Stres vs. Zaťaženie: Kľúčové koncepty pre materiálnu vedu

1. Zavedenie

Stres a napätie sú základnými koncepciami v oblasti materiálov a strojárstva, zohráva kľúčovú úlohu pri určovaní výkonu a zlyhania materiálov pri zaťažení.

Tieto vlastnosti sú nevyhnutné pri konštrukčnom dizajne, výroba, a analýza zlyhania.

Stres sa vzťahuje na vnútorný odpor, zatiaľ čo napätie meria deformáciu materiálu v reakcii na toto napätie.

Pochopenie ich vzťahu pomáha inžinierov vybrať vhodné materiály, predpovedať body zlyhania, a optimalizovať návrhy pre rôzne aplikácie, Od mostov a lietadiel po mikroelektroniku.

Tento článok poskytuje hĺbkovú analýzu stresu a kmeňa, Preskúmanie ich definícií, matematické formulácie, metódy testovania, ovplyvňujúce faktory, a priemyselné aplikácie.

2. Základy stresu a napätia

Čo je stres?

Stres (a) je sila aplikovaná na jednotku plochy v rámci materiálu. Kvantifikuje, ako vnútorné sily odolávajú vonkajším zaťažením a matematicky sa vyjadrujú ako:

σ = f ÷ a

kdekoľvek:

• F je aplikovaná sila (N),
• A je prierezová oblasť (m²).

Typy stresu

• Ťahový stres: Odtiahne materiál, Zvýšenie jeho dĺžky (Napr., natiahnutie oceľového drôtu).
• Tlak: Tlačí materiál dohromady, Zníženie jeho dĺžky (Napr., komprimovanie betónového stĺpca).
• Strih: Spôsobuje, že susedné vrstvy materiálu sa posúvajú okolo seba okolo seba (Napr., sily pôsobiace na skrutkové kĺby).
• Torzný stres: Výsledky z krútiacich síl (Napr., krútiaci moment nanesený na rotujúci hriadeľ).

  

Čo je napätie?

Zaťaženie (e) je miera deformácie materiálu v dôsledku použitého napätia. Je to bezrozmerné množstvo, ktoré predstavuje pomer zmeny dĺžky k pôvodnej dĺžke:

E = ΔL ÷ L0

kdekoľvek:

• ΔL je zmena dĺžky (m),
• L0 je pôvodná dĺžka (m).

Typy napätia

• Normálny napätie: Spôsobené ťahovým alebo tlakovým stresom.
• Strih: Výsledky z uhlového skreslenia.

3. Vzťah medzi stresom vs. Zaťaženie

Porozumenie vzťahu medzi stres a zaťaženie je základom materiálovej vedy a inžinierstva.

Tento vzťah pomáha predpovedať, ako budú materiály reagovať na vonkajšie sily, zabezpečenie štrukturálnej integrity a spoľahlivosti v rôznych aplikáciách, Od mostov a lietadiel po lekárske implantáty a spotrebné výrobky.

Hookeov zákon: Elastický vzťah

V elastický región, Väčšina materiálov vykazuje a lineárny vzťah medzi stresom (Sigmaas) a napätie (e varepsilone), riadený Hookeov zákon:

σ = e ⋅ e

kdekoľvek:

• σ = stres (PA alebo N/M²)
• E = Youngov modul (modul elasticity, v PA)
• e = napätie (bezrozmerný)

Táto rovnica znamená, že v rámci materiálu limit, Stres a napätie sú priamo proporcionálne.

Keď je zaťaženie odstránené, Materiál sa vracia do pôvodného tvaru. Hodnota Youngov modul určuje tuhosť materiálu:

• Vysoký e (Napr., oceľ, titán) → Tuhé a menej flexibilné
• Nízka e (Napr., guma, polyméry) → Flexibilné a ľahko deformované

Napríklad, oceľ má mladý modul ~ 200 GPA, robí to oveľa tuhšie ako hliník (~ 70 GPA) alebo guma (~ 0,01 GPA).

Elastický vs. Plastová deformácia

Zatiaľ čo Hookeov zákon sa vzťahuje na elastický región, Materiály nakoniec dosiahnu a výnosový bod kde sa deformácia stáva trvalý.

• Elastická deformácia: Materiál sa po odstránení napätia vráti do pôvodného tvaru.
• Plastová deformácia: Materiál prechádza nezvratnými zmenami a nevracia sa do svojho pôvodného tvaru.

Krivka napätia a kľúčové body

A krivka napätia graficky predstavuje, ako sa materiál správa pri zaťažení.

1. Elastický región: Lineárny vzťah podľa Hookeovho zákona.
2. Výnosový bod: Úroveň napätia, kde začína plastická deformácia.
3. Plastová oblasť: Deformácia pokračuje bez ďalšieho zvýšenia stresu.
4. Konečná pevnosť v ťahu (Uts): Maximálne napätie, ktoré materiál vydrží.
5. Zlomok: Materiál sa zlomí pod nadmerným stresom.

Pre klady (Napr., hliník, jemná oceľ), Plastová deformácia sa vyskytuje pred poruchou, umožnenie absorpcie energie pred zlomením.

Krehké materiály (Napr., pohár, keramika) Zlomenina náhle s malým až žiadnym plastickou deformáciou.

Zhrnutie: Vzťah

Funkcia	Elastický región	Plastová oblasť
Definícia	Stres a napätie sú úmerné	Dochádza k trvalej deformácii
Riadenie právnych predpisov	Hookeov zákon	Nelineárne plastové správanie
Reverzibilitu	Plne reverzibilný	Nezvratný
Výnosový bod?	Nie	Áno
Vzorové materiály	Oceľ (v elastickom rozsahu), guma (nízky napätie)	Meď, hliník (pod vysokým stresom)

4. Faktory ovplyvňujúce stres a kmeňové správanie

Pochopenie faktorov, ktoré ovplyvňujú stres a zaťaženie Správanie je rozhodujúce pre výber materiálu, návrh, a analýza výkonnosti.

Rôzne vnútorné a vonkajšie faktory ovplyvňujú spôsob, akým materiály reagujú na aplikované sily, Ovplyvnenie ich sily, ťažkosť, pružnosť, a celkové správanie v strese.

Preskúmajme tieto faktory podrobne.

Zloženie materiálu a mikroštruktúra

Atómová a molekulárna štruktúra

Usporiadanie atómov alebo molekúl v materiáli určuje jeho mechanické vlastnosti a, následne, jeho správanie v strese.

Materiál s rôznymi typmi spájania (kovalentný, kovový, iónový, atď.) vykazujú zreteľné reakcie na deformáciu.

• Kovy: Typicky vykazuje vysokú ťažnosť a sú schopné odolať podstatnej plastickej deformácii pred poruchou.
  Ich atómová štruktúra (krištáľové mriežky) umožňuje pohyb dislokácií, umožňuje im efektívne absorbovať stres a namáhanie.
• Polyméry: Ich molekulárne reťazce reagujú odlišne v závislosti od typu polyméru (termoplasty, Termosety, elastoméry).
  Napríklad, Elastoméry sú vysoko deformovateľné pri nízkom strese, zatiaľ čo termosety sa môžu stať krehkými po vystavení vysokým teplotám alebo stresu.
• Keramika: Tieto zvyčajne majú iónové alebo kovalentné väzby, ktoré poskytujú silu, ale obmedzte pohyb dislokácie.
  V dôsledku, Keramika má tendenciu ľahko sa zlomiť pod stresom, s malou plastickou deformáciou.

Zŕn

Veľkosť a orientácia zrná (kryštalické štruktúry v kovoch) výrazne ovplyvniť stres vs. správanie:

• S jemne zrnitými materiálmi: Typicky vykazujú zlepšenú pevnosť v ťahu a vyššiu odolnosť proti zlomeninám, pretože hranice zŕn bránia hnutiu dislokácie.
• Materiály z zrnitých: Môže vykazovať vyššiu ťažnosť, ale nižšiu pevnosť v ťahu v dôsledku väčších vzdialeností medzi dislokáciami, ich viac náchylní k zlyhaniu pod stresom.

Fázy a zliatiny

V zliatine, prítomnosť rôznych fáz alebo distribúcia týchto fáz (Napr., ferit a perlit v oceli) ovplyvňuje stres a kmeňové správanie. Napríklad:

• Oceľové zliatiny: Zmenou zloženia zliatiny, Inžinieri môžu vyladiť pevnosť výnosu materiálu, tvrdosť, a tvrdosť splniť konkrétne požiadavky na výkonnosť.

Teplota

Teplota hrá významnú úlohu pri určovaní mechanické vlastnosti materiál, ovplyvňujúc ich elastický a plastový správanie.

• Pri vysokých teplotách, kovy sa vo všeobecnosti stávajú ťažšími, a ich výnosová sila klesá.
  Napríklad, hliník pri zvýšených teplotách sa stáva omnoho viac poddajná, zatiaľ čo oceľ môže zažiť zníženie tvrdosti.
• Pri nízkych teplotách, Materiály majú tendenciu byť krehkejšími. Napríklad, uhlíková oceľ sa stáva krehkou pri teplotách pod -40 ° C, aby bol náchylnejší k prasknutiu pod stresom.

Tepelná expanzia

Materiály sa po vyhrievaní rozširujú a pri ochladení sa sťahujú, spôsobujúce vnútorné napätia, ktoré môžu ovplyvniť spôsob, akým materiály vykonávajú pri zaťažení.

Vo veľkých štruktúrach, ako sú mosty alebo potrubia, expanzia a kontrakcia vyvolaná teplotou môže viesť k tepelný stres.

Miera (Deformácia)

Ten miera je rýchlosť, akou sa materiál deformuje pod stresom. Materiály sa môžu správať inak v závislosti od toho, ako rýchlo sa uplatňuje stres:

• Pomalá deformácia (nízka rýchlosť deformácie): Materiály majú viac času na plasticky deformovanie, a krivka napätia napätia materiálu má tendenciu vykazovať väčšiu ťažnosť.
• Rýchla deformácia (vysoká miera deformácie): Materiály majú tendenciu byť prísnejšie a silnejšie, ale ich ťažnosť klesá.
  Toto je obzvlášť dôležité pre materiály používané v testy (Napr., Automobilová analýza havárie) alebo balistické dopady.

Príklad:

• Vo vysokorýchlostnom formovaní kovu (ako kovanie alebo valcujúci), Rýchlosť deformácie je vysoká, a kovy môžu vykazovať zvýšenú pevnosť v dôsledku tvrdý účinky.
  Naopak, pri nízkej rýchlosti deformácie, napríklad počas pomalého testovania napätia, Kovy majú viac času na deformu, čo vedie k vyššej ťažnosti.

Typ záťaže

Cesta stres je aplikovaný vplyv na reakciu materiálu:

• Ťahový stres: Materiál je natiahnutý, a jeho odpor voči predĺženiu sa testuje.
  To zvyčajne vedie k významnej plastickej deformácii v ťažných materiáloch, zatiaľ čo krehké materiály sa môžu zlomiť skôr.
• Tlak: Kompresia zvyčajne vedie k kratšej deformácii materiálu a môže mať za následok rôzne mechanizmy zlyhania.
  Napríklad, betón má vysokú pevnosť v tlaku, ale je slabý v napätí.
• Strih: Šmykové napätie zahŕňa sily pôsobiace rovnobežne s povrchom materiálu.
  Materiály s dobrou šmykovou pevnosťou, Rovnako ako určité ocele, bude fungovať dobre pod strihovým napätím, zatiaľ čo iní môžu predčasne deformovať alebo zlyhať.

Veľkosť zaťaženia tiež hrá rolu:

• Vysoké zaťaženia môže tlačiť materiály do ich plastová deformácia región, čo vedie k významným zmenám tvaru.
• Nízke zaťaženia Udržiavajte materiály v rámci elastický región, kde sa môžu po odstránení stresu vrátiť do pôvodného tvaru.

Environmentálne faktory

Podmienky prostredia môžu významne ovplyvniť správanie materiálov napätia a deformácie. Bežné environmentálne faktory zahŕňajú:

• Korózia: Prítomnosť vlhkosti, soli, alebo iné korozívne činidlá môžu oslabiť materiály, Zníženie ich pevnosti v ťahu a ťažkosti.
  Napríklad, hrdzavenie na oceli znižuje svoju schopnosť odolávať napätiu a môže viesť k predčasnému zlyhaniu.
• Únava: Opakované cykly stresu vs. napätie môže v priebehu času spôsobiť degradáciu materiálu, Aj keď je maximálne aplikované napätie pod pevnosťou výťažku.
  To je kritické v aplikáciách ako letectvo a automobilové komponenty, kde materiály podliehajú cyklickému zaťaženiu.
• Žiarenie: V jadrovom prostredí, Žiarenie môže spôsobiť sklon v kovoch a polyméroch, Zníženie ich schopnosti deformovať pred zlomeninou.

Nečistoty a chyby

Prítomnosť nečistota (ako uhlík v oceli alebo síra v kovoch) alebo defekty (ako sú praskliny alebo dutiny) môže drasticky zmeniť spôsob, akým materiál reaguje na stres:

• Nečistota môže pôsobiť ako slabé body v rámci materiálu, sústredenie stresu a vedenie k predčasnému zlyhaniu.
• Defekty, Obzvlášť interné, môže vytvárať koncentrátor vďaka čomu sú materiály náchylnejšie na zlomenie pri zaťažení.

Napríklad, malá trhlina v kovovej vzorke môže pôsobiť ako a stres,

Zníženie celkovej pevnosti materiálu a vedenie k zlomeninám pri oveľa nižšej úrovni napätia, ako by sa predpovedalo z jednotných materiálov.

Načítavanie

Ten anamnéza stresu a napätia Na ktorý bol materiál podrobený, hrá rozhodujúcu úlohu vo svojom správaní:

• Materiály, ktoré boli vystavené cyklické zaťaženie (Opakované nakladanie a vykladanie) môže zažiť únava a rozvíjať prasklina ktoré sa časom šíria.
• Materiály, ktoré prechádzajú predpätie alebo tvrdenie práce Môže vykazovať zmenené charakteristiky napätia a napätia, ako je zvýšená pevnosť výťažku a znížená ťažnosť.

Príklad: Oceľ s prácou stáva sa silnejším, keď sa hromadia dislokácie, robí ho odolnejším voči ďalšej deformácii, ale menej ťažkým.

5. Meranie a experimentálne techniky

Presné meranie a porozumenie stres vs. zaťaženie Správanie sú životne dôležité v materiálových vedeckých aj inžinierskych aplikáciách.

Tieto vlastnosti určujú, ako budú materiály fungovať pri rôznych zaťaženiach a v rôznych podmienkach prostredia.

Na kvantifikáciu boli vyvinuté rôzne experimentálne techniky a metódy stres vs. zaťaženie, umožňujú inžinierov navrhovať bezpečnejšie a efektívnejšie štruktúry a výrobky.

Táto časť sa ponorí do najbežnejšie používaných techník, Ako fungujú, a význam každého z nich pri hodnotení mechanických vlastností materiálov.

5.1 Techniky merania kmeňa

Točivé meradlá

Točivé meradlá sú jedným z najpoužívanejších nástrojov na meranie napätia. Pohelník je tenký, elektricky odporové zariadenie, ktoré sa deformuje pri vystavení napätiu.

Táto deformácia spôsobuje zmenu jej elektrického odporu, ktoré je možné merať a korelovať s množstvom kmeňa, ktoré sa týka materiálu.

• Pracovný princíp: Náhlavné meradlá pozostávajú z mriežky jemného kovu alebo fólie pripevnenej k flexibilnej podložke.
  Keď je materiál, ku ktorému je deformácia pripevnená deformácia, mriežky tiež deformuje, Zmena jeho odporu. Táto zmena je úmerná napätiu materiálu.
• Typy krémových meradiel: Existuje niekoľko typov, vrátane fólia, drôt, a polovodičové kmeňové meradlá.
  Typ fólie je najbežnejší a široko sa používa na meranie napätia v inžinierskych aplikáciách.
• Žiadosti: Náhlavné meradlá sa používajú pri stresovom testovaní materiálov, Monitorovanie štrukturálneho zdravia, a dokonca aj letecký a automobilový priemysel na hodnotenie výkonnosti kritických komponentov.

Korelácia digitálneho obrazu (DIC)

Korelácia digitálneho obrazu (DIC) je optická metóda na meranie napätia. Používa pár kamier s vysokým rozlíšením na zachytenie obrazov povrchu materiálu v rôznych fázach deformácie.

Špecializovaný softvér potom sleduje zmeny povrchového vzoru na meranie napätia.

• Pracovný princíp: DIC funguje tým, že aplikuje náhodný vzor škvrny (Často čiernobiele) na povrchu materiálu.
  Ako sa materiál deformuje, Vzor škvrny sa pohybuje a softvér koreluje polohy škvŕn na rôznych obrázkoch, aby sa vypočítal posun a napätie.
• Výhody: DIC poskytuje merania kmeňa na celom poli, je ideálny na analýzu zložitých materiálov a deformácií.
  Môže sa tiež použiť na meranie kmeňov v 3D a nevyžaduje priamy kontakt so vzorkou.
• Žiadosti: Táto technika sa používa vo výskume a vývoji, vrátane štúdia materiálového správania pri ťahaní alebo v tlaku, únava, a mechanika zlomenín.

Extensometre

A rozširovanie je zariadenie používané na meranie predĺženia alebo kontrakcie vzorky pri zaťažení.

Skladá sa zo súboru snímačov posunu, ktoré sa pripájajú k skúšobnej vzorke a monitorujú jej zmenu dĺžky počas testovania.

• Pracovný princíp: Extensometer meria posun medzi dvoma bodmi na vzorke, zvyčajne v strede dĺžky rozchodu.
  Relatívne posunutie medzi týmito bodmi poskytuje hodnotu deformácie.
• Typy extenzimy: To zahŕňajú kontaktujte extensometre (ktoré sa fyzicky dotýkajú vzorky),
  nekontaktný (optický) extensometre, a laserové extenzometre (ktoré používajú laserové lúče na meranie vzdialenosti bez kontaktu s vzorkou).
• Žiadosti: Extensometre sa bežne používajú v testovanie v ťahu a kompresné testy, Poskytovanie presných meraní kmeňa.

5.2 Techniky merania stresu

Zaťažovacie bunky

Zaťažovacie bunky sú senzory používané na meranie sily (alebo načítať) aplikované na vzorku, Poskytnutie priameho miery stresu.

Tieto zariadenia premenia mechanickú silu na elektrický signál, ktorý je možné merať a zaznamenať.

• Pracovný princíp: Zaťažovacie bunky zvyčajne používajú točivé meradlá ako snímací prvok.
  Keď sa aplikuje zaťaženie, Deformácie krčma, a táto deformácia sa prekladá do zmeny elektrického odporu, čo zodpovedá použitej sile.
• Typy zaťažovacích buniek: Hlavné typy záťaže zahŕňajú jednotlivé zaťažovacie bunky, Bunky zaťaženia typu S, zaťaženie kanistra, a zaťaženie lúča.
  Každý typ má špecifické aplikácie v závislosti od požiadaviek na meranie a konfigurácie záťaže.
• Žiadosti: Zaťažené bunky sa používajú v stroje na testovanie v ťahu, tlakové testovanie, a priemyselné odvážne systémy, Poskytovanie priameho merania sily, ktoré sa môžu použiť na výpočet stresu.

Meranie koncentrácie stresu

Koncentrácie stresu sa vyskytujú pri geometrických diskontinuitách (Napr., zárez, otvory, a ostré rohy) a často sú oblasti zlyhania materiálov.

Tieto sa dajú merať pomocou fotoelasticita alebo analýza konečných prvkov (Fea).

• Fotoelasticita: Táto technika spočíva v aplikácii polarizovaného svetla na priehľadné materiály pod stresom.
  Materiál ukazuje strapce, ktoré naznačujú distribúciu stresu, ktoré sa dajú analyzovať na detekciu oblastí koncentrácie stresu.
• Analýza konečných prvkov (Fea): FEA je výpočtová metóda používaná na simuláciu rozdelenia napätia v rámci materiálu alebo štruktúry pri zaťažení.
  Modelovaním materiálu a použitím zaťaženia, Inžinieri môžu analyzovať správanie a identifikovať oblasti s koncentráciami s vysokým stresom.
• Žiadosti: Merania koncentrácie napätia sú v letectvo, automobilový, a inžinierstvo priemyselné odvetvia na zabezpečenie bezpečnosti a trvanlivosti kritických komponentov.

Mohr's Circle pre analýzu stresu

Mohr's Circle je grafická metóda na určenie stavu stresu v bode v rámci materiálu, najmä pre dvojrozmerné stresové situácie.

Umožňuje inžinierov vypočítať normálne a šmykové napätia v rôznych orientáciách, Poskytovanie cenného pohľadu na reakciu materiálu na aplikované sily.

• Pracovný princíp: Mohr's Circle používa hlavné napätia (maximálne a minimálne napätie) a šmykové napätia v danom bode, aby sa vytvoril kruh.
  Body na kruhu zodpovedajú napätiu na rôznych rovinách v materiáli.
• Žiadosti: Mohrov kruh sa používa v štrukturálnej analýze, testovanie materiálu, a analýza zlyhania, najmä ak je materiál podrobený komplexným podmienkam zaťaženia.

5.3 Kombinované stres a testovanie deformácie

Univerzálne testovacie stroje (UTMS)

A Univerzálny testovací stroj je základné zariadenie používané na testovanie mechanických vlastností materiálov, vrátane ťahu, kompresia, a testy ohýbania.
Tieto stroje merajú oboje stres vs. zaťaženie Počas uplatňovania sily.

• Pracovný princíp: UTM aplikujú kontrolovanú silu na vzorku a zmerajte zodpovedajúce posunutie alebo predĺženie.
  Údaje o sile a posuve sa potom použijú na výpočet napätia vs. zaťaženie, Výroba krivky napätia a deformácie.
• Žiadosti: UTM sa široko používajú na testovanie kovov, polyméry, kompozity, a ďalšie materiály. Sú kritické v laboratórium na testovanie materiálov, kontrola kvality, a R&D V rôznych odvetviach.

Kombinované merania napätia a napätia pri testovaní únavy

V únava, Materiály sú vystavené cyklickému zaťaženiu, a oba stres vs. Kmeň je potrebné merať súčasne, aby ste pochopili, ako sa materiál správa pri opakovanom strese.

Stroje na otáčanie únavy alebo Sermo-hydraulické testovacie stroje na tento účel sa často používajú.

• Pracovný princíp: Stroje aplikujú cyklické zaťaženie, keď je materiál monitorovaný obom stresu (cez zaťažovacie bunky) a napätie (cez extenzometre alebo kmeňové meradlá).
  Výsledné údaje sú rozhodujúce pri predpovedaní únavových režimov únavy materiálu.
• Žiadosti: Testovanie únavy je v odvetviach životne dôležité automobilový, letectvo, a energia na zabezpečenie spoľahlivosti a trvanlivosti komponentov vystavených opakovanému zaťaženiu.

6. Porovnanie stresu vs. Zaťaženie

Pochopenie rozdielov a vzťahov medzi stresom vs. Kmeň je rozhodujúci pre inžinierov, aby navrhovali bezpečné, efektívny, a odolné materiály a štruktúry.

Zhrnutie kľúčových rozdielov

Aspekt	Stres	Zaťaženie
Definícia	Vnútorná sila na jednotku plochy	Deformácia materiálu alebo posun
Jednotky	Plavba (Pav), Megapascaly (MPA)	Bezrozmerný (pomer)
Množstvo	Tenzor (veľkosť)	Skalárny (iba veľkosť)
Povaha	Spôsobené vonkajšími silami	Spôsobené deformáciou vyvolanou stresom
Materiálne správanie	Určuje odpor materiálu	Meria deformáciu materiálu
Elastický/plastický	Môže byť elastický alebo plastový	Môže byť elastický alebo plastový
Príklad	Sila na oblasť v kovovej tyči	Predĺženie kovovej tyče pod napätím

7. Záver

Stres a napätie sú základné koncepty v inžinierskej a materiálnej vede.

Pochopenie ich vzťahu pomáha inžinierov optimalizovať výkon materiálu, zlepšiť bezpečnosť, a konštrukčné štruktúry, ktoré odolávajú zlyhaniu.

S pokrokom v testovaní a výpočtových simuláciách, priemyselné odvetvia môžu zvýšiť trvanlivosť a efektívnosť výrobkov v rôznych odvetviach.

Zvládnutím analýzy napätia a deformácie, odborníci môžu robiť informované rozhodnutia pri výbere materiálu, štrukturálna integrita, a inovatívny dizajn, zabezpečenie dlhodobej spoľahlivosti v inžinierskych aplikáciách.