Podstawowe metody wyznaczania wytrzymałości materiałów to:

• statyczna próba rozciągania
• statyczna próba odporności na ściskanie
• statyczna próba odporności na zginanie
• próby zmęczeniowe

Statyczna próba rozciągania

Metoda ta polega na osiowym rozciąganiu próbki do momentu jej zerwania. Podczas próby mierzona jest siła działająca na próbkę oraz jej wydłużenie. Wynik próby przedstawiany jest na wykresie w postaci krzywej naprężenie w funkcji odkształcenia d = f(e). Dzięki tym parametrom oraz krzywej możemy określić właściwości badanego materiału takie jak : moduł Younga E, granicę plastyczności R_p0,2, R_e oraz wytrzymałość na zrywanie R_m. W statycznej próbie rozciągania można badać takie materiały jak: metale, tworzywa sztuczne, ceramikę, tkaniny, materiały drewniane i kompozyty.
Metoda przeprowadzana jest według międzynarodowych standardów, dzięki czemu otrzymane wyniki są wiarygodne i porównywalne.

Statyczna próba odporności na ściskanie

Pomijając siły tarcia działające przy podstawach próbki można powiedzieć, że metoda ta jest odzwierciedleniem próby rozciągania, gdzie na badany materiał działa jednoosiowy stan naprężeń zwrócony ku sobie, powodujący jego ściskanie prowadzące do zwiększenia wymiarów poprzecznych próbki.
Istotne w tej próbie są wymiary próbki. Ich wysokość musi być nieznacznie mniejsza od średnicy po to aby nie dopuścić do wyboczenia.

W materiałach o wysokiej plastyczności takich jak miedź, cyna i ich stopy oraz stal niskowęglowa nie można wyznaczyć wyraźnej granicy wytrzymałości na ściskanie. Podczas próby materiał po przekroczeniu granicy sprężystości odkształca się trwale (płynie) do momentu wyczerpania zakresu siłomierza, brak jest też widocznych pęknięć. Krzywa rejestrowana podczas takiej próby nie posiada charakterystycznych punktów Rplc i Rc.

Inaczej jest podczas ściskania materiałów kruchych takich jak np. żeliwo. Próbka w czasie takiego testu mniej odkształca się plastycznie przyjmując kształt baryłki oraz charakterystyczne pęknięcia ukośne. Krzywa dla takiego materiału od samego początku testu posiada charakter krzywoliniowy.

Zginanie trójpunktowe

Metoda obciążenia trójpunktowego (zginanie) wykorzystywana jest do wyznaczania wytrzymałości na zginanie, moduły sprężystości przy zginaniu, umownej granicy plastyczności i odkształcenia przy zginaniu. Dzięki tej metodzie można wyliczyć największe naprężenia powstające w materiale podczas ich zginana.
Istotnymi parametrami mającymi wpływ na wyniki są: obciążenie, szybkość obciążenia, geometria stempla dociskającego, geometria próbki oraz zakres maksymalnego ugięcia (m.in. kąt ugięcia próbki).
Ważne jest też aby materiał do badania miał większą podatność na odkształcenie niż materiał podpory.
Próba zginania trójpunktowego polega na obciążaniu siłą w środku, swobodnie podpartej próbki

Próby zmęczeniowe

Celem przeprowadzania testów zmęczeniowych jest wyznaczanie wytrzymałości materiałów na cykl powtarzających się obciążeń lub naprężeń w określonym czasie.
Badanie to polega na przykładaniu siły na badaną próbkę do momentu jej zniszczenia. Podczas takiego testu można wyznaczyć liczbę cykli ( obciążanie – odciążanie) prowadzących do zniszczenia próbki. Dodatkowo dostajemy informacje o rodzaju deformacji i zachowaniu podczas pękania oraz o możliwych wadach występujących w materiale.
Dzięki takim testom można określić granicę wytrzymałości zmęczeniowej (poziom cykli obciążenia oraz ich liczbę), przy której materiał nie ulegnie zniszczeniu w warunkach rzeczywistych.

Podstawowe właściwości materiałów wyznaczane w badaniach wytrzymałościowych

• R_m [MPa] – maksymalne naprężenie jakie materiał może przenieść zanim zostanie zerwany
• R_e [MPa] – granica plastyczności to wartość naprężenia, gdzie po jego przekroczeniu materiał ulega nieodwracalnemu odkształceniu
• R_p0,2 [MPa] – jest to umowna granica plastyczności stosuje się ją dla materiałów, które nie posiadają wyraźnej granicy plastyczności Re. Wartość ta wyznaczana jest gdy próbka ulegnie odkształceniu równym 0,2%
• R_u [MPa] – naprężenie przy którym następuje zerwanie materiału
• R_sp [MPa] – granica sprężystości materiału, po którym przekroczeniu materiał przestaje powracać do pierwotnego stanu mimo jego odciążenia. Za umowną granicę sprężystości dla próby rozciągania uważa się siłę równą 0,05% a dla ściskania 0,01%
• R_H [MPa] – granica proporcjonalności to naprężenie, gdzie po jego przekroczeniu materiał nie podlega prawu Hooke’a
• A [%] – wydłużenie jako stosunek długości próbki do długości początkowej
• Prawo Hooke’a – naprężenie normalne przy rozciąganiu/ściskaniu równe stosunkowi siły F rozciągającej/ściskającej do pola przekroju prostopadłego S do działającej siły
• Moduł Younga E [GPa] – moduł sprężystości wzdłużnej charakteryzujący odporność materiału na odkształcenia zarówno przy rozciąganiu jak i ściskaniu. Im większy moduł E tym mniej odkształca się materiał
• R_c – wytrzymałość na ściskanie
• R_plc – wyraźna granica plastyczności

Parę słów o urządzeniach i kluczowych czynnikach

Do badań wytrzymałości wykorzystuje się maszyny wytrzymałościowe, które na pierwszy rzut oka są prostymi urządzeniami. Najważniejszy jest w tym przypadku dobór odpowiedniej skali urządzenia do badanych próbek. Drugim kluczowym czynnikiem jest stosowanie odpowiedniego rodzaju mocowania i czujników o odpowiedniej klasie dokładności. Na przykładzie naszego wyposażenia poniżej przedstawiamy więcej szczegółów.

Jako przykład podamy to co posiadamy w naszym laboratorium

Nasze Laboratorium wyposażonej jest w maszyny wytrzymałościowe firmy Galdabini. Są to maszyny Quasar 2.5 kN i Quasar 25, które możliwiają wykonanie badań wytrzymałościowych zgodnie z powyżej opisanymi metodami. Nasze urządzenia spełniają lub przekraczają wymagania standardów: UNI-EN-ISO 7500/1, ASTM E4, i analogicznych. Dodatkowo posiadamy wyposażenie takie jak ekstensometr model Micron, wykorzystywany do dokładnych pomiarów odkształceń liniowych różnych materiałów. Dzięki jego zastosowaniu możemy dokładnie określić takie parametry jak: granicę plastyczności i jej wydłużenie, wytrzymałość na rozciąganie i współczynnik odkształcenia.

Materiały

w zależności od rodzaju materiału, jego wytrzymałości i wymagań proceduralnych, wykorzystywane są maszyny różnych rozmiarów. Ważne więc jest dobranie odpowiedniej skali urządzenia i czujników, bo tak na prawdę to ma bezpośredni wpływ na dokładność pomiaru.  Nie ma większego ograniczenia co do typu materiału i możliwe jest badanie praktycznie każdego rodzaju wyrobu, kwestią jest jedynie ustalenie odpowiedniej procedury i prawidłowe zamocowanie próbki.

Geometria

W badaniu wytrzymałościowym bardzo ważna jest geometria próbki. Ma to wpływ na schemat badawczy i stosowane urządzenia. Głównie chodzi tu o maksymalną siłę obciążającą, dokładność, i sposób mocowania próbki. Generalnie bada się poniższe rodzaje próbek:

• próbki przygotowane według określonych standardów ISO / ASTM np. „wiosełka”
• próbki jako gotowe wyroby producenta
• próbki przygotowane zgodnie z normami lub wymaganiami wewnętrznymi klienta