خلاصه خصوصیات مکانیکی مواد فلزی

از آزمایش کششی استحکام عمدتاً برای تعیین توانایی مواد فلزی در مقاومت در برابر آسیب در طی فرآیند کششی استفاده می شود و یکی از شاخص های مهم برای ارزیابی خصوصیات مکانیکی مواد است.

1 تست کششی

آزمایش کششی بر اساس اصول اساسی مکانیک مواد است. با استفاده از بار کششی به نمونه مواد در شرایط خاص ، باعث تغییر شکل کششی می شود تا اینکه نمونه شکسته شود. در طول آزمون ، تغییر شکل نمونه آزمایشی تحت بارهای مختلف و حداکثر بار هنگام ثبت نمونه های نمونه ، به طوری که قدرت عملکرد ، استحکام کششی و سایر شاخص های عملکرد مواد را محاسبه می کند.

استرس σ = f/a

σ مقاومت کششی (MPA) است

F بار کششی (N) است

A سطح مقطعی نمونه است

2. منحنی کششی

تجزیه و تحلیل چندین مرحله از روند کشش:

الف در مرحله OP با یک بار کوچک ، کشیدگی در یک رابطه خطی با بار قرار دارد و FP حداکثر بار برای حفظ خط مستقیم است.

ب. پس از فراتر از بار FP ، منحنی کششی شروع به رابطه غیر خطی می کند. نمونه وارد مرحله تغییر شکل اولیه می شود و بار برداشته می شود و نمونه می تواند به حالت اصلی خود بازگردد و به صورت الاستیک تغییر شکل دهد.

ج. پس از فراتر شدن بار از آهن ، بار برداشته می شود ، بخشی از تغییر شکل ترمیم می شود و بخشی از تغییر شکل باقیمانده حفظ می شود ، که به آن تغییر شکل پلاستیک گفته می شود. FE حد الاستیک نامیده می شود.

د. با افزایش بار بیشتر ، منحنی کششی Sawtooth را نشان می دهد. هنگامی که بار افزایش نمی یابد یا کاهش نمی یابد ، پدیده کشیدگی مداوم نمونه آزمایشی بازده نامیده می شود. پس از بازده ، نمونه شروع به تغییر شکل پلاستیک آشکار می کند.

ه. پس از بازده ، نمونه افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل ، سخت شدن کار و تقویت تغییر شکل را نشان می دهد. هنگامی که بار به FB می رسد ، همان قسمت از نمونه به شدت کوچک می شود. FB حد قدرت است.

f. پدیده انقباض منجر به کاهش ظرفیت تحمل نمونه می شود. وقتی بار به FK رسید ، نمونه می شکند. این بار شکستگی نامیده می شود.

قدرت عملکرد

استحکام عملکرد حداکثر مقدار استرس است که یک ماده فلزی می تواند از ابتدای تغییر شکل پلاستیک در برابر شکستگی در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروی خارجی مقاومت کند. این مقدار نقطه بحرانی را نشان می دهد که انتقال مواد از مرحله تغییر شکل الاستیک به مرحله تغییر شکل پلاستیک.

طبقه بندی

قدرت عملکرد فوقانی: قبل از اینکه نیرو برای اولین بار در هنگام انجام بازده رخ دهد ، به حداکثر استرس نمونه اشاره دارد.

قدرت عملکرد پایین: هنگامی که اثر گذرا اولیه نادیده گرفته می شود ، به حداقل استرس در مرحله عملکرد اشاره دارد. از آنجا که مقدار نقطه عملکرد پایین نسبتاً پایدار است ، معمولاً به عنوان شاخص مقاومت در برابر مواد ، به نام نقطه عملکرد یا قدرت عملکرد استفاده می شود.

فرمول محاسبه

برای قدرت عملکرد بالا: r = f / sₒ ، جایی که f حداکثر نیروی قبل از کاهش نیرو برای اولین بار در مرحله عملکرد است ، و Sₒ سطح مقطع اصلی نمونه است.

برای قدرت عملکرد پایین تر: r = f / sₒ ، جایی که f حداقل نیرویی است که از اثر گذرا اولیه نادیده گرفته می شود ، و Sₒ منطقه مقطع اصلی نمونه است.

واحد

واحد استحکام عملکرد معمولاً MPA (megapascal) یا n/mm² (نیوتن در هر میلی متر مربع) است.

نمونه

به عنوان نمونه از فولاد کربن کم استفاده کنید ، حد عملکرد آن معمولاً 207MPa است. هنگامی که در معرض نیروی خارجی بیشتر از این حد قرار بگیرند ، فولاد کربن کم تغییر شکل دائمی ایجاد می کند و قابل ترمیم نیست. هنگامی که در معرض نیروی خارجی کمتر از این حد قرار بگیرند ، فولاد کربن کم می تواند به حالت اصلی خود بازگردد.

استحکام عملکرد یکی از شاخص های مهم برای ارزیابی خصوصیات مکانیکی مواد فلزی است. این نشان دهنده توانایی مواد در مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروهای خارجی است.

استحکام کششی

استحکام کششی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر آسیب در زیر بار کششی است ، که به طور خاص به عنوان حداکثر مقدار استرس بیان می شود که ماده می تواند در طی فرآیند کششی مقاومت کند. هنگامی که استرس کششی بر روی مواد بیش از استحکام کششی آن باشد ، مواد تحت تغییر شکل پلاستیکی یا شکستگی قرار می گیرند.

فرمول محاسبه

فرمول محاسبه برای استحکام کششی (σt):

σt = f / a

جایی که F حداکثر نیروی کششی (نیوتن ، N) است که نمونه می تواند قبل از شکستن مقاومت کند ، و A قسمت اصلی مقطع نمونه (میلی متر مربع ، mm²) است.

واحد

واحد مقاومت کششی معمولاً MPA (megapascal) یا n/mm² (نیوتن در هر میلی متر مربع) است. 1 MPa برابر با 1،000،000 نیوتن در هر متر مربع است که همچنین برابر با 1 نانومتر در میلی متر مربع است.

عوامل تأثیرگذار

استحکام کششی تحت تأثیر بسیاری از عوامل ، از جمله ترکیب شیمیایی ، ریزساختار ، فرآیند تصفیه حرارت ، روش پردازش و غیره قرار دارد. مواد مختلف دارای استحکام کششی متفاوتی هستند ، بنابراین در کاربردهای عملی ، انتخاب مواد مناسب بر اساس خصوصیات مکانیکی آن لازم است مواد

کاربرد عملی

مقاومت کششی یک پارامتر بسیار مهم در زمینه علوم و مهندسی مواد است و اغلب برای ارزیابی خصوصیات مکانیکی مواد استفاده می شود. از نظر طراحی ساختاری ، انتخاب مواد ، ارزیابی ایمنی و غیره ، استحکام کششی عاملی است که باید در نظر گرفته شود. به عنوان مثال ، در مهندسی ساخت و ساز ، مقاومت کششی فولاد عامل مهمی در تعیین اینکه آیا می تواند در برابر بارها مقاومت کند ، است. در زمینه هوافضا ، استحکام کششی مواد سبک و با استحکام بالا ، کلید اطمینان از ایمنی هواپیما است.

قدرت خستگی:

خستگی فلزی به فرآیندی اشاره دارد که در آن مواد و اجزای سازنده به تدریج آسیب تجمعی دائمی موضعی در یک یا چند مکان تحت استرس چرخه ای یا کرنش چرخه ای ایجاد می کنند و ترک ها یا شکستگی های کامل ناگهانی پس از تعداد مشخصی از چرخه ها رخ می دهد.

ویژگی

ناگهانی در زمان: خرابی خستگی فلزی اغلب در یک دوره کوتاه و بدون علائم آشکار به طور ناگهانی رخ می دهد.

محل در موقعیت: خرابی خستگی معمولاً در مناطق محلی که استرس متمرکز است رخ می دهد.

حساسیت به محیط و نقص: خستگی فلزی نسبت به محیط و نقص های ریز در داخل مواد بسیار حساس است ، که ممکن است روند خستگی را تسریع کند.

عوامل تأثیرگذار

دامنه استرس: بزرگی استرس به طور مستقیم بر عمر خستگی فلز تأثیر می گذارد.

متوسط ​​استرس متوسط: هرچه استرس متوسط ​​بیشتر باشد ، عمر خستگی فلز کوتاه تر است.

تعداد چرخه ها: هرچه بیشتر فلز تحت استرس یا کرنش چرخه ای باشد ، تجمع آسیب خستگی جدی تر خواهد بود.

اقدامات پیشگیری

انتخاب مواد بهینه سازی: مواد با محدودیت خستگی بالاتر را انتخاب کنید.

کاهش غلظت استرس: غلظت استرس را از طریق طراحی ساختاری یا روش های پردازش ، مانند استفاده از انتقال گوشه ای گرد ، افزایش ابعاد مقطعی و غیره کاهش دهید.

تصفیه سطح: جلا دادن ، پاشش و غیره روی سطح فلز برای کاهش نقص سطح و بهبود استحکام خستگی.

بازرسی و نگهداری: به طور مرتب از اجزای فلزی بازرسی کنید تا سریعاً نقص مانند ترک ها را تشخیص و ترمیم کنید. قطعات مستعد خستگی مانند تعویض قطعات فرسوده و تقویت پیوندهای ضعیف را حفظ کنید.

خستگی فلزی یک حالت خرابی فلز رایج است که با ناگهانی ، محل و حساسیت به محیط زیست مشخص می شود. دامنه استرس ، میانگین استرس و تعداد چرخه ها عوامل اصلی مؤثر بر خستگی فلزی هستند.

منحنی SN: زندگی خستگی مواد را در سطح استرس مختلف توصیف می کند ، جایی که S نشان دهنده استرس است و N تعداد چرخه های استرس را نشان می دهد.

فرمول ضریب مقاومت خستگی:

(kf = ka \ cdot kb \ cdot kc \ cdot kd \ cdot ke)

جایی که (ka) فاکتور بار است ، (kb) ضریب اندازه است ، (kC) ضریب دما است ، (kd) ضریب کیفیت سطح است و (ke) عامل قابلیت اطمینان است.

بیان ریاضی منحنی SN:

(\ sigma^m n = c)

جایی که (\ sigma) استرس است ، n تعداد چرخه استرس است و M و C ثابت های مادی هستند.

مراحل محاسبه

ثابت های مواد را تعیین کنید:

مقادیر M و C را از طریق آزمایشات یا با مراجعه به ادبیات مربوطه تعیین کنید.

فاکتور غلظت استرس را تعیین کنید: شکل و اندازه واقعی قسمت و همچنین غلظت استرس ناشی از فیله ها ، کلید و غیره را در نظر بگیرید تا فاکتور غلظت استرس K. محاسبه قدرت خستگی را محاسبه کنید: مطابق منحنی SN و استرس فاکتور غلظت ، همراه با عمر طراحی و سطح استرس کار قسمت ، قدرت خستگی را محاسبه می کند.

2. انعطاف پذیری:

انعطاف پذیری به خاصیت ماده ای اشاره دارد که در صورت قرار گرفتن در معرض نیروی خارجی ، تغییر شکل دائمی ایجاد می کند بدون شکستن هنگامی که نیروی خارجی از حد الاستیک خود فراتر رود. این تغییر شکل غیر قابل برگشت است و حتی اگر نیروی خارجی برداشته شود ، به شکل اصلی آن برنگشته است.

شاخص پلاستیک و فرمول محاسبه آن

کشیدگی (δ)

تعریف: کشیدگی درصد کل تغییر شکل بخش سنج پس از نمونه کششی به طول سنج اصلی است.

فرمول: δ = (L1 - L0) / L0 × 100 ٪

جایی که L0 طول سنج اصلی نمونه است.

L1 طول سنج پس از شکسته شدن نمونه است.

کاهش قطعه (ψ)

تعریف: کاهش سگمنتال درصد حداکثر کاهش در سطح مقطع در نقطه گردن پس از شکسته شدن نمونه به منطقه مقطع اصلی است.

فرمول: ψ = (F0 - F1) / F0 × 100 ٪

جایی که F0 منطقه مقطعی اصلی نمونه است.

F1 پس از شکسته شدن نمونه ، سطح مقطع در نقطه گردن است.

3. سختی

سختی فلزی یک شاخص خاصیت مکانیکی برای اندازه گیری سختی مواد فلزی است. این نشان دهنده توانایی مقاومت در برابر تغییر شکل در حجم محلی روی سطح فلز است.

طبقه بندی و بازنمایی سختی فلزی

سختی فلزی با توجه به روشهای مختلف تست ، طبقه بندی و روشهای مختلف را ارائه می دهد. به طور عمده موارد زیر را شامل می شود:

سختی برینل (HB):

دامنه کاربرد: به طور کلی هنگام نرم تر بودن مواد ، مانند فلزات غیر آهنی ، فولاد قبل از عملیات حرارتی یا بعد از آنیل ، استفاده می شود.

اصل تست: با اندازه مشخصی از بار تست ، یک توپ فولادی سخت شده یا توپ کاربید با قطر خاص به سطح فلز فشار داده می شود تا آزمایش شود و بار پس از یک زمان مشخص بارگیری می شود و قطر تورفتگی روی سطح آزمایش شده اندازه گیری می شود.

فرمول محاسبه: مقدار سختی برینل ، مقدار به دست آمده با تقسیم بار توسط سطح کروی از تورفتگی است.

Rockwell Hardness (HR):

دامنه کاربرد: به طور کلی برای موادی با سختی بالاتر ، مانند سختی پس از عملیات حرارتی استفاده می شود.

اصل تست: مشابه سختی برینل ، اما با استفاده از پروب های مختلف (الماس) و روشهای مختلف محاسبه.

انواع: بسته به برنامه ، HRC (برای مواد سختی بالا) ، HRA ، HRB و انواع دیگر وجود دارد.

سختی ویکرز (HV):

دامنه کاربرد: مناسب برای تجزیه و تحلیل میکروسکوپ.

اصل تست: سطح مواد را با بار کمتر از 120 کیلوگرم و یک مخروط مربع الماس با زاویه راس 136 درجه فشار دهید و سطح سطح گودال تورفتگی مواد را با مقدار بار تقسیم کنید تا مقدار سختی ویکرز را بدست آورید.

سختی Leeb (HL):

ویژگی ها: تستر سختی قابل حمل ، اندازه گیری آسان.

اصل تست: از گزاف گویی ایجاد شده توسط سر توپ ضربه پس از تأثیرگذاری بر سطح سختی استفاده کنید و سختی را با نسبت سرعت ریباند پانچ در 1 میلی متر از سطح نمونه به سرعت ضربه محاسبه کنید.