1. การแนะนำ
ความเครียดและความเครียดเป็นแนวคิดพื้นฐานในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมเครื่องกล, มีบทบาทสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพและความล้มเหลวของวัสดุภายใต้ภาระ.
คุณสมบัติเหล่านี้มีความสำคัญในการออกแบบโครงสร้าง, การผลิต, และการวิเคราะห์ความล้มเหลว.
ความเครียดหมายถึงความต้านทานภายในวัสดุพัฒนาต่อพื้นที่หน่วยเมื่ออยู่ภายใต้แรงภายนอก, ในขณะที่ความเครียดวัดความผิดปกติของวัสดุเพื่อตอบสนองต่อความเครียดนั้น.
การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ของพวกเขาช่วยให้วิศวกรเลือกวัสดุที่เหมาะสม, ทำนายคะแนนความล้มเหลว, และเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบสำหรับแอพพลิเคชั่นต่างๆ, จากสะพานและเครื่องบินไปจนถึงไมโครอิเล็กทรอนิกส์.
บทความนี้ให้การวิเคราะห์เชิงลึกของความเครียดและความเครียด, สำรวจคำจำกัดความของพวกเขา, สูตรทางคณิตศาสตร์, วิธีการทดสอบ, ปัจจัยที่มีอิทธิพล, และงานอุตสาหกรรม.
2. พื้นฐานของความเครียดและความเครียด
ความเครียดคืออะไร?
ความเครียด (อัน) คือแรงที่ใช้ต่อพื้นที่หน่วยภายในวัสดุ. มันวัดปริมาณการใช้แรงภายในที่ต้านทานโหลดภายนอกและแสดงทางคณิตศาสตร์เป็นอย่างไร:
σ = f ÷ a
ที่ไหน:
- เอฟ คือแรงที่ใช้ (เอ็น),
- ก เป็นพื้นที่ตัดขวาง (ตารางเมตร).
ประเภทของความเครียด
- แรงดึง: ดึงวัสดุออกจากกัน, เพิ่มความยาว (เช่น, ยืดลวดเหล็ก).
- แรงอัด: กดวัสดุเข้าด้วยกัน, ลดความยาว (เช่น, บีบอัดคอลัมน์คอนกรีต).
- ความเครียดจากแรงเฉือน: ทำให้ชั้นของวัสดุที่อยู่ติดกันเลื่อนผ่านกันและกัน (เช่น, กองกำลังที่ทำบนข้อต่อที่ติดตั้ง).
- ความเครียด: เป็นผลมาจากแรงบิด (เช่น, แรงบิดที่ใช้กับเพลาหมุน).
ประเภทของความเครียด
ความเครียดคืออะไร?
ความเครียด (อี) เป็นการวัดความผิดปกติของวัสดุเนื่องจากความเครียดที่ใช้. เป็นปริมาณที่ไม่มีมิติที่แสดงถึงอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงความยาวต่อความยาวเดิม:
e = Δl÷ l0
ที่ไหน:
- ΔL การเปลี่ยนแปลงของความยาว (ม),
- L0 คือความยาวดั้งเดิม (ม).
ประเภทของความเครียด
- สายพันธุ์ปกติ: เกิดจากแรงดึงหรือแรงกด.
- แรงเฉือน: เป็นผลมาจากการบิดเบือนเชิงมุม.
3. ความสัมพันธ์ระหว่างความเครียดกับ. ความเครียด
ทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่าง ความเครียด และ ความเครียด เป็นพื้นฐานในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรม.
ความสัมพันธ์นี้ช่วยทำนายว่าวัสดุจะตอบสนองต่อกองกำลังภายนอกได้อย่างไร, สร้างความมั่นใจในความสมบูรณ์ของโครงสร้างและความน่าเชื่อถือในแอพพลิเคชั่นต่างๆ, จากสะพานและเครื่องบินไปจนถึงการปลูกถ่ายทางการแพทย์และสินค้าอุปโภคบริโภค.
กฎหมายของ Hooke: ความสัมพันธ์ที่ยืดหยุ่น
ใน พื้นที่ยืดหยุ่น, วัสดุส่วนใหญ่จัดแสดงก ความสัมพันธ์เชิงเส้น ระหว่างความเครียด (ซิกมา) และเครียด (e varepsilone), ควบคุมโดย กฎหมายของ Hooke:
σ = e ⋅ e
ที่ไหน:
- σ = ความเครียด (PA หรือ N/M²)
- e = โมดูลัสของยัง (โมดูลัสของความยืดหยุ่น, ใน PA)
- e = ความเครียด (ไม่มีมิติ)
สมการนี้หมายความว่าภายในวัสดุ ขีด จำกัด ยืดหยุ่น, ความเครียดและความเครียดเป็นสัดส่วนโดยตรง.
เมื่อโหลดถูกลบออก, วัสดุกลับสู่รูปร่างดั้งเดิม. ค่าของ โมดูลัสของยัง กำหนดความแข็งของวัสดุ:
- สูง E (เช่น, เหล็ก, ไทเทเนียม) → แข็งและยืดหยุ่นน้อยลง
- ต่ำ E (เช่น, ยาง, โพลีเมอร์) → ยืดหยุ่นและผิดรูปได้ง่าย
ตัวอย่างเช่น, เหล็กมีโมดูลัสของเด็ก ~ 200 เกรด, ทำให้แข็งกว่าอลูมิเนียมมาก (~ 70 เกรด) หรือยาง (~ 0.01 เกรดเฉลี่ย).
ยืดหยุ่น vs. การเปลี่ยนรูปพลาสติก
ในขณะที่กฎหมายของ Hooke ใช้กับ พื้นที่ยืดหยุ่น, ในที่สุดวัสดุก็มาถึงก จุดให้ เมื่อความผิดปกติกลายเป็น ถาวร.
- การเสียรูปแบบยืดหยุ่น: วัสดุจะกลับสู่รูปร่างดั้งเดิมหลังจากที่ความเครียดถูกลบออก.
- การเปลี่ยนรูปพลาสติก: วัสดุผ่านการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สามารถย้อนกลับได้และไม่กลับสู่รูปร่างดั้งเดิม.
เส้นโค้งความเครียดและจุดสำคัญ
ก เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด แสดงให้เห็นถึงวิธีการที่วัสดุทำงานภายใต้การโหลด.
- พื้นที่ยืดหยุ่น: ความสัมพันธ์เชิงเส้นตามกฎหมายของ Hooke.
- จุดให้: ระดับความเครียดที่การเปลี่ยนรูปพลาสติกเริ่มต้นขึ้น.
- พื้นที่พลาสติก: การเสียรูปยังคงดำเนินต่อไปโดยไม่เพิ่มความเครียดเพิ่มเติม.
- แรงดึงสูงสุด (มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์): ความเครียดสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้.
- จุดแตกหัก: วัสดุแตกภายใต้ความเครียดที่มากเกินไป.
สำหรับ วัสดุดัด (เช่น, อลูมิเนียม, เหล็กอ่อน), การเสียรูปของพลาสติกเกิดขึ้นก่อนความล้มเหลว, ช่วยให้การดูดซึมพลังงานก่อนที่จะพังทลาย.
วัสดุเปราะ (เช่น, กระจก, เซรามิกส์) การแตกหักอย่างกะทันหันโดยไม่ต้องเสียรูปพลาสติก.
ตารางสรุป: ความสัมพันธ์ระหว่างความเครียดและความเครียด
| คุณสมบัติ | พื้นที่ยืดหยุ่น | พื้นที่พลาสติก |
|---|---|---|
| คำนิยาม | ความเครียดและความเครียดเป็นสัดส่วน | การเสียรูปแบบถาวรเกิดขึ้น |
| กฎหมาย | กฎหมายของ Hooke | พฤติกรรมพลาสติกไม่เชิงเส้น |
| การย้อนกลับได้ | ย้อนกลับได้อย่างเต็มที่ | กลับไม่ได้ |
| จุดให้? | เลขที่ | ใช่ |
| วัสดุตัวอย่าง | เหล็ก (ภายในช่วงยืดหยุ่น), ยาง (สายพันธุ์ต่ำ) | ทองแดง, อลูมิเนียม (ภายใต้ความเครียดสูง) |
4. ปัจจัยที่มีผลต่อความเครียดและพฤติกรรมความเครียด
ทำความเข้าใจกับปัจจัยที่มีอิทธิพล ความเครียด และ ความเครียด พฤติกรรมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเลือกวัสดุ, ออกแบบ, และการวิเคราะห์ประสิทธิภาพ.
ปัจจัยภายในและภายนอกต่าง ๆ ส่งผลกระทบต่อการที่วัสดุตอบสนองต่อแรงประยุกต์, ส่งผลกระทบต่อความแข็งแกร่งของพวกเขา, ความเหนียว, ความยืดหยุ่น, และพฤติกรรมโดยรวมภายใต้ความเครียด.
มาสำรวจปัจจัยเหล่านี้ในเชิงลึก.
องค์ประกอบของวัสดุและโครงสร้างจุลภาค
โครงสร้างอะตอมและโมเลกุล
การจัดเรียงของอะตอมหรือโมเลกุลในวัสดุจะกำหนดคุณสมบัติเชิงกลและ, เพราะเหตุนี้, พฤติกรรมของมันภายใต้ความเครียด.
วัสดุ ด้วยประเภทพันธะที่แตกต่างกัน (โควาเลนต์, เกี่ยวกับโลหะ, ไอออน, ฯลฯ) แสดงการตอบสนองที่แตกต่างต่อการเสียรูป.
- โลหะ: โดยทั่วไปจะมีความเหนียวสูงและสามารถทนต่อการเสียรูปของพลาสติกได้อย่างมากก่อนที่จะล้มเหลว.
โครงสร้างอะตอมของพวกเขา (ขัดแตะ) อนุญาตให้เคลื่อนย้าย, ทำให้พวกเขาสามารถดูดซับความเครียดและความเครียดได้อย่างมีประสิทธิภาพ. - โพลีเมอร์: โซ่โมเลกุลของพวกเขาตอบสนองแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของพอลิเมอร์ (เทอร์โมพลาสทิค, เทอร์โมสเซ็ต, อีลาสโตเมอร์).
ตัวอย่างเช่น, อีลาสโตเมอร์มีความผิดปกติอย่างมากภายใต้ความเครียดต่ำ, ในขณะที่เทอร์โมเซ็ตอาจเปราะหลังจากอยู่ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือความเครียด. - เซรามิกส์: โดยทั่วไปแล้วจะมีพันธะไอออนิกหรือโควาเลนต์, ซึ่งให้ความแข็งแกร่ง แต่ จำกัด การเคลื่อนไหวของความคลาดเคลื่อน.
ส่งผลให้, เซรามิกมักจะแตกหักได้ง่ายภายใต้ความเครียด, ด้วยการเสียรูปพลาสติกเล็กน้อย.
โครงสร้างเกรน
ขนาดและทิศทางของ ธัญพืช (โครงสร้างผลึกในโลหะ) ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญกับความเครียด. พฤติกรรมความเครียด:
- วัสดุเนื้อละเอียด: โดยทั่วไปจะแสดงความต้านทานแรงดึงที่ดีขึ้นและความต้านทานต่อการแตกหักที่สูงขึ้นเนื่องจากขอบเขตของเมล็ดพืชเป็นอุปสรรคต่อการเคลื่อนไหวของความคลาดเคลื่อน.
- วัสดุหยาบ: อาจแสดงความเหนียวที่สูงขึ้น แต่ความต้านทานแรงดึงลดลงเนื่องจากระยะทางที่ใหญ่ขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่, ทำให้พวกเขามีแนวโน้มที่จะล้มเหลวภายใต้ความเครียดมากขึ้น.
เฟสและโลหะผสม
ในโลหะผสม, การปรากฏตัวของเฟสที่แตกต่างกันหรือการกระจายของเฟสเหล่านี้ (เช่น, เฟอร์ไรต์และไข่มุกในเหล็กกล้า) มีอิทธิพลต่อความเครียดและพฤติกรรมความเครียด. ตัวอย่างเช่น:
- โลหะผสมเหล็กกล้า: โดยการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของโลหะผสม, วิศวกรสามารถปรับความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุ, ความเหนียว, และความแข็งเพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่เฉพาะเจาะจง.
อุณหภูมิ
อุณหภูมิมีบทบาทสำคัญในการพิจารณา คุณสมบัติทางกล ของวัสดุ, ส่งผลกระทบต่อพวกเขา ยืดหยุ่น และ พลาสติก พฤติกรรม.
- ที่อุณหภูมิสูง, โดยทั่วไปโลหะจะเหนียวมากขึ้น, และความแข็งแรงของผลผลิตลดลง.
ตัวอย่างเช่น, อลูมิเนียม มีความอ่อนไหวมากขึ้นที่อุณหภูมิสูง, ในขณะที่ เหล็ก อาจมีประสบการณ์ลดลงของความแข็ง. - ที่อุณหภูมิต่ำ, วัสดุมีแนวโน้มที่จะเปราะมากขึ้น. ตัวอย่างเช่น, เหล็กกล้าคาร์บอน กลายเป็นเปราะที่อุณหภูมิต่ำกว่า -40 ° C, ทำให้มีแนวโน้มที่จะแตกภายใต้ความเครียดมากขึ้น.
การขยายตัวทางความร้อน
วัสดุจะขยายตัวเมื่อความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลง, ทำให้เกิดความเครียดภายในที่อาจส่งผลต่อการทำงานของวัสดุภายใต้ภาระ.
ในโครงสร้างขนาดใหญ่เช่นสะพานหรือท่อ, การขยายตัวของอุณหภูมิและการหดตัวอาจนำไปสู่ ความเครียดจากความร้อน.
อัตราความเครียด (อัตราการเสียรูป)
ที่ อัตราความเครียด เป็นความเร็วที่วัสดุเปลี่ยนรูปภายใต้ความเครียด. วัสดุอาจมีพฤติกรรมแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความเครียดที่ใช้อย่างรวดเร็ว:
- การเสียรูปช้า (อัตราความเครียดต่ำ): วัสดุมีเวลามากขึ้นในการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก, และเส้นโค้งความเครียดของวัสดุมีแนวโน้มที่จะแสดงความเหนียวมากขึ้น.
- การเสียรูปอย่างรวดเร็ว (อัตราความเครียดสูง): วัสดุมีแนวโน้มที่จะแข็งและแข็งแรงขึ้น, แต่ความเหนียวของพวกเขาลดลง.
สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับวัสดุที่ใช้ใน การทดสอบความผิดพลาด (เช่น, การวิเคราะห์ความผิดพลาดยานยนต์) หรือ ผลกระทบของขีปนาวุธ.
ตัวอย่าง:
- ในการขึ้นรูปโลหะความเร็วสูง (ชอบ การปลอม หรือ กลิ้ง), อัตราความเครียดสูง, และโลหะอาจแสดงความแข็งแรงเพิ่มขึ้นเนื่องจาก การทำให้แข็งกระด้าง ผล.
ในทางกลับกัน, ในอัตราความเครียดต่ำ, เช่นในระหว่างการทดสอบความตึงเครียดช้า, โลหะมีเวลามากขึ้นในการเปลี่ยนรูป, ส่งผลให้ความเหนียวสูงขึ้น.
ประเภทโหลดและขนาด
ทาง ความเครียด ถูกนำไปใช้มีผลต่อการตอบสนองของวัสดุ:
- แรงดึง: วัสดุถูกยืดออก, และการทดสอบความต้านทานต่อการยืดตัว.
โดยทั่วไปแล้วจะส่งผลให้เกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างมีนัยสำคัญในวัสดุดัด, ในขณะที่วัสดุเปราะอาจแตกก่อนหน้านี้. - แรงอัด: การบีบอัดมักจะนำไปสู่การเสียรูปของวัสดุที่สั้นลงและอาจส่งผลให้กลไกความล้มเหลวแตกต่างกัน.
ตัวอย่างเช่น, คอนกรีตมีความแข็งแรงแรงอัดสูง แต่อ่อนแอในความตึงเครียด. - ความเครียดจากแรงเฉือน: ความเครียดจากแรงเฉือนเกี่ยวข้องกับแรงที่ทำหน้าที่ขนานกับพื้นผิวของวัสดุ.
วัสดุที่มีความแข็งแรงเฉือนที่ดี, เหมือนเหล็กบางชนิด, จะทำงานได้ดีภายใต้แรงเฉือน, ในขณะที่คนอื่นอาจทำให้เสียโฉมหรือล้มเหลวก่อนกำหนด.
ขนาดของโหลด ยังมีบทบาท:
- โหลดสูง สามารถผลักวัสดุเข้าไปใน การเสียรูปพลาสติก ภูมิภาค, นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในรูปร่าง.
- โหลดต่ำ เก็บวัสดุภายใน พื้นที่ยืดหยุ่น, ที่ซึ่งพวกเขาสามารถกลับไปสู่รูปร่างเดิมหลังจากลบความเครียด.
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม
สภาพแวดล้อมสามารถมีผลต่อพฤติกรรมความเครียดของความเครียดของวัสดุอย่างมีนัยสำคัญ. ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมทั่วไป ได้แก่:
- การกัดกร่อน: การปรากฏตัวของความชื้น, เกลือ, หรือตัวแทนการกัดกร่อนอื่น ๆ สามารถทำให้วัสดุอ่อนแอลงได้, ลดความต้านทานแรงดึงและความเหนียว.
ตัวอย่างเช่น, สนิม บนเหล็กช่วยลดความสามารถในการทนต่อความตึงเครียดและสามารถนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนวัยอันควร. - ความเหนื่อยล้า: รอบความเครียดซ้ำ ๆ กับ. ความเครียดอาจทำให้วัสดุเสื่อมโทรมเมื่อเวลาผ่านไป, แม้ว่าความเครียดที่ใช้สูงสุดจะต่ำกว่าความแข็งแรงของผลผลิต.
นี่เป็นสิ่งสำคัญในแอปพลิเคชันเช่น การบินและอวกาศ และ ส่วนประกอบยานยนต์, ที่วัสดุได้รับการโหลดแบบวัฏจักร. - การฉายรังสี: ในสภาพแวดล้อมนิวเคลียร์, การแผ่รังสีอาจทำให้เกิด การเปราะ ในโลหะและโพลีเมอร์, ลดความสามารถในการเปลี่ยนรูปก่อนการแตกหัก.
สิ่งสกปรกและข้อบกพร่อง
การปรากฏตัวของ สิ่งสกปรก (เช่นคาร์บอนในเหล็กหรือกำมะถันในโลหะ) หรือ ข้อบกพร่อง (เช่นรอยแตกหรือช่องว่าง) สามารถเปลี่ยนวิธีการที่วัสดุตอบสนองต่อความเครียดได้อย่างไร:
- สิ่งเจือปน สามารถทำหน้าที่เป็นจุดอ่อนภายในวัสดุ, มุ่งเน้นความเครียดและนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนวัยอันควร.
- ข้อบกพร่อง, โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใน, สามารถสร้างได้ ความเครียดเข้มข้น ที่ทำให้วัสดุมีแนวโน้มที่จะแตกหักภายใต้ภาระมากขึ้น.
ตัวอย่างเช่น, รอยแตกเล็ก ๆ ในตัวอย่างโลหะสามารถทำหน้าที่เป็นก ความเครียดขึ้น,
การลดความแข็งแรงของวัสดุโดยรวมและนำไปสู่การแตกหักในระดับความเครียดที่ต่ำกว่าที่คาดการณ์ไว้จากวัสดุที่สม่ำเสมอ.
ประวัติการโหลด
ที่ ประวัติความเครียดและความเครียด ซึ่งวัสดุได้รับการมีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมของมัน:
- วัสดุที่อยู่ภายใต้ การโหลดแบบวัฏจักร (โหลดซ้ำและขนถ่าย) อาจมีประสบการณ์ ความเหนื่อยล้า และพัฒนา รอยแตก การเผยแพร่เมื่อเวลาผ่านไป.
- วัสดุที่ได้รับ การฝึกล่วงหน้า หรือ ทำงานแข็ง อาจแสดงลักษณะความเครียดของความเครียดที่เปลี่ยนแปลงไป, เช่นความแข็งแรงของผลผลิตที่เพิ่มขึ้นและความเหนียวลดลง.
ตัวอย่าง: เหล็กแข็ง แข็งแกร่งขึ้นเมื่อมีการสะสม, ทำให้ความต้านทานต่อการเสียรูปมากขึ้น แต่มีความเหนียวน้อยลง.
5. การวัดและเทคนิคการทดลอง
การวัดและความเข้าใจที่แม่นยำของ ความเครียด เทียบกับ. ความเครียด พฤติกรรมมีความสำคัญทั้งในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและการใช้งานด้านวิศวกรรม.
คุณสมบัติเหล่านี้กำหนดว่าวัสดุจะทำงานอย่างไรภายใต้ภาระที่แตกต่างกันและในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย.
เทคนิคและวิธีการทดลองต่าง ๆ ได้รับการพัฒนาเพื่อหาปริมาณ ความเครียด เทียบกับ. ความเครียด, ช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบโครงสร้างและผลิตภัณฑ์ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้น.
ส่วนนี้จะเจาะลึกเทคนิคที่ใช้กันมากที่สุด, พวกเขาทำงานอย่างไร, และความสำคัญของแต่ละคนในการประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ.
5.1 เทคนิคการวัดความเครียด
เกจวัดความเครียด
เกจวัดความเครียด เป็นหนึ่งในเครื่องมือที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดความเครียด. มาตรวัดความเครียดนั้นบาง, อุปกรณ์ต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนรูปเมื่ออยู่ภายใต้ความเครียด.
การเสียรูปนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความต้านทานไฟฟ้า, ซึ่งสามารถวัดและสัมพันธ์กับปริมาณของความเครียดที่ได้รับจากวัสดุที่มีประสบการณ์.
- หลักการทำงาน: เกจวัดความเครียดประกอบด้วยกริดของโลหะละเอียดหรือฟอยล์ที่ติดอยู่กับการสำรองที่ยืดหยุ่น.
เมื่อวัสดุที่มีการติดตั้งมาตรวัดความเครียด, กริดผิดรูปเช่นกัน, เปลี่ยนความต้านทาน. การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นสัดส่วนกับความเครียดบนวัสดุ. - ประเภทของมาตรวัดความเครียด: มีหลายประเภท, รวมทั้ง ฟอยล์, ลวด, และ เกจวัดความเครียดเซมิคอนดักเตอร์.
ประเภทฟอยล์เป็นที่พบมากที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดความเครียดในการใช้งานทางวิศวกรรม. - การใช้งาน: เกจวัดความเครียดใช้ในการทดสอบความเครียดของวัสดุ, การตรวจสุขภาพโครงสร้าง, และแม้แต่อุตสาหกรรมการบินและอวกาศและยานยนต์สำหรับการประเมินประสิทธิภาพของส่วนประกอบที่สำคัญ.
ความสัมพันธ์ของภาพดิจิทัล (ดีไอซี)
ความสัมพันธ์ของภาพดิจิทัล (ดีไอซี) เป็นวิธีการทางแสงสำหรับการวัดความเครียด. ใช้กล้องความละเอียดสูงคู่หนึ่งเพื่อจับภาพพื้นผิวของวัสดุในขั้นตอนต่าง ๆ ของการเสียรูป.
ซอฟต์แวร์พิเศษจากนั้นติดตามการเปลี่ยนแปลงในรูปแบบพื้นผิวเพื่อวัดความเครียด.
- หลักการทำงาน: DIC ทำงานโดยใช้รูปแบบจุดแบบสุ่ม (มักจะเป็นขาวดำ) บนพื้นผิวของวัสดุ.
เป็นวัสดุที่เปลี่ยนรูป, รูปแบบจุดเคลื่อนที่และซอฟต์แวร์มีความสัมพันธ์กับตำแหน่งของจุดในภาพที่แตกต่างกันเพื่อคำนวณการกระจัดและความเครียด. - ข้อดี: DIC ให้การวัดความเครียดเต็มพื้นที่, ทำให้เหมาะสำหรับการวิเคราะห์วัสดุที่ซับซ้อนและการเสียรูป.
นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการวัดสายพันธุ์ในแบบ 3 มิติและไม่จำเป็นต้องมีการติดต่อโดยตรงกับชิ้นงาน. - การใช้งาน: เทคนิคนี้ใช้ในการวิจัยและพัฒนา, รวมถึงการศึกษาพฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงดึงหรือแรงอัด, การทดสอบความเหนื่อยล้า, และกลไกการแตกหัก.
เครื่องขยายเสียง
หนึ่ง เครื่องวัดระยะไกล เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดการยืดตัวหรือการหดตัวของชิ้นงานภายใต้โหลด.
ประกอบด้วยชุดเซ็นเซอร์การกระจัดที่แนบกับตัวอย่างทดสอบและตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความยาวระหว่างการทดสอบ.
- หลักการทำงาน: Extensometer วัดการกระจัดระหว่างสองจุดบนตัวอย่าง, โดยทั่วไปที่กึ่งกลางของความยาวมาตรวัด.
การกระจัดสัมพัทธ์ระหว่างจุดเหล่านี้ให้ค่าความเครียด. - ประเภทของ Extensometers: เหล่านี้ได้แก่ ติดต่อ extensometers (ซึ่งร่างกายสัมผัสตัวอย่าง),
ไม่ติดต่อ (เกี่ยวกับแสง) เครื่องขยายเสียง, และ เครื่องขยายเลเซอร์ (ซึ่งใช้คานเลเซอร์เพื่อวัดระยะทางโดยไม่ต้องติดต่อตัวอย่าง). - การใช้งาน: Extensometers ใช้กันอย่างแพร่หลายใน การทดสอบแรงดึง และ การทดสอบการบีบอัด, ให้การวัดความเครียดที่แม่นยำ.
5.2 เทคนิคการวัดความเครียด
โหลดเซลล์
โหลดเซลล์ เป็นเซ็นเซอร์ที่ใช้วัดแรง (หรือโหลด) นำไปใช้กับตัวอย่าง, จัดให้มีการวัดความเครียดโดยตรง.
อุปกรณ์เหล่านี้แปลงแรงทางกลเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถวัดและบันทึกได้.
- หลักการทำงาน: โดยทั่วไปแล้วโหลดเซลล์ เกจวัดความเครียด เป็นองค์ประกอบการตรวจจับ.
เมื่อใช้โหลด, เกจวัดความเครียดผิดรูป, และการเสียรูปนี้ถูกแปลเป็นการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้า, ซึ่งสอดคล้องกับแรงที่ใช้. - ประเภทของเซลล์โหลด: ประเภทหลักของเซลล์โหลดรวมถึง เซลล์โหลดจุดเดียว, เซลล์โหลดประเภท S, เซลล์โหลดกระป๋อง, และ เซลล์โหลดลำแสง.
แต่ละประเภทมีแอพพลิเคชั่นเฉพาะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการวัดและการกำหนดค่าโหลด. - การใช้งาน: เซลล์โหลดถูกใช้ใน เครื่องทดสอบแรงดึง, การทดสอบแรงดัน, และ ระบบชั่งน้ำหนักอุตสาหกรรม, ให้การวัดแรงโดยตรง, ซึ่งสามารถใช้ในการคำนวณความเครียด.
การวัดความเข้มข้นของความเครียด
ความเข้มข้นของความเครียดเกิดขึ้นที่ความไม่ต่อเนื่องทางเรขาคณิต (เช่น, รอยหยัก, หลุม, และมุมที่คมชัด) และมักจะเป็นพื้นที่ของความล้มเหลวในวัสดุ.
สามารถวัดได้โดยใช้ ความเป็นไปได้ หรือ การวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด (กฟภ).
- ความเป็นไปได้: เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการใช้แสงโพลาไรซ์กับวัสดุที่โปร่งใสภายใต้ความเครียด.
วัสดุแสดงขอบที่บ่งบอกถึงการกระจายของความเครียด, ซึ่งสามารถวิเคราะห์เพื่อตรวจจับภูมิภาคความเข้มข้นของความเครียด. - การวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด (กฟภ): FEA เป็นวิธีการคำนวณที่ใช้ในการจำลองการกระจายความเครียดภายในวัสดุหรือโครงสร้างภายใต้โหลด.
โดยการสร้างแบบจำลองวัสดุและการใช้โหลด, วิศวกรสามารถวิเคราะห์พฤติกรรมและระบุพื้นที่ที่มีความเข้มข้นสูง. - การใช้งาน: การวัดความเข้มข้นของความเครียดมีความสำคัญใน การบินและอวกาศ, ยานยนต์, และ วิศวกรรมโยธา อุตสาหกรรมเพื่อสร้างความมั่นใจในความปลอดภัยและความทนทานของส่วนประกอบที่สำคัญ.
วงกลมของ Mohr สำหรับการวิเคราะห์ความเครียด
วงกลมของ Mohr เป็นวิธีกราฟิกสำหรับการกำหนดสถานะของความเครียด ณ จุดหนึ่งภายในวัสดุ, โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ความเครียดสองมิติ.
ช่วยให้วิศวกรสามารถคำนวณความเครียดปกติและแรงเฉือนในทิศทางที่แตกต่างกัน, ให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าเกี่ยวกับการตอบสนองของวัสดุต่อกองกำลังประยุกต์.
- หลักการทำงาน: วงกลมของ Mohr ใช้ความเครียดหลัก (ความเครียดสูงสุดและต่ำสุด) และความเครียดเฉือนที่จุดที่กำหนดเพื่อสร้างวงกลม.
จุดบนวงกลมสอดคล้องกับความเครียดบนระนาบต่าง ๆ ภายในวัสดุ. - การใช้งาน: วงกลมของ Mohr ใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้าง, การทดสอบวัสดุ, และการวิเคราะห์ความล้มเหลว, โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้เงื่อนไขการโหลดที่ซับซ้อน.
5.3 ความเครียดรวมและการทดสอบความเครียด
เครื่องทดสอบสากล (UTMS)
ก เครื่องทดสอบสากล เป็นอุปกรณ์สำคัญที่ใช้สำหรับการทดสอบคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ, รวมถึงแรงดึง, การบีบอัด, และการทดสอบดัด.
เครื่องจักรเหล่านี้วัดได้ทั้งคู่ ความเครียด เทียบกับ. ความเครียด ในระหว่างการประยุกต์ใช้กำลัง.
- หลักการทำงาน: UTMs ใช้แรงควบคุมกับชิ้นงานและวัดการกระจัดหรือการยืดตัวที่สอดคล้องกัน.
จากนั้นข้อมูลแรงและการกระจัดจะถูกใช้เพื่อคำนวณความเครียดกับ. ความเครียด, สร้างเส้นโค้งความเครียด. - การใช้งาน: UTMs ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการทดสอบโลหะ, โพลีเมอร์, คอมโพสิต, และวัสดุอื่น ๆ. พวกเขามีความสำคัญใน ห้องปฏิบัติการทดสอบวัสดุ, การควบคุมคุณภาพ, และ ร&ดี ในอุตสาหกรรมต่างๆ.
การวัดความเครียดและความเครียดรวมกันในการทดสอบความเหนื่อยล้า
ใน การทดสอบความเหนื่อยล้า, วัสดุจะต้องมีการโหลดแบบวัฏจักร, และทั้งความเครียดเทียบกับ. ต้องวัดความเครียดพร้อมกันเพื่อทำความเข้าใจว่าวัสดุมีพฤติกรรมภายใต้ความเครียดซ้ำ ๆ.
เครื่องดัดงอ หรือ เครื่องทดสอบ Servo-Hydraulic มักใช้เพื่อจุดประสงค์นี้.
- หลักการทำงาน: เครื่องจักรใช้การโหลดแบบวงกลมในขณะที่วัสดุถูกตรวจสอบสำหรับความเครียดทั้งสอง (ผ่านเซลล์โหลด) และเครียด (ผ่านเครื่องวัดระยะไกลหรือมาตรวัดความเครียด).
ข้อมูลที่เกิดขึ้นมีความสำคัญในการทำนายโหมดความเหนื่อยล้าและความล้มเหลวของวัสดุ. - การใช้งาน: การทดสอบความเหนื่อยล้ามีความสำคัญในอุตสาหกรรมเช่น ยานยนต์, การบินและอวกาศ, และ พลังงาน เพื่อให้แน่ใจว่าความน่าเชื่อถือและความทนทานของส่วนประกอบที่ถูกโหลดซ้ำ ๆ.
6. การเปรียบเทียบความเครียดกับ. ความเครียด
ทำความเข้าใจความแตกต่างและความสัมพันธ์ระหว่างความเครียดกับ. ความเครียดเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิศวกรในการออกแบบความปลอดภัย, มีประสิทธิภาพ, และวัสดุและโครงสร้างที่ทนทาน.
สรุปความแตกต่างที่สำคัญ
| ด้าน | ความเครียด | ความเครียด |
|---|---|---|
| คำนิยาม | แรงภายในต่อหน่วยพื้นที่ | การเสียรูปของวัสดุหรือการกระจัด |
| หน่วย | ปัสสาวะ (PA), megapascals (MPa) | ไม่มีมิติ (อัตราส่วน) |
| ประเภทปริมาณ | เทนเซอร์ (ขนาดและทิศทาง) | ตาชั่ง (ขนาดเท่านั้น) |
| ธรรมชาติ | เกิดจากกองกำลังภายนอก | เกิดจากการเสียรูปที่เกิดจากความเครียด |
| พฤติกรรมของวัสดุ | กำหนดความต้านทานของวัสดุ | มาตรการการเสียรูปของวัสดุ |
| ยืดหยุ่น/พลาสติก | สามารถยืดหยุ่นหรือพลาสติกได้ | สามารถยืดหยุ่นหรือพลาสติกได้ |
| ตัวอย่าง | แรงต่อพื้นที่ในแท่งโลหะ | การยืดตัวของแท่งโลหะภายใต้ความตึงเครียด |
7. บทสรุป
ความเครียดและความเครียดเป็นแนวคิดพื้นฐานในด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์วัสดุ.
การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ของพวกเขาช่วยให้วิศวกรเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ, ปรับปรุงความปลอดภัย, และโครงสร้างการออกแบบที่ต้านทานความล้มเหลว.
ด้วยความก้าวหน้าในการทดสอบและการจำลองการคำนวณ, อุตสาหกรรมสามารถเพิ่มความทนทานและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ในหลายภาคส่วน.
โดยการวิเคราะห์ความเครียดความเครียด, มืออาชีพสามารถตัดสินใจอย่างชาญฉลาดในการเลือกวัสดุ, ความสมบูรณ์ของโครงสร้าง, และการออกแบบที่เป็นนวัตกรรม, สร้างความมั่นใจในความน่าเชื่อถือในระยะยาวในแอปพลิเคชันวิศวกรรม.
