Stress vs. Sottoporre a tensione: Concetti chiave per la scienza materiale

1. Introduzione

Lo stress e la tensione sono concetti fondamentali nella scienza dei materiali e nell'ingegneria meccanica, svolgere un ruolo cruciale nel determinare le prestazioni e il fallimento dei materiali sotto carico.

Queste proprietà sono essenziali nella progettazione strutturale, produzione, e analisi del fallimento.

Lo stress si riferisce alla resistenza interna si sviluppa un materiale per unità di area se sottoposto a forze esterne, mentre la deformazione misura la deformazione del materiale in risposta a tale stress.

Comprendere la loro relazione aiuta gli ingegneri a selezionare materiali appropriati, prevedere i punti di fallimento, e ottimizza i progetti per varie applicazioni, Da ponti e aeromobili alla microelettronica.

Questo articolo fornisce un'analisi approfondita dello stress e della tensione, esplorare le loro definizioni, formulazioni matematiche, Metodi di test, fattori influenzanti, e applicazioni industriali.

2. Fondamenti di stress e tensione

Cos'è lo stress?

Stress (UN) è la forza applicata per unità di area all'interno di un materiale. Quantifica il modo in cui le forze interne resistono ai carichi esterni ed è espresso matematicamente come:

σ = f ÷ a

Dove:

• F è la forza applicata (N),
• UN è l'area trasversale (m²).

Tipi di stress

• Stress di trazione: Separare il materiale, aumentando la sua lunghezza (per esempio., Allungare un filo d'acciaio).
• Stress compressivo: Preme il materiale insieme, Riducendo la sua lunghezza (per esempio., comprimendo una colonna di cemento).
• Stress da taglio: Fa scivolare gli strati adiacenti del materiale (per esempio., forze che agiscono su giunti bullonati).
• Stress torsionale: Risultati dalle forze di torsione (per esempio., coppia applicata a un albero rotante).

  

Cos'è la tensione?

Sottoporre a tensione (e) è una misura della deformazione di un materiale a causa dello stress applicato. È una quantità senza dimensioni che rappresenta il rapporto tra variazione di lunghezza e lunghezza originale:

E = ΔL ÷ l0

Dove:

• ΔL è il cambiamento di lunghezza (M),
• L0 è la lunghezza originale (M).

Tipi di tensione

• Tensione normale: Causato da stress di trazione o compressione.
• Tensione di taglio: Risultati dalla distorsione angolare.

3. Relazione tra stress vs. Sottoporre a tensione

Comprendere la relazione tra stress E sottoporre a tensione è fondamentale per la scienza e l'ingegneria dei materiali.

Questa relazione aiuta a prevedere come i materiali rispondono alle forze esterne, Garantire l'integrità strutturale e l'affidabilità in varie applicazioni, Da ponti e aeromobili agli impianti medici e ai prodotti di consumo.

La legge di Hooke: La relazione elastica

Nel regione elastica, La maggior parte dei materiali mostra a relazione lineare tra stress (Sigmaas) e sforzo (E Varepsilone), governato da La legge di Hooke:

σ = e ⋅ e

Dove:

• σ = stress (PA o N/M²)
• E = Modulo di Young (Modulo di elasticità, in PA)
• E = deformazione (senza dimensioni)

Questa equazione significa che all'interno di un materiale Limite elastico, Lo stress e la tensione sono direttamente proporzionali.

Quando il carico viene rimosso, Il materiale ritorna alla sua forma originale. Il valore di Modulo di Young determina la rigidità di un materiale:

• Alto e (per esempio., acciaio, titanio) → Rigido e meno flessibile
• Basso e (per esempio., gomma, polimeri) → Flessibile e facilmente deformato

Per esempio, Steel ha un modulo di Young di ~ 200 GPA, rendendolo molto più rigido dell'alluminio (~ 70 GPA) o gomma (~ 0,01 GPA).

Elastico vs. Deformazione plastica

Mentre la legge di Hooke si applica al regione elastica, I materiali alla fine raggiungono un punto di snervamento dove diventa la deformazione permanente.

• Deformazione elastica: Il materiale ritorna alla sua forma originale dopo che lo stress viene rimosso.
• Deformazione plastica: Il materiale subisce cambiamenti irreversibili e non torna alla sua forma originale.

Curva a ceppo di sollecitazione e punti chiave

UN curva a ceppo di stress rappresenta graficamente come un materiale si comporta sotto carico.

1. Regione elastica: Relazione lineare seguendo la legge di Hooke.
2. Punto di snervamento: Il livello di stress in cui inizia la deformazione plastica.
3. Regione di plastica: La deformazione continua senza ulteriore aumento dello stress.
4. Massima resistenza alla trazione (UTS): La massima sollecitazione che il materiale può resistere.
5. Punto di frattura: Il materiale si rompe sotto stress eccessivo.

Per Materiali duttili (per esempio., alluminio, acciaio dolce), La deformazione plastica si verifica prima del fallimento, consentire l'assorbimento di energia prima di rompere.

Materiali fragili (per esempio., bicchiere, ceramica) frattura improvvisamente con poca o nessuna deformazione plastica.

Tabella riassuntiva: Relazione stress-ceppo

Caratteristica	Regione elastica	Regione di plastica
Definizione	Lo stress e la tensione sono proporzionali	Si verifica una deformazione permanente
Legge che governa	La legge di Hooke	Comportamento di plastica non lineare
Reversibilità	Pienamente reversibile	Irreversibile
Punto di snervamento?	NO	SÌ
Materiali di esempio	Acciaio (all'interno della gamma elastica), gomma (tensione bassa)	Rame, alluminio (Sotto stress elevato)

4. Fattori che influenzano lo stress e il comportamento della deformazione

Comprendere i fattori che influenzano stress E sottoporre a tensione Il comportamento è cruciale per la selezione dei materiali, progetto, e analisi delle prestazioni.

Vari fattori intrinseci ed estrinseci influiscono su come i materiali rispondono alle forze applicate, influenzando la loro forza, duttilità, elasticità, e comportamento generale sotto stress.

Esploriamo questi fattori approfonditi.

Composizione e microstruttura del materiale

Struttura atomica e molecolare

La disposizione di atomi o molecole in un materiale determina le sue proprietà meccaniche e, di conseguenza, il suo comportamento sotto stress.

Materiali con diversi tipi di legame (covalente, metallico, ionico, ecc.) mostra risposte distinte alla deformazione.

• Metalli: In genere presentano un'elevata duttilità e sono in grado di resistere a una deformazione plastica sostanziale prima del fallimento.
  La loro struttura atomica (Lettici di cristallo) consente di spostarsi, consentendo loro di assorbire lo stress e la tensione efficace.
• Polimeri: Le loro catene molecolari rispondono in modo diverso a seconda del tipo di polimero (termoplastici, Thermossets, elastomeri).
  Per esempio, Gli elastomeri sono altamente deformabili a basso stress, mentre i termosetti possono diventare fragili dopo essere stati sottoposti ad alte temperature o stress.
• Ceramica: Questi in genere hanno legami ionici o covalenti, che forniscono forza ma limitano il movimento di dislocazione.
  Di conseguenza, La ceramica tendono a frattura facilmente sotto stress, con poca deformazione plastica.

Struttura del grano

Le dimensioni e l'orientamento di cereali (Strutture cristalline nei metalli) influire significativamente sullo stress vs. comportamento di tensione:

• Materiali a grana fine: In genere mostrano una migliore resistenza alla trazione e una maggiore resistenza alla frattura perché i confini del grano impediscono il movimento di dislocazione.
• Materiali a grana grossa: Può mostrare una maggiore duttilità ma una minore resistenza alla trazione dovuta alle maggiori distanze tra lussazioni, rendendoli più inclini al fallimento sotto stress.

Fasi e leghe

In leghe, la presenza di diverse fasi o la distribuzione di queste fasi (per esempio., Ferrite e Pearlite in acciaio) influenza lo stress e il comportamento di tensione. Ad esempio:

• Leghe in acciaio: Variando la composizione in lega, Gli ingegneri possono sintonizzare la resistenza alla snervamento del materiale, tenacità, e durezza per soddisfare requisiti di prestazione specifici.

Temperatura

La temperatura svolge un ruolo significativo nel determinare il proprietà meccaniche di materiali, influenzare il loro elastico E plastica comportamenti.

• Ad alte temperature, I metalli diventano generalmente più duttili, E la loro forza di snervamento diminuisce.
  Ad esempio, alluminio diventa molto più malleabile a temperature elevate, Mentre acciaio può sperimentare una riduzione della durezza.
• A basse temperature, I materiali tendono a diventare più fragili. Per esempio, acciaio al carbonio diventa fragile a temperature inferiori a -40 ° C, rendendolo più incline a cracking sotto stress.

Dilatazione termica

I materiali si espandono quando riscaldati e si contraggono quando sono raffreddati, causando sollecitazioni interne che possono influire su come i materiali funzionano sotto carico.

In grandi strutture come ponti o condutture, L'espansione e la contrazione indotte dalla temperatura possono portare a stress termici.

Tasso di deformazione (Tasso di deformazione)

IL velocità di deformazione è la velocità con cui un materiale viene deformato sotto stress. I materiali possono comportarsi in modo diverso a seconda della rapidità con cui viene applicata lo stress:

• Deformazione lenta (bassa velocità di deformazione): I materiali hanno più tempo per deformare in modo plastico, E la curva a ceppo di stress del materiale tende a mostrare una maggiore duttilità.
• Deformazione rapida (alta velocità di deformazione): I materiali tendono ad essere più rigidi e più forti, Ma la loro duttilità diminuisce.
  Ciò è particolarmente importante per i materiali utilizzati in Crash test (per esempio., Analisi del crash automobilistico) O impatti balistici.

Esempio:

• In metallo ad alta velocità (Piace forgiatura O rotolamento), La velocità di deformazione è alta, e i metalli possono presentare una maggiore resistenza a causa di sostenuto effetti.
  Al contrario, a basse velocità di deformazione, come durante i test di tensione lenti, I metalli hanno più tempo per deformarsi, con conseguente maggiore duttilità.

Tipo di carico e grandezza

Il modo stress è applicato influenza la risposta del materiale:

• Stress di trazione: Il materiale è allungato, e la sua resistenza all'allungamento è testata.
  Ciò si traduce in genere in una significativa deformazione plastica nei materiali duttili, mentre i materiali fragili possono fratturare prima.
• Stress compressivo: La compressione in genere porta a una deformazione del materiale più breve e può provocare diversi meccanismi di fallimento.
  Ad esempio, Il calcestruzzo ha un'elevata resistenza a compressione ma è debole in tensione.
• Stress da taglio: Lo stress da taglio comporta forze che agiscono parallele alla superficie del materiale.
  Materiali con buona resistenza al taglio, Come alcuni acciai, si esibirà bene sotto lo stress da taglio, mentre altri possono deformarsi o fallire prematuramente.

L'entità del carico Ha anche un ruolo:

• Carichi elevati può spingere i materiali nel loro Deformazione plastica regione, portando a cambiamenti significativi di forma.
• Carichi bassi mantenere i materiali all'interno del regione elastica, dove possono tornare alla loro forma originale dopo che lo stress è stato rimosso.

Fattori ambientali

Le condizioni ambientali possono influenzare significativamente il comportamento della deformazione dello stress dei materiali. I fattori ambientali comuni includono:

• Corrosione: La presenza di umidità, sali, o altri agenti corrosivi possono indebolire i materiali, Ridurre la loro resistenza alla trazione e la duttilità.
  Per esempio, ruggine in acciaio riduce la sua capacità di resistere alla tensione e può portare a un guasto prematuro.
• Fatica: Cicli ripetuti di stress vs. la deformazione può causare degrado del materiale nel tempo, Anche se lo stress massimo applicato è al di sotto della resistenza alla snervamento.
  Questo è fondamentale in applicazioni come aerospaziale E componenti automobilistici, dove i materiali subiscono un carico ciclico.
• Radiazione: In ambienti nucleari, le radiazioni possono causare infragilimento in metalli e polimeri, Ridurre la loro capacità di deformarsi prima della frattura.

Impurità e difetti

La presenza di impurità (come carbonio in acciaio o zolfo nei metalli) O difetti (come crepe o vuoti) Può cambiare drasticamente il modo in cui un materiale risponde allo stress:

• Impurità può agire come punti deboli all'interno del materiale, Concentrarsi lo stress e portare a un fallimento prematuro.
• Difetti, soprattutto quelli interni, può creare concentratori di stress che rendono i materiali più inclini alla frattura sotto carico.

Per esempio, Una piccola crepa in un campione metallico può agire come a Riser di stress,

Ridurre la resistenza al materiale generale e portare a fratture a livelli di stress molto più bassi di quanto si prevede da materiali uniformi.

Annuncia di caricamento

IL Storia di stress e tensione a cui è stato sottoposto un materiale svolge un ruolo cruciale nel suo comportamento:

• Materiali che sono stati sottoposti a Caricamento ciclico (Caricamento e scarico ripetuti) può sperimentare fatica e sviluppare crepe che si propaga nel tempo.
• Materiali che subiscono pre-cessione O Il lavoro indurimento Può mostrare caratteristiche alterate della deformazione da stress, come un aumento della resistenza alla snervamento e una riduzione della duttilità.

Esempio: Acciaio indurito dal lavoro diventa più forte quando si accumulano dislocazioni, rendendolo più resistente a ulteriori deformazioni ma meno duttili.

5. Misurazione e tecniche sperimentali

La misurazione e la comprensione accurate di stress contro. sottoporre a tensione I comportamenti sono fondamentali sia nelle applicazioni scientifiche che ingegneristiche.

Queste proprietà determinano come i materiali funzionano in diversi carichi e in diverse condizioni ambientali.

Sono state sviluppate varie tecniche e metodi sperimentali per quantificare stress contro. sottoporre a tensione, consentire agli ingegneri di progettare strutture e prodotti più sicuri ed efficienti.

Questa sezione approfondirà le tecniche più comunemente usate, come funzionano, e il significato di ciascuno nella valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali.

5.1 Tecniche di misurazione della deformazione

Calibri di deformazione

Calibri di deformazione sono uno degli strumenti più utilizzati per misurare la tensione. Un calibro di deformazione è sottile, dispositivo elettricamente resistivo che si deforma se sottoposto a sollecitazione.

Questa deformazione provoca un cambiamento nella sua resistenza elettrica, che può essere misurato e correlato alla quantità di deformazione sperimentata dal materiale.

• Principio di funzionamento: I calibri di deformazione sono costituiti da una griglia di metallo fine o pellicola attaccata a un supporto flessibile.
  Quando il materiale a cui è collegato il calibro di deformazione, Anche la griglia si deforma, cambiando la sua resistenza. Questo cambiamento è proporzionale alla tensione sul materiale.
• Tipi di calibro di deformazione: Ci sono diversi tipi, compreso sventare, filo, E calibri a semiconduttore.
  Il tipo di lamina è il più comune ed è ampiamente utilizzato per misurare la deformazione nelle applicazioni ingegneristiche.
• Applicazioni: I calibri di deformazione vengono utilizzati nei test di stress dei materiali, Monitoraggio della salute strutturale, e persino industrie aerospaziali e automobilistiche per valutare le prestazioni dei componenti critici.

Correlazione dell'immagine digitale (DIC)

Correlazione dell'immagine digitale (DIC) è un metodo ottico per misurare la deformazione. Utilizza una coppia di telecamere ad alta risoluzione per catturare le immagini della superficie di un materiale in diverse fasi di deformazione.

Il software specializzato quindi traccia i cambiamenti nel modello di superficie per misurare la deformazione.

• Principio di funzionamento: DIC funziona applicando uno schema a chiacchierone casuale (Spesso in bianco e nero) Sulla superficie del materiale.
  Come si deforma il materiale, Il motivo a macchioline si muove e il software correla le posizioni dei granelli in immagini diverse per calcolare lo spostamento e la tensione.
• Vantaggi: DIC fornisce misurazioni di deformazione a campo pieno, rendendolo ideale per analizzare materiali e deformazioni complesse.
  Può anche essere usato per misurare i ceppi in 3D e non richiede un contatto diretto con il campione.
• Applicazioni: Questa tecnica viene utilizzata nella ricerca e nello sviluppo, incluso lo studio del comportamento materiale sotto carichi di trazione o compressione, Test di affaticamento, e meccanica della frattura.

Estensometri

UN estensometro è un dispositivo utilizzato per misurare l'allungamento o la contrazione di un campione sotto carico.

È costituito da un insieme di sensori di spostamento che si attaccano al campione di prova e monitorano la sua variazione di lunghezza durante il test.

• Principio di funzionamento: L'estensometro misura lo spostamento tra due punti su un campione, in genere al centro della lunghezza del calibro.
  Lo spostamento relativo tra questi punti fornisce il valore della deformazione.
• Tipi di estensimetri: Questi includono Extensometri di contatto (che toccano fisicamente il campione),
  senza contatto (ottico) estensometri, E Estensometri laser (che usano i raggi laser per misurare la distanza senza contattare il campione).
• Applicazioni: Gli estensimetri sono ampiamente utilizzati in Testi di trazione E Test di compressione, Fornire misurazioni di deformazione precise.

5.2 Tecniche di misurazione dello stress

Carica celle

Carica celle sono sensori usati per misurare la forza (o carico) applicato a un campione, Fornire una misura diretta di stress.

Questi dispositivi convertono la forza meccanica in un segnale elettrico che può essere misurato e registrato.

• Principio di funzionamento: Le celle di carico in genere usano calibri di deformazione Come elemento di rilevamento.
  Quando viene applicato un carico, I calibro di deformazione si deformano, e questa deformazione viene tradotta in un cambiamento di resistenza elettrica, che corrisponde alla forza applicata.
• Tipi di celle di carico: I principali tipi di celle di carico includono celle di carico a punto singolo, celle di carico di tipo S., celle di carico a bandiera, E celle di carico del raggio.
  Ogni tipo ha applicazioni specifiche in base ai requisiti di misurazione e alla configurazione del caricamento.
• Applicazioni: Le celle di carico vengono utilizzate in macchine per prove di trazione, Test di pressione, E sistemi di pesatura industriale, Fornire una misurazione diretta della forza, che può essere usato per calcolare lo stress.

Misurazione della concentrazione di stress

Concentrazioni di stress si verificano a discontinuità geometriche (per esempio., tacche, buchi, e angoli affilati) e sono spesso aree di fallimento nei materiali.

Questi possono essere misurati usando fotoelasticità O Analisi degli elementi finiti (FEA).

• Fotoelasticità: Questa tecnica prevede l'applicazione della luce polarizzata a materiali trasparenti sotto stress.
  Il materiale mostra frange che indicano la distribuzione dello stress, che può essere analizzato per rilevare le regioni di concentrazione dello stress.
• Analisi degli elementi finiti (FEA): FEA è un metodo computazionale utilizzato per simulare la distribuzione dello stress all'interno di un materiale o struttura sotto carico.
  Modellando il materiale e applicando carichi, Gli ingegneri possono analizzare il comportamento e identificare le aree con concentrazioni ad alto stress.
• Applicazioni: Le misurazioni della concentrazione dello stress sono cruciali in aerospaziale, automobilistico, E Ingegneria Civile Industrie per garantire la sicurezza e la durata dei componenti critici.

Il cerchio di Mohr per l'analisi dello stress

Il cerchio di Mohr è un metodo grafico per determinare lo stato di stress in un punto all'interno di un materiale, soprattutto per le situazioni di stress bidimensionale.

Consente agli ingegneri di calcolare le sollecitazioni normali e di taglio in diversi orientamenti, Fornire preziose informazioni sulla risposta del materiale alle forze applicate.

• Principio di funzionamento: Il cerchio di Mohr usa gli stress principali (sollecitazioni massime e minime) e le sollecitazioni di taglio in un determinato punto per generare un cerchio.
  I punti sul cerchio corrispondono alle sollecitazioni su diversi piani all'interno del materiale.
• Applicazioni: Il cerchio di Mohr è usato nell'analisi strutturale, Test del materiale, e analisi del fallimento, in particolare quando il materiale è soggetto a condizioni di carico complesse.

5.3 Test di stress e deformazione combinati

Macchine di test universali (UTMS)

UN Macchina di test universale è un dispositivo essenziale utilizzato per testare le proprietà meccaniche dei materiali, compresa la trazione, compressione, e test di flessione.
Queste macchine misurano entrambe stress contro. sottoporre a tensione Durante l'applicazione della forza.

• Principio di funzionamento: UTMS applicare una forza controllata a un campione e misura lo spostamento o l'allungamento corrispondente.
  I dati di forza e spostamento vengono quindi utilizzati per calcolare lo stress vs. sottoporre a tensione, produrre una curva a ceppo di stress.
• Applicazioni: Gli UTM sono ampiamente utilizzati per testare i metalli, polimeri, compositi, e altri materiali. Sono fondamentali in Labs di test materiali, controllo di qualità, E R&D In vari settori.

Misurazioni combinate di deformazione e sollecitazione nei test di fatica

In Test di affaticamento, I materiali sono sottoposti a carico ciclico, ed entrambi stress vs. La deformazione deve essere misurata contemporaneamente per capire come si comporta il materiale sotto lo stress ripetitivo.

Macchine a fatica a piegarsi rotanti O Macchine per i test-idraulici sono spesso usati per questo scopo.

• Principio di funzionamento: Le macchine applicano il carico ciclico mentre il materiale viene monitorato per entrambi (tramite celle di carico) e sforzo (tramite estensometri o calibri).
  I dati risultanti sono cruciali nel prevedere la vita a fatica del materiale e le modalità di fallimento.
• Applicazioni: Il test di affaticamento è vitale in settori come automobilistico, aerospaziale, E energia per garantire l'affidabilità e la durata dei componenti sottoposti a caricamento ripetuto.

6. Confronto di stress vs. Sottoporre a tensione

Comprendere le distinzioni e le relazioni tra stress vs. La tensione è fondamentale per gli ingegneri per progettare sicuri, efficiente, e materiali e strutture durevoli.

Riepilogo delle differenze chiave

Aspetto	Stress	Sottoporre a tensione
Definizione	Forza interna per unità di area	Deformazione o spostamento del materiale
Unità	Pascals (PA), Megapascals (MPa)	Senza dimensioni (rapporto)
Tipo di quantità	Tensore (grandezza e direzione)	Scalare (solo grandezza)
Natura	Causato da forze esterne	Causato dalla deformazione indotta da stress
Comportamento materiale	Determina la resistenza del materiale	Misura la deformazione del materiale
Elastico/plastica	Può essere elastico o plastica	Può essere elastico o plastica
Esempio	Forza per area in un'asta di metallo	Allungamento di un'asta di metallo sotto tensione

7. Conclusione

Lo stress e la tensione sono concetti fondamentali nella scienza ingegneristica e materiale.

Comprendere la loro relazione aiuta gli ingegneri a ottimizzare le prestazioni dei materiali, migliorare la sicurezza, e strutture di progettazione che resistono al fallimento.

Con progressi nei test e simulazioni computazionali, Le industrie possono migliorare la durata e l'efficienza dei prodotti in diversi settori.

Padroneggiando l'analisi del ceppo di stress, I professionisti possono prendere decisioni informate nella selezione dei materiali, integrità strutturale, e design innovativo, Garantire l'affidabilità a lungo termine nelle applicazioni ingegneristiche.