Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme "teknisen jännitys-venymä-käyrän" peruskäsitteitä, normaalin ja todellisen jännitys-venymä-käyrän välistä eroa sekä käyrästä määritettäviä materiaaliominaisuuksia.
Teollisuusympäristöissä tuotteiden valmistusmateriaalien valinta vaatii insinööritaitoa. Mitä tapahtuisi, jos esimerkiksi esineen pitämiseen tarkoitettu tukikannatin rikkoutuisi liian helposti tai jos jousi ei palaisi alkuperäiseen muotoonsa venytyksen jälkeen riittämättömän palautusvoiman vuoksi, jolloin se menettäisi pysyvän muotonsa? Tällaisissa tapauksissa meidän on välittömästi analysoitava syy ja löydettävä parempi materiaali. Tämä voidaan estää valitsemalla materiaalit niiden mekaanisen ymmärryksen perusteella.
Minkä tahansa materiaalin mekaanisen ymmärtämisen perustavanlaatuisin näkökohta on sen kestävyyden määrittäminen. Materiaalin kestävyyden varmistamiseksi materiaalin valmistuksen jälkeen teemme kokeita voiman kohdistamiseksi ja sen kestävyyden määrittämiseksi, ja sitten piirrämme tulokset kuvaajaan. Yksinkertaisin tapa visualisoida tämä on jännitys-venymäkäyrän avulla.
Mitä ovat jännitys ja venymä? Jännitys viittaa pinta-alayksikköä kohti kohdistettuun voimaan, kun materiaaliin kohdistetaan voima, kun taas venymä viittaa "pidennettyn pituuden ja alkuperäisen pituuden" suhteeseen, kun materiaali muuttaa muotoaan kohdistetun voiman alaisena. Jännitys-venymä-käyrässä x-akseli edustaa venymää ja y-akseli jännitystä. Piirtämällä tämän kaavion voimme määrittää, miten materiaali muuttaa muotoaan pinta-alayksikköä kohti kohdistetun voiman perusteella. Jopa samalle materiaalille, koska sitä käytetään eri tarkoituksiin ja eri kokoisina, jännitys-venymä-käyrä vastaa tarpeeseen piirtää erilaisia kaavioita kokeissa käytetyn materiaalinäytteen koosta riippuen esittämällä muodonmuutoksen asteen pinta-alayksikköä kohti kohdistuvan voiman perusteella.
Jännitys-venymä-käyriä on kahdenlaisia. Nämä ovat tekninen jännitys-venymä-käyrä ja todellinen jännitys-venymä-käyrä. Näitä käyriä käytetään jännityksen ja venymän laskemiseen, jotta voidaan analysoida materiaaliin kohdistettaessa voimaa muodonmuutoksen aikaansaamiseksi kerättyä dataa. Materiaalin muodonmuutoksen yhteydessä voiman kohdistamisalue (jännityksen perusta) ja alkuperäinen pituus (venymän perusta) muuttuvat jatkuvasti. Todellinen jännitys-venymä-käyrä tarkoittaa näiden arvojen jatkuvaa laskemista samalla, kun jatkuvasti muuttuva poikkileikkauspinta-ala ja alkuperäinen pituus mitataan tarkasti. Kokeen suorittaminen jatkuvasti näitä muuttuvia arvoja määrittämällä on kuitenkin erittäin vaikeaa. Siksi monissa tapauksissa muutokset jätetään huomiotta, ja jännitys ja venymä lasketaan alkuperäisen poikkileikkauspinta-alan ja alkuperäisen pituuden perusteella; tätä kutsutaan tekniseksi jännitys-venymä-käyräksi.
Seuraava kaavio näyttää tyypillisen muodon tavanomaisesta jännitys-venymä-käyrästä. Sininen lineaarinen alkuosa edustaa elastisen muodonmuutoksen aluetta. Elastinen muodonmuutos tarkoittaa muodonmuutosta, jossa materiaali palaa alkuperäiseen tilaansa voiman poistamisen jälkeen. Tällä alueella muodonmuutos tapahtuu voiman vaikutuksesta, mutta koska atomien tai molekyylien väliset sidokset materiaalissa pysyvät ehjinä, materiaali palaa alkuperäiseen tilaansa voiman poistamisen jälkeen. Sinistä suoraa viivaa seuraava kaareva osa edustaa aluetta, jossa tapahtuu plastista muodonmuutosta. Plastinen muodonmuutos tarkoittaa muodonmuutosta, jossa voiman vaikutuksesta ja merkittävän muodonmuutoksen tapahtuessa atomien väliset sidokset katkeavat ja uusia sidoksia muodostuu, joten vaikka voima poistuisi, materiaali ei palaa alkuperäiseen tilaansa. Jos voimaa kohdistetaan tähän pisteeseen asti, tapahtuu sekä elastista että plastista muodonmuutosta, ja jos voima myöhemmin poistetaan, materiaali palaa alkuperäiseen tilaansa vain elastisen muodonmuutoksen määrään asti.
Käyrä kasvaa käyrän sisällä ja alkaa sitten laskea tietyn pisteen jälkeen; tätä pistettä, jossa jännitys on suurin, kutsutaan vetojännitykseksi. Se viittaa pisteeseen, jossa on suurin jännitys, ja kun tämä piste ylitetään, materiaali käy läpi peruuttamattoman muodonmuutosprosessin ja lopulta murtuu, kun se saavuttaa "X":llä merkityn pisteen. (Kuvittele venyttämässä toffeenpalaa: keskiosa alkaa ohentua ennen kuin se napsahtaa.) Toisin sanoen vetojännitys edustaa materiaalin kestämää enimmäisjännitystä. Lisäksi piirtämällä kohtisuoran viivan "X":llä merkitystä pisteestä x-akselille ja integroimalla käyrän alapuolisen alueen voimme määrittää voiman, jonka materiaali kestää ennen murtumista. Tätä kutsutaan sitkeydeksi. Lisäksi tutkimalla standardijännitys-venymäkäyrää voit tunnistaa tasaisen ja epätasaisen muodonmuutoksen alueet (alueen, jossa muodonmuutosta tapahtuu koko materiaalissa, ja alueen, jossa muodonmuutosta tapahtuu tietyillä alueilla, jotka altistuvat suuremmalle jännitykselle lovien tai muiden vikojen vuoksi), ja saada tietoja, kuten offset-myötöjännitys, joka merkitsee rajaa elastisen ja plastisen muodonmuutoksen välillä.
Jos ymmärrät jännitys-venymäkäyrän, voit ymmärtää materiaalin perusominaisuudet yhdellä silmäyksellä ja minimoida kokeiluja ja erehdyksiä valitaksesi tuotteelle sopivan materiaalin ja valmistaaksesi sen. Esimerkiksi kupari muuttaa muotoaan helposti jopa pienissä voimissa, mutta ei murru helposti; siksi sitä käytetään osissa, kuten langoissa, jotka vaativat merkittävää muodonmuutosta, mutta joihin lujuus ei vaikuta. Sitä vastoin raudalla on alhaisempi venymänopeus kuin kuparilla eikä se murru helposti, joten sitä käytetään runkona rakenteille, jotka vaativat vahvaa tukea. Kun tutkit, miten luoda materiaali sen vaadittujen ominaisuuksien perusteella, tällaisten tietojen hyödyntäminen on erittäin hyödyllistä, koska sen avulla voit nopeasti ja helposti tunnistaa, mitkä luomasi materiaalin puolet puuttuvat ja kaipaavat parantamista.
