Zusammenfassung der mechanischen Eigenschaften von Metallwerkstoffen

Der Zugfestigkeitstest wird hauptsächlich zur Bestimmung der Fähigkeit von Metallmaterialien verwendet, Schäden während des Dehnungsprozesses zu widerstehen, und ist einer der wichtigen Indikatoren zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Materialien.

1. Zugversuch

Der Zugversuch basiert auf den Grundprinzipien der Werkstoffmechanik. Indem unter bestimmten Bedingungen eine Zugbelastung auf die Materialprobe ausgeübt wird, kommt es zu einer Zugverformung bis zum Bruch der Probe. Während des Tests werden die Verformung der Versuchsprobe unter verschiedenen Belastungen und die maximale Belastung beim Bruch der Probe aufgezeichnet, um die Streckgrenze, Zugfestigkeit und andere Leistungsindikatoren des Materials zu berechnen.

Spannung σ = F/A

σ ist die Zugfestigkeit (MPa)

F ist die Zuglast (N)

A ist die Querschnittsfläche der Probe

2. Zugkurve

Analyse mehrerer Stadien des Streckprozesses:

A. In der OP-Stufe mit geringer Last steht die Dehnung in einem linearen Verhältnis zur Last, und Fp ist die maximale Last, um die gerade Linie aufrechtzuerhalten.

B. Nachdem die Last Fp überschreitet, beginnt die Zugkurve eine nichtlineare Beziehung einzunehmen. Die Probe tritt in die anfängliche Verformungsphase ein, die Belastung wird entfernt und die Probe kann in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren und sich elastisch verformen.

C. Nachdem die Last Fe überschreitet, wird die Last entfernt, ein Teil der Verformung wird wiederhergestellt und ein Teil der Restverformung bleibt erhalten, was als plastische Verformung bezeichnet wird. Fe wird als Elastizitätsgrenze bezeichnet.

D. Bei weiter steigender Belastung verläuft die Zugkurve sägezahnförmig. Wenn die Belastung nicht zunimmt oder abnimmt, wird das Phänomen der kontinuierlichen Dehnung der Versuchsprobe als Nachgeben bezeichnet. Nach dem Nachgeben beginnt die Probe eine deutliche plastische Verformung zu erfahren.

e. Nach dem Fließen zeigt die Probe einen Anstieg des Verformungswiderstands, der Kaltverfestigung und der Verformungsverstärkung. Wenn die Last Fb erreicht, schrumpft derselbe Teil der Probe stark. Fb ist die Festigkeitsgrenze.

F. Das Schrumpfungsphänomen führt zu einer Verringerung der Tragfähigkeit der Probe. Wenn die Last Fk erreicht, bricht die Probe. Dies wird als Bruchlast bezeichnet.

Streckgrenze

Die Streckgrenze ist der maximale Spannungswert, dem ein Metallmaterial vom Beginn der plastischen Verformung bis zum vollständigen Bruch standhalten kann, wenn es einer äußeren Kraft ausgesetzt wird. Dieser Wert markiert den kritischen Punkt, an dem das Material vom Stadium der elastischen Verformung in das Stadium der plastischen Verformung übergeht.

Einstufung

Obere Streckgrenze: bezeichnet die maximale Spannung der Probe, bevor die Kraft zum ersten Mal abfällt, wenn es zum Fließen kommt.

Untere Streckgrenze: bezieht sich auf die minimale Spannung in der Streckgrenze, wenn der anfängliche Übergangseffekt ignoriert wird. Da der Wert der unteren Streckgrenze relativ stabil ist, wird er üblicherweise als Indikator für die Materialbeständigkeit verwendet und als Streckgrenze oder Streckgrenze bezeichnet.

Berechnungsformel

Für die obere Streckgrenze: R = F / Sₒ, wobei F die maximale Kraft ist, bevor die Kraft zum ersten Mal in der Streckgrenze abfällt, und Sₒ die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe ist.

Für eine geringere Streckgrenze: R = F / Sₒ, wobei F die minimale Kraft F ohne Berücksichtigung des anfänglichen Übergangseffekts und Sₒ die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe ist.

Einheit

Die Einheit der Streckgrenze ist üblicherweise MPa (Megapascal) oder N/mm² (Newton pro Quadratmillimeter).

Beispiel

Nehmen wir als Beispiel kohlenstoffarmen Stahl, dessen Streckgrenze normalerweise 207 MPa beträgt. Wenn kohlenstoffarmer Stahl einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, die diesen Grenzwert überschreitet, führt er zu einer bleibenden Verformung und kann nicht wiederhergestellt werden; Wenn kohlenstoffarmer Stahl einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, die unter dieser Grenze liegt, kann er in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren.

Die Streckgrenze ist einer der wichtigen Indikatoren zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Metallwerkstoffen. Es spiegelt die Fähigkeit von Materialien wider, einer plastischen Verformung zu widerstehen, wenn sie äußeren Kräften ausgesetzt wird.

Zugfestigkeit

Zugfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einer Beschädigung unter Zugbelastung zu widerstehen. Sie wird insbesondere als der maximale Spannungswert ausgedrückt, dem das Material während des Zugvorgangs standhalten kann. Wenn die Zugspannung auf das Material seine Zugfestigkeit übersteigt, kommt es zu einer plastischen Verformung oder einem Bruch des Materials.

Berechnungsformel

Die Berechnungsformel für die Zugfestigkeit (σt) lautet:

σt = F / A

Dabei ist F die maximale Zugkraft (Newton, N), der die Probe standhalten kann, bevor sie bricht, und A die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe (Quadratmillimeter, mm²).

Einheit

Die Einheit der Zugfestigkeit ist üblicherweise MPa (Megapascal) oder N/mm² (Newton pro Quadratmillimeter). 1 MPa entspricht 1.000.000 Newton pro Quadratmeter, was auch 1 N/mm² entspricht.

Einflussfaktoren

Die Zugfestigkeit wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter der chemischen Zusammensetzung, der Mikrostruktur, dem Wärmebehandlungsprozess, der Verarbeitungsmethode usw. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Zugfestigkeiten, daher ist es in praktischen Anwendungen notwendig, geeignete Materialien basierend auf den mechanischen Eigenschaften auszuwählen Materialien.

Praktische Anwendung

Die Zugfestigkeit ist ein sehr wichtiger Parameter im Bereich der Materialwissenschaften und -technik und wird häufig zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Materialien verwendet. Bei der konstruktiven Gestaltung, der Materialauswahl, der Sicherheitsbewertung usw. ist die Zugfestigkeit ein Faktor, der berücksichtigt werden muss. Beispielsweise ist im Bauwesen die Zugfestigkeit von Stahl ein wichtiger Faktor dafür, ob er Belastungen standhält; Im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist die Zugfestigkeit leichter und hochfester Materialien der Schlüssel zur Gewährleistung der Sicherheit von Flugzeugen.

Dauerfestigkeit:

Unter Metallermüdung versteht man den Prozess, bei dem Materialien und Komponenten unter zyklischer Beanspruchung oder zyklischer Belastung an einer oder mehreren Stellen nach und nach lokal bleibende kumulative Schäden erzeugen und nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen Risse oder plötzliche vollständige Brüche auftreten.

Merkmale

Zeitplötzlichkeit: Metallermüdungsversagen tritt oft plötzlich in kurzer Zeit ohne offensichtliche Anzeichen auf.

Lokalität in der Position: Ermüdungsversagen tritt normalerweise in lokalen Bereichen auf, in denen sich die Belastung konzentriert.

Empfindlichkeit gegenüber Umgebung und Defekten: Metallermüdung reagiert sehr empfindlich auf die Umgebung und winzige Defekte im Material, die den Ermüdungsprozess beschleunigen können.

Einflussfaktoren

Spannungsamplitude: Die Größe der Spannung wirkt sich direkt auf die Ermüdungslebensdauer des Metalls aus.

Durchschnittliche Spannungsgröße: Je größer die durchschnittliche Spannung, desto kürzer ist die Ermüdungslebensdauer des Metalls.

Anzahl der Zyklen: Je öfter das Metall zyklischer Belastung oder Belastung ausgesetzt ist, desto schwerwiegender ist die Anhäufung von Ermüdungsschäden.

Vorbeugende Maßnahmen

Optimieren Sie die Materialauswahl: Wählen Sie Materialien mit höheren Ermüdungsgrenzen.

Reduzierung der Spannungskonzentration: Reduzieren Sie die Spannungskonzentration durch strukturelle Gestaltung oder Verarbeitungsmethoden, wie z. B. die Verwendung abgerundeter Eckübergänge, die Vergrößerung der Querschnittsabmessungen usw.

Oberflächenbehandlung: Polieren, Sprühen usw. auf der Metalloberfläche, um Oberflächenfehler zu reduzieren und die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern.

Inspektion und Wartung: Überprüfen Sie Metallkomponenten regelmäßig, um Mängel wie Risse umgehend zu erkennen und zu reparieren. Warten Sie ermüdungsanfällige Teile, z. B. durch den Austausch verschlissener Teile und die Verstärkung schwacher Verbindungen.

Metallermüdung ist eine häufige Art von Metallversagen, die durch Plötzlichkeit, Lokalität und Empfindlichkeit gegenüber der Umgebung gekennzeichnet ist. Spannungsamplitude, durchschnittliche Spannungsgröße und Anzahl der Zyklen sind die Hauptfaktoren, die die Metallermüdung beeinflussen.

SN-Kurve: beschreibt die Ermüdungslebensdauer von Materialien unter verschiedenen Spannungsniveaus, wobei S die Spannung und N die Anzahl der Spannungszyklen darstellt.

Formel für den Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten:

(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)

Dabei ist (Ka) der Lastfaktor, (Kb) der Größenfaktor, (Kc) der Temperaturfaktor, (Kd) der Oberflächenqualitätsfaktor und (Ke) der Zuverlässigkeitsfaktor.

Mathematischer Ausdruck der SN-Kurve:

(\sigma^m N = C)

Dabei ist (\sigma) die Spannung, N die Anzahl der Spannungszyklen und m und C Materialkonstanten.

Berechnungsschritte

Bestimmen Sie die Materialkonstanten:

Bestimmen Sie die Werte von m und C durch Experimente oder unter Bezugnahme auf relevante Literatur.

Bestimmen Sie den Spannungskonzentrationsfaktor K. Berücksichtigen Sie die tatsächliche Form und Größe des Teils sowie die durch Hohlkehlen, Keilnuten usw. verursachte Spannungskonzentration, um den Spannungskonzentrationsfaktor K zu bestimmen. Berechnen Sie die Ermüdungsfestigkeit: Basierend auf der SN-Kurve und der Spannung Der Konzentrationsfaktor berechnet in Kombination mit der Lebensdauer und dem Betriebsspannungsniveau des Teils die Ermüdungsfestigkeit.

2. Plastizität:

Unter Plastizität versteht man die Eigenschaft eines Materials, bei Einwirkung einer äußeren Kraft eine bleibende Verformung zu erzeugen, ohne zu brechen, wenn die äußere Kraft seine Elastizitätsgrenze überschreitet. Diese Verformung ist irreversibel und das Material kehrt nicht in seine ursprüngliche Form zurück, selbst wenn die äußere Kraft entfernt wird.

Plastizitätsindex und seine Berechnungsformel

Dehnung (δ)

Definition: Die Dehnung ist der Prozentsatz der Gesamtverformung des Messabschnitts, nachdem die Probe durch Zug auf die ursprüngliche Messlänge gebrochen wurde.

Formel: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %

Wobei L0 die ursprüngliche Messlänge der Probe ist;

L1 ist die Messlänge nach dem Bruch der Probe.

Segmentreduktion (Ψ)

Definition: Die segmentale Verringerung ist der Prozentsatz der maximalen Verringerung der Querschnittsfläche am Einschnürungspunkt, nachdem die Probe auf die ursprüngliche Querschnittsfläche gebrochen wurde.

Formel: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %

Wobei F0 die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe ist;

F1 ist die Querschnittsfläche an der Einschnürungsstelle nach dem Bruch der Probe.

3. Härte

Die Metallhärte ist ein mechanischer Eigenschaftsindex zur Messung der Härte von Metallmaterialien. Es gibt die Fähigkeit an, Verformungen im lokalen Volumen auf der Metalloberfläche zu widerstehen.

Klassifizierung und Darstellung der Metallhärte

Für die Metallhärte gibt es verschiedene Klassifizierungs- und Darstellungsmethoden gemäß verschiedenen Testmethoden. Dazu gehören hauptsächlich:

Brinellhärte (HB):

Anwendungsbereich: Wird im Allgemeinen verwendet, wenn das Material weicher ist, wie z. B. Nichteisenmetalle, Stahl vor der Wärmebehandlung oder nach dem Glühen.

Prüfprinzip: Mit einer bestimmten Prüflast wird eine gehärtete Stahlkugel oder Hartmetallkugel mit einem bestimmten Durchmesser in die Oberfläche des zu prüfenden Metalls gedrückt und die Belastung nach einer vorgegebenen Zeit und dem Durchmesser des Eindrucks entlastet auf der zu prüfenden Oberfläche wird gemessen.

Berechnungsformel: Der Brinell-Härtewert ist der Quotient, der sich aus der Division der Belastung durch die sphärische Oberfläche des Eindrucks ergibt.

Rockwell-Härte (HR):

Anwendungsbereich: Wird im Allgemeinen für Materialien mit höherer Härte verwendet, z. B. Härte nach Wärmebehandlung.

Prüfprinzip: Ähnlich der Brinell-Härte, jedoch mit unterschiedlichen Sonden (Diamant) und unterschiedlichen Berechnungsmethoden.

Typen: Je nach Anwendung gibt es HRC (für Materialien mit hoher Härte), HRA, HRB und andere Typen.

Vickershärte (HV):

Anwendungsbereich: Geeignet für die Mikroskopanalyse.

Testprinzip: Drücken Sie mit einer Last von weniger als 120 kg und einem quadratischen Diamantkegel-Eindringkörper mit einem Scheitelwinkel von 136° auf die Materialoberfläche und dividieren Sie die Oberfläche der Materialvertiefung durch den Lastwert, um den Vickers-Härtewert zu erhalten.

Leeb-Härte (HL):

Eigenschaften: Tragbarer Härteprüfer, einfach zu messen.

Testprinzip: Verwenden Sie den vom Schlagkugelkopf nach dem Aufprall auf die harte Oberfläche erzeugten Rückprall und berechnen Sie die Härte anhand des Verhältnisses der Rückprallgeschwindigkeit des Stempels in 1 mm Entfernung von der Probenoberfläche zur Aufprallgeschwindigkeit.