Natezni preizkus trdnosti se uporablja predvsem za določanje odpornosti kovinskih materialov proti poškodbam med postopkom raztezanja in je eden pomembnih kazalnikov za ocenjevanje mehanskih lastnosti materialov.
1. Natezni preizkus
Natezni preskus temelji na osnovnih načelih mehanike materialov. Z natezno obremenitvijo vzorca materiala pod določenimi pogoji se povzroči natezna deformacija, dokler se vzorec ne zlomi. Med preskusom se zabeleži deformacija eksperimentalnega vzorca pod različnimi obremenitvami in največja obremenitev, pri kateri se vzorec zlomi, da se izračuna meja tečenja, natezna trdnost in drugi kazalniki delovanja materiala.
Napetost σ = F/A
σ je natezna trdnost (MPa)
F je natezna obremenitev (N)
A je površina prečnega prereza vzorca
2. Natezna krivulja
Analiza več faz procesa raztezanja:
a. V fazi OP z majhno obremenitvijo je raztezek linearno sorazmeren z obremenitvijo, Fp pa je največja obremenitev za ohranjanje ravne črte.
b. Ko obremenitev preseže Fp, natezna krivulja začne dobivati nelinearen vzorec. Vzorec vstopi v začetno fazo deformacije, po odstranitvi obremenitve se vzorec vrne v prvotno stanje in se elastično deformira.
c. Ko obremenitev preseže Fe, se obremenitev odstrani, del deformacije se obnovi, del preostale deformacije pa se ohrani, kar imenujemo plastična deformacija. Fe se imenuje meja elastičnosti.
d. Ko se obremenitev še poveča, natezna krivulja pokaže žagast videz. Ko se obremenitev ne poveča ali zmanjša, se pojav stalnega raztezanja poskusnega vzorca imenuje plastična deformacija. Po plastenju vzorec začne doživljati očitno plastično deformacijo.
e. Po raztezanju vzorec kaže povečanje deformacijske odpornosti, utrjevanja in deformacijske ojačitve. Ko obremenitev doseže Fb, se isti del vzorca močno skrči. Fb je meja trdnosti.
f. Pojav krčenja povzroči zmanjšanje nosilnosti vzorca. Ko obremenitev doseže Fk, se vzorec zlomi. To imenujemo lomna obremenitev.
Meja tečenja
Meja tečenja je največja vrednost napetosti, ki jo kovinski material lahko prenese od začetka plastične deformacije do popolnega loma, ko je izpostavljen zunanji sili. Ta vrednost označuje kritično točko, kjer material prehaja iz faze elastične deformacije v fazo plastične deformacije.
Klasifikacija
Zgornja meja tečenja: nanaša se na največjo napetost vzorca, preden sila prvič pade, ko pride do tečenja.
Spodnja meja tečenja: nanaša se na minimalno napetost v fazi tečenja, če zanemarimo začetni prehodni učinek. Ker je vrednost spodnje meje tečenja relativno stabilna, se običajno uporablja kot indikator odpornosti materiala, imenovan meja tečenja ali meja tečenja.
Formula za izračun
Za zgornjo mejo tečenja: R = F / Sₒ, kjer je F največja sila, preden sila prvič pade v fazi tečenja, Sₒ pa je prvotna površina prečnega prereza vzorca.
Za nižjo mejo tečenja: R = F / Sₒ, kjer je F najmanjša sila F, pri čemer se zanemarja začetni prehodni učinek, Sₒ pa je prvotna površina prečnega prereza vzorca.
Enota
Enota za mejo tečenja je običajno MPa (megapascal) ali N/mm² (newton na kvadratni milimeter).
Primer
Vzemimo za primer nizkoogljično jeklo, njegova meja tečenja je običajno 207 MPa. Ko je nizkoogljično jeklo izpostavljeno zunanji sili, večji od te meje, povzroči trajno deformacijo in je ni mogoče obnoviti; ko je nizkoogljično jeklo izpostavljeno zunanji sili, manjši od te meje, se lahko vrne v prvotno stanje.
Meja tečenja je eden pomembnih kazalnikov za ocenjevanje mehanskih lastnosti kovinskih materialov. Odraža sposobnost materialov, da se uprejo plastični deformaciji, ko so izpostavljeni zunanjim silam.
Natezna trdnost
Natezna trdnost je sposobnost materiala, da se upre poškodbam pri natezni obremenitvi, kar je posebej izraženo kot največja vrednost napetosti, ki jo material lahko prenese med nateznim procesom. Ko natezna napetost na materialu preseže njegovo natezno trdnost, se material plastično deformira ali zlomi.
Formula za izračun
Formula za izračun natezne trdnosti (σt) je:
σt = F / A
Kjer je F največja natezna sila (Newton, N), ki jo vzorec lahko prenese, preden se zlomi, A pa je prvotna površina prečnega prereza vzorca (kvadratni milimeter, mm²).
Enota
Enota za natezno trdnost je običajno MPa (megapascal) ali N/mm² (newton na kvadratni milimeter). 1 MPa je enak 1.000.000 newtonom na kvadratni meter, kar je prav tako enako 1 N/mm².
Vplivni dejavniki
Na natezno trdnost vpliva veliko dejavnikov, vključno s kemično sestavo, mikrostrukturo, postopkom toplotne obdelave, načinom obdelave itd. Različni materiali imajo različne natezne trdnosti, zato je v praktični uporabi treba izbrati ustrezne materiale glede na mehanske lastnosti materialov.
Praktična uporaba
Natezna trdnost je zelo pomemben parameter na področju znanosti in inženirstva materialov ter se pogosto uporablja za ocenjevanje mehanskih lastnosti materialov. Pri konstrukcijskem načrtovanju, izbiri materiala, oceni varnosti itd. je natezna trdnost dejavnik, ki ga je treba upoštevati. Na primer, v gradbeništvu je natezna trdnost jekla pomemben dejavnik pri določanju, ali lahko prenese obremenitve; na področju vesoljske industrije je natezna trdnost lahkih in visoko trdnostnih materialov ključna za zagotavljanje varnosti letal.
Utrujnostna trdnost:
Utrujanje kovin se nanaša na proces, pri katerem materiali in komponente pod cikličnimi napetostmi ali cikličnimi deformacijami postopoma povzročajo lokalne trajne kumulativne poškodbe na enem ali več mestih, po določenem številu ciklov pa se pojavijo razpoke ali nenadni popolni zlomi.
Značilnosti
Nenadnost v času: Utrujanje kovine zaradi utrujenosti se pogosto pojavi nenadoma v kratkem času brez očitnih znakov.
Lokalnost v položaju: Utrujitvena okvara se običajno pojavi na lokalnih območjih, kjer je koncentracija napetosti.
Občutljivost na okolje in napake: Utrujanje kovin je zelo občutljivo na okolje in drobne napake v materialu, kar lahko pospeši proces utrujanja.
Vplivni dejavniki
Amplituda napetosti: Velikost napetosti neposredno vpliva na utrujenostno dobo kovine.
Povprečna velikost napetosti: Večja kot je povprečna napetost, krajša je utrujenostna življenjska doba kovine.
Število ciklov: Večkrat ko je kovina izpostavljena ciklični obremenitvi ali deformaciji, bolj resno je kopičenje utrujenostnih poškodb.
Preventivni ukrepi
Optimizirajte izbiro materiala: Izberite materiale z višjimi mejami utrujanja.
Zmanjšanje koncentracije napetosti: Zmanjšajte koncentracijo napetosti s strukturno zasnovo ali metodami obdelave, kot so uporaba zaobljenih vogalnih prehodov, povečanje dimenzij prečnega prereza itd.
Površinska obdelava: Poliranje, brizganje itd. na kovinski površini za zmanjšanje površinskih napak in izboljšanje utrujenostne trdnosti.
Pregled in vzdrževanje: Redno pregledujte kovinske komponente, da pravočasno odkrijete in popravite napake, kot so razpoke; vzdržujte dele, ki so nagnjeni k utrujenosti, na primer z zamenjavo obrabljenih delov in ojačitvijo šibkih členov.
Utrujanje kovine je pogost način odpovedi kovine, za katerega so značilni nenadna, lokalnost in občutljivost na okolje. Amplituda napetosti, povprečna magnituda napetosti in število ciklov so glavni dejavniki, ki vplivajo na utrujenost kovine.
SN krivulja: opisuje utrujenostno dobo materialov pri različnih stopnjah napetosti, kjer S predstavlja napetost, N pa število ciklov napetosti.
Formula za koeficient utrujenostne trdnosti:
(Kf = Ka ∫ Kb ∫ Kc ∫ Kd ∫ Ke)
Kjer je (Ka) faktor obremenitve, (Kb) faktor velikosti, (Kc) faktor temperature, (Kd) faktor kakovosti površine in (Ke) faktor zanesljivosti.
Matematični izraz SN krivulje:
(\sigma^m N = C)
Kjer je (∞) napetost, N število ciklov napetosti, m in C pa sta materialni konstanti.
Koraki izračuna
Določite materialne konstante:
Vrednosti m in C določite s poskusi ali s sklicevanjem na ustrezno literaturo.
Določite faktor koncentracije napetosti: Za določitev faktorja koncentracije napetosti K upoštevajte dejansko obliko in velikost dela ter koncentracijo napetosti, ki jo povzročajo zaobljeni robovi, utori itd. Izračun utrujenostne trdnosti: Glede na krivuljo SN in faktor koncentracije napetosti v kombinaciji z načrtovano življenjsko dobo in stopnjo delovne napetosti dela izračunajte utrujenostno trdnost.
2. Plastičnost:
Plastičnost se nanaša na lastnost materiala, da se pod vplivom zunanje sile trajno deformira, ne da bi se zlomil, ko zunanja sila preseže svojo mejo elastičnosti. Ta deformacija je nepovratna in se material ne bo vrnil v prvotno obliko, tudi če zunanja sila preneha delovati.
Indeks plastičnosti in njegova formula za izračun
Raztezek (δ)
Definicija: Raztezek je odstotek celotne deformacije merilnega preseka po nateznem lomu vzorca na prvotno merilno dolžino.
Formula: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %
Kjer je L0 prvotna merilna dolžina vzorca;
L1 je merilna dolžina po lomu vzorca.
Segmentalna redukcija (Ψ)
Definicija: Segmentno zmanjšanje je odstotek največjega zmanjšanja prečnega prereza na mestu zoženja vzorca po tem, ko je vzorec prelomljen na prvotno površino prečnega prereza.
Formula: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %
Kjer je F0 prvotna površina prečnega prereza vzorca;
F1 je površina prečnega prereza na mestu zoženja po lomu vzorca.
3. Trdota
Trdota kovine je indeks mehanskih lastnosti, ki meri trdoto kovinskih materialov. Kaže na sposobnost odpornosti proti deformacijam v lokalnem volumnu na kovinski površini.
Klasifikacija in predstavitev trdote kovin
Trdota kovin ima različne metode klasifikacije in predstavitve glede na različne preskusne metode. Mednje sodijo predvsem naslednje:
Trdota po Brinellu (HB):
Področje uporabe: Na splošno se uporablja, kadar je material mehkejši, kot so neželezne kovine, jeklo pred toplotno obdelavo ali po žarjenju.
Načelo preskušanja: Z določeno velikostjo preskusne obremenitve se kaljena jeklena kroglica ali karbidna kroglica določenega premera stisne v površino preskušane kovine, po določenem času se obremenitev razbremeni in izmeri se premer vdolbine na preskušani površini.
Formula za izračun: Vrednost trdote po Brinellu je količnik, ki ga dobimo z deljenjem obremenitve s sferično površino vdolbine.
Trdota po Rockwellu (HR):
Področje uporabe: Na splošno se uporablja za materiale z večjo trdoto, kot je trdota po toplotni obdelavi.
Načelo preizkusa: Podobno kot trdota po Brinellu, vendar z uporabo različnih sond (diamant) in različnih metod izračuna.
Vrste: Glede na uporabo obstajajo HRC (za materiale z visoko trdoto), HRA, HRB in druge vrste.
Trdota po Vickersu (HV):
Področje uporabe: Primerno za mikroskopsko analizo.
Načelo preskušanja: Na površino materiala pritiskajte z obremenitvijo manj kot 120 kg in diamantnim kvadratnim stožčastim vtiskovalnikom z kotom 136°, nato pa površino vdolbine materiala delite z vrednostjo obremenitve, da dobite vrednost trdote po Vickersu.
Trdota po Leebu (HL):
Značilnosti: Prenosni tester trdote, enostaven za merjenje.
Načelo preskusa: Uporabite odboj, ki ga ustvari udarna kroglična glava po udarcu ob trdo površino, in izračunajte trdoto kot razmerje med hitrostjo odboja udarca na razdalji 1 mm od površine vzorca in hitrostjo udarca.
Čas objave: 25. september 2024
