Badania mechaniczne – przewodnik

Badania mechaniczne to kluczowy element kontroli jakości materiałów i wyrobów w wielu gałęziach przemysłu. Pozwalają one określić właściwości wytrzymałościowe, takie jak granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga, E) oraz określić podatność na odkształceń plastyczne pod wpływem siły gnącej, a także uzyskać informacje o twardości czy pracy łamania. W tym artykule specjalista wymienia najważniejsze rodzaje badań mechanicznych ze szczególnym uwzględnieniem najczęściej wykonywanych badań niszczących, wyjaśni ich znaczenie oraz przedstawi praktyczne wskazówki dotyczące ich przeprowadzania.

Czym są badania mechaniczne?

Badania mechaniczne to szeroka grupa metod służących do wyznaczania właściwości mechanicznych materiałów (metali i ich stopów, materiałów kompozytowych, tworzyw sztucznych oraz ceramiki), takich jak: moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga, E), górna granica plastyczności, dolna granica plastyczności, umowna granica plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie. Polegają one na poddawaniu próbek materiału różnego rodzaju obciążeniom statycznym lub dynamicznym i pomiarze: sił, naprężeń, przemieszczeń, odkształceń lub energii.

Celem badań mechanicznych jest uzyskanie ilościowych charakterystyk materiału, które pozwalają przewidzieć jego zachowanie w warunkach eksploatacji oraz dobrać odpowiednie parametry procesu produkcyjnego. Wyniki tych badań są kluczowe dla zapewnienia niezawodności i bezpieczeństwa konstrukcji, maszyn i urządzeń.

Badania mechaniczne wykorzystuje się szeroko m.in. przy: kwalifikowaniu technologii spawania, zgrzewania, lutowania, egzaminowaniu spawaczy, lutowaczy lub operatorów, klasyfikacji lub reklasyfikacji materiałów oraz na potrzeby przygotowania opinii technicznych lub prac naukowych.

Rodzaje badań niszczących

Badania niszczące (DT – Destructive Testing) obejmują szereg metod, które różnią się mierzonymi parametrami, sposobem oddziaływania na materiał oraz kształtem i wymiarami próbek. Do najważniejszych z nich należą:

Statyczna próba rozciągania

Jest to podstawowe badanie wytrzymałościowe, polegające na rozciąganiu próbki z określoną szybkością, najczęściej aż do jej zerwania. W trakcie próby rejestruje się zależność siły od wydłużenia lub naprężenia od odkształcenia i na jej podstawie wyznacza się takie parametry jak np.: moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga, E), górna granica plastyczności, dolna granica plastyczności, umowna granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie procentowe przy maksymalnej sile, przewężenie procentowe przekroju, wydłużenie procentowe po rozerwaniu.

Próba rozciągania dostarcza kluczowych informacji o zachowaniu materiału pod obciążeniem – pozwala ocenić jego podatność na odkształcenia sprężyste i plastyczne, skłonność do umocnienia czy kruchość. Jest szeroko stosowana do badania metali i ich stopów, tworzyw sztucznych, materiałów kompozytowych lub materiałów biologicznych.

Próbki do badań mają znormalizowane kształty i wymiary, zależne od rodzaju materiału. Najczęściej stosuje się próbki okrągłe (o średnicy 4-10 mm) lub płaskie (o przekroju prostokątnym). Bardzo ważne jest staranne przygotowanie próbek, z zachowaniem tolerancji wymiarowych i jakości powierzchni, gdyż ma to bezpośredni wpływ na wyniki pomiaru.

Próba zginania

Próba zginania polega na poddaniu próbki odkształceniu plastycznemu przez zginanie (bez zmiany kierunku obciążenia), aż do uzyskania określonego kąta gięcia. W trakcie zginania osie obu ramion próbki znajdują się w płaszczyźnie prostopadłej do osi zginania.

Próba zginania najczęściej przeprowadzana jest na urządzeniach do zginania z podporami (zginanie 3-punktowe lub 4-punktowe), urządzeniach do zginania w kształcie litery V oraz do zginania w zacisku. Dlatego wyróżnia się kilka metod przeprowadzenia próby zginania m.in.:

• do osiągnięcia określonego kąta zgięcia pod obciążeniem w podanych warunkach (np. 180°C dla złączy spawanych),
• do styku ramion próbki do badań pod obciążeniem,
• do równoległości ramion próbki do badań oddalonych od siebie o określoną odległość pod obciążeniem,
• do uzyskania odpowiedniej wartości odkształcenia zginającego lub złamania próbki.

W przypadku próby zginania metali jako miarę podatności ustala się obecność pęknięć na próbce po badaniu, natomiast próba zginania złączy spawanych polega na ocenie podatności złącza na odkształcenia plastyczne i obecności nieciągłości spawalniczych na złączu.

Próba udarności

Próba udarności służy do oceny odporności materiału na pękanie w warunkach obciążeń dynamicznych (udarowych) i określenia pracy łamania [J] lub udarności [J/cm^2]. Badanie polega na uderzeniu bijakiem młota wahadłowego w znormalizowaną próbkę z karbem i pomiarze energii zużytej na jej złamanie. Najczęściej stosowaną metodą jest próba Charpy’ego, którą przeprowadza się w głównie w temperaturze pokojowej, obniżonej do -60°C lub w temperaturze ciekłego azotu.

Udarność jest ważnym parametrem dla materiałów pracujących w warunkach obciążeń udarowych, np. elementów maszyn, narzędzi czy konstrukcji narażonych na uderzenia. Pozwala ona ocenić kruchość materiału i jego skłonność do pękania w niskich temperaturach (zjawisko przejścia plastyczno-kruchego).

Na udarność materiału wpływa wiele czynników, m.in. jego struktura, skład chemiczny, obróbka cieplna, temperatura badania czy kształt i wymiary próbki oraz karbu. Dlatego próbę udarności przeprowadza się według ściśle określonych procedur, na znormalizowanych próbkach i w kontrolowanych warunkach.

Jako wieloletni specjalista ds. badań wytrzymałościowych, zawsze podkreślam kluczową rolę właściwego przygotowania próbek do badań niszczących. To od ich jakości i zgodności z normami w dużej mierze zależy wiarygodność uzyskanych wyników. Dlatego tak ważna jest ścisła współpraca między konstruktorami, technologami i specjalistami od badań materiałowych na każdym etapie procesu rozwoju produktu. – mgr inż. Karolina Jurkowska, Kierownik ds. Jakości w laboratoriach TENSLAB

Pomiary twardości

Twardość jest miarą oporu materiału na odkształcenie trwałe pod wpływem siły skupionej. Twardość jest związana z odpornością na zarysowanie czy wgniecenie. Pomiary twardości należą do podstawowych badań niszczących, gdyż polegają na wciśnięciu wgłębnika w postaci np.: kulki, stożka, ostrosłupa w powierzchnię materiału i pomiarze wartości długości związanych z geometrią wgłębienia.

Istnieje wiele metod pomiaru twardości, różniących się kształtem wgłębnika, wartością obciążenia i sposobem wyrażania wyników. Do najpopularniejszych należą: metoda Brinella, Rockwella, Vickersa, Knoopa czy Shore’a. Wybór odpowiedniej metody zależy od rodzaju materiału, jego grubości, przekroju oraz wymagań norm i przepisów.

Twardość jest ważnym wskaźnikiem właściwości mechanicznych materiałów, powiązanym z ich wytrzymałością, podatnością na odkształcenie czy odpornością na zużycie. Jej pomiar jest szeroko stosowany w kontroli jakości, odbiorze materiałów, ocenie skuteczności obróbki cieplnej czy cieplno-chemicznej.

Badania zmęczeniowe

Zmęczenie materiału to proces stopniowej degradacji i pękania pod wpływem powtarzalnych obciążeń, o wartościach niższych niż statyczna wytrzymałość materiału. Jest to jedno z głównych źródeł uszkodzeń elementów maszyn i konstrukcji, odpowiedzialne za ok. 80% awarii.

Badania zmęczeniowe polegają na cyklicznym obciążaniu próbki siłami o stałej lub zmiennej amplitudzie, aż do jej zniszczenia. Rejestruje się liczbę cykli do zniszczenia w funkcji poziomu naprężeń, co pozwala wyznaczyć krzywą zmęczeniową (Wöhlera) i określić wytrzymałość zmęczeniową materiału.

Badania te są niezbędne dla materiałów pracujących w warunkach obciążeń cyklicznych, np. elementów pojazdów, maszyn wirnikowych, konstrukcji mostowych czy lotniczych. Pozwalają one przewidzieć trwałość zmęczeniową elementów, wyznaczyć dopuszczalne poziomy naprężeń czy wykryć koncentratory naprężeń.

Znaczenie badań mechanicznych

Badania niszczące odgrywają kluczową rolę w procesie projektowania, wytwarzania i eksploatacji wyrobów w wielu gałęziach przemysłu. Dostarczają one niezbędnych danych o właściwościach mechanicznych materiałów, pozwalając na:

• dobór optymalnych materiałów do zastosowań konstrukcyjnych, z uwzględnieniem wymaganych właściwości wytrzymałościowych, plastycznych, odporności na pękanie czy zużycie,
• weryfikację jakości materiałów i wyrobów, poprzez porównanie uzyskanych wyników z wymaganiami norm, specyfikacji czy założeń projektowych,
• optymalizację procesów produkcyjnych (np. obróbki plastycznej, cieplnej, spawania) pod kątem uzyskania pożądanych właściwości mechanicznych wyrobu finalnego,
• ocenę stanu technicznego elementów w eksploatacji, wykrywanie potencjalnych uszkodzeń zmęczeniowych, korozyjnych czy strukturalnych, planowanie remontów i wymian,
• analizę przyczyn awarii i uszkodzeń, poprzez badania materiałowe elementów uszkodzonych, określenie mechanizmów zniszczenia i czynników je wywołujących.

Warto podkreślić, że same podstawowe badania mechaniczne nie wystarczą do określenia pełnej charakterystyki materiału – muszą być one uzupełnione o badania metalograficzne mikroskopowe, badania dyfrakcyjne oraz mikroanalizę analizę składu chemicznego. Tylko kompleksowe podejście pozwala na optymalne wykorzystanie potencjału materiałów i zapewnienie niezawodności wyrobów.

Pamiętam, jak podczas pracy nad projektem nowego mostu zastosowaliśmy innowacyjne materiały kompozytowe o wysokiej wytrzymałości i odporności na korozję. Badania niszczące pozwoliły nam precyzyjnie określić ich parametry mechaniczne i zoptymalizować konstrukcję przęseł. Dzięki temu udało się znacząco obniżyć koszty budowy i skrócić czas realizacji inwestycji, przy zachowaniu najwyższych standardów bezpieczeństwa. To doskonały przykład tego, jak ważną rolę odgrywają badania materiałowe we współczesnym budownictwie. – mgr inż. Anna Nowak, projektant w biurze konstrukcyjnym.

Badania niszczące w ofercie TENSLAB

Jeśli poszukujesz profesjonalnego wsparcia w zakresie badań niszczących, warto zapoznać się z ofertą Laboratorium Wytrzymałościowego TENSLAB. Oferujemy kompleksowe usługi badawcze dla przemysłu, obejmujące m.in.:

• statyczną próbę rozciągania wyrobów i materiałów konstrukcyjnych,
• próba rozciągania w kierunku prostopadłym do powierzchni materiału (próba rozciągania „Z”),
• statyczną próbę rozciągania złączy spawanych,
• statyczną próbę rozciągania złączy zgrzewanych,
• statyczną próbę rozciągania materiałów kompozytowych,
• statyczną próbę rozciągania tworzyw sztucznych,
• próbę zginania wyrobów i materiałów konstrukcyjnych,
• próbę zginania złączy spawanych,
• próbę zginania materiałów kompozytowych,
• próbę zginania tworzyw sztucznych,
• próbę udarności wyrobów i materiałów konstrukcyjnych,
• próbę udarności złączy spawanych,
• pomiary twardości metodami Brinella, Rockwella i Vickersa,
• badania metalograficzne makroskopowe,
• badania metalograficzne mikroskopowe,
• próbę łamania,
• analizę składu chemicznego,
• pomiary zawartości ferrytu delta,
• próby korozyjności.

Nasze Laboratorium Wytrzymałościowe posiada akredytację PCA nr AB 1700 oraz uznania UDT, TDT oraz towarzystw klasyfikacyjnych oraz jednostek takich jak: PRS, BV, RINA, TÜV Nord, TÜV Rheinland. Dysponujemy nowoczesnym wyposażeniem badawczym oraz doświadczonym personelem, co gwarantuje najwyższą jakość usług i wiarygodność wyników.

Zapraszamy do kontaktu i współpracy – nasi eksperci pomogą dobrać optymalny zakres badań do Państwa potrzeb oraz zinterpretować uzyskane wyniki w kontekście wymagań norm i specyfiki zastosowania. Gwarantujemy profesjonalną obsługę, terminowość realizacji, wysoką jakość i rzetelność oraz korzystne warunki cenowe.

Podsumowanie

Badania mechaniczne, a w szczególności badania niszczące, to niezbędne narzędzie w procesie projektowania, wytwarzania i eksploatacji wyrobów w wielu gałęziach przemysłu. Dostarczają one kluczowych informacji o właściwościach wytrzymałościowych materiałów, pozwalając na optymalne ich wykorzystanie, zapewnienie niezawodności konstrukcji i bezpieczeństwa użytkowników.

Przeprowadzenie wiarygodnych badań niszczących wymaga odpowiedniego zaplecza laboratoryjnego, wykwalifikowanego personelu oraz ścisłego przestrzegania procedur i norm badawczych. Warto powierzyć te zadania doświadczonemu partnerowi, takiemu jak Laboratoria Wytrzymałościowe TENSLAB.

Mamy nadzieję, że ten artykuł przybliżył Państwu tematykę badań mechanicznych i pokazał ich znaczenie w nowoczesnym przemyśle. Jeśli mają Państwo dodatkowe pytania lub potrzebują wsparcia w zakresie badań niszczących, zapraszamy do kontaktu – nasi eksperci są do Państwa dyspozycji.