Materialegenskaper

Når vi skal undersøke de mekaniske egenskapene til et konstruksjonsmateriale så tar man et lite prøvestykke av materialet, dreier og polerer stykket til en prøvestav, og så foretar man et såkalt strekkprøve­forsøk. Forsøket innebærer at man strekker prøvestaven langsomt og kontrollert inntil den ryker i to. I løpet av forsøket registrerer man påført strekkraft som funksjon av prøvestavens forlengelse. For at resultatene skal kunne brukes for materialet og ikke bare for prøvestaven, omregnes strekkraften til normalspenninger og forlengelsen omregnes til tøyninger. Forløpet plottes i et spennings-tøyningsdiagram. Diagrammet kalles også arbeidsdiagram. Figuren under viser hvordan et typisk arbeidsdiagram ser ut for vanlig konstruksjonsstål.

Beskrivelse: FN08-3

Prøvingen starter i origo og ender oppe til høyre hvor vi ser et kryss. I begynnelsen er det en lineær sammenheng mellom spenning og tøyning, dvs. dobler vi strekkraften så blir forlengelsen dobbelt så stor osv. Materialet er dessuten elastisk, dvs. at det går tilbake til sin opprinnelige form hvis belastningen tas bort. Vi sier at materialet er lineærelastisk, og det er i dette området vi kan bruke Hookes lov. E-modulen finner vi som linjens stigning.

Når spenningene blir store skjer det en markert endring; materialet gir plutselig etter og det kan virke som om materialet har mistet sin styrke. Vi sier at materialet flyter (engelsk: yield). Normalspenningen hvor flyt oppstår, kalles flytegrensen og benevnes enten Re eller σF. Flyting er en permanent (plastisk) deformasjon og materialet går ikke tilbake til sin opprinnelige form hvis vi tar bort belastningen. Deformasjonen består her av både en plastisk og en elastisk del.

Hvis vi fortsetter å strekke materialet vil det etter hvert fastne og det viser seg at materialet har en god del ekstra styrke ut over flytegrensen før det til slutt revner. Normalspenningen hvor materialet revner, kalles strekkfasthet og benevnes Rm eller σB. Dette er diagrammets toppunkt. Av diagrammet kan det se ut til at materialet blir svakere på slutten av prøvingen, men det er ikke helt riktig. Rett før materialet revner så blir prøvestavens tverrsnitt innsnevret, men vi har ingen målinger av denne tverrsnittsreduksjonen, og spenningene beregnes derfor ut fra det nominelle tverrsnitt, σ =F/Ao, og dette gir for lave spenninger. Stiplet linje angir virkelig spenningsforløp, men det har ingen praktisk betydning hva som skjer med materialet etter at strekkfastheten er nådd.

Vanligvis ønsker vi ikke at en konstruksjon skal få varige deformasjoner når den brukes, og det betyr at materialspenningene må ligge under flytegrensen. Ved spesielle ulykkeshendelser kan man gjerne tillate visse deformasjoner, men konstruksjonen skal ikke bryte sammen. Det betyr at spenningene skal ligge under materialets strekkfasthet.

Strekkprøving er den viktigste kilden til informasjon om mekaniske egenskaper til et konstruksjonsmateriale. Fra arbeidsdiagrammet kan vi hente ut E-modul, flytegrense og strekkfasthet.

Andre materialer

Det finnes mange konstruksjonsmaterialer, i bygninger brukes gjerne betong og tre, men i mekanisk industri er stål og aluminium de viktigste materialene, og her skal vi avgrense oss til metalliske materialer. Både stål og aluminium finnes mange i ulike materialkvaliteter som kan ha svært forskjellige egenskaper. Ved å tilsette ulike stoffer kan man lage spesielle legeringer, og gjennom valsing og varmebehandling kan man herde metallet slik at man f.eks. får en langt høyere flytegrense og et mye sterkere materiale. Figuren under viser materialegenskaper for legert (høyfast) stål og aluminium i forhold til vanlig stål.

Beskrivelse: FN08-6

Alle stålkvaliteter følger den samme linjen i det lineærelastiske området, men for det sterke stålet fortsetter linjen langt høyere opp. Aluminium følger en slakere kurve. Vi ser at legert aluminium er sterkere enn vanlig stål men er samtidig mer elastisk. Hvilken betydning har det?

Legg merke til at legert stål og aluminium ikke har en markert flytegrense som skiller det elastiske og det plastiske området. I slike tilfeller definerer vi i stedet flytegrensen som 0,2% varig tøyning, dvs. εp = 0,002.

Norsk Stål har laget en oversikt som viser flytegrense og strekkfasthet for de viktigste stålkvalitetene. De vanligste stålkvalitetene er S235 og S355. S235 betyr sveisbart konstruksjonsstål med flytegrense 235MPa. Det Norske Veritas har egne standarder for skipsstål og disse har benevnelsen NVA, NVE osv. Fortsatt brukes stålkvalitetene St. 37 og St. 52 er stål etter en tysk DIN-standard som er utgått. Selv om flytegrensen er svært viktig, så er det også andre materialegenskaper som kan ha stor betydning for materialvalg. Dette kan være sveisbarhet, seighet og korrosjonsegenskaper.