Σύνοψη των μηχανικών ιδιοτήτων των μεταλλικών υλικών

Η δοκιμή αντοχής σε εφελκυσμό χρησιμοποιείται κυρίως για τον προσδιορισμό της ικανότητας των μεταλλικών υλικών να αντιστέκονται σε ζημιές κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τάνυσης και είναι ένας από τους σημαντικούς δείκτες για την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών.

1. Δοκιμή εφελκυσμού

Η δοκιμή εφελκυσμού βασίζεται στις βασικές αρχές της μηχανικής των υλικών. Εφαρμόζοντας ένα εφελκυστικό φορτίο στο δείγμα υλικού υπό ορισμένες συνθήκες, προκαλείται εφελκυστική παραμόρφωση μέχρι να σπάσει το δείγμα. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, καταγράφεται η παραμόρφωση του πειραματικού δείγματος υπό διαφορετικά φορτία και το μέγιστο φορτίο κατά τη θραύση του δείγματος, ώστε να υπολογιστεί το όριο διαρροής, η εφελκυστική αντοχή και άλλοι δείκτες απόδοσης του υλικού.

Τάση σ = F/A

σ είναι η αντοχή σε εφελκυσμό (MPa)

F είναι το εφελκυστικό φορτίο (N)

Το A είναι η διατομή του δείγματος

2. Καμπύλη εφελκυσμού

Ανάλυση διαφόρων σταδίων της διαδικασίας τέντωσης:

α. Στο στάδιο OP με μικρό φορτίο, η επιμήκυνση βρίσκεται σε γραμμική σχέση με το φορτίο και το Fp είναι το μέγιστο φορτίο για τη διατήρηση της ευθείας γραμμής.

β. Αφού το φορτίο υπερβεί την τιμή Fp, η καμπύλη εφελκυσμού αρχίζει να παίρνει μια μη γραμμική σχέση. Το δείγμα εισέρχεται στο αρχικό στάδιο παραμόρφωσης, το φορτίο αφαιρείται και το δείγμα μπορεί να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση και να παραμορφωθεί ελαστικά.

γ. Αφού το φορτίο υπερβεί τον Fe, το φορτίο αφαιρείται, μέρος της παραμόρφωσης αποκαθίσταται και μέρος της υπολειμματικής παραμόρφωσης διατηρείται, κάτι που ονομάζεται πλαστική παραμόρφωση. Ο Fe ονομάζεται όριο ελαστικότητας.

δ. Όταν το φορτίο αυξάνεται περαιτέρω, η καμπύλη εφελκυσμού δείχνει πριονωτή. Όταν το φορτίο δεν αυξάνεται ή μειώνεται, το φαινόμενο της συνεχούς επιμήκυνσης του πειραματικού δείγματος ονομάζεται διαρροή. Μετά τη διαρροή, το δείγμα αρχίζει να υφίσταται εμφανή πλαστική παραμόρφωση.

ε. Μετά την υποχώρηση της αντοχής, το δείγμα παρουσιάζει αύξηση στην αντοχή στην παραμόρφωση, στη σκλήρυνση λόγω εργασίας και στην ενίσχυση της παραμόρφωσης. Όταν το φορτίο φτάσει στο Fb, το ίδιο μέρος του δείγματος συρρικνώνεται απότομα. Το Fb είναι το όριο αντοχής.

στ. Το φαινόμενο της συρρίκνωσης οδηγεί σε μείωση της φέρουσας ικανότητας του δείγματος. Όταν το φορτίο φτάσει στο Fk, το δείγμα σπάει. Αυτό ονομάζεται φορτίο θραύσης.

Όριο απόδοσης

Το όριο ελαστικότητας είναι η μέγιστη τιμή τάσης που μπορεί να αντέξει ένα μεταλλικό υλικό από την αρχή της πλαστικής παραμόρφωσης έως την πλήρη θραύση όταν υποβάλλεται σε εξωτερική δύναμη. Αυτή η τιμή σηματοδοτεί το κρίσιμο σημείο όπου το υλικό μεταβαίνει από το στάδιο ελαστικής παραμόρφωσης στο στάδιο πλαστικής παραμόρφωσης.

Ταξινόμηση

Ανώτερο όριο διαρροής: αναφέρεται στη μέγιστη τάση του δείγματος πριν η δύναμη μειωθεί για πρώτη φορά όταν εμφανίζεται διαρροή.

Χαμηλότερο όριο διαρροής: αναφέρεται στην ελάχιστη τάση στο στάδιο διαρροής όταν αγνοείται η αρχική παροδική επίδραση. Δεδομένου ότι η τιμή του χαμηλότερου ορίου διαρροής είναι σχετικά σταθερή, χρησιμοποιείται συνήθως ως δείκτης αντοχής υλικού, που ονομάζεται όριο διαρροής ή όριο διαρροής.

Τύπος υπολογισμού

Για το ανώτερο όριο διαρροής: R = F / Sₒ, όπου F είναι η μέγιστη δύναμη πριν η δύναμη μειωθεί για πρώτη φορά στο στάδιο διαρροής, και Sₒ είναι η αρχική διατομή του δείγματος.

Για χαμηλότερο όριο διαρροής: R = F / Sₒ, όπου F είναι η ελάχιστη δύναμη F αγνοώντας την αρχική παροδική επίδραση, και Sₒ είναι η αρχική διατομή του δείγματος.

Μονάδα

Η μονάδα ορίου διαρροής είναι συνήθως MPa (μεγαπασκάλ) ή N/mm² (Νιούτον ανά τετραγωνικό χιλιοστό).

Παράδειγμα

Πάρτε για παράδειγμα τον χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, του οποίου το όριο διαρροής είναι συνήθως 207 MPa. Όταν υποβάλλεται σε εξωτερική δύναμη μεγαλύτερη από αυτό το όριο, ο χάλυβας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα θα προκαλέσει μόνιμη παραμόρφωση και δεν μπορεί να αποκατασταθεί. Όταν υποβάλλεται σε εξωτερική δύναμη μικρότερη από αυτό το όριο, ο χάλυβας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα μπορεί να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση.

Το όριο ελαστικότητας είναι ένας από τους σημαντικούς δείκτες για την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων των μεταλλικών υλικών. Αντανακλά την ικανότητα των υλικών να αντιστέκονται στην πλαστική παραμόρφωση όταν υπόκεινται σε εξωτερικές δυνάμεις.

Αντοχή σε εφελκυσμό

Η αντοχή σε εφελκυσμό είναι η ικανότητα ενός υλικού να αντιστέκεται σε ζημιές υπό εφελκυστικό φορτίο, η οποία εκφράζεται συγκεκριμένα ως η μέγιστη τιμή τάσης που μπορεί να αντέξει το υλικό κατά τη διάρκεια της εφελκυστικής διαδικασίας. Όταν η εφελκυστική τάση στο υλικό υπερβεί την αντοχή του σε εφελκυσμό, το υλικό θα υποστεί πλαστική παραμόρφωση ή θραύση.

Τύπος υπολογισμού

Ο τύπος υπολογισμού της αντοχής σε εφελκυσμό (σt) είναι:

σt = F / A

Όπου F είναι η μέγιστη εφελκυστική δύναμη (Newton, N) που μπορεί να αντέξει το δείγμα πριν από τη θραύση, και A είναι η αρχική διατομή του δείγματος (τετραγωνικό χιλιοστό, mm²).

Μονάδα

Η μονάδα μέτρησης της αντοχής σε εφελκυσμό είναι συνήθως MPa (μεγαπασκάλ) ή N/mm² (Νιούτον ανά τετραγωνικό χιλιοστό). 1 MPa ισούται με 1.000.000 Νιούτον ανά τετραγωνικό μέτρο, το οποίο ισούται επίσης με 1 N/mm².

Παράγοντες που επηρεάζουν

Η αντοχή σε εφελκυσμό επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως η χημική σύνθεση, η μικροδομή, η διαδικασία θερμικής επεξεργασίας, η μέθοδος επεξεργασίας κ.λπ. Διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικές αντοχές σε εφελκυσμό, επομένως σε πρακτικές εφαρμογές είναι απαραίτητο να επιλέγονται κατάλληλα υλικά με βάση τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών.

Πρακτική εφαρμογή

Η αντοχή σε εφελκυσμό είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος στον τομέα της επιστήμης και της μηχανικής υλικών και χρησιμοποιείται συχνά για την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών. Όσον αφορά τον δομικό σχεδιασμό, την επιλογή υλικών, την αξιολόγηση ασφάλειας κ.λπ., η αντοχή σε εφελκυσμό είναι ένας παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη. Για παράδειγμα, στην κατασκευαστική μηχανική, η αντοχή σε εφελκυσμό του χάλυβα είναι ένας σημαντικός παράγοντας για τον προσδιορισμό του κατά πόσον μπορεί να αντέξει φορτία. Στον τομέα της αεροδιαστημικής, η αντοχή σε εφελκυσμό των ελαφρών και υψηλής αντοχής υλικών είναι το κλειδί για την εξασφάλιση της ασφάλειας των αεροσκαφών.

Δύναμη κόπωσης:

Η κόπωση του μετάλλου αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία τα υλικά και τα εξαρτήματα παράγουν σταδιακά τοπικές μόνιμες αθροιστικές βλάβες σε ένα ή περισσότερα σημεία υπό κυκλική τάση ή κυκλική παραμόρφωση και εμφανίζονται ρωγμές ή ξαφνικές πλήρεις ρωγμές μετά από έναν ορισμένο αριθμό κύκλων.

Χαρακτηριστικά

Ξαφνική χρονική αστοχία: Η αστοχία λόγω κόπωσης μετάλλου εμφανίζεται συχνά ξαφνικά σε σύντομο χρονικό διάστημα χωρίς εμφανή σημάδια.

Τοπικότητα στη θέση: Η αστοχία λόγω κόπωσης εμφανίζεται συνήθως σε τοπικές περιοχές όπου συγκεντρώνεται το στρες.

Ευαισθησία στο περιβάλλον και ελαττώματα: Η κόπωση του μετάλλου είναι πολύ ευαίσθητη στο περιβάλλον και σε μικροσκοπικά ελαττώματα στο εσωτερικό του υλικού, τα οποία μπορεί να επιταχύνουν τη διαδικασία κόπωσης.

Παράγοντες που επηρεάζουν

Πλάτος τάσης: Το μέγεθος της τάσης επηρεάζει άμεσα τη διάρκεια ζωής του μετάλλου σε κόπωση.

Μέσο μέγεθος τάσης: Όσο μεγαλύτερη είναι η μέση τάση, τόσο μικρότερη είναι η διάρκεια ζωής του μετάλλου σε κόπωση.

Αριθμός κύκλων: Όσο περισσότερες φορές το μέταλλο βρίσκεται υπό κυκλική τάση ή παραμόρφωση, τόσο πιο σοβαρή είναι η συσσώρευση ζημιών από κόπωση.

Προληπτικά μέτρα

Βελτιστοποίηση επιλογής υλικού: Επιλέξτε υλικά με υψηλότερα όρια κόπωσης.

Μείωση της συγκέντρωσης τάσεων: Μειώστε τη συγκέντρωση τάσεων μέσω δομικού σχεδιασμού ή μεθόδων επεξεργασίας, όπως η χρήση στρογγυλεμένων γωνιών μετάβασης, η αύξηση των διαστάσεων της διατομής κ.λπ.

Επιφανειακή επεξεργασία: Στίλβωση, ψεκασμός κ.λπ. στην μεταλλική επιφάνεια για τη μείωση των επιφανειακών ελαττωμάτων και τη βελτίωση της αντοχής στην κόπωση.

Επιθεώρηση και συντήρηση: Ελέγχετε τακτικά τα μεταλλικά εξαρτήματα για την άμεση ανίχνευση και επιδιόρθωση ελαττωμάτων όπως ρωγμές· συντηρείτε τα εξαρτήματα που είναι επιρρεπή σε κόπωση, όπως αντικατάσταση φθαρμένων εξαρτημάτων και ενίσχυση αδύναμων συνδέσμων.

Η κόπωση των μετάλλων είναι μια κοινή μορφή αστοχίας μετάλλων, η οποία χαρακτηρίζεται από αιφνίδια εμφάνιση, τοπικότητα και ευαισθησία στο περιβάλλον. Το πλάτος της τάσης, το μέσο μέγεθος της τάσης και ο αριθμός των κύκλων είναι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την κόπωση των μετάλλων.

Καμπύλη SN: περιγράφει τη διάρκεια ζωής των υλικών σε κόπωση υπό διαφορετικά επίπεδα τάσης, όπου το S αντιπροσωπεύει την τάση και το N αντιπροσωπεύει τον αριθμό των κύκλων τάσης.

Τύπος συντελεστή αντοχής κόπωσης:

(Kf = Ka₂Kb₂Kc₂Kd₂Ke)

Όπου (Ka) είναι ο συντελεστής φορτίου, (Kb) είναι ο συντελεστής μεγέθους, (Kc) είναι ο συντελεστής θερμοκρασίας, (Kd) είναι ο συντελεστής ποιότητας επιφάνειας και (Ke) είναι ο συντελεστής αξιοπιστίας.

Μαθηματική έκφραση καμπύλης SN:

(\sigma^m N = C)

Όπου (\sigma) είναι η τάση, N είναι ο αριθμός των κύκλων τάσης και m και C είναι οι σταθερές του υλικού.

Βήματα υπολογισμού

Προσδιορίστε τις σταθερές των υλικών:

Προσδιορίστε τις τιμές των m και C μέσω πειραμάτων ή ανατρέχοντας στη σχετική βιβλιογραφία.

Προσδιορίστε τον συντελεστή συγκέντρωσης τάσης: Λάβετε υπόψη το πραγματικό σχήμα και μέγεθος του εξαρτήματος, καθώς και τη συγκέντρωση τάσης που προκαλείται από τις γωνίες, τις κλειδαριές κ.λπ., για να προσδιορίσετε τον συντελεστή συγκέντρωσης τάσης K. Υπολογίστε την αντοχή σε κόπωση: Σύμφωνα με την καμπύλη SN και τον συντελεστή συγκέντρωσης τάσης, σε συνδυασμό με τη διάρκεια ζωής σχεδιασμού και το επίπεδο τάσης λειτουργίας του εξαρτήματος, υπολογίστε την αντοχή σε κόπωση.

2. Πλαστικότητα:

Η πλαστικότητα αναφέρεται στην ιδιότητα ενός υλικού που, όταν υποβάλλεται σε εξωτερική δύναμη, παράγει μόνιμη παραμόρφωση χωρίς να σπάει όταν η εξωτερική δύναμη υπερβαίνει το όριο ελαστικότητάς του. Αυτή η παραμόρφωση είναι μη αναστρέψιμη και το υλικό δεν θα επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα ακόμη και αν αφαιρεθεί η εξωτερική δύναμη.

Δείκτης πλαστικότητας και ο τύπος υπολογισμού του

Επιμήκυνση (δ)

Ορισμός: Η επιμήκυνση είναι το ποσοστό της συνολικής παραμόρφωσης της διατομής μετά την εφελκυστική θραύση του δείγματος στο αρχικό μήκος διαμετρήματος.

Τύπος: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

Όπου L0 είναι το αρχικό μήκος περιμέτρου του δείγματος·

Το L1 είναι το μήκος του μετρητή μετά τη θραύση του δείγματος.

Τμηματική μείωση (Ψ)

Ορισμός: Η τμηματική μείωση είναι το ποσοστό της μέγιστης μείωσης στην εγκάρσια διατομή στο σημείο σχηματισμού λαιμού μετά τη θραύση του δείγματος στην αρχική εγκάρσια διατομή.

Τύπος: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

Όπου F0 είναι η αρχική διατομή του δείγματος·

Το F1 είναι η διατομή στο σημείο κοπής του λαιμού μετά τη θραύση του δείγματος.

3. Σκληρότητα

Η σκληρότητα μετάλλου είναι ένας δείκτης μηχανικής ιδιότητας που μετρά τη σκληρότητα των μεταλλικών υλικών. Υποδεικνύει την ικανότητα αντοχής στην παραμόρφωση στον τοπικό όγκο της μεταλλικής επιφάνειας.

Ταξινόμηση και αναπαράσταση της σκληρότητας των μετάλλων

Η σκληρότητα των μετάλλων έχει μια ποικιλία μεθόδων ταξινόμησης και αναπαράστασης σύμφωνα με διαφορετικές μεθόδους δοκιμών. Κυρίως περιλαμβάνουν τα εξής:

Σκληρότητα Brinell (HB):

Πεδίο εφαρμογής: Χρησιμοποιείται γενικά όταν το υλικό είναι μαλακότερο, όπως μη σιδηρούχα μέταλλα, χάλυβας πριν από τη θερμική επεξεργασία ή μετά την ανόπτηση.

Αρχή δοκιμής: Με ένα ορισμένο μέγεθος φορτίου δοκιμής, μια σφαίρα από σκληρυμένο χάλυβα ή μια σφαίρα καρβιδίου ορισμένης διαμέτρου πιέζεται στην επιφάνεια του μετάλλου που πρόκειται να δοκιμαστεί και το φορτίο εκφορτώνεται μετά από ένα καθορισμένο χρόνο και μετράται η διάμετρος της εσοχής στην επιφάνεια που πρόκειται να δοκιμαστεί.

Τύπος υπολογισμού: Η τιμή σκληρότητας Brinell είναι το πηλίκο που λαμβάνεται διαιρώντας το φορτίο με την σφαιρική επιφάνεια της εσοχής.

Σκληρότητα Rockwell (HR):

Πεδίο εφαρμογής: Χρησιμοποιείται γενικά για υλικά με υψηλότερη σκληρότητα, όπως σκληρότητα μετά από θερμική επεξεργασία.

Αρχή δοκιμής: Παρόμοια με τη σκληρότητα Brinell, αλλά χρησιμοποιώντας διαφορετικούς αισθητήρες (διαμάντι) και διαφορετικές μεθόδους υπολογισμού.

Τύποι: Ανάλογα με την εφαρμογή, υπάρχουν HRC (για υλικά υψηλής σκληρότητας), HRA, HRB και άλλοι τύποι.

Σκληρότητα Vickers (HV):

Πεδίο εφαρμογής: Κατάλληλο για ανάλυση με μικροσκόπιο.

Αρχή δοκιμής: Πιέστε την επιφάνεια του υλικού με φορτίο μικρότερο από 120kg και έναν κωνικό εγκοπέα με διαμάντι και γωνία κορυφής 136° και διαιρέστε την επιφάνεια της κοιλότητας εγκοπής του υλικού με την τιμή φορτίου για να λάβετε την τιμή σκληρότητας Vickers.

Σκληρότητα Leeb (HL):

Χαρακτηριστικά: Φορητός ελεγκτής σκληρότητας, εύκολος στη μέτρηση.

Αρχή δοκιμής: Χρησιμοποιήστε την αναπήδηση που παράγεται από την κεφαλή της μπάλας κρούσης μετά την πρόσκρουση στην επιφάνεια σκληρότητας και υπολογίστε τη σκληρότητα από την αναλογία της ταχύτητας αναπήδησης της διάτρησης σε απόσταση 1 mm από την επιφάνεια του δείγματος προς την ταχύτητα κρούσης.