Vetolujuuskoetta käytetään pääasiassa metallimateriaalien kyvyn määrittämiseen vastustaa vaurioita venytysprosessin aikana, ja se on yksi tärkeimmistä indikaattoreista materiaalien mekaanisten ominaisuuksien arvioinnissa.
1. Vetolujuustesti
Vetolujuuskoe perustuu materiaalimekaniikan perusperiaatteisiin. Kun materiaalinäytteeseen kohdistetaan vetolujuus tietyissä olosuhteissa, se aiheuttaa vetomuodonmuutosta, kunnes näyte murtuu. Kokeen aikana kirjataan kokeellisen näytteen muodonmuutos eri kuormitusten alaisena ja suurin kuormitus näytteen murtuessa, jotta voidaan laskea materiaalin myötölujuus, vetolujuus ja muut suorituskykyindikaattorit.
Jännitys σ = F/A
σ on vetolujuus (MPa)
F on vetolujuus (N)
A on näytteen poikkileikkauspinta-ala
2. Vetokäyrä
Venytysprosessin useiden vaiheiden analyysi:
a. Pienellä kuormituksella OP-vaiheessa venymä on lineaarisessa suhteessa kuormitukseen, ja Fp on suurin kuormitus suoran linjan ylläpitämiseksi.
b. Kun kuormitus ylittää Fp:n, vetolujuuskäyrä alkaa olla epälineaarinen. Näyte siirtyy alkumuodonmuutosvaiheeseen, kuormitus poistuu ja näyte voi palata alkuperäiseen tilaansa ja muuttaa muotoaan elastisesti.
c. Kun kuormitus ylittää Fe:n, kuormitus poistetaan, osa muodonmuutoksesta palautuu ja osa jäännösmuodonmuutoksesta säilyy, mitä kutsutaan plastiseksi muodonmuutokseksi. Fe:tä kutsutaan kimmorajaksi.
d. Kun kuormitus kasvaa edelleen, vetolujuuskäyrä näyttää sahakuvioiselta. Kun kuormitus ei kasva eikä laske, kokeellisen näytteen jatkuvaa venymistä kutsutaan myötäämiseksi. Myötäämisen jälkeen näyte alkaa läpikäydä selvää plastista muodonmuutosta.
e. Myötöämisen jälkeen näyte osoittaa muodonmuutoskestävyyden, muokkauslujittumisen ja muodonmuutoslujittumisen kasvua. Kun kuormitus saavuttaa Fb:n, sama osa näytettä kutistuu jyrkästi. Fb on lujuusraja.
f. Kutistumisilmiö johtaa näytteen kantavuuden heikkenemiseen. Kun kuormitus saavuttaa Fk:n, näyte murtuu. Tätä kutsutaan murtumiskuormaksi.
Myötöraja
Myötölujuus on suurin jännitysarvo, jonka metallimateriaali kestää plastisen muodonmuutoksen alusta täydelliseen murtumaan ulkoisen voiman vaikutuksesta. Tämä arvo osoittaa kriittisen pisteen, jossa materiaali siirtyy elastisesta muodonmuutosvaiheesta plastiseen muodonmuutosvaiheeseen.
Luokitus
Ylämyötölujuus: viittaa näytteen suurimpaan jännitykseen ennen kuin voima laskee ensimmäistä kertaa myötömurron yhteydessä.
Alempi myötölujuus: viittaa myötörajan pienimpään jännitykseen, kun alkuperäinen ohimenevä vaikutus jätetään huomiotta. Koska alemman myötörajan arvo on suhteellisen vakaa, sitä käytetään yleensä materiaalin kestävyyden indikaattorina, jota kutsutaan myötörajaksi tai myötölujukseksi.
Laskentakaava
Ylemmän myötölujuuden laskemiseksi: R = F / Sₒ, jossa F on suurin voima ennen kuin voima laskee ensimmäistä kertaa myötövaiheessa ja Sₒ on näytteen alkuperäinen poikkileikkauspinta-ala.
Alhaisemmille myötölujille: R = F / Sₒ, jossa F on pienin voima F, jossa alkuperäinen transienttivaikutus on huomiotta, ja Sₒ on näytteen alkuperäinen poikkileikkauspinta-ala.
Yksikkö
Myötölujuuden yksikkö on yleensä MPa (megapascal) tai N/mm² (newtonia neliömillimetriä kohti).
Esimerkki
Esimerkkinä niukkahiilinen teräs, jonka myötöraja on yleensä 207 MPa. Tätä rajaa suuremmalla ulkoisella voimalla niukkahiilinen teräs aiheuttaa pysyvää muodonmuutosta eikä sitä voida palauttaa; tätä rajaa pienemmällä ulkoisella voimalla niukkahiilinen teräs voi palata alkuperäiseen tilaansa.
Myötölujuus on yksi tärkeimmistä indikaattoreista metallimateriaalien mekaanisten ominaisuuksien arvioinnissa. Se heijastaa materiaalien kykyä vastustaa plastista muodonmuutosta ulkoisten voimien vaikutuksesta.
Vetolujuus
Vetolujuus on materiaalin kyky vastustaa vetolujuuden aiheuttamia vaurioita, jotka ilmaistaan erityisesti suurimpana jännitysarvona, jonka materiaali kestää vetolujuuden aikana. Kun materiaaliin kohdistuva vetojännitys ylittää sen vetolujuuden, materiaalissa tapahtuu plastista muodonmuutosta tai murtumista.
Laskentakaava
Vetolujuuden (σt) laskentakaava on:
σt = F / A
Jossa F on suurin vetolujuus (Newton, N), jonka näyte kestää ennen murtumista, ja A on näytteen alkuperäinen poikkileikkauspinta-ala (neliömillimetri, mm²).
Yksikkö
Vetolujuuden yksikkö on yleensä MPa (megapascal) tai N/mm² (newtonia neliömillimetriä kohti). 1 MPa on yhtä kuin 1 000 000 newtonia neliömetriä kohti, mikä on myös yhtä kuin 1 N/mm².
Vaikuttavat tekijät
Vetolujuuteen vaikuttavat monet tekijät, kuten kemiallinen koostumus, mikrorakenne, lämpökäsittelyprosessi, prosessointimenetelmä jne. Eri materiaaleilla on erilaiset vetolujuudet, joten käytännön sovelluksissa on tarpeen valita sopivat materiaalit materiaalien mekaanisten ominaisuuksien perusteella.
Käytännön sovellus
Vetolujuus on erittäin tärkeä parametri materiaalitieteen ja -tekniikan alalla, ja sitä käytetään usein materiaalien mekaanisten ominaisuuksien arviointiin. Rakennesuunnittelussa, materiaalivalinnassa, turvallisuusarvioinnissa jne. vetolujuus on tekijä, joka on otettava huomioon. Esimerkiksi rakennustekniikassa teräksen vetolujuus on tärkeä tekijä sen määrittämisessä, kestääkö se kuormia; ilmailu- ja avaruusalalla kevyiden ja lujien materiaalien vetolujuus on avain lentokoneiden turvallisuuden varmistamiseen.
Väsymislujuus:
Metallin väsyminen tarkoittaa prosessia, jossa materiaalit ja komponentit aiheuttavat vähitellen paikallisia pysyviä kumulatiivisia vaurioita yhdessä tai useammassa paikassa syklisen rasituksen tai syklisen venymän alaisena, ja tietyn syklimäärän jälkeen esiintyy halkeamia tai äkillisiä täydellisiä murtumia.
Ominaisuudet
Äkillisyys ajassa: Metallin väsymismurtuma tapahtuu usein äkillisesti lyhyessä ajassa ilman selviä merkkejä.
Paikallisuus asennossa: Väsymysmurtuma tapahtuu yleensä paikallisesti, missä jännitys on keskittynyt.
Herkkyys ympäristölle ja virheille: Metallin väsyminen on erittäin herkkä ympäristölle ja materiaalin pienille virheille, mikä voi kiihdyttää väsymisprosessia.
Vaikuttavat tekijät
Jännityksen amplitudi: Jännityksen suuruus vaikuttaa suoraan metallin väsymislujuuteen.
Keskimääräinen jännityksen suuruus: Mitä suurempi keskimääräinen jännitys, sitä lyhyempi on metallin väsymiskestävyys.
Syklien lukumäärä: Mitä useammin metalli on syklisen rasituksen tai venymän alainen, sitä vakavampi on väsymisvaurioiden kertyminen.
Ennaltaehkäisevät toimenpiteet
Optimoi materiaalivalinta: Valitse materiaaleja, joilla on korkeammat väsymisrajat.
Jännityskeskittymän vähentäminen: Vähennä jännityskeskittymää rakennesuunnittelun tai työstömenetelmien avulla, kuten käyttämällä pyöristettyjä kulmasiirtymiä, suurentamalla poikkileikkausmittoja jne.
Pintakäsittely: Kiillotus, ruiskutus jne. metallipinnalle pintavirheiden vähentämiseksi ja väsymislujuuden parantamiseksi.
Tarkastus ja huolto: Tarkasta metalliosat säännöllisesti havaitaksesi ja korjataksesi viat, kuten halkeamat, nopeasti; huolla väsymykselle alttiita osia esimerkiksi vaihtamalla kuluneet osat ja vahvistamalla heikkoja lenkkejä.
Metallin väsyminen on yleinen metallin murtumistapa, jolle on ominaista äkillisyys, paikallinen esiintyminen ja herkkyys ympäristölle. Jännityksen amplitudi, keskimääräinen jännityksen suuruus ja syklien lukumäärä ovat tärkeimmät metallin väsymiseen vaikuttavat tekijät.
SN-käyrä: kuvaa materiaalien väsymiskestoa eri jännitystasoilla, missä S edustaa jännitystä ja N edustaa jännitysjaksojen lukumäärää.
Väsymislujuuskertoimen kaava:
(Kf = Ka ≤ Kb ≤ Kc ≤ Kd ≤ Ke)
Jossa (Ka) on kuormituskerroin, (Kb) on kokokerroin, (Kc) on lämpötilakerroin, (Kd) on pinnanlaatukerroin ja (Ke) on luotettavuuskerroin.
SN-käyrän matemaattinen lauseke:
(\sigma^m N = C)
Missä (\sigma) on jännitys, N on jännitysjaksojen lukumäärä ja m ja C ovat materiaalivakioita.
Laskentavaiheet
Määritä materiaalivakiot:
Määritä m:n ja C:n arvot kokeilemalla tai viittaamalla asiaankuuluvaan kirjallisuuteen.
Jännityskeskittymäkertoimen määrittäminen: Jännityskeskittymäkertoimen K määrittämiseksi ota huomioon osan todellinen muoto ja koko sekä pyöristysten, kiilaurien jne. aiheuttama jännityskeskittymä. Väsymislujuuden laskeminen: Väsymislujuus lasketaan SN-käyrän ja jännityskeskittymäkertoimen sekä osan suunnitteluajan ja käyttöjännitystason perusteella.
2. Plastisuus:
Plastisuus viittaa materiaalin ominaisuuteen, että ulkoisen voiman vaikutuksesta se aiheuttaa pysyvää muodonmuutosta rikkoutumatta, kun ulkoinen voima ylittää kimmorajansa. Tämä muodonmuutos on peruuttamaton, eikä materiaali palaa alkuperäiseen muotoonsa, vaikka ulkoinen voima poistettaisiin.
Plastisuusindeksi ja sen laskentakaava
Venymä (δ)
Määritelmä: Venymä on mittaosan kokonaismuodonmuutoksen prosenttiosuus sen jälkeen, kun näyte on vetomurrettu alkuperäiseen mittapituuteensa.
Kaava: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %
Jossa L0 on näytteen alkuperäinen mittauspituus;
L1 on mittauspituus näytteen rikkoutumisen jälkeen.
Segmenttinen reduktio (Ψ)
Määritelmä: Segmenttireduktio on poikkileikkauspinta-alan suurimman pienenemisen prosenttiosuus kavennuskohdassa sen jälkeen, kun näyte on murrettu alkuperäiseen poikkileikkauspinta-alaan.
Kaava: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %
Jossa F0 on näytteen alkuperäinen poikkileikkauspinta-ala;
F1 on poikkileikkauspinta-ala kavennuskohdassa näytteen murtumisen jälkeen.
3. Kovuus
Metallin kovuus on mekaaninen ominaisuusindeksi, jolla mitataan metallimateriaalien kovuutta. Se osoittaa kyvyn vastustaa muodonmuutoksia metallin pinnan paikallisessa tilavuudessa.
Metallin kovuuden luokittelu ja esittäminen
Metallien kovuudelle on olemassa erilaisia luokittelu- ja esitystapoja eri testausmenetelmien mukaan. Pääasiassa ne sisältävät seuraavat:
Brinell-kovuus (HB):
Soveltamisala: Yleensä käytetään pehmeämpien materiaalien, kuten ei-rautametallien ja teräksen, käsittelyä edeltävän tai hehkutuksen jälkeen, yhteydessä.
Testausperiaate: Tietyn kokoisella testikuormalla painetaan tietyn halkaisijan omaava karkaistu teräskuula tai kovametallikuula testattavan metallin pintaan, ja kuorma puretaan tietyn ajan kuluttua, jolloin testattavan pinnan syvennyksen halkaisija mitataan.
Laskentakaava: Brinell-kovuusarvo on osamäärä, joka saadaan jakamalla kuormitus painauman pallopinta-alalla.
Rockwell-kovuus (HR):
Soveltamisala: Yleensä käytetään materiaaleille, joilla on korkeampi kovuus, kuten kovuus lämpökäsittelyn jälkeen.
Mittausperiaate: Samanlainen kuin Brinell-kovuus, mutta käytetään erilaisia antureita (timantti) ja erilaisia laskentamenetelmiä.
Tyypit: Käyttötarkoituksesta riippuen on olemassa HRC- (erittäin koville materiaaleille), HRA-, HRB- ja muita tyyppejä.
Vickersin kovuus (HV):
Soveltamisala: Soveltuu mikroskooppianalyysiin.
Testausperiaate: Paina materiaalin pintaa alle 120 kg:n kuormalla ja 136°:n kärkikulmalla varustetulla timanttikartioterällä ja jaa materiaalin syvennyskuopan pinta-ala kuormitusarvolla saadaksesi Vickers-kovuuden arvon.
Leebin kovuus (HL):
Ominaisuudet: Kannettava kovuusmittari, helppo mitata.
Testausperiaate: Käytä iskupallon iskupintaan osumisen aiheuttamaa pomppua ja laske kovuus 1 mm:n etäisyydellä näytepinnasta olevan lävistimen palautumisnopeuden ja iskunopeuden suhteena.
Julkaisun aika: 25. syyskuuta 2024
