1. 導入
ストレスとひずみは、材料科学と機械工学の基本的な概念です, 負荷中の材料のパフォーマンスと故障を決定する上で重要な役割を果たす.
これらの特性は、構造設計に不可欠です, 製造業, および障害分析.
ストレスとは、外力にさらされると、単位面積あたりの材料が発生する内部抵抗を指します, 株はそのストレスに応じて材料の変形を測定しますが.
彼らの関係を理解することは、エンジニアが適切な資料を選択するのに役立ちます, 故障ポイントを予測します, さまざまなアプリケーションの設計を最適化します, 橋や航空機からマイクロエレクトロニクスまで.
この記事では、ストレスと緊張の詳細な分析を提供します, 彼らの定義を探求します, 数学的定式化, 試験方法, 影響を与える要因, および産業用途.
2. ストレスと緊張の基礎
ストレスとは何ですか?
ストレス (a) 材料内の単位面積あたりの力が適用されますか. 内部力が外部負荷に抵抗する方法を定量化し、数学的に表現されます:
σ= f÷a
どこ:
- F 適用された力です (N),
- あ 断面領域です (m²).
ストレスの種類
- 引張応力: 素材を引き離します, その長さを増やします (例えば, 鋼線を伸ばします).
- 圧縮応力: 素材を一緒に押します, その長さを短縮します (例えば, コンクリート柱の圧縮).
- せん断応力: 材料の隣接する層が互いに通り過ぎてスライドさせる (例えば, ボルト張りの関節に作用する力).
- ねじり応力: ねじれた力の結果 (例えば, 回転シャフトに適用されます).
ストレスの種類
ひずみとは?
歪み (e) 応力を加えたための材料の変形の尺度です. 長さと元の長さの変化の比を表すそれは無次元の量です:
E =ΔL÷L0
どこ:
- Δl 長さの変化です (メートル),
- L0 元の長さです (メートル).
ひずみの種類
- 通常のひずみ: 引張または圧縮応力によって引き起こされます.
- せん断ひずみ: 角度歪みの結果.
3. ストレスとストレス間の関係. 歪み
間の関係を理解する ストレス そして 歪み 材料科学と工学の基本です.
この関係は、材料が外力にどのように反応するかを予測するのに役立ちます, さまざまなアプリケーションでの構造的完全性と信頼性を確保します, 橋や航空機から医療インプラントや消費者製品まで.
フックの法律: 弾性関係
で 弾性領域, ほとんどの材料はaを示しています 線形関係 ストレス間 (シグマ) とひずみ (e varepsilone), によって支配されています フックの法律:
σ=e≤e
どこ:
- σ=ストレス (Paまたはn/m²)
- E = ヤング率 (弾性率, PAで)
- E =ひずみ (無次元)
この方程式は、材料内のそれを意味します 弾性制限, ストレスとひずみは直接比例します.
負荷が削除されたとき, 材料は元の形状に戻ります. の値 ヤング率 材料の剛性を決定します:
- 高e (例えば, 鋼鉄, チタン) → 硬くて柔軟性が低い
- 低e (例えば, ゴム, ポリマー) → 柔軟で簡単に変形します
例えば, スチールにはヤングモジュラスがあります 〜200 gpa, アルミニウムよりもはるかに硬くします (〜70 GPA) またはゴム (〜0.01 gpa).
弾性vs. 塑性変形
Hookeの法律はに適用されます 弾性領域, 材料は最終的に到達します 降伏点 どこで変形が起こるか 永続.
- 弾性変形: ストレスが除去された後、材料は元の形状に戻ります.
- 塑性変形: 材料は不可逆的な変更を受け、元の形に戻らない.
応力 - ひずみ曲線とキーポイント
あ 応力-ひずみ曲線 材料が負荷の下でどのように動作するかをグラフィカルに表します.
- 弾性領域: フックの法則に続く線形関係.
- 降伏点: 塑性変形が始まる応力レベル.
- プラスチック領域: 追加のストレス増加なしに変形は続きます.
- 極限引張強さ (UTS): 材料が耐えることができる最大応力.
- 破壊点: 材料は過度のストレスの下で壊れます.
のために 延性材料 (例えば, アルミニウム, 軟鋼), 塑性変形は故障前に発生します, 破壊する前にエネルギー吸収を可能にします.
脆い材料 (例えば, ガラス, セラミックス) 塑性変形がほとんどまたはまったくなく、突然骨折します.
概要表: ストレスとひずみの関係
| 特徴 | 弾性領域 | プラスチック領域 |
|---|---|---|
| 意味 | ストレスとひずみは比例しています | 永続的な変形が発生します |
| 法律の法律 | フックの法律 | 非線形のプラスチック挙動 |
| 可逆性 | 完全に可逆的 | 不可逆 |
| 降伏点? | いいえ | はい |
| 材料の例 | 鋼鉄 (弾性範囲内), ゴム (低ひず) | 銅, アルミニウム (高いストレスの下) |
4. ストレスとひずみの挙動に影響する要因
影響する要因を理解する ストレス そして 歪み 材料の選択には動作が重要です, デザイン, パフォーマンス分析.
さまざまな内因性および外因性の要因は、材料が応用力にどのように反応するかに影響を与えます, 彼らの強さに影響を与えます, 延性, 弾性, ストレス下での全体的な動作.
これらの要因を詳細に調査しましょう.
材料組成と微細構造
原子および分子構造
材料内の原子または分子の配置は、その機械的特性を決定し、, その結果, ストレス下でのその動作.
材料 異なる結合タイプを使用 (共有結合, メタリック, イオン, 等) 変形に対する明確な反応を示します.
- 金属: 通常、高い延性を示し、故障前に実質的なプラスチック変形に耐えることができます.
それらの原子構造 (クリスタルラティス) 転位が移動することを可能にします, ストレスと緊張を効果的に吸収できるようにします. - ポリマー: それらの分子鎖は、ポリマータイプに応じて異なって反応します (熱可塑性科学, サーモセット, エラストマー).
例えば, エラストマーは、低ストレスの下で非常に変形します, 高温やストレスにさらされた後、サーモセットは脆くなる可能性があります. - セラミックス: これらには通常、イオンまたは共有結合があります, 強度を提供しますが、脱臼の動きを制限します.
結果として, セラミックはストレスの下で簡単に破壊する傾向があります, プラスチックの変形はほとんどありません.
粒子構造
のサイズと向き 穀物 (金属の結晶構造) ストレスと大きな影響を与える. ひずみ挙動:
- 細粒の材料: 通常、穀物の境界が脱臼の動きを妨げるため、張力強度の改善と骨折に対する抵抗性が高いことを示します.
- 粗粒材料: 延性の間の距離が大きいため、延性が高くなりますが、引張強度が低下する可能性があります, ストレスの下でより故障する傾向があります.
相と合金
合金で, 異なるフェーズの存在またはこれらのフェーズの分布 (例えば, 鋼のフェライトとパーライト) ストレスとひずみの挙動に影響を与えます. 例えば:
- 鋼合金: 合金組成を変化させることにより, エンジニアは、材料の降伏強度を調整できます, 靭性, 特定のパフォーマンス要件を満たすのは難しい.
温度
温度は、を決定する上で重要な役割を果たします 機械的特性 材料の, 彼らに影響を与える 弾性 そして プラスチック 行動.
- 高温で, 一般に、金属はより延性があります, そして、それらの降伏強度は低下します.
例えば, アルミニウム 高温ではるかに順応性が高くなります, その間 鋼鉄 硬度が低下する可能性があります. - 低温で, 材料はより脆くなる傾向があります. 例えば, 炭素鋼 -40°C未満の温度で脆くなります, ストレスの下でひび割れやすくする.
熱膨張
材料は加熱すると拡大し、冷却されたときに収縮します, 材料が負荷の下でどのように機能するかに影響を与える可能性のある内部応力を引き起こす.
橋やパイプラインなどの大きな構造, 温度誘発性の膨張と収縮がつながる可能性があります 熱応力.
ひずみ速度 (変形率)
の ひずみ速度 材料がストレスの下で変形する速度です. 材料は、ストレスがどれだけ速く適用されるかによって異なる動作をすることがあります:
- 遅い変形 (低ひずみ速度): 材料には、粗末に変形する時間があります, そして、材料のストレス - ひずみ曲線は、より大きな延性を示す傾向があります.
- 高速変形 (高いひずみ速度): 材料は硬くて強くなる傾向があります, しかし、それらの延性は低下します.
これは、で使用される材料にとって特に重要です クラッシュテスト (例えば, 自動車事故分析) または 弾道への影響.
例:
- 高速金属形成で (のように 鍛造 または ローリング), ひずみ速度は高いです, 金属は、により強度の増加を示す場合があります ひずみ硬化 効果.
逆に, 低ひずみ速度で, 遅い張力検査中など, 金属には変形する時間が増えます, より高い延性をもたらします.
負荷タイプと大きさ
道 ストレス 適用されているのは、材料の応答に影響します:
- 引張応力: 材料が伸びています, 伸びに対する耐性がテストされています.
これは通常、延性材料に著しい塑性変形をもたらします, 一方、脆性材料はより早く骨折する可能性があります. - 圧縮応力: 圧縮は通常、材料の変形が短くなり、異なる障害メカニズムをもたらす可能性があります.
例えば, コンクリートは圧縮強度が高いが、緊張が弱い. - せん断応力: せん断応力には、材料の表面と平行に作用する力が含まれます.
せん断強度が良好な材料, 特定の鋼のように, せん断応力の下でうまく機能します, 他の人は、時期尚早に変形または失敗する可能性があります.
負荷の大きさ また、役割を果たします:
- 高負荷 素材を彼らに押し込むことができます プラスチック変形 地域, 形状の大幅な変化につながります.
- 低負荷 材料を内に保管します 弾性領域, ストレスが除去された後、彼らが元の形に戻ることができる場所.
環境要因
環境条件は、材料のストレス - ひずみの挙動に大きく影響する可能性があります. 一般的な環境要因が含まれます:
- 腐食: 水分の存在, 塩, または他の腐食剤は材料を弱める可能性があります, 引張強度と延性を減らす.
例えば, さび スチールでは、緊張に耐える能力を低下させ、早期故障につながる可能性があります. - 倦怠感: ストレスの繰り返しサイクルと. ひずみは、時間の経過とともに物質的な劣化を引き起こす可能性があります, 最大適用応力が降伏強度を下回っていても.
これは、ようなアプリケーションで重要です 航空宇宙 そして 自動車部品, 材料が周期的な荷重を受ける場所. - 放射線: 核環境で, 放射は引き起こす可能性があります 脆化 金属とポリマーで, 骨折前に変形する能力を低下させます.
不純物と欠陥
の存在 不純物 (鋼の炭素や金属の硫黄のように) または 欠陥 (亀裂やボイドなど) 素材がストレスにどのように反応するかを劇的に変える可能性があります:
- 不純物 材料内の弱点として機能することができます, ストレスを集中させ、早期失敗につながります.
- 欠陥, 特に内部のもの, 作成できます ストレス濃縮器 これにより、材料が負荷の下で骨折しやすくなります.
例えば, 金属標本の小さな亀裂は ストレスライザー,
全体的な材料強度を低下させ、均一な材料から予測されるよりもはるかに低いストレスレベルで骨折します.
読み込み履歴
の ストレスと緊張の歴史 素材が服従したものは、その行動において重要な役割を果たします:
- にさらされた材料 循環ロード (繰り返し荷重と荷降ろし) 経験するかもしれません 倦怠感 そして開発します ひび割れ それは時間の経過とともに伝播します.
- 受ける材料 事前抑制 または 作業硬化 変更された応力 - ひずみ特性を示す場合があります, 降伏強度の向上や延性の低下など.
例: 硬化した鋼 転位が蓄積するにつれて強くなります, さらなる変形に対してより耐性を高めますが、延性が少ない.
5. 測定および実験技術
正確な測定と理解 ストレス 対. 歪み 材料科学と工学の両方のアプリケーションの両方で行動は不可欠です.
これらのプロパティは、さまざまな負荷の下や多様な環境条件で材料がどのように機能するかを決定します.
定量化するためにさまざまな実験技術と方法が開発されています ストレス 対. 歪み, エンジニアがより安全で効率的な構造と製品を設計できるようにする.
このセクションは、最も一般的に使用されるテクニックを掘り下げます, 彼らはどのように働くのか, 材料の機械的特性を評価する上でのそれぞれの重要性.
5.1 ひずみ測定技術
ひずみゲージ
ひずみゲージ 株を測定するために最も広く使用されている楽器の1つです. ひずみゲージは薄いです, ストレスにさらされたときに変形する電気的抵抗デバイス.
この変形は、その電気抵抗の変化を引き起こします, 材料が経験するひずみの量と相関することができます.
- 動作原理: ひずみゲージは、柔軟なバッキングに取り付けられた細かい金属またはフォイルのグリッドで構成されています.
ひずみゲージが取り付けられている材料が変形するとき, グリッドも変形します, 抵抗を変える. この変更は、材料のひずみに比例します. - ひずみゲージの種類: いくつかのタイプがあります, 含む ホイル, ワイヤー, そして 半導体ひずみゲージ.
フォイルタイプは最も一般的であり、エンジニアリングアプリケーションの株の測定に広く使用されています. - アプリケーション: ひずみゲージは、材料のストレステストで使用されます, 構造的健康監視, 重要なコンポーネントのパフォーマンスを評価するための航空宇宙および自動車産業でさえ.
デジタル画像相関 (DIC)
デジタル画像相関 (DIC) ひずみを測定するための光学的方法です. 高解像度カメラを使用して、さまざまな変形段階で材料の表面の画像をキャプチャします.
特殊なソフトウェアは、表面パターンの変化を追跡してひずみを測定します.
- 動作原理: DICは、ランダムなスペックルパターンを適用して機能します (多くの場合、白黒) 材料の表面.
材料が変形するように, スペックルパターンが移動し、ソフトウェアはさまざまな画像のスペックルの位置を相関させて変位とひずみを計算します. - 利点: DICはフルフィールドひずみ測定を提供します, 複雑な材料と変形を分析するのに理想的です.
また、3Dの株を測定するために使用することもでき、標本と直接接触する必要はありません. - アプリケーション: この手法は、研究開発で使用されています, 引張または圧縮負荷の下での材料行動の研究を含む, 疲労テスト, および破壊力学.
伸筋
アン 拡張計 荷重下の標本の伸長または収縮を測定するために使用されるデバイスです.
試験片に取り付けて、テスト中の長さの変化を監視する一連の変位センサーで構成されています.
- 動作原理: 伸び計は、標本上の2つのポイント間の変位を測定します, 通常、ゲージの長さの中心にあります.
これらのポイント間の相対変位はひずみ値を提供します. - 伸筋の種類: これらには以下が含まれます 連絡先伸筋 (標本に物理的に触れます),
非接触 (光学) 伸筋, そして レーザー伸筋 (標本に接触せずに距離を測定するためにレーザービームを使用します). - アプリケーション: 拡張メーターは広く使用されています 引張試験 そして 圧縮テスト, 正確なひずみ測定を提供します.
5.2 ストレス測定技術
セルをロードします
セルをロードします 力を測定するために使用されるセンサーです (またはロードします) 標本に適用されます, ストレスの直接的な尺度を提供します.
これらのデバイスは、機械的な力を測定して記録できる電気信号に変換します.
- 動作原理: 通常、ロードセルは使用します ひずみゲージ センシング要素として.
負荷が適用されたとき, ひずみゲージは変形します, そして、この変形は電気抵抗の変化に変換されます, 適用された力に対応します. - 負荷セルの種類: 負荷セルの主なタイプには含まれます 単一点負荷セル, Sタイプの負荷セル, キャニスターロードセル, そして ビーム負荷セル.
各タイプには、測定要件と負荷構成に応じて特定のアプリケーションがあります. - アプリケーション: ロードセルはで使用されます 引張試験機, 圧力テスト, そして 産業の計量システム, 力の直接測定を提供します, ストレスを計算するために使用できます.
ストレス集中測定
ストレス濃度は、幾何学的な不連続性で発生します (例えば, ノッチ, 穴, そして鋭い角) 多くの場合、材料の失敗の領域です.
これらは使用して測定できます 光弾性 または 有限要素分析 (FEA).
- 光弾性: この手法では、ストレス下で透明な材料に偏光光を適用することが含まれます.
材料は、ストレスの分布を示すフリンジを示しています, ストレス集中領域を検出するために分析できます. - 有限要素解析 (FEA): FEAは、負荷の下の材料または構造内の応力分布をシミュレートするために使用される計算方法です.
材料のモデリングと荷重を適用することにより, エンジニアは動作を分析し、ストレス濃度の高い領域を特定できます. - アプリケーション: ストレス集中測定は重要です 航空宇宙, 自動車, そして 土木工学 重要なコンポーネントの安全性と耐久性を確保するための産業.
ストレス分析のためのMohrのサークル
モールのサークルは、素材内のポイントでストレス状態を決定するためのグラフィカルな方法です, 特に2次元のストレス状況で.
エンジニアが異なる方向で正常応力とせん断応力を計算することができます, 適用された力に対する材料の反応に対する貴重な洞察を提供する.
- 動作原理: モールのサークルは主要なストレスを使用します (最大および最小応力) 特定のポイントでせん断応力が円を生成します.
円のポイントは、材料内の異なる平面の応力に対応しています. - アプリケーション: Mohrのサークルは、構造分析で使用されています, 材料テスト, および障害分析, 特に材料が複雑な荷重条件にさらされている場合.
5.3 ストレスとひずみテストの組み合わせ
ユニバーサルテストマシン (UTMS)
あ ユニバーサルテストマシン 材料の機械的特性のテストに使用される必須デバイスです, 引張を含む, 圧縮, および曲げテスト.
これらのマシンは両方を測定します ストレス 対. 歪み 力の適用中.
- 動作原理: UTMSは標本に制御された力を適用し、対応する変位または伸長を測定します.
その後、力と変位のデータを使用して、ストレスと. 歪み, ストレス - ひずみ曲線を生成します. - アプリケーション: UTMSは、金属のテストに広く使用されています, ポリマー, 複合材, その他の材料. それらは重要です 材料テストラボ, 品質管理, そして R&D さまざまな業界で.
疲労試験におけるひずみとストレス測定の組み合わせ
で 疲労テスト, 材料は周期的な負荷にさらされます, 両方のストレスと両方. 材料が反復ストレスの下でどのように振る舞うかを理解するために、ひずみを同時に測定する必要があります.
曲げ疲労マシンの回転 または サーボ油圧テストマシン この目的のためによく使用されます.
- 動作原理: 材料の両方のストレスについて監視されている間、マシンは周期的な負荷を適用します (負荷セルを介して) とひずみ (伸筋またはひずみゲージを介して).
結果のデータは、材料の疲労寿命と故障モードを予測する上で重要です. - アプリケーション: 疲労試験は、ような業界では不可欠です 自動車, 航空宇宙, そして エネルギー 繰り返し荷重の対象となるコンポーネントの信頼性と耐久性を確保するため.
6. ストレスとストレスの比較. 歪み
ストレスとストレス間の区別と関係を理解する. エンジニアが安全に設計するには、株が重要です, 効率的, 耐久性のある材料と構造.
重要な違いの概要
| 側面 | ストレス | 歪み |
|---|---|---|
| 意味 | 単位面積あたりの内部力 | 材料の変形または変位 |
| ユニット | パスカル (PA), メガパスカル (MPa) | 無次元 (比率) |
| 数量タイプ | テンソル (大きさと方向) | スカラー (大きさのみ) |
| 自然 | 外力によって引き起こされます | ストレス誘発性の変形によって引き起こされます |
| 物質の挙動 | 材料の抵抗を決定します | 材料の変形を測定します |
| 弾性/プラスチック | 弾性またはプラスチックにすることができます | 弾性またはプラスチックにすることができます |
| 例 | 金属棒の領域ごとの力 | 張力下の金属棒の伸び |
7. 結論
ストレスとひずみは、工学と物質科学の基本的な概念です.
彼らの関係を理解することは、エンジニアが材料のパフォーマンスを最適化するのに役立ちます, 安全性を向上させます, 障害に抵抗する設計構造.
テストと計算シミュレーションの進歩があります, 業界は、多様なセクター全体の製品の耐久性と効率を高めることができます.
ストレス - ひずみ分析を習得することにより, 専門家は、物質的な選択において情報に基づいた決定を下すことができます, 構造的完全性, および革新的なデザイン, エンジニアリングアプリケーションにおける長期的な信頼性を確保する.
