מאפיינים מכניים של חומרים מתכתיים מתייחסים לתכונות השונות המוצגות בפעולת כוחות חיצוניים, הקובעים את התאמתם ועמידותם של החומרים בסביבות שונות. להלן האינדיקטורים העיקריים לתכונות מכניות של חומרים מתכתיים:
1. חוזק וחוזק תנובה
חוזק הוא היכולת של חומר מתכתי להתנגד לפעולת הכוח החיצוני (עומס) ולהימנע דפורמציה פלסטית מוגזמת או שבר. זהו האינדיקטור הבסיסי ביותר ואחד החשובים ביותר לתכונות המכניות של חומרי מתכת. ניתן לחלק את החוזק לסוגים שונים, ביניהם חוזק מתיחה, חוזק לחיצה, חוזק כיפוף וחוזק גזירה, ביניהם חוזק מתיחה הוא הנפוץ ביותר.
- חוזק מתיחה (σb או Rm): מתייחס לערך המקסימלי של מתח שחומר יכול לעמוד בו במהלך המתח, כלומר, המתח המקסימלי שניתן להשיג לפני המשיכה. הוא משקף את יכולת החומר להתנגד לשברים, המסומל כ-Rm או σb, והיחידה היא MPa (מגה-פסקל). חוזק מתיחה הוא פרמטר חשוב להערכת הקשיחות ויכולת העיוות הפלסטי של חומר.
- חוזק תפוקה (σs או ReL, Rp0.2): מתייחס לחומר בתהליך המתיחה, כאשר המתח מגיע לערך קריטי מסוים, גם אם המתח אינו מוגבר יותר, החומר ימשיך לעבור דפורמציה פלסטית משמעותית של ערך המתח. עבור חומרים עם תופעת התנובה ברורה, חוזק התנובה הוא נקודת התנובה של הלחץ; עבור חומרים ללא תופעת תנובה ברורה, נקבע בדרך כלל לייצר 0.2% דפורמציה שיורית של ערך המתח כגבול התפוקה שלו, המכונה מצב חוזק התנובה. חוזק תפוקה הוא תחילתו של דפורמציה פלסטית של החומר הוא סמל חשוב, אלא גם העיצוב המבני של אינדיקטורים חוזק נפוץ.
2. פלסטיות והתארכות
פלסטיות מתייחסת ליכולת של חומר מתכתי לייצר דפורמציה פלסטית משמעותית ללא שבר כאשר הוא נתון לכוחות חיצוניים. חומר בעל פלסטיות טובה יכול לספוג כמות גדולה של אנרגיה באמצעות דפורמציה פלסטית, ובכך לשפר את יכולתו לעמוד בפני פגיעות ועייפות.
- התארכות (δ): אחוז ההתארכות הכוללת של חומר לאחר קרע מתיחה ביחס לאורך המסומן המקורי. זהו אינדיקטור חשוב של הפלסטיות של חומר. הנדסה בדרך כלל δ גדול או שווה ל-5% מהחומר נקרא חומרים פלסטיים, כגון פלדה עדינה, אלומיניום, נחושת וכו'; ו-δ פחות או שווה ל-5% מהחומר נקראים חומרים שבירים, כגון ברזל יצוק, זכוכית, קרמיקה וכו'.
- התכווצות החתך (ψ): מתייחס לאחוז השטח המופחת המקסימלי של החתך לאזור השבר המקורי של החומר לאחר שבר מתיחה. זהו גם מדד חשוב למדידת הפלסטיות של החומר. יחד עם ההתארכות, הוא יכול להעריך באופן מקיף את יכולת העיוות הפלסטי של החומר.
3. קשיות
קשיות היא היכולת של חומר להתנגד לחפצים קשים אחרים הנלחצים אל פני השטח שלו. זהו אינדיקטור למידת הקשיות והרכות של החומר, ומהווה גם פרמטר חשוב המשקף את עמידות הבלאי וביצועי החיתוך של החומר.
- קשיות Brinell (HBS, HBW) וקשיות Rockwell (HRA, HRB, HRC): הן שתי שיטות נפוצות לבדיקת קשיות. קשיות Brinell חלה על חומרים רכים יותר, ואילו קשיות Rockwell חלה על חומרים קשים יותר. מבחן הקשיות יכול לשמש לא רק כדי להעריך את התכונות המכניות של החומר, אלא גם כדי לבדוק את איכות שכבת פני השטח של החומר, כגון שחרור וקרבוריזציה.
4. קשיחות השפעה
קשיחות פגיעה היא היכולת של חומר לעמוד בפני עומסי פגיעה. זהו אינדיקטור חשוב לעמידות השברים של חומרים תחת עומס דינמי.
- ערך קשיחות פגיעה (Ak): בדרך כלל בג'אול / סנטימטר מרובע (J / cm²) כיחידה, המציין את יכולת החומר לספוג אנרגיה בפעולת עומס הפגיעה. לחומר עם קשיחות פגיעה טובה יש עמידות גבוהה בפני שבר פגיעה והוא מתאים ליישומים שבהם יש צורך להפעיל עומסי פגיעה.
5. מודול אלסטיות
מודול האלסטיות הוא היחס בין מתח למתח במהלך שלב העיוות האלסטי של חומר. זהו מדד חשוב לקשיחות של חומר.
- מודול האלסטיות (E): מתבטא בדרך כלל בפסקל (Pa) או ב-Gigapascal (GPa). עבור חומרים מתכתיים נפוצים, כגון פלדה, מודול האלסטיות הוא בדרך כלל בין 200-210 GPa. לחומרים בעלי מודול גמישות גבוה יש גם קשיחות גבוהה ועמידות גבוהה בפני דפורמציה אלסטית.
6. קשיחות שבר
קשיחות שבר היא היכולת של חומר להתנגד להרחבת סדקים כאשר הוא מכיל סדקים. זהו אינדיקטור חשוב לעמידות החומר בפני שבר שביר.
- קשיחות שבר (KIC): מציינת את גורם עוצמת המתח של החומר בתנאי מתח מישוריים, כאשר הסדק מתחיל להתרחב. לחומרים בעלי קשיחות שבר גבוהה יש גם עמידות חזקה בפני שבר פריך והם מתאימים ליישומים הדורשים מתח גבוה או סביבות טמפרטורה נמוכה.
7. כוח עייפות
חוזק עייפות הוא היכולת של חומר לעמוד בפני נזקי עייפות תחת עומסים מתחלפים. זהו אינדיקטור חשוב לחיי השירות-ארוכי הטווח של חומר.
- מגבלת עייפות (σ-1): מציינת את ערך המתח המרבי של חומר תחת אינסוף זמנים של עומס מתחלף ללא נזק לעייפות. לחומרים בעלי חוזק עייפות גבוה יש גם חיי שירות ארוכים ומתאימים לאירועים בהם הם צריכים לעמוד בעומסים מתחלפים.
אינדיקטורים למאפיינים מכניים של חומרי מתכת כוללים חוזק, פלסטיות, קשיות, קשיחות פגיעה, מודול גמישות, קשיחות שבר וחוזק עייפות. אינדיקטורים אלה יחד קובעים את הישימות והעמידות של חומרי מתכת בסביבות שונות. ביישומים מעשיים, יש צורך לבחור את חומרי המתכת המתאימים בהתאם לדרישות הספציפיות של השימוש, על מנת להשיג את איכות המוצר ואפקט השימוש הטובים ביותר.
