Mekaaniset ominaisuudet ovat olennaisen tärkeitä, kun kuvataan materiaalin käyttäytymistä kuormituksen vaikutuksesta. Monet testit, kuten veto-, puristus-, isku-, taivutus-, leikkaus-, vääntö- ja kovuuskokeet, on kehitetty havainnoimaan materiaalin vastetta ulkoiseen voimaan. Nämä ominaisuudet ovat tärkeitä, jotta tekniikan suunnittelijat voivat valita sopivia materiaaleja eri sovelluksiin.
Mikä on materiaalin venymä?
Venymä on muodonmuutoksen mitta, joka tapahtuu ennen kuin materiaali lopulta murtuu, kun siihen kohdistetaan vetokuormitus. Kun jälkimmäistä käytetään, tapahtuu pituuden kasvu ja poikkipinta-alan tasainen pieneneminen, kun taas materiaalin tilavuus pysyy vakiona. Laajenemisesta johtuvaa venymistä voi tapahtua myös, kun materiaalin lämpötila nousee tai jos materiaaliin kohdistuu samanaikaisesti sekä aksiaalinen voima että korkea lämpötila.
Miten venymistä mitataan?
Materiaalin aksiaalisen voiman aiheuttaman venymisen mittaaminen suoritetaan yleensä tavallisella vetolujuuskokeella. Liuskaan tai sauvaan, jolla on tietty pituus ja yhtenäinen poikkipinta-ala ja joka on kiinnitetty toisesta päästä, kohdistetaan vetokuormitus näytteen akselin suuntaisesti. Koekappaleeseen kaiverretaan mittamerkit, kun se asetetaan testauslaitteen kahvaan, ja näin määritetään koepituus. Aksiaalista kuormitusta lisätään asteittain ja venymistä tarkkaillaan, kunnes materiaali mekaanisesti murtuu tai murtuu. Tämä testi on yleensä normalisoitu, se tehdään vakiokuormanopeudella ja se on tuhoava. Mittarin pituuden tai kalibrointipituuden on oltava riittävän pitkä, jotta voidaan varmistaa, että vetojännitys välittyy tasaisesti.
Kuva 1 viitteeksi. Lähde- https://www.admet.com/wp-content/uploads/2017/07/ductile-specimen-shape-during-testing.png
Tyypillinen vetokokeen kulku alkaa siten, että koekappale sijaitsee ilman kuormitusta. Kuormaa aluksi käytettäessä voidaan havaita tasainen venyminen ja poikkipinta-alan pieneneminen. Tämä jatkuu, kunnes maksimikuorma on saavutettu. Tämän jälkeen tapahtuu kaulaantuminen, jolloin seuraava muodonmuutos muuttuu epätasaiseksi ja tapahtuu ainoastaan kaulan kohdalla. Paikallinen todellinen jännitys kasvaa edelleen kaulan pinta-alan pienentyessä, kunnes murtuma saavutetaan.
Vetokokeessa millä tahansa pituudella L tapahtuvan venymän kaava on:
missä,
δ = venymä, (in tai mm)
L0 = merkkien välinen alkuperäinen mittapituus, (in tai mm)
L = merkkien välinen pituus missä tahansa pisteessä tasaisen venymän aikana, (in tai mm)
Vetokokeen aikana luetaan samanaikaisesti kohdistettu kuormitus ja mittapituuden venymä. Nämä tiedot voidaan piirtää kuvaajaan, jota kutsutaan jännitys-venymäkäyräksi. Jännitys-muodonmuutoskäyrä on olennainen materiaaliominaisuuksien ymmärtämisessä, koska se osoittaa teknisen jännityksen ja teknisen muodonmuutoksen välisen perussuhteen.
Teknisen jännityksen kaava, joka osoittaa käytetyn kuorman vaikutuksen alkuperäiseen poikkipinta-alaan, on:
jossa,
σ = tekninen jännitys, (lb/m2 tai MPa)
P = käytetty kuorma, (lb tai N)
A0 = alkuperäinen poikkipinta-ala, (sq. in tai sq. mm)
Tekninen venymä taas mitataan venymän ja mittapituuden suhteena:
joissa,
ε = tekninen venymä, (yksikköä vailla)
δ = venymä missä tahansa pisteessä tasaisen venymisvaiheen aikana, (in tai mm)
L0 = merkkien väliin jäävän alkuperäisen mittapituuden pituus, (in tai mm)
Mitä on prosentuaalinen venymä?
Esitetään, että meillä on sauva, jolle on tehty vetolujuuskoe. Pidennysmittarin avulla voimme mitata alkuperäisen mittapituuden Lo ja lopullisen mittapituuden Lf kauluksen ja murtuman jälkeen. Lopullisen ja alkuperäisen pituuden erotuksen suhdetta itse alkuperäiseen pituuteen kutsutaan prosentuaaliseksi venymäksi (%δ).
missä,
%δ = prosentuaalinen venymä, (%)
Lf = lopullinen koepituus, (tuumaa tai mm)
Lo = alkuperäinen koepituus, (tuumaa tai mm)
Tämä mittaustulos kuvaa materiaalin ominaisuutta nimeltä sitkeys .
Miksi lasketaan materiaalin venymä?
Vetokokeen suorittaminen eri materiaalien venymän määrittämiseksi on tärkeää, jotta voidaan arvioida niiden mahdollisia käyttötarkoituksia. Esimerkiksi materiaalit, joilla on suuri venymä – eli hyvä sitkeys – ovat kriittisiä komponenteissa, jotka vaativat energian vaimentamista plastisen muodonmuutoksen avulla, kuten törmäyssuojissa ja puskureissa.
Valmistusprosesseissa tämän ominaisuuden tunteminen on olennaista laadunvalvontamittareiden toteuttamiseksi.
Materiaali- ja valmistustekniikan insinööreille tällaisia ominaisuuksia tutkitaan materiaalin heikkouksien ja rajoitusten arvioimiseksi parantamista ja vaihtoehtojen tutkimista varten.
Hyvä venymäominaisuus on erittäin tärkeä ominaisuus.