1. 介绍
压力和压力是材料科学和机械工程的基本概念, 在确定负载下材料的性能和失败方面发挥了至关重要的作用.
这些特性在结构设计中至关重要, 制造业, 和失败分析.
压力是指材料每单位区域产生的内部阻力, 虽然应变响应于这种压力，而菌株测量了材料的变形.
了解他们的关系有助于工程师选择适当的材料, 预测故障点, 并优化各种应用的设计, 从桥梁和飞机到微电子.
本文对压力和应变进行了深入的分析, 探索他们的定义, 数学配方, 测试方法, 影响因素, 和工业应用.
2. 压力和压力的基本原理
什么是压力?
压力 (一个) 是材料中每单位区域施加的力吗. 它量化了内部力如何抵抗外部载荷，并以数学表达为:
σ= f÷a
在哪里:
- f 是施加力吗 (n),
- 一个 是横截面 (平方米).
压力类型
- 拉伸应力: 将材料拉开, 增加其长度 (例如。, 拉伸钢丝).
- 压力应力: 将材料压在一起, 减少其长度 (例如。, 压缩混凝土柱).
- 剪切应力: 导致材料的相邻层相互滑动 (例如。, 作用于螺栓接头的力).
- 扭转应力: 扭曲力的结果 (例如。, 施加到旋转轴上的扭矩).
压力类型
什么是压力?
拉紧 (e) 是由于施加的压力而导致材料变形的量度. 这是一个无量纲的数量，代表长度变化比原始长度的比率:
e =Δl÷l0
在哪里:
- Δl 长度的变化 (m),
- L0 是原始长度 (m).
压力类型
- 正常应变: 由拉伸或压力引起.
- 剪切应变: 角失真的结果.
3. 压力与. 拉紧
了解 压力 和 拉紧 在材料科学和工程学方面是基础.
这种关系有助于预测材料将如何对外部力量响应, 确保各种应用中的结构完整性和可靠性, 从桥梁和飞机到医疗植入物和消费产品.
胡克定律: 弹性关系
在 弹性区域, 大多数材料表现出 线性关系 在压力之间 (西格马斯) 和应变 (e varepsilone), 受 胡克定律:
σ=eÅE
在哪里:
- σ=应力 (PA或N/m²)
- E = 杨的模量 (弹性模量, 在PA)
- E =应变 (无量纲)
这个方程意味着材料中的 弹性极限, 压力和应变直接成比例.
卸下负载时, 材料返回其原始形状. 价值 杨的模量 确定材料的刚度:
- 高e (例如。, 钢, 钛) → 僵硬且灵活
- 低e (例如。, 橡皮, 聚合物) → 灵活且易于变形
例如, 钢有年轻的模量 〜200 GPA, 使其比铝更僵硬 (〜70 GPA) 或橡胶 (〜0.01 GPA).
弹性与. 塑性变形
而胡克的法律适用于 弹性区域, 材料最终达到了 产量点 变形变为位置 永恒的.
- 弹性变形: 材料消除了压力后，材料恢复到原始形状.
- 塑性变形: 材料经历了不可逆转的变化，不会返回其原始形状.
应力 - 应变曲线和关键点
一个 应力应变曲线 图形表示材料在负载下的行为.
- 弹性区域: 胡克定律后的线性关系.
- 产量点: 塑性变形开始的应力水平.
- 塑料区域: 变形继续没有增加压力.
- 最终的拉伸强度 (UTS): 材料可以承受的最大压力.
- 断裂点: 材料在过度压力下破裂.
为了 延性材料 (例如。, 铝, 低碳钢), 塑性变形发生在故障之前, 突破之前允许吸收能量.
脆性材料 (例如。, 玻璃, 陶瓷) 突然断裂，几乎没有塑性变形.
摘要表: 压力应变关系
| 特征 | 弹性区域 | 塑料区域 |
|---|---|---|
| 定义 | 压力和应变是比例的 | 永久变形发生 |
| 法律法律 | 胡克定律 | 非线性塑料行为 |
| 可逆性 | 完全可逆 | 不可逆转 |
| 产量点? | 不 | 是的 |
| 示例材料 | 钢 (在弹性范围内), 橡皮 (低应变) | 铜, 铝 (在高压力下) |
4. 影响压力和应变行为的因素
了解影响因素 压力 和 拉紧 行为对于材料选择至关重要, 设计, 和绩效分析.
各种内在和外在因素会影响材料对应用力的响应方式, 影响他们的力量, 延性, 弹性, 和压力下的整体行为.
让我们深入探索这些因素.
物质组成和微观结构
原子和分子结构
原子或分子在材料中的排列决定了其机械性能和, 最后, 它在压力下的行为.
材料 具有不同的键合类型 (共价, 金属, 离子, ETC。) 对变形表现出不同的反应.
- 金属: 通常表现出较高的延展性，并且能够在失败之前承受实质性的塑性变形.
它们的原子结构 (晶格) 允许脱位移动, 使它们能够有效地吸收压力和应变. - 聚合物: 它们的分子链根据聚合物类型的反应不同 (热塑性塑料, 热壳, 弹性体).
例如, 弹性体在低应力下高度可变形, 在受到高温或压力后，热固体可能会变得脆弱. - 陶瓷: 这些通常具有离子或共价键, 提供力量但限制脱位运动.
因此, 陶瓷在压力下容易裂缝, 塑料变形很小.
谷物结构
大小和方向 谷物 (金属中的结构) 显着影响压力与. 应变行为:
- 细粒材料: 通常表现出提高的拉伸强度和更高的裂缝抗性，因为晶界会阻碍脱位运动.
- 粗粒材料: 由于位错之间的距离较大，可能显示出更高的延展性但拉伸强度较低, 使他们更容易在压力下失败.
阶段和合金
在合金中, 存在不同阶段或这些阶段的分布 (例如。, 铁矿和珠光石) 影响压力和应变行为. 例如:
- 钢合金: 通过改变合金组成, 工程师可以调整材料的屈服强度, 韧性, 和满足特定绩效要求的硬度.
温度
温度在确定 机械性能 材料, 影响他们的 松紧带 和 塑料 行为.
- 在高温下, 金属通常变得更易延展, 它们的屈服强度降低.
例如, 铝 在升高温度下变得更具延展性, 尽管 钢 可能会减少硬度. - 在低温下, 材料往往变得更脆. 例如, 碳钢 在低于-40°C的温度下变脆, 使它更容易在压力下开裂.
热膨胀
加热时材料膨胀并冷却时收缩, 引起内部应力，可能会影响材料在负载下的性能.
在桥梁或管道等大型结构中, 温度引起的膨胀和收缩可能导致 热应力.
应变率 (变形速率)
这 应变率 是在压力下变形材料的速度. 材料的行为可能会有所不同，具体取决于施加压力的速度:
- 缓慢变形 (低应变率): 材料有更多时间塑料变形, 材料的应力应变曲线倾向于表现出更大的延展性.
- 快速变形 (高应变率): 材料往往更僵硬, 但是它们的延展性降低了.
这对于使用的材料特别重要 碰撞测试 (例如。, 汽车崩溃分析) 或者 弹道影响.
例子:
- 在高速金属形成中 (喜欢 锻造 或者 滚动), 应变率很高, 金属可能由于 压力硬化 效果.
反过来, 以低应变速率, 例如在缓慢的张力测试中, 金属有更多时间变形, 导致更高的延展性.
负载类型和幅度
道路 压力 被应用影响材料的回应:
- 拉伸应力: 材料拉伸, 并测试了其对伸长的抵抗力.
这通常会导致延性材料的显着塑性变形, 虽然脆性材料可能会更早破裂. - 压力应力: 压缩通常会导致材料变形较短，并可能导致不同的故障机制.
例如, 混凝土具有高抗压强度，但张力较弱. - 剪切应力: 剪切应力涉及与材料表面平行作用的力.
具有良好剪切强度的材料, 喜欢某些钢, 在剪切压力下表现良好, 而其他人可能会过早变形或失败.
负载的大小 也扮演角色:
- 高负载 可以将材料推入他们的 塑性变形 地区, 导致形状发生重大变化.
- 低负载 将材料保存在 弹性区域, 压力消除后可以返回原始形状的地方.
环境因素
环境条件可以显着影响材料的应力应变行为. 常见的环境因素包括:
- 腐蚀: 水分的存在, 盐, 或其他腐蚀剂可以削弱材料, 降低其拉伸强度和延展性.
例如, 锈 在钢上降低了其承受紧张的能力，并可能导致过早失败. - 疲劳: 重复的压力vs周期. 应变会导致材料随着时间的推移降解, 即使最大施加的应力低于屈服强度.
这在诸如应用程序中至关重要 航天 和 汽车组件, 材料经历环状载荷的地方. - 辐射: 在核环境中, 辐射可能导致 互惠 在金属和聚合物中, 降低骨折前变形的能力.
杂质和缺陷
存在 杂质 (例如钢中的碳或金属中的硫) 或者 缺陷 (例如裂缝或空隙) 可以大大改变材料对压力的反应:
- 杂质 可以充当材料中的弱点, 集中压力并导致过早失败.
- 缺陷, 特别是内部的, 可以创建 压力集中器 这使材料更容易在负载下骨折.
例如, 金属标本中的小裂缝可以充当 压力提升物,
降低整体材料强度并导致骨折的应力水平低于均匀材料所预测的要低得多.
加载历史记录
这 压力和应变史 对材料的进行的材料在其行为中起着至关重要的作用:
- 受到的材料 循环加载 (重复加载和卸载) 可能会经历 疲劳 并发展 裂缝 随着时间的流逝而传播.
- 经历的材料 预归结 或者 工作硬化 可能表现出改变的应力应变特征, 例如提高屈服强度和延性降低.
例子: 钢铁钢 随着位错积累而变得更强大, 使其对进一步的变形更具抵抗力，但延性较小.
5. 测量和实验技术
准确的测量和理解 压力 vs. 拉紧 行为在材料科学和工程应用中至关重要.
这些属性决定了材料在不同的负载和不同环境条件下的性能.
已经开发了各种实验技术和方法来量化 压力 vs. 拉紧, 使工程师能够设计更安全，更高效的结构和产品.
本节将深入研究最常用的技术, 他们如何工作, 每个人在评估材料的机械性能中的重要性.
5.1 应变测量技术
应变仪
应变仪 是测量应变的最广泛使用的仪器之一. 应变量表很薄, 遭受应力时变形的电阻器设备.
这种变形会导致其电阻变化, 可以测量并与材料所经历的应变量相关.
- 工作原理: 应变仪由连接到柔性背部的细金属或箔纸的网格组成.
当应变量表的材料变形时, 网格变形, 改变其阻力. 这种变化与材料的应变成正比. - 应变计的类型: 有几种类型, 包括 挫败, 金属丝, 和 半导体应变测量值.
箔类型是最常见的，广泛用于测量工程应用中的应变. - 申请: 应变仪用于材料的应力测试, 结构健康监测, 甚至航空航天和汽车行业都可以评估关键组件的性能.
数字图像相关 (DIC)
数字图像相关 (DIC) 是测量应变的光学方法. 它使用一对高分辨率摄像机在不同变形阶段捕获材料表面的图像.
然后，专业软件跟踪表面模式的变化以测量应变.
- 工作原理: DIC通过应用随机斑点图案来起作用 (经常黑白) 在材料的表面.
随着材料变形, 斑点模式移动，软件将斑点的位置关联到不同图像中以计算位移和应变. - 优势: DIC提供全场应变测量, 使其非常适合分析复杂的材料和变形.
它也可用于测量3D的应变，不需要直接与样品接触. - 申请: 该技术用于研发, 包括在拉伸或压缩载荷下研究材料行为, 疲劳测试, 和断裂力学.
伸展计
一个 延伸计 是用于测量载荷下样品的伸长或收缩的设备.
它由一组位移传感器组成，这些传感器附着在测试样品上，并监视其在测试过程中的长度变化.
- 工作原理: 延长计测量样品上两个点之间的位移, 通常位于仪表长度的中心.
这些点之间的相对位移提供了应变值. - 伸展计的类型: 这些包括 接触式伸展计 (哪个物理触摸标本),
非接触 (光学的) 伸展计, 和 激光伸展计 (哪些使用激光梁测量距离而无需接触样品). - 申请: 延伸计广泛使用 拉伸测试 和 压缩测试, 提供精确的应变测量.
5.2 压力测量技术
负载电池
负载电池 是用于测量力的传感器 (或负载) 应用于标本, 提供直接衡量压力.
这些设备将机械力转换为可以测量和记录的电信号.
- 工作原理: 加载电池通常使用 应变仪 作为感应元素.
当施加负载时, 应变计变形, 这种变形被翻译成电阻变化, 对应于施加的力. - 负载电池的类型: 负载单元的主要类型包括 单点负载单元, S型负载电池, 罐负载电池, 和 梁负载电池.
每种类型都有特定的应用程序，具体取决于测量要求和负载配置. - 申请: 负载电池用于 拉伸测试机, 压力测试, 和 工业称重系统, 提供直接测量力, 可以用来计算压力.
应力浓度测量
应力浓度发生在几何不连续性处 (例如。, 缺口, 孔, 和锋利的角落) 并且通常是材料失败的领域.
这些可以使用 光弹性 或者 有限元分析 (fea).
- 光弹性: 该技术涉及在应力下将偏振光应用于透明材料.
材料显示的条纹表明应力分布, 可以分析以检测应力浓度区域. - 有限元分析 (fea): FEA是一种计算方法，用于模拟负载下材料或结构内的应力分布.
通过建模材料并施加负载, 工程师可以分析行为并确定高应力浓度的领域. - 申请: 应力浓度测量对于 航天, 汽车, 和 土木工程 确保关键组件的安全性和耐用性的行业.
MOHR的圈子进行压力分析
Mohr的圆圈是一种图形方法，用于确定材料中某个点的应力状态, 特别是对于二维应力情况.
它允许工程师计算不同方向的正常和剪切应力, 提供对材料对应用部队的反应的宝贵见解.
- 工作原理: Mohr的圈子使用主要压力 (最大和最小应力) 并在给定点产生一个圆的剪切应力.
圆上的点对应于材料内不同平面的应力. - 申请: MOHR的圆圈用于结构分析, 材料测试, 和失败分析, 特别是当材料经历复杂的加载条件时.
5.3 压力和应变测试结合
通用测试机 (UTM)
一个 通用测试机 是用于测试材料机械性能的必需装置, 包括拉伸, 压缩, 和弯曲测试.
这些机器都测量 压力 vs. 拉紧 在施加武力期间.
- 工作原理: UTM在标本上施加受控力并测量相应的位移或伸长率.
然后，将力和位移数据计算应力与. 拉紧, 产生应力应变曲线. - 申请: UTM广泛用于测试金属, 聚合物, 复合材料, 和其他材料. 他们很关键 材料测试实验室, 质量控制, 和 r&d 在各个行业.
疲劳测试中的应变和应力测量
在 疲劳测试, 材料受到循环负载, 和两个压力与. 需要同时测量应变，以了解材料在重复应力下的行为方式.
旋转弯曲机器 或者 伺服液压测试机 通常用于此目的.
- 工作原理: 当材料被监控时，机器施加了循环载荷 (通过负载电池) 和应变 (通过伸展计或应变计).
由此产生的数据对于预测材料的疲劳寿命和故障模式至关重要. - 申请: 疲劳测试在像这样的行业中至关重要 汽车, 航天, 和 活力 确保要重复加载的组件的可靠性和耐用性.
6. 应力与. 拉紧
了解压力与. 应变对于工程师设计安全至关重要, 高效的, 以及耐用的材料和结构.
关键差异摘要
| 方面 | 压力 | 拉紧 |
|---|---|---|
| 定义 | 每单位区域内力 | 物质变形或位移 |
| 单位 | 帕斯卡尔 (PA), 巨质 (MPA) | 无量纲 (比率) |
| 数量类型 | 张量 (大小和方向) | 标量 (仅大小) |
| 自然 | 由外力引起 | 由应力诱导的变形引起 |
| 物质行为 | 确定材料的阻力 | 测量材料变形 |
| 弹性/塑料 | 可以是弹性的或塑料的 | 可以是弹性的或塑料的 |
| 例子 | 金属棒中的每面积 | 张力下的金属棒的伸长 |
7. 结论
压力和压力是工程和材料科学的基本概念.
了解他们的关系有助于工程师优化材料性能, 提高安全性, 以及抵抗故障的设计结构.
随着测试和计算模拟的进步, 行业可以提高各个部门产品的耐用性和效率.
通过掌握压力应变分析, 专业人士可以在材料选择中做出明智的决定, 结构完整性, 和创新设计, 确保工程应用中的长期可靠性.
