Ispitivanje mehaničkih karakteristika materijala

Modul elastičnosti: Koliko je materijal krut?

Modul elastičnosti (Jangov modul elastičnosti) predstavlja meru krutosti materijala i definiše se kao otpornost materijala na elastičnu deformaciju.

Modul savijanja (eng. flexural modulus, bending modulus) jednak je modulu elastičnosti za izotropne materijale, kao što su staklo, metal i polimeri. U poređenju sa mekim materijalima, za deformisanje veoma krutih materijala, neophodno je primeniti silu većeg intenziteta. Visoka vrednost modula savijanja ukazuje na čvršći materijal, poput dijamanta, dok nizak modul savijanja ukazuje na elastični materijal, poput gumene trake.

Modul elastičnosti E (Jangov modul) može da se definiše kao odnos normalnog napona u poprečnom preseku epruvete i odgovarajućeg izduženja (skraćenja) u području proporcionalnosti.

Savijanje materijala

Izduženje: Da li će se materijal saviti i istegnuti?

Elongacija definiše koliko se materijal može istegnuti bez lomljenja ili stvaranja pukotina.
Čvrsti materijali, kao što je krta – tvrda plastika, obično formiraju malo izduženje pri lomljenju, dok se neki meki, elastični materijali mogu rastegnuti do nekoliko puta sopstvene dužine pre loma.

Izduženje, ili elongacija, definiše se kao razlika između dužine epruvete nakon loma i prvobitne dužine (nenapregnute) epruvete, podeljene sa prvobitnom dužinom (nenapregnute) epruvete.

Duktilni materijali, na primer – većina guma, imaju veliko izduženje, dok krti materijali kao što su stakla i keramike imaju tendenciju da se vrlo malo izduže pre kidanja, jer se ne deformišu plastično.

Zatezanje materijala

Zatezna čvrstoća: Hoće li se materijal slomiti pod adekvatnim opterećenjem?

Zatezna čvrstoća predstavlja otpornost materijala na lom, odnosno maksimalan napon kojim se materijal može opteretiti na zatezanje, a da pritom ne dođe do loma.

Materijal sa visokom zateznom čvrstoćom otporan je na lom pod zatezanjem. Krajnja zatezna čvrstoća označava maksimalni napon koji materijal može da izdrži dok se isteže ili vuče pre loma. Materijali sa visokom zateznom čvrstoćom uključuju ugljenik, staklo i čelik.

Kada se postigne ovaj maksimalni napon, krti materijali se veoma oštro lome, bez plastične deformacije, dok duktilne materijale karakteriše neka plastična deformacija pre loma.

Danas je 3D štampa napredovala tako da je u stanju da pruži zateznu čvrstoću uporedivu sa tradicionalnom brizganom plastikom, kao što su PP (polipropilen) i ABS.

Napon tečenja

Granica tečenja ili napon tečenja je svojstvo materijala definisano kao napon pri kojem materijal počinje da se plastično deformiše, dok je granica tečenja tačka gde počinje nelinearna (elastična + plastična) deformacija. Pre tačke tečenja, materijal će se elastično deformisati i vratiće se u prvobitni oblik kada se primenjeni napon ukloni. Kada se pređe tačka popuštanja, neki deo deformacije će biti trajni i nepovratni.

Žilavost: Da li materijal može da apsorbuje udar?

Žilavost je sposobnost materijala da reaguje na iznenadne udare, apsorbuje udarnu energiju i plastično se deformiše bez loma, tj sposobnost nekog materijala da se suprotstavi dejstvu udara.

Ukoliko se za lom uzorka dinamičkim udarom utroši veći rad, utoliko se taj materijal smatra žilavijim. Materijali sa malom žilavošću najčešće su tvrdi i krti. Između žilavosti i zatezne čvrstoće postoje velike razlike u međusobnim odnosima, tako mnogi materijali iste zatezne čvrstoće imaju različite vrednosti žilavosti. Materijali koji imaju veće vrednosti zatezne čvrstoće i manju kontrakciju, po pravilu imaju i manju žilavost.

Jednostavnije rečeno – žilavi materijali mogu se ispustiti na pod bez lomljenja. U materijale visoke žilavosti spadaju polikarbonati (PC) i najloni.

Udarno opterećenje materijala

U saradnji sa Inovacionim centrom Mašinskog fakulteta u Beogradu, rađeno je ispitivanje mehaničkih svojstava epruveta od različitih vrsta materijala izrađenih FDM tehnologijom 3D štampe.  Ispitivanja su sprovedena na univerzalnoj mašini za ispitivanje mehaničkih svojstava materijala. 

MaterijalModul elastičnosti [MPa]Maksimalna sila [N]Zatezna čvrstoća [MPa]Maksimalno izduženje [%]Napon tečenja [MPa]Žilavost [J]
PLA-X 3D Republika3903.461392.6334.81589.2593434.011310.3684
PET-G 3D Republika2116.131986.149.652617.150335.406415.1837
ABS-X 3D Republika2181.411650.9341.27333.7642933.43024.55841
Novamid® ID1030-CF103936.992317.1357.92837.7397324.747414.8553
Novamid® ID10702052.021664.9741.62425.2400223.93477.38364
Carbon 3D Republika5983.522159.3853.98461.4361545.73042.15318
PP 3D Republika328.762501.31212.5328438.8013.61037180.956
Tabelarni prikaz dobijenih vrednosti različitih mehaničkih osobina ispitivanih materijala

Po rezultatima prikazanim u tabeli može se zaključiti da se vrednosti parametara dobijeni za polipropilen (PP) značajno razlikuju od dobijenih vrednosti za ostale materijale – sa niskim vrednostima modula elastičnosti, zatezne čvrstoće i naponom tečenja i izrazito visokim vrednostima elongacije i žilavosti.