Materialprøving er prøvemetoder som blir gjort for å tallfeste de mekaniske egenskapene til metaller, plast, keramer og kompositter. Data fra prøvingene blir brukt direkte i arbeidet med å dimensjonere konstruksjoner og formgi produkter. Med mekaniske egenskaper menes i denne sammenhengen styrke, stivhet, duktilitet (formbarhet), hardhet, slagseighet og sigefasthet.
Prøvemetodene som blir omtalt i denne artikkelen er strekkprøving, hardhetsprøving, prøving av slagseighet og sigeprøving. Prøving relatert til sprekkvekst, bruddmekanikk og utmatting er omtalt andre steder i leksikonet.
Strekkprøving blir gjort for å fastlegge styrken til duktile materialer, spesielt metaller. Prøvingen gjør det også mulig å kvantifisere stivheten og duktiliteten til metallene.
Strekkprøving foregår ved at en prøvestav, som er lang i forhold til tverrsnittet, blir spent inn i en strekkprøvemaskin. Prøvestaven blir tilført en stadig økende strekkraft i aksialretningen. Kraften og forlengelsen blir målt kontinuerlig under prøvingen og spenningen og tøyningen blir regnet ut. Spenningen har benevningen MPa.
I begynnelsen blir staven elastisk deformert. Elastisk deformasjon er formforandring eller dimensjonsforandring som forsvinner ved avlastning. Staven responderer på samme måte som en spiralfjær. Når kraften øker, blir staven lengre. Om kraften forsvinner, får staven tilbake den opprinnelige lengden.
I det elastiske området er forlengelsen proporsjonal med kraften. Er den elastiske forlengelsen liten, er materialet stivt. Er forlengelsen stor, er materialet mykt. Stivheten blir angitt med elastisitetsmodulen, eller E -modulen. Et stivt materiale har høy E-modul. E-modulen til stål er tre ganger så høy som E-modulen til aluminium. Tenk på to fjærer med identisk form, en av stål og en av aluminium. Om vi belaster fjærene med lik kraft, forlenges aluminiumfjæra tre ganger så mye som stålfjæra. Når vi fjerner lasten, er fjærene igjen like lange.
Når kraften overstiger en grense, blir prøven varig forlenget. Forlengelsen, som ikke lenger er proporsjonal med kraften, består nå av en elastisk og en plastisk del. Dersom vi avlaster, beholder prøvestaven den plastiske forlengelsen, men ikke den elastiske. Plastisk deformasjon er formforandring eller dimensjonsforandring som ikke forsvinner ved avlastning.
Spenningen der proporsjonaliteten mellom kraften og forlengelsen opphører, kalles elastisitetsgrensen. Et sterkt materiale har høy elastisitetsgrense. Et svakt materiale har lav elastisitetsgrense.
I karbonstål oppstår det et fall i spenningen ved elastisitetsgrensen. Vi sier at materialet flyter og den tilhørende spenningen kalles flytegrensen. Flytegrensen inngår i dimensjoneringsarbeidet for stålkonstruksjoner, og er så viktig at den danner basis for europeiske betegnelser for konstruksjonsstål. Betegnelsen S235 betyr konstruksjonsstål (Structural steel) med garantert flytegrense 235 MPa.
Andre materialer, som for eksempel aluminium, mangler markert flytegrense. Da erstattes flytegrensen med spenningen som gir prøvestaven 0,2 prosent varig forlengelse. Spenningen kalles 0,2-grensen.
Til slutt ryker staven. Stavens plastiske forlengelse etter brudd er et mål for duktiliteten til materialet. Det motsatte av et duktilt materiale er et sprøtt materiale.
Plast, keramer og kompositter kan strekkprøves på samme måte som metaller, men det er en del signifikante forskjeller på resultatene. Plast deles inn i termoplaster og herdeplaster. Termoplastene inneholder lange kjedemolekyler der atomene innen hver kjede er bundet sammen med sterke kovalente bindinger. Kjedene er bundet til hverandre med svake bindinger som lett kan brytes. I herdeplastene er atomene bundet sammen i nettverk med sterke bindinger i alle retninger. Kjedemolekylene i termoplastene gjør at E-modulen, altså stivheten, er mye lavere hos termoplastene enn hos herdeplastene. Dessuten er bruddforlengelsen mye større hos termoplastene enn hos metallene. Sammenligner vi ren aluminium med termoplasten polyetylen, er bruddforlengelsen til aluminium cirka 50 prosent, mens bruddforlengelsen til polyetylen er 350 prosent. Keramer viser ingen plastisk deformasjon under strekk, bare plastisk.
Måling med durometer fremstilt i et diagram som viser kiler for hardhetsskala A og D.
Hardhetsprøving har til hensikt å måle hvor hardt et materiale er. Harde materialer har alltid vært etterspurt fordi de egner seg til våpen, redskaper og til slitasjeutsatte deler. Hardheten til et materiale er den motstanden materialet yter mot varig inntrykk forårsaket av et annet og hardere legeme med bestemt geometri, som trykkes inn med en bestemt kraft. Et lite inntrykk viser stor hardhet.
Så godt som all hardhetsprøving blir i dag utført som Brinell-hardhetsprøving, Vickers-hardhetsprøving og Rockwell-hardhetsprøving.
Johan August Brinell utviklet rundt år 1900 en prøvemetode i forbindelse med at produksjonen av kulelagre i Sverige skjøt fart. Han presset en kule inn i prøvestykket med en viss kraft og målte diameteren til inntrykket. Hardheten ble regnet ut som kraften dividert med det projiserte arealet til avtrykket. I dag brukes metoden til hardhetsprøving av alt stål, kobber og aluminium. Den brukes også til byggevarer som parkett og benkeplater.
Vickers brukte en diamant i stedet for en kule. Metoden gir små inntrykk som bare i liten grad skader prøvestykket.
Rockwells metode skiller seg fra metodene til Brinell og Vickers ved at et legeme blir trykt inn i prøvestykket i to faser. Først blir legemet trykket inn med en liten kraft som gir et lite inntrykk i prøvestykket. Slik blir det etablert et 0-nivå. Deretter blir kraften økt til full last. Inntrengningen blir dypere. Etter en viss tid blir kraften redusert til 0-nivået. Rockwell-hardheten er omvendt proporsjonal med forskjellen i dybden på inntrykket mellom maksnivået og 0-nivået. Hardheten blir lest av direkte på et måleur.
Med slagseighetsprøving måler vi hvor utsatt et materiale er for sprø brudd ved lave temperaturer. Prøvingen foregår i et apparat der en tung pendel blir sluppet ned mot en prøvestav. Prøvestaven ryker, og pendelen svinger ut til den andre siden. Dersom utslaget til motsatt side er stort, viser det at arbeidet for å kutte av staven er lite. Det indikerer et sprøtt brudd. Et lite utslag indikerer stort slagarbeid. Det indikerer et seigt brudd.
Konstruksjonsdirektivet til EU setter krav til slagseighetsprøving og merking av konstruksjonsstål. Et konstruksjonsstål med garantert flytegrense på 235 MPa og slagarbeid på minst 27 J ved +20 ºC skal betegnes S235JR, der R står for romtemperatur.
Sigeprøving blir utført ved at en prøve blir montert inn i en ovn og påført en spenning. Hensikten er å måle hvordan et materiale som er utsatt for statisk belastning over lengre tid, langsomt forandrer form. Vanligvis krever det høyere temperatur enn romtemperatur. Siging er derfor sett på som et høytemperaturfenomen, og data fra sigeforsøk brukes i dimensjonering av deler som skal tåle høy temperatur over lengre tid.
I produksjonsprosesser basert på plastisk forming av metaller, må man vite hvordan duktiliteten forandrer seg gjennom formingsprosessen. Et eksempel på en slik prosess er formingen av ølbokser og mineralvannsbokser. Sann spenning-tøyningsprøve og bøyeprøve er aktuelle prøvemetoder.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.