Mida on voolavuspiir?
Tugevus on suurim pinge, mida materjal talub ilma püsiva deformatsioonita. See kujutab endast hetke, mil materjal muudab püsivalt oma kuju (s.t. pärast pinge eemaldamist ei lähe ta enam tagasi oma endisele kujule). Kuni voolavuspiirini on materjal elastne ja jõu eemaldamisel taastab ta oma algse kuju. Pärast seda piiri siseneb materjal plastilise deformatsiooni piirkonda ja ei naase pärast jõu eemaldamist oma varasemasse olekusse.
See on oluline materjalitehnika ja konstruktsiooni projekteerimisel. Materjali voolavuspiir on oluline, et vältida deformatsiooni ja rikkeid koormuse all. Tehnoloogilised rakendused, nagu ehitus, lennundus ja autotööstus, kasutavad voolavuspiirangut, et tagada komponentide vastupidavus koormustele ja pingetele aja jooksul.
Võimumisvõime valem
Materjalile rakendatud jõud ja selle ristlõike pindala määravad selle voolavuspiirid lihtsa valemi abil. Väljendatakse järgmiselt.
Kus:
- –σ_Y = voolavuspiir (mõõdetuna Paskalites, Pa, või megapaskalites, MPa).
- –F = rakendatud jõud (mõõdetuna njuutonites, N)
- –A = materjali ristlõike pindala (mõõdetuna ruutmeetrites, m²).
Voolavuspiir antakse tavaliselt Paskalites (Pa) või megapaskalites (MPa), kus 1 MPa võrdub 1 miljoniga Paskalites. See lihtne valem näitab meile, kui suurt pinget võib materjal enne plastilist deformeerumist vastu võtta.
Näiteks kui 10 mm² ristlõikepinnaga terasvarda suhtes rakendatakse jõudu 1000 N, siis voolavuspiir saab arvutada järgmiselt:
See näitab 100 MPa terase voolavuspiiri. Kui pinge ületab selle künnise, deformeerub teras püsivalt.
Millised tegurid mõjutavad voolavuspiirangut?
Materjali voolavuspiir määratakse mitmete tegurite abil.
Materjali koostis
Materjali voolavuspiir on suuresti mõjutatud selle keemilisest koostisest. Näiteks terase voolavuspiir on suurem kui alumiiniumil, kuna selles on süsinikku ja muid legeerivaid komponente, mis suurendavad selle tugevust.
Temperatuur
Temperatuuri tõustes väheneb sageli voolavuspiir. Kõrge temperatuuriga rakendustes, näiteks mootorites või elektrijaamades kasutatavad metallid võivad kõrgetel temperatuuridel halveneda, kuigi nad toimivad ümbritseval temperatuuril piisavalt hästi.
Töötlus ja töötlemine
Külmetöötlus, kuumtöötlemine ja legeerimine on kõik protsessid, mis võivad suurendada materjali voolavuspiirangut. Näiteks terast saab tugevdada selliste toimingute abil nagu kärbamine ja karastamine.
Koore struktuur
Materjali kristalliterade suurus ja orientatsioon võivad mõjutada ka voolavuspiirangut. Peenematel teradel on suurem voolavuspiiride tugevnemise tõttu suurem voolavuspiir.
Pingestus-tugevuskõver ja voolavuspiir
Et paremini mõista, kuidas voolavuspiir toimib reaalsetes tingimustes, vaadelge pinge-pinge kõverat. Pingestus-venimiskõver kujutab materjali reaktsiooni rakendatud pingele. See pakub kriitilist teavet materjali käitumise kohta pinge all, näiteks selle elastsuse, plastilisuse ja purunemispunkti kohta.
Pinge-venitus kõverat saab jagada mitmeks oluliseks piirkonnaks.
Elastiline piirkond
Selles piirkonnas käitub materjal elastselt, mis tähendab, et pinge on proportsionaalne rakendatud pingega. Kui materjali selle aja jooksul ei koormata, omandab see taas oma varasema kuju. Selles faasis on pinge-venitus seos lineaarne ja selle joone kaldenurk on tuntud kui elastsusmoodul (Youngi moodul).
Tootepunkt
See on võtmemoment, mil materjal läheb elastsest deformatsioonist üle plastilisele deformatsioonile. Kui voolavuspiir on saavutatud, hakkab materjal pöördumatult deformeeruma. See on hetk, mil määratakse kindlaks materjali **murenemistugevus**. Mõnedel materjalidel, näiteks leebel terasel, võib esineda **tüübiplaat**, mille puhul materjal püsib pikema aja jooksul püsiva pingetasemega, enne kui algab täiendav deformatsioon.
Plastiline piirkond
Pärast voolavuspiirini jõudmist läheb materjal plastilisse piirkonda ja deformeerub pöördumatult. Pinged ja pinged ei ole enam lineaarselt seotud ja materjalil tekib **plastiline deformatsioon**, mis ei taastu koormuse eemaldamisel.
Tõmbetugevus (UTS)
See on kõrgeim pinge, mida materjal võib enne rikkeid taluda. Pärast seda etappi hakkab materjal tavaliselt kaelastuma ja lõpuks pragunema.
Murdepunkt
Koht, kus materjal puruneb või murdub. See on pinge-venimiskõvera lõpp.
| Piirkond | Kirjeldus |
|---|---|
| Elastne piirkond | Lineaarne suhe; taastab algse kuju |
| Saagikuspunkt | Üleminek elastsest käitumisest plastiliseks käitumiseks |
| Plastist piirkond | Tekib püsiv deformatsioon |
| Lõplik tõmbetugevus | Maksimaalne pinge enne läbikukkumist |
| Murdepunkt | Punkt, kus materjal puruneb |
Kuidas testida ja mõõta voolavuspiirangut?
Tõmbekatsed on kõige sagedasem meetod materjali voolavuspiiride määramiseks. Selle katse puhul rakendatakse materjali proovile suurenevat jõudu, kuni see deformeerub. Andmete põhjal koostatakse pinge-venemiskõver ja voolavuspiir arvutatakse siis, kui materjal läheb elastsest käitumisest üle plastiliseks käitumiseks.
Muud meetodid voolavuspiiride määramiseks hõlmavad **kõrgusuuringuid** (näiteks Brinelli või Rockwelli kõvadus), mis võivad anda ligikaudseid hinnanguid voolavuspiiride kohta, mis põhinevad materjali muljumiskindlusel. Tõmbekatsed on aga jätkuvalt kõige täpsem ja populaarsem meetod.
Milline on voolavuspiiride tähtsus inseneriteaduses?
Mahtuvus on inseneriteaduses oluline mitmel põhjusel.
- –Materjalide valik: Insenerid peavad valima konkreetsete rakenduste jaoks vastuvõetava voolavuspiiriga materjalid, et tagada ohutus ja funktsionaalsus.
- –Konstruktsiooni terviklikkus: voolavuspiiride tundmine võimaldab inseneridel projekteerida konstruktsioone, mis suudavad vastu pidada oodatavatele koormustele ilma püsiva deformatsioonita.
- –Reguleeriv vastavus: Paljudel ettevõtetel on nõuded, mis nõuavad, et materjalidel oleks teatud voolavuspiirid, et tagada ohutus ja usaldusväärsus.
Tugevus erinevates materjalides
Materjalide voolavuspiir on väga erinev ja sobiva materjali valimist konkreetse rakenduse jaoks mõjutab suuresti voolavuspiir ja toimivus teatud tingimustel.
- Metallid: Laialdaselt kasutatakse kõrge voolavuspiiriga metalle, nagu teras, titaan ja alumiinium. Näiteks:
- –Terasest võib ulatuda 250 MPa-st leebe terase puhul kuni üle 2000 MPa-ni kõrge tugevusega terasesulamite puhul.
- –Titaan on tuntud oma suure tugevuse ja kaalu suhte poolest, mille voolavuspiir on ligikaudu 900 MPa.
- –Alumiiniumi sulamid on palju väiksema voolavuspiiriga (umbes 150 MPa), kuid neid eelistatakse olukordades, kus kaal on oluline.
- Polümeerid: Materjalidel, nagu plastid ja kummi, on palju madalam voolavuspiir kui metallidel. Erinevate kasutusviiside jaoks on nad siiski tänu oma kohanemisvõimele ja keskkonnamuutuste taluvusele ideaalsed. Näiteks **polükarbonaadi** voolavuspiir on umbes 60 MPa, samas kui **PVC** voolavuspiir võib olla kuni 50 MPa.
- Komposiidid: Kuigi kerged, on süsinikkiust ja klaaskiust komposiitidel suur voolavuspiir. Eriti süsinikkiust komposiitmaterjalid võivad saavutada voolavuspiirid üle 1000 MPa, mis muudab need ideaalselt sobivaks kõrgtehnoloogiliste ja kosmosesõidukite jaoks.
Millised on voolavuspiiride rakendused
Paljudes erinevates tehnikavaldkondades on materjalide voolavuspiir väga oluline, et tagada nende ettenähtud viisil toimimine, ilma et need rikneksid.
Konstruktsioonitehnika
Ehitusdetailide, nagu talad, sambad ja tugevdused, materjalide valimine sõltub suuresti voolavuspiirist. Konstruktsiooniteras ja raudbetoon on kavandatud nii, et nad peavad vastu suurele koormusele ja pingele ilma püsiva deformatsioonita.
Auto- ja lennundustööstus
Lennukite komponentide, mootoriosade ja autode raamide projekteerimisel on vaja voolavuspiirangut, kuna tüüpilised on rasked koormused ja võimalikud löögid. Sageli valitakse nendeks kasutusaladeks kõrge tugevusega teras, titaan ja süsinikkiud.
Tootmine ja elektroonika
Sobiva voolavuspiiriga materjale kasutatakse tootmises tööriistade, seadmete ja mikroelektroonika tootmiseks. Kui **kirurgilised tööriistad** või **lennukite osad** vajavad oluliselt suurema voolavuspiiriga materjale, siis **nutitelefonide** või **laptopide** komponendid võib valmistada väiksema voolavuspiiriga metallidest.
Kokkuvõte
Erinevate materjalidega töötavad insenerid ja projekteerijad peavad mõistma voolavuspiirangut. See määrab, kui suurt pinget materjal suudab taluda enne pöördumatut deformatsiooni, tagades tehnilise ohutuse ja toimimise. Valemid ja pinge-venemiskõverad aitavad ekspertidel valida materjale ja tagada konstruktsiooni terviklikkust.
