В тази публикация в блога ще разгледаме основните понятия на „инженерната крива на напрежение-деформация“, разликата между нормално напрежение-деформация и истинско напрежение-деформация, както и свойствата на материала, които могат да бъдат определени от кривата.
Изборът на материали за производство на продукти в промишлена среда изисква инженерни познания. Какво би се случило, ако например опорна скоба, предназначена да държи предмет, се счупи твърде лесно или ако пружина не успее да се върне в първоначалната си форма след разтягане поради недостатъчна възстановителна сила, оставяйки я трайно деформирана? В такива случаи трябва незабавно да анализираме причината и да намерим по-добър материал. Това може да се предотврати чрез избор на материали въз основа на тяхното механично разбиране.
Най-фундаменталният аспект от разбирането на механиката на всеки материал е определянето на силата, която може да издържи. За да проверим издръжливостта на материала, след производството му провеждаме експерименти, за да приложим сила и да определим колко може да издържи, след което резултатите се изобразяват на графика. Най-лесният начин да се визуализира това е чрез крива на напрежение-деформация.
Какво представляват напрежението и деформацията? Напрежението се отнася до силата, приложена на единица площ, когато върху материала се прилага сила, докато деформацията се отнася до съотношението на „удължена дължина ÷ начална дължина“, когато материалът се деформира под въздействието на приложена сила. В кривата на напрежение-деформация, оста x представлява деформацията, а оста y - напрежението. Чрез нанасяне на тази графика можем да определим как се деформира материалът въз основа на приложената сила на единица площ. Дори за един и същ материал, тъй като той се използва за различни цели в различни размери, кривата на напрежение-деформация отговаря на необходимостта от нанасяне на различни графики в зависимост от размера на материалния образец, използван в експериментите, като представя степента на деформация въз основа на силата на единица площ.
Съществуват два вида криви на напрежение-деформация. Това са инженерни криви на напрежение-деформация и истински криви на напрежение-деформация. Тези криви се използват за изчисляване на напрежението и деформацията, за да се анализират данни, събрани при прилагане на сила върху материал, за да се предизвика деформация. Въпреки това, когато материалът се деформира, площта, върху която се прилага силата (основата за напрежението), и първоначалната дължина (основата за деформацията) се променят непрекъснато. Истинското напрежение-деформация включва непрекъснато изчисляване на тези стойности, като същевременно се измерва точно постоянно променящата се площ на напречното сечение и първоначалната дължина. Провеждането на експеримент, докато тези променящи се стойности се определят непрекъснато, обаче е изключително трудно. Следователно, в много случаи промените се игнорират и напрежението и деформацията се изчисляват въз основа на началната площ на напречното сечение и първоначалната дължина; това се нарича инженерно напрежение-деформация.
Следната графика показва типична форма на конвенционалната крива на напрежение-деформация. Първоначалният син линеен участък представлява областта на еластична деформация. Еластичната деформация се отнася до деформация, при която материалът се връща в първоначалното си състояние, след като приложената сила бъде премахната. В тази област деформацията възниква при прилагане на сила, но тъй като връзките между атомите или молекулите в материала остават непокътнати, материалът се връща в първоначалното си състояние, когато приложената сила бъде премахната. Извитият участък, който следва синята права линия, представлява областта, където възниква пластична деформация. Пластичната деформация се отнася до деформация, при която при прилагане на сила и значителна деформация съществуващите връзки между атомите се разкъсват и се образуват нови връзки, така че дори ако силата бъде премахната, материалът не се връща в първоначалното си състояние. Ако силата бъде приложена до тази точка, възниква както еластична, така и пластична деформация, а ако силата впоследствие бъде премахната, материалът ще се върне в първоначалното си състояние само до степента на еластичната деформация.
Графиката се увеличава в рамките на кривата и след това започва да намалява, след като премине определена точка; тази точка, където напрежението е най-високо, се нарича гранично опънно напрежение. Тя се отнася до точката с най-високо напрежение и след като тази точка бъде превишена, материалът претърпява необратим процес на деформация и в крайна сметка се счупва, когато достигне точката, маркирана с „X“. (Представете си, че разтягате парче карамел: средата започва да изтънява, преди да се счупи.) С други думи, граничното опънно напрежение представлява максималното напрежение, което материалът може да издържи. Освен това, като начертаем перпендикулярна линия от точката, маркирана с „X“, към оста x и интегрираме площта под кривата, можем да определим силата, която материалът може да издържи, преди да се счупи. Това се нарича жилавост. В допълнение, чрез изследване на стандартната крива на напрежение-деформация, можете да идентифицирате областите на равномерна деформация и неравномерна деформация (областта, където деформацията се случва в целия материал, и областта, където деформацията се случва в специфични области, подложени на по-високо напрежение поради прорези или други дефекти) и да получите данни като отместеното граница на провлачване, която маркира границата между еластична и пластична деформация.
Ако разбирате кривата на напрежение-деформация, можете да схванете основните свойства на материала с един поглед и съответно да сведете до минимум пробите и грешките, за да изберете правилния материал, подходящ за продукта и производството му. Например, медта се деформира лесно дори при малки сили, но не се чупи лесно; следователно, тя се използва в части като проводници, които изискват значителна деформация, но не се влияят от якостта. За разлика от това, желязото има по-ниска скорост на деформация от медта и не се чупи лесно, така че се използва като рамка за конструкции, които изискват здрава опора. Когато проучвате как да създадете материал въз основа на необходимите му свойства, използването на такива данни е изключително полезно, защото ви позволява бързо и лесно да идентифицирате кои аспекти на създадения от вас материал липсват и се нуждаят от подобрение.
