Testarea materialelor: un ghid complet pentru dumneavoastră.

Ce este testarea materialelor?

Testarea materialelor este un proces care are loc în mod sistematic pentru a testa proprietățile fizice și mecanice ale diferitelor materiale. Aceste materialeinclud metalele, materialele plastice, ceramica și compozitele. Este și important să testați materialele și să aflați cum răspund acestea în diferite condiții. De ce?Pentru a ști dacă materialele sunt potrivite pentru aplicațiile dumneavoastră specifice. Unde ați efectua un test de material? Într-o gamă largă de contexte și industrii, cum ar fi producția de construcții sau chiar în industria aerospațială.

Care este scopul testării materialelor？

Motivele pentru care testăm materialele se referă la calitatea siguranței și la performanță. Dorim să ne asigurăm că materialele funcționează așa cum au fost proiectate. Iată câteva motive pentru care testăm materialele:

Asigurarea siguranței

Dacă ne gândim la material în sensul unui pod, trebuie să știm dacă materialul nu va reuși să asigure siguranța oamenilor și a mașinilor care folosesc podul.

Controlul calității

Testarea materialelor garantează că articolele îndeplinesc criteriile și cerințele necesare. Acest lucru asigură consecvența în fabricație, reducând astfel defectele și garantând că produsul finit funcționează conform planului.

Optimizarea selecției materialelor

Testarea mai multor materiale ajută inginerii să le aleagă pe cele mai bune pentru o anumită utilizare. În sectoare precum producția sau proiectarea, unde alegerea materialului poate afecta semnificativ costul, funcționalitatea și durata de viață a produselor, acest lucru este foarte important.

Evaluarea performanțelor

În diferite condiții – temperaturi extreme, umiditate, presiune sau uzură fizică – testarea expune modul în care reacționează materialele. Acest lucru clarifică pentru producători durata de viață și fiabilitatea materialelor în medii practice.

Eficiența costurilor

Testarea ajută întreprinderile să prevină erorile de fabricație costisitoare. Identificarea timpurie a scăderii performanței unui material poate ajuta la evitarea rechemărilor în service, a reproiectărilor sau a litigiilor costisitoare.

Conformitatea cu reglementările

Criterii stricte de reglementare privind performanța materialelor – de exemplu, standardele ISO, ASTM – guvernează multe sectoare. Testarea materialelor garantează că componentele utilizate în produse respectă aceste norme, protejând astfel producătorul, precum și clienții.

Inovare și dezvoltare

Prin intermediul unor teste amănunțite, noile materiale sau combinații de materiale pot fi evaluate în funcție de posibilitățile lor de utilizare creativă, stimulând astfel creșterea tehnologică și evoluția produselor.

Tipuri de testare a materialelor

1. Testarea mecanică

Evaluează răspunsul materialelor la forțele aplicate.

• Testarea la tracțiune (testul de tracțiune): Testarea la tracțiune, adesea cunoscută sub numele de testul de tracțiune, măsoară rezistența unui material sub tensiune – întindere sau tracțiune.
• Testarea prin compresie: Testarea prin compresie** evaluează comportamentul strivit al unui material în timpul compresiei.
• Testarea durității: Adesea prin indentare (de exemplu, Rockwell, Brinell, Vickers), testarea durității măsoară rezistența la deformare a unui material.
• Testarea la impact: Se evaluează prin testarea la impact (de exemplu, testele Charpy, Izod), absorbția unui material de șocuri bruște sau impact.
• Testarea la oboseală: Măsoară răspunsul materialelor la încărcarea și descărcarea repetată de-a lungul timpului în testarea la oboseală.
• Testarea la încovoiere/flexiune: Determină capacitatea unui material de a rezista la încovoiere sub tensiune utilizând testarea la încovoiere/flexiune

2. Testarea termică

Examinează modul în care materialele reacționează la schimbările de temperatură.

• Testarea conductivității termice: Testarea conductivității termice este măsurarea conductibilității termice a unui material.
• Testarea expansiunii termice: Testarea expansiunii termice evaluează contracția sau expansiunea materialului cu variații de temperatură.
• Testarea rezistenței la căldură: Stabilitatea materialelor la temperaturi ridicate este evaluată în Testarea rezistenței la căldură (de exemplu, punctul de topire, deteriorarea).
• Calorimetria diferențială de scanare (DSC): Calorimetria diferențială de scanare (DSC) determină punctele de topire, cristalizarea și tranzițiile termice

3. Testarea chimică

Determină comportamentul unui material în diferite medii chimice.

• Testarea coroziunii: Măsoară rezistența unui material la deteriorarea provocată de expunerea la componente precum umiditatea, sarea sau acizii în Testarea coroziunii
• Analiza compoziției chimice: ** analizează compoziția chimică a articolului, de obicei prin spectroscopie sau altă metodă.
• Testarea rezistenței la pH: Testarea rezistenței la pH examinează reacțiile materialelor la condiții bazice sau acide.

4. Testarea proprietății fizice

Măsură caracteristici non-mecanice precum densitatea sau forma.

• Testarea densității: Testarea densității este masa pe unitatea de volum a unei substanțe.
• Testarea porozității: Important pentru filtrare sau izolare, testarea porozității constată volumul zonelor goale dintr-o substanță.
• Testarea conținutului de umiditate: Măsoară conținutul de apă sau alte componente volatile dintr-un material în Testarea conținutului de umiditate.
• Testarea gravitației specifice: Compară densitatea unui material cu cea a apei în Testarea gravitației specifice.

5. Testarea mediului

Simulează condiții naturale sau extreme pentru a evalua performanța materialelor.

• Testarea la intemperii:Testarea la intemperii evaluează degradarea materialului în condiții de soare, ploaie și alte variabile meteorologice.
• Testarea UV: determină rezistența unui material la deteriorarea cauzată de lumina UV.
• Teste de îmbătrânire: Simulează expunerea pe termen lung la elemente de mediu, cum ar fi căldura, lumina sau umiditatea în testele de îmbătrânire.

6. Testarea la oboseală și la fluaj

Avaluează modul în care materialele se comportă sub stres în timp.

• Încercarea de înghețare: De obicei, la temperaturi ridicate, încercarea de înghețare măsoară deformarea treptată a unui material sub tensiune constantă.
• Testarea la oboseală:Evaluează modul în care un material răspunde în timpul mai multor cicluri de încărcare, aproximând astfel utilizarea pe termen lung.

7. Încercări microscopice și structurale

Se uită la structura internă sau la caracteristicile microscopice ale unui material.

• Testarea metalografică: Examinează microstructura metalelor (dimensiunea granulelor, structura fazelor).
• Difracție de raze X (XRD): Analizează structurile cristaline din materiale, de obicei metale sau ceramică.
• Microscopia electronică de scanare (SEM): Oferă imagini de înaltă rezoluție ale suprafețelor materialelor și ale caracteristicilor interne.

8. Evaluare electrică și magnetică

Evaluează modul în care materialele interacționează cu câmpurile electrice și magnetice.

• Testarea conductivității: Măsoară capacitatea unui material de a conduce electricitatea în testarea conductivității.
• Testarea magnetică: Testarea magnetică evaluează caracteristicile magnetice precum permeabilitatea sau coercitivitatea.
• Testarea dielectrică:Testarea dielectrică măsoară calitățile de izolare electrică ale unei substanțe.

9. Testarea optică și vizuală

Avaluează răspunsul unui material la lumină sau la condițiile vizuale.

• Testarea transparenței: Determină cât de multă lumină trece printr-un material (important pentru sticlă sau plastic).
• Testarea culorii: Măsoară modul în care culoarea unui material rezistă în diferite condiții.

Încercări distructive vs. nedistructive

Testarea distructivă (DT) și Testarea nedistructivă (NDT) sunt două abordări majore utilizate pentru a evalua proprietățile și performanța materialelor. Diferența esențială constă în faptul dacă materialul testat este deteriorat sau alterat în timpul procesului de testare.

Testarea distructivă (DT)

**Încercările distructive** presupun încercări care determină modificarea sau distrugerea permanentă a substanței testate, după cum sugerează termenul. De obicei, scopul acestor teste este de a verifica caracteristicile mecanice ale materialului în medii dificile.

Caracteristici:

• Deteriorarea materialului: De obicei, materialul este distrus sau schimbat drastic în timp ce este testat.
• Caz de utilizare: Atunci când este important să se cunoască limitele de performanță finale ale materialului sau când nu este nevoie de o probă pentru utilizarea viitoare.
• Implicații privind costurile: De obicei, mai costisitoare, deoarece necesită mai multe probe, dar produce date exacte și cuprinzătoare.

Avantaje:

• Oferă informații precise cu privire la limitele finale ale unei substanțe.
• Face posibilă evaluarea modurilor de defectare (cum ar fi ruperea și fisurarea) în medii dificile.

Dezvantaje:

• Dacă eșantionul este distrus, acesta nu mai poate fi utilizat din nou.
• Necesită multe probe pentru diverse teste, ceea ce poate fi costisitor și necesită mult timp.

Testarea nedistructivă (NDT)

Testarea nedistructivă se referă la un grup de tehnici utilizate pentru a evalua proprietățile unui material, ale unei componente sau ale unei structuri fără a le provoca daune. NDT permite testarea materialelor în starea lor de funcționare și este utilizată pentru detectarea defectelor sau evaluarea performanței fără modificarea sau distrugerea probei.

Caracteristici:

• Fără daune materiale: Proba rămâne intactă și poate fi de obicei reutilizată după testare.
• Caz de utilizare: Ideal pentru inspectarea unor cantități mari de materiale, produse finite sau componente de servicii continue fără a afecta funcționalitatea.
• Implicații asupra costurilor: Mai puțin costisitoare în timp, deoarece nu necesită distrugerea probelor de material. De asemenea, este mai eficient din punct de vedere al timpului pentru testarea loturilor mari sau a materialelor în funcțiune.

Avantaje:

• Materialul poate fi utilizat din nou după testare.
• Poate fi efectuată la fața locului, în special pentru structuri mari (de exemplu, poduri, conducte, aeronave).
• Permite obținerea de rezultate rapide și întreruperea minimă a producției sau a operațiunilor.

Dezvantaje:

• Pot să nu ofere la fel de multe informații detaliate despre proprietățile mecanice ale unui material ca metodele distructive.
• Detectarea anumitor tipuri de defecte (de exemplu, fisuri adânci) poate fi dificilă sau imposibilă cu anumite metode NDT.
• Pentru a obține rezultate exacte, sunt necesare pregătire și echipamente specializate.

Tabel comparativ:

Metode standard pentru testarea materialelor

Mai multe organizații dezvoltă și publică metode de testare standardizate pentru a asigura coerența și fiabilitatea evaluărilor materialelor. Iată câteva organizații cheie și contribuțiile lor:

ASTM International
Fost cunoscută sub numele de The American Society for Testing and Materials(ASTM), acum cunoscută sub numele de ASTM International, dezvoltă și publică standarde consensuale voluntare pentru materiale, produse, sisteme și servicii. Standardele lor acoperă o gamă largă de materiale, inclusivmetale polimeri și compozite. astm.org

Organizația Internațională de Standardizare (ISO)
ISO este o organizație internațională independentă neguvernamentală care dezvoltă și publică standarde internaționale. Ei au toate tipurile de standarde legate de testare, inclusiv proprietățile mecanice alematerialelor compoziția chimică și performanța de mediu.

Proiectul Versailles privind materialele și standardele avansate (VAMAS)
Proiectul VAMAS este o organizație internațională de colaborare axată pe dezvoltarea de standarde pentru materiale avansate. Acesta implică institute naționale de metrologie universități instituții de cercetare și industrie. Ei sunt experți de primă clasă în domeniu, deoarece se ocupă de subiecte științifice foarte tehnice.Wikipedia

American National Standards Institute (ANSI)
ANSI (American National Standards Institute) este organizația care a revizuit toate acestea în Statele Unite. Este locul unde toată lumea vine să se refere la toate standardele pentru toate aceste diferite echipamente de testare și la modul de utilizare a metodelor de testare. webstore.ansi.org

Provocări în testarea materialelor

1. Pregătirea inconsecventă a probelor

Diferitele moduri de pregătire a probei pot duce la rezultate diferite în cadrul testului. Lucruri precum forma în care ați tăiat-o în defecte sau defecte induse de prelucrare și ondulația fibrelor pot avea un impact asupra modului în care se dovedește testul fizic. Din nou, trebuie să fiți specifici cu privire la ceea ce trebuie să facă oamenii.

2. Factori de mediu

Criteriul testului poate fi afectat de factori precum temperatura, umiditatea sau dacă materialul ajunge să fie contaminat. Controlați aceste variabile,deoarece toate acestea pot afecta rezultatul testului.

3. Limitări ale echipamentului

Toate echipamentele de testare au limite. Acesta poate avea probleme de capacitate, precizie sau compatibilitate a materialelor. Rezultatul unui test poate fi afectat de defecțiuni mecanice, erori software sau probleme de calibrare.

4. Variabilitatea materialelor

Golurile de aliniere a fibrelor și zonele bogate și sărace în rășină pot cauza variabilitatea compozitelor în timpul procesului și la final. Dispersia proprietăților mecanice poate face ca limitele de proiectare să fie mai greu de definit din cauza acestei imprevizibilități.

5. Preocupări legate de siguranță

Testarea poate implica elemente periculoase sau un mediu periculos. Lucrătorii care efectuează testele sunt în pericol în aceste circumstanțe. Bineînțeles, organizația trebuie să limiteze riscul prin instituirea unor practici adecvate și prin instruirea lucrătorilor care utilizează acest tip de testare pentru a manipula elemente sau situații periculoase.

6. Gestionarea datelor

În cele din urmă, testarea generează o mulțime de date. Colectarea, analizarea și interpretarea tuturor acestor date poate fi dificilă, astfel încât aveți nevoie de soluții robuste de gestionare a datelor pentru a lua cele mai bune decizii bazate pe teste.

7. Constrângeri bugetare și de timp

Testarea necesită multe resurse, timp și bani. Doriți să efectuați cel mai bun test posibil, dar aveți timp și bani limitați. Combinarea acestor elemente face ca testarea precisă să fie aproape paradoxală.

Ce sunt aplicațiile de testare a materialelor?

1. Industria auto

Testarea materialelor este esențială în industria automobilelor pentru evaluarea componentelor motorului, a șasiului și a sistemelor de siguranță. Testarea asigură faptul că materialele pot suporta sarcinile, temperaturile și condițiile de mediu întâlnite la exploatarea unui vehicul. Această procedură este esențială pentru proiectarea automobilelor care sunt atât sigure, cât și durabile.

2. Industria aerospațială

Industria aerospațială are nevoie de materiale care pot rezista condițiilor extreme din spațiul cosmic, vitezelor și temperaturilor ridicate și presiunii enorme la aterizare și decolare. Atunci când aceste materiale nu sunt testate în condiții reale, ele eșuează. Astfel, FAA și alte organisme de reglementare au orientări stricte cu privire la ceea ce se așteaptă atunci când vine vorba de testarea acestor materiale.

3. Industria construcțiilor

În construcții, echipamentul științific va măsura rezistența și calitatea materialelor. Pe șantierele de construcții se testează adesea betonul pentru a asigura rezistența necesară. Ei testează oțelul pentru a asigura rezistența și calitatea necesare pentru utilizarea la clădire. De asemenea, testează defectele din materiale compozite și alte materiale.

4. Sectorul energetic

În sectorul energetic se testează materiale pentru lucruri precum platformele petroliere și conductele. Turbina eoliană care se află în mijlocul oceanului trebuie să reziste la sare. Se testează rezistența și flexibilitatea (datorită expansiunii și contracției) unui panou solar. Toate aceste lucruri sunt puse la încercare pentru a testa materialele.

5. Industria electronică

În electronică sunt testate în special materialele semiconductoare și niobiul și tantalul. Se testează plăcile cu circuite integrate pentru a se asigura că acestea sunt construite în conformitate cu standardele. Tot ceea ce trece prin această placă este pus la locul său în mod corespunzător. Ei testează materialele din afișaje pentru a se asigura că pot rezista acțiunii electrice.

6. Industria farmaceutică

În domeniul farmaceutic se fac multe teste pe materiale. Se testează materialele utilizate pentru ambalare pentru a se asigura că acestea nu vor duce la levigarea plumbului în materialul produsului. În timp ce acesta este sigilat și depozitat, componentele ambalajului nu pot reacționa negativ cu compușii medicinali propriu-ziși. Așa că testează materialele pentru a se asigura de acest lucru.

7. Industria alimentară și a băuturilor

În industria alimentară și a băuturilor se testează materialele pentru a se asigura că ambalajul nu elimină substanțe nocive în alimente. De exemplu, plasticul emană gaze? Lichefiază plumb sau alte materiale dăunătoare în alimente? Toate acestea sunt testate.

Concluzie

Testarea materialelor este esențială în toate domeniile. Nimeni nu vrea să producă alimente toxice care otrăvesc oamenii și să fie dat în judecată. Nimeni nu vrea să facă mașini nesigure care provoacă accidente și să fie dat în judecată. Nimeni nu vrea să facă o clădire care se prăbușește și să fie dat în judecată. Nimeni nu vrea să vândă un produs care are materiale nocive în ambalaj care ajung în mâncare pentru că vei fi dat în judecată. Indiferent ce faci, nu vrei să fii dat în judecată.