PREIZKUŠEVALIŠČE ZA DINAMIČNO PREIZKUŠANJE MATERIALOV
V znanosti in sodobni inženirski praksi se strokovnjaki vedno bolj osredotočajo na različno obnašanje materialov glede na tip obremenitve, ki so ji izpostavljeni. Tako se ustrezno hitro razvijajo materiali, namenjeni raznim dinamičnim aplikacijam. Za preizkušanje omenjenih materialov klasične kvazistatične metode preizkušanja niso ustrezne. Zato se pojavlja potreba po drugačnih metodah preizkušanja, ki bodo zmogle uspešno kvalitativno kot tudi kvantitativno določati lastnosti materialov, izpostavljenih hitrim obremenitvam. Ena izmed takšnih metod je test Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB).
Celotna ideja temelji na ugotovitvi, da se material obnaša precej drugače, če obremenitve trajajo manj časa. Material more prenesti višje obremenitve, kadar jim je izpostavljen krajši čas. Seveda nas za uspešno uporabo materiala v takšnih aplikacijah zanima, koliko večjo obremenitev material more prenesti. V strokovnih vodah se spreminjanje odziva materiala v odvisnosti od hitrosti obremenjevanja imenuje viskoplastično obnašanje materiala.
PREIZKUŠEVALIŠČE NA FS UM
Iz omenjenih razlogov smo se na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru odločili skonstruirati in zgraditi SHPB-preizkuševališče. Preizkuševališče, ko bo seveda umerjeno, nam bo omogočalo konkurenčnost na tem razvijajočem se področju. Sam princip takega preizkušanja je bil razvit že v dvajsetih letih prejšnjega stoletja in izpopolnjen konec petdesetih let prejšnjega stoletja. Takrat je tudi preizkuševališče dobilo končno obliko, kot jo poznamo še danes. Sama metoda je dobila ime po znanstveniku, ki jo je prvi predlagal, Bertramu Hopkinsonu.
Preizkuševališče je sestavljeno iz nosilne konstrukcije, ki mora biti ustrezno toga in robustna, da se bo med preizkusom deformirala. Prav tako mora biti prva lastna frekvenca konstrukcije dovolj visoka, da med preizkusom ne pride v resonanco. Zadnja pomembna lastnost nosilnega ogrodja pa je masa. Ta mora biti dovolj velika, da se konstrukcija ne bo ob udarcih premikala po prostoru.
Na nosilno konstrukcijo je pritrjen del, na katerem se odvijajo dejanski preizkusi. Ta del lahko razdelimo na dve enoti. Prva enota je mehanska. Sestavljajo jo titanove merilne palice in aluminijaste podpore ter udarno telo iz titana, ki generira napetostni val, ko trči v merilne palice. Druga enota je pnevmatski del oziroma pospeševalni del, kjer se energija prenaša na gibljive elemente preizkuševališča in tako v mehanski del.
Slika 1: Shematski prikaz preizkuševališča
Metoda temelji na predpostavki ohranitve energije in enodimenzionalnega propagiranja napetostnega vala po palici, zato so soosnost, ravnost ter okroglost palic izrednega pomena. Če omenjeni parametri niso znotraj določenih meja, se napetostni valovi v palicah ne obnašajo kot enodimenzionalni, sam preizkus pa je neveljaven. V skladu s teorijo enodimenzionalnih napetostnih valov imamo v fizikalnem smislu primer, analogen nihanju končne strune, ki ga brez težav rešimo z upoštevanjem osnovnih predpostavk preizkuševališča in uporabo ustreznih numeričnih metod.
Pri preizkusu sta vstopna in izstopna palica na ustreznih mestih opremljeni z merilnimi lističi. Mesta morajo zagotavljati, da se napetostni valovi ne bodo prekrivali, saj bi to pokvarilo meritev, ki nam ne bi izmerila podatkov, ki jih potrebujemo za določitev karakteristik materiala. Merilni lističi zaradi deformiranja spreminjajo svojo upornost, kar se ustrezno odraža v spremembi napetosti v njih. Iz spremembe napetosti in z upoštevanjem podanih karakteristik merilnega lističa lahko potem izmerjen signal pretvorimo v ustrezne diagrame napetosti v odvisnosti od deformacije za določeno hitrost obremenjevanja. Tako pridobimo potrebne krivulje, ki jih kasneje uporabljamo v inženirski praksi pri konstruiranju dinamično obremenjenih konstrukcij.
Slika 2: Slika postavljenega SHPB preizkuševališča
UPORABNOST PREIZKUŠEVALIŠČA
Preizkuševališče je namenjeno preizkušanju kovinskih materialov, ki imajo majhno mejo plastičnosti. Seveda obstajajo preizkuševališča, ki lahko preizkušajo odpornejše materiale, kar pa v zameno zahteva močnejše merilne palice, ki prenesejo večje obremenitve. V osnovi se vzpostavljanje takšnih preizkuševališč izvaja postopno. Začne se z najbolj preprosto izvedbo, narejeno za preizkušanje najšibkejših materialov. Ko sta tehnologija in merjenje dodobra osvojena, se potem preizkuševališča nadgrajujejo. Pripravijo se odpornejše merilne palice, ki se potem implementirajo v preizkuševališče, in tako omogočijo preizkušanje močnejših materialov. Dejansko nas pri preizkušanju omejuje zgolj mejna vrednost dopustne napetosti za merilne palice.
Če hočemo prilagoditi preizkuševališče za preizkušanje drugih, nekovinskih materialov, je to mogoče narediti z nekaterimi prilagoditvami. Za različne tipe materialov potrebujemo različno dolžino napetostnega vala, ki pa je definirana z dolžino udarnega telesa. Tako da moramo samo spremeniti dolžino tega. To nam posledično omogoča generacijo daljših ali krajših napetostnih valov, odvisno od tega, kako dolge napetostne vale potrebujemo za preizkušanje želenega materiala.
Omenjeno preizkuševališče že obratuje na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru in kaže obetavne rezultate. Z vzpostavitvijo preizkuševališča in njegovim umerjanjem so se na fakulteti odprle številne nove možnosti za raziskovalna in zaključna dela. V sodelovanju s slovensko industrijo bi lahko odlično izkoristili potencial preizkuševališča. Kako dobro bo dejansko izkoriščen potencial, pa je odvisno zgolj od interesa slovenske industrije.