MEHANSKE LASTNOSTI 1

Transcript

1 MEHANSKE LASTNOSTI 1

2 MEHANSKE LASTNOSTI Mehanske lastnosti so tiste lastnosti snovi, ki določajo, kako se snov odzove na mehansko obremenitev. 4 najpogostejši poskusi za določanje mehanskih lastnosti snovi so: natezni poskus (najbolj osnoven), tlačni poskus, strižni poskus, upogibni poskus. Naprava za izvajanje takih poskusov se imenuje trgalna naprava. trgalna naprava Epruvete preskušanci s posebno obliko 2

3 NATEZNI POSKUS Shematski prikaz preizkušanca: Tipičen potek grafa / za polikristaliničen preizkušanec: = natezna napetost = relativni raztezek 2 0 3

4 NATEZNI POSKUS Natezno napetost definiramo kot silo F, s katero vlečemo preizkušanec, na enoto začetnega preseka preizkušanca A o : Relativni raztezek definiramo kot: F A l l kjer je l začetna dolžina, l pa sprememba dolžine preizkušanca, faktor 100 uporabimo zato, da relativni raztezek navajamo neposredno v odstotkih začetne dolžine. Za elastično deformacijo (do točke A) je značilno: a) da je relativni raztezek sorazmeren natezni napetosti, b) da preizkušanec zavzame začetno dolžino, če odstranimo natezno napetost, c) da je deformacija trenutna. Za plastično deformacijo (od točke A do N) je značilno: a) da po odstranitvi natezne napetosti preizkušanec ne zavzame začetne dolžine, temveč ostane trajno deformiran (raztegnjen). Maksimalna natezna trdnost je maksimalna natezna napetost (v točki N) označimo jo z max. Zlomna trdnost je natezna napetost, ko se preizkušanec zlomi (v točki Z) označimo jo z z. 4

5 NATEZNI POSKUS KVALITATIVNA RAZLAGA NEKATERIH TOČK NA DIAGRAMU - A = MEJA ELASTIČNOSTI Točka 0: ravnotežje F 1 Točka A: F 1 Elastična deformacija: pod vplivom sile se atomi nekoliko premaknejo z ravnotežnih mest; če sila popusti, se atomi vrnejo v ravnotežni položaj Kadar dominira elastična deformacija, imamo opravka s krhkim materialom, pri prevladujoči plastični deformaciji je material raztezen ali žilav. Porušenje materiala je odvisno od zgradbe in od zunanjih obremenitev. PCK kovine so raztezne, steklo in keramika krhka, TCK kovine in polimeri lahko prehajajo iz ene vrste obnašanja v drugo. F 1 Točka P 1 : Točka P 2 : novo ravnotežje F 1 Plastična deformacija: pod vplivom sile atomske plasti povsem spremenijo medsebojni položaj; Plastična deformacija: ko sila po plastični deformaciji popusti, atomi zdrknejo v v najbližji minimum; atomi zavzamejo nove ravnotežne položaje. 5

6 ELASTIČNE LASTNOSTI Elastična deformacija je tista, ki po razbremenitvi izgine. Imenujemo jo tudi prožna deformacija. Elastičnost materiala zavisi od narave medatomskih vezi Atomistična razlaga elastične deformacije: U 2. Če odstranimo natezno silo, preizkušanec spet zavzame začetno dolžino l. 3. Elastična deformacija je trenutna - raztezek v trenutku sledi sili. r (medatomska razdalja) Silo izračunamo z odvajanjem: F = du dr F Youngov modul je definiran kot naklon (strmina) krivulje F(r) pri ravnovesni legi r 0 : 0 linearno območje (približek): razdalja in sila sta premosorazmerni a 0 (ravnotežna medatomska razdalja) r (medatomska razdalja) 6

7 ELASTIČNE LASTNOSTI Močna medatomska vez daje velik Youngov modul (in visoko T tališča) - takšne materiale je težko elastično deformirati (to so materiali s kovalentnimi vezmi; diamant, SiC, Si 3 N 4, ) Material Tališče/ 0 C Elastični modul/gpa Kalij Za tehniško mejo elastičnosti je dogovorjena vrednost ε=0,01 % trajnega raztezka. Svinec aluminij Baker Železo Volfram Beton - 14 SiO 2 (kvarc) Guma

8 PLASTIČNE LASTNOSTI Plastična deformacija je ireverzibilna. To pomeni, da po končanem delovanju mehanske sile preizkušanec ostane trajno deformiran. Plastično deformacijo lahko razložimo s premikanjem dislokacij v materialu pod mehansko obremenitvijo. Dislokacija je ena najpogostejših napak v materialih. Shematski prikaz zdrsa po mehanizmu gibanja dislokacij A) B) drsna ravnina C) D)

9 PLASTIČNE LASTNOSTI Po razbremenitvi se vzorec ne vrne v prvotno stanje (atomi zavzamejo nove ravnotežne položaje) in je trajno deformiran. Nad točko N (maksimalna natezna napetost) se presek vzorca (A) hitro manjša. Potrebna je manjša sila za nadaljnje raztezanje. Pod vplivom sile atomske plasti spremenijo medsebojni položaj. Ko sila po plastični deformaciji popusti, atomi zdrsnejo v najbližji minimum in zavzamejo nove ravnotežne položaje. Teoretičen izračun, kdaj pride do zdrsa (točka A - meja elastičnosti): za jeklo: max = 7GPa za baker: max = 4GPa 9

10 = natezna napetost NATEZNI POSKUS = relativni raztezek 10

11 MEHANSKE LASTNOSTI Lastnosti materialov so tesno povezane z notranjo zgradbo in so pri različnih vrstah materialov različne. Mehanske lastnosti so dveh vrst: 1. Odpornost proti zunanjim silam (trdnost, sem prištevamo tudi trdoto) 2. Sposobnost oblikovanja (izražamo z razteznostjo) Obe vrsti mehanskih lastnosti sta povezani v žilavosti. Žílavost je največkrat povezana z odpornostjo materiala proti udarcem - udarna žilavost ali pa z odpornostjo materiala proti napredovanju razpok - lomna žilavost. Udarno žilavost navadno merimo s poskusom po Charpyju ali Izodu. Mera za udarno žilavost je količina energije, ki je potrebna, da z udarcem material prelomimo. 11

12 TIPIČNE MEHANSKE LASTNOSTI Nekatere tipične mehanske lastnosti: 1. Žilavost materiala je sposobnost absorpcije energije do zloma.. sorazmerna s površino pod krivuljo natezna napetost - relativni raztezek do zloma materiala. Torej: čim večja je omenjena površina, bolj žilav je material. Materialu z majhno žilavostjo pravimo krhek material. 2. Elastičnost je neposredno povezana z elastičnim modulom: čim manjši je elastični modul, tem bolj je material elastičen. 3. Razteznost ali duktilnost materiala je sorazmerna z vrednostjo relativnega raztezka pri zlomu materiala. Izražamo jo na dva načina: (a) z raztezkom ali (b) s kontrakcijo 4. Trdnost materiala ima več pomenov: a.) maksimalna trdnost je vrednost natezne napetosti v področju plastičnosti materiala, b) zlomna trdnost je vrednost natezne napetosti pri zlomu materiala. 5. Trdota je odpornost materiala proti razenju. Odvisna je predvsem od kemijske vezi, ker pri preizkusu trdote material razimo na zelo majhni površini, ki je primerljiva z velikostjo pozameznega zrna polikristalinične snovi. 12

13 = natezna napetost TIPIČNE MEHANSKE LASTNOSTI Žilavost, krhkost in duktilnost materiala Nizka žilavost: keramika Krhek Visoka žilavost: kovine material Duktilen material = relativni raztezek 13

14 NATEZNI POSKUS - primeri titanove zlitine guma HDPE polietilen najlon

15 TIPIČNE MEHANSKE LASTNOSTI Primeri krivulj natezna napetost - relativni raztezek za materiale z različnimi mehanskimi lastnostmi: Žilavost Žilavost je sposobnost materiala za absorbcijo energije pred zlomom. Žilav material ima veliko površino pod nateznostno krivuljo (absorbira veliko energije pred zlomom). Krhkost Krhek material se zlomi pred ali takoj po meji elastičnosti. 15

16 TIPIČNE MEHANSKE LASTNOSTI Primeri krivulj natezna napetost - relativni raztezek za materiale z različnimi mehanskimi lastnostmi: Elastičnost Elastičnost je povezana z modulom elastičnosti. Čim manjši je modul elastičnosti tem bolj je material elastičen. Kovnost (duktilnost) Kovnost je sorazmerna vrednosti relativnega raztezka pred zlomom. Bolj ko se material raztegne preden se zlomi, večja je njegova kovnost. 16

17 TRDOTA TRDOTA Odpornost materiala proti vdiranju drugega trdega telesa Trše telo vtiskamo z določeno silo v časovnem intervalu v material in povzročimo plastično deformacijo. Po vtiskovanju izmerimo dimenzije vtiska in iz tabele odčitamo trdoto. Trdota je število, ki nima enote. Glede na obliko telesa, ki ga vtiskamo ločimo trdoto po : BRINELLU (HB) ( merimo premer odtisa ) VICKERSU (HV), KNOOP (HK) ( diamantna 4 strana piramida ) ROCKWELLU (HR) ( diamantni stožec ali kroglica ) SHORE (HS) (vtiskovanje valjčka/igle) 136 d P HV 1,72 d D d HK 14, 2 2 P 2 l HB D 2 P D D 2 d 2 t HR P t P v vseh primerih predstavlja silo. 17

18 natezna trdnost natezna trdnost TRDOTA Pri večini kovin (na primer: lito železo, jeklo, medenina) je natezna trdnost približno proporcionalna trdoti = K. (HB). Trdota in trdnost sta indikatorja odpornosti kovine na plastično deformacijo. trdota po Rockwellu Primerjava trdot jeklo trdota po Knoopu medenina lito železo trdota po Brinellu trdota po Brinellu Tipični materiali trdota po Mohsu 18

19 TRDOTA Mohsova trdotna lestvica lojevec sadra kalcit fluorit apatit ortoklaz kremen topaz korund diamant 19

20 TRDOTA Trdota po Shoru ena od metod za merjenje trdote trdnih snovi. Uporablja se predvsem za materiale, ki se le elastično deformirajo (elastomeri, polimerni materiali). Pri postopku se meri višina, do katere se odbije spuščena igla. Oznaka je HS. Shore A in Shore D - vtiskalno telo je valjček, katerega vrh je zabrušen v prisekan stožec (igla). Ta je ostrejši pri metodi Shore D. Pritisna utež Ohišje Vzorec Pritrditev 20