TERÄSOPAS
4.4 Staattiset lujuus- ja sitkeysominaisuudet
4.4.1 Myötölujuus
Teräksen myötölujuudella ymmärretään sitä jännitystä, jolla koesauvassa staattisessa vetökokeessa alkaä tapahtua merkittävää plastista muodonmuutosta.
Myötölujuus on vetokokeella määritettävistä lujuusominaisuuksista tärkein ja samalla problemaattisin. Tärkeäksi tekee myötölujuuden se, että sitä käytetään yleensä perustana määrättäessä laskentalujuuksia teräkselle: Plastisiteettiteoriaan perustuvissa lujuuslaskelmissa (esim. kantokuormamenettely) on myötölujuus se rajajännitys, jolla myötämisen oletetaan alkavan. Näiden seikkojen vuoksi tapahtuu ferriittisten rakenneterästen lujuusluokittelu myös yleisesti myötölujuuden perusteella.
Tilakeskisen kuutiohilan omaavissa metalleissa kuten teräk sessä, esiintyy yleensä terävä.myötöraja, jossa siihen asti kimmoisasti käyttäytynyt vetosauva alkaa yht'äkkiä venyä plastisesti. Kerran alkuun päästyään jatkuu plastinen venyminen pienemmällä jännityksellä. Myötämisen alkamiseen tarvittavaa keskimääräistä jännitystä sanotaan ylemmäksi myötörajaksi (sigma s0, kuva 53) ja venymisen jatkumiseen tarvittavaa jännitystä alemmaksi myötörajaksi (sigma su, kuva 53). Terävän myötörajan esiintymisen selitetään johtuvan tilakeskisen kuutiohilan omaavissa metalleissa tapahtuvasta voimakkaasta dislokaatioiden lukittumisesta Cottrellin pilviin. Terävän myötörajan esiintymistä suosivat myös sellaiset tekijät kuin pieni muokkauslujittumistaipumus ja pieni vapaiden dislokaatioiden määrä kylmämuokkaamattomassa tilassa.
Kun dislokaatiot pääsevät riistäytymään paikallisesti irti niitä sitovista Cottrellin pilvistä, jatkavat ne liikettään pienemmällä jännityksellä. Muodonmuutos keskittyy aluksi kapeisiin vyöhykkeisiin, ns. myötönauhoihin ja venyminen edistyy siten, että yhä uusia myötönauhoja muodostuu muokkautumattomiin alueisiin. Muokkauslujittuminen alkaa vasta, kun myötönauhat täyttävät rakenteen. Tätä vakiojännityksen vallitessa apahtuvaa venymää sanotaan myötövenymäksi. Myötövenymä pienenee lujuuden kasvaessa, niukkahiilisellä teräksellä saattaa myötövenymä olla 4--5 %, kun se eutektoidisella teräksellä on lähes 0 %.
Problemaattinen ja vaikeasti määriteltävä on myötölujuus useastakin syystä: On suuri joukko metall.isia materiaaleja, joilla ei esiinny terävää myötörajaa lainkaan; vaan niiden jännitysvenymäkäyrä on kuvassa 58 esitetyn kaltainen. Tällaisia ovat kaikki pintakeskisen kuutiohilan omaavat metallit, esim. austeniittinen teräs. Tämän selitettiin johtuvan austeniittisissa teräksissä siitä, että hiili- ja typpiatomit eivät pysty pintakeskisessä kuutiohilassa lukitsemaan ruuvidislokaatioita. Samaan suun taan vaikuttaa lisäksi se, että pintakeskisen kuutiohilan omaavissa metalleissa on huomattavasti enemmän vapaita dislokaatioita kuin tilakeskisen kuutiohilan omaavissa ja, että pintakeskisen kuutiohilan omaavien metallien muokkauslujittuminE on voimakkaampaa. Voimakkaasti kylmämuokatussa sekä suurilujuuksisessa, päästömartensiittisen mikrorakenteen omaavassa teräksessä ei myöskään esiinny terävää myötörajaa. Niissä on taas dislokaatioiden liikettä.vastustava kitkajänni.tys kehittynyt suuremmaksi kuin Cottrellin pilvistä irtautumiseen tarvittava jännitys. Irtautuneet dislokaatiot voivat liikkua tällöin vain jatkuvasti kasvavan jännityksen vaikutuksesta eikä näin ollen voi esiintyä mitään.alempaa myötörajaa.
Kuva 58.Jännitys-venymäpiirros,
jossa ei esiinny terävää myötörajaa.
Terävän myötörajan puuttuessa on sovittu sen asemesta käytettäväksi venymisrajaa sigma e1 (kuva 58) eli jännitystä, jolla pysyvä venymä saa arvon e1. Tavallisimmin käytetään e1:lle arvoa 0,2 %, jolloin puhutaan 0,2-rajasta.
Eräissä tapauksissa on tarpeen määritellä kimmoisen ja plastisen alueen raja eli se jännitys, jolla kimmoteoriaan perustuvissa lujuuslaskuissa voidaan pysyvää venymää pitää vielä merkityksettömänä. Tämän ns. kimmorajan kriteeriksi(sigmaE) valitaan usein e1 = 0,01 %. Ferriittis-perliittisten terästen ylempi myötöraja riippuu herkästi jännityksen kasvunopeudesta kimmoisella alueella sekä lämpötilasta. Jännityksen kasvunopeuden lisääntyessä kasvaa myötölujuus (kuva 59); samoin käy, kun lämpötila laskee (kuva 60). Jotta myötölujuuden arvot olisivat vertailukelpoisia, on tämän vuoksi tärkeää, että myötölujuutta määritettäessä muodonmuutosnopeus kimmoisella alueella ja koelämpötila on eri kokeissa samat. Nuorrutetun sekä kylmämuokatun teräksen 0,2-raja riippuu myös. vetonopeudesta ja lämpötilasta samoin kuin ferriittis-perliittisellä teräksellä. Austeniittisella teräksellä riippuu 0,2-raja vetonopeudesta herkästi, mutta ei sen sijaan lämpötilasta juuri lainkaan.
Viime aikoina on alempaa myötörajaa alettu käyttää yhä enemmän aikaisemmin lähes yksinomaan käytössä olleen ylemmän myötörajan asemesta myötölujuuden kriteeriona. Tähän on useita syitä: alempi myötöraja on vähemmän herkkä koeolosuhteille kuin ylempi ja alemman myörörajan suhteen laskettu varmuus on yksikäsitteisempi kuin ylemmän myötörajan suhteen laskettu. Ylikuormituksen sattuessa ei alemman myötörajan ylittäminen johda vielä pysyvien muodonmuutosten syntymiseen. Ylemmän myötörajan ylittäminen johtaa sen sijaan useankin prosentin pysyvään.muodonmuutokseen. Muodonmuutos tapahtuu vielä laskevan jännityksen aikana, sillä alempi myötöraja on yleensä n. 2 kp/mm2 ylempää myötörajaa alempi.
Kuva59.Vetonopeuden vaikutus vetokokeessa mitattuihin lujuusarvoihin niukkahiilisellä teräksellä (C=0.06%)
Kuva60. Koelämötilan ja raekoon vaikutus
vetokokeessa mitattuun myötölujuuteen
niukkahilisellä teräksellä Imatra Fe 37 (C=0.14 %)
Myötölujuus on fysikaalisesti merkitsevä lujuusarvo ja ilmoittaa todellisen jännityksen myötämisen alkaessa. Myötölujuus on myös rakenneherkkä ominaisuus, sellaiset seikat kuin raekoko ja mikrorakenne vaikuttavat siihen suuresti. Raekoon vaikutuksesta on kokeellisesti todettu, että ylempi myötöraja niukkahiilisessä teräksessä on kääntäen verrannollinen keskimääräisen raekoon neliöjuureen (kuva 60). Mikrorakenteen vaikutus ilmenee herkästi myötörajasuhteessa, jolla tarkoitetaan myötörajan suhdetta murtolujuuteen ( Re / Rm). Esim. karkaistun ja päästetyn teräksen myötörajasuhde riippuu voimakkaasti suhteellisesta martensiittipitoisuudesta ja sitä voidaan näin ollen käyttää karkenemisen täydellisyyden mittana.
4.4.1.1 Myötövanheneminen
Kylmämuovauksen vaikutuksesta häviää niukkahiilisen teräksen terävä myötöraja ja jännitys-venymäkäyrä tulee kuvassa 58 esitetyn kaltaiseksi. Kylmämuokkauksen vaikutuksesta ovat dislokaatiot riistäytyneet irti niitä sitovista Cottrellin pilvistä ja dislokaatioiden määrä on kertautumisen vaikutuksesta kohonnut hyvin suureksi. Suurin osa dislokaatioista on takertunut ruuhkiin liikkumattomiksi, mutta osa on vapaana toimimaan dislokaatiolähteinä heti, kun leikkausjännitys liukutasoilla ylittää dislokaatioiden liikettä vastustavien tekijöiden aiheuttaman kitkajännityksen. Jos muokattu teräs saa seistä jonkun aikaa huoneenlämpötilassa, alkaa dislokaatioiden jännityskenttään keräytyä välisija-atomeja, lähinnä hiiltä ja typpeä. Terävä myötöraja ilmestyy jännitys-venymäkäyrään uudelleen, mutta muokkautumattomaan teräkseen verrattuna huomattavasti korkeampana. Tätä ilmiötä sanotaan luonnolliseksi vanhenemiseksi. Huoneenlämpötilassa kestää vanhenemisprosessin loppuunsaattaminen n. 2 viikkoa. Prosessia voidaan kiihdyttää kohottamalla kappaleen lämpötilaa muokkauksen jälkeen, jolloin hiilen ja typen diffuusionopeudet kasvavat. Tällöin puhutaan keinotekoisesta vanhentamisesta. Tavallisesti tapahtuu keinotekoinen vanhentaminen hehkuttamalla kappaletta 250°C:ssa 1/2 tuntia.
4.4.2 Murtolujuus
Murtolujuudella (Rm ) ymmärretään vetosauvassa vallitsevaa nimellisjännitystä jännitys-venymäkäyrän korkeimmalla kohdalla. Murtolujuus lasketaan jakamalla vetokokeessa saatu maksimivoima koesauvan alkuperäisellä pinta-alalla S0. Murtolujuus ei näin ollen kuvaa todellista jännitystä kuroutumisen alkamishetkellä eikä ole siis fysikaalisesti merkitsevä lujuusarvo. Murtolujuutta on aikaisemmin käytetty lähes yksinomaisena perusteena luokiteltaessa teräksiä lujuuden mukaan. Fysikaalisesti merkitsevä myötölujuus on kuitenkin alkanut yhä enemmän syrjäyttää sitä tästä tehtävästä. Eräs tärkeä perustelu tälle kehitykselle on, että useimmat muut teräksen lujuuden kriteeriot (virumislujuus, väsymislujuus, iskusitkeys, kovuus jne.) korreloivät paremmin myötölujuuden kuin murtolujuuden kanssa. Tämä onkin luonnollista sillä kaikki nämä eri lujuuskriteerit riippuvat samoista dislokaatiorakenteessa tapahtuvista ilmiöistä kuin myötölujuuskin. Murtolujuudella on tekniikassa kuitenkin merkitystä, sillä tulo Rm x S0 ilmoittaa suurimman voiman, mitä rakenne voi kestää murtumatta ja täten on sen ilmoittaminen myötölujuuden lisäksi perusteltavissa. Näennäistä murtolujuutta vastaava todellinen jännitys saadaan jakamalla voima Fmax (kuva 61) koesauvan todellisella pinta-alalla
Kuva61. Voima-venymä piirros kaavamaisesti esitettynä
Kun pysyvä venymä ylittää arvon et, alkaa koesauva kuroutua tulevasta murtumiskohdastaan. Kuroutumakohdan kapeimmassa kohdassa määritetty todellinen jännitys kasvaa jatkuvasti kuroutumisen edistyessä. Todellinen murtolujuus RB saadaan likimäärin jakamalla murtumishetkellä vallitseva voima FB kuroutumakohdan pinta-alalla SB (kuva 61). Todellista jännitystä venymän funktiona kuvaava käyrä tulee täten jatkuvasti nousevaksi.
4.4.3 Murtovenymä
Murtovenymä on yleisimmin käytetty metallien sitkeyskriteerio. Murtovenymä lasketaan seuraavasta kaavasta:
Tällöin Lu mitataan siten, että murtumakohta on mahdollisimman keskellä mittapituutta.Murtovenymä muodostuu kahdesta tekijästä: tasavenymästä, joka on tasan jakautunut pitkin mittapituutta sekä paikallisesta kuroumasta. Murtovenymän suuruus riippuu tällöin alkuperäisen mittapituuden L
4.4.4 Tasavenymä
Tasavenymällä ymmärretään sitä pysyvää venymää, mikä koesauvassa on tapahtunut ennen paikallisen kuroutumisen alkamista. Kun jännitys vetokokeessa ylittää myötölujuuden, alkaa koesauva venyä plastisesti. Vakiotilavuushypoteesin mukaisesti pyöreä koesauva ohenee samalla siten, että suhteellisen venymän ja ohenemisen suhde = 2. Koesauvan ohenemisesta huolimatta vetovoima kasvaa muokkauslujittumisen ansiosta tiettyyn maksimiarvoon Fmax (kuva 61) saakka. Tähän rajaan saakka pystyy lisääntyvä muokkauslujittuminen korvaamaan poikkipinnan pienenemisen vaikutuksen. Kun muodonmuutos kasvaa edelleen, alkaa jossain kohdassa paikallinen kuroutuminen, minkä aikana tasavenymä muualla voi vielä kasvaa. Tasavenymä lasketaan seuraavasta kaavasta:
jolloin Lg ja Sg on mitattava niin kaukaa murtumakohdasta, että kuroutuminen.ei vaikuta mittaustulokseen. Tasavenymä voidaan laskea likimääräisesti myös kaavasta:
Ag ~ 2 A10 - A5
Eg = ln Lg/Lo = ln So/Sg = ln (1 + Ag/100 )
niin Eg = muokkauslujittumiskerroin n, joka määrää metallin todellisen jännityksen vetokokeessa (tai muussa kylmämuokkauksessa) luonnollisen muokkausasteen funktiona. Tämä yhteys tarjoaa helpon keinon muokkauslujittumiskäyrän piirtämiseen yhden vetokokeen tulosten perusteella. Edellä mainittua potenssifunktiota kuvaa kaksoislogaritmisessa koordinaatistossa suora, jonka kulmakerroin n = Eg (kuva 55). Kulmakertoimen lisäksi tarvitaan yksi piste suoran piirtämiseksi. Jännitys-venymäkäyrän yhtälöstä nähdään, että vakio K = todellinen jännitys muodonmuutoksen ollessa E = 1. Tälle jännitykselle voidaan johtaa lauseke:
4.4.5 Murtokurouma
Kun metallin muokkauslujittuminen ei enää pysty korvaanaan pysyvän venymän aiheuttamaa poikkipinnan pienenemistä, alkaa vetosauva kuroutua. Tällöin tulee edelleen jatkuvan muokkauslujittumisen avuksi geometrinen tekijä, kuroutumisesta aiheutuva jännityksen kolmiaksiaalisuus, mikä näennäisesti nostaa aksiaalista myötämisjännitystä ja auttaa siten pitämään kurissa kasvavaa vetovoimaa.
Kuroutumista jatkuu niin pitkälle kuin aineen muodonmuutoskyky riittää johtaen lopulta kuroutuman keskustasta alkavaan murtumiseen. Kuroutumisen suuruus kuvastaa siten aineen kykyä kestää murtumatta plastista muokkausta ja antaa siten hyvän pohjan arvostella esim. paikallisten jännityshuippujen mahdollisuuksia tasoittua paikallisella plastisella muokkautumisella. Täten sillä on suuri merkitys arvosteltaessa metallin sopivuutta konstruktiomateriaaliksi. Murtokurouma lasketaan seuraavasta kaavasta:
Täten määritelty murtokurouma muodostuu kahdesta komponentista: tasavenymän aiheuttamasta pinta-alan pienenemisestä sekä varsinaisesta.paikallisesta kuroutumisesta aiheutuvasta pinta-alan pienenemisestä. Koska näiden kahden tekijän suhteella on tiettyä merkitystä, tarkastellaan tätä kysymystä tarkemmin. Edellisen yhtälön mukaista lineaarista esitystapaa käytettäessä ei tätä kysymystä voida selvittää, sillä lineaarinen tasavenymä perustuu venymämittaukseen ja lineaarinen murtokurouma pinta-alojen mittaamiseen eivätkä ne näin ollen ole vertailukelpoisia. Luonnollista muokkausastetta käyttämällä voidaan asia sen sijaan selvittää. Tasavenymä on luonnollisen muokkausasteen avulla esitettynä:
