Statisk och dynamisk hållfasthet

Ett fundamentalt krav på alla konstruktioner är att de inte får gå sönder av eller få bestående deformationer från de laster som de normalt utsätts för under avsedd livstid. Beroende på lasternas karaktär, materialegenskaperna efter tillverkning och i den aktuella miljön samt den konstruktiva utformningen kan olika skadefenomen uppstå. För korrekt val av material, tillverkningsprocess och konstruktiv utformning måste man därför beakta de till skademekanismerna relaterade hållfasthetskriterierna, så att man kan försäkra sig om att tillräckliga säkerhetsmarginaler kan uppnås.

 

Ett hållfasthetskriterium uttrycker i något avseende materialets bärförmåga i form av en materialegenskap relaterad till en påkänning i materialet som orsakas av den yttre lasten. Påkänningen beräknas genom spänningsanalys, vilket förutsätter att man redan känner vissa materialegenskaper, t ex elasticitetsmodul och densitet samt att det dessutom föreligger ett relativt detaljerat förslag till konstruktiv utformning. En materialvalssituation blir därför mycket komplicerad eftersom varje material påverkas olika av de yttre lasterna och erbjuder olika möjligheter till geometrisk utformning beroende på vad som är tillverkningsbart i det aktuella materialet. Dessutom påverkas materialegenskaperna av tillverkningsprocessen. En komponent i formsprutad plast kan ha samma bärförmåga som om den vore gjuten i aluminium, men utformad på ett annat sätt, trots att aluminium nominellt sett är starkare än plast.

Oftast är det andra krav än de hållfasthetstekniska som primärt bestämmer från vilken eller vilka materialklasser som materialet kan väljas. Det kan vara beständighet i viss miljö, termiska och elektriska egenskaper, pris m m. Om materialet kan väljas från flera materialklasser, eller om alternativa tillverkningsmetoder är möjliga, kan det vara nödvändigt att driva flera koncept parallellt i produktutvecklingsprocessen. Efterhand som koncepten tar form och detaljeringen ökar kan man göra en bedömning om vilket material som bäst uppfyller de hållfasthetstekniska kriterierna. I denna process måste man ta hänsyn till hur materialegenskaperna påverkas av tillverkningmetoden och olika typer av efterbearbetning och efterbehandling samt av metoder som kan tillföras för att erhålla förbättrade hållfasthetsegenskaper.

Beroende på lasternas karaktär är det olika egenskaper i materialet som är dimensionerande. Man skiljer därför på statiska och varierande laster som antingen verkar under kort eller lång tid. Vad som är kort eller lång tid är materialberoende som får bedömas i varje enskilt fall. Vidare skiljer man på primär-, sekundär- och toppspänningar i konstruktionen.

Primärspänningar är de spänningar som balanserar de yttre lasterna samtidigt som det vid flytning saknas alternativa lastvägar eller möjlighet till omlagring av spänningar. Sekundärspänningar uppstår på grund av reaktionskrafter mot omgivningen och är därför självbegränsande. Toppspänningar är spänningskoncentrationer som erhålls på grund av diskontinuiteter i spänningsflödet vid dimensionsövergångar, t ex hål och hålkälar.

En översikt över belastningstyper framgår av denna bild. För varje belastningstyp kan en konstruktion haverera på ett eller flera sätt. Varje sådan skademekanism måste beaktas vid ett material- och processval. Vilka faktorer som då har väsentlig betydelse indikeras av de nyckelord som finns angivet vid varje skadetyp.

  • Materialegenskaper är markerade med kursiv stil och avser den eller de parametrar som materialvalet primärt baseras på och behöver inte alltid explicit ingå i något hållfasthetskriterium
  • Påkänningen i materialet kan antingen bero på primärspänningar eller toppspänningar. Om den t ex beror på toppspänningar betyder detta att stora spänningsgradienter bör undvikas samt att konstruktionskonceptet måste vara relativt detaljerat i kritiska partier. Primärspänningar kan ofta bestämmas genom enklare överslagsberäkningar
  • Tillverkningsberoende faktorer, som kan ha väsentligt inflytande på bärförmågan, är angivna genom olika nyckelord såsom initieringsställen, restspänningar m m. Vad dessa betyder för de enskilda skademekanismerna är beskrivet under respektive avsnitt men indikerar här att den slutliga bärförmågan till stor del beror på valet av processer
  • Miljöpåverkan betyder ofta att man har små möjligheter att optimera materialvalet med avseende på hållfastheten, utan miljön är den dominerande materialvalsfaktorn.

Klicka för att få en klickbar förstoring!

Översikt över belastningstyper och relaterade skademekanismer. För respektive fall visas materialegenskaper och andra faktorer som har väsentlig betydelse för bärförmågan.

I det följande beskrivs hur man väljer material och tillverkningsmetoder med hänsyn till olika skademekanismer.

© Copyright © 2002 IVF Industriforskning och utveckling AB
Till startsidan