Dragegenskaper

Tragegenskaper anger hur materialet reagerar på spänningskrafter. Ett dragprov är ett grundläggande mekaniskt prov där ett noggrant förberett prov belastas på ett mycket kontrollerat sätt samtidigt som man mäter den applicerade belastningen och provets förlängning över en viss sträcka. Dragprov används för att bestämma elasticitetsmodul, elasticitetsgräns, töjning, proportionell gräns, reducering av area, draghållfasthet, sträckgräns, sträckhållfasthet och andra dragegenskaper.

Den viktigaste produkten av ett dragprov är en belastning kontra töjningskurva som sedan omvandlas till en spänning kontra töjningskurva. Eftersom både den tekniska spänningen och den tekniska töjningen erhålls genom att dela belastningen och töjningen med konstanta värden (information om provkroppens geometri) kommer belastnings- och töjningskurvan att ha samma form som den tekniska spännings- och töjningskurvan. Spännings- och töjningskurvan relaterar den applicerade spänningen till den resulterande töjningen och varje material har sin egen unika spännings- och töjningskurva. En typisk teknisk spännings-deformationskurva visas nedan. Om den verkliga spänningen, baserad på provets faktiska tvärsnittsarea, används finner man att spännings-töjningskurvan ökar kontinuerligt fram till brott.

Linjärt elastiskt område och elastiska konstanter
Som framgår av figuren ökar spänningen och töjningen inledningsvis med ett linjärt förhållande. Detta är den linjärelastiska delen av kurvan och indikerar att ingen plastisk deformation har inträffat. I detta område av kurvan kommer materialet att återgå till sin ursprungliga form när spänningen minskas. I detta linjära område följer linjen det förhållande som definieras som Hookes lag där förhållandet mellan spänning och töjning är en konstant.

Linjens lutning i detta område där spänningen är proportionell mot töjningen och kallas elasticitetsmodul eller Youngs modul. Elasticitetsmodulen (E) definierar egenskaperna hos ett material när det utsätts för spänning, deformeras och sedan återgår till sin ursprungliga form när spänningen försvinner. Det är ett mått på ett visst materials styvhet. För att beräkna elasticitetsmodulen dividerar man helt enkelt spänningen med töjningen i materialet. Eftersom töjningen är enhetslös kommer modulus att ha samma enheter som spänningen, t.ex. kpi eller MPa. Elasticitetsmodulen gäller specifikt för situationen där en komponent sträcks med en dragkraft. Denna modul är av intresse när det är nödvändigt att beräkna hur mycket en stång eller tråd sträcker sig under en dragbelastning.

Det finns flera olika typer av moduler beroende på hur materialet sträcks, böjs eller på annat sätt förvrängs. När en komponent utsätts för ren skjuvning, t.ex. en cylindrisk stång under vridning, beskriver skjuvmodulen det linjelastiska spännings-deformationsförhållandet.

Axiala spänningar åtföljs alltid av laterala spänningar med motsatt tecken i de två riktningar som ömsesidigt är vinkelräta mot den axiella spänningen. De spänningar som beror på en ökning av längden betecknas som positiva (+) och de som beror på en minskning av längden betecknas som negativa (-). Poissons kvot definieras som negativet av förhållandet mellan lateral töjning och axial töjning för ett enaxligt spänningstillstånd.

Poissons kvot definieras ibland också som förhållandet mellan de absoluta värdena av lateral och axial töjning. Detta förhållande är, liksom töjningen, enhetslöst eftersom båda töjningarna är enhetslösa. För spänningar inom det elastiska området är detta förhållande ungefär konstant. För ett perfekt isotropt elastiskt material är Poissonkvoten 0,25, men för de flesta material ligger värdet i intervallet 0,28-0,33. För stål har Poissonkvoten i allmänhet ett värde på ungefär 0,3. Detta innebär att om det finns en tum per tum av deformation i den riktning som spänningen appliceras, kommer det att finnas 0,3 tum per tum av deformation vinkelrätt mot den riktning som kraften appliceras.

Bara två av de elastiska konstanterna är oberoende, så om två konstanter är kända kan den tredje beräknas med hjälp av följande formel:

E = 2 (1 + n) G.

Var:	E	=	elasticitetsmodul (Youngs modul)
	n	=	Poissons kvot
	G	=	>styvhetsmodul (skjuvningsmodul).

Ett par ytterligare elastiska konstanter som kan förekomma är bulkmodul (K) och Lames konstanter (m och l). Bulkmodulen används för att beskriva en situation där ett materialstycke utsätts för en tryckökning på alla sidor. Förhållandet mellan tryckförändringen och den resulterande deformationen är bulkmodulen. Lames konstanter härleds från elasticitetsmodulen och Poissonkvoten.

Böjningspunkt
I duktila material avviker spännings-deformationskurvan vid en viss punkt från det rätlinjiga förhållandet och lagen gäller inte längre eftersom deformationen ökar snabbare än spänningen. Från och med denna punkt i dragprovet uppstår en viss permanent deformation i provet och materialet sägs reagera plastiskt på varje ytterligare ökning av belastningen eller spänningen. Materialet återgår inte till sitt ursprungliga, ospända tillstånd när belastningen avlägsnas. I spröda material uppstår liten eller ingen plastisk deformation och materialet bryts nära slutet av den linjärelastiska delen av kurvan.

Med de flesta material sker en gradvis övergång från elastiskt till plastiskt beteende, och den exakta punkten då plastisk deformation börjar uppstå är svår att fastställa. Därför används olika kriterier för när eftergivningsförmågan börjar, beroende på känsligheten hos töjningsmätningarna och den avsedda användningen av uppgifterna. (Se tabell) För de flesta tekniska konstruktions- och specifikationstillämpningar används sträckgränsen. Sträckgränsen definieras som den spänning som krävs för att producera en liten mängd plastisk deformation. Den förskjutna sträckgränsen är den spänning som motsvarar skärningspunkten mellan spännings-deformationskurvan och en linje som är parallell med den elastiska delen av kurvan och som är förskjuten med en specificerad deformation (i USA är förskjutningen vanligtvis 0,2 % för metaller och 2 % för plaster).

I Storbritannien kallas sträckgränsen ofta för proof stress. Förskjutningsvärdet är antingen 0,1 % eller 0,5 %

För att bestämma sträckgränsen med hjälp av denna förskjutning hittas punkten på töjningsaxeln (x-axeln) på 0,002, och sedan dras en linje som är parallell med spännings-töjningslinjen. Denna linje skär spännings- och töjningslinjen strax efter att den börjat kröka, och denna skärning definieras som sträckgränsen med en förskjutning på 0,2 %. Ett bra sätt att se på förskjutningsgränsen med förskjutning är att efter att ett prov har belastats till sin 0,2-procentiga förskjutningsgräns med förskjutning och sedan avlastats kommer det att vara 0,2 procent längre än före provningen. Även om sträckgränsen är tänkt att representera den exakta punkt där materialet blir permanent deformerat, anses 0,2 % töjning vara en tolerabel uppoffring för den lätthet som det skapar när det gäller att definiera sträckgränsen.

Vissa material som grått gjutjärn eller mjuk koppar uppvisar i princip inget linjärt-elastiskt beteende. För dessa material är den vanliga metoden att definiera sträckgränsen som den spänning som krävs för att producera en viss total mängd töjning.

• Den verkliga elasticitetsgränsen är ett mycket lågt värde och är relaterad till rörelsen av några hundra dislokationer. Det krävs mikrodeformationsmätningar för att upptäcka deformationer i storleksordningen 2 x 10 -6 in/in.
• Proportionell gräns är den högsta spänning vid vilken spänningen är direkt proportionell mot töjningen. Den erhålls genom att observera avvikelsen från den rätlinjiga delen av spännings-deformationskurvan.
• Elastisk gräns är den högsta spänning som materialet kan tåla utan att någon mätbar permanent deformation kvarstår vid fullständig avlastning. Den bestäms med hjälp av ett tråkigt testförfarande med stegvis belastning-avlastning. Med den känslighet för töjningsmätningar som vanligtvis används i tekniska studier (10 -4in/in) är den elastiska gränsen större än den proportionella gränsen. Med ökande känslighet för töjningsmätning minskar värdet på den elastiska gränsen tills den slutligen är lika med den verkliga elastiska gränsen som bestäms från mikrotöjningsmätningar.
• Utfallsstyrka är den spänning som krävs för att producera en liten specificerad mängd plastisk deformation. Den sträckgräns som erhålls genom en förskjutningsmetod används vanligen för tekniska ändamål eftersom den undviker de praktiska svårigheterna med att mäta den elastiska gränsen eller den proportionella gränsen.

Utomatisk draghållfasthet
Utomatisk draghållfasthet (UTS) eller, enklare uttryckt, draghållfasthet, är den maximala tekniska spänningsnivå som uppnås i ett dragprov. Ett materials styrka är dess förmåga att motstå yttre krafter utan att gå sönder. I spröda material kommer UTS i slutet av den linjärelastiska delen av spännings-deformationskurvan eller nära den elastiska gränsen. I duktila material kommer UTS att ligga långt utanför den elastiska delen till den plastiska delen av spännings-deformationskurvan.

På spännings-deformationskurvan ovan är UTS den högsta punkten där linjen är tillfälligt platt. Eftersom UTS baseras på den tekniska spänningen är den ofta inte densamma som brotthållfastheten. I duktila material sker en töjningshärdning och spänningen fortsätter att öka tills brott inträffar, men den tekniska spännings-deformationskurvan kan visa en nedgång i spänningsnivån innan brott inträffar. Detta är ett resultat av att den tekniska spänningen baseras på den ursprungliga tvärsnittsytan och inte tar hänsyn till den inringning som vanligen uppstår i provkroppen. UTS är kanske inte helt representativt för den högsta spänningsnivå som ett material kan klara av, men värdet används ändå vanligtvis inte vid konstruktionen av komponenter. För duktila metaller är den nuvarande konstruktionsmetoden att använda sträckgränsen för dimensionering av statiska komponenter. Eftersom UTS är lätt att bestämma och ganska reproducerbart är det dock användbart för att specificera ett material och för kvalitetskontroll. För spröda material kan däremot konstruktionen av en komponent baseras på materialets draghållfasthet.

Mått på duktilitet (förlängning och reducering av area)
Duktiliteten hos ett material är ett mått på i vilken utsträckning ett material kommer att deformeras innan det bryts. Mängden duktilitet är en viktig faktor när man överväger formningsoperationer som valsning och extrudering. Den ger också en indikation på hur synliga överbelastningsskador på en komponent kan bli innan komponenten går sönder. Duktilitet används också som ett kvalitetskontrollmått för att bedöma nivån av föroreningar och korrekt bearbetning av ett material.

De konventionella måtten på duktilitet är den tekniska spänningen vid brott (vanligtvis kallad töjning ) och minskningen av ytan vid brott. Båda dessa egenskaper erhålls genom att provkroppen monteras ihop igen efter brottet och förändringen i längd och tvärsnittsarea mäts. Förlängning är förändringen i axiell längd dividerad med provkroppens eller provkroppsdelens ursprungliga längd. Den uttrycks i procent. Eftersom en betydande del av den plastiska deformationen kommer att vara koncentrerad till det inskränkta området av dragprovet, kommer värdet av förlängningen att bero på den mätlängd över vilken mätningen görs. Ju mindre längd på mätaren, desto större är den stora lokaliserade deformationen i det inskränkta området som kommer att vägas in i beräkningen. När värden för töjning rapporteras bör därför mätlängden anges.

Ett sätt att undvika komplikationer till följd av inskränkningar är att basera töjningsmätningen på den enhetliga töjningen fram till den punkt där inskränkningen börjar. Detta fungerar ibland bra, men vissa tekniska spännings- och töjningskurvor är ofta ganska platta i närheten av maximal belastning och det är svårt att exakt fastställa töjningen när inskränkningen börjar uppträda.

Avsnittsminskning är förändringen av tvärsnittsarean dividerad med den ursprungliga tvärsnittsarean. Denna förändring mäts i det inskränkta området av provkroppen. I likhet med förlängning uttrycks den vanligen i procent.

Som tidigare diskuterats är spänning bara ett av de sätt på vilka ett material kan belastas. Andra sätt att belasta ett material är kompression, böjning, skjuvning och vridning, och det finns ett antal standardprovningar som har upprättats för att karakterisera hur ett material presterar under dessa andra belastningsförhållanden. En mycket kortfattad introduktion till några av dessa andra materialegenskaper ges på nästa sida.