Test zginania

Testy zginania są przeprowadzane w celu uzyskania informacji dotyczących wytrzymałości na zginanie materiałów przeznaczonych do użytku przemysłowego lub do badań i rozwoju. W tym celu wykorzystywane są różne uchwyty kontrolne.

Test zginania (statyczna próba rozciągania) to metoda testowania materiałów pod kątem ich wytrzymałości na zginanie i innych ważnych właściwości. Niszczące testy materiałowe są stosowane w przypadku tworzyw sztucznych, tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami (FRP), metali i materiałów ceramicznych. Testy zginania mają podobną sekwencję etapów. W zależności od liczby punktów nacisku i podparcia próbki testowej rozróżnia się następujące:

• 1-punktowy test zginania
• 3-punktowy test zginania
• 4-punktowy test zginania

W próbach zginania znormalizowane, głównie cylindryczne próbki są umieszczane w środku uchwytu kontrolnego. Zaokrąglone rolki nośne (łożyska) są ułożone równolegle do siebie w pewnej odległości (szerokość podparcia). Średnica próbki cylindrycznej jest proporcjonalna do szerokości podparcia łożysk. Stempel testowy, który porusza się w dół powoli i ze stałą prędkością, obciąża próbkę z rosnącą siłą, aż do jej pęknięcia lub osiągnięcia wcześniej określonej deformacji. Maksymalne obciążenie wywierane podczas testu zginania nazywane jest siłą rozrywającą.

Podczas testu rejestrowane są wartości siły zginającej i ugięcia. Następnie określane są właściwości materiałowe. Cała sekwencja testu jest pokazywana na krzywej naprężenie-odkształcenie i może być również rejestrowana za pomocą kamery wideo. Testy zginania są wykonywane w celu uzyskania informacji o zachowaniu badanego materiału podczas zginania na podstawie jednoosiowego naprężenia zginającego. W ten sposób określana jest wytrzymałość na zginanie w przypadku kruchych materiałów. Dla materiałów ciągliwych określana jest granica plastyczności, największy możliwy kąt zgięcia oraz moduł Younga w przypadku deformacji sprężystej.

Podczas testów materiałowych wykonywanych za pomocą próby zginania nowoczesne optyczne systemy pomiarowe z kamerami o wysokiej rozdzielczości dostarczają precyzyjne obrazy badanej próbki. Do wykonania dokumentacji płaskich próbek zwykle wystarczają urządzenia z pojedynczą kamerą. Bardziej złożone geometrie próbek mogą być dokładnie mierzone przy użyciu dwóch kamer. Tester materiału najpierw aplikuje deseń stochastyczny na próbkę lub wykorzystuje istniejącą strukturę powierzchni. Optyczne systemy pomiarowe wykorzystują algorytmy korelacji obrazu: Na obrazach o wysokiej rozdzielczości rozpoznają deformację wywołaną próbą zginania, a następnie obliczają odchyłki za pomocą współrzędnych pikseli z wzoru kropek.

Jeśli naprężenie zginające w próbce wykonanej z materiału ciągliwego jest niższe niż naprężenie graniczne deformacji plastycznej, naprężenie zginające jest wyłącznie sprężyste. Wraz ze wzrostem naprężenia zginającego granica plastyczności (naprężenie krytyczne) jest przekraczana najpierw w obwodowych obszarach próbki. Obszary te następnie deformują się plastycznie (tzw. przepływ materiału). Graniczna granica plastyczności to graniczne naprężenie zginające, do którego łatwo deformowane materiały mogą być obciążane przez zginanie bez trwałej deformacji w obszarze brzegowym.

Moment wystąpienia tego rodzaju deformacji można określić bezpośrednio na podstawie stempla testowego: ugięcie jest mierzone w odniesieniu do przyłożonej siły. Wyznaczone wartości są przedstawione na wykresie ugięcie-siła. Wraz ze stałym wzrostem ugięcia coraz więcej wewnętrznych obszarów próbki jest obejmowanych deformacją plastyczną. Jest to wynikiem wzrostu naprężenia. W przypadku np. stali moment uplastycznienia jest od 10 do 20% wyższy niż granica plastyczności ze względu na liniowy wzrost naprężenia. Jeśli granica plastyczności zostanie przekroczona we włóknach krawędziowych podczas testu zginania, wewnętrzne i wyłącznie elastycznie naprężone włókna utrudniają ruch przepływu.

Testy zginania materiałów ciągliwych różnią się od testów zginania materiałów kruchych: twarde materiały mogą być poddawane ekstremalnym deformacjom plastycznym, ale nie można ich złamać, bez względu na to, jak duża jest przyłożona siła. W najgorszym przypadku próbka zostanie wciągnięta pomiędzy łożyska. Dlatego też test zginania próbki ciągliwej kończy się po przekroczeniu granicy plastyczności. Wytrzymałość na zginanie materiałów ciągliwych jest określana przez punkt w czasie, w którym następuje deformacja plastyczna.

Próbki wykonane z kruchych materiałów wykazują inne zachowanie przy zginaniu podczas testów materiałowych. Łamią się bez wyraźnie widocznego przepływu materiału. Dlatego też określenie granicznej granicy plastyczności jest bardziej skomplikowane w przypadku materiałów kruchych. Aby jednak móc określić wytrzymałość na zginanie, określa się maksymalne naprężenie zginające, przy którym próbka pęka. Jednak wytrzymałość na zginanie jest wartością fikcyjną, która nie jest identyczna z naprężeniem zginającym faktycznie występującym w materiale. Inną cechą charakterystyczną testów zginania materiałów kruchych jest ugięcie przy złamaniu. Ten termin techniczny opisuje największe możliwe ugięcie próbki na krótko przed pęknięciem.

Ugięcie przy pęknięciu zależy od szerokości podpory: większe odległości między łożyskami pozwalają na większe ugięcia. W celu sprawdzenia wytrzymałości kruchych materiałów test zginania jest często bardziej odpowiedni niż statyczna próba rozciągania, ponieważ materiały są poddawane tylko naprężeniom zginającym. Gdyby próbka ta została poddana statycznej próbie rozciągania, pękłaby przedwcześnie i wystąpiłyby problemy z pomiarem. W przypadku niektórych kruchych materiałów statyczna próba rozciągania jest zastępowana testem zginania. Zgodnie z normą DIN EN ISO 178 te krytyczne materiały obejmują termoutwardzalne arkusze i materiały do formowania, termoplastyczne mieszanki do formowania wtryskowego i tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami.

Podczas badania materiałów za pomocą prób zginania rozróżnia się 1-, 3- i 4-punktowy test zginania, w zależności od liczby punktów nacisku i rodzaju podparcia próbki.

Testy zginania wykonywane są przy użyciu standardowych próbek i trzech lub czterech punktów nacisku (3-punktowy, 4-punktowy test zginania). Powodują one zniszczenie próbki lub jej deformację plastyczną (tylko w przypadku materiałów ciągliwych). Najnowsza technologia metrologii optycznej zapewnia znacznie dokładniejsze wyniki niż konwencjonalne procedury pomiarowe.