Mekaniske egenskaber er afgørende for at beskrive et materiales adfærd, når der påføres en belastning. Der er udviklet mange prøvninger som f.eks. træk-, tryk-, slag-, bøjnings-, bøjnings-, forskydnings-, torsions- og hårdhedsprøvninger for at observere et materiales reaktion på en påført ydre kraft. Disse egenskaber er vigtige for, at tekniske designere kan vælge passende materialer til forskellige anvendelser.
Hvad er et materiales forlængelse?
Længden er et mål for den deformation, der opstår, før et materiale til sidst går i stykker, når det udsættes for en trækbelastning. Når sidstnævnte påføres, sker der en forøgelse af længden og en ensartet reduktion af tværsnitsarealet, mens materialet bevarer et konstant volumen. Forlængelse som følge af udvidelse kan også forekomme, når et materiale udsættes for en temperaturstigning, eller hvis både en aksial kraft og en høj temperatur virker samtidig på et materiale.
Hvordan måles forlængelse?
Måling af materialers forlængelse som følge af aksial kraft udføres normalt ved en standard trækstyrkeprøve. En strimmel eller stang af en vis længde og med et ensartet tværsnitsareal, der er fastgjort i den ene ende, udsættes for en trækbelastning langs prøvens akse. Der anføres mærker på prøven, når den anbringes i prøvemaskinens greb, for at definere mållængden. Den aksiale belastning øges trinvis, og strækningen observeres, indtil materialet bryder mekanisk eller knækker . Denne prøvning er normalt normaliseret, udføres med konstant belastningshastighed og er destruktiv. Målerlængden eller kalibreringslængden skal være lang nok for at sikre, at trækspændingen overføres ensartet.
Billede 1 til reference. Kilde- https://www.admet.com/wp-content/uploads/2017/07/ductile-specimen-shape-during-testing.png
Et typisk forløb af en trækprøve begynder med prøven placeret i fravær af belastning. Ved den første påføring af belastningen kan der iagttages en ensartet forlængelse og reduktion af tværsnitsarealet. Dette fortsætter, indtil en maksimal belastning er nået. Herefter sker der en indsnævring, hvorved den efterfølgende deformation bliver uensartet og kun finder sted ved indsnævringen. Den lokale sande spænding fortsætter med at stige, efterhånden som halsarealet mindskes, indtil der sker brud.
Formlen for forlængelse ved en vilkårlig længde L under trækprøvning er:
hvor,
δ = forlængelse, (in eller mm)
L0 = indledende målerlængde mellem mærkerne, (in eller mm)
L = længde mellem mærkerne på et hvilket som helst punkt under ensartet forlængelse, (in eller mm)
Under en trækprøvning måles den påførte belastning og forlængelsen af målerlængden samtidig. Disse data kan plottes på en graf kaldet spændings-/forlængelseskurve. Spændings-/forlængelseskurven er vigtig for forståelsen af materialeegenskaberne, da den viser det grundlæggende forhold mellem den tekniske spænding og den tekniske forstrækning .
formlen for teknisk spænding, der viser en påvirkning af den påførte belastning over det oprindelige tværsnitsareal, er:
hvor,
σ = teknisk spænding, (lb/sq. in eller MPa)
P = påført belastning, (lb eller N)
A0 = oprindeligt tværsnitsareal, (kvm. in eller sq. mm)
Den tekniske deformation måles på den anden side som forholdet mellem forlængelse og målerlængde:
hvor,
ε = engineering strain, (enhedsløs)
δ = forlængelse på et hvilket som helst punkt under den ensartede forlængelsesfase, (in eller mm)
L0 = oprindelig målerlængde mellem mærkerne (in eller mm)
Hvad er procentvis forlængelse?
Sæt, at vi har en stang, der har gennemgået en trækstyrkeprøve. Ved hjælp af et extensometer kan vi måle den oprindelige målerlængde Lo og en endelig målerlængde Lf efter indsnævring og brud. Forholdet mellem forskellen mellem den endelige længde og den oprindelige længde og selve den oprindelige længde er kendt som procentvis forlængelse (%δ).
hvor,
%δ = procentvis forlængelse, (%)
Lf = endelig prøvelængde, (in eller mm)
Lo = oprindelig prøvelængde, (in eller mm)
Denne måling repræsenterer en materialeegenskab, der kaldes for duktilitet .
Hvorfor beregne materialedeformation?
Det er vigtigt at udføre en trækprøvning for at bestemme de forskellige materialers deformation for at vurdere deres mulige anvendelse. For eksempel er materialer med høj forlængelse – dvs. god duktilitet – kritiske i komponenter, der kræver energiabsorption ved plastisk deformation, f.eks. autoværn og kofangere.
For fremstillingsprocesser er det vigtigt at kende denne egenskab for at kunne gennemføre kvalitetskontrolmetoder.
For materiale- og fremstillingsingeniører undersøges sådanne egenskaber for at vurdere materiales svagheder og begrænsninger med henblik på forbedring og udforskning af alternativer.