סיכום התכונות המכניות של חומרי מתכת

מבחן המתיחה של החוזק משמש בעיקר לקביעת יכולתם של חומרי מתכת לעמוד בפני נזקים במהלך תהליך המתיחה, והוא אחד המדדים החשובים להערכת התכונות המכניות של חומרים.

1. בדיקת מתיחה

מבחן המתיחה מבוסס על העקרונות הבסיסיים של מכניקת החומר. על ידי הפעלת עומס מתיחה על דגימת החומר בתנאים מסוימים, הוא גורם לעיוות מתיחה עד שהדגימה נשברת. במהלך הבדיקה, העיוות של המדגם הניסיוני תחת עומסים שונים והעומס המרבי בעת הפסקות המדגם נרשם, על מנת לחשב את חוזק התפוקה, חוזק המתיחה ומדדי ביצועים אחרים של החומר.

מתח σ = F/A

σ הוא חוזק המתיחה (MPa)

F הוא עומס המתיחה (N)

A הוא שטח החתך של הדגימה

2. עקומת מתיחה

ניתוח של מספר שלבים בתהליך המתיחה:

א. בשלב OP עם עומס קטן, ההתארכות נמצאת ביחס ליניארי עם העומס, ו-Fp הוא העומס המרבי לשמירה על הקו הישר.

ב. לאחר שהעומס עולה על Fp, עקומת המתיחה מתחילה לקבל קשר לא ליניארי. המדגם נכנס לשלב העיוות הראשוני, והעומס מוסר, והדגימה יכולה לחזור למצבה המקורי ולעוות בצורה אלסטית.

ג. לאחר שהעומס עולה על Fe, העומס מוסר, חלק מהדפורמציה משוחזר וחלק מהדפורמציה השיורית נשמרת, מה שנקרא דפורמציה פלסטית. Fe נקרא הגבול האלסטי.

ד. כאשר העומס גדל עוד יותר, עקומת המתיחה מראה שן מסור. כאשר העומס אינו עולה או יורד, התופעה של התארכות מתמשכת של המדגם הניסיוני נקראת תשואה. לאחר הניב, המדגם מתחיל לעבור דפורמציה פלסטית ברורה.

ה. לאחר התנובה, המדגם מראה עלייה בעמידות לדפורמציה, התקשות עבודה וחיזוק דפורמציה. כאשר העומס מגיע ל-Fb, אותו חלק של המדגם מתכווץ בחדות. Fb הוא מגבלת הכוח.

ו. תופעת ההתכווצות מביאה לירידה ביכולת הנשיאה של המדגם. כאשר העומס מגיע ל-Fk, המדגם נשבר. זה נקרא עומס השבר.

חוזק תשואה

חוזק תפוקה הוא ערך הלחץ המקסימלי שחומר מתכת יכול לעמוד בו מתחילת העיוות הפלסטי ועד השבר המלא כאשר הוא נתון לכוח חיצוני. ערך זה מסמן את הנקודה הקריטית שבה החומר עובר משלב הדפורמציה האלסטית לשלב הדפורמציה הפלסטית.

מִיוּן

חוזק תנובה עליון: מתייחס למתח המרבי של המדגם לפני שהכוח יורד בפעם הראשונה כאשר מתרחשת כניעה.

חוזק תפוקה נמוך יותר: מתייחס למתח המינימלי בשלב התפוקה כאשר מתעלמים מהאפקט החולף הראשוני. מכיוון שהערך של נקודת התפוקה התחתונה יציב יחסית, הוא משמש בדרך כלל כאינדיקטור לעמידות החומר, הנקרא נקודת תפוקה או חוזק תפוקה.

נוסחת חישוב

עבור חוזק תנובה עליון: R = F / Sₒ, כאשר F הוא הכוח המרבי לפני שהכוח יורד בפעם הראשונה בשלב התנובה, ו-Sₒ הוא שטח החתך המקורי של המדגם.

לחוזק תפוקה נמוך יותר: R = F / Sₒ, כאשר F הוא הכוח המינימלי F תוך התעלמות מהאפקט החולף הראשוני, ו-Sₒ הוא שטח החתך המקורי של המדגם.

יְחִידָה

יחידת חוזק התפוקה היא בדרך כלל MPa (מגה-פסקל) או N/mm² (ניוטון למילימטר רבוע).

דוּגמָה

קח פלדה דלת פחמן כדוגמה, מגבלת התפוקה שלה היא בדרך כלל 207MPa. כאשר נתון לכוח חיצוני הגדול מגבול זה, פלדה דלת פחמן תייצר דפורמציה קבועה ולא ניתן לשחזר אותה; כאשר נתון לכוח חיצוני הנמוך מגבול זה, פלדה דלת פחמן יכולה לחזור למצבה המקורי.

חוזק תפוקה הוא אחד האינדיקטורים החשובים להערכת התכונות המכניות של חומרי מתכת. הוא משקף את יכולתם של חומרים להתנגד לעיוות פלסטי כאשר הם נתונים לכוחות חיצוניים.

חוזק מתיחה

חוזק מתיחה הוא יכולתו של חומר לעמוד בפני נזק תחת עומס מתיחה, המתבטאת באופן ספציפי כערך המתח המרבי שהחומר יכול לעמוד בו במהלך תהליך המתיחה. כאשר מתח המתיחה על החומר עולה על חוזק המתיחה שלו, החומר יעבור דפורמציה פלסטית או שבר.

נוסחת חישוב

נוסחת החישוב לחוזק מתיחה (σt) היא:

σt = F / A

כאשר F הוא כוח המתיחה המרבי (ניוטון, N) שהדגימה יכולה לעמוד בו לפני השבירה, ו-A הוא שטח החתך המקורי של הדגימה (מילימטר מרובע, מ"מ).

יְחִידָה

יחידת חוזק המתיחה היא בדרך כלל MPa (מגה-פסקל) או N/mm² (ניוטון למילימטר רבוע). 1 MPa שווה ל-1,000,000 ניוטון למ"ר, שגם הוא שווה ל-1 N/mm².

גורמים משפיעים

חוזק המתיחה מושפע מגורמים רבים, לרבות ההרכב הכימי, המיקרו-מבנה, תהליך הטיפול בחום, שיטת העיבוד וכו'. לחומרים שונים יש חוזק מתיחה שונה, ולכן ביישומים מעשיים, יש צורך לבחור חומרים מתאימים על סמך התכונות המכניות של החומר. חומרים.

יישום מעשי

חוזק מתיחה הוא פרמטר חשוב מאוד בתחום מדעי החומרים והנדסת החומרים, והוא משמש לרוב להערכת התכונות המכניות של חומרים. מבחינת עיצוב מבני, בחירת חומרים, הערכת בטיחות וכו', חוזק מתיחה הוא גורם שיש לקחת בחשבון. לדוגמה, בהנדסת בנייה, חוזק המתיחה של פלדה הוא גורם חשוב בקביעה האם היא יכולה לעמוד בעומסים; בתחום התעופה והחלל, חוזק המתיחה של חומרים קלים ובעלי חוזק גבוה הוא המפתח להבטחת בטיחות המטוסים.

חוזק עייפות:

עייפות מתכת מתייחסת לתהליך שבו חומרים ורכיבים מייצרים בהדרגה נזק מצטבר קבוע מקומי במקום אחד או כמה תחת לחץ מחזורי או מתח מחזורי, וסדקים או שברים מלאים פתאומיים מתרחשים לאחר מספר מסוים של מחזורים.

תכונות

פתאומיות בזמן: כישלון עייפות מתכת מתרחש לעתים קרובות באופן פתאומי בפרק זמן קצר ללא סימנים ברורים.

מיקום בעמדה: כשל עייפות מתרחש בדרך כלל באזורים מקומיים שבהם מתרכז הלחץ.

רגישות לסביבה ולפגמים: עייפות המתכת רגישה מאוד לסביבה ולפגמים זעירים בתוך החומר, העלולים להאיץ את תהליך העייפות.

גורמים משפיעים

משרעת מתח: גודל הלחץ משפיע ישירות על חיי העייפות של המתכת.

גודל מתח ממוצע: ככל שהמתח הממוצע גדול יותר, כך חיי העייפות של המתכת קצרים יותר.

מספר מחזורים: ככל שהמתכת נמצאת יותר פעמים במתח או מתח מחזורי, כך הצטברות נזקי עייפות חמורה יותר.

אמצעי מניעה

מטב את בחירת החומרים: בחר חומרים עם מגבלות עייפות גבוהות יותר.

הפחתת ריכוז המתח: הפחתת ריכוז המתח באמצעות תכנון מבני או שיטות עיבוד, כגון שימוש במעברי פינות מעוגלות, הגדלת ממדי חתך וכו'.

טיפול פני השטח: ליטוש, התזה וכו' על פני המתכת להפחתת פגמי פני השטח ושיפור חוזק העייפות.

בדיקה ותחזוקה: בדוק באופן קבוע רכיבי מתכת כדי לזהות ולתקן פגמים מיידיים כגון סדקים; לשמור על חלקים המועדים לעייפות, כגון החלפת חלקים בלויים וחיזוק חוליות חלשות.

עייפות מתכת היא מצב כשל מתכת שכיח, המאופיין בפתאומיות, מקומיות ורגישות לסביבה. משרעת מתח, גודל מתח ממוצע ומספר מחזורים הם הגורמים העיקריים המשפיעים על עייפות המתכת.

עקומת SN: מתארת ​​את חיי העייפות של חומרים ברמות מתח שונות, כאשר S מייצג מתח ו-N מייצג את מספר מחזורי הלחץ.

נוסחת מקדם חוזק עייפות:

(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)

כאשר (Ka) הוא גורם העומס, (Kb) הוא גורם הגודל, (Kc) הוא גורם הטמפרטורה, (Kd) הוא גורם איכות פני השטח ו-(Ke) הוא גורם המהימנות.

ביטוי מתמטי של עקומת SN:

(\sigma^m N = C)

כאשר (\sigma) הוא מתח, N הוא מספר מחזורי הלחץ, ו-m ו-C הם קבועי חומר.

שלבי חישוב

קבע את קבועי החומר:

קבע את הערכים של m ו-C באמצעות ניסויים או על ידי התייחסות לספרות רלוונטית.

קבע את גורם ריכוז המתח: שקול את הצורה והגודל האמיתיים של החלק, כמו גם את ריכוז המתח הנגרם על ידי פילטים, מסלולי מפתח וכו', כדי לקבוע את גורם ריכוז הלחץ K. חשב את חוזק העייפות: על פי עקומת ה-SN והמתח מקדם ריכוז, בשילוב עם חיי התכנון ורמת המתח בעבודה של החלק, מחשבים את חוזק העייפות.

2. פלסטיות:

פלסטיות מתייחסת לתכונה של חומר שכאשר הוא נתון לכוח חיצוני, מייצר עיוות קבוע מבלי להישבר כאשר הכוח החיצוני חורג מהגבול האלסטי שלו. דפורמציה זו היא בלתי הפיכה, והחומר לא יחזור לצורתו המקורית גם אם הכוח החיצוני יוסר.

מדד הפלסטיות ונוסחת החישוב שלו

התארכות (δ)

הגדרה: התארכות היא האחוז מהדפורמציה הכוללת של קטע המדד לאחר שבירה של הדגימה במתיחה לאורך המדד המקורי.

נוסחה: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

כאשר L0 הוא אורך המדיד המקורי של הדגימה;

L1 הוא אורך המדיד לאחר שבירת הדגימה.

הפחתה מגזרת (Ψ)

הגדרה: ההפחתה המגזרית היא אחוז ההפחתה המקסימלית בשטח החתך בנקודת הצוואר לאחר שבירת הדגימה לאזור החתך המקורי.

נוסחה: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

כאשר F0 הוא שטח החתך המקורי של הדגימה;

F1 הוא שטח החתך בנקודת הצוואר לאחר שבירת הדגימה.

3. קשיות

קשיות מתכת היא מדד מאפיינים מכני למדידת קשיות של חומרי מתכת. זה מציין את היכולת להתנגד לעיוות בנפח המקומי על פני המתכת.

סיווג וייצוג של קשיות מתכת

לקשיות מתכת מגוון שיטות סיווג וייצוג לפי שיטות בדיקה שונות. כולל בעיקר את הדברים הבאים:

קשיות ברינל (HB):

היקף היישום: משמש בדרך כלל כאשר החומר רך יותר, כגון מתכות לא ברזליות, פלדה לפני טיפול בחום או לאחר חישול.

עקרון הבדיקה: עם גודל מסוים של עומס בדיקה, כדור פלדה מוקשה או כדור קרביד בקוטר מסוים נלחץ לתוך פני המתכת לבדיקה, והעומס נפרק לאחר זמן מוגדר, וקוטר השקע על המשטח לבדיקה נמדד.

נוסחת חישוב: ערך קשיות Brinell הוא המנה המתקבלת על ידי חלוקת העומס בשטח הפנים הכדורי של השקע.

קשיות Rockwell (HR):

היקף היישום: משמש בדרך כלל לחומרים בעלי קשיות גבוהה יותר, כגון קשיות לאחר טיפול בחום.

עקרון הבדיקה: דומה לקשיות ברינל, אך באמצעות בדיקות שונות (יהלום) ושיטות חישוב שונות.

סוגים: בהתאם ליישום, ישנם HRC (לחומרים בעלי קשיות גבוהה), HRA, HRB וסוגים נוספים.

קשיות ויקרס (HV):

היקף היישום: מתאים לניתוח מיקרוסקופ.

עקרון הבדיקה: לחץ על משטח החומר בעומס של פחות מ-120 ק"ג ובחרוט חרוט מרובע יהלום עם זווית קודקוד של 136°, ומחלקים את שטח הפנים של בור שקע החומר בערך העומס כדי לקבל את ערך הקשיות של ויקרס.

קשיות ליב (HL):

מאפיינים: בודק קשיות נייד, קל למדידה.

עקרון הבדיקה: השתמש בקפיצה שנוצרת על ידי ראש כדור ההשפעה לאחר הפגיעה במשטח הקשיות, וחשב את הקשיות לפי היחס בין מהירות הריבאונד של האגרוף ב-1 מ"מ ממשטח המדגם למהירות הפגיעה.