Ispitivanje vlačne čvrstoće uglavnom se koristi za određivanje sposobnosti metalnih materijala da se odupru oštećenjima tijekom procesa istezanja i jedan je od važnih pokazatelja za procjenu mehaničkih svojstava materijala.
1. Ispitivanje vlačne čvrstoće
Vlačno ispitivanje temelji se na osnovnim principima mehanike materijala. Primjenom vlačnog opterećenja na uzorak materijala pod određenim uvjetima, uzrokuje se vlačna deformacija sve dok se uzorak ne slomi. Tijekom ispitivanja bilježi se deformacija eksperimentalnog uzorka pod različitim opterećenjima i maksimalno opterećenje pri kojem se uzorak slomi, kako bi se izračunala granica razvlačenja, vlačna čvrstoća i drugi pokazatelji performansi materijala.
Naprezanje σ = F/A
σ je vlačna čvrstoća (MPa)
F je vlačno opterećenje (N)
A je površina poprečnog presjeka uzorka
2. Krivulja vlačne čvrstoće
Analiza nekoliko faza procesa istezanja:
a. U OP fazi s malim opterećenjem, izduženje je u linearnom odnosu s opterećenjem, a Fp je maksimalno opterećenje za održavanje ravne linije.
b. Nakon što opterećenje premaši Fp, krivulja vlačne čvrstoće počinje poprimati nelinearni odnos. Uzorak ulazi u početnu fazu deformacije, opterećenje se uklanja i uzorak se može vratiti u prvobitno stanje i elastično deformirati.
c. Nakon što opterećenje premaši Fe, opterećenje se uklanja, dio deformacije se obnavlja, a dio preostale deformacije se zadržava, što se naziva plastična deformacija. Fe se naziva granica elastičnosti.
d. Kada se opterećenje dalje povećava, krivulja vlačne čvrstoće pokazuje oblik pile. Kada se opterećenje ne povećava ili smanjuje, fenomen kontinuiranog izduživanja eksperimentalnog uzorka naziva se popuštanje. Nakon popuštanja, uzorak počinje podlijegati očitoj plastičnoj deformaciji.
e. Nakon popuštanja, uzorak pokazuje povećanje otpornosti na deformaciju, očvršćavanja i deformacijskog ojačanja. Kada opterećenje dosegne Fb, isti dio uzorka se naglo skuplja. Fb je granica čvrstoće.
f. Fenomen skupljanja dovodi do smanjenja nosivosti uzorka. Kada opterećenje dosegne Fk, uzorak se slomi. To se naziva lomno opterećenje.
Granica tečenja
Granica razvlačenja je maksimalna vrijednost naprezanja koju metalni materijal može izdržati od početka plastične deformacije do potpunog loma kada je izložen vanjskoj sili. Ova vrijednost označava kritičnu točku u kojoj materijal prelazi iz faze elastične deformacije u fazu plastične deformacije.
Klasifikacija
Gornja granica razvlačenja: odnosi se na maksimalno naprezanje uzorka prije nego što sila prvi put padne kada dođe do popuštanja.
Donja granica razvlačenja: odnosi se na minimalno naprezanje u fazi razvlačenja kada se zanemari početni prijelazni učinak. Budući da je vrijednost donje granice razvlačenja relativno stabilna, obično se koristi kao pokazatelj otpora materijala, nazvan granica razvlačenja ili granica razvlačenja.
Formula za izračun
Za gornju granicu razvlačenja: R = F / Sₒ, gdje je F maksimalna sila prije nego što sila prvi put padne u fazi razvlačenja, a Sₒ je početna površina poprečnog presjeka uzorka.
Za nižu granicu razvlačenja: R = F / Sₒ, gdje je F minimalna sila F zanemarujući početni prijelazni efekt, a Sₒ je izvorna površina poprečnog presjeka uzorka.
Jedinica
Jedinica granice razvlačenja obično je MPa (megapascal) ili N/mm² (Newton po kvadratnom milimetru).
Primjer
Uzmimo za primjer niskougljični čelik, njegova granica razvlačenja je obično 207 MPa. Kada je izložen vanjskoj sili većoj od ove granice, niskougljični čelik će proizvesti trajnu deformaciju i ne može se obnoviti; kada je izložen vanjskoj sili manjoj od ove granice, niskougljični čelik može se vratiti u svoje prvobitno stanje.
Granica razvlačenja jedan je od važnih pokazatelja za procjenu mehaničkih svojstava metalnih materijala. Odražava sposobnost materijala da se odupru plastičnoj deformaciji kada su izloženi vanjskim silama.
Vlačna čvrstoća
Vlačna čvrstoća je sposobnost materijala da se odupre oštećenjima pod vlačnim opterećenjem, što se posebno izražava kao maksimalna vrijednost naprezanja koju materijal može podnijeti tijekom procesa vlačenja. Kada vlačno naprezanje na materijalu premaši njegovu vlačnu čvrstoću, materijal će se plastično deformirati ili lomiti.
Formula za izračun
Formula za izračun vlačne čvrstoće (σt) je:
σt = F / A
Gdje je F maksimalna vlačna sila (Newton, N) koju uzorak može podnijeti prije loma, a A je početna površina poprečnog presjeka uzorka (kvadratni milimetar, mm²).
Jedinica
Jedinica za vlačnu čvrstoću obično je MPa (megapascal) ili N/mm² (Newton po kvadratnom milimetru). 1 MPa jednak je 1.000.000 Newtona po kvadratnom metru, što je također jednako 1 N/mm².
Utjecajni faktori
Na vlačnu čvrstoću utječu mnogi čimbenici, uključujući kemijski sastav, mikrostrukturu, proces toplinske obrade, metodu obrade itd. Različiti materijali imaju različite vlačne čvrstoće, pa je u praktičnoj primjeni potrebno odabrati prikladne materijale na temelju mehaničkih svojstava materijala.
Praktična primjena
Vlačna čvrstoća vrlo je važan parametar u području znanosti i inženjerstva materijala te se često koristi za procjenu mehaničkih svojstava materijala. U smislu konstrukcijskog dizajna, odabira materijala, procjene sigurnosti itd., vlačna čvrstoća je faktor koji se mora uzeti u obzir. Na primjer, u građevinarstvu je vlačna čvrstoća čelika važan faktor u određivanju može li izdržati opterećenja; u području zrakoplovstva, vlačna čvrstoća laganih i visokočvrstih materijala ključna je za osiguranje sigurnosti zrakoplova.
Čvrstoća na umor:
Zamor metala odnosi se na proces u kojem materijali i komponente postupno stvaraju lokalna trajna kumulativna oštećenja na jednom ili više mjesta pod cikličkim naprezanjem ili cikličkim naprezanjem, a pukotine ili iznenadni potpuni lomovi nastaju nakon određenog broja ciklusa.
Značajke
Iznenadnost u vremenu: Do loma metala uslijed zamora često dolazi iznenada u kratkom vremenskom razdoblju bez očitih znakova.
Lokalnost u položaju: Do loma uslijed zamora obično dolazi u lokalnim područjima gdje je naprezanje koncentrirano.
Osjetljivost na okolinu i nedostatke: Zamor metala je vrlo osjetljiv na okolinu i sitne nedostatke unutar materijala, što može ubrzati proces zamora.
Utjecajni faktori
Amplituda naprezanja: Veličina naprezanja izravno utječe na vijek trajanja metala pri zamoru.
Prosječna veličina naprezanja: Što je prosječno naprezanje veće, to je kraći vijek trajanja metala do zamora.
Broj ciklusa: Što je metal više puta izložen cikličkom naprezanju ili deformaciji, to je ozbiljnije nakupljanje oštećenja od zamora.
Preventivne mjere
Optimizirajte odabir materijala: Odaberite materijale s višim granicama umora.
Smanjenje koncentracije naprezanja: Smanjite koncentraciju naprezanja strukturnim dizajnom ili metodama obrade, kao što je korištenje zaobljenih kutnih prijelaza, povećanje dimenzija poprečnog presjeka itd.
Površinska obrada: Poliranje, prskanje itd. na metalnoj površini za smanjenje površinskih nedostataka i poboljšanje čvrstoće na zamor.
Inspekcija i održavanje: Redovito pregledavajte metalne komponente kako biste pravovremeno otkrili i popravili nedostatke poput pukotina; održavajte dijelove sklone zamoru, poput zamjene istrošenih dijelova i ojačavanja slabih karika.
Zamor metala je uobičajeni način loma metala, koji karakteriziraju naglost, lokalnost i osjetljivost na okolinu. Amplituda naprezanja, prosječna magnituda naprezanja i broj ciklusa glavni su čimbenici koji utječu na zamor metala.
SN krivulja: opisuje vijek trajanja materijala pod različitim razinama naprezanja, gdje S predstavlja naprezanje, a N predstavlja broj ciklusa naprezanja.
Formula koeficijenta čvrstoće na zamor:
(Kf = Ka ∫ Kb ∫ Kc ∫ Kd ∫ Ke)
Gdje je (Ka) faktor opterećenja, (Kb) faktor veličine, (Kc) faktor temperature, (Kd) faktor kvalitete površine, a (Ke) faktor pouzdanosti.
Matematički izraz SN krivulje:
(\sigma^m N = C)
Gdje je (≥) naprezanje, N je broj ciklusa naprezanja, a m i C su materijalne konstante.
Koraci izračuna
Odredite materijalne konstante:
Vrijednosti m i C odredite eksperimentalno ili pozivanjem na relevantnu literaturu.
Određivanje faktora koncentracije naprezanja: Uzmite u obzir stvarni oblik i veličinu dijela, kao i koncentraciju naprezanja uzrokovanu zaobljenjima, žljebovima itd., kako biste odredili faktor koncentracije naprezanja K. Izračun čvrstoće na zamor: Prema SN krivulji i faktoru koncentracije naprezanja, u kombinaciji s projektiranim vijekom trajanja i razinom radnog naprezanja dijela, izračunajte čvrstoću na zamor.
2. Plastičnost:
Plastičnost se odnosi na svojstvo materijala da, kada je izložen vanjskoj sili, proizvodi trajnu deformaciju bez pucanja kada vanjska sila prijeđe njegovu granicu elastičnosti. Ova deformacija je nepovratna i materijal se neće vratiti u svoj prvobitni oblik čak i ako se vanjska sila ukloni.
Indeks plastičnosti i njegova formula za izračun
Izduženje (δ)
Definicija: Istezanje je postotak ukupne deformacije mjernog presjeka nakon što je uzorak vlačnim lomom slomljen na izvornu mjernu duljinu.
Formula: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Gdje je L0 izvorna mjerna duljina uzorka;
L1 je mjerna duljina nakon loma uzorka.
Segmentalna redukcija (Ψ)
Definicija: Segmentalno smanjenje je postotak maksimalnog smanjenja površine poprečnog presjeka u točki suženja nakon što se uzorak prelomi na izvornu površinu poprečnog presjeka.
Formula: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Gdje je F0 početna površina poprečnog presjeka uzorka;
F1 je površina poprečnog presjeka na mjestu suženja nakon loma uzorka.
3. Tvrdoća
Tvrdoća metala je indeks mehaničkih svojstava koji mjeri tvrdoću metalnih materijala. Označava sposobnost otpora deformaciji u lokalnom volumenu na površini metala.
Klasifikacija i prikaz tvrdoće metala
Tvrdoća metala ima razne metode klasifikacije i predstavljanja prema različitim metodama ispitivanja. Uglavnom uključuju sljedeće:
Tvrdoća po Brinellu (HB):
Područje primjene: Općenito se koristi kada je materijal mekši, kao što su obojeni metali, čelik prije toplinske obrade ili nakon žarenja.
Princip ispitivanja: S određenom veličinom ispitnog opterećenja, kaljena čelična kuglica ili karbidna kuglica određenog promjera utisne se u površinu metala koji se ispituje, a opterećenje se rastereti nakon određenog vremena, te se izmjeri promjer udubljenja na površini koja se ispituje.
Formula za izračun: Vrijednost tvrdoće po Brinellu je kvocijent dobiven dijeljenjem opterećenja sa sfernom površinom udubljenja.
Tvrdoća po Rockwellu (HR):
Područje primjene: Općenito se koristi za materijale veće tvrdoće, poput tvrdoće nakon toplinske obrade.
Princip ispitivanja: Slično Brinellovoj tvrdoći, ali korištenjem različitih sondi (dijamantnih) i različitih metoda izračuna.
Vrste: Ovisno o primjeni, postoje HRC (za materijale visoke tvrdoće), HRA, HRB i druge vrste.
Tvrdoća po Vickersu (HV):
Područje primjene: Pogodno za mikroskopsku analizu.
Princip ispitivanja: Pritisnite površinu materijala opterećenjem manjim od 120 kg i dijamantnim kvadratnim konusnim utiskivačem s kutom vrha od 136°, te podijelite površinu udubljenja materijala s vrijednošću opterećenja kako biste dobili vrijednost tvrdoće po Vickersu.
Tvrdoća po Leebu (HL):
Karakteristike: Prijenosni tester tvrdoće, jednostavan za mjerenje.
Princip ispitivanja: Koristite odskok koji generira udarna kugla nakon udara u tvrdu površinu i izračunajte tvrdoću omjerom brzine odskoka probijača na 1 mm od površine uzorka i brzine udara.
Vrijeme objave: 25. rujna 2024.
