Jos oletetaan että on olemassa täysin homogeninen sauva, siis ihan atomitasolla ne ovat järjesteytyneet täydellisen symmetrisesti kautta koko kappaleen.
sitten kappaletta aletaan repimään eri suunnista.
mistä se repeää? vai joka puolelta? tämä on siis ihan kuvitteellinen tilanne, mutta jos kappaleessa ei ole "heikkoja" kohtia, niin mikä oikeastaan määrää mistä kohdasta se katkeaa? Sattuma?
tai kuvitellaan että olisi neljä atomia toisiinsa liittyneenä lankana A-A-A-A ja nyt molemmista päistä vedetään yhtä suurella voimalla, niin mistä kohdasta se menee atomisidos poikki? miksi?
ehkä tämä on enemmän filosofista, mutta joskus vaan tullut mieleen että miten näissää mahtaisi käydä noin teoriassa
sitten kappaletta aletaan repimään eri suunnista.
mistä se repeää? vai joka puolelta? tämä on siis ihan kuvitteellinen tilanne, mutta jos kappaleessa ei ole "heikkoja" kohtia, niin mikä oikeastaan määrää mistä kohdasta se katkeaa? Sattuma?
tai kuvitellaan että olisi neljä atomia toisiinsa liittyneenä lankana A-A-A-A ja nyt molemmista päistä vedetään yhtä suurella voimalla, niin mistä kohdasta se menee atomisidos poikki? miksi?
ehkä tämä on enemmän filosofista, mutta joskus vaan tullut mieleen että miten näissää mahtaisi käydä noin teoriassa
Vastaukset 16
Vanhimmat
Kun koesauvassa ylitetään murtolujuuden raja niin sauva menee poikki. Tätä sanotaan myös "vetolujuudeksi".
Käytännössä terässauvassa tapahtuu ennen murtumista "myötörajan" ylittyminen eli koesauvassa voidaan nähdä pysyvä pituuden muutos. Tämä pituuden muutos on yhtäkuin plastinen muodon muutos eli VENYMÄ.
Metalliopissa puhutaan "dislokaatioista" eli atomitason pinovirheistä. Täydellisen homogeenisia koesauvoja on vaikea saada aikaan koska teräksellä on useampia kiderakenteita jotka ovat kemiallisesta koostumuksesta ja lämpötilasta riippuvaisia.
Koostumuksen ja lämpötilan vaihdellessa ne atomit voivat "järjestäytyä" uuteen kiderakenteeseen ja tässä voi syntyä pinousvirheitä atomitasolla.
Tähän perustuu teräksen lämpökäsittely ja käytännössä tämä vaikuttaa teräksen lujuuteen ja kovuuteen. (esim. karkaisu)
Tuossa oli lyhyt selitys joka ei suinkaan ole täydellinen selitys. Metallurgian oppikirjoissa selitetään asiat perusteellisemmin.
Wikipedia kertoo dislokaatioista mm. seuraavaa:
"Dislokaatiot ovat kiteisissä aineissa esiintyviä viivamaisia tai nauhamaisia kidevirheitä ja niitä syntyy mm. jähmettymisen yhteydessä, plastisessa deformaatiossa, tai säteilytettäessä metallia. Viivamaisuus tarkoittaa sitä, että dislokaation koko poikkeaa atomikokoluokasta vain yhdessä paikkaulottuvuudessa.
Dislokaatioiden määrä metalleissa on huomattavan suuri. Jopa aineessa joka on valmistettu hitaasti jäähdyttämällä dislokaatioita esiintyy 10^3 kpl / mm^2 . Suuren jännityksen vaikutuksesta dislokaatioiden tiheys voi kasvaa jopa 10^9 kpl / mm^2 :n.
Kiteisissä aineissa dislokaatioiden liike on tärkein plastista deformaatiota aiheuttava tekijä. Esimerkiksi raudan ja kuparin helppo muokattavuus perustuu siihen, että dislokaatioiden liike näissä materiaaleissa on helppoa, kun taas teräksen lujuus johtuu siitä, että dislokaatioiden liike on rajoitettua.".
Toivottavasi tämä ei mene liian vaikeaksi. Kysymykseesi vastaus on: se murtuma tapahtuu materiaalin "heikoimmasta" kohdasta eli miten ne atomin "pinousvirheet ovat sijoittuneet". Ratkaisevaa on siis materiaalin perusominaisuudet. (koostumus, lujuus, kovuus, lämpötila, voiman eli energian kohdistus esim. veto, puristus, vääntö, isku tms. ja säteily.)
Asian vierestä tulee paljon vastauksia, kuten yleensä.
Kysymyksessä ei mainittu metallista mitään, joten sitä koskeva tietous kidevirheistä ei liity asiaan. Kysymyksessähän ei oletettu edes kiteistä ainetta.
> kuvitellaan että olisi neljä atomia toisiinsa liittyneenä lankana A-A-A-A ja nyt molemmista päistä vedetään yhtä suurella voimalla, niin mistä kohdasta se menee atomisidos poikki? miksi?
Riippuu siitä millä niitä ketjun päädyssä olevia atomeita vedetään.
Jos elektroniverhoista sähköisen vuorovaikutuksen avulla, niin se muuttaa elektronien sitoutumista ketjun muihin atomeihin, ja useimmiten lujuutta akentavasti, eli repeää yksi atomi ketjun päädystä irti.
Jos taas vedät pitempää ketjua useammasta atomista tasaisemmalla voimajakautumalla, repeää satunnaisesta paikasta.
Ei osaa sanoa. Menisikö keskeltä, jos ajattelee tuota A-A-A-A ketjua vuorovaikutus (kolmena erillisinä) pareina. Jossa kaksi vaseman puoleista A-A ja kaksi oikean puoleista A-A yheteisvaikutus on suurempi kuin mitä keskimäisten A-A parin olisi?
"Asian vierestä tulee paljon vastauksia, kuten yleensä.
Kysymyksessä ei mainittu metallista mitään, joten sitä koskeva tietous kidevirheistä ei liity asiaan. Kysymyksessähän ei oletettu edes kiteistä ainetta."
Luuletko niin, että kiteettömissä aineissa ei ole atomien välisiä "sidosvoimia"? Kyllä amorfisessa materiaalissakin tapahtuu venymistä esim. lanka venyy vedossa kunnes katkeaa. Käyppäs joskus jossakin lasiverstaassa katsomassa kuinka siellä tehdään lasista lankaa. Kyllä se lasinen lankakin katkeaa.
Lasihan on amorfista materiaalia.
Lasilankahan valmistetaan sulasta lasista vetämällä ja kun se jäähtyyä sitä voidaan katkoa halutun pituisiin pätkiin. Taiteilija voi käyttää kuumaa plastista lankaa koristeluun ja pätkäisee sen siten haluttuun mittaan.
Oletettavasti kysymyksessä tarkoitettiin "kiinteää" materiaalia kun puhuttiin SAUVASTA? Nestemäisestä tai kaasumaisesta aineesta ei voi tehdä sauvoja! Vai kuinka?
Nykyfysiikassa on onnistuttu valmistamaan jopa amorfisia metalleja! Näistä voidaan tehdä sauvoja, nauhoja ja lankoja. Näillä on omat käyttäytymismallinsa mutta yleiset metalliset ominaisuudet silti ovat päteviä. (mm. venymä, lujuus, kovuus) Kuten yllä jo todettiin metalliien kiderakenteeseen vaikuttaa koostumus ja lämpötila. Kun sulassa tilassa oleva metalli tai metalliseos JÄÄHTYY se kiteytyy tai jossakin erityiskäsittelyssä se saadaan pysymään amorfisena (kiteetön rakenne). Kyllä amorfisia materiaaleja on tutkittu siinä missä on tutkittu kiteisiä materiaaleja.
Lujuusoppi soveltuu myös amorfisten kiinteiden aineiden tutkimukseen. Näissä kohteena on atomien väliset sidosvoimat. PS. myös kiderakenteiden syntyminen liittyy atomien välisiin sidosvoimiin. Tietyt kiderakenteet ovat aineille luonnollisia faasimuunnoksia sulasta jähmettymiseen päin.
EI TÄSSÄ PUHUTTU ASIAN VIERESTÄ. KAIKKI LIITTYY KIINTEÄN OLOMUODON FYSIIKKAAN.
Amorfinen rakenne on yksi olomuoto. Kiteinen rakenne on toinen olomuoto.
Tutustupa enemmän kiinteän olomuodon fysiikkaan.
Ei enempää tällä kertaa eikä myöhemminkään.
Joku taisi unohtaa nettihaun sanalla "amorfiset metallit"? Tämä hakusana kertoo muunmuassa seuraavaa:
"Mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet
Amorfisilla metalleilla on tyypillisesti korkea Youngin moduuli (jopa yli 100 MPa) ja etenkin zirkonium-pohjaiset amorfiset metalliseokset ovat osoittautuneet mekaanisesti vahvoiksi. [5][8] Niillä on myös niobium-, tantaali-, titaani- ja kromi-seosten ohella hyvä myötölujuus ja korroosion kesto. [8] Rauta- ja koboltti-pohjaisilla amorfisilla metalliseoksilla on puolestaan todettu erinomaisia magneettisia ominaisuuksia. [5] Magnesium- ja kalsium-pitoiset seokset ovat biologisesti aktiivisia ja niiden murtolujuus on hyvin lähellä luun ominaisuuksia. [6]
Amorfiset metallit jakavat kuitenkin laseille tyypillisiä ei haluttuja ominaisuuksia, kuten haurauden etenkin vetorasituksessa. [5][6][8][9] Vetolujuutta on pyritty nostamaan mm. nanoparttikeleita lisäämällä ja palladium-pohjaisten seoksien murtolujuus on osoittautunut lupaavaksi nousten lähelle vahvimpien terästen arvoja. [5][8]"
Amorfisilla metalleilla on siis myös "ei haluttuja" ominaisuuksia esim. tuossa kerrottu hauraus etenkin vetorasituksessa". Amorfinen metallisauva katkeaa vedossa omalla tavallaan, sillä on omat lujuusominaisuutensa jotka on huomioitava.
Joten EI tässä kukaan puhunut asian vierestä vaan kysymyksen aloittaja ITSE ei ole tajunnut yhtään mitään kiinteän aineen fysiikasta.
Kiinteässä olomuodossa on kaksi (2) vaihtoehtoa eli kiteinen olomuoto ja amorfinen olomuoto. Aloittaja olisi tehnyt oikein jos olisi ensin ITSE selvittänyt haulla kiinteän olomuodon fysiikasta perustiedot
Tyhmiä voi kysyä, mutta ei voi saada täydellistä vastausta kysymykseen koska vastaajat EIVÄT aina voi ymmärtää mitä kysyjä edes haluaa tietää? .MIKSI kysyjä ei voinut edes määritellä haluaako vastauksen kiteisen vai amorfisen aineen käyttäytymiseen vetorasituksessa?
Kysymykset on määriteltävä niin, että niihin voidaan antaa vastaus. Epämääräiseen tyhmään kysymykseen ei voi antaa selkeää vastausta.
Eihän kysyjä edes voinut määritellä MISSÄ lämpötilassa tuo sauvan vetokoe tehdään? Tällä on suuri merkitys koska metallien ja muiden kiinteiden aineiden ominaisuudet ovat sidoksissa lämpötilaan. On aivan eri juttu jos vetokoe tehdään kovassa kylmyydessä tai korkeassa lämpötilassa.
Muitakaa se, että jää on veden kiinteä olomuoto ja jäällä on omat lujuusominaisuutensa.
EI voida olettaa, että kaikki kiinteät aineet olomuodostaan riippumatta käyttäytyvät samalla tavalla kaikissa lämpötiloissa. Tutkittava aine ja lämpötila-alue on määriteltävä jos haluaa saada vastauksen.
Aloittajalla on lähtökohtaisesti väärä käsitys reaalimaailman materiaalin ominaisuuksista, vaikka materiaali ajateltaisiinkin ideaaliseksi. Materiaali ei voi olla kautta kappaleen miltään ominaisuudeltaan täysin homogeenista, tai tarkemmin sanottuna tämän tilanteen todennäköisyys on nolla, jos tilannetta tarkastellaan joko useammassa kohdassa materiaalia tai yhdessäkin kohdassa nollaa pitemmän ajanjakson aikana.
Syy tähän on siinä, että alkeistasolla materiaalin käyttäytymisellä on tietty todennäköisyysjakauma ja tämä saa aikaan esimerkiksi sen, että materiaalissa on aina jossakin "heikoin kohta", josta esimerkiksi myötäminen tai murtuminen pääsee lähtemään liikkeelle.
Kysyjä ei tunne lainkaan kiinteän aineen fysiikkaa. Homogeenisen sauvan murtumiseen ei aina tarvita edes murtolujuuden ylittävää voimaa vetosuuntaisessa liikkeessä.
Kysyjä ei liene koskaan kuulutkaan "väsymismurtumisesta". Tällä tarkoitetaan sitä, että materiaali voi murtua paljon pienemmässä voimassakin kun aikaa kuluu riittävästi. Pitkäkestoinen staattinen voima voi vaikuttaa materiaalia väsyttävällä tavalla ja lopulta se murtuu.
Kun vielä otetaan mukaan lämpötila päästäänkin puhumaan "virumislujuudesta". Eri aineeet kestävät voiman, ajan ja lämpötilan yhteisvakutuksia eri tavoin.
Oma osuutensa tulee vielä "vaihtokuormituksesta" eli kun tekijät vaihtelevat eri syklillä. Eri aineilla on tässäkin suuria eroja. Moni jäillä liikkuva on voinut opia tuntemaan tämän ilmiön. Kun lämpötila vaihtelee rajusti niin se jään kestävyys vaihtelee riippumatta jään paksuudesta. "Eilen" kestänyt jää voikin jo murtua alla sopivan sään vaihteluiden tullessa.
Lujuuteen (kestävyyteen) vaikuttaa monet staattiset ja dynaamiset tekijät. TÄMÄN vuoksi olisi pitänyt määritellä se materiaali johon kysymys kohdistuu.
Tämä koe on helposti toistettavissa: ota rautalangan pätkä ja taivuttele sitä edestakaisin, se katkeaa ilman vetosuuntaista liikettäkin. Se jatkuva taivuttelu on sitä "vaihtokuormitusta". Mutta otapa samanpaksuinen ompelulangan pätkä ja taivuttele sitä, sepä ei murru aivan yhtä helposti. Molemmat langat saa poikki myös vetosuuntaisella liikkeellä. Panepa kummankin langan päähän roikkumaan sopiva kuorma (punnus) ja mittaa aika jossa lanka väsyy kuormasta ja menee poikki. Tämä on sitä väsymismurtumista eli virumismurtumista.
Nämä kokeet voi tehdä kiteisillä ja amorfisilla kiinteillä aineilla. Näin voit selvittää haluatko tietää materiaalin:
- vetomurtolujuuden (maksimi kuormalla)
- virumislujuuden (staattinen, alemmalla kuormalla väsytys)
- vaihtokuormitus lujuuden (dynaaminen, alemmalla kuormalla)
Kysymyksiä saa tehdä, mutta kysyjän pitäisi osata muotoilla kysymys niin selvästi, että siihen voidaan vastata riittävällä tarkkuudella. Arvaus vastaukset eivät ole järkeviä. Ainakin rakennesuunittelijan pitää ottaa huomioon NÄMÄ kuormituserot ja niiden vaikutukset eri rakennevaihtoehtoihin materiaalivalintoja myöten. Jos rakennat kaasuturbiinia niin silloin on huomioitava käytettyjen materiaalien virumislujuusominaisuuksia. Kaasuturbiinin käyttölämpötilat ovat varsin korkeita. Jos rakennat siltaa niin on otettava huomioon myös lämpötilojen vaihtelut (kesä/talvi) yhdessä sillan oman painon ja liikenteen painon kanssa. Liikenne sillalla aiheuttaa vaihtelevaa kuormitusta mm. värähtelyjä yhdessä tuulikuorman kanssa. Nämäkin sillan on kestettävä.
Lujuudessa (fysikaalinen kestävyys) on siis huomoitava AINA myös käyttötarkoitus ja käyttöaika. Väliaikainen silta voi olla heikommin rakennettu kuin pysyvä silta. Teoreettinen ajattelu homogeenisuudesta eroaa sovelletun fysiikan alueesta riittävästi joten materiaalien määrittely on TARPEEN.
Mitä materiaalia oikein tarkoitit ja mihin käyttötarkoitukseen?
Lisäksi on huomattava, ettei edes yksinkertaisessa vetosauvassa jännitys jakaudu tasan poikkipinnassa, mutkikkaammista rakenteista sitten puhumattakaan. Näin ei edes teoriassa, saati sitten käytännössä.
Tarkoitiko homogenoidusta ja jäädytetystä maidosta tehtyä sauvaa? Tunnetusti maitokin jäätyy kiinteäksi aineeksi.
Oleta pyöreä lehmä.
Miten ymmärrät täysin homogeenisen aineen? Wikipedia kertoo muunmuassa kemiallisista sidostyypeistä seuraavaa:
"Kemiallinen sidos on elektronien muodostama, kemiallista yhdistettä koossa pitävä voima. Sidoksia on useita eri tyyppejä, mutta ne kaikki perustuvat atomiydinten ja elektronien välisiin voimiin. Vahvoja kemiallisia sidoksia ovat ionisidos, kovalenttinen sidos ja metallisidos. Kovalenttisia sidoksia esiintyy epämetalliatomien välillä ja ionisidoksia epämetalli- ja metalliatomien välillä. Lisäksi on olemassa heikkoja sidoksia, kuten van der Waalsin voima, dipoli-dipolisidos ja vetysidos."
Mitä sidostyyppiä homogeeninen aine mielestäsi sisältää? Koska et tarkoittanut "metalleja" niin olet hylännyt kysymyksessäsi tuon metallisen sidostyypin.
Oletko keksinyt jonkin aivan uuden sidostyypin jota muut eivät vielä tunne?
Minun tietoni rajoittuu nykyiseen reaalitodellisuuteen (fysiikkaan ja kemiaan) enkä juuri pohdi mitään mielikuvituksellisia ideaalisia outomaailmoja.
Avaaja aloittaa kysymyksensä : "Jos oletetaan että on olemassa...", niin normaaliälyiselle tuon pitäisi riittää tiedoksi että asialla ei tarvitse välttämättä olla mitään yhteyttä reaalimaailmaan.
Kuitenkin löytyy välittömästi esiintymisintoisia vastaajia kertomaan laveasti lainauksia metalliopin aleista ja koestusolosuhteista ynnä muusta täysin asian vierestä, lisäksi vielä syyllistetään kysyjä materiaaleista tietämättömäksi tyhmyriksi. ! !
Tässä taas koko palstan sisältö, yksi vastaaja on vastannut kysymykseen, muu lauma esittelee omaa erinomaisuuttaan asian vierestä.
HIENOA !
"Kuitenkin löytyy välittömästi esiintymisintoisia vastaajia kertomaan laveasti lainauksia metalliopin aleista ja koestusolosuhteista ynnä muusta täysin asian vierestä,"
Onko fysiikka ja lujuusoppi täysin "ASIAN VIERESTÄ" olevaa?
Minusta mielikuvitukseen perustuva oletukset ja reaalitodellisuus pitää kyetä erottamaan toisistaan. Toisten on vaikea ymmärtää sitä mitä toinen mielikuvituksessaan ajattelee.
Käsittääkseni meillä on vain YKSI reaalitodellisuus ja monta mielikuvitusta jotka eivät noudata reaalitodellisuuden lakeja. Pitäisikö materiaalifysiikka ja lujuusoppi hylätä ja vaihtaa ajatukset mielikuvituksellisiin oletuksiin?
Mielikuvitukselliset ajatukset eivät aina noudata reaalitodellisuuden rajoituksia.
Mielikuvitus voi kulkea reaalitodellisuuden vieressä (ulkopuolella).
Sanotaan nyt vain näin "mielikuvituksella ei ole rajoja".
Käytännön kannalta sillä ei ole vaikutusta murtumakohtaan.
Nyt se ero täydellisen ja ei täydellisen välillä ei ole käytännössä se murtumakohta. Vaan se ero on siinä kuinka paljon se sauva kestää ennen kuin se katkeaa.
Jos taas haluaa selvittää murtumakohdan, niin silloin pitää selvittää sen kappaleen jännitystilakenttä. Jännitystilakentän selvittämiseen taasen tarvitaan tieto kappeleen muodosta ja siihen kohdistetuista kuormista ja siitä mihin kohtaan ne kuormitukset vaikuttavat.
Nyt taas jos kappaleen jännitystilakenttä on kauttaaltaan vakio niin silloin kappale hajoaa täysin sattumanvaraisesti kummassakin tapauksessa. Täydellisessä tapauksessa sen takia, koska siinä ei ole heikkoa kohtaa ja ei täydellisessä tapauksessa sen takia, koska sitä heikointa kohtaa ei käytännössä voi selvittää.
Nyt siis sillä asialla ei ole käytännössä mitään merkitystä murtumakohtaa selvitettäessä. Ja se on hyvä asia, koska se tarkoittaa sitä, ettei lujuuslaskuissa tarvitse tietää tarkalleen sen laskettavan kappaleen atomirakennetta. Ei tarvitse tehdä mahdotonta eli selvittää kappaleen atomirakennetta tarkasti, eikä tarvitse laskea laskuja joidenka laskemiseen ei tietokoneiden laskentateho riitä.
Nyt jos mennään siihen mitä lujuuslaskenta tarkoittaa nykyaikana käytännössä. Niin se tarkoittaa FEM:ää eli elementtimenetelmää.
Ja nyt esimerkkinä sauvan vetokoe näyttää yksinkertaisena FEM mallina tältä:
<- S-S-S-S ->
jossa <- ja -> tarkoittavat kuormitusta, S tarkoittaa solmua, - tarkoittaa elementtiä.
Elementtiä kohdellaan laskennassa jousena, jonka ominaisuudet riippuvat materiaalista. Voimat ja tuenta kohdistetaan solmuihin ja se mitä lasketaan on solmujen siirtymät ja niihin kohdistuvat voimat.
Eli käytännön kannalta varsin yksinkertainen malli on riittävä.
Oletus täydellisestä homogeenisesta sauvasta on mielikuvitusta. Miksi emme saman tien mielikuvittelisi niin ettei murtumaa edes tulisi lainkaan vaan homogeeninen sauva venyisi äärettömiin murtumatta koskaan.
Matemaattisesti äärettömän ohut lanka on mahdollista koska mielikuvituksessa ei koskaan saavuteta nollaa (0). Äärettömän ohuen langan rajana lienee vain yhden atomin paksuinen 1-ulotteinen jono. Kuinka kaukana atomit voivat olla toisistaan, että käsitys 1-ulotteisesta jonosta lakkaa?
Tämän 1-ulotteisen jonon käsityksen lakkaaminen EI OLE murtumista. Se on vain venymistä (etääntymistä) kunnes jono käsitettä ei enää ole. Toisistaan irrallaan olevat atomit eivät muodosta jonoa. Miten pitkä voi olla 1-ulotteinen atomijono?
Mikä ero on murtumisella ja venymisellä?