prvi provjeravaju proizvod ili uzorak na torziju, napetost, kompresiju, savijanje, a drugi na tvrdoću i udarnu čvrstoću. Moderna oprema pomaže kvalitetno izvesti ove ne previše jednostavne postupke i identificirati sve operativne probleme.svojstva ovog materijala.
Testiranje napetosti može otkriti otpornost materijala na učinke primijenjenog konstantnog ili rastućeg vlačnog naprezanja. Metoda je stara, provjerena i razumljiva, koristi se jako dugo i još uvijek se široko koristi. Uzorak se rasteže duž uzdužne osi pomoću učvršćenja u stroju za ispitivanje. Vlačna stopa uzorka je konstantna, opterećenje se mjeri posebnim senzorom. Istodobno se prati produljenje, kao i njegova usklađenost s primijenjenim opterećenjem. Rezultati ovakvih ispitivanja iznimno su korisni ako se žele izraditi novi dizajni, jer još nitko ne zna kako će se ponašati pod opterećenjem. Samo identifikacija svih parametara elastičnosti materijala može sugerirati. Maksimalno naprezanje - granica popuštanja čini definiciju maksimalnog opterećenja koje određeni materijal može podnijeti. To će pomoći izračunati marginu sigurnosti.
Test tvrdoće
Krutost materijala izračunava se iz modula elastičnosti. Kombinacija fluidnosti i tvrdoće pomaže u određivanju elastičnosti materijala. Ako tehnološki proces sadrži takve operacije kao što su provlačenje, valjanje, prešanje, tada je jednostavno potrebno znati veličinu moguće plastične deformacije. Uz visoku plastičnost, materijal će moći poprimiti bilo koji oblik pod odgovarajućim opterećenjem. Test kompresije također može poslužiti kao metoda za određivanje granice sigurnosti. Pogotovo ako je materijal krhak.
Tvrdoća se testira pomoćuIdentator, koji je izrađen od puno tvrđeg materijala. Najčešće se ovaj test provodi prema Brinellovoj metodi (utisnuta je kugla), Vickers (identer u obliku piramide) ili Rockwell (koristi se konus). Identifikator se određenom snagom utiskuje na površinu materijala na određeno vrijeme, a zatim se proučava otisak koji je ostao na uzorku. Postoje i drugi prilično široko korišteni testovi: za udarnu čvrstoću, na primjer, kada se ocjenjuje otpornost materijala u trenutku primjene opterećenja.
