Trækstyrkeprøven bruges primært til at bestemme metalmaterialers evne til at modstå skader under strækningsprocessen og er en af de vigtige indikatorer for evaluering af materialers mekaniske egenskaber.
1. Trækprøve
Trækprøvningen er baseret på de grundlæggende principper for materialemekanik. Ved at påføre en trækbelastning på materialeprøven under visse betingelser forårsages trækdeformation, indtil prøven knækker. Under testen registreres deformationen af den eksperimentelle prøve under forskellige belastninger og den maksimale belastning, når prøven knækker, for at beregne flydespænding, trækstyrke og andre ydeevneindikatorer for materialet.
Spænding σ = F/A
σ er trækstyrken (MPa)
F er trækbelastningen (N)
A er prøvens tværsnitsareal
2. Trækkurve
Analyse af flere faser i strækningsprocessen:
a. I OP-stadiet med en lille belastning er forlængelsen i et lineært forhold til belastningen, og Fp er den maksimale belastning for at opretholde den rette linje.
b. Når belastningen overstiger Fp, begynder trækkurven at antage et ikke-lineært forhold. Prøven går ind i den indledende deformationsfase, og belastningen fjernes, og prøven kan vende tilbage til sin oprindelige tilstand og deformeres elastisk.
c. Når belastningen overstiger Fe, fjernes belastningen, en del af deformationen genoprettes, og en del af den resterende deformation bevares, hvilket kaldes plastisk deformation. Fe kaldes elasticitetsgrænsen.
d. Når belastningen øges yderligere, viser trækkurven en savtakformet form. Når belastningen hverken øges eller mindskes, kaldes fænomenet med kontinuerlig forlængelse af den eksperimentelle prøve for frigivelse. Efter frigivelse begynder prøven at undergå tydelig plastisk deformation.
e. Efter at prøven har givet efter, viser den en stigning i deformationsmodstand, deformationshærdning og deformationsstyrke. Når belastningen når Fb, krymper den samme del af prøven kraftigt. Fb er styrkegrænsen.
f. Krympningsfænomenet fører til et fald i prøvens bæreevne. Når lasten når Fk, brækker prøven. Dette kaldes brudlasten.
Flydespænding
Flydespænding er den maksimale spændingsværdi, som et metalmateriale kan modstå fra begyndelsen af plastisk deformation til fuldstændigt brud, når det udsættes for ydre kraft. Denne værdi markerer det kritiske punkt, hvor materialet overgår fra det elastiske deformationsstadium til det plastiske deformationsstadium.
Klassifikation
Øvre flydespænding: refererer til prøvens maksimale spænding, før kraften falder for første gang, når der opstår flydespænding.
Lavere flydespænding: refererer til den minimale spænding i flydestadiet, når den indledende transiente effekt ignoreres. Da værdien af den nedre flydegrænse er relativt stabil, bruges den normalt som en indikator for materialemodstand, kaldet flydegrænse eller flydespænding.
Beregningsformel
For øvre flydespænding: R = F / Sₒ, hvor F er den maksimale kraft før kraften falder for første gang i flydefasen, og Sₒ er prøvens oprindelige tværsnitsareal.
For lavere flydespænding: R = F / Sₒ, hvor F er den minimale kraft F, der ignorerer den indledende transiente effekt, og Sₒ er prøvens oprindelige tværsnitsareal.
Enhed
Enheden for flydespænding er normalt MPa (megapascal) eller N/mm² (Newton pr. kvadratmillimeter).
Eksempel
Tag lavkulstofstål som eksempel, hvis flydegrænse normalt er 207 MPa. Når lavkulstofstål udsættes for en ekstern kraft, der er større end denne grænse, vil det producere permanent deformation og kan ikke genoprettes; når lavkulstofstål udsættes for en ekstern kraft, der er mindre end denne grænse, kan det vende tilbage til sin oprindelige tilstand.
Flydespænding er en af de vigtige indikatorer for evaluering af metalmaterialers mekaniske egenskaber. Den afspejler materialers evne til at modstå plastisk deformation, når de udsættes for ydre kræfter.
Trækstyrke
Trækstyrke er et materiales evne til at modstå skader under trækbelastning, hvilket specifikt udtrykkes som den maksimale spændingsværdi, som materialet kan modstå under trækprocessen. Når trækspændingen på materialet overstiger dets trækstyrke, vil materialet undergå plastisk deformation eller brud.
Beregningsformel
Beregningsformlen for trækstyrke (σt) er:
σt = F / A
Hvor F er den maksimale trækkraft (Newton, N), som prøven kan modstå før brud, og A er prøvens oprindelige tværsnitsareal (kvadratmillimeter, mm²).
Enhed
Enheden for trækstyrke er normalt MPa (megapascal) eller N/mm² (Newton pr. kvadratmillimeter). 1 MPa er lig med 1.000.000 Newton pr. kvadratmeter, hvilket også er lig med 1 N/mm².
Påvirkende faktorer
Trækstyrken påvirkes af mange faktorer, herunder den kemiske sammensætning, mikrostruktur, varmebehandlingsproces, forarbejdningsmetode osv. Forskellige materialer har forskellige trækstyrker, så i praktiske anvendelser er det nødvendigt at vælge egnede materialer baseret på materialernes mekaniske egenskaber.
Praktisk anvendelse
Trækstyrke er en meget vigtig parameter inden for materialevidenskab og -teknik og bruges ofte til at evaluere materialers mekaniske egenskaber. Med hensyn til strukturelt design, materialevalg, sikkerhedsvurdering osv. er trækstyrke en faktor, der skal tages i betragtning. For eksempel er ståls trækstyrke inden for byggeri en vigtig faktor for at bestemme, om det kan modstå belastninger; inden for luftfart er trækstyrken af lette og højstyrkematerialer nøglen til at sikre flys sikkerhed.
Udmattelsesstyrke:
Metaludmattelse refererer til den proces, hvor materialer og komponenter gradvist producerer lokale permanente kumulative skader på et eller flere steder under cyklisk belastning eller cyklisk stress, og revner eller pludselige komplette brud opstår efter et vist antal cyklusser.
Funktioner
Pludselighed i tid: Metaludmattelsesbrud opstår ofte pludseligt i løbet af kort tid uden tydelige tegn.
Lokalitet i position: Udmattelsessvigt forekommer normalt i lokale områder, hvor stress er koncentreret.
Følsomhed over for miljø og defekter: Metaludmattelse er meget følsom over for miljøet og små defekter inde i materialet, hvilket kan fremskynde udmattelsesprocessen.
Påvirkende faktorer
Spændingsamplitude: Spændingens størrelse påvirker direkte metallets udmattelseslevetid.
Gennemsnitlig spændingsstørrelse: Jo større den gennemsnitlige spænding er, desto kortere er metallets udmattelseslevetid.
Antal cyklusser: Jo flere gange metallet er under cyklisk belastning eller belastning, desto mere alvorlig er akkumuleringen af udmattelsesskader.
Forebyggende foranstaltninger
Optimer materialevalg: Vælg materialer med højere udmattelsesgrænser.
Reduktion af spændingskoncentration: Reducer spændingskoncentrationen gennem strukturelt design eller forarbejdningsmetoder, såsom brug af afrundede hjørneovergange, forøgelse af tværsnitsdimensioner osv.
Overfladebehandling: Polering, sprøjtning osv. på metaloverfladen for at reducere overfladefejl og forbedre udmattelsesstyrken.
Inspektion og vedligeholdelse: Inspicer regelmæssigt metalkomponenter for hurtigt at opdage og reparere defekter såsom revner; vedligehold dele, der er udsatte for træthed, f.eks. ved at udskifte slidte dele og forstærke svage led.
Metaludmattelse er en almindelig metalbrudstilstand, som er karakteriseret ved pludselighed, lokalitet og følsomhed over for miljøet. Spændingsamplitude, gennemsnitlig spændingsstørrelse og antal cyklusser er de vigtigste faktorer, der påvirker metaludmattelse.
SN-kurve: beskriver materialers udmattelseslevetid under forskellige spændingsniveauer, hvor S repræsenterer spænding og N repræsenterer antallet af spændingscyklusser.
Formel for udmattelseskoefficient:
(Kf = Ka ⋅ Kb ⋅ Kc ⋅ Kd ⋅ Ke)
Hvor (Ka) er belastningsfaktoren, (Kb) er størrelsesfaktoren, (Kc) er temperaturfaktoren, (Kd) er overfladekvalitetsfaktoren, og (Ke) er pålidelighedsfaktoren.
Matematisk udtryk for SN-kurve:
(\sigma^m N = C)
Hvor (ρ) er spænding, N er antallet af spændingscyklusser, og m og C er materialekonstanter.
Beregningstrin
Bestem materialekonstanterne:
Bestem værdierne af m og C gennem eksperimenter eller ved at henvise til relevant litteratur.
Bestem spændingskoncentrationsfaktoren: Overvej delens faktiske form og størrelse, samt spændingskoncentrationen forårsaget af fileter, notgange osv., for at bestemme spændingskoncentrationsfaktoren K. Beregn udmattelsesstyrken: Beregn udmattelsesstyrken i henhold til SN-kurven og spændingskoncentrationsfaktoren, kombineret med delens designlevetid og driftsspændingsniveau.
2. Plasticitet:
Plasticitet refererer til den egenskab ved et materiale, at det, når det udsættes for ydre kraft, producerer permanent deformation uden at knække, når den ydre kraft overstiger dets elasticitetsgrænse. Denne deformation er irreversibel, og materialet vil ikke vende tilbage til sin oprindelige form, selvom den ydre kraft fjernes.
Plasticitetsindeks og dets beregningsformel
Forlængelse (δ)
Definition: Forlængelse er den procentdel af den samlede deformation af målesektionen, efter at prøven er trækbrudt til den oprindelige målelængde.
Formel: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %
Hvor L0 er prøvens oprindelige målelængde;
L1 er målelængden efter at prøven er brudt.
Segmentreduktion (Ψ)
Definition: Segmentreduktionen er procentdelen af den maksimale reduktion i tværsnitsarealet ved halsdannelsespunktet, efter at prøven er brudt til det oprindelige tværsnitsareal.
Formel: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %
Hvor F0 er prøvens oprindelige tværsnitsareal;
F1 er tværsnitsarealet ved halsdannelsespunktet efter at prøven er brudt.
3. Hårdhed
Metalhårdhed er et mekanisk egenskabsindeks, der måler hårdheden af metalmaterialer. Det angiver evnen til at modstå deformation i det lokale volumen på metaloverfladen.
Klassificering og repræsentation af metalhårdhed
Der findes en række forskellige klassificerings- og repræsentationsmetoder for metalhårdhed i henhold til forskellige testmetoder. De omfatter hovedsageligt følgende:
Brinell-hårdhed (HB):
Anvendelsesområde: Anvendes generelt, når materialet er blødere, såsom ikke-jernholdige metaller, stål før varmebehandling eller efter udglødning.
Testprincip: Med en bestemt størrelse testbelastning presses en hærdet stålkugle eller hårdmetalkugle med en bestemt diameter ind i overfladen af det metal, der skal testes, og belastningen aflastes efter et bestemt tidsrum, og diameteren af fordybningen på den overflade, der skal testes, måles.
Beregningsformel: Brinell-hårdhedsværdien er den kvotient, der opnås ved at dividere belastningen med fordybningens sfæriske overfladeareal.
Rockwell-hårdhed (HR):
Anvendelsesområde: Generelt anvendt til materialer med højere hårdhed, såsom hårdhed efter varmebehandling.
Testprincip: Ligner Brinell-hårdhed, men bruger forskellige sonder (diamant) og forskellige beregningsmetoder.
Typer: Afhængigt af anvendelsen findes der HRC (til materialer med høj hårdhed), HRA, HRB og andre typer.
Vickers-hårdhed (HV):
Anvendelsesområde: Velegnet til mikroskopanalyse.
Testprincip: Pres materialeoverfladen med en belastning på mindre end 120 kg og en diamantformet firkantet kegleformet indrykningshul med en topvinkel på 136°, og divider overfladearealet af materialets indrykningshul med belastningsværdien for at få Vickers-hårdhedsværdien.
Leeb-hårdhed (HL):
Funktioner: Bærbar hårdhedsmåler, nem at måle.
Testprincip: Brug den opspring, der genereres af slagkuglehovedet efter at have ramt hårdhedsoverfladen, og beregn hårdheden ved forholdet mellem stemplets rebound-hastighed 1 mm fra prøveoverfladen og slaghastigheden.
Opslagstidspunkt: 25. september 2024
