Стрес вс. Напрезање: Кључни концепти за материјалну науку

1. Увођење

Напон и деформација су фундаментални концепти у науци о материјалима и машинству, играјући пресудну улогу у одређивању перформанси и квара материјала под оптерећењем.

Ова својства су од суштинског значаја за пројектовање конструкција, производња, и анализа неуспеха.

Напон се односи на унутрашњи отпор који материјал развија по јединици површине када је изложен спољним силама, док напрезање мери деформацију материјала као одговор на тај напон.

Разумевање њиховог односа помаже инжењерима да одаберу одговарајуће материјале, предвиде тачке неуспеха, и оптимизовати дизајн за различите примене, од мостова и авиона до микроелектронике.

Овај чланак пружа детаљну анализу стреса и напрезања, истражујући њихове дефиниције, математичке формулације, Методе испитивања, Утицајни фактори, и индустријске примене.

2. Основе стреса и напрезања

Шта је стрес?

Стрес (а) је сила примењена по јединици површине унутар материјала. Он квантификује како се унутрашње силе одупиру спољашњим оптерећењима и математички се изражава као:

σ = Ф ÷ А

где:

• Ф је примењена сила (Н),
• А је површина попречног пресека (м²).

Врсте стреса

• Затезач: Раставља материјал, повећавајући његову дужину (Нпр., истезање челичне жице).
• Притисак на притисак: Притишће материјал заједно, смањујући његову дужину (Нпр., сабијање бетонског стуба).
• Схеар Стресс: Узрокује да суседни слојеви материјала клизе један поред другог (Нпр., силе које делују на вијчане спојеве).
• Торсионал Стресс: Резултат од сила увијања (Нпр., обртни момент примењен на ротирајуће вратило).

  

Шта је Страин?

Напрезање (е) је мера деформације материјала услед примењеног напона. То је бездимензионална величина која представља однос промене дужине према првобитној дужини:

ε = ΔЛ ÷ Л0

где:

• ΔЛ је промена дужине (м),
• Л0 је оригинална дужина (м).

Врсте сојева

• Нормал Страин: Узроковано затезним или тлачним напоном.
• Схеар Страин: Резултат угаоне дисторзије.

3. Однос између стреса вс. Напрезање

Разумевање односа између стрес и напрезати се је фундаментално у науци о материјалима и инжењерству.

Овај однос помаже да се предвиди како ће материјали реаговати на спољне силе, обезбеђивање структуралног интегритета и поузданости у различитим применама, од мостова и авиона до медицинских имплантата и производа широке потрошње.

Хоокеов закон: Еластични однос

У еластични регион, већина материјала излаже а линеарни однос између стреса (σсигма) и процедити (εварепсилон), управљају Хоокеов закон:

σ = Е ⋅ ε

где:

• σ= стрес (Па или Н/м²)
• Е = Иоунг'с Модул (Модул еластичности, у Па)
• ε = деформација (бездимензионални)

Ова једначина значи да унутар материјала граница еластичности, напрезање и напрезање су директно пропорционални.

Када се оптерећење уклони, материјал се враћа у првобитни облик. Вредност од Иоунг'с Модул одређује крутост материјала:

• Висока Е (Нпр., челик, титанијум) → Чврста и мање флексибилна
• Ниска Е (Нпр., гума, полимери) → Флексибилан и лако се деформише

На пример, челик има Јангов модул од ~200 ГПа, чинећи га много чвршћим од алуминијума (~70 ГПа) или гума (~0,01 ГПа).

Еластични вс. Пластична деформација

Док се Хуков закон примењује на еластични регион, материјали на крају достижу а тачка приноса где деформација постаје трајна.

• Еластична деформација: Материјал се враћа у првобитни облик након уклањања напрезања.
• Пластична деформација: Материјал се подвргава неповратним променама и не враћа се у првобитни облик.

Крива напон-деформација и кључне тачке

А Кривуља за напрезање стреса графички приказује како се материјал понаша под оптерећењем.

1. Еластиц Регион: Линеарни однос према Хуковом закону.
2. Тачка приноса: Ниво напрезања где почиње пластична деформација.
3. Пластиц Регион: Деформација се наставља без додатног повећања напрезања.
4. Крајња затезна чврстоћа (Утс): Максимални напон који материјал може издржати.
5. Тачка прелома: Материјал се ломи под великим оптерећењем.

За дуктилни материјали (Нпр., алуминијум, благи челик), пластична деформација се јавља пре квара, омогућавајући апсорпцију енергије пре ломљења.

Ломљиве материјале (Нпр., стакло, керамика) изненадан прелом са мало или без пластичне деформације.

Резиме табела: Однос стрес-деформација

Значајка	Еластиц Регион	Пластиц Регион
Дефиниција	Стрес и напрезање су пропорционални	Долази до трајне деформације
Закон који регулише	Хоокеов закон	Нелинеарно пластично понашање
Реверзибилност	Потпуно реверзибилан	Неповратно
Тачка приноса?	Не	Да
Примери материјала	Челик (унутар еластичног опсега), гума (ниско напрезање)	Бакар, алуминијум (под високим стресом)

4. Фактори који утичу на стрес и понашање при напрезању

Разумевање фактора који утичу стрес и напрезати се понашање је кључно за избор материјала, дизајн, и анализа учинка.

Различити унутрашњи и спољашњи фактори утичу на то како материјали реагују на примењене силе, утичући на њихову снагу, дуктилност, еластичност, и опште понашање под стресом.

Хајде да детаљно истражимо ове факторе.

Састав и микроструктура материјала

Атомска и молекуларна структура

Распоред атома или молекула у материјалу одређује његове механичке особине и, следствено томе, његово понашање под стресом.

Материјалирати са различитим врстама везивања (ковалентна, металик, јонски, итд.) показују различите одговоре на деформацију.

• Метали: Обично показују високу дуктилност и способни су да издрже значајну пластичну деформацију пре квара.
  Њихова атомска структура (кристалне решетке) омогућава померање дислокација, омогућавајући им да ефикасно апсорбују стрес и напрезање.
• Полимери: Њихови молекуларни ланци различито реагују у зависности од врсте полимера (термопластика, термосетови, еластомера).
  На пример, еластомери су високо деформабилни под ниским напрезањем, док термосетови могу постати ломљиви након што су подвргнути високим температурама или стресу.
• Керамика: Они обично имају јонске или ковалентне везе, који обезбеђују снагу али ограничавају кретање дислокације.
  Као резултат, керамика се лако ломи под стресом, са мало пластичне деформације.

Структура зрна

Величина и оријентација зрно (кристалне структуре у металима) значајно утиче на стрес вс. понашање напрезања:

• Финозрнати материјали: Обично показују побољшану затезну чврстоћу и већу отпорност на лом јер границе зрна ометају кретање дислокације.
• Грубих зрнате материјале: Може показати већу дуктилност, али нижу затезну чврстоћу због веће удаљености између дислокација, чинећи их склонијим неуспеху под стресом.

Фазе и легуре

У легурама, присуство различитих фаза или дистрибуција ових фаза (Нпр., ферит и перлит у челику) утиче на стрес и понашање при напрезању. На пример:

• Челичне легуре: Варирањем састава легуре, инжењери могу да подесе границу течења материјала, жилавост, и тврдоћу да испуни специфичне захтеве перформанси.

Температура

Температура игра значајну улогу у одређивању механичка својства материјала, утичући на њихове еластична и пластика понашања.

• На високим температурама, метали углавном постају дуктилнији, а њихова граница течења се смањује.
  На пример, алуминијум постаје много савитљивији на повишеним температурама, док челик може доћи до смањења тврдоће.
• На ниским температурама, материјали имају тенденцију да постану крхкији. На пример, карбонски челик постаје крт на температурама испод -40°Ц, чинећи га склонијим пуцању под стресом.

Термално ширење

Материјали се шире када се загревају и скупљају када се охладе, изазивање унутрашњих напрезања која могу утицати на понашање материјала под оптерећењем.

У великим структурама попут мостова или цевовода, експанзија и контракција изазвана температуром могу довести до термичка напрезања.

Стопа натапа (Стопа деформације)

Тхе стопа натапа је брзина којом се материјал деформише под напрезањем. Материјали се могу понашати различито у зависности од тога колико брзо се напрезање примењује:

• Спора деформација (ниска стопа деформације): Материјали имају више времена да се пластично деформишу, а крива напон-деформација материјала има тенденцију да покаже већу дуктилност.
• Брза деформација (висока стопа деформације): Материјали су чвршћи и јачи, али се њихова дуктилност смањује.
  Ово је посебно важно за материјале који се користе у црасх тестови (Нпр., анализа аутомобилских судара) или балистичких удара.

Пример:

• У брзом обликовању метала (попут ковање или котрљање), брзина деформације је висока, а метали могу показати повећану чврстоћу због стврдњавање деформацијама ефекти.
  И обрнуто, при ниским стопама напрезања, као што је током испитивања спорог затезања, метали имају више времена да се деформишу, што резултира већом дуктилношћу.

Врста оптерећења и величина

Пут стрес се примењује утиче на одговор материјала:

• Затезач: Материјал је растегнут, и испитује се његова отпорност на истезање.
  Ово обично резултира значајном пластичном деформацијом у дуктилним материјалима, док се крхки материјали могу раније ломити.
• Притисак на притисак: Компресија обично доводи до краће деформације материјала и може резултирати различитим механизмима квара.
  На пример, бетон има високу чврстоћу на притисак, али је слаб на затезање.
• Схеар Стресс: Напон смицања укључује силе које делују паралелно са површином материјала.
  Материјали са добром снагом на смицање, попут одређених челика, добро ће се понашати под напоном смицања, док се други могу деформисати или прерано покварити.

Величина оптерећења такође игра улогу:

• Висока оптерећења може угурати материјале у своје пластична деформација регион, што доводи до значајних промена облика.
• Мала оптерећења чувајте материјале у оквиру еластични регион, где могу да се врате у првобитни облик након уклањања напрезања.

Фактори заштите животне средине

Услови околине могу значајно утицати на понашање материјала напон-деформација. Уобичајени фактори животне средине укључују:

• Корозија: Присуство влаге, соли, или други корозивни агенси могу ослабити материјале, смањење њихове затезне чврстоће и дуктилности.
  На пример, хрђа на челику смањује његову способност да издржи напетост и може довести до прераног квара.
• Умор: Поновљени циклуси стреса вс. напрезање може проузроковати деградацију материјала током времена, чак и ако је максимално примењено напрезање испод границе течења.
  Ово је критично у апликацијама као што су ваздухопловство и Аутомобилске компоненте, где материјали пролазе кроз циклично оптерећење.
• Радијација: У нуклеарним окружењима, зрачење може изазвати крхкост у металима и полимерима, смањујући њихову способност деформације пре прелома.

Нечистоће и недостаци

Присуство нечистоће (као угљеник у челику или сумпор у металима) или дефекти (као што су пукотине или шупљине) може драстично да промени начин на који материјал реагује на стрес:

• Нечистоће могу деловати као слабе тачке унутар материјала, концентрирајући стрес и доводи до прераног неуспеха.
• Дефекти, посебно унутрашње, може створити концентратори стреса који чине материјале склонијим ломљењу под оптерећењем.

На пример, мала пукотина у металном узорку може деловати као а подизач стреса,

смањујући укупну чврстоћу материјала и доводећи до лома на много нижим нивоима напрезања него што би се могло предвидети од униформних материјала.

Историја учитавања

Тхе историја стреса и напрезања којој је материјал био подвргнут игра пресудну улогу у његовом понашању:

• Материјали који су били подвргнути циклично оптерећење (поновљени утовар и истовар) може доживети умор и развијати пукотине које се временом шире.
• Материјали који се подвргавају претходно напрезање или радно каљење може показати измењене карактеристике напрезања и деформације, као што су повећана граница течења и смањена дуктилност.

Пример: Радно каљен челик постаје јача како се дислокације акумулирају, чинећи га отпорнијим на даљу деформацију али мање дуктилним.

5. Мерење и експерименталне технике

Тачно мерење и разумевање стрес вс. напрезати се понашања су од виталног значаја и за науку о материјалима и за инжењерске примене.

Ова својства одређују како ће се материјали понашати под различитим оптерећењима иу различитим условима околине.

Развијене су различите експерименталне технике и методе за квантификацију стрес вс. напрезати се, омогућавајући инжењерима да пројектују сигурније и ефикасније структуре и производе.

Овај одељак ће се бавити најчешће коришћеним техникама, како раде, и значај сваког у процени механичких својстава материјала.

5.1 Технике мерења напрезања

Страин Гаугес

Мерници напрезања су један од најчешће коришћених инструмената за мерење напрезања. Мерач напрезања је танак, електрични отпорни уређај који се деформише када је изложен напрезању.

Ова деформација изазива промену његовог електричног отпора, који се може измерити и повезати са количином напрезања коју материјал доживљава.

• Принцип рада: Мерници напрезања се састоје од мреже од финог метала или фолије причвршћене на флексибилну подлогу.
  Када се материјал за који је причвршћен мерач напрезања деформише, мрежа се такође деформише, мењајући свој отпор. Ова промена је пропорционална напрезању материјала.
• Врсте мерача напрезања: Постоји неколико врста, укључујући фолија, жице, и полупроводнички мерачи напрезања.
  Тип фолије је најчешћи и широко се користи за мерење напрезања у инжењерским апликацијама.
• Апликације: Мјерач напрезања се користи у испитивању напрезања материјала, праћење стања структуре, па чак и ваздухопловну и аутомобилску индустрију за процену перформанси критичних компоненти.

Корелација дигиталног слике (Дић)

Корелација дигиталног слике (Дић) је оптичка метода за мерење деформације. Користи пар камера високе резолуције за снимање слика површине материјала у различитим фазама деформације.

Специјализовани софтвер затим прати промене у површинском узорку за мерење напрезања.

• Принцип рада: ДИЦ функционише применом случајног шара мрља (често црно-бело) на површини материјала.
  Како се материјал деформише, шара тачака се помера и софтвер повезује положаје тачака на различитим сликама да би израчунао померање и напрезање.
• Предности: ДИЦ обезбеђује мерења напрезања у целом пољу, што га чини идеалним за анализу сложених материјала и деформација.
  Такође се може користити за мерење сојева у 3Д и не захтева директан контакт са узорком.
• Апликације: Ова техника се користи у истраживању и развоју, укључујући проучавање понашања материјала под влачним или тлачним оптерећењима, испитивање на замор, и механика лома.

Екстензометри

Ан екстензометар је уређај који се користи за мерење издужења или контракције узорка под оптерећењем.

Састоји се од сета сензора померања који се причвршћују на узорак за испитивање и прате његову промену дужине током тестирања.

• Принцип рада: Екстензометар мери померање између две тачке на узорку, обично у центру дужине мерача.
  Релативно померање између ових тачака даје вредност деформације.
• Врсте екстензометара: Укључују их контакт екстензометри (који физички додирују примерак),
  не-контакт (оптички) екстензометри, и ласерски екстензометри (који користе ласерске зраке за мерење удаљености без контакта са узорком).
• Апликације: Екстензометри се широко користе у испитивање затезања и тестови компресије, обезбеђујући прецизна мерења деформације.

5.2 Технике мерења напрезања

Лоад Целлс

Ћелије за оптерећење су сензори који се користе за мерење силе (или оптерећење) примењен на примерак, пружајући директну меру стреса.

Ови уређаји претварају механичку силу у електрични сигнал који се може мерити и снимити.

• Принцип рада: Ћелије за оптерећење обично користе мерачи напрезања као сензорни елемент.
  Када се примени оптерећење, мерачи напрезања се деформишу, а ова деформација се преводи у промену електричног отпора, што одговара примењеној сили.
• Врсте ћелија за оптерећење: Главне врсте ћелија за оптерећење укључују ћелије за оптерећење са једном тачком, ћелије за оптерећење типа с, ћелије за оптерећење канистера, и ћелије за оптерећење греда.
  Сваки тип има специфичне примене у зависности од захтева мерења и конфигурације оптерећења.
• Апликације: Ћелије за оптерећење се користе у машине за испитивање затезања, испитивање притиска, и индустријски системи за вагање, обезбеђујући директно мерење силе, који се може користити за израчунавање напона.

Мерење концентрације стреса

Концентрације напона се јављају на геометријским дисконтинуитетима (Нпр., зарези, рупе, и оштри углови) и често су подручја кварова у материјалима.

Они се могу мерити коришћењем фотоеластичност или анализа коначних елемената (Феа).

• Фотоеластичност: Ова техника укључује примену поларизоване светлости на транспарентне материјале под стресом.
  Материјал показује ресе које указују на расподелу напрезања, који се могу анализирати да би се открили региони концентрације напона.
• Анализа коначних елемената (Феа): ФЕА је рачунски метод који се користи за симулацију расподеле напона унутар материјала или структуре под оптерећењем.
  Моделовањем материјала и применом оптерећења, инжењери могу анализирати понашање и идентификовати области са високим концентрацијама стреса.
• Апликације: Мерење концентрације стреса је кључно у ваздухопловство, аутомотиве, и грађевинарство индустрије за осигурање безбедности и трајности критичних компоненти.

Мохров круг за анализу стреса

Мохров круг је графички метод за одређивање стања напрезања у тачки унутар материјала, посебно за дводимензионалне стресне ситуације.

Омогућава инжењерима да израчунају нормалне и смичне напоне у различитим оријентацијама, пружајући драгоцен увид у одговор материјала на примењене силе.

• Принцип рада: Мохров круг користи главна напона (максимални и минимални напони) и смичући напони у датој тачки да би се створио круг.
  Тачке на кругу одговарају напонима на различитим равнима унутар материјала.
• Апликације: Мохров круг се користи у структурној анализи, испитивање материјала, и анализа неуспеха, посебно када је материјал подвргнут сложеним условима оптерећења.

5.3 Комбиновано испитивање напрезања и напрезања

Универзалне машине за тестирање (УТМ-ови)

А Универзална машина за тестирање је суштински уређај који се користи за испитивање механичких својстава материјала, укључујући затезање, компресија, и испитивања савијања.
Ове машине мере и једно и друго стрес вс. напрезати се приликом примене силе.

• Принцип рада: УТМ примењују контролисану силу на узорак и мере одговарајуће померање или издужење.
  Подаци о сили и померању се затим користе за израчунавање напона наспрам. напрезати се, стварајући криву напон-деформација.
• Апликације: УТМ се широко користе за испитивање метала, полимери, композити, и других материјала. Критични су у лабораторије за испитивање материјала, контрола квалитета, и Р&Д у разним индустријама.

Комбинована мерења напрезања и напрезања у испитивању замора

У испитивање на замор, материјали су подвргнути цикличном оптерећењу, и оба стреса вс. напрезање треба мерити истовремено да би се разумело како се материјал понаша под стресом који се понавља.

Ротационе машине за замор савијања или серво-хидрауличне машине за испитивање се често користе у ове сврхе.

• Принцип рада: Машине примењују циклично оптерећење док се материјал прати за оба напона (преко ћелија за оптерећење) и процедити (преко екстензометара или мерача напрезања).
  Добијени подаци су кључни за предвиђање века трајања материјала и начина квара.
• Апликације: Испитивање замора је од виталног значаја у индустријама као што су аутомотиве, ваздухопловство, и енергија како би се осигурала поузданост и издржљивост компоненти подвргнутих поновљеном оптерећењу.

6. Поређење стреса вс. Напрезање

Разумевање разлика и односа између стреса и стреса. напрезање је кључно за инжењере да би дизајнирали безбедно, ефикасан, и издржљиви материјали и структуре.

Резиме кључних разлика

Аспект	Стрес	Напрезање
Дефиниција	Унутрашња сила по јединици површине	Деформација или померање материјала
Јединице	Пасцал (Па), Мегапаскали (МПА)	Бездимензионално (однос)
Врста количине	Тензор (величину и правац)	Сцалар (само величина)
Природа	Изазван спољним силама	Узрокована деформацијом изазваном напрезањем
Материал Бехавиор	Одређује отпорност материјала	Мери деформацију материјала
Еластична/пластична	Може бити еластична или пластична	Може бити еластична или пластична
Пример	Сила по површини у металној шипки	Издужење металне шипке под затезањем

7. Закључак

Напрезање и напрезање су фундаментални концепти у инжењерству и науци о материјалима.

Разумевање њиховог односа помаже инжењерима да оптимизују перформансе материјала, побољшати безбедност, и дизајн структуре које се одупиру квару.

Са напретком у тестирању и рачунарским симулацијама, индустрије могу побољшати трајност и ефикасност производа у различитим секторима.

Савладавањем анализе стрес-деформација, професионалци могу донети информисане одлуке у избору материјала, структурни интегритет, и иновативног дизајна, обезбеђивање дугорочне поузданости у инжењерским применама.