Draghållfasthetsprovning används huvudsakligen för att bestämma metallmaterials förmåga att motstå skador under sträckningsprocessen och är en av de viktiga indikatorerna för att utvärdera materials mekaniska egenskaper.
1. Dragprovning
Dragprovet baseras på de grundläggande principerna för materialmekanik. Genom att applicera en dragbelastning på materialprovet under vissa förhållanden orsakas dragdeformation tills provet går sönder. Under provet registreras deformationen av det experimentella provet under olika belastningar och den maximala belastningen när provet går sönder, för att beräkna sträckgräns, draghållfasthet och andra prestandaindikatorer för materialet.
Spänning σ = F/A
σ är draghållfastheten (MPa)
F är dragbelastningen (N)
A är provets tvärsnittsarea
2. Draghållfasthetskurva
Analys av flera steg i stretchprocessen:
a. I OP-steget med liten last är förlängningen i ett linjärt förhållande till lasten, och Fp är den maximala belastningen för att bibehålla den raka linjen.
b. Efter att lasten överstiger Fp börjar dragkurvan anta ett icke-linjärt förhållande. Provet går in i det initiala deformationsstadiet, och lasten avlägsnas, och provet kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd och deformeras elastiskt.
c. Efter att lasten överstiger Fe, avlägsnas lasten, en del av deformationen återställs och en del av den kvarvarande deformationen bibehålls, vilket kallas plastisk deformation. Fe kallas elasticitetsgränsen.
d. När belastningen ökar ytterligare visar dragkurvan en sågtandsform. När belastningen varken ökar eller minskar kallas fenomenet med kontinuerlig förlängning av experimentprovet för flytning. Efter flytning börjar provet genomgå tydlig plastisk deformation.
e. Efter att provet har gett efter sig en ökning av deformationsmotstånd, deformationshärdning och deformationsförstärkning. När lasten når Fb krymper samma del av provet kraftigt. Fb är hållfasthetsgränsen.
f. Krympningsfenomenet leder till en minskning av provets bärförmåga. När lasten når Fk brister provet. Detta kallas brottlast.
Sträckgräns
Sträckgränsen är det maximala spänningsvärdet som ett metallmaterial kan motstå från början av plastisk deformation till fullständig brott när det utsätts för yttre kraft. Detta värde markerar den kritiska punkten där materialet övergår från det elastiska deformationsstadiet till det plastiska deformationsstadiet.
Klassificering
Övre sträckgräns: avser provets maximala spänning innan kraften sjunker för första gången när sträckning inträffar.
Lägre sträckgräns: avser den minsta spänningen i sträcksteget när den initiala transienta effekten ignoreras. Eftersom värdet på den lägre sträckgränsen är relativt stabilt används den vanligtvis som en indikator på materialmotstånd, kallad sträckgräns eller sträckgräns.
Beräkningsformel
För övre sträckgräns: R = F / Sₒ, där F är den maximala kraften innan kraften sjunker för första gången i sträckgränssteget, och Sₒ är provets ursprungliga tvärsnittsarea.
För lägre sträckgräns: R = F / Sₒ, där F är den minsta kraften F utan hänsyn till den initiala transienta effekten, och Sₒ är provets ursprungliga tvärsnittsarea.
Enhet
Enheten för sträckgräns är vanligtvis MPa (megapascal) eller N/mm² (Newton per kvadratmillimeter).
Exempel
Ta lågkolstål som exempel, dess sträckgräns är vanligtvis 207 MPa. När det utsätts för en extern kraft större än denna gräns kommer lågkolstål att producera permanent deformation och kan inte återställas; när det utsätts för en extern kraft mindre än denna gräns kan lågkolstål återgå till sitt ursprungliga tillstånd.
Sträckgräns är en av de viktiga indikatorerna för att utvärdera de mekaniska egenskaperna hos metallmaterial. Den återspeglar materialens förmåga att motstå plastisk deformation när de utsätts för yttre krafter.
Draghållfasthet
Draghållfasthet är ett materials förmåga att motstå skador under dragbelastning, vilket uttrycks som det maximala spänningsvärdet som materialet kan motstå under dragprocessen. När dragspänningen på materialet överstiger dess draghållfasthet kommer materialet att genomgå plastisk deformation eller brott.
Beräkningsformel
Beräkningsformeln för draghållfasthet (σt) är:
σt = F / A
Där F är den maximala dragkraften (Newton, N) som provet kan motstå innan det går sönder, och A är provets ursprungliga tvärsnittsarea (kvadratmillimeter, mm²).
Enhet
Enheten för draghållfasthet är vanligtvis MPa (megapascal) eller N/mm² (Newton per kvadratmillimeter). 1 MPa är lika med 1 000 000 Newton per kvadratmeter, vilket också är lika med 1 N/mm².
Påverkande faktorer
Draghållfastheten påverkas av många faktorer, inklusive kemisk sammansättning, mikrostruktur, värmebehandlingsprocess, bearbetningsmetod etc. Olika material har olika draghållfastheter, så i praktiska tillämpningar är det nödvändigt att välja lämpliga material baserat på materialens mekaniska egenskaper.
Praktisk tillämpning
Draghållfasthet är en mycket viktig parameter inom materialvetenskap och teknik, och används ofta för att utvärdera materials mekaniska egenskaper. När det gäller konstruktionsdesign, materialval, säkerhetsbedömning etc. är draghållfasthet en faktor som måste beaktas. Till exempel, inom byggteknik, är ståls draghållfasthet en viktig faktor för att avgöra om det kan motstå belastningar; inom flyg- och rymdteknik är draghållfastheten hos lätta och höghållfasta material nyckeln till att säkerställa flygplans säkerhet.
Utmattningsstyrka:
Metallutmattning avser den process där material och komponenter gradvis producerar lokala permanenta kumulativa skador på ett eller flera ställen under cyklisk spänning eller cyklisk töjning, och sprickor eller plötsliga fullständiga brott uppstår efter ett visst antal cykler.
Drag
Plötslighet i tiden: Metallutmattningsbrott uppstår ofta plötsligt under en kort tidsperiod utan uppenbara tecken.
Lokalitet i position: Utmattningsbrott uppstår vanligtvis i lokala områden där stressen är koncentrerad.
Känslighet för miljö och defekter: Metallutmattning är mycket känslig för miljön och små defekter inuti materialet, vilket kan påskynda utmattningsprocessen.
Påverkande faktorer
Spänningsamplitud: Spänningens storlek påverkar direkt metallens utmattningslivslängd.
Genomsnittlig spänningsstorlek: Ju större genomsnittlig spänning, desto kortare blir metallens utmattningslivslängd.
Antal cykler: Ju fler gånger metallen utsätts för cyklisk spänning eller töjning, desto allvarligare blir ansamlingen av utmattningsskador.
Förebyggande åtgärder
Optimera materialvalet: Välj material med högre utmattningsgränser.
Minska spänningskoncentration: Minska spänningskoncentrationen genom strukturell design eller bearbetningsmetoder, såsom att använda rundade hörnövergångar, öka tvärsnittsdimensioner etc.
Ytbehandling: Polering, sprutning etc. på metallytan för att minska ytdefekter och förbättra utmattningshållfastheten.
Inspektion och underhåll: Inspektera regelbundet metallkomponenter för att snabbt upptäcka och reparera defekter som sprickor; underhåll delar som är benägna att utmattas, till exempel genom att byta ut slitna delar och förstärka svaga länkar.
Metallutmattning är ett vanligt metallbrotttillstånd som kännetecknas av plötslighet, lokalitet och känslighet för miljön. Spänningsamplitud, genomsnittlig spänningsstorlek och antal cykler är de viktigaste faktorerna som påverkar metallutmattning.
SN-kurva: beskriver materials utmattningslivslängd under olika spänningsnivåer, där S representerar spänning och N representerar antalet spänningscykler.
Formel för utmattningskoefficient:
(Kf = Ka ⋅ Kb ⋅ Kc ⋅ Kd ⋅ Ke)
Där (Ka) är belastningsfaktorn, (Kb) är storleksfaktorn, (Kc) är temperaturfaktorn, (Kd) är ytkvalitetsfaktorn och (Ke) är tillförlitlighetsfaktorn.
Matematiskt uttryck för SN-kurvan:
(\sigma^m N = C)
Där (ρ) är spänningen, N är antalet spänningscykler och m och C är materialkonstanter.
Beräkningssteg
Bestäm materialkonstanterna:
Bestäm värdena på m och C genom experiment eller genom att hänvisa till relevant litteratur.
Bestäm spänningskoncentrationsfaktorn: Beakta detaljens faktiska form och storlek, såväl som spänningskoncentrationen orsakad av kilformningar, kilspår etc., för att bestämma spänningskoncentrationsfaktorn K. Beräkna utmattningshållfastheten: Beräkna utmattningshållfastheten enligt SN-kurvan och spänningskoncentrationsfaktorn, i kombination med detaljens dimensionerande livslängd och arbetsspänningsnivå.
2. Plasticitet:
Plasticitet hänvisar till den egenskap hos ett material att det, när det utsätts för yttre kraft, producerar permanent deformation utan att gå sönder när den yttre kraften överstiger dess elasticitetsgräns. Denna deformation är irreversibel, och materialet återgår inte till sin ursprungliga form även om den yttre kraften avlägsnas.
Plasticitetsindex och dess beräkningsformel
Förlängning (δ)
Definition: Förlängning är procentandelen av den totala deformationen av mätsektionen efter att provkroppen har dragbrottats till den ursprungliga mätlängden.
Formel: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %
Där L0 är provkroppens ursprungliga mätlängd;
L1 är mätlängden efter att provet är brutet.
Segmentreduktion (Ψ)
Definition: Segmentreduktionen är procentandelen av den maximala reduktionen i tvärsnittsarean vid halsningspunkten efter att preparatet har brutits till den ursprungliga tvärsnittsarean.
Formel: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %
Där F0 är provets ursprungliga tvärsnittsarea;
F1 är tvärsnittsarean vid halsningspunkten efter att provet har brutits.
3. Hårdhet
Metallhårdhet är ett mekaniskt egenskapsindex för att mäta hårdheten hos metallmaterial. Det indikerar förmågan att motstå deformation i den lokala volymen på metallytan.
Klassificering och representation av metallhårdhet
Metallhårdhet har en mängd olika klassificerings- och representationsmetoder enligt olika testmetoder. Huvudsakligen inkluderar följande:
Brinellhårdhet (HB):
Användningsområde: Används generellt när materialet är mjukare, såsom icke-järnmetaller, stål före värmebehandling eller efter glödgning.
Testprincip: Med en viss testbelastning pressas en härdad stålkula eller hårdmetallkula med en viss diameter in i ytan på den metall som ska testas, och lasten avlastas efter en viss tid, och diametern på fördjupningen på ytan som ska testas mäts.
Beräkningsformel: Brinell-hårdhetsvärdet är kvoten som erhålls genom att dividera belastningen med fördjupningens sfäriska yta.
Rockwell-hårdhet (HR):
Användningsområde: Används generellt för material med högre hårdhet, såsom hårdhet efter värmebehandling.
Testprincip: Liknande Brinell-hårdhet, men med andra sonder (diamant) och olika beräkningsmetoder.
Typer: Beroende på tillämpning finns det HRC (för material med hög hårdhet), HRA, HRB och andra typer.
Vickers-hårdhet (HV):
Användningsområde: Lämplig för mikroskopanalys.
Testprincip: Pressa materialytan med en belastning på mindre än 120 kg och en diamantformad fyrkantig konisk indenterare med en topvinkel på 136°, och dividera ytan av materialets indenteringsgrop med belastningsvärdet för att få Vickers-hårdhetsvärdet.
Leeb-hårdhet (HL):
Funktioner: Bärbar hårdhetsprovare, enkel att mäta.
Testprincip: Använd studsen som genereras av slagkulans huvud efter att ha träffat hårdhetsytan och beräkna hårdheten genom förhållandet mellan stansens returhastighet 1 mm från provytan och slaghastigheten.
Publiceringstid: 25 sep-2024
