A szakító tulajdonságok azt mutatják, hogy az anyag hogyan reagál a rá ható erőkre. A szakítóvizsgálat egy alapvető mechanikai vizsgálat, amelynek során egy gondosan előkészített próbadarabot nagyon ellenőrzött módon terhelnek, miközben mérik az alkalmazott terhelést és a próbadarab megnyúlását bizonyos távolságon keresztül. A szakítóvizsgálatokat a rugalmassági modulus, a rugalmassági határ, a nyúlás, az arányos határ, a területcsökkenés, a szakítószilárdság, a folyáshatár, a folyáshatár és más szakító tulajdonságok meghatározására használják.
A szakítóvizsgálat fő terméke egy terhelés-nyúlás görbe, amelyet aztán feszültség-nyúlás görbévé alakítanak át. Mivel mind a műszaki feszültséget, mind a műszaki alakváltozást úgy kapjuk meg, hogy a terhelést és a nyúlást állandó értékekkel osztjuk (a minta geometriájára vonatkozó információ), a terhelés-nyúlás görbe ugyanolyan alakú lesz, mint a műszaki feszültség-alakváltozás görbe. A feszültség-alakváltozás görbe az alkalmazott feszültséget a keletkező alakváltozással hozza összefüggésbe, és minden anyagnak megvan a maga egyedi feszültség-alakváltozás görbéje. Egy tipikus mérnöki feszültség-alakváltozás görbe az alábbiakban látható. Ha a minta tényleges keresztmetszetén alapuló valódi feszültséget használjuk, akkor azt találjuk, hogy a feszültség-alakváltozás görbe a törésig folyamatosan növekszik.
Lineárisan elasztikus régió és rugalmas állandók
Amint az ábrán látható, a feszültség és az alakváltozás kezdetben lineáris kapcsolatban növekszik. Ez a görbe lineáris-elasztikus része, és azt jelzi, hogy nem történt képlékeny alakváltozás. A görbének ebben a tartományában a feszültség csökkentésekor az anyag visszatér az eredeti alakjához. Ebben a lineáris tartományban a vonal a Hooke-törvényként meghatározott összefüggésnek engedelmeskedik, ahol a feszültség és az alakváltozás aránya egy állandó.
Az egyenes meredekségét ebben a régióban, ahol a feszültség arányos az alakváltozással, rugalmassági modulusnak vagy Young-modulusnak nevezzük. A rugalmassági modulus (E) határozza meg egy anyag tulajdonságait, amikor az anyag feszültségnek van kitéve, deformálódik, majd a feszültség megszűnése után visszatér eredeti alakjához. Ez egy adott anyag merevségének mérőszáma. A rugalmassági modulus kiszámításához egyszerűen ossza el a feszültséget az anyagban lévő alakváltozással. Mivel az alakváltozás egység nélküli, a modulusnak ugyanazok a mértékegységei lesznek, mint a feszültségnek, például kpi vagy MPa. A rugalmassági modulus kifejezetten arra a helyzetre vonatkozik, amikor egy alkatrészt húzóerővel nyújtanak. Ez a modulus akkor érdekes, ha ki kell számítani, hogy egy rúd vagy huzal mennyit nyúlik húzóterhelés hatására.
Többféle modulus létezik attól függően, hogy az anyagot milyen módon nyújtják, hajlítják vagy más módon torzítják. Ha egy alkatrész tiszta nyírásnak van kitéve, például egy hengeres rúd csavarás alatt, a nyírási modulus a lineárisan rugalmas feszültség-alakváltozás kapcsolatot írja le.
A tengelyirányú alakváltozást mindig ellentétes előjelű oldalirányú alakváltozások kísérik a tengelyirányú alakváltozásra merőleges két irányban. A hossznövekedésből eredő alakváltozásokat pozitív (+), a hosszcsökkenésből eredő alakváltozásokat negatív (-) jelekkel jelöljük. A Poisson-számot úgy határozzuk meg, mint az oldalirányú és az axiális alakváltozás hányadosának negatívját egytengelyű feszültségállapot esetén.
A Poisson-számot néha az oldalirányú és az axiális alakváltozás abszolút értékeinek hányadosaként is meghatározzák. Ez az arány, akárcsak az alakváltozás, egységtelen, mivel mindkét alakváltozás egységtelen. A rugalmas tartományon belüli feszültségek esetén ez az arány közelítőleg állandó. Tökéletesen izotróp rugalmas anyag esetén a Poisson-szám 0,25, de a legtöbb anyag esetében az érték a 0,28 és 0,33 közötti tartományban van. Acélok esetében a Poisson-szám általában 0,3 körüli értéket vesz fel. Ez azt jelenti, hogy ha egy hüvelyk per hüvelyk alakváltozás van abban az irányban, amelyben a feszültséget alkalmazzák, akkor 0,3 hüvelyk per hüvelyk alakváltozás lesz az erő alkalmazásának irányára merőlegesen.
A rugalmassági konstansok közül csak kettő független, így ha két konstans ismert, a harmadik a következő képlettel kiszámítható:
E = 2 (1 + n) G.
| Hol: | E | = | rugalmassági modulus (Young-modulus) |
| n | = | Poisson-tényező | |
| G | = | merevségi modulus (nyírási modulus). |
Egy pár további rugalmassági állandóval találkozhatunk, amelyek közé tartozik a térfogati modulus (K) és a Lame-állandók (m és l). Az ömlesztési modulus azt a helyzetet írja le, amikor egy anyagdarabot minden oldalról nyomásnövekedésnek tesznek ki. A nyomásváltozás és a keletkező alakváltozás közötti kapcsolat az ömlesztési modulus. A Lame-állandókat a rugalmassági modulusból és a Poisson-számból vezetik le.
Folyáspont
Duktilis anyagokban egy bizonyos ponton a feszültség-alakváltozás görbe eltér az egyenes vonalú összefüggéstől, és a Törvény már nem érvényesül, mivel a feszültségnél gyorsabban nő a nyúlás. A szakítóvizsgálat ezen pontjától kezdve a próbadarabban valamilyen állandó alakváltozás következik be, és az anyagról azt mondjuk, hogy plasztikusan reagál a terhelés vagy a feszültség további növekedésére. Az anyag nem tér vissza eredeti, feszültségmentes állapotába, amikor a terhelést megszüntetik. A rideg anyagoknál kevés vagy egyáltalán nem történik plasztikus alakváltozás, és az anyag a görbe lineárisan rugalmas szakaszának vége felé törik.
A legtöbb anyagnál fokozatos átmenet van a rugalmas viselkedésből a képlékeny viselkedésbe, és a pontos pontot, ahol a képlékeny alakváltozás elkezdődik, nehéz meghatározni. Ezért a nyúlás megindulásának különböző kritériumait használják a nyúlásmérések érzékenységétől és az adatok tervezett felhasználásától függően. (Lásd a táblázatot) A legtöbb mérnöki tervezési és specifikációs alkalmazásnál a folyáshatárt használják. A folyáshatárt úgy határozzák meg, mint a kis mértékű képlékeny alakváltozáshoz szükséges feszültséget. Az eltolt folyáshatár az a feszültség, amely a feszültség-alakváltozás görbe és a görbe rugalmas részével párhuzamos vonal metszéspontjának felel meg, egy meghatározott alakváltozással eltolva (az USA-ban az eltolás jellemzően 0,2% fémeknél és 2% műanyagoknál).
Nagy-Britanniában a folyáshatárt gyakran nevezik bizonyító feszültségnek. Az eltolás értéke vagy 0,1% vagy 0,5%
A folyáshatár meghatározásához az eltolás segítségével meg kell találni a 0,002-es feszültség-alakváltozás tengelyen (x-tengely) lévő pontot, majd a feszültség-alakváltozás vonallal párhuzamos egyenest kell húzni. Ez a vonal metszi a feszültség-alakváltozás vonalat valamivel azután, hogy az görbülni kezd, és ezt a metszéspontot határozzuk meg a folyáshatárként 0,2%-os eltolással. Az eltolt folyáshatárt úgy lehet jól szemlélni, hogy miután a mintadarabot a 0,2%-os eltolt folyáshatárig terhelték, majd tehermentesítették, az 0,2%-kal hosszabb lesz, mint a vizsgálat előtt. Annak ellenére, hogy a folyáshatár azt a pontos pontot hivatott képviselni, ahol az anyag tartósan deformálódik, a 0,2%-os nyúlást tolerálható mértékű áldozatnak tekintik a folyáshatár meghatározásának megkönnyítése miatt.
Egyes anyagok, mint például a szürke öntöttvas vagy a lágy réz, lényegében nem mutatnak lineárisan rugalmas viselkedést. Ezekre az anyagokra a szokásos gyakorlat az, hogy a folyáshatárt úgy határozzák meg, mint a feszültséget, amely bizonyos teljes alakváltozás előidézéséhez szükséges.
- A valódi rugalmassági határ nagyon alacsony érték, és néhány száz diszlokáció mozgásához kapcsolódik. A 2 x 10 -6 in/in nagyságrendű alakváltozás kimutatásához mikrotörzsi mérések szükségesek.
- Az arányos határ az a legnagyobb feszültség, amelynél a feszültség egyenesen arányos az alakváltozással. Ezt a feszültség-alakváltozás görbe egyenes vonalú részétől való eltérés megfigyelésével kapjuk.
- Rugalmassági határ az a legnagyobb feszültség, amelyet az anyag elvisel anélkül, hogy a terhelés teljes felszabadulásakor mérhető maradandó alakváltozás maradna. Meghatározása fáradságos inkrementális terhelés-mentesítési vizsgálati eljárással történik. A mérnöki vizsgálatokban általában alkalmazott alakváltozási mérések érzékenységével (10 -4in/in) a rugalmas határ nagyobb, mint az arányos határ. A nyúlásmérés érzékenységének növelésével a rugalmassági határ értéke csökken, míg végül eléri a mikronyúlásmérésekből meghatározott valódi rugalmassági határértéket.
- A folyáshatár az a feszültség, amely egy kis meghatározott mértékű képlékeny alakváltozás előidézéséhez szükséges. Az eltolásos módszerrel kapott folyáshatárt általában mérnöki célokra használják, mert így elkerülhetők a rugalmassági határ vagy az arányos határ mérésének gyakorlati nehézségei.
A végső szakítószilárdság
A végső szakítószilárdság (UTS) vagy egyszerűbben szakítószilárdság az a maximális mérnöki feszültségszint, amelyet egy húzóvizsgálat során elérnek. Egy anyag szilárdsága az a képessége, hogy törés nélkül képes ellenállni a külső erőknek. A rideg anyagoknál az UTS a feszültség-nyúlás görbe lineárisan rugalmas szakaszának végén vagy a rugalmassági határ közelében lesz. Képlékeny anyagoknál az UTS jóval a rugalmas szakaszon kívül, a feszültség-alakváltozás görbe képlékeny szakaszában van.
A fenti feszültség-alakváltozás görbén az UTS az a legmagasabb pont, ahol a vonal pillanatnyilag lapos. Mivel az UTS a műszaki feszültségen alapul, gyakran nem azonos a szakítószilárdsággal. A képlékeny anyagokban alakváltozási keményedés következik be, és a feszültség a törés bekövetkezéséig tovább növekszik, de a mérnöki feszültség-alakváltozás görbe a törés bekövetkezése előtt a feszültségszint csökkenését mutathatja. Ez annak az eredménye, hogy a mérnöki feszültség az eredeti keresztmetszeti felületen alapul, és nem veszi figyelembe a próbatestben gyakran előforduló nyákosodást. Az UTS nem biztos, hogy teljesen reprezentatív az anyag által elviselhető legnagyobb feszültségszintre vonatkozóan, de az értéket jellemzően amúgy sem használják az alkatrészek tervezésénél. A képlékeny fémek esetében a jelenlegi tervezési gyakorlat szerint a statikus alkatrészek méretezéséhez a folyáshatárt használják. Mivel azonban az UTS könnyen meghatározható és meglehetősen jól reprodukálható, hasznos az anyag specifikálása és a minőségellenőrzés szempontjából. Másrészt, rideg anyagok esetében az alkatrész tervezése az anyag szakítószilárdságán alapulhat.
A képlékenység mérései (nyúlás és területcsökkenés)
A képlékenység annak a mértéke, hogy egy anyag milyen mértékben deformálódik a törés előtt. A duktilitás mértéke fontos tényező az olyan alakítási műveletek, mint a hengerlés és a sajtolás mérlegelésekor. Azt is jelzi, hogy egy alkatrész túlterhelési sérülése mennyire válhat láthatóvá, mielőtt az alkatrész eltörik. A képlékenységet minőségellenőrzési mérőszámként is használják a szennyeződések szintjének és az anyag megfelelő feldolgozásának értékelésére.
A duktilitás hagyományos mérőszámai a töréskori műszaki alakváltozás (általában nyúlásnak nevezik ) és a töréskori területcsökkenés. Mindkét tulajdonságot úgy kapjuk meg, hogy a törés után a mintadarabot újra összeillesztjük, és mérjük a hossz és a keresztmetszeti terület változását. A nyúlás a tengelyirányú hosszváltozás osztva a próbatest vagy a próbatest részének eredeti hosszával. Ezt százalékban fejezik ki. Mivel a képlékeny alakváltozás jelentős része a szakítópróba nyaki részén koncentrálódik, a nyúlás értéke attól a mérési hossztól függ, amelyen a mérést végezzük. Minél kisebb a mérőhossz, annál nagyobb szerepet játszik a számításban a nyaki tartományban lévő nagy lokalizált alakváltozás. Ezért a nyúlás értékének közlésekor meg kell adni a mérőhosszat.
A nyúlásból eredő bonyodalmak elkerülésének egyik módja, ha a nyúlásmérést a nyúlás kezdőpontjáig tartó egyenletes alakváltozásra alapozzuk. Ez időnként jól működik, de néhány mérnöki feszültség-alakváltozás görbe gyakran meglehetősen lapos a maximális terhelés közelében, és nehéz pontosan meghatározni a nyúlás kezdetének időpontjában fellépő alakváltozást.
A területcsökkenés a keresztmetszeti terület változása osztva az eredeti keresztmetszeti területtel. Ezt a változást a minta nyákosodó tartományában mérjük. A nyúláshoz hasonlóan általában százalékban fejezik ki.
Amint azt korábban tárgyaltuk, a feszültség csak az egyik módja annak, hogy egy anyagot terhelni lehessen. Az anyag terhelésének egyéb módjai közé tartozik a nyomó-, hajlító-, nyíró- és torziós terhelés, és számos szabványos vizsgálatot hoztak létre annak jellemzésére, hogy egy anyag hogyan viselkedik ezekben az egyéb terhelési körülmények között. A következő oldalon néhány ilyen egyéb anyagtulajdonság nagyon felületes bemutatása következik.