Mehanička svojstva materijala

Mehanička svojstva materijala

Materijali imaju različita svojstva koja ih čine prikladnima za različite vrste primjena. Prilikom odabira materijala za određenu primjenu, važno je uzeti u obzir niz mehaničkih svojstava kako bi se osiguralo da će materijal moći zadovoljiti zahtjeve primjene.

Mehanička svojstva materijala su karakteristike koje određuju kako materijal reagira na različite vrste opterećenja i okruženja.

Ta su svojstva ključna u određivanju izvedbe materijala u različitim primjenama i često se uzimaju u obzir pri odabiru materijala za određenu primjenu.

Evo 10 najvažnijih mehaničkih svojstava materijala s njihovim jedinicama:

1. Vlačna čvrstoća materijala

Vlačna čvrstoća materijala je mjera njegove sposobnosti da izdrži vučnu silu (količina naprezanja koje materijal može izdržati prije nego što se slomi). Obično se mjeri u funtama po kvadratnom inču (psi) ili megapaskalima (MPa).

Vlačna čvrstoća materijala određuje se primjenom vlačnog opterećenja na ispitni uzorak i mjerenjem maksimalnog opterećenja koje uzorak može izdržati prije loma pomoću ispitivanja vlačnim vlaknima.

Ispitivanje rastezanja provodi se prema standardu ASTM A370.

2. Granica razvlačenja materijala

Količina naprezanja koju materijal može podnijeti prije nego što se počne trajno deformirati (promjena od elastičnog ponašanja do plastičnog ponašanja).

Granica razvlačenja materijala je točka u kojoj se materijal počinje plastično deformirati (tj. trajno) kada se primijeni opterećenje.

Obično se mjeri u funtama po kvadratnom inču (psi) ili megapaskalima (MPa). Ovo je svojstvo važno u primjenama gdje materijal treba zadržati određeni oblik pod opterećenjem.

3. Modul elastičnosti

Modul elastičnosti, poznat i kao Youngov modul, mjera je sposobnosti materijala da izdrži opterećenje bez trajnog deformiranja.

Obično se mjeri u funtama po kvadratnom inču (psi) ili gigapaskalima (GPa). Modul elastičnosti važno je svojstvo u određivanju progiba konstrukcije pod opterećenjem.

4. Tvrdoća materijala

Tvrdoća materijala je mjera njegove otpornosti na deformaciju površine. Može se odrediti različitim metodama ispitivanja, kao što su Rockwell, Brinell ili Vickers.

Pročitajte više: Što je ispitivanje tvrdoće i njegove vrste?

Jedinice tvrdoće ovise o korištenoj metodi ispitivanja. Na primjer, Rockwellova tvrdoća se mjeri u Rockwellovim jedinicama (Rc), a Vickersova tvrdoća se mjeri u Vickersovim jedinicama (HV).

5. Gustoća materijala

Gustoća materijala je mjera njegove mase po jedinici volumena. Obično se mjeri u gramima po kubnom centimetru (g/cm3) ili funtama po kubnom inču (lbs/in3). Gustoća materijala može se koristiti za izračunavanje njegove težine i također može utjecati na njegovu sposobnost da pluta ili potone u tekućini.

Ovdje je popis nekih često korištenih inženjerskih materijala i njihove približne gustoće:

• Aluminij: 2,7 g/cm3 (0,098 lb/in3)
• Mjed: 8,4 g/cm3 (0,302 lb/in3)
• Bakar: 8,9 g/cm3 (0,321 lb/in3)
• Željezo: 7,87 g/cm3 (0,284 lb/in3)
• Olovo: 11,3 g/cm3 (0,407 lb/in3)
• Nehrđajući čelik: 7,9 g/cm3 (0,284 lb/in3)
• Čelik: 7,8 g/cm3 (0,281 lb/in3)
• Titan: 4,5 g/cm3 (0,162 lb/in3)
• Volfram: 19,3 g/cm3 (0,687 lb/in3)
• Zlato: 19,3 g/cm3 (0,68 lb/in3)
• Srebro: 10,5 g/cm3 (0,374 lb/in3)
• Beton: 2,4 g/cm3 do 2,5 g/cm3 (0,087 lb/in3 do 0,090 lb/in3)
• Drvo: 0,3 g/cm3 do 0,9 g/cm3 (0,011 lb/in3 do 0,033 lb/in3)
• Plastika: 0,9 g/cm3 do 2 g/cm3 (0,033 lb/in3 do 0,071 lb/in3)

6. Udarna čvrstoća materijala

Čvrstoća materijala na udar je mjera njegove sposobnosti da izdrži iznenadni udar ili udarno opterećenje. Može se odrediti različitim metodama ispitivanja, kao što su ispitivanje udarom po Izodu ili Charpyju. Jedinice udarne čvrstoće ovise o korištenoj metodi ispitivanja.

7. Žilavost materijala

Žilavost materijala je mjera njegove sposobnosti da apsorbira energiju prije loma. Može se odrediti mjerenjem površine ispod krivulje naprezanje-deformacija. Jedinice za žilavost obično su jedinice energije, poput džula (J).

To je mjera otpornosti materijala na lom i važan je čimbenik u određivanju prikladnosti materijala za određene primjene. Čvrst materijal može izdržati značajna opterećenja i udarce prije nego što se slomi, dok će se krti materijal slomiti uz relativno malu deformaciju.

Jedna od najčešćih metoda za mjerenje žilavosti metalnih materijala je Charpyjev test udarom, koji mjeri količinu energije koju materijal može apsorbirati prije nego što se slomi pod udarnim opterećenjem. Ovaj se test često koristi za procjenu žilavosti čelika i drugih metalnih materijala.

Za lomljive materijale, poput keramike, obično se koristi Izodov test udarom, koji mjeri količinu energije koju materijal može apsorbirati prije nego što se slomi pod udarom poput njihala.

8. Čvrstoća materijala na zamor

Čvrstoća materijala na zamor je mjera njegove sposobnosti da izdrži cikličko opterećenje bez kvara.

Obično se mjeri u funtama po kvadratnom inču (psi) ili megapaskalima (MPa). Čvrstoća na zamor je važno svojstvo u primjenama gdje će materijal biti podvrgnut opetovanom opterećenju tijekom vremena.

9. Rastezanje materijala

Istezanje je mjera promjene duljine materijala uslijed primijenjenog opterećenja kao postotak izvorne duljine materijala. Ovo je mjera koliko se materijal može rastegnuti prije nego što se slomi i važno je za određivanje fleksibilnosti materijala.

Istezanje je mjera sposobnosti materijala da se rasteže ili rasteže pod primijenjenim opterećenjem. To je mehaničko svojstvo koje se koristi za opisivanje duktilnosti materijala, što je količina deformacije koju materijal može pretrpjeti prije nego što se slomi. Istezanje se obično mjeri kao postotak izvorne duljine materijala, a izračunava se dijeljenjem količine deformacije s izvornom duljinom materijala.

Najčešća metoda za mjerenje istezanja materijala je vlačno ispitivanje. U ovom testu, uzorak materijala rasteže se dok se ne slomi pod vlačnim opterećenjem, a količina deformacije se mjeri na različitim točkama tijekom testa.

Ispitivanje daje podatke o ponašanju materijala pod opterećenjem, na primjer, daje krivulju naprezanje-deformacija, a maksimalno istezanje (ili deformacija) koje materijal može izdržati prije loma poznato je kao krajnje istezanje.

Vrijedno je napomenuti da na rastezanje materijala također utječe temperatura, pri čemu se kod većine materijala istezanje smanjuje kako temperatura raste. Dodatno, neki materijali imaju anizotropna svojstva, što znači da njihovo produljenje može biti različito u različitim smjerovima.

10. Puzanje materijala

Puzanje je brzina kojom materijal mijenja oblik tijekom vremena kada je pod stalnim opterećenjem. Obično se mjeri kao deformacija (deformacija) tijekom vremena, a često se iskazuje kao postotak izvorne duljine materijala.

Puzanje je važno svojstvo u primjenama u kojima će materijal biti izložen stalnom opterećenju tijekom duljeg vremenskog razdoblja. Jedinica za to bit će omjer (vrijeme/duljina).

Puzanje je postupna deformacija materijala tijekom vremena pod stalnim opterećenjem ili pri konstantnoj temperaturi. To je deformacija ovisna o vremenu i fenomen je koji utječe na mnoge materijale, uključujući metale, keramiku i polimere. Puzanje je problem kod materijala koji su izloženi dugotrajnim opterećenjima, jer može dovesti do kvara ili smanjene učinkovitosti tijekom vremena.

Brzina puzanja ovisi o svojstvima materijala kao što su kemijski sastav, mikrostruktura i mehanička svojstva, kao i o temperaturi, uvjetima opterećenja i trajanju opterećenja.

Ponašanje puzanja može se podijeliti u tri faze: primarno, sekundarno i tercijarno puzanje. U primarnoj fazi puzanja, brzina deformacije je visoka, zatim se smanjuje i stabilizira u sekundarnoj fazi, dok se ponovno ne poveća u tercijarnoj fazi, što dovodi do sloma materijala.

Materijali koji su izloženi visokim temperaturama, velikim opterećenjima i dugotrajnim opterećenjima imaju veću vjerojatnost da će pokazivati ​​puzanje. Na primjer, u industriji proizvodnje električne energije, puzanje predstavlja problem za lopatice turbine, koje su izložene visokim temperaturama i pod velikim su naprezanjima tijekom dugog vremenskog razdoblja. Slično, puzanje je problem za strukturne komponente zrakoplova, jer su tijekom leta izložene visokim temperaturama.

11. Duktilnost materijala

Duktilnost je mjera sposobnosti materijala da se plastično deformira (tj. trajno) bez loma. Obično se mjeri kao postotak istezanja materijala ili smanjenja površine prije loma.

Materijal visoke duktilnosti može se značajno saviti ili istegnuti prije nego što se slomi, dok će se materijal niske duktilnosti slomiti uz malu deformaciju.

Duktilnost materijala može se provjeriti pomoću testa savijanja. I duktilnost i test savijanja usko su povezani i koriste se za određivanje sposobnosti materijala da izdrži deformaciju i plastičnost.

Materijal s visokom duktilnošću obično će se dobro pokazati u testu savijanja, dok materijal s niskom duktilnošću možda neće.

12. Elastičnost materijala

Elastičnost je sposobnost materijala da se nakon deformacije vrati u prvobitni oblik. Kada je materijal podvrgnut sili, rastegnut će se, stisnuti ili saviti, a kada se sila ukloni, materijal će se vratiti u svoj izvorni oblik. Ovo ponašanje je poznato kao elastično ponašanje, a proučavanje ovog ponašanja naziva se elastičnost.

Općenito, materijali se mogu klasificirati u dvije kategorije na temelju njihovog elastičnog ponašanja: elastični i plastični. Elastični materijali će se vratiti u svoj izvorni oblik kada se sila ukloni, dok plastični materijali neće. Većina materijala je do određenog stupnja elastična, a stupanj elastičnosti može se kvantificirati korištenjem modula elastičnosti materijala.

Modul elastičnosti je mjera otpornosti materijala na elastičnu deformaciju. Obično se mjeri u jedinicama sile po jedinici površine, kao što su funte po kvadratnom inču (psi) ili newtoni po kvadratnom metru (N/m^2). Modul elastičnosti materijala može se koristiti za predviđanje koliko će se materijal deformirati pod određenim opterećenjem.

Postoji nekoliko vrsta modula elastičnosti: Youngov modul, Smični modul, Bulk modul

Youngov modul je najčešće korišteni modul elastičnosti i mjeri sposobnost materijala da podnese promjene duljine kada je pod napetostom ili kompresijom. Izračunava se kao omjer uzdužnog naprezanja i uzdužnog naprezanja.

Modul smicanja, koji se naziva i modul krutosti, mjeri otpornost materijala na posmično naprezanje, koje se događa kada je materijal izložen silama koje djeluju paralelno s površinom njegovog poprečnog presjeka.

Modul volumena mjeri otpornost materijala na volumetrijsku deformaciju i izračunava se kao omjer volumetrijskog naprezanja i volumetrijske deformacije.

Važno je primijetiti da postoji ograničenje količine naprezanja koje materijal može podnijeti prije nego što se podvrgne trajnoj deformaciji, to je poznato kao granica tečenja ili čvrstoća na prekid.

13. Plastičnost materijala

Plastičnost je sposobnost materijala da se podvrgne trajnoj deformaciji (ili promjeni oblika) kada je podvrgnut sili. Kada je materijal elastičan, vraća se u svoj izvorni oblik kada se sila ukloni. Nasuprot tome, kada je materijal plastičan, ne vraća se u svoj izvorni oblik kada se sila ukloni, već umjesto toga zadržava određeni stupanj deformacije.

Plastična deformacija nastaje kada je materijal izložen sili koja premašuje njegovu granicu tečenja. Granica razvlačenja je točka u kojoj se materijal počinje trajno deformirati, a obično se definira kao naprezanje pri kojem materijal doživljava trajnu deformaciju od 0,2% svoje izvorne duljine. Nakon što se prekorači granica razvlačenja, materijal će se nastaviti deformirati pri konstantnoj brzini naprezanja, što je ponašanje poznato kao “necking” ili “strain hardening”, sve dok se ne postigne krajnja čvrstoća, gdje će materijal puknuti.

Sposobnost materijala da se podvrgne plastičnoj deformaciji usko je povezana s njegovom duktilnošću. Duktilnost je mjera koliko se materijal može rastegnuti prije nego što pukne, a obično se izražava kao postotak izvorne duljine. Materijal koji je visoko duktilan može se značajno rastegnuti bez loma, dok će se materijal koji nije duktilan slomiti prije nego što se može jako rastegnuti. Metali, poput bakra i aluminija, vrlo su duktilni, dok keramika i stakla uopće nisu duktilni.

Drugi parametar za mjerenje plastičnosti je žilavost, koja mjeri otpornost materijala na lom kada je pod stresom. Žilavost je povezana i s granicom tečenja i sa duktilnošću materijala. Materijali koji imaju visoku granicu tečenja i visoku duktilnost smatraju se žilavima.

Plastično ponašanje može se vidjeti u različitim vrstama opterećenja, napetosti, kompresije, torzije i smicanja. Ta se ponašanja mogu modelirati i matematički predvidjeti pomoću teorije plastičnosti, koja je grana mehanike kontinuuma koja se bavi ponašanjem materijala koji pokazuju i elastično i plastično ponašanje.

14. Otpornost materijala

Otpornost je mehaničko svojstvo materijala koje se odnosi na sposobnost materijala da apsorbira energiju kada se deformira i zatim oslobodi tu energiju kada se deformacija ukloni. Točnije, elastičnost je energija koju materijal može apsorbirati po jedinici volumena prije nego što dosegne granicu elastičnosti i počne se podvrgavati plastičnoj deformaciji. To je mjera koliko energije materijal može apsorbirati prije nego što se počne lomiti ili trajno deformirati.

Otpornost materijala može se izmjeriti izvođenjem testa naprezanje-deformacija. U ovom ispitivanju, uzorak materijala se opterećuje do njegove granice elastičnosti i mjeri se energija koju materijal apsorbira. Količina energije koju apsorbira materijal po jedinici volumena naziva se modul elastičnosti. Obično se mjeri u jedinicama energije po jedinici volumena, kao što su džuli po kubnom metru (J/m3).

Modul elastičnosti može se koristiti za predviđanje ponašanja materijala kada je podvrgnut dinamičkom opterećenju, kao što je udar ili vibracija. Materijal s visokim modulom elastičnosti moći će apsorbirati više energije prije nego što postane trajno deformiran ili oštećen, te će se moći brže vratiti u svoj izvorni oblik nakon uklanjanja deformacije.

Otpornost je usko povezana sa žilavošću i čvrstoćom materijala, ali nije isto što i ta svojstva. Žilavost je otpornost materijala na lom, uključujući i elastičnu i plastičnu deformaciju. Dok se čvrstoća odnosi na sposobnost materijala da izdrži primijenjenu silu bez trajnog loma ili deformacije. Otpornost se posebno odnosi na sposobnost materijala da apsorbira i otpušta energiju.

Također, važno je napomenuti da na elastičnost materijala utječe temperatura, pri čemu se sposobnost apsorpcije energije obično smanjuje kako temperatura raste.

15. Krutost materijala

Krutost je mjera otpornosti materijala na deformaciju pod primijenjenim opterećenjem. To je mehaničko svojstvo koje opisuje koliko dobro materijal može zadržati svoj oblik pod vanjskim opterećenjem, a usko je povezano s modulom elastičnosti materijala (ili modulom elastičnosti). Što je materijal krući, to je otporniji na deformacije i savijanje.

Općenito, materijali koji su tvrđi su jači, ali to nije uvijek slučaj. Materijal može biti krut i krt, što znači da može izdržati velika opterećenja, ali će se lako slomiti pod udarnim opterećenjima ili drugim vrstama opterećenja. Također, materijal koji je tvrđi također je manje fleksibilan, što može biti nedostatak u nekim primjenama gdje je fleksibilnost poželjna.

U praktičnom smislu, krutost može imati važnu ulogu u inženjerskom dizajnu. Na primjer, u strukturi ili strojnom dijelu, korištenje čvršćeg materijala može rezultirati manjim deformacijama i time poboljšati performanse, ali s druge strane, također može povećati težinu i cijenu strukture.

16. Krtost materijala

Krtost je mehaničko svojstvo koje opisuje sklonost materijala lomu ili lomu pod primijenjenim opterećenjem, bez značajne plastične deformacije.

Krhki materijal je onaj koji je sklon pucanju, lomljenju ili lomljenju pod pritiskom, umjesto savijanju, uvijanju ili istezanju. Obično ga karakterizira niska duktilnost i niska žilavost, što znači da krti materijal ne može izdržati veće deformacije prije nego što se slomi.

Krtost materijala općenito je povezana s načinom na koji se njegova mikrostruktura ponaša pod opterećenjem. Općenito, krti materijali sastoje se od strukture kojoj nedostaje sposobnost plastične deformacije, poput materijala koji imaju uređene strukture dugog dometa ili materijala s malom gustoćom defekata ili dislokacija koje mogu pomoći materijalu da apsorbira energiju prije loma.

Primjeri krhkih materijala su keramika i staklo, oni su jaki pod tlačnim opterećenjima, ali su slabi pod vlačnim opterećenjima i teže se slomiti ili razbiti, a ne saviti se ili deformirati.

U inženjerskoj praksi krtost može biti značajan problem u situacijama kada je materijal izložen udarnim opterećenjima, dinamičkim opterećenjima ili toplinskim opterećenjima, budući da je vjerojatnije da će materijal puknuti ili se slomiti pod tim uvjetima. Krhkost materijala također je važan čimbenik u određivanju njegove prikladnosti za određene primjene, a često se radi o kompromisu između čvrstoće i rastezljivosti.

17. Zavarljivost materijala

Zavarljivost je mjera koliko se lako neki materijal može zavariti i koliko će dobro funkcionirati zavareni spoj. Mjera je prikladnosti materijala za zavarivanje, a ovisi o nekoliko čimbenika, uključujući kemijski sastav, mikrostrukturu i mehanička svojstva materijala.

Neki su materijali vrlo zavarljivi i mogu se lako spojiti različitim tehnikama zavarivanja, dok drugi uopće nisu zavarljivi ili ih je vrlo teško zavariti. Na primjer, metali poput čelika i aluminija vrlo su zavarljivi, dok keramika i staklo uopće nisu zavarljivi.

Kemijski sastav materijala utječe na njegovu zavarljivost, jer određeni elementi mogu uzrokovati probleme tijekom zavarivanja. Na primjer, sumpor, fosfor i olovo mogu učiniti materijal lomljivijim i uzrokovati pucanje tijekom zavarivanja. Slično tome, visoke razine kisika i dušika također mogu uzrokovati pucanje tijekom zavarivanja. Prisutnost određenih nečistoća također može utjecati na svojstva zavarenog spoja i učiniti ga sklonijim kvaru.

Mikrostruktura materijala također igra važnu ulogu u njegovoj zavarljivosti. Materijali s fino zrnatom mikrostrukturom, na primjer, često se lakše zavaruju od materijala s krupnozrnatom mikrostrukturom.

Mehanička svojstva materijala također utječu na njegovu zavarljivost. Materijale koji su krti ili imaju nisku duktilnost često je teže zavarivati ​​od materijala koji su fleksibilniji ili duktilniji. Na primjer, zavarivanje čelika visoke čvrstoće može biti veći izazov od zavarivanja čelika niske čvrstoće zbog njegovog ponašanja pri stvrdnjavanju.

Open this in UX Builder to add and edit content