Εμβιομηχανική στην Ορθοπαιδική

Ιδιότητες των υλικών – Μέρος 1                                                                                        PDF file download

Οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών μελετώνται με τη μέτρηση της παραμόρφωσής μικρών, ομοιόμορφων δειγμάτων τους κατά τη διάρκεια άσκησης απλών και καλά καθορισμένων φορτίων. Για αυτές τις μελέτες χρησιμοποιούνται, συνήθως, δείγματα σε σχήμα ράβδου ώστε το υλικό να αστοχεί με τρόπο που μπορεί εύκολα να αναπαραχθεί.

Δύο παράμετροι μετρώνται κατά τη διάρκεια των tests τάσης: (1) Η δύναμη που ασκείται και (2) η μετατόπιση μεταξύ δύο σημείων κατά μήκος του επιμήκους άξονα του δείγματος. Η καμπύλη δύναμης-μετατόπισης (force-displacement) που προκύπτει αποτελεί ένδειξη της ακαμψίας (stiffness) και του φορτίου αστοχίας (failure load) του συγκεκριμένου δείγματος αλλά τα δεδομένα που προσφέρει είναι χρήσιμα μόνο για δείγματα με την ίδια γεωμετρία όπως και αυτό που υποβλήθηκε στο test.

Προκειμένου να εξαχθούν δεδομένα για τις ιδιότητες του υλικού, ανεξάρτητα από τη γεωμετρία του δείγματος που υποβάλλεται στο test τα δεδομένα δύναμης-μετατόπισης μετατρέπονται σε δύναμη ανά επιφάνεια-επί τις εκατό μετατόπιση (stress-strain curve, Εικ. 1). Με αυτή τη διαδικασία απομονώνεται η επίδραση της γεωμετρίας του δείγματος από τα testαντοχής και άρα τα αποτελέσματα των tests αφορούν το υλικό αυτό κάθε αυτό. Το stress υπολογίζεται ως η ασκούμενη δύναμη διαιρεμένη δια την επιφάνεια τομής του δείγματος και το strainως η επί τις εκατό αλλαγή στο μήκος ενός τμήματός του (Εικ. 2).

stress-strain

Εικ. 1 Καμπύλη stress-strain.

Η βασική γνώση της μηχανικής ορολογίας είναι απαραίτητη προκειμένου να γίνει κατανοητή η συμπεριφορά των υλικών που υποβάλλονται σε φορτία. Πιο κάτω θα χρησιμοποιηθεί η λατινική ορολογία:

Ultimate stress (μέγιστο στρες) ενός υλικού είναι η μέγιστη δύναμη ανά επιφάνεια (stress) που απαιτείται ώστε το υλικό να σπάσει.

Yield point(σημείο κάμψης) είναι η δύναμη ανά επιφάνεια (stress) που απαιτείται ώστε το υλικό να παραμορφωθεί (καμφθεί) μόνιμα.

Elasticity (ελαστικότητα) ενός υλικού είναι η ικανότητά του να επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση μετά την άσκηση δύναμης μικρότερης από αυτήν που αντιστοιχεί στο yieldpoint. Hελαστικότητα μετράται με το modulus of elasticity που είναι η κλίση της καμπύλης stress-strain. Μικρό modulus of elasticity (μικρή κλίση καμπύλης) αντιστοιχεί σε μεγάλη ελαστικότητα και αντίστροφα.

Stiffness (ακαμψία) είναι η αντίσταση ενός υλικού στην παραμόρφωση και είναι συνώνυμο modulus of elasticity με τη διαφορά πως είναι ιδιότητα ενός αντικειμένου και όχι του υλικού αυτού κάθε αυτού. Δηλαδή το stiffness επηρεάζεται τόσο από το elasticityτου υλικού όσο και από τη γεωμετρία του αντικειμένου. Μετράται από την κλίση της καμπύλης δύναμη-παραμόρφωση. Για παράδειγμα μία ράβδος από χάλυβα με μεγάλη διάμετρο έχει μεγαλύτερο stiffness από μία ράβδο κατασκευασμένη από το ίδιο υλικό αλλά με μικρή διάμετρο. Παρά το ότι το υλικό (χάλυβας) έχει το ίδιο modulus of elasticity και στις δύο ράβδους, η δεύτερη ράβδος είναι περισσότερο άκαμπτη (μεγαλύτερο stiffness) καθώς η ακαμψία επηρεάζεται από τη γεωμετρία του υλικού.

Plastic deformation (πλαστική παραμόρφωση) είναι η μόνιμη παραμόρφωση ενός υλικού η οποία παραμένει και μετά το τέλος της άσκησης δύναμης σε αυτό. Ductility είναι η ικανότητα ενός υλικού να συνεχίζει να παραμορφώνεται και μετά το yield point χωρίς να σπάει. Η ιδιότητα αυτή δεν είναι μετρήσιμη. Για παράδειγμα, ένα εύθραυστο (brittle) υλικό παραμορφώνεται πολύ λίγο μετά το yield point μέχρι να σπάσει. Το ductility και το brittleness δεν είναι μετρήσιμα αλλά περιγράφονται στην καμπύλη stess-strainκαθώς υλικά με μεγάλο ductilityκαι μικρό brittleness χαρακτηρίζονται από μεγάλη απόσταση μεταξύ του yield strain και του ultimate strain στον οριζόντιο άξονα (άξονας strain) και άρα έχουν μακρά καμπύλη stress-strain.
Toughness (αντοχή) ενός υλικού είναι η συνολική ενέργεια που απαιτείται μέχρι το υλικό να σπάσει. Ορίζεται ως η περιοχή κάτω από την καμπύλη stress-strain και ονομάζεται και energy to failure. Hardness (σκληρότητα) ενός υλικού είναι η ικανότητά του να αντιστέκεται στην πλαστική παραμόρφωση στην επιφάνειά του μόνο καθώς πολλά υλικά έχουν διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες στην επιφάνεια από ότι κεντρικά.

strain

Εικ. 2 Σχηματική περιγραφή των strain και stress.

Τα μέταλλα έχουν πλήθος μηχανικών ιδιοτήτων. Κάποιες οφείλονται στη χημική τους σύσταση και δεν αλλάζουν με περαιτέρω επεξεργασία ενώ κάποιες άλλες εξαρτώνται από τον προσανατολισμό των κρυστάλλων τους και άρα αλλάζουν με την επεξεργασία. Το elastic modulus σε τάση και συμπίεση (όχι στην κάμψη) δεν αλλάζει με την επεξεργασία ενώ αυτά σε κάμψη καθώς και τα yield strength, ultimate strength και fatigue strength μπορούν να αλλάξουν σημαντικά με την επεξεργασία του υλικού. Εδώ το strength χρησιμοποιείται ως συνώνυμο στου stress.

                                                                                                                                                            PDF file download

Νικολάου Χρήστος, Κτηνίατρος

Alphavet, Κηφσιά | www.alphavet.gr

 

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s