धातु सामग्री के यांत्रिक गुणों का सारांश

तन्य शक्ति परीक्षण का उपयोग मुख्य रूप से धातु सामग्री की खिंचाव प्रक्रिया के दौरान क्षति का प्रतिरोध करने की क्षमता निर्धारित करने के लिए किया जाता है, और यह सामग्री के यांत्रिक गुणों के मूल्यांकन के लिए महत्वपूर्ण संकेतकों में से एक है।

1. तन्यता परीक्षण

तन्यता परीक्षण पदार्थ यांत्रिकी के मूल सिद्धांतों पर आधारित है। कुछ परिस्थितियों में पदार्थ के नमूने पर तन्यता भार लगाकर, नमूने के टूटने तक तन्यता विरूपण उत्पन्न किया जाता है। परीक्षण के दौरान, विभिन्न भारों के तहत प्रायोगिक नमूने के विरूपण और नमूने के टूटने पर अधिकतम भार को दर्ज किया जाता है, जिससे पदार्थ की उपज शक्ति, तन्य शक्ति और अन्य प्रदर्शन संकेतकों की गणना की जाती है।

प्रतिबल σ = F/A

σ तन्य शक्ति (MPa) है

F तन्य भार (N) है

A नमूने का अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल है

2. तन्य वक्र

स्ट्रेचिंग प्रक्रिया के कई चरणों का विश्लेषण:

a. छोटे भार के साथ ओपी चरण में, बढ़ाव भार के साथ रैखिक संबंध में होता है, और एफपी सीधी रेखा बनाए रखने के लिए अधिकतम भार है।

ख. भार Fp से अधिक होने पर, तन्य वक्र एक अरैखिक संबंध ग्रहण करने लगता है। नमूना प्रारंभिक विरूपण अवस्था में प्रवेश करता है, और भार हटा दिए जाने पर, नमूना अपनी मूल अवस्था में वापस आ सकता है और प्रत्यास्थ रूप से विकृत हो सकता है।

ग. जब भार Fe से अधिक हो जाता है, तो भार हटा दिया जाता है, विरूपण का कुछ भाग पुनः प्राप्त हो जाता है, और अवशिष्ट विरूपण का कुछ भाग बना रहता है, जिसे प्लास्टिक विरूपण कहते हैं। Fe को प्रत्यास्थ सीमा कहते हैं।

घ. जब भार और बढ़ता है, तो तन्य वक्र आरी-दंत वक्र दर्शाता है। जब भार न तो बढ़ता है और न ही घटता है, तो प्रायोगिक नमूने के निरंतर दीर्घीकरण की घटना को पराभव (यील्डिंग) कहते हैं। पराभव के बाद, नमूने में स्पष्ट प्लास्टिक विरूपण होने लगता है।

ई. यील्डिंग के बाद, नमूने में विरूपण प्रतिरोध, कार्य कठोरता और विरूपण सुदृढ़ीकरण में वृद्धि देखी जाती है। जब भार Fb तक पहुँच जाता है, तो नमूने का वही भाग तेज़ी से सिकुड़ता है। Fb सामर्थ्य सीमा है।

च. सिकुड़न की घटना नमूने की वहन क्षमता में कमी लाती है। जब भार Fk तक पहुँच जाता है, तो नमूना टूट जाता है। इसे फ्रैक्चर लोड कहते हैं।

नम्य होने की क्षमता

पराभव सामर्थ्य वह अधिकतम प्रतिबल मान है जो एक धातु पदार्थ प्लास्टिक विरूपण की शुरुआत से लेकर बाहरी बल के अधीन होने पर पूर्ण विभंग तक सहन कर सकता है। यह मान उस महत्वपूर्ण बिंदु को चिह्नित करता है जहाँ पदार्थ प्रत्यास्थ विरूपण अवस्था से प्लास्टिक विरूपण अवस्था में संक्रमण करता है।

वर्गीकरण

ऊपरी पराभव सामर्थ्य: पराभव होने पर बल के पहली बार कम होने से पहले नमूने के अधिकतम प्रतिबल को संदर्भित करता है।

निम्न पराभव सामर्थ्य: पराभव अवस्था में न्यूनतम प्रतिबल को संदर्भित करता है जब प्रारंभिक क्षणिक प्रभाव को अनदेखा कर दिया जाता है। चूँकि निम्न पराभव बिंदु का मान अपेक्षाकृत स्थिर होता है, इसलिए इसे आमतौर पर पदार्थ प्रतिरोध के सूचक के रूप में उपयोग किया जाता है, जिसे पराभव बिंदु या पराभव सामर्थ्य कहा जाता है।

गणना सूत्र

ऊपरी पराभव सामर्थ्य के लिए: R = F / Sₒ, जहां F पराभव चरण में पहली बार बल कम होने से पहले का अधिकतम बल है, तथा Sₒ नमूने का मूल अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल है।

कम उपज शक्ति के लिए: R = F / Sₒ, जहां F प्रारंभिक क्षणिक प्रभाव को अनदेखा करते हुए न्यूनतम बल F है, और Sₒ नमूने का मूल अनुप्रस्थ काट क्षेत्र है।

इकाई

उपज शक्ति की इकाई आमतौर पर एमपीए (मेगापास्कल) या एन/एमएम² (न्यूटन प्रति वर्ग मिलीमीटर) होती है।

उदाहरण

निम्न कार्बन स्टील को उदाहरण के तौर पर लें, इसकी उपज सीमा आमतौर पर 207MPa होती है। इस सीमा से अधिक बाहरी बल लगाने पर, निम्न कार्बन स्टील स्थायी रूप से विकृत हो जाता है और उसे पुनः प्राप्त नहीं किया जा सकता; इस सीमा से कम बाहरी बल लगाने पर, निम्न कार्बन स्टील अपनी मूल अवस्था में वापस आ सकता है।

धातु पदार्थों के यांत्रिक गुणों के मूल्यांकन के लिए पराभव शक्ति एक महत्वपूर्ण संकेतक है। यह बाह्य बलों के अधीन होने पर पदार्थों की प्लास्टिक विरूपण का प्रतिरोध करने की क्षमता को दर्शाता है।

तन्यता ताकत

तन्य शक्ति किसी पदार्थ की तन्य भार के अंतर्गत क्षति का प्रतिरोध करने की क्षमता है, जिसे विशेष रूप से उस अधिकतम प्रतिबल मान के रूप में व्यक्त किया जाता है जिसे पदार्थ तन्य प्रक्रिया के दौरान सहन कर सकता है। जब पदार्थ पर तन्य प्रतिबल उसकी तन्य शक्ति से अधिक हो जाता है, तो पदार्थ प्लास्टिक विरूपण या विभंग से गुजरता है।

गणना सूत्र

तन्य शक्ति (σt) के लिए गणना सूत्र है:

σt = एफ / ए

जहां F वह अधिकतम तन्य बल (न्यूटन, N) है जिसे नमूना टूटने से पहले झेल सकता है, और A नमूने का मूल अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल (वर्ग मिलीमीटर, mm²) है।

इकाई

तन्य शक्ति की इकाई आमतौर पर MPa (मेगापास्कल) या N/mm² (न्यूटन प्रति वर्ग मिलीमीटर) होती है। 1 MPa 1,000,000 न्यूटन प्रति वर्ग मीटर के बराबर होता है, जो 1 N/mm² के भी बराबर होता है।

प्रभावित करने वाले कारक

तन्य शक्ति कई कारकों से प्रभावित होती है, जिसमें रासायनिक संरचना, सूक्ष्म संरचना, ताप उपचार प्रक्रिया, प्रसंस्करण विधि आदि शामिल हैं। विभिन्न सामग्रियों की तन्य शक्ति अलग-अलग होती है, इसलिए व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, सामग्रियों के यांत्रिक गुणों के आधार पर उपयुक्त सामग्रियों का चयन करना आवश्यक है।

व्यावहारिक अनुप्रयोग

पदार्थ विज्ञान एवं अभियांत्रिकी के क्षेत्र में तन्य शक्ति एक अत्यंत महत्वपूर्ण मानदंड है, और इसका उपयोग अक्सर पदार्थों के यांत्रिक गुणों के मूल्यांकन के लिए किया जाता है। संरचनात्मक डिज़ाइन, पदार्थ चयन, सुरक्षा मूल्यांकन आदि के संदर्भ में, तन्य शक्ति एक ऐसा कारक है जिस पर विचार किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, निर्माण अभियांत्रिकी में, स्टील की तन्य शक्ति यह निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है कि क्या वह भार सहन कर सकता है; एयरोस्पेस के क्षेत्र में, हल्के और उच्च-शक्ति वाले पदार्थों की तन्य शक्ति विमान की सुरक्षा सुनिश्चित करने की कुंजी है।

थकान शक्ति:

धातु थकान उस प्रक्रिया को संदर्भित करती है जिसमें सामग्री और घटक चक्रीय तनाव या चक्रीय विकृति के तहत एक या कई स्थानों पर धीरे-धीरे स्थानीय स्थायी संचयी क्षति उत्पन्न करते हैं, और एक निश्चित संख्या में चक्रों के बाद दरारें या अचानक पूर्ण फ्रैक्चर होते हैं।

विशेषताएँ

समय में अचानकता: धातु थकान विफलता अक्सर स्पष्ट संकेतों के बिना, थोड़े समय में अचानक होती है।

स्थिति में स्थानीयता: थकान विफलता आमतौर पर स्थानीय क्षेत्रों में होती है जहां तनाव केंद्रित होता है।

पर्यावरण और दोषों के प्रति संवेदनशीलता: धातु थकान पर्यावरण और सामग्री के अंदर छोटे दोषों के प्रति बहुत संवेदनशील होती है, जो थकान प्रक्रिया को तेज कर सकती है।

प्रभावित करने वाले कारक

प्रतिबल आयाम: प्रतिबल का परिमाण धातु के थकान जीवन को सीधे प्रभावित करता है।

औसत प्रतिबल परिमाण: औसत प्रतिबल जितना अधिक होगा, धातु का थकान जीवन उतना ही कम होगा।

चक्रों की संख्या: धातु जितनी अधिक बार चक्रीय तनाव या विकृति के अधीन होती है, थकान क्षति का संचय उतना ही अधिक गंभीर होता है।

निवारक उपाय

सामग्री का चयन अनुकूलित करें: उच्च थकान सीमा वाली सामग्री का चयन करें।

तनाव संकेन्द्रण को कम करना: संरचनात्मक डिजाइन या प्रसंस्करण विधियों के माध्यम से तनाव संकेन्द्रण को कम करना, जैसे कि गोलाकार कोने वाले संक्रमणों का उपयोग करना, अनुप्रस्थ काट के आयामों को बढ़ाना आदि।

सतह उपचार: सतह के दोषों को कम करने और थकान शक्ति में सुधार करने के लिए धातु की सतह पर पॉलिशिंग, छिड़काव आदि।

निरीक्षण और रखरखाव: दरारें जैसे दोषों का तुरंत पता लगाने और उनकी मरम्मत करने के लिए धातु के घटकों का नियमित रूप से निरीक्षण करें; थकान से ग्रस्त भागों का रखरखाव करें, जैसे कि घिसे हुए भागों को बदलना और कमजोर कड़ियों को मजबूत करना।

धातु थकान धातु विफलता का एक सामान्य प्रकार है, जिसकी विशेषताएँ अचानकपन, स्थानीयता और पर्यावरण के प्रति संवेदनशीलता हैं। प्रतिबल आयाम, औसत प्रतिबल परिमाण और चक्रों की संख्या धातु थकान को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक हैं।

एसएन वक्र: विभिन्न तनाव स्तरों के तहत सामग्रियों के थकान जीवन का वर्णन करता है, जहां एस तनाव का प्रतिनिधित्व करता है और एन तनाव चक्रों की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है।

थकान शक्ति गुणांक सूत्र:

(केएफ = का \cdot केबी \cdot केसी \cdot केडी \cdot के)

जहां (Ka) लोड कारक है, (Kb) आकार कारक है, (Kc) तापमान कारक है, (Kd) सतह गुणवत्ता कारक है, और (Ke) विश्वसनीयता कारक है।

एसएन वक्र गणितीय अभिव्यक्ति:

(\sigma^m N = C)

जहाँ (\sigma) प्रतिबल है, N प्रतिबल चक्रों की संख्या है, तथा m और C पदार्थ स्थिरांक हैं।

गणना चरण

सामग्री स्थिरांक निर्धारित करें:

प्रयोगों के माध्यम से या प्रासंगिक साहित्य का संदर्भ लेकर m और C के मान निर्धारित करें।

तनाव एकाग्रता कारक का निर्धारण करें: तनाव एकाग्रता कारक K का निर्धारण करने के लिए भाग के वास्तविक आकार और आकार के साथ-साथ फ़िलेट्स, कीवेज़ आदि के कारण तनाव एकाग्रता पर विचार करें। थकान शक्ति की गणना करें: एसएन वक्र और तनाव एकाग्रता कारक के अनुसार, भाग के डिजाइन जीवन और कार्य तनाव स्तर के साथ संयुक्त, थकान शक्ति की गणना करें।

2. प्लास्टिसिटी:

प्लास्टिसिटी किसी पदार्थ के उस गुण को कहते हैं जो बाह्य बल लगने पर, अपनी प्रत्यास्थ सीमा पार करने पर भी, बिना टूटे स्थायी विरूपण उत्पन्न करता है। यह विरूपण अपरिवर्तनीय होता है, और बाह्य बल हटा लेने पर भी पदार्थ अपने मूल आकार में वापस नहीं आता।

प्लास्टिसिटी सूचकांक और इसकी गणना सूत्र

बढ़ाव (δ)

परिभाषा: बढ़ाव, नमूने के मूल गेज लंबाई तक तन्य विभंजन के बाद गेज अनुभाग के कुल विरूपण का प्रतिशत है।

सूत्र: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

जहाँ L0 नमूने की मूल गेज लंबाई है;

L1 नमूना टूटने के बाद गेज की लंबाई है।

खंडीय न्यूनीकरण (Ψ)

परिभाषा: खंडीय कमी, नमूने के मूल अनुप्रस्थ काट क्षेत्र में टूटने के बाद गर्दन बिंदु पर अनुप्रस्थ काट क्षेत्र में अधिकतम कमी का प्रतिशत है।

सूत्र: Ψ = (F0 - F1) / F0 × 100%

जहाँ F0 नमूने का मूल अनुप्रस्थ काट क्षेत्र है;

F1 नमूना टूटने के बाद गर्दन बिंदु पर अनुप्रस्थ काट क्षेत्र है।

3. कठोरता

धातु कठोरता, धातु पदार्थों की कठोरता को मापने के लिए एक यांत्रिक गुण सूचकांक है। यह धातु की सतह पर स्थानीय आयतन में विरूपण का प्रतिरोध करने की क्षमता को दर्शाता है।

धातु कठोरता का वर्गीकरण और प्रतिनिधित्व

विभिन्न परीक्षण विधियों के अनुसार धातु कठोरता के वर्गीकरण और प्रतिनिधित्व के कई तरीके हैं। इनमें मुख्य रूप से निम्नलिखित शामिल हैं:

ब्रिनेल कठोरता (एचबी):

अनुप्रयोग का दायरा: आम तौर पर इसका उपयोग तब किया जाता है जब सामग्री नरम होती है, जैसे कि अलौह धातु, स्टील, ताप उपचार से पहले या तापानुशीतन के बाद।

परीक्षण सिद्धांत: परीक्षण भार के एक निश्चित आकार के साथ, एक निश्चित व्यास की कठोर स्टील की गेंद या कार्बाइड की गेंद को परीक्षण की जाने वाली धातु की सतह में दबाया जाता है, और एक निर्दिष्ट समय के बाद भार को उतार दिया जाता है, और परीक्षण की जाने वाली सतह पर इंडेंटेशन का व्यास मापा जाता है।

गणना सूत्र: ब्रिनेल कठोरता मान भार को इंडेंटेशन के गोलाकार सतह क्षेत्र से विभाजित करके प्राप्त भागफल है।

रॉकवेल कठोरता (एचआर):

अनुप्रयोग का दायरा: आम तौर पर उच्च कठोरता वाली सामग्रियों के लिए उपयोग किया जाता है, जैसे कि ताप उपचार के बाद कठोरता।

परीक्षण सिद्धांत: ब्रिनेल कठोरता के समान, लेकिन अलग जांच (हीरा) और अलग गणना विधियों का उपयोग करके।

प्रकार: अनुप्रयोग के आधार पर, एचआरसी (उच्च कठोरता सामग्री के लिए), एचआरए, एचआरबी और अन्य प्रकार हैं।

विकर्स कठोरता (HV):

अनुप्रयोग का दायरा: माइक्रोस्कोप विश्लेषण के लिए उपयुक्त।

परीक्षण सिद्धांत: सामग्री की सतह को 120 किलोग्राम से कम भार और 136 डिग्री के शीर्ष कोण के साथ एक हीरे के वर्ग शंकु इंडेंटर के साथ दबाएं, और विकर्स कठोरता मूल्य प्राप्त करने के लिए सामग्री इंडेंटेशन पिट के सतह क्षेत्र को लोड मूल्य से विभाजित करें।

लीब कठोरता (एचएल):

विशेषताएं: पोर्टेबल कठोरता परीक्षक, मापने में आसान।

परीक्षण सिद्धांत: कठोरता सतह पर प्रभाव डालने के बाद प्रभाव बॉल हेड द्वारा उत्पन्न उछाल का उपयोग करें, और नमूना सतह से 1 मिमी पर पंच की रिबाउंड गति और प्रभाव गति के अनुपात से कठोरता की गणना करें।