Σε αυτήν την ανάρτηση ιστολογίου, θα εξετάσουμε τις βασικές έννοιες της «καμπύλης μηχανικής τάσης-παραμόρφωσης», τη διαφορά μεταξύ κανονικής τάσης-παραμόρφωσης και πραγματικής τάσης-παραμόρφωσης, καθώς και τις ιδιότητες των υλικών που μπορούν να προσδιοριστούν από την καμπύλη.
Η επιλογή υλικών για την κατασκευή προϊόντων σε βιομηχανικό περιβάλλον απαιτεί γνώσεις μηχανικής. Τι θα συνέβαινε εάν, για παράδειγμα, μια βάση στήριξης που έχει σχεδιαστεί για να συγκρατεί ένα αντικείμενο έσπαγε πολύ εύκολα ή εάν ένα ελατήριο δεν επέστρεφε στο αρχικό του σχήμα μετά από τέντωμα λόγω ανεπαρκούς δύναμης επαναφοράς, αφήνοντάς το μόνιμα παραμορφωμένο; Σε τέτοιες περιπτώσεις, πρέπει να αναλύσουμε αμέσως την αιτία και να βρούμε ένα καλύτερο υλικό. Αυτό μπορεί να αποτραπεί επιλέγοντας υλικά με βάση τη μηχανική τους κατανόηση.
Η πιο θεμελιώδης πτυχή της κατανόησης οποιουδήποτε υλικού από μηχανικής άποψης είναι ο προσδιορισμός της δύναμης που μπορεί να αντέξει. Για να επαληθεύσουμε την ανθεκτικότητα ενός υλικού, μετά την κατασκευή του, διεξάγουμε πειράματα για να ασκήσουμε δύναμη και να προσδιορίσουμε την αντοχή του και στη συνέχεια να απεικονίσουμε τα αποτελέσματα σε ένα γράφημα. Ο πιο απλός τρόπος για να το απεικονίσουμε αυτό είναι μέσω μιας καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης.
Τι είναι η τάση και η παραμόρφωση; Η τάση αναφέρεται στη δύναμη που ασκείται ανά μονάδα επιφάνειας όταν μια δύναμη εφαρμόζεται σε ένα υλικό, ενώ η παραμόρφωση αναφέρεται στην αναλογία «εκτεταμένου μήκους ÷ αρχικού μήκους» όταν ένα υλικό παραμορφώνεται υπό την επίδραση της εφαρμοζόμενης δύναμης. Σε μια καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης, ο άξονας x αντιπροσωπεύει την παραμόρφωση και ο άξονας y αντιπροσωπεύει την τάση. Σχεδιάζοντας αυτό το γράφημα, μπορούμε να προσδιορίσουμε πώς παραμορφώνεται ένα υλικό με βάση τη δύναμη που ασκείται ανά μονάδα επιφάνειας. Ακόμα και για το ίδιο υλικό, δεδομένου ότι χρησιμοποιείται για διάφορους σκοπούς σε διαφορετικά μεγέθη, η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης αντιμετωπίζει την ανάγκη σχεδίασης διαφορετικών γραφημάτων ανάλογα με το μέγεθος του δείγματος υλικού που χρησιμοποιείται σε πειράματα, αναπαριστώντας τον βαθμό παραμόρφωσης με βάση τη δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας.
Υπάρχουν δύο τύποι καμπυλών τάσης-παραμόρφωσης. Αυτές είναι η μηχανική τάση-παραμόρφωση και η πραγματική τάση-παραμόρφωση. Αυτές οι καμπύλες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της τάσης και της παραμόρφωσης, προκειμένου να αναλυθούν δεδομένα που συλλέγονται κατά την εφαρμογή δύναμης σε ένα υλικό για την πρόκληση παραμόρφωσης. Ωστόσο, καθώς το υλικό παραμορφώνεται, η περιοχή στην οποία εφαρμόζεται η δύναμη (η βάση για την τάση) και το αρχικό μήκος (η βάση για την παραμόρφωση) αλλάζουν συνεχώς. Η πραγματική τάση-παραμόρφωση περιλαμβάνει τον συνεχή υπολογισμό αυτών των τιμών, ενώ παράλληλα μετράται με ακρίβεια η συνεχώς μεταβαλλόμενη διατομή και το αρχικό μήκος. Ωστόσο, η διεξαγωγή ενός πειράματος με συνεχή προσδιορισμό αυτών των μεταβαλλόμενων τιμών είναι εξαιρετικά δύσκολη. Επομένως, σε πολλές περιπτώσεις, οι αλλαγές αγνοούνται και η τάση και η παραμόρφωση υπολογίζονται με βάση την αρχική διατομή και το αρχικό μήκος. Αυτό αναφέρεται ως μηχανική τάση-παραμόρφωση.
Το ακόλουθο γράφημα δείχνει μια τυπική μορφή της συμβατικής καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης. Η αρχική μπλε γραμμική τομή αντιπροσωπεύει την περιοχή της ελαστικής παραμόρφωσης. Η ελαστική παραμόρφωση αναφέρεται στην παραμόρφωση κατά την οποία το υλικό επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση μετά την άρση της εφαρμοζόμενης δύναμης. Σε αυτήν την περιοχή, η παραμόρφωση συμβαίνει καθώς εφαρμόζεται δύναμη, αλλά επειδή οι δεσμοί μεταξύ ατόμων ή μορίων στο υλικό παραμένουν άθικτοι, το υλικό επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση όταν αφαιρείται η εφαρμοζόμενη δύναμη. Η καμπύλη τομή που ακολουθεί την μπλε ευθεία γραμμή αντιπροσωπεύει την περιοχή όπου συμβαίνει πλαστική παραμόρφωση. Η πλαστική παραμόρφωση αναφέρεται στην παραμόρφωση κατά την οποία, καθώς εφαρμόζεται δύναμη και συμβαίνει σημαντική παραμόρφωση, οι υπάρχοντες δεσμοί μεταξύ ατόμων σπάνε και σχηματίζονται νέοι δεσμοί, έτσι ώστε ακόμη και αν αφαιρεθεί η δύναμη, το υλικό δεν επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Εάν ασκηθεί δύναμη μέχρι αυτό το σημείο, συμβαίνει τόσο ελαστική όσο και πλαστική παραμόρφωση, και εάν η δύναμη στη συνέχεια αφαιρεθεί, το υλικό θα επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση μόνο στο βαθμό της ελαστικής παραμόρφωσης.
Το γράφημα αυξάνεται εντός της καμπύλης και στη συνέχεια αρχίζει να μειώνεται αφού περάσει από ένα συγκεκριμένο σημείο. Αυτό το σημείο όπου η τάση είναι η υψηλότερη ονομάζεται μέγιστη τάση εφελκυσμού. Αναφέρεται στο σημείο με την υψηλότερη τάση και μόλις ξεπεραστεί αυτό το σημείο, το υλικό υφίσταται μια μη αναστρέψιμη διαδικασία παραμόρφωσης και τελικά σπάει όταν φτάσει στο σημείο που σημειώνεται με ένα "X". (Φανταστείτε να τεντώνετε ένα κομμάτι καραμέλας: η μέση αρχίζει να λεπταίνει πριν σπάσει.) Με άλλα λόγια, η μέγιστη τάση εφελκυσμού αντιπροσωπεύει τη μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό. Επιπλέον, σχεδιάζοντας μια κάθετη γραμμή από το σημείο που σημειώνεται με ένα "X" στον άξονα x και ενσωματώνοντας την περιοχή κάτω από την καμπύλη, μπορούμε να προσδιορίσουμε τη δύναμη που μπορεί να αντέξει το υλικό πριν σπάσει. Αυτό ονομάζεται σκληρότητα. Επιπλέον, εξετάζοντας την τυπική καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης, μπορείτε να εντοπίσετε τις περιοχές ομοιόμορφης παραμόρφωσης και μη ομοιόμορφης παραμόρφωσης (την περιοχή όπου συμβαίνει παραμόρφωση σε ολόκληρο το υλικό και την περιοχή όπου συμβαίνει παραμόρφωση σε συγκεκριμένες περιοχές που υπόκεινται σε υψηλότερη τάση λόγω εγκοπών ή άλλων ελαττωμάτων) και να λάβετε δεδομένα όπως η τάση διαρροής μετατόπισης, η οποία σηματοδοτεί το όριο μεταξύ ελαστικής και πλαστικής παραμόρφωσης.
Αν μπορείτε να κατανοήσετε την καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης, μπορείτε να κατανοήσετε τις βασικές ιδιότητες του υλικού με μια ματιά και, κατά συνέπεια, να ελαχιστοποιήσετε τις δοκιμές και τα λάθη για να επιλέξετε το κατάλληλο υλικό που ταιριάζει στο προϊόν και να το κατασκευάσετε. Για παράδειγμα, ο χαλκός παραμορφώνεται εύκολα ακόμη και υπό μικρές δυνάμεις, αλλά δεν σπάει εύκολα. Επομένως, χρησιμοποιείται σε μέρη όπως τα σύρματα που απαιτούν σημαντική παραμόρφωση, αλλά δεν επηρεάζονται από την αντοχή. Αντίθετα, ο σίδηρος έχει χαμηλότερο ρυθμό παραμόρφωσης από τον χαλκό και δεν σπάει εύκολα, επομένως χρησιμοποιείται ως πλαίσιο για κατασκευές που απαιτούν ισχυρή στήριξη. Όταν ερευνάτε πώς να δημιουργήσετε ένα υλικό με βάση τις απαιτούμενες ιδιότητές του, η χρήση τέτοιων δεδομένων είναι εξαιρετικά χρήσιμη επειδή σας επιτρέπει να εντοπίσετε γρήγορα και εύκολα ποιες πτυχές του υλικού που έχετε δημιουργήσει λείπουν και χρειάζονται βελτίωση.
