Language
Country/Area
No result found
Загадочный танец напряжения и деформации: как материалы деформируются под давлением?
В инженерии и материаловедении кривые зависимости деформации от напряжения играют ключевую роль в понимании поведения материалов. Эта кривая показывает зависимость между напряжением и деформацией, которая получается путем постепенного приложения нагрузки к образцу испытуемого материала и измерения его деформации. Эти кривые не только помогают инженерам прогнозировать эксплуатационные характеристики материала, но и могут выявить многие важные свойства материала, такие как модуль Юнга, предел текучести и предел прочности на растяжение.
Кривые «напряжение-деформация» могут выявить свойства материалов на разных стадиях деформации, что делает их важным инструментом, который нельзя игнорировать в инженерном сообществе.
Определение кривой напряжения и деформации
В общем случае кривая зависимости деформации от напряжения отображает соотношение между напряжением и деформацией при любой форме деформации. Эти соотношения могут быть нормальными, сдвиговыми или их смесью, а также могут быть одноосными, двухосными или многоосными и даже могут меняться с течением времени. Деформация может быть в форме сжатия, растяжения, кручения, вращения и т. д.
Дальнейшие обсуждения будут сосредоточены в первую очередь на взаимосвязи между осевым нормальным напряжением и осевой нормальной деформацией, которая получается в результате испытаний на растяжение. Во многих практических ситуациях различные материалы будут демонстрировать разные кривые зависимости деформации от напряжения, которые отражают уникальное поведение материалов.
Различные стадии кривой напряжения-деформации
Кривую зависимости деформации от напряжения многих материалов можно разделить на несколько различных стадий, каждая из которых демонстрирует различное поведение. Если взять в качестве примера низкоуглеродистую сталь, то ее кривая напряжения-деформации при комнатной температуре показывает следующие основные стадии:
Линейная упругая область
Первая стадия — это линейная упругая область. В этой области напряжение пропорционально деформации, то есть подчиняется закону Хоука, а наклон этой области представляет собой модуль Юнга. Здесь материал подвергается только упругой деформации до тех пор, пока не достигнет точки, где начинается пластическая деформация, а напряжение в этой точке называется пределом текучести.
Зона деформационного упрочнения
Вторая стадия — область деформационного упрочнения. В этой области напряжения постепенно увеличиваются по мере превышения предела текучести до тех пор, пока не будет достигнут так называемый предел прочности на растяжение. Для этой области характерно увеличение напряжения, которое происходит в первую очередь при растяжении материала. Поскольку на этом этапе материал подвергается упрочнению, для преодоления внутреннего сопротивления необходимо прикладывать все большие напряжения.
В процессе деформационного упрочнения пластическая деформация увеличивает плотность дислокаций внутри материала, что оказывает существенное влияние на последующее поведение деформации.
Область шеи
Третья стадия — область шейки. Когда напряжение превышает предел прочности на растяжение, локальное поперечное сечение материала значительно уменьшается, образуя шейку. В этот момент деформация неравномерна, а давление концентрируется в месте сужения, что приводит к более быстрому образованию шейки и, в конечном итоге, к разрушению. Хотя в этот момент растягивающее усилие уменьшается, упрочнение продолжается, и фактическое напряжение продолжает расти.
Конец области сужения представляет собой трещину материала, а удлинение и уменьшение поперечного сечения после трещины можно рассчитать для использования инженерным сообществом при проектировании материалов и производственных процессов.
Классификация материалов
На основании общих характеристик, отображаемых кривой зависимости деформации от напряжения, мы можем условно разделить материалы на две категории: пластичные материалы и хрупкие материалы.
Пластичные материалы
Пластичные материалы, такие как конструкционная сталь и большинство других металлов, обладают свойством текучести при нормальных температурах. Кривые зависимости деформации от напряжения таких материалов обычно содержат четко определенный предел текучести и показывают диапазон деформационного поведения на стадии пластической деформации. Прочность пластичного материала часто связана с площадью под кривой зависимости деформации от напряжения, которая является показателем энергии, поглощаемой материалом перед разрушением.
Хрупкие материалы
Хрупкие материалы, такие как чугун, стекло и некоторые камни, ведут себя совершенно иначе, чем пластичные материалы. У этих материалов часто нет четко определенного предела текучести, и при разрушении скорость деформации остается практически неизменной. Его кривая зависимости деформации от напряжения обычно линейна, и в процессе деформации не происходит существенной пластической деформации.
Характеристикой хрупких материалов является то, что при разрушении они имеют тенденцию восстанавливать свою первоначальную форму, в отличие от разрушения с образованием шейки, характерного для пластичных материалов.
Понимание того, как материал ведет себя под разным давлением, несомненно, имеет решающее значение для проектирования и выбора подходящих материалов. В прикладной инженерии нам необходимо проводить глубокие исследования свойств различных материалов и того, как они ведут себя в различных ситуациях. Задумывались ли вы когда-нибудь о том, какие еще потенциальные факторы, помимо прочности, следует учитывать при выборе материалов?
