Trækegenskaber

Trækegenskaber angiver, hvordan materialet reagerer på kræfter, der påføres under spænding. En trækprøvning er en grundlæggende mekanisk prøvning, hvor en omhyggeligt forberedt prøve belastes på en meget kontrolleret måde, mens man måler den påførte belastning og prøvens forlængelse over en vis afstand. Trækprøvninger anvendes til at bestemme elasticitetsmodul, elasticitetsgrænse, forlængelse, proportionalitetsgrænse, arealreduktion, trækstyrke, flydepunkt, flydespænding og andre trækegenskaber.

Det vigtigste produkt af en trækprøvning er en belastning versus forlængelseskurve, som derefter omdannes til en spænding versus deformationskurve. Da både den tekniske spænding og den tekniske deformation opnås ved at dividere belastningen og forlængelsen med konstante værdier (oplysninger om prøvens geometri), vil belastnings-/forlængelseskurven have samme form som den tekniske spændings-/forlængelseskurve. Spændings-/forlængelseskurven relaterer den påførte spænding til den resulterende forstrækning, og hvert materiale har sin egen unikke spændings-/forlængelseskurve. En typisk teknisk spændings-/forlængelseskurve er vist nedenfor. Hvis den sande spænding, baseret på prøvens faktiske tværsnitsareal, anvendes, viser det sig, at spændings-/forstrækningskurven stiger kontinuerligt frem til brud.

Linært elastisk område og elastiske konstanter
Som det fremgår af figuren, stiger spændingen og forstrækningen i begyndelsen med et lineært forhold. Dette er den lineær-elastiske del af kurven, og det indikerer, at der ikke er sket nogen plastisk deformation. I dette område af kurven vil materialet, når spændingen reduceres, vende tilbage til sin oprindelige form. I dette lineære område adlyder linjen det forhold, der er defineret som Hooke’s lov, hvor forholdet mellem spænding og deformation er en konstant.

Hældningen af linjen i dette område, hvor spændingen er proportional med deformationen og kaldes elasticitetsmodulet eller Young-modulet. Elasticitetsmodulet (E) definerer et materiales egenskaber, når det udsættes for spænding, deformeres og derefter vender tilbage til sin oprindelige form, efter at spændingen er fjernet. Det er et mål for stivheden af et givet materiale. For at beregne elasticitetsmodulet skal man blot dividere spændingen med deformationen i materialet. Da deformationen er enhedsløs, vil modulet have de samme enheder som spændingen, f.eks. kpi eller MPa. Elasticitetsmodulet gælder specifikt for den situation, hvor en komponent strækkes med en trækstyrke. Dette modul er af interesse, når det er nødvendigt at beregne, hvor meget en stang eller tråd strækkes under en trækbelastning.

Der findes flere forskellige slags moduler afhængigt af den måde, hvorpå materialet strækkes, bøjes eller på anden måde forvrides. Når en komponent udsættes for ren forskydning, f.eks. en cylindrisk stang under torsion, beskriver forskydningsmodulet det lineær-elastiske spændings-/forstrækningsforhold.

Aksial belastning er altid ledsaget af laterale belastninger med modsat fortegn i de to retninger, der er vinkelret på den aksiale belastning. De spændinger, der skyldes en længdeforøgelse, betegnes som positive (+), og de spændinger, der skyldes en længdeforøgelse, betegnes som negative (-). Poissonkvoten er defineret som det negative af forholdet mellem lateral deformation og aksial deformation for en ensidig spændingstilstand.

Poissonkvoten er undertiden også defineret som forholdet mellem de absolutte værdier af lateral og aksial deformation. Dette forhold er, ligesom deformationen, enhedsløst, da begge deformationer er enhedsløse. For spændinger inden for det elastiske område er dette forhold omtrent konstant. For et perfekt isotropt elastisk materiale er Poissons tal 0,25, men for de fleste materialer ligger værdien i intervallet 0,28 til 0,33. For stål vil Poissonkvoten generelt have en værdi på ca. 0,3. Det betyder, at hvis der er en tomme pr. tomme deformation i den retning, hvor der påføres spænding, vil der være 0,3 tommer pr. tomme deformation vinkelret på den retning, hvor der påføres kraft.

Kun to af de elastiske konstanter er uafhængige, så hvis to konstanter er kendt, kan den tredje beregnes ved hjælp af følgende formel:

E = 2 (1 + n) G.

Hvor:	E	=	elasticitetsmodul (Young’s modul)
	n	=	Poisson’s ratio
	G	=	Stivhedsmodul (forskydningsmodul).

Et par yderligere elastiske konstanter, som man kan støde på, omfatter bulkmodulet (K) og Lame-konstanterne (m og l). Bulkmodulet bruges til at beskrive den situation, hvor et stykke materiale er udsat for en trykforøgelse på alle sider. Sammenhængen mellem ændringen i trykket og den resulterende deformation, der opstår, er bulkmodulet. Lammes konstanter er afledt af elasticitetsmodulet og Poisson’s tal.

Styrkepunkt
I duktile materialer afviger spændings-deformationskurven på et tidspunkt fra det retlinede forhold, og loven gælder ikke længere, da deformationen stiger hurtigere end spændingen. Fra dette punkt i trækprøven opstår der en vis permanent deformation i prøven, og materialet siges at reagere plastisk på enhver yderligere stigning i belastning eller spænding. Materialet vil ikke vende tilbage til sin oprindelige, ubelastede tilstand, når belastningen fjernes. I skøre materialer sker der kun lidt eller slet ingen plastisk deformation, og materialet knækker nær slutningen af den lineærelastiske del af kurven.

Med de fleste materialer er der en gradvis overgang fra elastisk til plastisk opførsel, og det nøjagtige punkt, hvor plastisk deformation begynder at forekomme, er svært at bestemme. Derfor anvendes forskellige kriterier for indledning af eftergivelighed afhængigt af følsomheden af belastningsmålingerne og den tilsigtede anvendelse af dataene. (Se tabel) Til de fleste konstruktions- og specifikationsformål anvendes flydespændingen. Flydespændingen er defineret som den spænding, der kræves for at frembringe en lille plastisk deformation. Den forskudte flydespænding er den spænding, der svarer til skæringspunktet mellem spændings-deformationskurven og en linje parallelt med den elastiske del af kurven forskudt med en bestemt deformation (i USA er forskydningen typisk 0,2% for metaller og 2% for plast).

I Storbritannien betegnes flydespændingen ofte som proof stress. Offsetværdien er enten 0,1 % eller 0,5 %

For at bestemme flydespændingsstyrken ved hjælp af denne offset findes punktet på deformationsaksen (x-aksen) på 0,002, og derefter trækkes en linje parallelt med spændings-deformationslinjen. Denne linje skærer spændings-/forstrækningslinjen lidt efter, at den begynder at bøje sig, og dette skæringspunkt defineres som flydespændingen med en forskydning på 0,2 %. En god måde at betragte forskudt flydespænding på er, at efter at en prøve er blevet belastet til sin 0,2 % forskudte flydespænding og derefter aflastet, vil den være 0,2 % længere end før prøven. Selv om flydespændingen er beregnet til at repræsentere det nøjagtige punkt, hvor materialet bliver permanent deformeret, anses 0,2 % forlængelse for at være et tolerabelt offer på grund af den lethed, det skaber ved definitionen af flydespændingen.

Somme materialer som f.eks. gråt støbejern eller blødt kobber udviser stort set ingen lineærelastisk opførsel. For disse materialer er den sædvanlige praksis at definere flydespændingen som den spænding, der kræves for at frembringe en vis samlet mængde af belastning.

• Den ægte elastiske grænse er en meget lav værdi og er relateret til bevægelsen af nogle få hundrede dislokationer. Der er behov for mikroforstærkningsmålinger for at påvise en forstrækning i størrelsesordenen 2 x 10 -6 in/in.
• Proportionalgrænse er den højeste spænding, ved hvilken spændingen er direkte proportional med deformationen. Den fås ved at observere afvigelsen fra den retlinede del af spændings-/forspændingskurven.
• Elastisk grænse er den største spænding, som materialet kan modstå, uden at der er nogen målbar permanent deformation tilbage, når belastningen er fuldstændig aftaget. Den bestemmes ved hjælp af en kedelig inkrementel belastnings- og aflastningsprøvningsprocedure. Med den følsomhed af de deformationsmålinger, der normalt anvendes i tekniske undersøgelser (10 -4in/in), er den elastiske grænse større end den proportionelle grænse. Med stigende følsomhed af deformationsmålingerne falder værdien af den elastiske grænse, indtil den til sidst er lig med den sande elastiske grænse, der er bestemt ud fra mikrodeformationsmålinger.
• Udbøjningsstyrke er den spænding, der kræves for at frembringe en lille specificeret mængde plastisk deformation. Strømningsstyrken, der opnås ved en offset-metode, anvendes almindeligvis til tekniske formål, fordi den undgår de praktiske vanskeligheder ved at måle den elastiske grænse eller den proportionale grænse.

Ultimativ trækstyrke
Den ultimative trækstyrke (UTS) eller, mere enkelt sagt, trækstyrken er det maksimale tekniske spændingsniveau, der nås i en trækprøvning. Et materiales styrke er dets evne til at modstå ydre kræfter uden at gå i stykker. I skøre materialer vil UTS være i slutningen af den lineærelastiske del af spændings-/forstrækningskurven eller tæt på den elastiske grænse. I duktile materialer vil UTS ligge et godt stykke uden for den elastiske del og i den plastiske del af spændings-/forstrækningskurven.

På ovenstående spændings-/forspændingskurve er UTS det højeste punkt, hvor linjen er momentant flad. Da UTS er baseret på den tekniske spænding, er den ofte ikke det samme som brudstyrken. I duktile materialer sker der en formningshærdning, og spændingen vil fortsætte med at stige, indtil der opstår brud, men den tekniske spændings-/forstrækningskurve kan vise et fald i spændingsniveauet, før der opstår brud. Dette er resultatet af, at den tekniske spænding er baseret på det oprindelige tværsnitsareal og ikke tager højde for den indsnævring, der almindeligvis forekommer i prøveemnet. UTS er måske ikke helt repræsentativ for det højeste spændingsniveau, som et materiale kan tåle, men værdien anvendes alligevel ikke typisk ved konstruktionen af komponenter. For duktile metaller er den nuværende konstruktionspraksis at anvende flydespændingen til dimensionering af statiske komponenter. Da UTS imidlertid er let at bestemme og ret reproducerbar, er den nyttig med henblik på at specificere et materiale og til kvalitetskontrol. På den anden side kan konstruktionen af en komponent for skøre materialer på den anden side baseres på materialets trækstyrke.

Målinger af duktilitet (forlængelse og arealreduktion)
Duktiliteten af et materiale er et mål for, i hvilket omfang et materiale vil deformere sig inden brud. Duktiliteten er en vigtig faktor, når man overvejer formningsoperationer såsom valsning og ekstrudering. Den giver også en indikation af, hvor synlig en overbelastningsskade på en komponent kan blive, før komponenten går i stykker. Duktilitet anvendes også som en kvalitetskontrolforanstaltning til at vurdere niveauet af urenheder og korrekt forarbejdning af et materiale.

De konventionelle mål for duktilitet er den tekniske belastning ved brud (normalt kaldet forlængelse ) og reduktionen af arealet ved brud. Begge disse egenskaber fås ved at sætte prøven sammen igen efter brud og måle ændringen i længde og tværsnitsareal. Forlængelse er ændringen i aksiallængde divideret med prøvens eller delprøvens oprindelige længde. Den udtrykkes som en procentdel. Da en betydelig del af den plastiske deformation vil være koncentreret i det indsnævrede område af trækprøven, vil værdien af forlængelsen afhænge af den målelængde, som målingen foretages over. Jo mindre målerlængden er, jo større er den store lokaliserede deformation i det indsnævrede område, der indgår i beregningen. Derfor bør mållængden angives, når værdierne for forlængelse angives.

En måde at undgå komplikationer som følge af indsnævring er at basere forlængelsesmålingen på den ensartede deformation ud til det punkt, hvor indsnævringen begynder. Dette fungerer til tider godt, men nogle tekniske spændings-/forlængelseskurver er ofte ret flade i nærheden af den maksimale belastning, og det er vanskeligt at fastslå deformationen præcist, når der begynder at opstå en indsnævring.

Afkortning af arealet er ændringen i tværsnitsarealet divideret med det oprindelige tværsnitsareal. Denne ændring måles i det indsnævrede område af prøven. Ligesom forlængelsen udtrykkes den normalt som en procentdel.

Som tidligere omtalt er spænding blot en af de måder, hvorpå et materiale kan belastes. Andre måder at belaste et materiale på er bl.a. kompression, bøjning, forskydning og torsion, og der findes en række standardprøvninger, som er blevet etableret for at karakterisere, hvordan et materiale opfører sig under disse andre belastningsforhold. En meget kortfattet introduktion til nogle af disse andre materialeegenskaber gives på næste side.