De trekproef wordt hoofdzakelijk gebruikt om te bepalen in hoeverre metalen materialen bestand zijn tegen beschadigingen tijdens het rekproces. Het is een van de belangrijke indicatoren voor het evalueren van de mechanische eigenschappen van materialen.
1. Trekproef
De trekproef is gebaseerd op de basisprincipes van de materiaalmechanica. Door onder bepaalde omstandigheden een trekkracht op het materiaalmonster uit te oefenen, ontstaat er trekvervorming totdat het monster breekt. Tijdens de proef worden de vervorming van het proefmonster onder verschillende belastingen en de maximale belasting bij breuk geregistreerd. Dit is nodig om de vloeigrens, treksterkte en andere prestatie-indicatoren van het materiaal te berekenen.
Spanning σ = F/A
σ is de treksterkte (MPa)
F is de trekkracht (N)
A is de dwarsdoorsnede van het monster
2. Trekcurve
Analyse van verschillende fasen van het rekproces:
a. In de OP-fase met een kleine belasting is de verlenging lineair ten opzichte van de belasting, en is Fp de maximale belasting om de rechte lijn te behouden.
b. Nadat de belasting Fp overschrijdt, begint de trekcurve een niet-lineair verloop te vertonen. Het monster komt in de initiële vervormingsfase terecht, de belasting wordt verwijderd en het monster kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke toestand en elastisch vervormen.
c. Nadat de belasting de Fe-waarde overschrijdt, wordt de belasting verwijderd, wordt een deel van de vervorming hersteld en blijft een deel van de resterende vervorming behouden, wat plastische vervorming wordt genoemd. Fe wordt de elasticiteitsgrens genoemd.
d. Wanneer de belasting verder toeneemt, vertoont de trekcurve een zaagtandvorm. Wanneer de belasting niet toeneemt of afneemt, wordt het fenomeen van continue verlenging van het proefmonster vloeien genoemd. Na het vloeien begint het monster een duidelijke plastische vervorming te ondergaan.
e. Na het vloeien vertoont het monster een toename in vervormingsweerstand, vervormingsversteviging en vervormingsversterking. Wanneer de belasting Fb bereikt, krimpt hetzelfde deel van het monster sterk. Fb is de sterktegrens.
f. Het krimpverschijnsel leidt tot een afname van het draagvermogen van het monster. Wanneer de belasting Fk bereikt, breekt het monster. Dit wordt de breukbelasting genoemd.
Opbrengststerkte
De vloeigrens is de maximale spanningswaarde die een metaal kan weerstaan vanaf het begin van plastische vervorming tot volledige breuk onder invloed van externe krachten. Deze waarde markeert het kritieke punt waarop het materiaal overgaat van de elastische vervormingsfase naar de plastische vervormingsfase.
Classificatie
Bovenste vloeigrens: verwijst naar de maximale spanning van het monster voordat de kracht voor het eerst afneemt wanneer vloeigrens optreedt.
Lagere vloeigrens: verwijst naar de minimale spanning in de vloeigrens wanneer het initiële transiënteffect wordt genegeerd. Omdat de waarde van de lagere vloeigrens relatief stabiel is, wordt deze meestal gebruikt als indicator voor de materiaalweerstand, ook wel vloeigrens of vloeigrens genoemd.
Berekeningsformule
Voor de bovenste vloeigrens geldt: R = F / Sₒ, waarbij F de maximale kracht is voordat de kracht voor het eerst daalt in de vloeigrens, en Sₒ de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het monster is.
Voor een lagere vloeigrens: R = F / Sₒ, waarbij F de minimale kracht F is waarbij het initiële transiënteffect buiten beschouwing wordt gelaten, en Sₒ de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het monster is.
Eenheid
De eenheid van vloeigrens is meestal MPa (megapascal) of N/mm² (Newton per vierkante millimeter).
Voorbeeld
Neem bijvoorbeeld koolstofarm staal; de vloeigrens is meestal 207 MPa. Bij blootstelling aan een externe kracht die groter is dan deze grens, zal koolstofarm staal permanente vervorming veroorzaken en kan het niet meer worden hersteld. Bij blootstelling aan een externe kracht die kleiner is dan deze grens, kan koolstofarm staal terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat.
De vloeigrens is een van de belangrijkste indicatoren voor het evalueren van de mechanische eigenschappen van metalen materialen. Het geeft de mate weer waarin materialen bestand zijn tegen plastische vervorming bij blootstelling aan externe krachten.
Treksterkte
Treksterkte is het vermogen van een materiaal om schade onder trekbelasting te weerstaan, wat specifiek wordt uitgedrukt als de maximale spanningswaarde die het materiaal kan weerstaan tijdens het trekproces. Wanneer de trekspanning op het materiaal de treksterkte overschrijdt, zal het materiaal plastisch vervormen of scheuren.
Berekeningsformule
De berekeningsformule voor treksterkte (σt) is:
σt = F / A
Waarbij F de maximale trekkracht (Newton, N) is die het monster kan weerstaan voordat het breekt, en A de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het monster (vierkante millimeter, mm²).
Eenheid
De eenheid van treksterkte is meestal MPa (megapascal) of N/mm² (Newton per vierkante millimeter). 1 MPa is gelijk aan 1.000.000 Newton per vierkante meter, wat ook gelijk is aan 1 N/mm².
Beïnvloedende factoren
De treksterkte wordt beïnvloed door veel factoren, waaronder de chemische samenstelling, microstructuur, warmtebehandelingsproces, verwerkingsmethode, enz. Verschillende materialen hebben verschillende treksterktes, daarom is het in praktische toepassingen noodzakelijk om geschikte materialen te selecteren op basis van de mechanische eigenschappen van de materialen.
Praktische toepassing
Treksterkte is een zeer belangrijke parameter in de materiaalkunde en -technologie en wordt vaak gebruikt om de mechanische eigenschappen van materialen te evalueren. Bij structureel ontwerp, materiaalkeuze, veiligheidsbeoordeling, enz. is treksterkte een factor waarmee rekening moet worden gehouden. In de bouwkunde is de treksterkte van staal bijvoorbeeld een belangrijke factor bij het bepalen of het bestand is tegen belastingen; in de lucht- en ruimtevaart is de treksterkte van lichte en zeer sterke materialen essentieel voor de veiligheid van vliegtuigen.
Vermoeiingssterkte:
Onder metaalmoeheid verstaan we het proces waarbij materialen en componenten geleidelijk aan op één of meerdere plaatsen permanente, cumulatieve schade veroorzaken onder cyclische spanning of rek, en waarbij na een bepaald aantal cycli scheuren of plotselinge, volledige breuken ontstaan.
Functies
Plotseling in de tijd: Metaalmoeheidsfalen treedt vaak plotseling op in een korte tijd, zonder duidelijke tekenen.
Lokaliteit in positie: Vermoeiingsbreuk treedt meestal op in lokale gebieden waar de spanning zich concentreert.
Gevoeligheid voor de omgeving en defecten: Metaalmoeheid is erg gevoelig voor de omgeving en kleine defecten in het materiaal, die het vermoeiingsproces kunnen versnellen.
Beïnvloedende factoren
Spanningsamplitude: De grootte van de spanning heeft rechtstreeks invloed op de vermoeiingslevensduur van het metaal.
Gemiddelde spanningsgrootte: hoe hoger de gemiddelde spanning, hoe korter de vermoeiingslevensduur van het metaal.
Aantal cycli: Hoe vaker het metaal aan cyclische spanning of rek wordt blootgesteld, hoe ernstiger de vermoeiingsschade zal zijn.
Preventieve maatregelen
Optimaliseer de materiaalkeuze: selecteer materialen met hogere vermoeiingsgrenzen.
Verminderen van de spanningsconcentratie: verminder de spanningsconcentratie door middel van constructief ontwerp of verwerkingsmethoden, zoals het toepassen van afgeronde hoekovergangen, het vergroten van de dwarsdoorsnede, etc.
Oppervlaktebehandeling: Polijsten, spuiten, enz. op het metaaloppervlak om oppervlaktedefecten te verminderen en de vermoeiingssterkte te verbeteren.
Inspectie en onderhoud: controleer metalen onderdelen regelmatig om defecten zoals scheuren snel te ontdekken en te repareren; onderhoud onderdelen die gevoelig zijn voor vermoeidheid, bijvoorbeeld door versleten onderdelen te vervangen en zwakke schakels te versterken.
Metaalmoeheid is een veelvoorkomende metaalbreuk, die wordt gekenmerkt door plotselinge, lokale breuk en gevoeligheid voor de omgeving. De spanningsamplitude, gemiddelde spanningsomvang en het aantal cycli zijn de belangrijkste factoren die metaalmoeheid beïnvloeden.
SN-curve: beschrijft de vermoeiingslevensduur van materialen onder verschillende spanningsniveaus, waarbij S de spanning vertegenwoordigt en N het aantal spanningscycli.
Formule voor vermoeiingssterktecoëfficiënt:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Waarbij (Ka) de belastingfactor is, (Kb) de groottefactor, (Kc) de temperatuurfactor, (Kd) de oppervlaktekwaliteitsfactor en (Ke) de betrouwbaarheidsfactor.
Wiskundige uitdrukking voor SN-curve:
(\sigma^m N = C)
Waarbij (\sigma) de spanning is, N het aantal spanningscycli en m en C materiaalconstanten zijn.
Berekeningsstappen
Bepaal de materiaalconstanten:
Bepaal de waarden van m en C door experimenten of door verwijzing naar relevante literatuur.
Bepaal de spanningsconcentratiefactor: Houd rekening met de werkelijke vorm en grootte van het onderdeel, evenals de spanningsconcentratie veroorzaakt door fillets, spiebanen, enz. om de spanningsconcentratiefactor K te bepalen. Bereken de vermoeiingssterkte: Bereken de vermoeiingssterkte op basis van de sn-curve en de spanningsconcentratiefactor, in combinatie met de ontwerplevensduur en het werkspanningsniveau van het onderdeel.
2. Plasticiteit:
Plasticiteit verwijst naar de eigenschap van een materiaal dat, wanneer het wordt blootgesteld aan een externe kracht, permanente vervorming veroorzaakt zonder te breken wanneer de externe kracht de elasticiteitsgrens overschrijdt. Deze vervorming is onomkeerbaar en het materiaal zal niet terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm, zelfs niet als de externe kracht wordt weggenomen.
Plasticiteitsindex en de berekeningsformule
Verlenging (δ)
Definitie: Rek is het percentage van de totale vervorming van het meetgedeelte nadat het monster door trekbreuk is teruggebracht tot de oorspronkelijke meetlengte.
Formule: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Waarbij L0 de oorspronkelijke meetlengte van het monster is;
L1 is de meetlengte nadat het monster is gebroken.
Segmentale reductie (Ψ)
Definitie: De segmentale reductie is het percentage van de maximale reductie in de dwarsdoorsnede op het insnoeringspunt nadat het monster is gebroken tot de oorspronkelijke dwarsdoorsnede.
Formule: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Waarbij F0 de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het specimen is;
F1 is de dwarsdoorsnede op het insnoeringspunt nadat het monster is gebroken.
3. Hardheid
Metaalhardheid is een mechanische eigenschapsindex die de hardheid van metalen materialen meet. Het geeft de mate aan waarin het bestand is tegen vervorming in het lokale volume van het metaaloppervlak.
Classificatie en weergave van metaalhardheid
Metaalhardheid kent verschillende classificatie- en weergavemethoden, afhankelijk van de verschillende testmethoden. Hieronder vallen voornamelijk de volgende:
Brinell-hardheid (HB):
Toepassingsgebied: Wordt over het algemeen gebruikt bij zachter materiaal, zoals non-ferrometalen, staal vóór warmtebehandeling of na gloeien.
Testprincipe: Met een bepaalde grootte van de testlast wordt een geharde stalen of hardmetalen kogel met een bepaalde diameter in het te testen oppervlak van het metaal gedrukt. Na een bepaalde tijd wordt de last ontlast en wordt de diameter van de inkeping in het te testen oppervlak gemeten.
Rekenformule: De Brinell-hardheidswaarde is het quotiënt dat wordt verkregen door de belasting te delen door het bolvormige oppervlak van de inkeping.
Rockwell-hardheid (HR):
Toepassingsgebied: Wordt over het algemeen gebruikt voor materialen met een hogere hardheid, zoals de hardheid na warmtebehandeling.
Testprincipe: Vergelijkbaar met de Brinell-hardheid, maar met andere sondes (diamant) en andere berekeningsmethoden.
Types: Afhankelijk van de toepassing zijn er HRC (voor materialen met een hoge hardheid), HRA, HRB en andere types.
Vickers-hardheid (HV):
Toepassingsgebied: Geschikt voor microscopische analyse.
Testprincipe: Druk op het oppervlak van het materiaal met een belasting van minder dan 120 kg en een vierkante diamantkegel-indrukking met een tophoek van 136°. Deel het oppervlak van de indrukking in het materiaal door de belastingswaarde om de Vickers-hardheidswaarde te verkrijgen.
Leeb-hardheid (HL):
Kenmerken: Draagbare hardheidsmeter, eenvoudig te meten.
Testprincipe: Gebruik de stuiter die de impactbalkop genereert na impact op het hardheidsoppervlak en bereken de hardheid aan de hand van de verhouding tussen de terugstuitsnelheid van de pons op 1 mm van het monsteroppervlak en de impactsnelheid.
Plaatsingstijd: 25-09-2024
