Rek
Wanneer spanning aanwezig is, zal rek ook een factor zijn. De twee typen rek worden in dit artikel besproken.
Definitie van Rek
Bij het gebruik van metaal voor werktuigbouwkundige doeleinden bestaat er meestal een bepaalde spanningsstaat in een aanzienlijk volume van het materiaal. De reactie van de atomaire structuur zal zich manifesteren op macroscopische schaal. Daarom, wanneer een spanning (hoe klein ook) op een metaal wordt uitgeoefend, moet er een proportionele dimensionale verandering of vervorming plaatsvinden.
Zo'n proportionele dimensionale verandering (intensiteit of mate van de vervorming) wordt rek genoemd en wordt gemeten als de totale verlenging per eenheid lengte van het materiaal door een toegepaste spanning. De onderstaande vergelijking illustreert deze verhouding of vervorming.
waarbij:
ε = rek (in./in.)
δ = totale verlenging (in.)
L = oorspronkelijke lengte (in.)
Let op dat de equivalente SI-metrische eenheden voor inches millimeter, centimeter en meter zijn.
Typen Rek
Rek kan twee vormen aannemen: elastische rek en plastische vervorming.
Elastische Rek
Elastische rek is een tijdelijke dimensionale verandering die alleen bestaat zolang de initiërende spanning wordt toegepast en onmiddellijk verdwijnt bij het verwijderen van de spanning. Elastische rek wordt ook wel elastische vervorming genoemd. De toegepaste spanningen zorgen ervoor dat de atomen in een kristal van hun evenwichtspositie bewegen. Alle atomen worden dezelfde hoeveelheid verplaatst en behouden nog steeds hun relatieve geometrie. Wanneer de spanningen worden verwijderd, keren alle atomen terug naar hun oorspronkelijke posities en treedt er geen permanente vervorming op.
Plastische Vervorming
Plastische vervorming (of plastische rek) is een dimensionale verandering die niet verdwijnt wanneer de initiërende spanning wordt verwijderd. Het gaat meestal gepaard met enige elastische rek.
Het fenomeen van elastische rek en plastische vervorming in een materiaal wordt respectievelijk elasticiteit en plasticiteit genoemd.
Bij kamertemperatuur hebben de meeste metalen enige elasticiteit, die zich manifesteert zodra de geringste spanning wordt toegepast. Meestal bezitten ze ook enige plasticiteit, maar dit wordt mogelijk niet duidelijk totdat de spanning aanzienlijk is verhoogd. De omvang van plastische rek, wanneer deze optreedt, is waarschijnlijk veel groter dan die van de elastische rek voor een gegeven spanningsverhoging. Metalen vertonen waarschijnlijk minder elasticiteit en meer plasticiteit bij verhoogde temperaturen. Enkele zuivere ongelegeerde metalen (met name aluminium, koper en goud) vertonen weinig, zo niet enige, elasticiteit wanneer ze onder spanning staan in de gegloeide (verhit en vervolgens langzaam afgekoeld om brosheid te voorkomen) toestand bij kamertemperatuur, maar vertonen wel duidelijke plasticiteit. Sommige ongelegeerde metalen en veel legeringen hebben duidelijke elasticiteit bij kamertemperatuur, maar geen plasticiteit.
De spanningsstaat net voordat plastische rek begint te verschijnen, staat bekend als de proportionele limiet, of elastische limiet, en wordt gedefinieerd door het spanningsniveau en de overeenkomstige waarde van elastische rek. De proportionele limiet wordt uitgedrukt in pond per vierkante inch in imperiale eenheden, of Newton per vierkante meter in metrische eenheden. Voor belastingintensiteiten voorbij de proportionele limiet bestaat de vervorming uit zowel elastische als plastische rekken.
Zoals eerder in dit artikel vermeld, meet rek de proportionele dimensionale verandering zonder dat er belasting wordt toegepast. Dergelijke waarden van rek zijn gemakkelijk te bepalen en houden op voldoende nauwkeurig te zijn wanneer plastische rek dominant wordt.
Wanneer metaal rek ervaart, blijft het volume constant. Daarom, als het volume constant blijft terwijl de dimensie op één as verandert, moeten de dimensies van ten minste één andere as ook veranderen. Als één dimensie toeneemt, moet een andere afnemen. Bijvoorbeeld, een vorm kan veranderen van kort en dik naar lang en dun, maar het volume blijft hetzelfde. Er zijn enkele uitzonderingen. Bijvoorbeeld, versteviging door rek omvat de absorptie van rekenergie in de materiaalstructuur, wat resulteert in een toename in één dimensie zonder een compenserende afname in andere dimensies. Dit veroorzaakt dat de dichtheid van het materiaal afneemt en het volume toeneemt.
Als een trekkracht op een materiaal wordt uitgeoefend, zal het materiaal verlengen op de as van de belasting (loodrecht op het vlak van de trekspanning), zoals geïllustreerd in de afbeelding hieronder (Trek). Omgekeerd, als de belasting drukkend is, zal de axiale dimensie afnemen, zoals geïllustreerd in de afbeelding hieronder (Compressie). Als het volume constant is, moet een overeenkomstige laterale contractie of expansie optreden. Deze laterale verandering zal een vaste relatie hebben met de axiale rek. De relatie, of verhouding, van laterale tot axiale rek wordt genoemd naar de ontdekker ervan, Poisson's ratio. Het wordt meestal gesymboliseerd door de letter ν.
Verandering van Vorm van Cilinder Onder Spanning
Vervorming van Kubische Structuren
Of een materiaal plastisch kan vervormen bij lage toegepaste spanningen hangt af van zijn roosterstructuur. Het is gemakkelijker voor atoomvlakken om langs elkaar te schuiven als die vlakken dicht opeengepakt zijn. Daarom laten roosterstructuren met dicht opeengepakte vlakken meer plastische vervorming toe dan die welke niet dicht opeengepakt zijn. Ook laten kubische roosterstructuren verschuiving gemakkelijker toe dan niet-kubische roosters; dit komt door hun symmetrie die dicht opeengepakte vlakken in verschillende richtingen biedt. De meeste metalen zijn gemaakt van het ruimtelijk gecentreerde kubische (BCC), vlakgecentreerde kubische (FCC), of hexagonaal dicht opeengepakte (HCP) kristallen. Een vlakgecentreerde kubische kristalstructuur zal gemakkelijker vervormen onder belasting voordat deze breekt dan een ruimtelijk gecentreerde kubische structuur.
Het BCC-rooster, hoewel kubisch, is niet dicht opeengepakt en vormt sterke metalen. α-ijzer (een vorm van ijzer genaamd 'alpha' ijzer) en wolfraam hebben de BCC-vorm. Het FCC-rooster is zowel kubisch als dicht opeengepakt en vormt meer ductiele materialen. Zilver, goud en lood zijn FCC-gestructureerd. Ten slotte zijn HCP-roosters dicht opeengepakt, maar niet kubisch. HCP-metalen zoals kobalt en zink zijn niet zo ductiel als FCC-metalen.
Samenvatting
De belangrijke informatie in dit hoofdstuk wordt hieronder samengevat.
Rek Samenvatting
- Rek is de proportionele dimensionale verandering, of de intensiteit of mate van vervorming, in een materiaal onder spanning.
- Plastische vervorming is de dimensionale verandering die niet verdwijnt wanneer de initiërende spanning wordt verwijderd.
- Proportionele limiet is de hoeveelheid spanning net voor het punt (drempel) waarop plastische rek begint te verschijnen, of het spanningsniveau en de overeenkomstige waarde van elastische rek.
- Er zijn twee typen rek:
Elastische rek is een tijdelijke dimensionale verandering die alleen bestaat zolang de initiërende spanning wordt toegepast en onmiddellijk verdwijnt bij het verwijderen van de spanning.
Plastische rek (plastische vervorming) is een dimensionale verandering die niet verdwijnt wanneer de initiërende spanning wordt verwijderd.