Testovanie materiálov: komplexný sprievodca pre vás.

Čo je testovanie materiálov?

Testovanie materiálov je proces, ktorý sa systematicky uskutočňuje s cieľom testovať fyzikálne a mechanické vlastnosti rôznych materiálov. Medzi tieto materiály patria kovy plasty keramika a kompozity. Je a dôležité totestovanie materiálov a zisťovanie, ako reagujú za rôznych podmienok. Prečo? aby ste vedeli, že materiály sú vhodné pre konkrétne aplikácie. Kde by ste mohli vykonať test materiálu? V širokej škále prostredí a priemyselných odvetví, napríklad v stavebnej výrobe alebo aj v leteckom priemysle.

Prečo je účelom testovania materiálov？

Dôvody, prečo testujeme materiály, sa týkajú kvality bezpečnosti a výkonu. Chceme sa uistiť, že materiály fungujú tak, ako boli navrhnuté. Tu je niekoľko dôvodov, prečo materiály testujeme:

Zabezpečenie bezpečnosti

Ak uvažujeme o materiáli v zmysle mosta, musíme vedieť, či materiál nezlyhá, aby sa zabezpečila bezpečnosť ľudí a áut, ktorí most používajú.

Kontrola kvality

Testovanie materiálu zaručuje, že položky spĺňajú potrebné kritériá a požiadavky. Tým sa zabezpečí konzistentnosť výroby, čím sa zníži počet chýb a zaručí sa, že hotový tovar bude fungovať podľa plánu.

Optimalizácia výberu materiálu

Testovanie mnohých materiálov pomáha inžinierom vybrať tie najlepšie na dané použitie. V odvetviach, ako je výroba alebo dizajn, kde výber materiálu môže výrazne ovplyvniť náklady, funkčnosť a životnosť výrobkov, je to veľmi dôležité.

Vyhodnotenie výkonu

Testovanie v rôznych podmienkach – pri extrémnych teplotách, vlhkosti, tlaku alebo fyzickom opotrebovaní – ukazuje, ako materiály reagujú. To výrobcom objasňuje životnosť a spoľahlivosť materiálov v praktických podmienkach.

Nákladová efektívnosť

Testovanie pomáha podnikom predchádzať nákladným výrobným chybám. Včasná identifikácia poklesu výkonnosti materiálu môže pomôcť vyhnúť sa nákladnému stiahnutiu z trhu, zmene dizajnu alebo súdnym sporom.

Súlad s predpismi

V mnohých odvetviach platia prísne regulačné kritériá týkajúce sa vlastností materiálov – napr. normy ISO, ASTM. Testovanie materiálov zaručuje, že komponenty použité v tovaroch tieto pravidlá dodržiavajú, čím chránia výrobcu aj zákazníkov.

Inovácie a vývoj

Prostredníctvom dôkladného testovania sa môžu posúdiť možnosti kreatívneho využitia nových materiálov alebo ich kombinácií, čím sa podporí technologický rast a vývoj výrobkov.

Typy skúšok materiálov

1. Mechanické testovanie

Vyhodnocuje odozvu materiálov na pôsobiace sily.

• Skúška ťahom (ťahová skúška): Skúška ťahom, často známa ako ťahová skúška, meria pevnosť materiálu pri ťahu – natiahnutí alebo ťahaní.
• Testovanie v tlaku: Testovanie v tlaku** hodnotí správanie materiálu v tlaku.
• Tvrdostné skúšky: Často prostredníctvom vtláčania (napr. Rockwell, Brinell, Vickers), tvrdostné skúšky merajú odolnosť materiálu voči deformácii.
• Nárazové skúšky: Hodnotí sa prostredníctvom nárazových skúšok (napr. Charpyho, Izodove skúšky), pohlcovanie náhlych otrasov alebo nárazov materiálom.
• Testovanie únavy: Meranie odozvy materiálov na opakované zaťaženie a vyloženie v priebehu času pri testovaní únavy.
• Ohýbanie/ohybové skúšky: Určuje schopnosť materiálu odolávať ohybu pri namáhaní pomocou ohýbacích/ohybových skúšok.

2. Termické testovanie

Skúma, ako materiály reagujú na zmeny teploty.

• Testovanie tepelnej vodivosti: Testovanie tepelnej vodivosti je meranie tepelnej vodivosti materiálu.
• Termická skúška rozťažnosti: Teplotná skúška rozťažnosti hodnotí zmršťovanie alebo rozťahovanie materiálu pri zmenách teploty.
• Testovanie tepelnej odolnosti: Stabilita materiálu pri vysokých teplotách sa hodnotí v Testovaní tepelnej odolnosti (napr. bod topenia, zhoršenie kvality).
• Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC): Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC) určuje body topenia, kryštalizácie a tepelné prechody.

3. Chemické testovanie

Určuje správanie materiálu v rôznych chemických prostrediach.

• Korózne skúšky: Meria odolnosť materiálu voči poškodeniu spôsobenému pôsobením zložiek, ako je vlhkosť, soľ alebo kyseliny v Koróznych skúškach.
• Analýza chemického zloženia: ** analyzuje chemické zloženie položky, zvyčajne pomocou spektroskopie alebo inej metódy.
• Testovanie odolnosti voči pH:Testovanie odolnosti voči pH skúma reakcie materiálu na zásadité alebo kyslé podmienky.

4. Testovanie fyzických vlastností

Meria nemechanické charakteristiky, ako je hustota alebo tvar.

• Testovanie hustoty: Testovanie hustoty predstavuje hmotnosť látky na jednotku objemu.
• Testovanie pórovitosti: Dôležité pre filtráciu alebo izoláciu, testovanie pórovitosti zisťuje objem prázdnych plôch v látke.
• Testovanie obsahu vlhkosti: Meranie obsahu vody alebo inej prchavej zložky v materiáli v Testovaní obsahu vlhkosti.
• Testovanie špecifickej hmotnosti: Porovnáva hustotu materiálu s hustotou vody v Testovaní špecifickej hmotnosti.

5. Testovanie životného prostredia

Simuluje prírodné alebo extrémne podmienky na vyhodnotenie vlastností materiálu.

• Testovanie vplyvom počasia: Testovanie vplyvom počasia hodnotí degradáciu materiálu pri rôznom slnečnom žiarení, daždi a iných meteorologických premenných.
• UV testovanie: určuje odolnosť materiálu voči poškodeniu UV žiarením.
• Testy starnutia: Pri testoch starnutia simuluje dlhodobé vystavenie prvkom prostredia, ako je teplo, svetlo alebo vlhkosť.

6. Testovanie únavy a tečenia

Posudzuje, ako sa materiály správajú pri záťaži v priebehu času.

• Kreepová skúška: Zvyčajne pri vysokých teplotách sa kreepovou skúškou meria postupná deformácia materiálu pod stálym napätím.
• Testovanie únavy:Posudzuje, ako materiál reaguje počas viacerých zaťažovacích cyklov, čím sa približuje dlhodobému používaniu.

7. Mikroskopické a štrukturálne skúšky

Pozerá sa na vnútornú štruktúru alebo mikroskopické vlastnosti materiálu.

• Metalografické skúšky: Skúma mikroštruktúru kovov (veľkosť zŕn, fázová štruktúra).
• Röntgenová difrakcia (XRD): Analyzuje kryštálové štruktúry materiálov, zvyčajne kovov alebo keramiky.
• Skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM): Poskytuje snímky povrchov a vnútorných vlastností materiálov s vysokým rozlíšením.

8. Elektrické a magnetické skúšky

Vyhodnocuje interakciu materiálov s elektrickými a magnetickými poľami.

• Testovanie vodivosti: Pri testovaní vodivosti sa meria schopnosť materiálu viesť elektrickú energiu.
• Magnetické testovanie: Magnetické testovanie hodnotí magnetické vlastnosti, ako je permeabilita alebo koercivita.
• Dielektrické testovanie:Dielektrickým testovaním sa merajú elektrické izolačné vlastnosti látky.

9. Optické a vizuálne testovanie

Posudzuje reakciu materiálu na svetlo alebo vizuálne podmienky.

• Testovanie priehľadnosti: Určuje, koľko svetla prechádza cez materiál (dôležité pre sklo alebo plast).
• Testovanie farieb: Meria, ako sa farba materiálu zachováva v rôznych podmienkach.

Deštruktívne vs. nedeštruktívne testovanie

Deštruktívne skúšanie (DT) a Nedeštruktívne skúšanie (NDT) sú dva hlavné prístupy používané na hodnotenie vlastností a výkonnosti materiálov. Kľúčový rozdiel spočíva v tom, či sa testovaný materiál počas testovacieho procesu poškodí alebo zmení.

Deštruktívne skúšanie (DT)

**Deštruktívne testovanie** zahŕňa testy, ktoré spôsobujú trvalú zmenu alebo zničenie testovanej látky, ako naznačuje tento pojem. Účelom týchto skúšok je zvyčajne zistiť mechanické vlastnosti materiálu v náročných podmienkach.

Vlastnosti:

• Poškodenie materiálu: Zvyčajne sa materiál počas testovania zničí alebo radikálne zmení.
• Prípad použitia: Keď je dôležité poznať konečné obmedzenia výkonu materiálu alebo keď vzorka nie je potrebná na budúce použitie.
• Nákladové dôsledky: Zvyčajne je nákladnejší, pretože si vyžaduje viac vzoriek, ale poskytuje presné a komplexné údaje.

Výhody:

• Ponúka presné informácie o konečných limitoch látky.
• Umožňuje posúdiť spôsoby porúch (napríklad lámanie a praskanie) v náročných podmienkach.

Nevýhody:

• Ak sa vzorka zničí, nemožno ju znovu použiť.
• Potrebuje veľa vzoriek na rôzne testovanie, ktoré môže byť nákladné a časovo náročné.

Nedeštruktívne skúšanie (NDT)

Nedeštruktívne skúšanie sa vzťahuje na skupinu techník používaných na hodnotenie vlastností materiálu, súčiastky alebo konštrukcie bez toho, aby došlo k ich poškodeniu. NDT umožňuje testovanie materiálov v ich prevádzkovom stave a používa sa na zisťovanie chýb alebo hodnotenie výkonnosti bez toho, aby sa vzorka zmenila alebo zničila.

Vlastnosti:

• Žiadne poškodenie materiálu: Vzorka zostáva neporušená a po testovaní sa zvyčajne môže znovu použiť.
• Prípad použitia: Ideálne na kontrolu veľkého množstva materiálov, hotových výrobkov alebo komponentov prebiehajúcej služby bez vplyvu na funkčnosť.
• Nákladové dôsledky: Časom je menej nákladná, pretože si nevyžaduje zničenie vzoriek materiálu. Je tiež časovo efektívnejšia pri testovaní veľkých dávok alebo materiálov v prevádzke.

Výhody:

• Materiál sa môže po testovaní znovu použiť.
• Môže sa vykonávať priamo na mieste, najmä v prípade veľkých konštrukcií (napr. mosty, potrubia, lietadlá).
• Umožňuje rýchle výsledky a minimálne narušenie výroby alebo prevádzky.

Nevýhody:

• Nemôžu poskytnúť také podrobné informácie o mechanických vlastnostiach materiálu ako deštruktívne metódy.
• Detekcia niektorých typov defektov (napr. hlbokých trhlín) môže byť pri niektorých metódach NDT obtiažna alebo nemožná.
• Na získanie presných výsledkov je potrebný špecializovaný výcvik a vybavenie.

Porovnávacia tabuľka:

Štandardné metódy skúšania materiálov

Niekoľko organizácií vyvíja a uverejňuje štandardizované testovacie metódy na zabezpečenie konzistentnosti a spoľahlivosti pri hodnotení materiálov. Tu sú niektoré kľúčové organizácie a ich príspevky:

ASTM International
Nedávno známa ako Americká spoločnosť pre testovanie a materiály (ASTM), teraz známa ako ASTM International, vyvíja a publikuje dobrovoľné konsenzuálne normy pre materiály, výrobky, systémy a služby. Ich normy sa vzťahujú na širokú škálu materiálov vrátane kovov polymérov a kompozitov. astm.org

Medzinárodná organizácia pre normalizáciu (ISO)
ISO je nezávislá mimovládna medzinárodná organizácia, ktorá vyvíja a vydáva medzinárodné normy. Majú všetky druhy noriem týkajúcich sa testovania vrátane mechanických vlastnostímateriálov chemického zloženia a environmentálnych vlastností.

Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS)
Projekt VAMAS je medzinárodná organizácia zameraná na spoluprácu pri vývoji noriem pre pokročilé materiály. Zapájajú sa do neho národné metrologické inštitúty univerzitné výskumné inštitúcie apriemysel. Sú to prvotriedni odborníci v tejto oblasti, pretože sa zaoberajú veľmi technickými vedeckými témami.Wikipedia

Americký národný normalizačný inštitút (ANSI)
ANSI (American National Standards Institute) je organizácia, ktorá ich všetky v Spojených štátoch preskúmala. Je to miesto, kam všetci prichádzajú, aby sa oboznámili so všetkými normami pre všetky tieto rôzne testovacie zariadenia a s tým, ako používať testovacie metódy. webstore.ansi.org

Výzvy pri testovaní materiálov

1. Nedôsledná príprava vzorky

Rôzne spôsoby prípravy vzorky môžu viesť k rôznym výsledkom vášho testu. Veci, ako napríklad tvar, v akom ste ju vyrezali, chyby alebo defekty spôsobené obrábaním a zvlnenie vlákien, môžu mať vplyv na to, ako dopadne fyzikálne testovanie. Opäť musíte byť konkrétny v tom, čo musia ľudia urobiť.

2. Faktory prostredia

Testovacie kritérium môže byť ovplyvnené napríklad teplotou vlhkosťou alebo ak sa materiál znečistí. Kontrolujte tieto premenné, pretože všetky môžu ovplyvniť výsledok vášho testu.

3. Obmedzenia zariadenia

Všetky testovacie zariadenia majú svoje limity. Môže mať problémy s kapacitou, presnosťou alebo kompatibilitou materiálov. Výsledok testu môže byť poškodený mechanickou poruchou, softvérovými chybami alebo problémami s kalibráciou.

4. Variabilita materiálu

Dutiny v usporiadaní vlákien a oblasti bohaté na živicu a oblasti s nedostatkom živice môžu spôsobovať variabilitu kompozitov v procese výroby a vo finále. Rozptyl mechanických vlastností môže v dôsledku tejto nepredvídateľnosti sťažovať definovanie konštrukčných prípustných hodnôt.

5. Obavy o bezpečnosť

Testovanie môže zahŕňať nebezpečné predmety alebo nebezpečné prostredie. Pracovníci vykonávajúci testovanie sú za týchto okolností vystavení nebezpečenstvu. Samozrejme, organizácia musí obmedziť riziko zavedením vhodných postupov a zaškolením pracovníkov, ktorí používajú tento druh testovania, aby zaobchádzali s nebezpečnými predmetmi alebo okolnosťami.

6. Správa údajov

Testovanie napokon prináša množstvo údajov. Zhromažďovanie, analýza a interpretácia všetkých týchto údajov môže byť náročná, preto potrebujete spoľahlivé riešenia na správu údajov, aby ste mohli prijímať najlepšie rozhodnutia založené na testovaní.

7. Rozpočtové a časové obmedzenia

Testovanie je náročné na zdroje, čas a peniaze. Chcete urobiť čo najlepší test, ale máte obmedzený čas a peniaze. Kombinácia týchto prvkov robí presné testovanie takmer paradoxným.

Čo sú aplikácie na testovanie materiálov?

1. Automobilový priemysel

Testovanie materiálov má v automobilovom priemysle zásadný význam pri posudzovaní komponentov motora, podvozku a bezpečnostných systémov. Testovanie zabezpečuje, aby materiály vydržali zaťaženie, teploty a podmienky prostredia, ktoré sa vyskytujú pri prevádzke vozidla. Tento postup je rozhodujúci pri navrhovaní automobilov, ktoré sú bezpečné a odolné.

2. Letecký priemysel

Letecký a kozmický priemysel potrebuje veci, ktoré vydržia extrémne podmienky vo vesmíre, vysoké rýchlosti a teploty a obrovský tlak pri pristávaní a štarte. Ak sa tieto materiály netestujú v reálnych podmienkach, zlyhávajú. Preto má FAA a ďalšie regulačné orgány prísne usmernenia týkajúce sa toho, čo sa očakáva pri testovaní týchto materiálov.

3. Stavebníctvo

V stavebníctve bude vaše vedecké vybavenie merať pevnosť a kvalitu materiálov. Na stavbách sa často testuje betón, aby sa zabezpečila potrebná pevnosť. Testujú oceľ, aby zabezpečili pevnosť akvalitu potrebnú na použitie v budove. Taktiež sa testujú chyby v kompozitných a iných materiáloch.

4. Energetický sektor

V energetickom sektore sa testujú materiály pre také veci, ako sú ropné plošiny a potrubia. Veterná turbína, ktorá je uprostred oceánu, musí odolať soli. Testuje sa pevnosť a pružnosť (v dôsledku rozťahovania a zmršťovania) solárnych panelov. Všetky tieto veci sa podrobujú skúškam, aby sa otestovali materiály.

5. Elektronický priemysel

V elektronike sa testujú najmä polovodičové materiály a niób a tantal. Testujú dosky s integrovanými obvodmi, aby sa uistili, že sú vyrobené v súlade s normami. Všetko, čo prechádza touto doskou, sa správne umiestňuje na svoje miesto. Testujú materiály vdisplejoch, aby sa uistili, že vydržia elektrické pôsobenie.

6. Farmaceutický priemysel

Vo farmaceutickom priemysle sa vykonáva veľa testov materiálov. Testujú sa materiály používané na balenie, aby sa zabezpečilo, že sa z nich nebude vylučovať olovo do materiálu výrobku. Kým je výrobok zapečatený a uskladnený, zložky obalu nemôžu nepriaznivo reagovať so skutočnými liečivými zložkami. Preto sa materiály testujú, aby sa o tom uistili.

7. Potravinársky a nápojový priemysel

V potravinárskom a nápojovom priemysle sa testujú materiály, aby sa zabezpečilo, že z obalov sa do potravín nevylučujú žiadne škodlivé látky. Napríklad, či plast uvoľňuje plyny? Nevyplavuje olovo alebo iné škodlivé látky do potravín? To všetko sa testuje.

Záver

Testovanie materiálov má zásadný význam pre všetky oblasti. Nikto nechce vyrábať toxické potraviny, ktorými by otrávil ľudí a bol zažalovaný. Nikto nechce vyrábať nebezpečné autá, ktoré spôsobujú nehody, a byť zažalovaný. Nikto nechce vyrobiť budovu, ktorá sa zrúti, a byť zažalovaný. Nikto nechce predávať výrobok, ktorý má v obale škodlivé materiály, ktoré sa dostávajú do potravín, pretože sa dostane pod žalobu. Bez ohľadu na to, čo robíte, nechcete, aby vás žalovali.