Stress contre. Souche: Concepts clés pour la science matérielle

1. Introduction

Le stress et la tension sont des concepts fondamentaux en science des matériaux et en génie mécanique, jouer un rôle crucial dans la détermination des performances et de l'échec des matériaux sous charge.

Ces propriétés sont essentielles dans la conception structurelle, fabrication, et analyse des échecs.

Le stress se réfère à la résistance interne qu'un matériau développe par unité de zone lorsqu'elle est soumise à des forces externes, tandis que la contrainte mesure la déformation du matériau en réponse à ce stress.

Comprendre leur relation aide les ingénieurs à sélectionner les matériaux appropriés, Prédire les points d'échec, et optimiser les conceptions pour diverses applications, des ponts et des avions à la microélectronique.

Cet article fournit une analyse approfondie du stress et de la souche, Explorer leurs définitions, formulations mathématiques, méthodes de test, influencer les facteurs, et applications industrielles.

2. Fondamentaux du stress et de la tension

Qu'est-ce que le stress?

Stresser (un) La force est-elle appliquée par unité de zone dans un matériau. Il quantifie comment les forces internes résistent aux charges externes et s'expriment mathématiquement comme:

σ = f ÷ a

où:

• F est la force appliquée (N),
• UN est la zone transversale (m²).

Types de stress

• Contrainte de traction: Sépare le matériau, Augmenter sa longueur (par ex., étirant un fil en acier).
• Contrainte de compression: Presse le matériau ensemble, Réduire sa longueur (par ex., comprimer une colonne en béton).
• Contrainte de cisaillement: Provoque des couches adjacentes du matériau à se glisser (par ex., Forces agissant sur des joints boulonnés).
• Stress de torsion: Résultats des forces de torsion (par ex., couple appliqué sur un arbre rotatif).

  

Qu'est-ce que la tension?

Souche (e) est une mesure de la déformation d'un matériau due au stress appliqué. C'est une quantité sans dimension qui représente le rapport de changement de longueur à la longueur d'origine:

E = Δl ÷ l0

où:

• ΔL est le changement de longueur (m),
• L0 est la longueur d'origine (m).

Types de tension

• Tension normale: Causé par une contrainte de traction ou de compression.
• Tension de cisaillement: Résultats de la distorsion angulaire.

3. Relation entre le stress vs. Souche

Comprendre la relation entre stresser et souche est fondamental en science des matériaux et en ingénierie.

Cette relation aide à prédire comment les matériaux réagiront aux forces externes, Assurer l'intégrité structurelle et la fiabilité dans diverses applications, des ponts et des avions aux implants médicaux et aux produits de consommation.

Loi de Hooke: La relation élastique

Dans le région élastique, La plupart des matériaux présentent un relation linéaire entre le stress (Sigmaas) et la pression (e varepsilone), régi par Loi de Hooke:

σ = e ⋅ e

où:

• σ = stress (PA ou N / M²)
• E = Module de Young (module d'élasticité, en PA)
• e = tension (sans dimension)

Cette équation signifie que dans un matériau limite élastique, La contrainte et la tension sont directement proportionnelles.

Lorsque la charge est supprimée, Le matériau revient à sa forme d'origine. La valeur de Module de Young détermine la rigidité d'un matériau:

• Haut e (par ex., acier, titane) → Rigide et moins flexible
• Bas e (par ex., caoutchouc, polymères) → Flexible et facilement déformé

Par exemple, Steel a un module de jeunes de ~ 200 GPA, le rendre beaucoup plus rigide que l'aluminium (~ 70 GPA) ou caoutchouc (~ 0,01 GPA).

Elastic vs. Déformation plastique

Tandis que la loi de Hooke s'applique au région élastique, Les matériaux finissent par atteindre un rendement où la déformation devient permanent.

• Déformation élastique: Le matériau revient à sa forme d'origine après la suppression de la contrainte.
• Déformation plastique: Le matériau subit des changements irréversibles et ne revient pas à sa forme d'origine.

Courbe de contrainte-déformation et points clés

UN courbe de contrainte-déformation représente graphiquement comment un matériau se comporte sous charge.

1. Région élastique: Relation linéaire après la loi de Hooke.
2. Rendement: Le niveau de contrainte où commence la déformation plastique.
3. Région plastique: La déformation se poursuit sans augmentation de stress supplémentaire.
4. Résistance à la traction ultime (UTS): La contrainte maximale que le matériau peut résister.
5. Point de fracture: Le matériau se casse sous un stress excessif.

Pour matériaux ductibles (par ex., aluminium, acier doux), La déformation plastique se produit avant la défaillance, Autoriser l'absorption d'énergie avant de se casser.

Matériaux cassants (par ex., verre, céramique) fracture soudainement avec peu ou pas de déformation plastique.

Tableau récapitulatif: Relation de contrainte-déformation

Fonctionnalité	Région élastique	Région plastique
Définition	La contrainte et la tension sont proportionnelles	Une déformation permanente se produit
Droit régissant	Loi de Hooke	Comportement plastique non linéaire
Réversibilité	Entièrement réversible	Irréversible
Rendement?	Non	Oui
Exemple de matériaux	Acier (Dans la plage élastique), caoutchouc (faible tension)	Cuivre, aluminium (sous une forte contrainte)

4. Facteurs affectant le stress et le comportement de déformation

Comprendre les facteurs qui influencent stresser et souche Le comportement est crucial pour la sélection des matériaux, conception, et analyse des performances.

Divers facteurs intrinsèques et extrinsèques ont un impact sur la façon dont les matériaux réagissent aux forces appliquées, affectant leur force, ductilité, élasticité, et comportement global sous stress.

Explorons ces facteurs en profondeur.

Composition et microstructure des matériaux

Structure atomique et moléculaire

La disposition des atomes ou des molécules dans un matériau détermine ses propriétés mécaniques et, par conséquent, Son comportement sous stress.

Matériels avec différents types de liaison (covalent, métallique, ionique, etc.) présenter des réponses distinctes à la déformation.

• Métaux: Présentent généralement une ductilité élevée et sont capables de résister à une déformation plastique substantielle avant la défaillance.
  Leur structure atomique (réseaux cristallins) permet aux dislocations de se déplacer, leur permettant d'absorber efficacement le stress et la déformation.
• Polymères: Leurs chaînes moléculaires réagissent différemment en fonction du type de polymère (thermoplastique, Thermosets, élastomères).
  Par exemple, Les élastomères sont très déformables sous un faible stress, tandis que les thermodurcissables peuvent devenir cassants après avoir été soumis à des températures ou des contraintes élevées.
• Céramique: Ceux-ci ont généralement des liaisons ioniques ou covalentes, qui fournissent une force mais limitent le mouvement de dislocation.
  Par conséquent, La céramique a tendance à se fracturer facilement sous le stress, avec peu de déformation plastique.

Structure des grains

La taille et l'orientation de grains (Structures cristallines dans les métaux) impact significativement le stress vs. comportement de tension:

• Matériaux à grains fins: Montrent généralement une résistance à la traction améliorée et une résistance plus élevée à la fracture car les joints de grains entravent le mouvement de dislocation.
• Matériaux à grains grossiers: Peut montrer une ductilité plus élevée mais une résistance à la traction plus faible en raison des plus grandes distances entre les dislocations, les rendre plus sujets à l'échec sous stress.

Phases et alliages

En alliages, la présence de différentes phases ou la distribution de ces phases (par ex., ferrite et perlite en acier) influence le stress et le comportement des déformations. Par exemple:

• Alliages en acier: En faisant varier la composition en alliage, Les ingénieurs peuvent régler la limite d'élasticité du matériau, dureté, et dure pour répondre aux exigences de performance spécifiques.

Température

La température joue un rôle important dans la détermination du propriétés mécaniques de matériaux, affectant leur élastique et plastique comportement.

• À des températures élevées, Les métaux deviennent généralement plus ductiles, Et leur limite d'élasticité diminue.
  Par exemple, aluminium devient beaucoup plus malléable à des températures élevées, alors que acier peut ressentir une réduction de la dureté.
• À basse température, Les matériaux ont tendance à devenir plus fragiles. Par exemple, acier au carbone devient cassant à des températures inférieures à -40 ° C, le rendre plus sujet à la fissuration sous le stress.

Dilatation thermique

Les matériaux se développent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis, provoquant des contraintes internes qui peuvent affecter la fonctionnalité des matériaux.

Dans de grandes structures comme les ponts ou les pipelines, L'expansion et la contraction induites par la température peuvent conduire à contrainte thermique.

Taux de déformation (Taux de déformation)

Le taux de tension La vitesse à laquelle un matériau est déformé sous stress. Les matériaux peuvent se comporter différemment selon la rapidité avec laquelle la contrainte est appliquée:

• Déformation lente (faible taux de déformation): Les matériaux ont plus de temps pour se déformer plastiquement, Et la courbe de contrainte-déformation du matériau a tendance à présenter une plus grande ductilité.
• Déformation rapide (taux de déformation élevé): Les matériaux ont tendance à être plus rigides et plus forts, Mais leur ductilité diminue.
  Ceci est particulièrement important pour les matériaux utilisés dans Tests de collision (par ex., Analyse des accidents automobiles) ou impacts balistiques.

Exemple:

• En formage de métaux à grande vitesse (comme forger ou roulement), Le taux de déformation est élevé, et les métaux peuvent présenter une résistance accrue en raison de durcissement effets.
  Inversement, à bas taux de déformation, comme pendant les tests de tension lents, Les métaux ont plus de temps pour se déformer, entraînant une ductilité plus élevée.

Type de chargement et amplitude

Le chemin stresser est appliqué influence la réponse du matériel:

• Contrainte de traction: Le matériau est étiré, et sa résistance à l'allongement est testée.
  Cela se traduit généralement par une déformation plastique significative dans les matériaux ductiles, tandis que les matériaux cassants peuvent se fracturer plus tôt.
• Contrainte de compression: La compression entraîne généralement une déformation du matériau plus courte et peut entraîner différents mécanismes de défaillance.
  Par exemple, Le béton a une résistance à la compression élevée mais est faible en tension.
• Contrainte de cisaillement: La contrainte de cisaillement implique des forces agissant parallèles à la surface du matériau.
  Matériaux avec une bonne résistance au cisaillement, Comme certains aciers, va bien fonctionner sous la contrainte de cisaillement, tandis que d'autres peuvent déformer ou échouer prématurément.

L'ampleur de la charge joue également un rôle:

• Charges élevées peut pousser des matériaux dans leur déformation plastique région, conduisant à des changements importants de forme.
• Charges basse Gardez les matériaux dans le région élastique, où ils peuvent revenir à leur forme d'origine après la suppression de la contrainte.

Facteurs environnementaux

Les conditions environnementales peuvent influencer de manière significative le comportement de contrainte-déformation des matériaux. Les facteurs environnementaux courants comprennent:

• Corrosion: La présence d'humidité, sels, ou d'autres agents corrosifs peuvent affaiblir les matériaux, Réduire leur résistance à la traction et leur ductilité.
  Par exemple, rouiller Sur l'acier réduit sa capacité à résister à la tension et peut entraîner une défaillance prématurée.
• Fatigue: Cycles de stress répétés vs. la tension peut provoquer une dégradation des matériaux dans le temps, même si la contrainte maximale appliquée est inférieure à la limite d'élasticité.
  Ceci est essentiel dans des applications comme aérospatial et composants automobiles, où les matériaux subissent un chargement cyclique.
• Radiation: Dans les environnements nucléaires, le rayonnement peut provoquer fragilisation dans les métaux et les polymères, réduire leur capacité à se déformer avant la fracture.

Impuretés et défauts

La présence de impuretés (comme le carbone en acier ou soufre dans les métaux) ou défauts (comme les fissures ou les vides) peut considérablement changer la façon dont un matériel réagit au stress:

• Impuretés peut agir comme des points faibles dans le matériau, concentrer le stress et conduire à une défaillance prématurée.
• Défauts, en particulier les internes, peut créer concentrateurs de stress qui rendent les matériaux plus sujets à la fracture sous charge.

Par exemple, Une petite fissure dans un spécimen métallique peut agir comme un colonne montante,

réduire la résistance globale du matériau et entraîner une fracture à des niveaux de stress beaucoup plus faibles que ce qui serait prévu à partir de matériaux uniformes.

Historique de chargement

Le Histoire du stress et de la tension auquel un matériel a été soumis joue un rôle crucial dans son comportement:

• Matériaux qui ont été soumis à chargement cyclique (Chargement et déchargement répétés) peut vivre fatigue et développer fissures qui se propagent avec le temps.
• Matériaux qui subissent pré-formation ou travail en durcissant peut présenter des caractéristiques de contrainte altérées, comme l'augmentation de la limite d'élasticité et la diminution de la ductilité.

Exemple: Acier durci devient plus fort à mesure que les dislocations s'accumulent, le rendant plus résistant à une déformation supplémentaire mais moins ductile.

5. Techniques de mesure et expérimentales

La mesure et la compréhension précises de stresser contre. souche Les comportements sont essentiels dans les applications de science des matériaux et d'ingénierie.

Ces propriétés déterminent comment les matériaux se comporteront sous différentes charges et dans diverses conditions environnementales.

Diverses techniques et méthodes expérimentales ont été développées pour quantifier stresser contre. souche, Permettre aux ingénieurs de concevoir des structures et des produits plus sûrs et plus efficaces.

Cette section se plongera dans les techniques les plus couramment utilisées, comment ils fonctionnent, et la signification de chacun dans l'évaluation des propriétés mécaniques des matériaux.

5.1 Techniques de mesure de la souche

Pâte à tension

Pâte à tension sont l'un des instruments les plus utilisés pour mesurer la déformation. Une jauge de tension est une mince, dispositif électriquement résistif qui se déforme lorsqu'il est soumis à un stress.

Cette déformation provoque un changement dans sa résistance électrique, qui peut être mesuré et corrélé à la quantité de souche subie par le matériau.

• Principe de fonctionnement: Les jauges de tension se composent d'une grille de métal fin ou d'aluminium attaché à un support flexible.
  Lorsque le matériau auquel la jauge de déformation est fixée se déforme, La grille se déforme également, Changer sa résistance. Ce changement est proportionnel à la pression sur le matériau.
• Types de jauges de contrainte: Il existe plusieurs types, y compris déjouer, fil, et Gauges de contrainte semi-conductrices.
  Le type de papier d'aluminium est le plus courant et est largement utilisé pour mesurer la déformation dans les applications d'ingénierie.
• Applications: Les jauges de contrainte sont utilisées dans les tests de contrainte des matériaux, Surveillance de la santé structurelle, et même les industries aérospatiales et automobiles pour évaluer la performance des composants critiques.

Corrélation d'image numérique (Dic)

Corrélation d'image numérique (Dic) est une méthode optique pour mesurer la contrainte. Il utilise une paire de caméras haute résolution pour capturer les images de la surface d'un matériau à différents stades de déformation.

Un logiciel spécialisé suit ensuite les changements dans le motif de surface pour mesurer la déformation.

• Principe de fonctionnement: DIC fonctionne en appliquant un motif de taches aléatoire (Souvent noir et blanc) à la surface du matériau.
  Au fur et à mesure que le matériau se déforme, Le motif Speckle se déplace et le logiciel corrèle les positions des taches dans différentes images pour calculer le déplacement et la déformation.
• Avantages: DIC fournit des mesures de déformation à champ plein, Le rendre idéal pour analyser les matériaux et les déformations complexes.
  Il peut également être utilisé pour mesurer les souches en 3D et ne nécessite pas de contact direct avec l'échantillon.
• Applications: Cette technique est utilisée dans la recherche et le développement, y compris l'étude du comportement des matériaux sous des charges en traction ou en compression, Test de fatigue, et la mécanique des fractures.

Extenseurs

Un extenomètre est un dispositif utilisé pour mesurer l'allongement ou la contraction d'un échantillon sous charge.

Il se compose d'un ensemble de capteurs de déplacement qui s'attachent à l'échantillon de test et surveillent son changement de longueur pendant les tests.

• Principe de fonctionnement: L'extenomètre mesure le déplacement entre deux points sur un spécimen, généralement au centre de la longueur de la jauge.
  Le déplacement relatif entre ces points fournit la valeur de déformation.
• Types d'extenseurs: Ceux-ci incluent extenseurs de contact (qui touchent physiquement le spécimen),
  sans contact (optique) extenseurs, et extenseurs laser (qui utilisent des faisceaux laser pour mesurer la distance sans contacter l'échantillon).
• Applications: Les extenseurs sont largement utilisés dans tests de traction et tests de compression, Fournir des mesures de déformation précises.

5.2 Techniques de mesure du stress

Chargez des cellules

Chargez des cellules sont des capteurs utilisés pour mesurer la force (ou charge) appliqué à un spécimen, fournir une mesure directe du stress.

Ces dispositifs convertissent la force mécanique en un signal électrique qui peut être mesuré et enregistré.

• Principe de fonctionnement: Les cellules de chargement utilisent généralement pâte à tension Comme l'élément de détection.
  Lorsqu'une charge est appliquée, Les jauges de contrainte se déforment, Et cette déformation est traduite par un changement de résistance électrique, qui correspond à la force appliquée.
• Types de cellules de charge: Les principaux types de cellules de charge comprennent cellules de chargement à point, cellules de charge de type S, cellules de charge de cartouche, et cellules de charge de faisceau.
  Chaque type a des applications spécifiques en fonction des exigences de mesure et de la configuration de chargement.
• Applications: Les cellules de charge sont utilisées dans machines d'essais de traction, tests de pression, et Systèmes de pesage industriel, fournir une mesure directe de la force, qui peut être utilisé pour calculer la contrainte.

Mesure de la concentration de stress

Les concentrations de stress se produisent aux discontinuités géométriques (par ex., encoche, trous, et les coins pointus) et sont souvent des domaines de défaillance des matériaux.

Ceux-ci peuvent être mesurés en utilisant photoélasticité ou Analyse par éléments finis (FEA).

• Photoélasticité: Cette technique consiste à appliquer une lumière polarisée aux matériaux transparents sous stress.
  Le matériau montre des franges qui indiquent la distribution du stress, qui peut être analysé pour détecter les régions de concentration de stress.
• Analyse par éléments finis (FEA): FEA est une méthode de calcul utilisée pour simuler la distribution de contrainte dans un matériau ou une structure sous charge.
  En modélisant le matériau et en appliquant des charges, Les ingénieurs peuvent analyser le comportement et identifier les zones avec des concentrations à forte stress.
• Applications: Les mesures de concentration de stress sont cruciales dans le aérospatial, automobile, et Génie civil industries pour assurer la sécurité et la durabilité des composants critiques.

Cercle de Mohr pour l'analyse des contraintes

Le cercle de Mohr est une méthode graphique pour déterminer l'état de contrainte à un point dans un matériau, en particulier pour les situations de stress bidimensionnelles.

Il permet aux ingénieurs de calculer les contraintes normales et de cisaillement dans différentes orientations, Fournir un aperçu précieux de la réponse du matériel aux forces appliquées.

• Principe de fonctionnement: Le cercle de Mohr utilise les contraintes principales (contraintes maximales et minimales) et les contraintes de cisaillement à un moment donné pour générer un cercle.
  Les points sur le cercle correspondent aux contraintes sur différents plans dans le matériau.
• Applications: Le cercle de Mohr est utilisé dans l'analyse structurelle, tests de matériel, et analyse des échecs, en particulier lorsque le matériau est soumis à des conditions de chargement complexes.

5.3 Test de contrainte et de contrainte combinée

Machines d'essai universelles (UTMS)

UN Machine de test universelle est un appareil essentiel utilisé pour tester les propriétés mécaniques des matériaux, y compris la traction, compression, et des tests de flexion.
Ces machines mesurent les deux stresser contre. souche Pendant l'application de la force.

• Principe de fonctionnement: Les UTM appliquent une force contrôlée sur un échantillon et mesurent le déplacement ou l'allongement correspondant.
  Les données de force et de déplacement sont ensuite utilisées pour calculer la contrainte vs. souche, produire une courbe de contrainte-déformation.
• Applications: Les UTM sont largement utilisés pour tester les métaux, polymères, composites, et autres matériaux. Ils sont essentiels dans laboratoires de test de matériaux, contrôle de qualité, et R.&D Dans diverses industries.

Mesures combinées de contrainte et de contrainte dans les tests de fatigue

Dans Test de fatigue, Les matériaux sont soumis à une charge cyclique, Et les deux stress vs. La tension doit être mesurée simultanément pour comprendre comment le matériau se comporte sous un stress répétitif.

Machines de fatigue de flexion en rotation ou Machines d'essais servo-hydrauliques sont souvent utilisés à cet effet.

• Principe de fonctionnement: Les machines appliquent un chargement cyclique pendant que le matériau est surveillé pour les deux contraintes (via des cellules de charge) et la pression (via des extenseurs ou des jauges de contrainte).
  Les données résultantes sont cruciales pour prédire les modes de durée de vie et d'échec de la fatigue du matériau.
• Applications: Le test de fatigue est vital dans les industries comme automobile, aérospatial, et énergie pour assurer la fiabilité et la durabilité des composants soumis à un chargement répété.

6. Comparaison du stress vs. Souche

Comprendre les distinctions et les relations entre le stress vs. La tension est essentielle pour que les ingénieurs conçoivent la sécurité, efficace, et matériaux et structures durables.

Résumé des différences clés

Aspect	Stresser	Souche
Définition	Force interne par unité de zone	Déformation ou déplacement des matériaux
Unités	Passages (Pennsylvanie), Mégapascals (MPa)	Sans dimension (rapport)
Type de quantité	Tenseur (Magnitude et direction)	Scalaire (Magnitude uniquement)
Nature	Causé par les forces externes	Causée par une déformation induite par le stress
Comportement des matériaux	Détermine la résistance du matériau	Mesure la déformation matérielle
Élastique / plastique	Peut être élastique ou plastique	Peut être élastique ou plastique
Exemple	Force par zone dans une tige métallique	Allongement d'une tige métallique sous tension

7. Conclusion

Le stress et la tension sont des concepts fondamentaux en ingénierie et en science des matériaux.

Comprendre leur relation aide les ingénieurs à optimiser les performances des matériaux, améliorer la sécurité, et des structures de conception qui résistent à l'échec.

Avec des progrès dans les tests et les simulations de calcul, Les industries peuvent améliorer la durabilité et l'efficacité des produits dans divers secteurs.

En maîtrisant l'analyse de la déformation du stress, Les professionnels peuvent prendre des décisions éclairées dans la sélection des matériaux, intégrité structurelle, et conception innovante, Assurer la fiabilité à long terme dans les applications d'ingénierie.