חוזק מתכת מתייחס ליכולתם של חומרי מתכת להתנגד לעיוות ולנזק כאשר הם נתונים לכוחות חיצוניים. זהו אחד האינדיקטורים החשובים למדידת התכונות המכניות של חומרי מתכת.
הגדרה וסיווג של חוזק מתכת
ניתן לחלק את חוזק המתכת לסוגים רבים בהתאם לצורות השונות של כוח חיצוני.
חוזק מתיחה (חוזק מתיחה):
הכוונה לכוח המתיחה המקסימלי שחומר מתכת יכול לעמוד בו בבדיקת מתיחה, כלומר ערך המתח המרבי אליו מגיע הדגימה במהלך תהליך המתיחה עד לשבירה. חוזק מתיחה הוא כושר הנשיאה המקסימלי של חומר מתכת בתנאי מתיחה סטטיים.
חוזק לחיצה:
מתייחס ליכולת המקסימלית של חומר מתכת לעמוד בפני נזק תחת לחץ. דומה לחוזק מתיחה, אך כיוון הכוח הפוך.
חוזק כפיפה:
מתייחס ליכולת של חומר מתכת להתנגד לנזק כאשר הוא נתון לכוח כיפוף. זה משקף את התכונות המכניות של החומר תחת עומס כיפוף.
חוזק גזירה:
מתייחס ליכולת המקסימלית של חומר מתכת לעמוד בפני נזקי גזירה תחת כוח גזירה. כוח גזירה הוא כוח מאונך לפני השטח של החומר, הגורם להחלקה יחסית בתוך החומר.
עמידות החומר:
הכוונה למתח המרבי שחומר מתכת יכול לעמוד בו מבלי להישבר בתוך מספר מוגדר של מחזורים (כגון פי 10^7) כאשר הוא נתון למתח מתחלף (או מתח לסירוגין). חוזק עייפות הוא אינדיקטור ביצועים חשוב של חומר תחת עומס לסירוגין.
חוזק פיתול וקשיות
בנוסף, ישנם מדדי חוזק נוספים כגון חוזק פיתול וקשיות, המשמשים לאפיון התכונות המכניות של חומרי מתכת בתנאי לחץ שונים.
גורמים המשפיעים על חוזק המתכת
מבנה הקריסטל של המתכת:גודל הגרגר, כיוון הגביש והמאפיינים של גבולות הגרגרים ישפיעו על חוזק המתכת. ככל שגודל הגרגיר קטן יותר וגבולות הגרגרים יותר, כך חוזק חומר המתכת גבוה יותר בדרך כלל.
אלמנטים סגסוגת:ניתן לשנות באופן משמעותי את חוזקם של חומרי מתכת על ידי הוספת אלמנטים סגסוגים. אלמנטים סגסוגת יכולים לשנות את מבנה הגביש, גודל הגרגר ותכונות גבול הגרגירים של המתכת, ובכך להשפיע על חוזק החומר.
עבודה קרה וטיפול בחום:עבודה קרה (כגון גלגול קר, שרטוט קר וכו') יכולה לשפר משמעותית את חוזקם של חומרי מתכת מכיוון שעבודה קרה עלולה להכניס נקעים ולהגביל את צמיחת הגרגרים. טיפול בחום (כגון חישול, מרווה וכו') יכול להתאים את החוזק של חומרי מתכת על ידי שינוי מבנה הגביש.
טֶמפֶּרָטוּרָה:לטמפרטורה יש השפעה משמעותית על חוזקם של חומרי מתכת. בטמפרטורות גבוהות, חוזק המתכות פוחת בדרך כלל מכיוון שמבנה הגביש הופך לא יציב. עם זאת, בטמפרטורות נמוכות, מתכות מסוימות יכולות להפגין חוזק מעולה, מה שנקרא אפקט חיזוק הטמפרטורה הנמוכה.
גבולות גרגר ופגמים:גבולות גרגרים הם ממשקים בין גרגרים סמוכים, שבהם יש אי סדרים בסידור האטומים. גבולות התבואה יכולים לעכב את התנועה של נקעים, ובכך להגביר את חוזק החומרים.
בנוסף, פגמים (כגון תכלילים, חללים וכו') יכולים גם להפחית את חוזקם של חומרי מתכת.
שיטות בדיקה לחוזק מתכת
בדיקת מתיחה:דגימת המתכת נמתחת במכונת בדיקה מכנית עד שהיא נשברת, ונתוני הכוח והעיוות של המדגם נרשמים כדי לקבל עקומת מתח-מתח. ניתן לחשב עקומה זו את מודול האלסטי, חוזק התפוקה, חוזק המתיחה ופרמטרים נוספים של המתכת.
הערה:
התוצאות של בדיקת מתיחה מתכת מתבטאות בדרך כלל על ידי עקומת מתיחה, המתארת את הקשר בין העומס והדפורמציה של הדגימה במהלך תהליך המתיחה. ניתן לחלק את עקומת המתיחה לשלב האלסטי, שלב התנובה, שלב החיזוק ושלב הצוואר והשבר.
שלב אלסטי:בשלב המוקדם של המתיחה, הדגימה עוברת דפורמציה אלסטית, כלומר כאשר הכוח החיצוני מוסר, הדגימה יכולה לחזור למצבה המקורי. ניתן למדוד את מודול האלסטי של החומר בשלב זה.
שלב התשואה:כאשר המדגם מגיע לנקודת התפוקה, מתחיל להתרחש דפורמציה פלסטית, כלומר העיוות הוא בלתי הפיך. נקודת התפוקה היא בסיס חשוב להערכת חוזק התפוקה של החומר.
שלב חיזוק:לאחר שלב התפוקה, המדגם נכנס לשלב החיזוק, חוזק המתיחה של החומר עולה בהדרגה והדפורמציה הפלסטית ממשיכה להתפתח.
שלב הצוואר והשבר:כאשר המדגם מגיע לגבול חוזק המתיחה, מתרחשת התכווצות מקומית משמעותית (צוואר), ואז המדגם נשבר. שבר הוא התוצאה הסופית של בדיקת המתיחה ובסיס חשוב להערכת תכונות המתיחה של החומר.
תוצאות בדיקת מתיחה מתכת מתבטאות בדרך כלל על ידי עקומת מתיחה, המתארת את יחסי העומס-דפורמציה של המדגם במהלך תהליך המתיחה. ניתן לחלק את עקומת המתיחה לשלב האלסטי, שלב התנובה, שלב החיזוק ושלב הצוואר והשבר.
