Venyvyys

Venyvyys merkitsee materiaalitieteessä kiinteän aineen kykyä muuttaa venyttävän jännityksen alaisena muotoaan ilman, että se kuitenkaan katkeaa. Sitä kuvataan usein sanomalla, että materiaali voidaan venyttää pitkäksi ja ohueksi langaksi. Venyvyyteen läheisesti liittyvä ominaisuus on taottavuus, joka merkitsee sitä, että materiaalia, varsinkin metallia, voidaan takoa tai valssata hyvin ohueksi levyksi tai kalvoksi. Nämä molemmat mekaaniset ominaisuudet ovat aineen plastisuuden ilmenemismuotoja ja osoittavat, millä tavoin ja minkä verran materiaalia voidaan muovailla niin, että kappaleen muodonmuutos jää pysyväksi, mutta kappale ei rikkoudu osiin. Nämä materiaalien ominaisuudet riippuvat myös lämpötilasta ja paineesta, mitä riippuvuutta on tutkinut muun muassa Percy Bridgman osana korkeissa paineissa esiintyvien ilmiöiden tutkimusta, josta hän sai Nobelin fysiikanpalkinnon.

Vetokokeen lopputulos alumiinin, magnesiumin ja piin seoksella. Kuroutuma sekä kupin ja kartion mukaiset murtumispinnat ovat tyypillisiä venyville metalleille.

Valuraudalle suoritettu vetokoe osoittaa vähäistä venyvyyttä.

Suuri venyvyys ja taottavuus esiintyvät usein, mutta eivät aina yhdessä. Esimerkiksi kulta on sekä hyvin venyvää että hyvin taottavaa, kun taas lyijyllä on pieni venyvyys, mutta suuri taottavuus.

Materiaalien venyvyys

Venyvyys on erityisen tärkeää metallien käsittelyssä, sillä materiaalia, joka murtuu, rikkoutuu tai särkyy jännityksen vaikutuksesta, ei voida muotoilla takomalla, valssaamalla tai vetämällä.

Monille metalleille tyypillinen suuri venyvyys aiheutuu atomien välisistä metallisidoksista. Metallisidoksessa valenssielektronit ovat delokalisoituneet eivätkä ole sidoksissa mihinkään tiettyyn atomiin. Delokalisoituneiden elektronien ansioista metalliatomit voivat liukua toistensa ohi ilman, että niihin missään vaiheessa kohdistuu voimakkaita hylkiviä voimia, jotka vastaavassa tilanteessa saavat muut materiaalit särkymään.

Venyvyyden mittana voidaan käyttää murtojännitystä $\varepsilon _{f}$ eli sitä jännitystä, joka saa yksiakselisessa vetokokeessa käytetyn sauvan katkeamaan. Muita yleisesti käytettyjä mittoja ovat murtokurouma eli suhde, joka osoittaa, minkä verran sauvan poikkipinta-ala pienenee, ennen kuin se katkeaa: $Z=100{\frac {S_{0}-S_{x}}{S_{0}}}$ missä S₀ on sauvan alkuperäinen poikkipinta-ala ja S_x poikkipinta-ala sauvan katketessa, sekä murtovenymä, joka osoittaa, minkä verran sauva venyy suhteessa alkuperäiseen pituuteensa, ennen kuin se katkeaa: $A=100{\frac {l_{k}-l_{0}}{l_{0}}}=\alpha l_{0}+\beta {\frac {\sqrt {S_{0}}}{l_{0}}}$, missä l₀ on sauvan alkuperäinen pituus eli mittapituus, l_k sauvan pituus sen katketessa. Vakiot $\alpha$ ja $\beta$ ovat materiaalin ominaisuuksia, kun taas suhde ${\frac {\sqrt {S_{0}}}{l_{0}}}$ on sauvan muotoa kuvaava muototekijä. Eri materiaaleille saadut murtovenymät ovat kuitenkin vertailukelpoisia vain, jos muototekijällä on jokin kiinteä arvo. Tavallisesti käytetään joko lyhyttä suhdesauvaa, jonka alkuperäinen pituus on viisi kertaa paksuus, tai pitkää suhdesauvaa, jonka alkuperäinen pituus on kymmenen kertaa sen paksuus.

Kaikista metalleista venyvin on platina. Kolme seuraavaksi venyvintä ovat hopea ja kupari sekä neljäntenä kulta, joka on myös kaikkein taottavin metalli. Teräksen venyvyys riippuu suuresti siinä olevien seosaineiden pitoisuuksista. Suuri hiilipitoisuus vähentää teräksen venyvyyttä.

Transitiolämpötila

Katkenneiden pyöreiden metallitankojen muoto vetokokeen jälkeen
(a) Haurasmurtuma
(b) Sitkeä murtuma
(c) Täysin sitkeä murtuma

Metallin venyvä–hauras -transitiolämpötila, usein lyhyesti transitiolämpötila. (engl. ductile–brittle transition temperature, DBTT), on lämpötila, jossa sen iskusitkeys alittaa jonkin sovitun energia-arvon, teräksellä tyypillisesti 27 J Karkeasti määriteltynä se on lämpötila, jonka yläpuolella metalli on sitkeää ja venyvää, alapuolella haurasta. Vaikka transitiolämpötila ei ole yksikäsitteisesti määritettävissä vaan riippuu käytetystä koetusmenetelmästä, sillä on suuri merkitys, sillä jos metalli jäähtyy DBTT:n alapuolelle, sillä on paljon suurempi taipumus särkyä iskun vaikutuksesta sen sijaan, että se vain taipuisi tai muuttaisi muotoaan. Esimerkiksi zamak 3 on hyvin venyvää huoneenlämmössä, mutta särkyy iskun vaikutuksesta nollaa alemmissa lämpötiloissa. DBTT on hyvin tärkeä tekijä, joka on otettava huomioon valittaessa materiaalia tarkoitukseen, jossa se on alttiina mekaanisille jännityksille.

Vastaava ilmiö, lasitransitio, esiintyy myös lasissa ja polymeereissä, joskin ilmiön mekanismi on näissä amorfisissa materiaaleissa toisenlainen kuin metalleissa.

Joillakin materiaaleilla tämä transitio on jyrkempi kuin toisilla. Esimerkiksi se on yleensä jyrkempi niillä metalleilla, joilla on tilakeskeinen kuutiollinen (bcc) kiderakenne, kuin niillä, joiden kiderakenne on pintakeskeinen kuutiollinen (fcc). Tämä voidaan todeta vertailemalla esimerkiksi viiloihin käytettyä haurasta nuorrutettua martensiittista terästä, jolla on tetragonaalinen pintakeskeinen kiderakenne, ja toisaalta sitkeää ja venyvää karkaistua austeniittista terästä, jolla on tilakeskeinen kuutiollinen kiderakenne. DBTT:hen voivat myös vaikuttaa ulkoiset tekijät kuten neutronisäteily, jonka vaikutuksesta metalliin syntyy lisää kidevirheitä, jolloin sen venyvyys pienenee ja DBTT kohoaa.

Transitiolämpötila voidaan mitata esimerkiksi suorittamalla nelipistetaivutuskoe eri lämpötiloissa. Kun koe suoritetaan korkeammassa lämpötiloissa, dislokaatioita syntyy enemmän. Jossakin tietyssä lämpötilassa dislokaatiot parantavat materiaalin sitkeyttä siinä määrin, että tietyn suuruisen jännityksen aikaansaama muodonmuutos ei saavuta kriittistä arvoa (K_iC), jossa sauva katkeaisi. Lämpötila, jossa tämä tapahtuu, on transitiolämpötila. Jos koe tehdään suuremmalla jännityksellä, tarvitaan enemmän dislokaatioita, jotta haurasmurtumaa ei syntyisi, ja niinpä transitiolämpötila on korkeampi.

Aiheesta muualla

• Ductility - Stength of materials Engineers Edge. Viitattu 13.4.2016.