Fysische Eigenschappen
Materialen worden geselecteerd voor diverse toepassingen op basis van hun fysische en chemische eigenschappen. Dit artikel behandelt de verschillende fysische eigenschappen van materialen.
Sterkte
Sterkte is het vermogen van een materiaal om vervorming te weerstaan. De sterkte van een component wordt doorgaans beoordeeld op basis van de maximale belasting die het kan dragen voordat er een breuk optreedt. Bij eenvoudige compressie is de belasting bij breuk de maximale belasting die kan worden toegepast over een aanzienlijk vergroot gebied in vergelijking met het oorspronkelijke dwarsdoorsnedegebied zonder belasting.
Deze onduidelijkheid kan worden opgelost door een nominaal spanningsbeeld te gebruiken voor trek en afschuiving. Dit wordt berekend door de relevante maximale belasting te delen door het oorspronkelijke dwarsdoorsnedegebied van de component. Zo is de sterkte van een materiaal de maximale nominale spanning die het kan verdragen. De nominale spanning wordt genoemd bij het aangeven van de "sterkte" van een materiaal en wordt altijd gespecificeerd door het type spanning, zoals treksterkte, druksterkte of afschuifsterkte.
Voor de meeste structurele materialen kan de uitdaging bij het bepalen van druksterkte worden overwonnen door de treksterktewaarde te vervangen door de druksterkte. Deze vervanging is een veilige aanname omdat de nominale druksterkte altijd groter is dan de nominale treksterkte, aangezien de effectieve dwarsdoorsnede toeneemt bij compressie en afneemt bij trek.
Wanneer een kracht op een metaal wordt uitgeoefend, bewegen lagen atomen binnen de kristalstructuur ten opzichte van aangrenzende lagen atomen. Dit proces wordt glijden genoemd. Korrelgrenzen hebben de neiging om glijden te voorkomen. Hoe kleiner de korrelgrootte, hoe groter het korrelgrensgebied. Het verkleinen van de korrelgrootte door koud vervormen of warm verwerken van het metaal heeft de neiging om glijden te vertragen en zo de sterkte van het metaal te vergroten. Koud en warm vervormen worden in de volgende sectie besproken.
Ultieme Treksterkte
De ultieme treksterkte (UTS) is de maximale weerstand tegen breuk. Het is gelijk aan de maximale belasting die kan worden gedragen door één vierkante inch dwarsdoorsnede (of één vierkante meter) wanneer de belasting wordt toegepast als eenvoudige trek. Het wordt uitgedrukt in ponden per vierkante inch of Newtons per meter in het kwadraat.
Als de volledige technische spanning-rekcurve beschikbaar is, verschijnt de ultieme treksterkte als de spanningscoördinaatwaarde van het hoogste punt op de curve. Materialen die sterk verlengen voordat ze breken, ondergaan zo'n grote vermindering van het dwarsdoorsnedegebied dat het materiaal minder belasting kan dragen in de laatste stadia van de test. Een duidelijke afname van de dwarsdoorsnede wordt "nekvorming" genoemd. Ultieme treksterkte wordt vaak afgekort tot "treksterkte" of zelfs tot "de ultieme." "Ultieme sterkte" wordt soms gebruikt, maar kan misleidend zijn en wordt daarom in sommige disciplines niet gebruikt.
Vloeigrens
Een aantal termen is gedefinieerd om de spanning te identificeren waarbij plastische vervorming begint. De waarde die het meest wordt gebruikt voor dit doel is de vloeigrens. De vloeigrens wordt gedefinieerd als de spanning waarbij een vooraf bepaalde hoeveelheid permanente vervorming optreedt. Het grafische gedeelte van de vroege stadia van een trekproef wordt gebruikt om de vloeigrens te evalueren. Om de vloeigrens te vinden, wordt de vooraf bepaalde hoeveelheid permanente rek langs de rekas van de grafiek ingesteld, rechts van de oorsprong (nul). Het wordt in de onderstaande afbeelding aangegeven als Punt (D).
Een rechte lijn wordt getrokken door Punt (D) met dezelfde helling als het begin van de spanning-rekcurve. Het snijpunt van de nieuwe lijn en de spanning-rekcurve wordt geprojecteerd op de spanningsas. De spanningswaarde, in ponden per vierkante inch of Newtons per meter in het kwadraat, is de vloeigrens. Het wordt in de onderstaande afbeelding aangegeven als Punt 3. Deze methode van plotten wordt gedaan om de elastische rek van de totale rek af te trekken, waarbij de vooraf bepaalde "permanente offset" als rest overblijft. Wanneer de vloeigrens wordt gerapporteerd, moet de hoeveelheid offset die bij de bepaling is gebruikt, worden vermeld. Bijvoorbeeld, "Vloeigrens (bij 0,2% offset) = 51.200 psi."
Typische Breekbare Materiaal Spanning-Rek Curve
Voorbeelden van Vloeigrens
Enkele voorbeelden van vloeigrens voor metalen zijn als volgt.
Aluminium 3,5 x 104 tot 4,5 x 104 psi
Roestvrij staal 4,0 x 104 tot 5,0 x 104 psi
Koolstofstaal 3,0 x 104 tot 4,0 x 104 psi
Alternatieve Waarden
Alternatieve waarden worden soms gebruikt in plaats van de vloeigrens. Enkele van deze worden hieronder kort beschreven.
- Het vloeipunt, bepaald door de passer-methode, omvat een waarnemer met een passer die kijkt naar zichtbare verlenging tussen twee meetmerken op het monster. Wanneer zichtbare rek optreedt, wordt de belasting op dat moment geregistreerd en wordt de spanning die overeenkomt met die belasting berekend.
- Zacht staal, wanneer getest in trek, vertoont vaak een eigenaardige eigenschap, bekend als een vloeipunt. Als de spanning-rekcurve wordt uitgezet, wordt een daling in de belasting (of soms een constante belasting) waargenomen, hoewel de rek blijft toenemen. Uiteindelijk wordt het metaal versterkt door de vervorming en neemt de belasting toe met verdere rek. Het hoogste punt op het S-vormige deel van de curve, waar de vloeiing begon, staat bekend als het bovenste vloeipunt en het laagste punt is het onderste vloeipunt. Dit fenomeen is zeer lastig bij bepaalde dieptrekbewerkingen van plaatstaal. Het staal blijft verlengen en dunner worden op lokale gebieden waar de plastische rek begint, waardoor lelijke deuken ontstaan die rekstrepen of "wormen" worden genoemd.
- De evenredigheidsgrens wordt gedefinieerd als de spanning waarbij de spanning-rekcurve voor het eerst afwijkt van een rechte lijn. Onder deze limietwaarde van spanning is de verhouding van spanning tot rek constant en wordt gezegd dat het materiaal voldoet aan de Wet van Hooke (spanning is evenredig met rek). De evenredigheidsgrens wordt meestal niet gebruikt in specificaties omdat de afwijking zo geleidelijk begint dat er zeker controverses zullen ontstaan over de exacte spanning waarbij de lijn begint te buigen.
- De elastische grens is eerder gedefinieerd als de spanning waarbij plastische vervorming begint. Deze limiet kan niet worden bepaald uit de spanning-rekcurve. De methode om de limiet te bepalen zou een opeenvolging van licht toenemende belastingen met tussenliggende volledige ontlasting moeten omvatten voor de detectie van de eerste plastische vervorming of "permanente set". Net als de evenredigheidsgrens zou de bepaling ervan tot controverse leiden. Elastische grens wordt echter wel gebruikt als een beschrijvende, kwalitatieve term.
In veel situaties wordt de vloeigrens gebruikt om de toelaatbare spanning te identificeren waaraan een materiaal kan worden onderworpen. Voor componenten die hoge drukken moeten weerstaan, is dit criterium echter niet volledig adequaat en moeten andere factoren worden overwogen (onderwerpen buiten het bereik van deze tekst).
Rekbaarheid
Het procentuele verlenging gerapporteerd in een trekproef wordt gedefinieerd als de maximale verlenging van de meetlengte gedeeld door de oorspronkelijke meetlengte. De meting wordt bepaald zoals getoond in de volgende afbeelding.
Meten van Verlenging na Breuk
De reductie van het gebied is de proportionele reductie van het dwarsdoorsnedegebied van een trekproefstuk, op het breukvlak, gemeten na breuk.
De reductie van het gebied wordt gerapporteerd als aanvullende informatie (op de procentuele verlenging) over de vervormingseigenschappen van het materiaal. De twee worden gebruikt als indicatoren van rekbaarheid, het vermogen van een materiaal om te worden verlengd in trek. Omdat de verlenging niet uniform is over de gehele meetlengte en het grootst is in het midden van de nek, is de procentuele verlenging geen absolute maat voor rekbaarheid. Daarom moet de meetlengte altijd worden vermeld wanneer de procentuele verlenging wordt gerapporteerd. De reductie van het gebied, gemeten bij de minimale diameter van de nek, is een betere indicator van rekbaarheid.
Rekbaarheid wordt vaker gedefinieerd als het vermogen van een materiaal om gemakkelijk te vervormen bij de toepassing van een trekkracht, of als het vermogen van een materiaal om plastische vervorming te weerstaan zonder breuk. Rekbaarheid kan ook worden gezien in termen van buigbaarheid en vervormbaarheid. Rekbare materialen vertonen grote vervorming voordat ze breken. Het gebrek aan rekbaarheid wordt vaak aangeduid als brosheid. Meestal, als twee materialen dezelfde sterkte en hardheid hebben, is degene met de hogere rekbaarheid meer wenselijk. De rekbaarheid van veel metalen kan veranderen als de omstandigheden worden gewijzigd. Een toename van de temperatuur zal de rekbaarheid vergroten. Een afname van de temperatuur zal een afname van de rekbaarheid veroorzaken en een verandering van rekbaar naar bros gedrag.
Koudvervorming heeft ook de neiging om metalen minder rekbaar te maken. Koudvervorming wordt uitgevoerd in een temperatuurbereik en over een tijdsinterval om plastische vervorming te verkrijgen, maar zonder de spanningsverharding te verlichten. Kleine toevoegingen van onzuiverheden aan metalen, hetzij opzettelijk of onbedoeld, kunnen een merkbaar effect hebben op de verandering van rekbaar naar bros gedrag. Het verwarmen van een koudvervormd metaal tot, of boven, de temperatuur waarbij metaalatomen terugkeren naar hun evenwichtsposities zal de rekbaarheid van dat metaal vergroten; dit proces wordt gloeien genoemd.
Rekbaarheid is wenselijk in toepassingen met hoge temperatuur en hoge druk vanwege de extra spanningen op de metalen; hoge rekbaarheid helpt brosse breuk te voorkomen.
Vormbaarheid
Waar rekbaarheid het vermogen is van een materiaal om gemakkelijk te vervormen bij de toepassing van een trekkracht, is vormbaarheid het vermogen van een metaal om grote vervorming of plastische respons te vertonen wanneer het wordt onderworpen aan druk. Uniforme druk veroorzaakt vervorming op de manier zoals getoond in de onderstaande afbeelding. Het materiaal krimpt axiaal met de kracht en zet lateraal uit. Beperking door wrijving aan de contactvlakken veroorzaakt axiale trek aan de buitenkant. Trekkrachten werken rond de omtrek met de laterale uitzetting of toenemende omtrek. Plastische stroming in het midden van het materiaal veroorzaakt ook trek.
Vormbare Vervorming van een Cilinder Onder Uniforme Axiale Compressie
Daarom is het criterium van breuk (dat wil zeggen, de limiet van plastische vervorming) voor een plastisch materiaal waarschijnlijk afhankelijk van trek- in plaats van drukspanning. Temperatuurverandering kan zowel de plastische stromingsmodus als de breukmodus wijzigen.
Taaiheid
De eigenschap die bekend staat als taaiheid beschrijft hoe een materiaal reageert onder plotselinge schokken. Het wordt gedefinieerd als het werk dat nodig is om één kubieke inch (metrische eenheden zijn joule per kubieke meter) metaal te vervormen totdat het breekt. Taaiheid wordt gemeten door de Charpy-test of de Izod-test.
Beide tests gebruiken een monster met een inkeping. De locatie en vorm van de inkeping zijn standaard. De steunpunten van het monster, evenals de impact van de hamer, moeten een constante relatie hebben met de locatie van de inkeping.
Charpy Test Apparatuur
De tests worden uitgevoerd door de monsters te monteren zoals getoond in de bovenstaande afbeelding en een slinger van een bekend gewicht van een bepaalde hoogte te laten vallen. De maximale energie ontwikkeld door de hamer is 120 ft-lb (163 N/m) in de Izod-test en 240 ft-lb (325 N/m) in de Charpy-test. Door de machine goed te kalibreren, kan de door het monster geabsorbeerde energie worden gemeten aan de hand van de opwaartse zwaai van de slinger nadat deze het materiaalmonster heeft gebroken, zoals getoond in de onderstaande afbeelding. Hoe groter de hoeveelheid energie die door het monster wordt geabsorbeerd, hoe kleiner de opwaartse zwaai van de slinger zal zijn en hoe taaier het materiaal is.
Materiaal Taaiheidstest
De indicatie van taaiheid is relatief en alleen van toepassing op gevallen die precies dit type monster en laadmethode omvatten. Een monster van een andere vorm zal een geheel ander resultaat opleveren. Inkepingen worden gebruikt om de vervorming te beperken tot een klein volume metaal. In feite is het de vorm van het metaal naast de materiaalcompositie die de taaiheid van het materiaal bepaalt.
Hardheid
Hardheid is de eigenschap van een materiaal die het in staat stelt om plastische vervorming, penetratie, indrukking en krassen te weerstaan. Daarom is hardheid belangrijk vanuit een technisch oogpunt omdat weerstand tegen slijtage door wrijving of erosie, van stoom, olie en water, over het algemeen toeneemt met hardheid.
Hardheidstests vervullen een belangrijke behoefte in de industrie, hoewel ze geen unieke eigenschap meten die hardheid kan worden genoemd. De tests zijn empirisch, gebaseerd op experimenten en observatie, in plaats van fundamentele theorie. De belangrijkste waarde is als inspectieapparaat, in staat om bepaalde verschillen in materiaal te detecteren wanneer ze zich voordoen, zelfs als deze verschillen niet definieerbaar zijn. Bijvoorbeeld, twee partijen materiaal die dezelfde hardheid hebben, kunnen al dan niet gelijk zijn, maar als hun hardheid verschillend is, zijn de materialen zeker niet gelijk.
Er zijn verschillende methoden ontwikkeld voor hardheidstesten. De meest gebruikte zijn Brinell, Rockwell, Vickers, Tukon, Sclerscope en de vijltest. De eerste vier zijn gebaseerd op indrukkingstests en de vijfde op de terugkaatsingshoogte van een diamantpuntige metalen hamer.