Verim (mühendislik) - Yield (engineering)

Demir dışı alaşımlar için tipik akma davranışını gösteren gerilme-gerinim eğrisi . ( Stres ,  bir fonksiyonu olarak gösterilen soy ,  .)

Gelen malzeme bilimi ve mühendislik , esneklik sınırı , bir nokta ile gerilme-uzama eğrisinin limitini, elastik davranış ve başında plastik davranış. Akma noktasının altında, malzeme elastik olarak deforme olacak ve uygulanan gerilim kaldırıldığında orijinal şekline geri dönecektir . Akma noktası geçildiğinde, deformasyonun bir kısmı kalıcı ve geri döndürülemez olacaktır ve plastik deformasyon olarak bilinir .

Akma mukavemeti ve akma gerilimi a, malzeme özelliği ve malzemenin plastik olarak deforme başladığı verim noktasına karşılık gelen stres. Akma dayanımı, kalıcı deformasyon oluşturmadan uygulanabilecek kuvvetlerin üst sınırını temsil ettiğinden , genellikle mekanik bir bileşende izin verilen maksimum yükü belirlemek için kullanılır . Alüminyum gibi bazı malzemelerde, doğrusal olmayan davranışın kademeli bir başlangıcı vardır ve bu da kesin akma noktasının belirlenmesini zorlaştırır. Böyle bir durumda, ofset akma noktası (veya uzama gerilimi ), %0,2 plastik deformasyonun meydana geldiği gerilim olarak alınır. Verim, nihai başarısızlıktan farklı olarak , normalde felaketle sonuçlanmayan kademeli bir başarısızlık modudur .

Gelen katı mekaniği , akma noktası, üç boyutlu asal gerilmelerin (açısından belirlenebilir bir ile) akma yüzeyinin ya da bir verim kriteri . Farklı malzemeler için çeşitli verim kriterleri geliştirilmiştir.

Tanım

Malzeme Verim gücü
(MPa)
Nihai güç
(MPa)
ASTM A36 çelik 250 400
Çelik, API 5L X65 448 531
Çelik, yüksek mukavemetli alaşım ASTM A514 690 760
Çelik, öngerilmeli teller 1650 1860
Piyano teli   1740–3300
Karbon fiber (CF, CFK) 5650
Yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) 26–33 37
polipropilen 12–43 19.7-80
Paslanmaz çelik AISI 302 – soğuk haddelenmiş 520 860
Dökme demir %4,5 C, ASTM A-48 172
Titanyum alaşımı (%6 Al, %4 V) 830 900
Alüminyum alaşım 2014-T6 400 455
Bakır %99.9 Cu 70 220
Cupronickel %10 Ni, %1,6 Fe, %1 Mn, denge Cu 130 350
Pirinç 200+ ~ 550
örümcek ağı 1150 (??) 1400
ipekböceği ipeği 500  
Aramid ( Kevlar veya Twaron ) 3620 3757
UHMWPE 20 35
Kemik (uzuv) 104–121 130
Naylon, tip 6/6 45 75
Alüminyum (tavlanmış) 15-20 40-50
Bakır (tavlanmış) 33 210
Demir (tavlanmış) 80–100 350
Nikel (tavlanmış) 14–35 140–195
Silikon (tavlanmış) 5000–9000  
Tantal (tavlanmış) 180 200
Kalay (tavlanmış) 9–14 15–200
Titanyum (tavlanmış) 100–225 240–370
Tungsten (tavlanmış) 550 550–620

Gerçek malzemeler tarafından sergilenen çok çeşitli gerilme-gerilme eğrileri nedeniyle akmayı kesin olarak tanımlamak genellikle zordur . Ek olarak, verimi tanımlamanın birkaç olası yolu vardır:

Gerçek elastik limit
Çıkıkların hareket ettiği en düşük stres . Dislokasyonlar çok düşük gerilmelerde hareket ettiğinden ve bu tür hareketi tespit etmek çok zor olduğundan bu tanım nadiren kullanılır.
orantılılık sınırı
Bu gerilim miktarına kadar, gerilim gerinim ile orantılıdır ( Hooke yasası ), bu nedenle gerilim-gerinim grafiği düz bir çizgidir ve gradyan malzemenin elastik modülüne eşit olacaktır .
Elastik limit (akma mukavemeti)
Elastik sınırın ötesinde kalıcı deformasyon meydana gelir. Bu nedenle elastik sınır, kalıcı deformasyonun ölçülebildiği en düşük stres noktasıdır. Bu, manuel bir yükleme-boşaltma prosedürü gerektirir ve doğruluk, kritik olarak kullanılan ekipmana ve operatör becerisine bağlıdır. İçin elastomerler , kauçuk gibi, elastik sınır orantılılık sınırı çok daha büyüktür. Ayrıca, hassas gerinim ölçümleri, plastik gerinimin çok düşük gerilimlerde başladığını göstermiştir.
verim noktası
Gerilim-gerinim eğrisinde eğrinin düzleştiği ve plastik deformasyonun oluşmaya başladığı nokta.
Ofset verim noktası ( kanıt stresi )
Bir akma noktası, gerilim-gerinim eğrisinin şekli temelinde kolayca tanımlanmadığında , keyfi olarak bir ofset akma noktası tanımlanır. Bunun değeri genellikle %0,1 veya %0,2 plastik gerinim olarak ayarlanır. Ofset değeri, örneğin MPa veya MPa gibi bir alt simge olarak verilir . Çoğu pratik mühendislik kullanımı için, daha düşük bir ofset akma noktası değeri elde etmek için bir güvenlik faktörü ile çarpılır. Yüksek mukavemetli çelik ve alüminyum alaşımları bir akma noktası göstermez, bu nedenle bu malzemelerde bu ofset akma noktası kullanılır.
Üst ve alt verim noktaları
Yumuşak çelik gibi bazı metaller, daha düşük bir akma noktasına hızla düşmeden önce bir üst akma noktasına ulaşır. Malzeme tepkisi, üst akma noktasına kadar doğrusaldır, ancak daha düşük akma noktası, yapı mühendisliğinde muhafazakar bir değer olarak kullanılır. Bir metal yalnızca üst akma noktasına ve ötesine kadar gerilirse , Lüders bantları gelişebilir.

Yapı mühendisliğinde kullanım

Akma yapılar daha düşük bir sertliğe sahiptir, bu da sehimlerin artmasına ve burkulma mukavemetinin azalmasına yol açar. Yük kaldırıldığında yapı kalıcı olarak deforme olur ve artık gerilmelere sahip olabilir. Mühendislik metalleri, bir akma durumundan yük boşaltıldıktan sonra akma geriliminin arttığı anlamına gelen gerinim sertleşmesi sergiler.

Test yapmak

Akma mukavemeti testi, sabit bir kesit alanına sahip küçük bir numunenin alınmasını ve ardından numunenin şekli değişene veya kırılana kadar kontrollü, kademeli olarak artan bir kuvvetle çekilmesini içerir. Buna Çekme Testi denir . Boyuna ve/veya enine gerilim, mekanik veya optik ekstansometreler kullanılarak kaydedilir.

Girinti sertliği , çoğu çelik için çekme mukavemeti ile kabaca doğrusal olarak ilişkilidir, ancak bir malzemedeki ölçümler, diğerindeki mukavemetleri ölçmek için bir ölçek olarak kullanılamaz. Sertlik testi bu nedenle çekme testinin ekonomik bir alternatifi olabilir ve örneğin kaynak veya şekillendirme işlemleri nedeniyle akma dayanımında yerel değişiklikler sağlayabilir. Ancak kritik durumlar için belirsizliği ortadan kaldırmak için gerilim testi yapılır.

Güçlendirme mekanizmaları

Akma mukavemetlerini artırmak için kristal malzemelerin tasarlanmasının birkaç yolu vardır. Dislokasyon yoğunluğunu, kirlilik seviyelerini, tane boyutunu (kristal malzemelerde) değiştirerek, malzemenin akma dayanımı ince ayarlanabilir. Bu, tipik olarak, malzemede yabancı madde çıkıkları gibi kusurların ortaya çıkmasıyla oluşur. Bu kusuru (plastik olarak deforme eden veya malzemeyi veren) hareket ettirmek için daha büyük bir stres uygulanmalıdır. Bu nedenle malzemede daha yüksek bir akma gerilimine neden olur. Birçok malzeme özelliği yalnızca dökme malzemenin bileşimine bağlıyken, akma dayanımı da malzeme işlemeye son derece duyarlıdır.

Kristal malzemeler için bu mekanizmalar şunları içerir:

Sertleştirme

Malzemenin deforme edilmesinin, malzemedeki yoğunluğunu artıran dislokasyonlara neden olacağı durumlarda . Bu, malzemenin akma mukavemetini arttırır, çünkü artık bu çıkıkları bir kristal kafes boyunca hareket ettirmek için daha fazla stres uygulanması gerekir. Çıkıklar da birbirleriyle etkileşime girerek dolanabilir.

Bu mekanizmanın yönetim formülü şudur:

burada akma gerilimi, G kayma elastik modülü, b Burgers vektörünün büyüklüğü ve dislokasyon yoğunluğudur.

Katı çözelti güçlendirme

Tarafından alaşım malzemesi, düşük konsantrasyonlarda safsızlık atomları gibi doğrudan ilave yarı düzlem kusur aşağısında, doğrudan bir dislokasyon altında bir kafes konumu işgal edecektir. Bu, boş kafes boşluğunu safsızlık atomu ile doldurarak, dislokasyonun hemen altındaki bir çekme gerilimini hafifletir.

Bu mekanizmanın ilişkisi şu şekildedir:

burada bir kesilme baskısı sünme stresi ile ilgili, ve yukarıdaki örnekte olduğu gibi aynı, solüt konsantrasyonu ve bağlı katışkı ilave edilmeden kafes içinde indüklenen suşudur.

Parçacık/çökelti güçlendirme

İkincil bir fazın varlığı, kristal içindeki çıkıkların hareketini bloke ederek akma mukavemetini artıracaktır. Matris boyunca hareket ederken, malzemenin küçük bir parçacığına veya çökeltisine karşı zorlanacak bir çizgi kusuru. Dislokasyonlar, ya parçacığı keserek ya da parçacığın etrafında yeni bir çıkık halkasının oluşturulduğu eğilme ya da çınlama olarak bilinen bir süreçle bu parçacık içinde hareket edebilir.

Kesme formülü şu şekildedir:

ve eğilme/zilleme formülü:

Bu formüllerde, parçacık yarıçapı, matris ile parçacık arasındaki yüzey gerilimi, parçacıklar arasındaki mesafedir.

Tane sınırı güçlendirme

Bir tane sınırında bir çıkık birikmesi, çıkıklar arasında itici bir kuvvete neden olduğunda. Tane boyutu küçüldükçe, tanenin yüzey alanı/hacim oranı artar ve tane kenarında daha fazla dislokasyon oluşmasına izin verir. Dislokasyonları başka bir taneye taşımak çok fazla enerji gerektirdiğinden, bu dislokasyonlar sınır boyunca birikir ve malzemenin akma gerilmesini arttırır. Hall-Petch güçlendirmesi olarak da bilinen bu tip güçlendirme şu formüle tabidir:

nerede

çıkıkları hareket ettirmek için gereken stres,
bir malzeme sabitidir ve
tane boyutudur.

teorik akma dayanımı

Malzeme Teorik kesme mukavemeti (GPa) Deneysel kesme mukavemeti (GPa)
Ag 1.0 0.37
Al 0.9 0.78
Cu 1.4 0.49
Ni 2.6 3.2
α-Fe 2.6 27.5

Mükemmel bir kristalin teorik akma dayanımı, plastik akışın başlangıcında gözlenen gerilimden çok daha yüksektir.

Deneysel olarak ölçülen akma dayanımının beklenen teorik değerden önemli ölçüde düşük olması, malzemelerde dislokasyon ve kusurların varlığı ile açıklanabilir. Gerçekten de, mükemmel tek kristal yapıya ve hatasız yüzeylere sahip bıyıkların, teorik değere yaklaşan akma gerilimi gösterdiği gösterilmiştir. Örneğin, bakırın nano bıyıklarının, dökme bakırın gücünden çok daha yüksek ve teorik değere yaklaşan bir değer olan 1 GPa'da kırılgan kırılmaya maruz kaldığı gösterildi.

Teorik akma dayanımı, atomik seviyedeki verim süreci dikkate alınarak tahmin edilebilir. Mükemmel bir kristalde, kesme, tüm atom düzleminin aşağıdaki düzleme göre bir atomlar arası ayırma mesafesi, b kadar yer değiştirmesiyle sonuçlanır. Atomların hareket edebilmesi için, kafes enerjisinin üstesinden gelmek ve üst düzlemdeki atomları alt atomlar üzerinde ve yeni bir kafes bölgesine hareket ettirmek için önemli bir kuvvet uygulanmalıdır. Mükemmel bir kafesin kesmeye karşı direncinin üstesinden gelmek için uygulanan stres, teorik akma dayanımı τ max'tır .

Bir atom düzleminin stres yer değiştirme eğrisi, bir atom aşağıdaki atomun üzerine zorlandığında ve daha sonra atom bir sonraki kafes noktasına kayarken düştüğünde stres tepe noktaları olarak sinüzoidal olarak değişir.

atomlar arası ayrılma mesafesi nerede . Küçük gerilmelerde (yani Tek atomik mesafe yer değiştirmelerinde) τ = G γ ve dτ/dγ = G olduğundan, bu denklem şöyle olur:

a'nın atomların kayma düzlemi üzerindeki aralığı olduğu γ=x/a'nın küçük yer değiştirmesi için, bu şu şekilde yeniden yazılabilir:

Şuna eşit bir τ max değeri vermek:

Teorik akma dayanımı yaklaşık olarak .

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya