Αντοχή απόδοσης έναντι αντοχής εφελκυσμού: βασικές μετρήσεις στη μηχανική υλικών

Αντοχή απόδοσης έναντι αντοχής εφελκυσμού: βασικές μετρήσεις στη μηχανική υλικών

Η κατανόηση των διαφορετικών όρων που χρησιμοποιούνται για τον ορισμό των μετάλλων είναι απαραίτητη για την ορθή εφαρμογή τους στα συστατικά σας. Η δύναμη απόδοσης και η αντοχή σε εφελκυσμό είναι δύο από τις σημαντικότερες φυσικές ιδιότητες, αλλά ποιοι είναι αυτοί οι δύο όροι και ποια είναι η διαφορά μεταξύ τους;

Η αντοχή απόδοσης αναφέρεται στο σημείο στο οποίο ένα υλικό σταματά να παραμορφώνεται ελαστικά (προσωρινά) και αρχίζει να παραμορφώνεται πλαστικά (μόνιμα) όταν υποβάλλεται σε άγχος.

Η ελαστική παραμόρφωση είναι όταν ένα υλικό είναι λυγισμένο, τεντωμένο, στριμμένο ή συμπιεσμένο και στη συνέχεια επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα μετά την αφαίρεση του φορτίου. Η πλαστική παραμόρφωση είναι μόνιμη παραμόρφωση, όπου ένα συστατικό ή υλικό αλλάζει σχήμα μετά την εφαρμογή μιας δύναμης.

Η αντοχή απόδοσης χρησιμοποιείται συχνά για τον καθορισμό της αντοχής ενός υλικού, διότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, όταν παραμορφωθεί ένα συστατικό, δεν είναι πλέον λειτουργικό. Από την άποψη των μηχανικών ιδιοτήτων, η αντοχή απόδοσης είναι μία από τις σημαντικότερες ιδιότητες όταν καθορίζει ένα υλικό για ένα έργο ή ένα στοιχείο.

Τι είναι η δύναμη εφελκυσμού;
Η αντοχή σε εφελκυσμό, συχνά συντομευμένη ως UTS, είναι ένα μέτρο για το πόσο άγχος μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν σπάσει. Για τον χάλυβα, αυτό είναι συνήθως 130-140% της αντοχής απόδοσης.

Το σημείο UTS δεν είναι το σημείο όπου το υλικό σπάει, αλλά το σημείο όπου το στέλεχος στο υλικό αλλάζει από την παγκόσμια ομοιόμορφη παραμόρφωση στην τοπική παραμόρφωση, η οποία εκδηλώνεται ως τέντωμα και στένωση του συστατικού (αν αποτύχει σε ένταση).

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της αντοχής απόδοσης και της αντοχής εφελκυσμού;
Η αντοχή απόδοσης είναι το σημείο στο οποίο ένα υλικό αρχίζει να παραμορφώνεται πλαστικά, πράγμα που σημαίνει ότι κάμπτεται ή εκτείνεται, ενώ η αντοχή σε εφελκυσμό είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό.

Ενώ και οι δύο παράγοντες είναι σημαντικοί, η αντοχή απόδοσης χρησιμοποιείται συχνότερα κατά τον προσδιορισμό των υλικών για τα εξαρτήματα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όταν ένα υλικό υπερβαίνει το σημείο της πλαστικής παραμόρφωσης, δεν μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί. Ένα καλά σχεδιασμένο στοιχείο θα τονίζεται συνήθως μόνο στο 50% της αντοχής απόδοσης της στην υπηρεσία, ανάλογα με την εφαρμογή και τον παράγοντα ασφαλείας του.

Είναι η αντοχή εφελκυσμού υψηλότερη από την αντοχή απόδοσης;
Σε υλικά όπως ο ήπιος χάλυβας, η αντοχή απόδοσης είναι περίπου 30-40% χαμηλότερη από την αντοχή σε εφελκυσμό, αλλά αυτό δεν ισχύει για όλα τα μέταλλα. Σε εύθραυστα υλικά όπως ο υψηλός άνθρακας χάλυβας, η αντοχή σε εφελκυσμό είναι ελαφρώς υψηλότερη από την αντοχή της απόδοσης επειδή το υλικό στερείται ολκιμότητας και επομένως δεν παραμορφώνεται πολύ πριν σπάσει.

Πώς μετράται η αντοχή απόδοσης και η αντοχή σε εφελκυσμό;
Η αντοχή σε εφελκυσμό και η αντοχή απόδοσης είναι οι τάσεις μηχανικής που μετρούνται ως δύναμη ανά μονάδα, συνήθως σε λίρες ανά τετραγωνική ίντσα (PSI) στη Βόρεια Αμερική και σε pascals ή megapascals στο διεθνές σύστημα. Οι τυποποιημένες δοκιμές είναι κοινές, χρησιμοποιώντας είτε επίπεδα ή στρογγυλά δείγματα δοκιμής.

Ένας υδραυλικός ή βιδωτής δοκιμαστής τεντώνει το δείγμα ενώ καταγράφει το στρες και το στέλεχος που βιώνεται. Τα περισσότερα ομοιογενή μέταλλα έχουν μια σχέση γραμμικής τάσης-καταπόνησης μέχρι το σημείο αντοχής απόδοσης.

Ποια είναι η ισχύς απόδοσης των κοινών υλικών;

Η δύναμη ενός υλικού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα συγκεκριμένα στοιχεία κράματος που περιέχει. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα απόδοσης και εφελκυσμού των κοινών υλικών μηχανικών:

Όπως μπορείτε να δείτε, τα όλκιμα υλικά όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός έχουν μεγάλο χάσμα μεταξύ της απόδοσης και των αντοχών εφελκυσμού τους, ενώ εύθραυστα υλικά όπως οι χάλυβες εργαλείων υψηλής άνθρακα έχουν το αντίθετο.

Γεγονότα σχετικά με την αντοχή σε εφελκυσμό
Το Tungsten έχει την υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό όλων των μετάλλων, σε περίπου 980 MPa.

Ορισμένα πολύ όλκιμα μέταλλα, όπως ο χρυσός, έχουν αντοχή απόδοσης υψηλότερη από την αντοχή τους σε εφελκυσμό, επειδή λαιμοί σε χαμηλότερες τάσεις, αλλά μπορούν να τεντώσουν σημαντικά περισσότερο από τα μέταλλα όπως ο χάλυβας.

Αν και το Silk Spider έχει αντοχή εφελκυσμού μόνο 1,5 GPa, είναι πέντε φορές ισχυρότερη από τον χάλυβα κατά βάρος.