Испытания материалов: исчерпывающее руководство для вас.

Что такое испытание материалов?

Испытание материалов — это процесс, в ходе которого систематически проверяются физические и механические свойства различных материалов. К таким материалам относятся металлы, пластмассы, керамика и композиты. Очень важно испытывать материалы и узнавать, как они реагируют в различных условиях. Зачем? Чтобы знать, что материалы подходят для ваших конкретных задач. Где можно провести испытания материалов? В самых разных условиях и отраслях, например, в строительстве или даже в аэрокосмической промышленности.

Зачем нужны испытания материалов？

Причины, по которым мы тестируем материалы, касаются качества безопасности и производительности. Мы хотим убедиться, что материалы работают так, как они были разработаны. Вот несколько причин, по которым мы тестируем материалы:

Обеспечение безопасности.

Если рассматривать материал в смысле моста, то нам нужно знать, не подведет ли материал, чтобы обеспечить безопасность людей и автомобилей, которые пользуются мостом.

Контроль качества

Испытания материалов гарантируют, что изделия соответствуют необходимым критериям и требованиям. Это обеспечивает последовательность в производстве, что снижает количество дефектов и гарантирует, что готовый продукт будет функционировать в соответствии с планом.

Оптимизация выбора материала

Испытания многих материалов помогают инженерам выбрать лучшие из них для конкретного применения. В таких отраслях, как производство или дизайн, где выбор материала может существенно повлиять на стоимость, функциональность и срок службы изделий, это очень важно.

Оценка эффективности

Испытания в различных условиях — при экстремальных температурах, влажности, давлении или физическом износе — показывают, как реагируют материалы. Это позволяет производителям определить срок службы и надежность материалов в практических условиях.

Эффективность затрат

Испытания помогают предприятиям предотвратить дорогостоящие производственные ошибки. Раннее выявление снижения характеристик материала может помочь избежать дорогостоящих отзывов, перепроектирования или судебных разбирательств.

Соблюдение правил.

Во многих отраслях действуют строгие нормативные требования к характеристикам материалов — например, стандарты ISO, ASTM. Тестирование материалов гарантирует, что компоненты, используемые в товарах, соответствуют этим правилам, тем самым обеспечивая безопасность производителя и покупателей.

Инновации и разработки

Путем тщательного тестирования можно оценить возможности новых материалов или их комбинаций в творческом применении, что способствует технологическому росту и эволюции продукции.

Типы испытаний материалов.

1. Механические испытания.

Оценивает реакцию материалов на приложенные силы.

• Испытание на растяжение (тест на растяжение): Испытание на растяжение, часто известное как тест на растяжение, измеряет прочность материала при растяжении или вытягивании.
• Испытание на сжатие: Испытание на сжатие** оценивает поведение материала при сжатии.
• Испытания на твердость: Часто с помощью вдавливания (например, по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу) испытания на твердость измеряют сопротивление материала деформации.
• Испытания на удар: Оценивается с помощью испытаний на удар (например, испытаний Шарпи, Изода) поглощение материалом резких толчков или ударов.
• Испытания на усталость: Измеряется реакция материалов на повторяющиеся нагрузки и разгрузки в течение времени в испытаниях на усталость.
• Испытание на изгиб/гибкость: Определяет способность материала выдерживать изгиб под нагрузкой с помощью испытания на изгиб/гибкость.

2. Тепловые испытания.

<Изучает, как материалы реагируют на изменение температуры.

• Испытания на теплопроводность: Испытания на теплопроводность — это измерение теплопроводности материала.
• Испытания на тепловое расширение: Испытания на тепловое расширение оценивают сжатие или расширение материала при изменении температуры.
• Испытание на термостойкость: Стабильность материала при высоких температурах оценивается в Испытании на термостойкость (например, температура плавления, разрушение).
• <Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК): Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) определяет точки плавления, кристаллизации и тепловых переходов.

3. Химические испытания.

Определяет поведение материала в различных химических средах.

• Коррозионные испытания: Измеряет устойчивость материала к разрушению, вызванному воздействием таких компонентов, как влага, соль или кислоты в Коррозионных испытаниях.
• Анализ химического состава: ** анализирует химический состав предмета, обычно с помощью спектроскопии или другого метода.
• Испытание на устойчивость к рН: испытание на устойчивость к рН исследует реакцию материала на основные или кислотные условия.

4. Тестирование физических свойств.

<Измеряет немеханические характеристики, такие как плотность или форма.

• Испытание плотности: Испытание плотности — это определение массы на единицу объема вещества.
• Испытания на пористость: Важные для фильтрации или изоляции, испытания на пористость определяют объем пустых областей в веществе.
• Испытание на содержание влаги: Измеряет содержание воды или других летучих компонентов в материале в Испытании на содержание влаги.
• <Сравнивает плотность материала с плотностью воды при испытании удельной гравитации.

5. Тестирование окружающей среды.

Имитация природных или экстремальных условий для оценки характеристик материалов.

• Испытания в атмосферных условиях:Испытания в атмосферных условиях оценивают разрушение материала под воздействием солнечного света, дождя и других метеорологических переменных.
• Ультрафиолетовое тестирование: определяет устойчивость материала к повреждению ультрафиолетовыми лучами.
• Испытания на старение: Имитирует длительное воздействие элементов окружающей среды, таких как тепло, свет или влажность, при испытаниях на старение.

6. Испытания на усталость и ползучесть.

Оценивает, как материалы работают под нагрузкой с течением времени.

• Испытание на ползучесть: Обычно при высоких температурах, испытание на ползучесть измеряет постепенную деформацию материала при постоянном растяжении.
• Испытания на усталость: Оценивает реакцию материала в течение нескольких циклов нагружения, что приближает его к длительному использованию.

7. Микроскопические и структурные испытания.

<Рассматривает внутреннюю структуру или микроскопические особенности материала.

• Металлографические испытания: Изучение микроструктуры металлов (размер зерна, фазовая структура).
• Рентгеновская дифракция (XRD): Анализирует кристаллические структуры материалов, обычно металлов или керамики.
• Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ): Обеспечивает получение изображений высокого разрешения поверхностей и внутренних особенностей материалов.

8. Электрические и магнитные испытания.

Оценивает, как материалы взаимодействуют с электрическими и магнитными полями.

• Испытания на проводимость: Измеряется способность материала проводить электричество в испытаниях на проводимость.
• Магнитные испытания: Магнитные испытания оценивают магнитные характеристики, такие как проницаемость или коэрцитивная сила.
• <Диэлектрические испытания: диэлектрические испытания измеряют электроизоляционные свойства вещества.

9. Оптические и визуальные испытания.

<Оценивает реакцию материала на свет или визуальные условия.

• Тестирование прозрачности: Определяет, сколько света проходит через материал (важно для стекла или пластика).
• Тестирование цвета: Измеряет, как цвет материала держится в различных условиях.

Разрушающий и неразрушающий контроль.

<Разрушающий контроль (DT) и неразрушающий контроль (NDT) — два основных подхода, используемых для оценки свойств и характеристик материалов. Ключевое различие заключается в том, повреждается или изменяется тестируемый материал в процессе испытания.

Разрушающий контроль (DT).

**Разрушающий контроль** подразумевает испытания, в результате которых испытуемое вещество подвергается необратимым изменениям или разрушению, как следует из самого термина. Обычно целью таких испытаний является определение механических характеристик материала в жестких условиях эксплуатации.

Характеристики:

• <Повреждение материала: Обычно материал разрушается или сильно изменяется во время тестирования.
• Случай использования: Когда важно знать предельные эксплуатационные характеристики материала или когда образец не нужен для будущего использования.
• Влияние на стоимость: Обычно это более затратно, поскольку требует большего количества образцов, но позволяет получить точные и исчерпывающие данные.

Преимущества:

• Предлагает точную информацию о предельных значениях вещества.
• Позволяет оценить режимы разрушения (такие как разрыв и трещины) в жестких условиях эксплуатации.

Недостатки:

• Если образец уничтожен, его нельзя использовать повторно.
• Требуется много образцов для различных испытаний, что может быть дорогостоящим и отнимать много времени.

Неразрушающий контроль (NDT).

Неразрушающий контроль относится к группе методов, используемых для оценки свойств материала, компонента или конструкции без их повреждения. Неразрушающий контроль позволяет испытывать материалы в их рабочем состоянии и используется для обнаружения дефектов или оценки характеристик без изменения или разрушения образца.

Характеристики:

• Не повреждается материал: Образец остается неповрежденным и обычно может быть использован повторно после тестирования.
• Польза: Идеально подходит для проверки большого количества материалов, готовой продукции или компонентов текущего обслуживания без ущерба для функциональности.
• Влияние на стоимость: С течением времени затраты снижаются, поскольку не требуется уничтожать образцы материала. Кроме того, этот метод более эффективен с точки зрения затрат времени при испытании больших партий или материалов, находящихся в эксплуатации.

Преимущества:

• После тестирования материал можно использовать снова.
• Может выполняться на месте, особенно для крупных конструкций (например, мостов, трубопроводов, самолетов).
• Позволяет быстро получить результаты и минимально нарушить производственный процесс.

Недостатки:

• Может не давать столь подробной информации о механических свойствах материала, как разрушающие методы.
• Обнаружение некоторых типов дефектов (например, глубоких трещин) может быть затруднено или невозможно с помощью некоторых методов неразрушающего контроля.
• Для получения точных результатов требуется специальная подготовка и оборудование.

Сравнительная таблица:

Стандартные методы испытаний материалов

Несколько организаций разрабатывают и публикуют стандартизированные методы испытаний для обеспечения последовательности и надежности оценки материалов. Вот некоторые ключевые организации и их вклад:

ASTM International
Раннее известное как Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM), теперь известное как ASTM International, разрабатывает и публикует добровольные консенсусные стандарты на материалы, системы и услуги. Их стандарты охватывают широкий спектр материалов, включая металлы, полимеры и композиты. astm.org.

Международная организация по стандартизации (ISO)
ISO — это независимая неправительственная международная организация, которая разрабатывает и публикует международные стандарты. У них есть все виды стандартов, связанных с испытаниями, включая механические свойства материалов, химический состав и экологические характеристики.

Версальский проект по перспективным материалам и стандартам (VAMAS)
Проект VAMAS — это международная организация, занимающаяся разработкой стандартов на перспективные материалы. В нем участвуют национальные метрологические институты, университеты, исследовательские институты и промышленность. Они являются первоклассными экспертами в данной области, поскольку занимаются очень техническими научными темами.Википедия

Американский национальный институт стандартов (ANSI)
ANSI (American National Standards Institute) — это организация, которая рассматривает все эти стандарты в Соединенных Штатах. Именно сюда все приходят, чтобы ознакомиться со стандартами на все эти различные виды испытательного оборудования и с тем, как использовать методы испытаний. webstore.ansi.org.

Трудности при испытании материалов.

1. Непоследовательная подготовка образцов

Различные способы подготовки образца могут привести к разным результатам испытаний. Такие вещи, как форма вырезанного образца, вызванные механической обработкой дефекты и волнистость волокон, могут повлиять на результаты физических испытаний. Опять же, вы должны четко определить, что должны делать люди.

2. Факторы окружающей среды.

На критерий испытания могут повлиять такие факторы, как температура, влажность или загрязнение материала. Контролируйте эти переменные, потому что все они могут повлиять на результат вашего теста.

3. Ограничения по оборудованию.

Любое испытательное оборудование имеет свои ограничения. Оно может иметь проблемы с производительностью, точностью или совместимостью материалов. Результаты испытаний могут быть испорчены механическими поломками, сбоями в работе программного обеспечения или проблемами с калибровкой.

4. Изменчивость материала

Пустоты при смещении волокон, а также зоны с высоким содержанием смолы и ее недостатком могут стать причиной нестабильности композитов в процессе производства и в конечном итоге. Разброс механических свойств может затруднить определение допустимых параметров конструкции из-за этой непредсказуемости.

5. Вопросы безопасности

Испытания могут быть связаны с опасными предметами или опасной обстановкой. В таких обстоятельствах работники, проводящие испытания, подвергаются опасности. Естественно, организация должна ограничить риск, применяя соответствующие методы и обучая работников, проводящих подобные испытания, обращению с опасными предметами или условиями.

6. Управление данными

Наконец, в ходе тестирования генерируется множество данных. Сбор, анализ и интерпретация всех этих данных могут оказаться непростой задачей, поэтому для принятия оптимальных решений на основе тестирования вам нужны надежные решения для управления данными.

7. Бюджет и временные ограничения.

Тестирование требует много ресурсов, времени и денег. Вы хотите провести максимально эффективное тестирование, но время и деньги у вас ограничены. Сочетание этих элементов делает точное тестирование почти парадоксальным.

Что такое испытание материалов?

1. Автомобильная промышленность

Испытания материалов имеют решающее значение в автомобильной промышленности для оценки компонентов двигателя, шасси и систем безопасности. Испытания гарантируют, что материалы могут выдерживать нагрузки, температуры и условия окружающей среды, возникающие при эксплуатации автомобиля. Эта процедура имеет решающее значение для разработки безопасных и долговечных автомобилей.

2. Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмической промышленности нужны материалы, способные выдержать экстремальные условия космического пространства — высокие скорости и температуры, огромное давление при посадке и взлете. Когда эти материалы не тестируются в реальных условиях, они выходят из строя. Поэтому FAA и другие регулирующие органы имеют строгие рекомендации по тестированию таких материалов.

3. Строительная индустрия.

В строительстве ваше научное оборудование будет измерять прочность и качество материалов. На строительных площадках часто испытывают бетон, чтобы убедиться в его необходимой прочности. Они проверяют сталь на прочность и качество, необходимые для использования в здании. Они также проверяют на наличие дефектов композиты и другие материалы.

4. Энергетический сектор

В энергетическом секторе они испытывают материалы для таких вещей, как нефтяные вышки и трубопроводы. Ветряная турбина, установленная посреди океана, должна выдерживать воздействие соли. Проводятся испытания на прочность и гибкость (при расширении и сжатии) солнечных панелей. Все эти вещи подвергаются испытаниям, чтобы проверить материалы.

5. Электронная промышленность

В электронике особенно часто тестируют полупроводниковые материалы, а также ниобий и тантал. Они тестируют платы интегральных схем, чтобы убедиться, что они изготовлены в соответствии со стандартами. Все, что проходит через эту плату, устанавливается на свое место должным образом. Они проверяют материалы дисплеев, чтобы убедиться, что они выдерживают электрическое воздействие.

6. Фармацевтическая промышленность

В фармацевтике проводится множество испытаний материалов. Они проверяют материалы, используемые для упаковки, чтобы убедиться, что они не будут выщелачивать свинец в материал продукта. Пока продукт запечатан и находится на складе, компоненты упаковки не могут вступать в негативную реакцию с лекарственными веществами. Чтобы убедиться в этом, материалы тестируют.

7. Пищевая промышленность и производство напитков.

В пищевой промышленности тестируют материалы, чтобы убедиться, что упаковка не пропускает вредные вещества в пищу. Например, выделяет ли пластик газы? Не вымывает ли он свинец или другие вредные вещества в пищу? Все это проверяется.

Заключение

Испытания материалов очень важны для всех. Никто не хочет производить токсичные продукты питания, отравляющие людей, и получать за это судебные иски. Никто не хочет делать небезопасные автомобили, вызывающие аварии, и получать за это судебные иски. Никто не хочет делать здания, которые рушатся, и получать за это судебные иски. Никто не хочет продавать продукт, в упаковке которого содержатся вредные вещества, попадающие в пищу, потому что на вас подадут в суд. Что бы вы ни делали, вы не хотите, чтобы на вас подали в суд.