Avkastningsstyrke vs. strekkfasthet: Nøkkelmålinger i materialmekanikk

Avkastningsstyrke vs. strekkfasthet: Nøkkelmålinger i materialmekanikk

Å forstå de forskjellige begrepene som brukes til å definere metaller er avgjørende for å implementere dem riktig i komponentene dine. Avkastningsstyrke og strekkfasthet er to av de viktigste fysiske egenskapene, men hva er disse to begrepene og hva er forskjellen mellom dem?

Avkastningsstyrke refererer til det punktet hvor et materiale stopper deformerende elastisk (midlertidig) og begynner å deformeres plastisk (permanent) når det blir utsatt for stress.

Elastisk deformasjon er når et materiale er bøyd, strukket, vridd eller komprimert og deretter går tilbake til sin opprinnelige form etter at belastningen er fjernet. Plastisk deformasjon er permanent deformasjon, der en komponent eller materiale endrer form etter at en kraft er påført.

Avkastningsstyrke brukes ofte til å definere styrken til et materiale fordi den i de fleste tilfeller når en komponent er deformert, ikke lenger er funksjonell. Når det gjelder mekaniske egenskaper, er avkastningsstyrke en av de viktigste egenskapene når du spesifiserer et materiale for et prosjekt eller komponent.

Hva er strekkfasthet?
Strekkfasthet, ofte forkortet som UTS, er et mål på hvor mye stress et materiale tåler før det bryter. For stål er dette typisk 130-140% av avkastningsstyrken.

UTS -punktet er ikke poenget der materialet går i stykker, men snarere punktet der belastningen i materialet endres fra global ensartet deformasjon til lokal deformasjon, som manifesterer seg som tøyning og innsnevring av komponenten (hvis det mislykkes i spenning).

Hva er forskjellen mellom avkastningsstyrke og strekkfasthet?
Avkastningsstyrke er punktet der et materiale begynner å deformere plastisk, noe som betyr at det bøyer seg eller strekker seg, mens strekkfasthet er den maksimale belastningen et materiale tåler.

Mens begge faktorene er viktige, brukes avkastningsstyrke oftere når du spesifiserer materialer for komponenter. Dette er fordi når et materiale overstiger punktet for plastisk deformasjon, kan det ikke lenger brukes. En godt designet komponent vil vanligvis bare bli stresset til 50% av avkastningsstyrken i tjeneste, avhengig av applikasjonen og dens sikkerhetsfaktor.

Er strekkfasthet høyere enn avkastningsstyrke?
I materialer som mildt stål er avkastningsstyrken omtrent 30-40% lavere enn strekkfasthet, men dette er ikke sant for alle metaller. I sprø materialer som høyt karbonstål er strekkfasthet bare litt høyere enn flytestyrke fordi materialet mangler duktilitet og derfor ikke deformeres mye før du går i stykker.

Hvordan måles avkastningsstyrke og strekkfasthet?
Strekkfasthet og avkastningsstyrke er ingeniørspenninger målt som kraft per arealenhet, vanligvis i kilo per kvadrat tomme (PSI) i Nord -Amerika og i Pascals eller Megapascals i det internasjonale systemet. Standardiserte tester er vanlige, ved bruk av enten flate eller runde testprøver.

En hydraulisk eller skrue-tester strekker prøven mens du registrerer stresset og belastningen som oppleves. De fleste homogene metaller har et lineært stress-belastningsforhold opp til avkastningsstyrkepunktet.

Hva er avkastningsstyrken til vanlige materialer?

Styrken til et materiale avhenger veldig av de spesifikke legeringselementene det inneholder. Her er noen eksempler på utbytte og strekkfastheter av vanlige ingeniørmaterialer:

Som du kan se har duktile materialer som aluminium og kobber et stort gap mellom utbyttet og strekkstyrker, mens sprø materialer som stål med høyt karbonverktøy har det motsatte.

Fakta om strekkfasthet
Tungsten har den høyeste strekkfastheten til alle metaller, på omtrent 980 MPa.

Noen veldig duktile metaller, som gull, har en flytestyrke høyere enn strekkfastheten fordi de nakke ved lavere belastninger, men kan strekke seg betydelig mer enn metaller som stål.

Selv om edderkoppsilke har en strekkfasthet på bare 1,5 GPa, er den fem ganger sterkere enn vektstål.