Razvoj i optimizacija laboratorijske kidalice namenjene ispitivanjima materijala sa aspekta minimizacije grešaka merenja i cene koštanja

Abstract

REZIME: U disertaciji je predstavljen proces razvoja male, laboratorijske kidalice za ispitivanje različitih materijala na zatezanje pri sobnim, povišenim i visokim temperaturama. Pregled literaturnih izvora pokazao je da postoji opravdana potreba za razvojem uređaja koji će pouzdano i sa zadovoljavajućom tačnošću moći da vrše ispitivanja materijala čiji su uzorci nestandardnih oblika i dimenzija, malih poprečnih preseka. Zatezanje takvih uzoraka se vrši pri relativno malim silama zatezanja, do 2000 N, tako da je dobrim tehničko-tehnološkim pristupom mogao da nastane uređaj odgovarajuće krutosti, kod koga je popustljivost podsklopova konstrukcije mogla da bude svedena na minimum. U radu je posebna pažnja posvećena popustljivosti koja se javlja u steznim čeljustima, na delu gde se vrši prihvat i pozicioniranje epruvete. Imajući u vidu da je izvor potencijalno najvećih grešaka merenja sila i izduženja, u radu je predstavljen nov model prihvata i stezanja epruvete u stezne čeljusti, kako bi se minimizirao njegov uticaj na greške merenja. Verifikacija rezultata ekperimentalnih ispitivanja vršena je poređenjem sa rezultatima dobijenim ispitivanjem materijala na konvencionalnoj kidalici sa ekstenziometrom, na osnovu prethodno razvijenih analitičkih izraza vezanih za neizvesnost određivanja modula elastičnosti, karakteristike materijala koja je najosetljivija na greške merenja jako malih vrednosti izduženja u oblasti elastičnih deformacija. Definisani su faktori koji utiču na neizvesnost merenja modula elastičnosti. Određene su analitičke granice neizvesnosti modula elastičnosti, odnosno granice „prihvatljivih“ neizvesnosti. Srednje vrednosti neizvesnosti modula elastičnosti su 1.97% na konvencionalnom uređaju za ispitivanje zatezanjem sa ekstenziometrom i 1.56% na malom laboratorijskom uređaju za ispitivanje zatezanjem. U području manjih sila i malih izduženja neizvesnost merenja modula elastičnosti ima veće vrednosti, što je prvenstveno uzrokovano nesavršenostima mernih instrumenata [S. Kostić, 2021]. Zbog svog oblika i geometrijskih karakteristika, epruveta koja se koristi za ispitivanje materijala na maloj, laboratorijskoj kidalici je posmatrana kao elastični sistem, odnosno razvijen je analitički model koji kao rezultat daje veličine izduženja u svim zonama epruvete (zona radijusa i krajeva epruvete za prihvat). Na taj način je moguće izvršiti korekciju izmerenog izduženja, koje ne predstavlja izduženje samo mernog dela epruvete i uticati na minimizaciju grešaka merenja. Za potrebe ispitivanja materijala na povišenim i visokim temperaturama razvijen je modul sa komorom, koja je energetski efikasan sistem, sa odgovarajućim opsegom i kontrolom zadate temperature. Poređenje dobijenih rezultata ispitivanja sa rezultatima dostupnim u literaturi je pokazalo da je u pitanju pouzdan i tačan sistem. Uzevši sve u obzir, mala laboratorijska kidalica mogla bi da se primeni kako u obrazovanju studenata, tako i u industriji i istraživanjima u oblasti ispitivanja materijala.

ABSTRACT: The dissertation presents a process of developing a small, laboratory device for tensile testing of various materials at room, elevated and high temperatures. A literature review has shown that there is a legitimate need to develop a device that will be able to reliably and with satisfactory accuracy perform tests of materials whose samples are of non-standard shapes and dimensions, with small cross-sections. Tensile testing of such specimens is performed at relatively low tensile forces, up to 2000 N, so that a proper technical-technological approach could create a device of appropriate stiffness, where the compliance of the subassemblies of the structure could be reduced to a minimum. The paper pays special attention to the compliance that occurs in the clamping jaws, in the part where the specimen is positioned and fixed. The clamping system causes potentially the largest errors of force and elongation measurements. To minimize the influence of this source of errors, a new model of clamping system was developed. The experimental results were verified by being compared to the results obtained on a conventional tensile testing device with an extensometer. The comparison was based on previously developed analytical expressions related to the uncertainty in the elastic modulus, as the characteristics of the material that is the most sensitive to the errors in measurement of very small elongations in the elastic region. Factors influencing the uncertainty of measuring the elastic modulus were defined. Analytical limits of the uncertainty in the elastic modulus, i.e. the limits of „acceptable“ uncertainties, were determined. The mean values of the uncertainties in the elastic modulus are 1.97% on a conventional tensile testing device with an extensometer and 1.56% on a small laboratory tensile testing device. In the region of lower forces and small elongations, the uncertainty in the elastic modulus measurement has higher values, which is primarily caused by the imperfections of measuring instrumentation [S. Kostić, 2021]. Due to its shape and geometric characteristics, the specimen used for testing the material on a small, laboratory tensile testing device was observed as an elastic system. An analytical model was developed, enabling the determination of elongation values in all test zones (radius zone and end of the test specimen). In that way, it is possible to correct the measured elongation, which comprises not only the initial gauge length of the test specimen, and to influence the minimization of measurement errors as well. For testing materials at elevated and high temperatures, a module with a chamber was developed, an energy efficient system that has the appropriate range and control of the set temperature. After the obtained test results were compared to the results available in the literature, it proved to be a reliable and accurate system. All things considered, a small laboratory tensile testing device could find a very significant application in education, industry, and scientific research in the field of material testing.