Tuotto (tekniikka) - Yield (engineering)

Jännitys-venymä-käyrä , joka esittää tyypillistä saanto käyttäytyminen rautaseostyyppejä . ( Stressi ,  , on esitetty funktiona kannan ,  .)

In materiaalit tieteen ja tekniikan , myötöraja on piste on jännitys-venymä-käyrä , joka osoittaa raja elastista käyttäytymistä ja alussa muovi käyttäytymistä. Saantokohdan alapuolella materiaali muuttuu elastisesti ja palaa alkuperäiseen muotoonsa, kun kohdistettu jännitys poistetaan. Kun saantoarvo on ohitettu, osa muodonmuutoksesta on pysyvää ja ei-palautuvaa, ja se tunnetaan muovimuutoksena .

Myötölujuus tai myötöraja on materiaali ominaisuus ja on jännitys, joka vastaa myötöraja, jolla materiaali alkaa muuttaa muotoaan plastisesti. Murtolujuutta käytetään usein suurimman sallitun kuorman määrittämiseen mekaanisessa komponentissa, koska se edustaa ylärajaa voimille, joita voidaan käyttää aiheuttamatta pysyviä muodonmuutoksia. Joissakin materiaaleissa, kuten alumiinissa , epälineaarinen käyttäytyminen alkaa vähitellen, mikä tekee tarkan myötöpisteen vaikeaksi määrittää. Tällaisessa tapauksessa siirtymäpistettä (tai todistusjännitystä ) pidetään jännityksenä, jolla esiintyy 0,2%: n plastinen muodonmuutos. Sato on asteittainen vika, joka ei normaalisti ole katastrofaalinen , toisin kuin lopullinen vika .

On kiinteä mekaniikka , myötörajan voidaan määrittää suhteen kolmiulotteisen pääjännitykset ( ), jonka saanto pinta tai saannon kriteeri . Eri materiaaleille on kehitetty erilaisia ​​saantikriteereitä.

Määritelmä

Materiaali Myötölujuus
(MPa)
Lopullinen lujuus
(MPa)
ASTM A36 teräs 250 400
Teräs, API 5L X65 448 531
Teräs, luja seos ASTM A514 690 760
Teräs, esijännityslangat 1650 1860
Pianolanka   1740–3300
Hiilikuitu (CF, CFK) 5650
Suuritiheyksinen polyeteeni (HDPE) 26–33 37
Polypropeeni 12–43 19.7–80
Ruostumaton teräs AISI 302-kylmävalssattu 520 860
Valurauta 4,5% C, ASTM A-48 172
Titaaniseos (6% Al, 4% V) 830 900
Alumiiniseos 2014-T6 400 455
Kupari 99,9% Cu 70 220
Cupronickel 10% Ni, 1,6% Fe, 1% Mn, tasapaino Cu 130 350
Messinki 200+ 550
Hämähäkin silkki 1150 (??) 1400
Silkkiäistoukkien silkki 500  
Aramidi ( Kevlar tai Twaron ) 3620 3757
UHMWPE 20 35
Luu (raaja) 104–121 130
Nylon, tyyppi 6/6 45 75
Alumiini (hehkutettu) 15–20 40–50
Kupari (hehkutettu) 33 210
Rauta (hehkutettu) 80–100 350
Nikkeli (hehkutettu) 14–35 140–195
Pii (hehkutettu) 5000–9000  
Tantaali (hehkutettu) 180 200
Tina (hehkutettu) 9–14 15–200
Titaani (hehkutettu) 100–225 240–370
Volframi (hehkutettu) 550 550–620

Tuottoa on usein vaikea määritellä tarkasti, koska todelliset materiaalit osoittavat erilaisia jännitys- ja venymiskäyriä . Lisäksi on olemassa useita mahdollisia tapoja määritellä tuotto:

Todellinen joustava raja
Alin jännitys, jolla dislokaatiot liikkuvat. Tätä määritelmää käytetään harvoin, koska dislokaatiot liikkuvat hyvin pienillä jännityksillä, ja tällaisen liikkeen havaitseminen on erittäin vaikeaa.
Suhteellisuusraja
Tähän jännitykseen asti jännitys on verrannollinen venymään ( Hooken laki ), joten jännitys-venymäkaavio on suora ja kaltevuus on yhtä suuri kuin materiaalin kimmokerroin .
Elastinen raja (myötölujuus)
Elastisen rajan yli tapahtuu pysyviä muodonmuutoksia. Elastinen raja on siten alin jännityspiste, jossa pysyvä muodonmuutos voidaan mitata. Tämä vaatii manuaalisen kuorman purkamismenettelyn, ja tarkkuus riippuu kriittisesti käytetyistä laitteista ja käyttäjän taidoista. Ja elastomeerit , kuten kumi, joustava raja on paljon suurempi kuin suhteellisuusperiaatteen raja. Myös tarkat venymän mittaukset ovat osoittaneet, että muovinen rasitus alkaa hyvin pienillä jännityksillä.
Saanto
Jännitys-venymiskäyrän piste, jossa käyrä tasoittuu ja alkaa muodostua muovia.
Siirtymäraja ( todiste stressistä )
Kun juoksupistettä ei ole helppo määritellä jännitys-venymäkäyrän muodon perusteella, siirtymäpiste määritetään mielivaltaisesti. Tämän arvon arvoksi asetetaan yleensä 0,1% tai 0,2% muovikanta. Siirtymäarvo annetaan alaindeksinä, esim. MPa tai MPa. Useimmissa käytännön insinööritoiminnoissa kerrotaan turvallisuustekijällä, jotta saadaan pienempi siirtymäpisteen arvo. Korkean lujuuden omaavilla teräksillä ja alumiiniseoksilla ei ole myötörajaa, joten tätä siirtymäpistettä käytetään näissä materiaaleissa.
Ylempi ja alempi tuotto
Jotkut metallit, kuten pehmeä teräs , saavuttavat ylemmän saantopisteen ennen kuin ne putoavat nopeasti alemmalle. Materiaalivaste on lineaarinen ylempään myötörajaan asti, mutta alempaa saantopistettä käytetään rakennesuunnittelussa konservatiivisena arvona. Jos metallia jännitetään vain ylempään myötörajaan asti ja sen jälkeen, Lüders -nauhat voivat kehittyä.

Käyttö rakennesuunnittelussa

Annettujen rakenteiden jäykkyys on pienempi, mikä lisää taipumia ja heikentää taipumista. Rakenne muuttuu pysyvästi epämuodostuneeksi, kun kuorma poistetaan, ja sillä voi olla jäännösjännityksiä. Tekniset metallit osoittavat venymän kovettumista, mikä tarkoittaa, että myötöjännitys kasvaa, kun se poistetaan saantotilasta.

Testaus

Satolujuuden testaus sisältää pienen näytteen, jolla on kiinteä poikkileikkausalue, ja sen vetämisen sitten kontrolloidulla, vähitellen kasvavalla voimalla, kunnes näyte muuttaa muotoaan tai katkeaa. Tätä kutsutaan vetokokeeksi. Pitkittäis- ja/tai poikittaisjännitys kirjataan käyttämällä mekaanisia tai optisia ekstensometrejä.

Syvennyskovuus korreloi suunnilleen lineaarisesti useimpien terästen vetolujuuden kanssa, mutta yhden materiaalin mittauksia ei voida käyttää mittakaavana toisen lujuuden mittaamiseen. Kovuustestit voivat siksi olla taloudellinen korvike vetolujuustestauksille ja tarjota paikallisia vaihteluja myötölujuudessa esimerkiksi hitsaus- tai muovaustöiden vuoksi. Kuitenkin kriittisissä tilanteissa jännitetestaus tehdään epäselvyyden poistamiseksi.

Vahvistavat mekanismit

On olemassa useita tapoja, joilla kiteisiä materiaaleja voidaan suunnitella lisäämään niiden myötölujuutta. Muuttamalla dislokaatiotiheyttä, epäpuhtaustasoja, raekokoa (kiteisissä materiaaleissa) materiaalin myötölujuutta voidaan hienosäätää. Tämä tapahtuu tyypillisesti lisäämällä materiaaliin vikoja, kuten epäpuhtauksien siirtymiä. Tämän vian (plastisesti epämuodostunut tai materiaalia tuottava) siirtämiseksi on kohdistettava suurempi jännitys. Tämä aiheuttaa materiaalille suuremman myötöjännityksen. Vaikka monet materiaalin ominaisuudet riippuvat vain irtotavaran koostumuksesta, myötölujuus on erittäin herkkä myös materiaalinkäsittelylle.

Näitä kiteisten materiaalien mekanismeja ovat mm

Työn kovettuminen

Jos materiaalin muodonmuutos aiheuttaa dislokaatioita , mikä lisää niiden tiheyttä materiaalissa. Tämä lisää materiaalin myötölujuutta, koska nyt on kohdistettava enemmän rasitusta näiden siirtymien siirtämiseksi kidehilan läpi. Dislokaatiot voivat myös olla vuorovaikutuksessa keskenään ja sotkeutua toisiinsa.

Tämän mekanismin johtava kaava on:

missä on myötöjännitys, G on leikkausjoustomoduuli, b on Burgers -vektorin suuruus ja dislokaatiotiheys.

Kiinteän ratkaisun vahvistaminen

Mukaan seostus materiaali, epäpuhtausatomeilla pieninä pitoisuuksina vievät hilapaikassa suoraan alapuolella sijoiltaan, kuten suoraan alla ylimääräinen puoli tasoon vika. Tämä vähentää vetolujuutta suoraan dislokaation alapuolelle täyttämällä tyhjä hilatila epäpuhtausatomilla.

Tämän mekanismin suhde on seuraava:

missä on leikkausjännitys , joka liittyy saantojännitykseen ja jotka ovat samat kuin yllä olevassa esimerkissä, on liuenneen aineen pitoisuus ja epäpuhtauden lisäämisestä johtuva hilan aiheuttama venymä.

Hiukkasten/sakan vahvistaminen

Jos sekundäärifaasin läsnäolo lisää myötölujuutta estämällä dislokaatioiden liikkeen kiteessä. Viivavika, joka matriisin läpi liikuttaessa pakotetaan materiaalin pientä hiukkasta tai sakkaa vasten. Dislokaatiot voivat liikkua tämän hiukkasen läpi joko leikkaamalla hiukkasen tai taipumalla tai soimalla tunnetulla prosessilla, jossa hiukkasen ympärille luodaan uusi dislokaatiorengas.

Leikkauskaava kuuluu seuraavasti:

ja kaareva/soiva kaava:

Näissä kaavoissa on hiukkassäde, matriisin ja hiukkasen välinen pintajännitys, hiukkasten välinen etäisyys.

Viljan rajan vahvistaminen

Jos dislokaatioiden kertyminen viljan rajalla aiheuttaa vastenmielisen voiman dislokaatioiden välillä. Kun raekoko pienenee, viljan pinta -ala -tilavuussuhde kasvaa, mikä mahdollistaa enemmän dislokaatioita kertymistä viljan reunaan. Koska dislokaatioiden siirtäminen toiseen viljaan vaatii paljon energiaa, nämä dislokaatiot kertyvät rajaa pitkin ja lisäävät materiaalin myötörasitusta. Tunnetaan myös nimellä Hall-Petch-vahvistus, tämäntyyppistä vahvistusta ohjaa kaava:

missä

on dislokaatioiden siirtämiseen tarvittava stressi,
on materiaalivakio, ja
on raekoko.

Teoreettinen myötölujuus

Materiaali Teoreettinen leikkauslujuus (GPa) Kokeellinen leikkauslujuus (GPa)
Ag 1.0 0,37
Al 0.9 0,78
Cu 1.4 0,49
Ni 2.6 3.2
a-Fe 2.6 27.5

Täydellisen kiteen teoreettinen myötölujuus on paljon suurempi kuin havaittu jännitys muovivirtauksen alussa.

Se, että kokeellisesti mitattu myötölujuus on merkittävästi odotettua teoreettista arvoa pienempi, voidaan selittää dislokaatioilla ja materiaalivirheillä. Itse asiassa viikset, joilla on täydellinen yksikiteinen rakenne ja virheettömät pinnat, on osoitettu osoittavan myötöjännitystä, joka lähestyy teoreettista arvoa. Esimerkiksi kuparin nanosirkkojen osoitettiin murtuvan hauraasti 1 GPa: ssa, mikä on paljon suurempi kuin irtotavaran kuparin lujuus ja lähestyy teoreettista arvoa.

Teoreettinen myötölujuus voidaan arvioida tarkastelemalla tuottoprosessia atomitasolla. Täydellisessä kiteessä leikkaus johtaa koko atomitason siirtymiseen yhdellä atomien välisellä erotusetäisyydellä b suhteessa alla olevaan tasoon. Jotta atomit voisivat liikkua, on käytettävä huomattavaa voimaa hilaenergian voittamiseksi ja ylemmän tason atomien siirtämiseksi alempien atomien yli ja uuteen hilakohtaan. Täydellisen ristikon leikkausvastuksen voittamiseksi käytetty jännitys on teoreettinen myötölujuus τ max .

Atomitason jännityssiirtymäkäyrä vaihtelee sinimuotoisesti jännityshuippujen aikana, kun atomi pakotetaan alla olevan atomin päälle ja putoaa sitten, kun atomi liukuu seuraavaan hilakohtaan.

missä on atomien välinen erotusetäisyys. Koska τ = G γ ja dτ/dγ = G pienillä kannoilla (eli yhden atomin etäisyyden siirtymällä), tästä yhtälöstä tulee:

Pienelle siirtymälle γ = x/a, jossa a on atomien etäisyys liukutasolla, tämä voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:

Antaen arvon τ max yhtä suuri kuin:

Teoreettinen myötölujuus voidaan arvioida seuraavasti .

Katso myös

Viitteet

Bibliografia