I dette blogindlæg vil vi undersøge de grundlæggende begreber bag den "tekniske spændings-tøjningskurve", forskellen mellem normal spændings-tøjning og ægte spændings-tøjning, og de materialeegenskaber, der kan bestemmes ud fra kurven.
Valg af materialer til fremstilling af produkter i industrielle sammenhænge kræver ingeniørmæssig viden. Hvad ville der ske, hvis for eksempel en støttebeslag, der er designet til at holde en genstand, knækkede for let, eller hvis en fjeder ikke vendte tilbage til sin oprindelige form efter at være blevet strakt på grund af utilstrækkelig genoprettelseskraft, hvilket efterlod den permanent deformeret? I sådanne tilfælde skal vi straks analysere årsagen og finde et bedre materiale. Dette kan forhindres ved at vælge materialer baseret på en mekanisk forståelse af dem.
Det mest fundamentale aspekt ved at forstå et materiales mekaniske karakter er at bestemme, hvor meget kraft det kan modstå. For at verificere et materiales holdbarhed udfører vi efter fremstillingen af materialet eksperimenter for at påføre kraft og bestemme, hvor meget det kan modstå, og afbilder derefter resultaterne på en graf. Den mest ligefremme måde at visualisere dette på er gennem en spændings-tøjningskurve.
Hvad er spænding og tøjning? Spænding refererer til den kraft, der påføres pr. arealenhed, når en kraft påføres et materiale, mens tøjning refererer til forholdet mellem "udstrakt længde ÷ startlængde", når et materiale deformeres under påført kraft. I en spændings-tøjningskurve repræsenterer x-aksen tøjning, og y-aksen repræsenterer spænding. Ved at plotte denne graf kan vi bestemme, hvordan et materiale deformeres baseret på den påførte kraft pr. arealenhed. Selv for det samme materiale, da det bruges til forskellige formål i forskellige størrelser, imødekommer spændings-tøjningskurven behovet for at plotte forskellige grafer afhængigt af størrelsen af den materialeprøve, der bruges i eksperimenter, ved at repræsentere graden af deformation baseret på kraften pr. arealenhed.
Der findes to typer spænding-tøjningskurver. Disse er tekniske spænding-tøjningskurver og ægte spænding-tøjningskurver. Disse kurver bruges til at beregne spænding og tøjning for at analysere data indsamlet under påføring af kraft på et materiale for at inducere deformation. Men når materialet deformeres, ændres det område, som kraften påføres over (grundlaget for spænding), og den oprindelige længde (grundlaget for tøjning) kontinuerligt. Ægte spænding-tøjning involverer kontinuerlig beregning af disse værdier, samtidig med at det konstant skiftende tværsnitsareal og den oprindelige længde måles nøjagtigt. Det er dog ekstremt vanskeligt at udføre et eksperiment, mens disse skiftende værdier kontinuerligt bestemmes. Derfor ignoreres ændringerne i mange tilfælde, og spænding og tøjning beregnes baseret på det oprindelige tværsnitsareal og den oprindelige længde; dette kaldes teknisk spænding-tøjning.
Følgende graf viser en typisk form for den konventionelle spændings-tøjningskurve. Det indledende blå lineære afsnit repræsenterer området med elastisk deformation. Elastisk deformation refererer til deformation, hvor materialet vender tilbage til sin oprindelige tilstand, efter at den påførte kraft er fjernet. I dette område forekommer deformation, når der påføres kraft, men da bindingerne mellem atomer eller molekyler i materialet forbliver intakte, vender materialet tilbage til sin oprindelige tilstand, når den påførte kraft fjernes. Det buede afsnit, der følger den blå rette linje, repræsenterer det område, hvor plastisk deformation forekommer. Plastisk deformation refererer til deformation, hvor, når der påføres kraft, og der opstår betydelig deformation, de eksisterende bindinger mellem atomer brydes, og nye bindinger dannes, så selvom kraften fjernes, vender materialet ikke tilbage til sin oprindelige tilstand. Hvis der påføres kraft indtil dette punkt, forekommer både elastisk og plastisk deformation, og hvis kraften efterfølgende fjernes, vil materialet kun vende tilbage til sin oprindelige tilstand i det omfang, den elastiske deformation er opnået.
Grafen stiger inden for kurven og begynder derefter at falde efter at have passeret et bestemt punkt; dette punkt, hvor spændingen er højest, kaldes den ultimative trækspænding. Det refererer til punktet med den højeste spænding, og når dette punkt overskrides, gennemgår materialet en irreversibel deformationsproces og knækker til sidst, når det når punktet markeret med et "X". (Forestil dig at strække et stykke taffy: midten begynder at blive tyndere, før det knækker.) Med andre ord repræsenterer den ultimative trækspænding den maksimale spænding, et materiale kan modstå. Ved at tegne en vinkelret linje fra punktet markeret med et "X" til x-aksen og integrere arealet under kurven, kan vi desuden bestemme den kraft, materialet kan modstå, før det knækker. Dette kaldes sejhed. Derudover kan man ved at undersøge standardspændings-tøjningskurven identificere områderne med ensartet deformation og ikke-ensartet deformation (det område, hvor deformation forekommer i hele materialet, og det område, hvor deformation forekommer i specifikke områder, der er udsat for højere spænding på grund af hak eller andre defekter) og indhente data såsom den forskudte flydespænding, som markerer grænsen mellem elastisk og plastisk deformation.
Hvis du kan forstå spændings-tøjningskurven, kan du hurtigt få et overblik over materialets grundlæggende egenskaber og dermed minimere forsøg og fejl for at vælge det rigtige materiale, der passer til produktet, og fremstille det. For eksempel deformeres kobber let, selv under små kræfter, men det knækker ikke let; derfor bruges det i dele som ledninger, der kræver betydelig deformation, men som ikke påvirkes af styrke. I modsætning hertil har jern en lavere tøjningshastighed end kobber og knækker ikke let, så det bruges som rammeværk for strukturer, der kræver stærk understøtning. Når man undersøger, hvordan man skaber et materiale baseret på dets nødvendige egenskaber, er det yderst nyttigt at bruge sådanne data, fordi det giver dig mulighed for hurtigt og nemt at identificere, hvilke aspekter af det materiale, du har skabt, der mangler og skal forbedres.
