IMT1_007 תכונות מכניות

הרבה מהנושאים כאן חופפים לנושא המקביל במכניקת מוצקים.
החלקים הרלוונטיים הם מ-מאמץ ועיבור עד מאמץ ועיבור אמיתיים.

דפורמציה אלסטית

דפורמציה בה המאמץ והעיבור פרופורציונליים נקראת דפורמציה אלסטית:

שיפוע הגרף של קטע לינארי זה הוא מודול יאנג - .
בדפורמציה אלסטית, כאשר הכוח החיצוני משוחרר, החלק חוזר לצורתו המקורית. בגרף, הפעלת כוח היא בעצם עלייה מהראשית בכיוון הקו הישר. ברגע שחרור הכוח, יורדים בחזרה לאורך הקו עד לראשית בחזרה.

ישנם חומרים עבורם החלק האלסטי הזה של הגרף מאמץ-עיבור לא לינארי:

לכן, לא ניתן למצוא את מודול יאנג באותה הדרך הקודמת. עבור התנהגות לא לינארית זו, ניקח משיק לגרף, או חתך שלו () , ונמדוד את שיפועו, כפי שמוצג בגרף.

בסקלה האטומית, עיבור אלסטי בא לידי ביטוי כשינויים קטנים במרחקים הבין אטומיים, והתארכות של הקשרים האטומיים. כתוצאה מכך, גודל המודול האלסטי - מודול יאנג, הוא מדד להתנגדות להפרדה של אטומים שכנים. מעבר לכך, מודול זה פרופורציונאלי לשיפוע הגרף כוח-מרחק בשיווי משקל:

ערכי המודול יאנג עבור חומרים קרמיים הם כמעט זהים למתכות. עבור פולימרים הם נמוכים יותר. שוני זה הוא תוצאה של הסוגים השונים של הקשרים האטומים בשלושת סוגי החומרים. מעבר, לכך, עם עלייה של הטמפרטורה, מודול האלסטיות קטן כפי שניתן לראות בגרף הבא:

כלומר, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך יותר קל לנו למתוח את החומר.

יחס פואסון

כאשר מאמץ מתיחה פועל על מוט מתכתי, נוצרת התארכות אלסטית ועיבור בכיוון הפעלת המתיכה:

כתוצאה מהתארכות זו, תיווצר לחיצה בכיוונים ו-. מלחצים אילו, נוכל לחשב את עיבורי הלחיצה ו-. אם המאמץ המופעל הוא רק בכיוון , והחומר הוא איזותרופי (תכונותיו זהות בכל כיווניו), אז . פרמטר שנקרא יחס פואסון מוגדר כהיחס בין העיבור הניצב לעיבור המקביל למאמץ המופעל:

הגדרה:

מאחר ו- ו- מתארים לחיצה לעומת המתיחה של , הסימן שלהם יהיה הפוך. לכן, כדי שהיחס יהיה חיובי, יחס פואסון מוגדר עם הסימן מינוס.

דפורמציה פלסטית

עבור רוב החומרים המתכתיים, דפורמציה אלסטית מתרחשת רק עד עיבור גדול כ-. ככל שהחומר מעוות יותר מעבר לנקודה זו, המאמץ לא פרופורציונאלי יותר לעיבור, ודפורמציה תמידית, לא ניתנת לשחזור - דפורמציה פלסטית מתרחשת.

רוב המבנים מעוצבים כך שלכל היותר, רק דפורמציה אלסטית תתרחש כאשר פועל עליהם עומס. מבנה או חומר שעבר דפורמציה פלסטית, לא בהכרח יפעל יתנהג כצפוי. לכן, נרצה לדעת מתי דפורמציה זו, הכניעה, מתחילה.
עבור מתכות שעוברות את המעבר אלסטי-פלסטי, נקודת הכניעה ניתנת כהנקודה בה הגרף מפסיק להיות לינארי. אבל, ברוב המקרים, קשה למצוא בדיוק את נקודה זו. לכן, ישנה מוסכמה לפיה קובעים את נקודה זו (מופיע באיור למעלה):

1. בונים קו מקביל לחלק הלינארי של הגרף.
2. מזיזים את הקו ב- ימינה.
3. נקודת החיתוך של הקו עם הגרף היא נקודת הכניעה.

מאמץ הכניעה, , הוא ערך המאמץ בנקודת הכניעה.

משיכות

משיכות היא תכונה מכנית שמהווה את דרגת הדפורמציה הפלסטית שהדגם סבל עד נקודת השבר. נאמר שחומר שהגיע לנקודת השבר עם מעט דפורמציה פלסטית הוא פריך, כאשר עבור המקרה ההפוך נאמר כי החומר משיך.

המשיכות של חומר תלויה גם בטמפרטורה שלו. עבור מתכות, ככל שהטמפרטורה יותר נמוכה, כך המתכת יותר פריכה:

צפידות וחסינות

בתחום האלסטי, אנרגיית העיבור ליחידת נפח נקראת צפידות - יכולת החומר לבלוע אנרגיה בדפורמציה אלסטית ולשחררה לאחר פריקת העומס.

מבחינה חישובית, הצפידות היא השטח מתחת למאמץ ההנדסי עד לנקודת הכניעה:

מאחר ואנו באזור האלסטי, ערך הצפידות היא פשוט שטח המשולש:

נוסחה:

בתחום הפלסטי, סך השטח מתחת לעקום הוא סך האנרגיה ליחידת נפח שמושקעת בחומר תוך עיוותו, והוא נקרא חסינות. זו יכולת החומר לבלוע אנרגיה עד לשבר.

עיבור שיורי

ברגע שחרור העומס במהלך ניסוי מתיחה, חלק מכלל הדפורמציה חוזר בחזרה כעיבור אלסטי:

עיבור שיורי הוא העיבור הפלסט שנשאר בדגם לאחר הסרת העומס. סה”כ העיבור בחומר שווה לעיבור פלסטי + עיבור אלסטי:

נוסחה:

חיסום בעיבור

חיסום בעיבור היא תופעה בה מתכת הופכת להיות קשה וחזקה יותר כאשר היא עוברת דפורמציה פלסטית. לפעמים נקרא גם עבודה קרה, מאחר והטמפרטורה בה תופעה זו מתרחשת יחסית נמוכה לטמפרטורת ההיתוך של החומר.

נקודת הכניעה של מתכות שונות כתלות באחוז העבודה הקרה שהתבצעה עליהם.

חיזוק על ידי הקטנת גודל גרעינים

גודל הגרעינים במתכת רב גבישית משפיע על התכונות המכניות. גרעינים שכנים לרוב בעלי כיוונים קריסטולוגרפים שונים, וכמובן, גבול גרעין משותף, כפי שניתן לראות באיור הבא:

בזמן דפורמציה פלסטית, החלקה מתרחשת לאורך הגבול, למשל כמו באיור - מגרעין לגרעין . הגבול משמש כמגן מההחלקה מאחר ו:

1. שני הגרעינים בעלי כיוונים שונים. נקע העובר דרך גרעין יהיה חייב לשנות את כיוון תנועתו.
2. אי סדר האטומים בגבול יגרום לאי-המשכיות של מישור ההחלקה מגרעין אחד לאחר.

חומר בעל גרעינים מאוד קטנים יותר קשיח וחזק מחומר בעל גודל גרעינים גדול, מאחר ולראשון יש שטח גבולות גרעין יותר גדול המגביל תנועת נקעים.

השפעת גודל הגרעין על מאמץ הכניעה . שימו לב כי גודל הגרעין נתון בירידה משמאל לימין, וגם כי הוא לא לינארי.