Zkouška ohybem patří společně se zkouškou tahem a tlakem mezi základní statické mechanické zkoušky materiálů. Jejím cílem je zjistit, jak se materiál chová při zatížení, které v průřezu vzorku vytváří kombinaci tahového a tlakového napětí. Pomocí zkoušky lze určit například pevnost v ohybu, ohybové napětí, deformaci, průhyb, tuhost nebo modul pružnosti v ohybu.
V praxi se zkouška ohybem používá při charakterizaci plastů, kovů, kompozitních materiálů, keramiky, dřeva, papíru a lepenky i vybraných zdravotnických výrobků.
Zásadní vlastností ohybového namáhání je rozdílné zatížení jednotlivých částí průřezu. Jedna strana zkušebního tělesa je namáhána tahem, protilehlá strana tlakem a mezi nimi se nachází neutrální osa, ve které je podélné normálové napětí teoreticky nulové.
Maximální tahové a tlakové napětí vzniká na povrchu vzorku. Zkouška ohybem proto může být velmi citlivá na povrchové vady, pórovitost, mikrotrhliny, orientaci vláken, nehomogenitu struktury nebo způsob výroby materiálu.
Co je zkouška ohybem a jaké vlastnosti materiálu stanovuje?
Během zkoušky je zkušební těleso definovaných rozměrů zatěžováno prostřednictvím jednoho nebo více zatěžovacích trnů. Zkušební zařízení současně zaznamenává působící sílu a deformaci, případně přímo průhyb zkušebního tělesa.
Z naměřené závislosti síla–průhyb lze podle konkrétní zkušební metodiky stanovit například:
- pevnost v ohybu,
- maximální ohybové napětí,
- deformaci při ohybu,
- modul pružnosti v ohybu,
- tuhost v ohybu,
- průhyb při definované síle,
- sílu nebo napětí při porušení,
- mezní deformaci,
- chování materiálu v elastické a plastické oblasti.
Význam jednotlivých veličin vždy závisí na zkoušeném materiálu a požadavcích příslušné technické normy. U konstrukčního plastu může být důležitý především modul a pevnost v ohybu, zatímco u křehké keramiky může být klíčovým výsledkem maximální napětí před vznikem lomu.
Jak probíhá zkouška ohybem: 3bodový a 4bodový ohyb
Podle způsobu podepření a zatěžování zkušebního tělesa lze rozlišit několik konfigurací. V materiálové zkušebně se nejčastěji používá 3bodová a 4bodová zkouška ohybem.
3bodová zkouška ohybem
Tříbodová zkouška ohybem patří mezi nejrozšířenější způsoby zkoušení ohybových vlastností materiálů.
Zkušební těleso je položeno na dvě spodní podpory a přesně mezi nimi na něj působí jeden horní zatěžovací trn. Maximální ohybový moment vzniká uprostřed rozpětí, tedy přímo pod zatěžovacím trnem.
Pro obdélníkové zkušební těleso lze při definovaných podmínkách maximální ohybové napětí vyjádřit vztahem:
σf = 3FL / (2bh²)
kde:
F je zatěžovací síla,
L vzdálenost mezi podporami,
b šířka zkušebního tělesa,
h jeho tloušťka.
Z tohoto vztahu je patrné, proč je při zkoušce ohybem velmi důležité přesné stanovení rozměrů vzorku. Tloušťka tělesa se ve výpočtu objevuje ve druhé mocnině, takže i relativně malá chyba při měření může způsobit výraznější odchylku vypočteného ohybového napětí.
4bodová zkouška ohybem
Při 4bodové zkoušce ohybem je zkušební těleso rovněž podepřeno na dvou místech, ale zatížení je přenášeno prostřednictvím dvou horních zatěžovacích trnů.
Mezi těmito trny vzniká oblast konstantního maximálního ohybového momentu. Maximálnímu namáhání proto není vystaven pouze jeden úzký průřez, ale větší část zkušebního tělesa.
To představuje důležitý rozdíl oproti 3bodové zkoušce. U čtyřbodového uspořádání může být výsledek citlivější na vady nacházející se v širší oblasti vzorku.
Pevnost v ohybu a modul pružnosti v ohybu
Jednou z hlavních veličin stanovovaných při zkoušce je pevnost v ohybu. Charakterizuje maximální ohybové napětí, kterého materiál během zatěžování dosáhne.
U křehkých materiálů bývá maximální hodnota zpravidla úzce spojena s okamžikem lomu. U houževnatých materiálů může být situace složitější, protože vzorek může před porušením vykazovat významnou plastickou deformaci.
Další významnou vlastností je modul pružnosti v ohybu, který charakterizuje tuhost materiálu při ohybovém zatížení.
U obdélníkového tělesa při tříbodovém ohybu lze v ideálním případě vycházet ze vztahu:
Ef = L³m / (4bh³)
kde m představuje směrnici lineární části závislosti síly na průhybu.
Při stanovování modulu je důležité velmi přesné měření deformace. Poloha příčníku zkušebního stroje nemusí vždy přesně odpovídat skutečnému průhybu vzorku, protože výslednou hodnotu může ovlivnit také poddajnost zkušebního rámu, přípravků a dalších částí měřicího řetězce.
Normy pro zkoušku ohybem podle materiálu
Aby byly výsledky zkoušky reprodukovatelné a vzájemně porovnatelné, musí být zkouška provedena podle vhodné technické normy.
Norma obvykle definuje nejen samotný princip zkoušky, ale také:
- rozměry a geometrii vzorku,
- vzdálenost podpor,
- poměr rozpětí k tloušťce,
- poloměr podpor a zatěžovacích trnů,
- rychlost zatěžování,
- podmínky přípravy vzorků,
- způsob výpočtu výsledných veličin,
- podmínky ukončení zkoušky.
Zkouška ohybem plastů – ISO 178 a ASTM D790
Mezi nejvýznamnější normy pro stanovení ohybových vlastností plastů patří ISO 178 a ASTM D790.
Tyto metody se používají zejména pro stanovení ohybového chování tuhých a polotuhých polymerních materiálů a umožňují určit například ohybové napětí, deformaci nebo modul pružnosti v ohybu.
Pro speciální zkoušení plastových výrobků metodou Dynstat se používá také DIN 53435.
Zkouška ohybem kompozitních materiálů
U kompozitních materiálů se lze setkat například s normami:
ISO 14125, ASTM D7264, EN 2562 a EN 2746.
U kompozitů má zásadní význam orientace vláken, skladba laminátu, směr odebrání zkušebního tělesa a poměr rozpětí mezi podporami k tloušťce vzorku.
Nevhodně nastavená geometrie může vést k tomu, že místo požadovaného ohybového porušení začne ve výsledku dominovat například smykové porušení nebo delaminace.
Zkouška ohybem kovů
Pro kovové materiály se používají například normy ISO 7438 a ISO 8491.
U zkoušení betonářské oceli se lze setkat také s metodami podle ISO 15630-1, ASTM E488 nebo BS 4449.
Pro některé specifické aplikace v automobilovém průmyslu se používá také zkušební předpis VDA 238-100.
Papír, lepenka, keramika a zdravotnické výrobky
Ohybové zkoušky mají význam také mimo klasické konstrukční materiály.
U papíru a lepenky se používají například normy ISO 2493-1, ISO 5628, DIN 53121 nebo DIN 54608.
V oblasti dentální a technické keramiky lze pracovat například podle ISO 6872 nebo EN 843-1.
Pro některé zdravotnické výrobky existují specifické normované zkoušky. Příkladem může být ISO 9626 pro určité vlastnosti jehel nebo ISO 9585 a ASTM F382 používané v oblasti zkoušení kostních dlah.
Volba správné normy proto musí vždy vycházet z konkrétního typu materiálu, geometrie výrobku a požadované mechanické charakteristiky.
Jaký zkušební stroj je vhodný pro zkoušku ohybem?
Pro většinu statických ohybových zkoušek jsou vhodné moderní univerzální zkušební stroje.
Jejich hlavní výhodou je univerzálnost. Po výměně zkušebního přípravku lze jeden systém používat nejen pro zkoušku ohybem, ale také pro tahové, tlakové a další statické mechanické zkoušky.
Pro aplikace vyžadující široký rozsah zatížení a laboratorní flexibilitu lze využít například systémy Criterion. Podle konkrétní konfigurace jsou vhodné pro různé typy statických mechanických zkoušek a umožňují kombinovat zkušební rám s odpovídajícími snímači síly a přípravky.
Další možnost představují univerzální systémy Exceed, které lze využít při statickém zkoušení kovových, polymerních, kompozitních a dalších materiálů.
Při výběru stroje pro zkoušku ohybem však není rozhodující pouze jeho maximální zatěžovací kapacita. Důležité je zohlednit také:
- rozsah a přesnost snímače síly,
- velikost a geometrii vzorků,
- maximální očekávaný průhyb,
- pracovní prostor zkušebního rámu,
- rozsah rychlostí zatěžování,
- přesnost měření deformace,
- vhodný 3bodový nebo 4bodový ohybový přípravek,
- možnost přesného nastavení vzdálenosti podpor,
- geometrii a poloměry zatěžovacích trnů,
- software pro řízení a automatické vyhodnocení zkoušky.
Co ovlivňuje přesnost zkoušky ohybem?
Výsledek ohybové zkoušky není závislý pouze na kvalitě samotného zkušebního stroje. Významnou roli hraje celý měřicí řetězec a geometrie zkušebního uspořádání.
Jedním z nejdůležitějších parametrů je vzdálenost podpor. Pokud je rozpětí vzhledem k tloušťce vzorku příliš malé, může se ve výsledku výrazněji projevit smykové napětí a zkouška již nemusí odpovídat předpokládanému modelu ohybového namáhání.
Důležité jsou také poloměry podpor a zatěžovacích trnů. Příliš malý poloměr může vytvářet vysoké lokální kontaktní napětí, deformovat povrch materiálu nebo iniciovat porušení přímo v místě kontaktu.
U anizotropních materiálů, například kompozitů, válcovaných výrobků nebo materiálů vyráběných aditivními technologiemi, musí být přesně definována také orientace vzorku vůči směru materiálové struktury.
Stejně důležitá je příprava zkušebních těles. Poškozené hrany, mikrotrhliny vzniklé obráběním, nepřesná tloušťka nebo nekvalitní povrch mohou způsobit koncentraci napětí a předčasné porušení.
Proč je zkouška ohybem důležitá pro vývoj a kontrolu kvality?
Zkouška ohybem poskytuje informace o mechanickém chování materiálu, které nelze vždy plnohodnotně získat pouze tahovou nebo tlakovou zkouškou.
Velký význam má například u křehkých materiálů, u kterých může být příprava a spolehlivé upnutí vzorků pro tahovou zkoušku technicky obtížnější.
V průmyslové praxi lze zkoušku ohybem využít například pro:
- vývoj nových materiálů,
- porovnávání různých materiálových variant,
- vstupní kontrolu surovin,
- kontrolu výrobních šarží,
- validaci změny dodavatele,
- sledování stability výrobního procesu,
- výzkum vlivu teploty nebo stárnutí,
- ověřování mechanických vlastností finálního produktu.
Správně provedená zkouška ohybem proto není pouze otázkou působení zatěžovacího trnu na vzorek a zaznamenání maximální síly. Pro získání reprodukovatelných a technicky využitelných výsledků je nezbytná kombinace vhodného zkušebního stroje, přesného měřicího systému, správně zvoleného ohybového přípravku, kvalitně připraveného zkušebního tělesa a dodržení požadavků příslušné normy.
Vhodně nakonfigurované univerzální zkušební stroje navíc umožňují na jedné platformě provádět nejen ohybové zkoušky, ale také zkoušky tahem, tlakem a další statické testy. Laboratoř tak může s jedním zkušebním systémem pokrýt širokou škálu materiálových aplikací a současně zachovat jednotné řízení zkoušek, sběr dat a vyhodnocování výsledků.
