Właściwości fizyczne materiału

Właściwości fizyczne

Materiały są wybierane do różnych zastosowań na podstawie ich właściwości fizycznych i chemicznych. Ten artykuł omawia różne właściwości fizyczne materiałów.

Wytrzymałość

Wytrzymałość to zdolność materiału do odporności na odkształcenia. Wytrzymałość elementu jest zazwyczaj rozpatrywana na podstawie maksymalnego obciążenia, które może być zniesione przed pojawieniem się uszkodzenia. Podczas prostego ściskania obciążenie przy złamaniu będzie maksymalnym możliwym do zastosowania na znacznie powiększonym obszarze w porównaniu z przekrojem poprzecznym bez obciążenia.

To niejasność można przezwyciężyć, stosując nominalny obraz naprężenia dla rozciągania i ścinania. Jest to obliczane przez podzielenie odpowiedniego maksymalnego obciążenia przez pierwotny przekrój poprzeczny elementu. W ten sposób wytrzymałość materiału to maksymalne nominalne naprężenie, które może wytrzymać. Nominalne naprężenie jest przywoływane przy podawaniu "wytrzymałości" materiału i zawsze jest kwalifikowane przez rodzaj naprężenia, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ściskanie lub wytrzymałość na ścinanie.

Dla większości materiałów konstrukcyjnych trudność w znalezieniu wytrzymałości na ściskanie można przezwyciężyć, zastępując wartość wytrzymałości na rozciąganie wytrzymałością na ściskanie. To zastąpienie jest bezpiecznym założeniem, ponieważ nominalna wytrzymałość na ściskanie jest zawsze większa niż nominalna wytrzymałość na rozciąganie, ponieważ efektywny przekrój poprzeczny zwiększa się przy ściskaniu i zmniejsza przy rozciąganiu.

Kiedy siła jest przykładana do metalu, warstwy atomów w strukturze krystalicznej przesuwają się względem sąsiednich warstw atomów. Proces ten nazywa się ślizgiem. Granice ziaren mają tendencję do zapobiegania ślizgowi. Im mniejszy rozmiar ziarna, tym większy obszar granicy ziarna. Zmniejszenie rozmiaru ziarna poprzez zimną obróbkę lub gorącą obróbkę metalu ma tendencję do opóźniania ślizgu, a tym samym zwiększania wytrzymałości metalu. Zimna i gorąca obróbka są omówione w następnej sekcji.

Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie

Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie (UTS) to maksymalna odporność na złamanie. Jest równoważna maksymalnemu obciążeniu, które może być przenoszone przez jeden cal kwadratowy przekroju poprzecznego (lub jeden metr kwadratowy) przy zastosowaniu obciążenia jako prostego rozciągania. Jest wyrażana w funtach na cal kwadratowy lub niutonach na metr kwadratowy.

  psi lub N/m²

Jeśli dostępna jest pełna krzywa naprężenie-odkształcenie, ostateczna wytrzymałość na rozciąganie pojawia się jako wartość współrzędnej naprężenia najwyższego punktu na krzywej. Materiały, które znacznie się wydłużają przed złamaniem, przechodzą tak dużą redukcję przekroju poprzecznego, że materiał będzie przenosił mniejsze obciążenie w końcowych etapach testu. Znaczne zmniejszenie przekroju nazywa się "szyjką". Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie jest często skracana do "wytrzymałości na rozciąganie" lub nawet do "ostatecznej". "Ostateczna wytrzymałość" jest czasami używana, ale może być myląca i dlatego nie jest używana w niektórych dyscyplinach.

Wytrzymałość plastyczna

W celu określenia naprężenia, przy którym zaczyna się odkształcenie plastyczne, zdefiniowano kilka terminów. Najczęściej używaną wartością w tym celu jest wytrzymałość plastyczna. Wytrzymałość plastyczna jest definiowana jako naprężenie, przy którym występuje określona ilość trwałego odkształcenia. Graficzna część wczesnych etapów testu rozciągania jest używana do oceny wytrzymałości plastycznej. Aby znaleźć wytrzymałość plastyczną, określona ilość trwałego odkształcenia jest ustawiana wzdłuż osi odkształcenia wykresu, po prawej stronie od początku (zero). Jest to wskazane na poniższym obrazie jako Punkt (D).

Prosta linia jest rysowana przez Punkt (D) pod tym samym kątem nachylenia co początkowa część krzywej naprężenie-odkształcenie. Punkt przecięcia nowej linii i krzywej naprężenie-odkształcenie jest rzutowany na oś naprężenia. Wartość naprężenia, w funtach na cal kwadratowy lub niutonach na metr kwadratowy, to wytrzymałość plastyczna. Jest to wskazane na poniższym obrazie jako Punkt 3. Ta metoda wykreślania jest stosowana w celu odjęcia odkształcenia sprężystego od całkowitego odkształcenia, pozostawiając określony "trwały offset" jako resztę. Gdy wytrzymałość plastyczna jest zgłaszana, ilość offsetu użyta w określeniu powinna być podana. Na przykład, "Wytrzymałość plastyczna (przy 0,2% offsetu) = 51 200 psi."

Typowa krzywa naprężenie-odkształcenie materiału kruchego

Przykłady wytrzymałości plastycznej

Niektóre przykłady wytrzymałości plastycznej dla metali są następujące.

Aluminium              3,5 x 10⁴ do 4,5 x 10⁴ psi
Stal nierdzewna        4,0 x 10⁴ do 5,0 x 10⁴ psi
Stal węglowa          3,0 x 10⁴ do 4,0 x 10⁴ psi

Wartości alternatywne

Czasami zamiast wytrzymałości plastycznej stosuje się wartości alternatywne. Kilka z nich jest krótko opisanych poniżej.

• Punkt płynięcia, określony metodą dzielnika, polega na obserwatorze z parą dzielników obserwującym widoczne wydłużenie między dwoma znakami mierniczymi na próbce. Gdy widoczne rozciągnięcie występuje, obciążenie w tym momencie jest rejestrowane, a odpowiadające mu naprężenie jest obliczane.
• Miękka stal, testowana na rozciąganie, często wykazuje szczególną cechę, znaną jako punkt płynięcia. Jeśli krzywa naprężenie-odkształcenie jest wykreślana, obserwuje się spadek obciążenia (lub czasami stałe obciążenie), chociaż odkształcenie nadal rośnie. Ostatecznie metal jest wzmacniany przez odkształcenie, a obciążenie rośnie wraz z dalszym rozciąganiem. Wysoki punkt na S-kształtnej części krzywej, gdzie rozpoczęło się płynięcie, jest znany jako górny punkt płynięcia, a minimalny punkt to dolny punkt płynięcia. To zjawisko jest bardzo kłopotliwe w niektórych operacjach głębokiego tłoczenia blachy stalowej. Stal nadal się wydłuża i staje się cieńsza w lokalnych obszarach, gdzie inicjuje się odkształcenie plastyczne, pozostawiając nieestetyczne zagłębienia zwane rozciągnięciami lub "robakami".
• Granica proporcjonalności jest definiowana jako naprężenie, przy którym krzywa naprężenie-odkształcenie po raz pierwszy odbiega od linii prostej. Poniżej tej wartości granicznej naprężenia stosunek naprężenia do odkształcenia jest stały, a materiał mówi się, że przestrzega prawa Hooke'a (naprężenie jest proporcjonalne do odkształcenia). Granica proporcjonalności zwykle nie jest używana w specyfikacjach, ponieważ odchylenie zaczyna się tak stopniowo, że na pewno powstaną kontrowersje co do dokładnego naprężenia, przy którym linia zaczyna się zakrzywiać.
• Granica sprężystości została wcześniej zdefiniowana jako naprężenie, przy którym zaczyna się odkształcenie plastyczne. Ta granica nie może być określona z krzywej naprężenie-odkształcenie. Metoda określania granicy musiałaby obejmować szereg nieznacznie rosnących obciążeń z pośrednim całkowitym rozładowaniem w celu wykrycia pierwszego odkształcenia plastycznego lub "trwałego odkształcenia". Podobnie jak granica proporcjonalności, jej określenie wywołałoby kontrowersje. Granica sprężystości jest jednak używana jako opisowy, jakościowy termin.

W wielu sytuacjach wytrzymałość plastyczna jest używana do określenia dopuszczalnego naprężenia, na które materiał może być narażony. Jednak dla elementów, które muszą wytrzymać wysokie ciśnienia, to kryterium nie jest w pełni wystarczające i należy wziąć pod uwagę inne czynniki (tematy wykraczające poza zakres tego tekstu).

Plastyczność

Procent wydłużenia zgłaszany w teście rozciągania jest definiowany jako maksymalne wydłużenie długości mierniczej podzielone przez pierwotną długość mierniczą. Pomiar jest określany, jak pokazano na następnym obrazie.

Pomiar wydłużenia po złamaniu

Redukcja powierzchni to proporcjonalna redukcja przekroju poprzecznego próbki testowej na rozciąganie, na płaszczyźnie złamania, mierzona po złamaniu.

Redukcja powierzchni jest zgłaszana jako dodatkowa informacja (do procentu wydłużenia) na temat charakterystyki deformacyjnej materiału. Obie są używane jako wskaźniki plastyczności, zdolności materiału do wydłużania się pod wpływem rozciągania. Ponieważ wydłużenie nie jest jednolite na całej długości mierniczej i jest największe w centrum szyjki, procent wydłużenia nie jest absolutną miarą plastyczności. Z tego powodu długość miernicza musi być zawsze podawana, gdy zgłaszany jest procent wydłużenia. Redukcja powierzchni, mierzona przy minimalnej średnicy szyjki, jest lepszym wskaźnikiem plastyczności.

Plastyczność jest częściej definiowana jako zdolność materiału do łatwego odkształcania się pod wpływem siły rozciągającej, lub jako zdolność materiału do wytrzymywania odkształceń plastycznych bez pęknięcia. Plastyczność można również rozważać w kategoriach giętkości i kruchości. Materiały plastyczne wykazują duże odkształcenie przed złamaniem. Brak plastyczności jest często określany jako kruchość. Zwykle, jeśli dwa materiały mają tę samą wytrzymałość i twardość, ten, który ma wyższą plastyczność, jest bardziej pożądany. Plastyczność wielu metali może się zmieniać, jeśli warunki ulegają zmianie. Wzrost temperatury zwiększy plastyczność. Spadek temperatury spowoduje zmniejszenie plastyczności i zmianę z zachowania plastycznego na kruche.

Obróbka na zimno również ma tendencję do zmniejszania plastyczności metali. Obróbka na zimno jest wykonywana w zakresie temperatur i w czasie, aby uzyskać odkształcenie plastyczne, ale nie łagodząc utwardzania odkształceniowego. Drobne dodatki zanieczyszczeń do metali, zarówno celowe, jak i niezamierzone, mogą mieć znaczący wpływ na zmianę z zachowania plastycznego na kruche. Podgrzewanie metalu obrabianego na zimno do lub powyżej temperatury, w której atomy metalu powracają do swoich pozycji równowagi, zwiększy plastyczność tego metalu; proces ten nazywa się wyżarzaniem.

Plastyczność jest pożądana w zastosowaniach wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych ze względu na dodatkowe naprężenia działające na metale; wysoka plastyczność pomaga zapobiegać kruchym pęknięciom.

Plastyczność

Gdzie plastyczność to zdolność materiału do łatwego odkształcania się pod wpływem siły rozciągającej, plastyczność to zdolność metalu do wykazywania dużego odkształcenia lub reakcji plastycznej przy poddawaniu się siłom ściskającym. Jednorodne siły ściskające powodują odkształcenie w sposób pokazany na poniższym obrazie. Materiał kurczy się osiowo pod wpływem siły i rozszerza się bocznie. Ograniczenie spowodowane tarciem na powierzchniach kontaktowych indukuje napięcie osiowe na zewnątrz. Siły rozciągające działają wokół obwodu wraz z bocznym rozszerzeniem lub zwiększaniem obwodu. Przepływ plastyczny w centrum materiału również indukuje napięcie.

Plastyczne odkształcenie cylindra pod jednorodnym ściskaniem osiowym

Dlatego kryterium pęknięcia (czyli granica odkształcenia plastycznego) dla materiału plastycznego prawdopodobnie zależy od naprężenia rozciągającego, a nie ściskającego. Zmiana temperatury może modyfikować zarówno tryb przepływu plastycznego, jak i tryb pęknięcia.

Wytrzymałość

Jakość znana jako wytrzymałość opisuje sposób, w jaki materiał reaguje na nagłe uderzenia. Jest definiowana jako praca wymagana do odkształcenia jednego cala sześciennego (jednostki metryczne to dżul na metr sześcienny) metalu, aż do jego pęknięcia. Wytrzymałość jest mierzona za pomocą testu Charpy'ego.