Veto-ominaisuudet

Veto-ominaisuudet kertovat, miten materiaali reagoi vetovoimiin. Vetokoe on perustavanlaatuinen mekaaninen koe, jossa huolellisesti valmisteltua näytettä kuormitetaan hyvin kontrolloidusti ja samalla mitataan kohdistettu kuorma ja näytteen venymä jollakin matkalla. Vetokokeita käytetään kimmomoduulin, kimmorajan, venymän, suhteellisen rajan, pinta-alan pienenemisen, vetolujuuden, myötörajan, myötölujuuden ja muiden veto-ominaisuuksien määrittämiseen.

Vetokokeen päätuote on kuorman ja venymän välinen käyrä, joka muunnetaan jännityksen ja venymän väliseksi käyräksi. Koska sekä tekninen jännitys että tekninen venymä saadaan jakamalla kuormitus ja venymä vakioarvoilla (näytteen geometriatiedot), kuormitus-venymä-käyrällä on sama muoto kuin teknisellä jännitys-venymä-käyrällä. Jännitys-muodonmuutoskäyrä suhteuttaa käytetyn jännityksen syntyvään muodonmuutokseen, ja jokaisella materiaalilla on oma yksilöllinen jännitys-muodonmuutoskäyränsä. Tyypillinen tekninen jännitys-venymäkäyrä on esitetty jäljempänä. Jos käytetään todellista jännitystä, joka perustuu näytteen todelliseen poikkipinta-alaan, havaitaan, että jännitys-venymäkäyrä kasvaa jatkuvasti murtumiseen asti.

Lineaarielastinen alue ja kimmovakiot
Kuten kuvasta nähdään, jännitys ja venymä kasvavat aluksi lineaarisessa suhteessa. Tämä on käyrän lineaaris-elastinen osa, ja se osoittaa, että plastista muodonmuutosta ei ole tapahtunut. Tällä käyrän alueella materiaali palaa alkuperäiseen muotoonsa, kun jännitystä pienennetään. Tällä lineaarisella alueella viiva noudattaa Hooken laiksi määriteltyä suhdetta, jossa jännityksen ja muodonmuutoksen suhde on vakio.

Viivan kaltevuutta tällä alueella, jossa jännitys on verrannollinen rasitukseen, kutsutaan kimmomoduuliksi tai Youngin moduuliksi. Kimmomoduuli (E) määrittelee materiaalin ominaisuudet, kun siihen kohdistuu jännitys, se deformoituu ja palautuu alkuperäiseen muotoonsa jännityksen poistuttua. Se on tietyn materiaalin jäykkyyden mitta. Kimmomoduulin laskemiseksi riittää, että jaat jännityksen materiaalin venymällä. Koska venymä on yksikköä vailla, moduulilla on samat yksiköt kuin jännityksellä, kuten kpi tai MPa. Kimmomoduuli koskee erityisesti tilannetta, jossa komponenttia venytetään vetovoimalla. Tämä moduuli on kiinnostava, kun on tarpeen laskea, kuinka paljon sauva tai lanka venyy vetokuormituksen alaisena.

Moduuleja on useita erilaisia riippuen siitä, miten materiaalia venytetään, taivutetaan tai muuten vääristetään. Kun komponenttiin kohdistuu puhdas leikkaus, esimerkiksi sylinterimäinen tanko väännön alaisena, leikkausmoduuli kuvaa lineaaris-elastista jännitys-venymäsuhdetta.

Aksiaaliseen rasitukseen liittyy aina vastakkaisen merkin omaavia lateraalisia rasituksia kahdessa aksiaaliseen rasitukseen nähden kohtisuorassa olevassa suunnassa. Jännityksiä, jotka johtuvat pituuden kasvusta, merkitään positiivisiksi (+) ja jännityksiä, jotka johtuvat pituuden vähenemisestä, merkitään negatiivisiksi (-). Poissonin luku määritellään sivuttaisjännityksen ja aksiaalijännityksen suhteen negatiivisena arvona yksiaksiaalisessa jännitystilassa.

Poissonin luku määritellään joskus myös sivu- ja aksiaalijännityksen absoluuttisten arvojen suhteena. Tämä suhde, kuten venymä, on yksikköä vailla, koska molemmat venymät ovat yksikköä vailla. Kun jännitykset ovat kimmoisalla alueella, tämä suhde on suunnilleen vakio. Täysin isotrooppisen kimmoisan materiaalin Poissonin luku on 0,25, mutta useimmilla materiaaleilla arvo on välillä 0,28-0,33. Terästen Poissonin suhde on yleensä noin 0,3. Tämä tarkoittaa, että jos muodonmuutos on yksi tuumaa tuumaa kohti siinä suunnassa, johon jännitys kohdistetaan, muodonmuutos on 0,3 tuumaa tuumaa kohti kohtisuorassa siihen suuntaan nähden, johon voima kohdistetaan.

Vain kaksi kimmovakioista on riippumattomia, joten jos kaksi vakiota tunnetaan, kolmas voidaan laskea seuraavan kaavan avulla:

E = 2 (1 + n) G.

.

Missä:	E	=	kimmomoduuli (Youngin moduuli)
	n	=	Poissonin luku
	G	=	jäykkyysmoduuli (leikkausmoduuli).

Pari muuta kimmovakioita, joihin voi törmätä, ovat bulkkimoduuli (K) ja Lamen vakiot (m ja l). Bulkkimoduulia käytetään kuvaamaan tilannetta, jossa materiaalikappaleeseen kohdistuu paineen nousu joka puolelta. Paineen muutoksen ja siitä aiheutuvan muodonmuutoksen välinen suhde on bulkkimoduuli. Lamen vakiot johdetaan kimmomoduulista ja Poissonin luvusta.

Muotoutumispiste
Duktiivisissa materiaaleissa jännitys-venymäkäyrä poikkeaa jossakin vaiheessa suoraviivaisesta suhteesta eikä laki enää päde, kun venymä kasvaa nopeammin kuin jännitys. Tästä vetokokeen pisteestä lähtien näytteessä tapahtuu jonkin verran pysyvää muodonmuutosta, ja materiaalin sanotaan reagoivan plastisesti kuorman tai jännityksen lisäykseen. Materiaali ei palaudu alkuperäiseen, jännittämättömään tilaansa, kun kuormitus poistetaan. Hauraissa materiaaleissa plastista muodonmuutosta tapahtuu vain vähän tai ei lainkaan, ja materiaali murtuu lähellä käyrän lineaaris-elastisen osan loppua.

Useimmissa materiaaleissa tapahtuu asteittainen siirtyminen kimmoisasta käyttäytymisestä plastiseen käyttäytymiseen, ja tarkkaa kohtaa, jossa plastinen muodonmuutos alkaa tapahtua, on vaikea määrittää. Siksi käytetään erilaisia kriteerejä myötölujittumisen alkamiselle riippuen venymämittausten herkkyydestä ja tietojen käyttötarkoituksesta. (Katso taulukko) Useimmissa teknisissä suunnittelu- ja määrittelysovelluksissa käytetään myötölujuutta. Myötölujuus määritellään jännitykseksi, joka tarvitaan pienen plastisen muodonmuutoksen aikaansaamiseksi. Siirretty myötölujuus on jännitys, joka vastaa jännitys-muodonmuutoskäyrän ja käyrän kimmoisan osan suuntaisen viivan leikkauspistettä, jota on siirretty tietyllä muodonmuutoksella (Yhdysvalloissa siirtymä on tyypillisesti 0,2 % metalleille ja 2 % muoveille).

Britanniassa myötörajaan viitataan usein nimellä proof stress. Offset-arvo on joko 0,1 % tai 0,5 %

Muotoutumislujuuden määrittämiseksi tämän offsetin avulla etsitään piste rasitusakselille (x-akselille) 0,002 ja piirretään sitten jännitys-venymä-viivan suuntainen viiva. Tämä viiva leikkaa jännitys-muodonmuutosviivan hieman sen jälkeen, kun se alkaa kaartua, ja tämä leikkauspiste määritellään myötölujuudeksi 0,2 %:n offsetilla. Hyvä tapa tarkastella offset-muovauslujuutta on, että kun näytettä on kuormitettu 0,2 prosentin offset-muovauslujuuteen asti ja sitten purettu, se on 0,2 prosenttia pidempi kuin ennen testiä. Vaikka myötölujuuden on tarkoitus edustaa tarkkaa pistettä, jossa materiaali muuttuu pysyvästi muodonmuutokseksi, 0,2 prosentin venymää pidetään siedettävänä uhrauksena, koska se helpottaa myötölujuuden määrittelyä.

Joillakin materiaaleilla, kuten harmaalla valuraudalla tai pehmeällä kuparilla, ei ole olennaisesti lainkaan lineaarisjoustavaa käyttäytymistä. Näille materiaaleille tavanomainen käytäntö on määritellä myötölujuus jännityksenä, joka vaaditaan tuottamaan tietty kokonaismuodonmuutos.

• Todellinen kimmoraja on hyvin pieni arvo ja liittyy muutaman sadan dislokaation liikkeeseen. Mikrovenymämittauksia tarvitaan, jotta voidaan havaita 2 x 10 -6 in/in suuruusluokkaa oleva venymä.
• Proportionaalinen raja on suurin jännitys, jossa jännitys on suoraan verrannollinen venymään. Se saadaan tarkastelemalla poikkeamaa jännitys-venymäkäyrän suorasta osasta.
• Kimmoraja on suurin jännitys, jonka materiaali kestää ilman, että mitattavissa olevaa pysyvää muodonmuutosta jää jäljelle kuorman täydellisen vapauttamisen jälkeen. Se määritetään käyttämällä työlästä inkrementaalista kuormitus-purku-testimenettelyä. Insinööritutkimuksissa yleensä käytettyjen venymämittausten herkkyydellä (10 -4 in/in) kimmoraja on suurempi kuin suhteellinen raja. Kun venymämittauksen herkkyys kasvaa, kimmorajan arvo pienenee, kunnes se lopulta vastaa todellista kimmorajaa, joka määritetään mikrovenymämittauksista.
• Myötölujuus on jännitys, joka vaaditaan pienen määrätyn plastisen muodonmuutoksen aikaansaamiseksi. Offset-menetelmällä saatua myötölujuutta käytetään yleisesti insinööritarkoituksiin, koska sillä vältetään kimmorajan tai suhteellisen rajan mittaamiseen liittyvät käytännön vaikeudet.

Murtovetolujuus
Murtovetolujuus (UTS) tai yksinkertaisemmin vetolujuus on suurin tekninen jännitystaso, joka saavutetaan vetokokeessa. Materiaalin lujuus on sen kyky kestää ulkoisia voimia murtumatta. Hauraiden materiaalien UTS on jännitys-muodonmuutoskäyrän lineaaris-elastisen osan lopussa tai lähellä kimmorajaa. Sitkeissä materiaaleissa UTS on reilusti kimmoisan osan ulkopuolella jännitys-muodonmuutoskäyrän plastisessa osassa.

Yllä olevassa jännitys-muodonmuutoskäyrässä UTS on korkein piste, jossa viiva on hetkellisesti tasainen. Koska UTS perustuu tekniseen jännitykseen, se ei useinkaan ole sama kuin murtolujuus. Sitkeissä materiaaleissa tapahtuu venymiskovettumista, ja jännitys jatkaa kasvamistaan murtumiseen asti, mutta teknisen jännitys-venymäkäyrän mukaan jännitystaso voi laskea ennen murtumista. Tämä johtuu siitä, että tekninen jännitys perustuu alkuperäiseen poikkileikkauspinta-alaan, eikä siinä oteta huomioon koekappaleessa yleisesti esiintyvää kaulaantumista. UTS-arvo ei välttämättä edusta täysin korkeinta jännitystasoa, jonka materiaali voi kestää, mutta arvoa ei kuitenkaan yleensä käytetä komponenttien suunnittelussa. Plastisten metallien osalta nykyinen suunnittelukäytäntö on käyttää myötölujuutta staattisten komponenttien mitoituksessa. Koska UTS on kuitenkin helppo määrittää ja melko hyvin toistettavissa, se on hyödyllinen materiaalin määrittelyä ja laadunvalvontaa varten. Toisaalta hauraiden materiaalien osalta komponentin suunnittelu voi perustua materiaalin vetolujuuteen.

Duktiivisuuden mittaukset (venymä ja pinta-alan pieneneminen)
Materiaalin duktiivisuus on mitta, jolla mitataan sitä, kuinka paljon materiaali taipuu ennen murtumista. Muodonmuutoskyvyn määrä on tärkeä tekijä harkittaessa muokkaustoimintoja, kuten valssausta ja suulakepuristusta. Se antaa myös viitteitä siitä, kuinka näkyväksi komponentin ylikuormitusvaurio voi muodostua ennen komponentin murtumista. Sitkeyttä käytetään myös laadunvalvontamittarina arvioitaessa epäpuhtauksien määrää ja materiaalin asianmukaista käsittelyä.

Konventionaaliset duktiivisuuden mittarit ovat tekninen venymä murtumishetkellä (yleensä kutsutaan venymäksi ) ja pinta-alan pieneneminen murtumishetkellä. Molemmat näistä ominaisuuksista saadaan sovittamalla näyte takaisin yhteen murtuman jälkeen ja mittaamalla pituuden ja poikkipinta-alan muutos. Venymä on aksiaalisen pituuden muutos jaettuna näytteen tai näytteen osan alkuperäisellä pituudella. Se ilmaistaan prosentteina. Koska huomattava osa plastisesta muodonmuutoksesta keskittyy vetokoekappaleen kaula-alueelle, venymän arvo riippuu mittauspituudesta, jolta mittaus tehdään. Mitä pienempi mittapituus on, sitä enemmän kaula-alueen suuri paikallinen muodonmuutos vaikuttaa laskentaan. Tämän vuoksi venymän arvoja ilmoitettaessa on ilmoitettava mittapituus.

Eräs tapa välttää kaulauman aiheuttama komplikaatio on perustaa venymän mittaus tasaiselle venymälle siihen pisteeseen asti, jossa kaulauma alkaa. Tämä toimii toisinaan hyvin, mutta jotkin tekniset jännitys-venymäkäyrät ovat usein melko tasaisia maksimikuormituksen läheisyydessä, ja on vaikeaa määrittää tarkasti venymä, jolloin kaulaantuminen alkaa.

Pinta-alan pieneneminen on poikkileikkauspinta-alan muutos jaettuna alkuperäisellä poikkileikkauspinta-alalla. Tämä muutos mitataan näytteen kaulittuneelta alueelta. Kuten venymä, se ilmaistaan yleensä prosentteina.

Kuten aiemmin käsiteltiin, jännitys on vain yksi tapa, jolla materiaalia voidaan kuormittaa. Muita tapoja kuormittaa materiaalia ovat puristus, taivutus, leikkaus ja vääntö, ja on olemassa useita standardikokeita, jotka on laadittu kuvaamaan, miten materiaali käyttäytyy näissä muissa kuormitusolosuhteissa. Seuraavalla sivulla esitellään hyvin lyhyesti joitakin näistä muista materiaaliominaisuuksista.