Šajā emuāra ierakstā mēs aplūkosim “inženiertehniskās sprieguma-deformācijas līknes” pamatjēdzienus, atšķirību starp normālu sprieguma-deformācijas līkni un patiesu sprieguma-deformācijas līkni, kā arī materiāla īpašības, ko var noteikt no līknes.
Materiālu izvēle produktu ražošanai rūpnieciskā vidē prasa inženierzinātnes. Kas notiktu, ja, piemēram, atbalsta kronšteins, kas paredzēts objekta noturēšanai, pārāk viegli salūztu vai ja atspere pēc stiepšanas neatgūtu sākotnējo formu nepietiekama atjaunojošā spēka dēļ, atstājot to neatgriezeniski deformētu? Šādos gadījumos mums nekavējoties jāanalizē cēlonis un jāatrod labāks materiāls. To var novērst, izvēloties materiālus, pamatojoties uz to mehānisko izpratni.
Jebkura materiāla mehāniskās izpratnes vissvarīgākais aspekts ir noteikt, cik lielu spēku tas var izturēt. Lai pārbaudītu materiāla izturību, pēc materiāla izgatavošanas mēs veicam eksperimentus, lai pielietotu spēku un noteiktu, cik lielu spēku tas var izturēt, un pēc tam attēlojam rezultātus grafikā. Vienkāršākais veids, kā to vizualizēt, ir sprieguma-deformācijas līkne.
Kas ir spriegums un deformācija? Spriegums attiecas uz spēku, kas pielikts uz laukuma vienību, kad materiālam tiek pielikts spēks, savukārt deformācija attiecas uz attiecību "pagarinātais garums ÷ sākotnējais garums", kad materiāls deformējas pieliktā spēka ietekmē. Sprieguma-deformācijas līknē x ass attēlo deformāciju, bet y ass – spriegumu. Uzzīmējot šo grafiku, mēs varam noteikt, kā materiāls deformējas, pamatojoties uz spēku, kas pielikts uz laukuma vienību. Pat vienam un tam pašam materiālam, tā kā tas tiek izmantots dažādiem mērķiem dažādos izmēros, sprieguma-deformācijas līkne risina nepieciešamību uzzīmēt dažādus grafikus atkarībā no eksperimentos izmantotā materiāla parauga lieluma, attēlojot deformācijas pakāpi, pamatojoties uz spēku uz laukuma vienību.
Pastāv divu veidu sprieguma-deformācijas līknes. Tās ir inženiersprieguma-deformācijas līknes un patiesā sprieguma-deformācijas līknes. Šīs līknes tiek izmantotas, lai aprēķinātu spriegumu un deformāciju, lai analizētu datus, kas iegūti, pieliekot materiālam spēku deformācijas izraisīšanai. Tomēr, materiālam deformējoties, laukums, kurā tiek pielikts spēks (sprieguma pamats), un sākotnējais garums (deformācijas pamats) nepārtraukti mainās. Patiesā sprieguma-deformācijas līkne ietver šo vērtību nepārtrauktu aprēķināšanu, vienlaikus precīzi mērot pastāvīgi mainīgo šķērsgriezuma laukumu un sākotnējo garumu. Tomēr eksperimenta veikšana, nepārtraukti nosakot šīs mainīgās vērtības, ir ārkārtīgi sarežģīta. Tāpēc daudzos gadījumos izmaiņas tiek ignorētas, un spriegums un deformācija tiek aprēķināti, pamatojoties uz sākotnējo šķērsgriezuma laukumu un sākotnējo garumu; to sauc par inženiersprieguma-deformācijas līkni.
Šajā grafikā parādīta tipiska parastās sprieguma-deformācijas līknes forma. Sākotnējā zilā lineārā daļa attēlo elastīgās deformācijas apgabalu. Elastīgā deformācija attiecas uz deformāciju, kurā materiāls atgriežas sākotnējā stāvoklī pēc pieliktā spēka noņemšanas. Šajā apgabalā deformācija notiek, pieliekot spēku, bet, tā kā saites starp materiāla atomiem vai molekulām paliek neskartas, materiāls atgriežas sākotnējā stāvoklī, kad pieliktais spēks tiek noņemts. Izliektā daļa, kas seko zilajai taisnei, attēlo apgabalu, kurā notiek plastiskā deformācija. Plastiskā deformācija attiecas uz deformāciju, kurā, pieliekot spēku un notiekot ievērojamai deformācijai, esošās saites starp atomiem tiek pārrautas un veidojas jaunas saites, tāpēc pat tad, ja spēks tiek noņemts, materiāls neatgriežas sākotnējā stāvoklī. Ja spēks tiek pielikts līdz šim punktam, notiek gan elastīgā, gan plastiskā deformācija, un, ja spēks pēc tam tiek noņemts, materiāls atgriezīsies sākotnējā stāvoklī tikai elastīgās deformācijas apmērā.
Grafika līknes iekšpusē palielinās un pēc tam sāk samazināties, pārsniedzot noteiktu punktu; šo punktu, kurā spriegums ir vislielākais, sauc par galīgo stiepes spriegumu. Tas attiecas uz punktu ar vislielāko spriegumu, un, tiklīdz šis punkts tiek pārsniegts, materiāls piedzīvo neatgriezenisku deformācijas procesu un galu galā salūzt, sasniedzot punktu, kas apzīmēts ar “X”. (Iedomājieties, ka stiepjat tafijas gabalu: vidus sāk kļūt plānāks, pirms tas pārtrūkst.) Citiem vārdiem sakot, galīgais stiepes spriegums ir maksimālais spriegums, ko materiāls var izturēt. Turklāt, novelkot perpendikulāru līniju no punkta, kas apzīmēts ar “X”, uz x asi un integrējot laukumu zem līknes, mēs varam noteikt spēku, ko materiāls var izturēt pirms salūzšanas. To sauc par izturību. Turklāt, pārbaudot standarta sprieguma-deformācijas līkni, var noteikt vienmērīgas deformācijas un nevienmērīgas deformācijas reģionus (reģionu, kurā deformācija notiek visā materiālā, un reģionu, kurā deformācija notiek noteiktās vietās, kas pakļautas lielākam spriegumam iegriezumu vai citu defektu dēļ), un iegūt datus, piemēram, nobīdes tecēšanas spriegumu, kas iezīmē robežu starp elastīgo un plastisko deformāciju.
Ja izprotat sprieguma-deformācijas līkni, varat uzreiz aptvert materiāla pamatīpašības un attiecīgi samazināt izmēģinājumu un kļūdu skaitu, lai izvēlētos pareizo materiālu, kas piemērots produktam un tā ražošanai. Piemēram, varš viegli deformējas pat nelielu spēku ietekmē, bet viegli nelūst; tāpēc to izmanto tādās detaļās kā stieples, kurām nepieciešama ievērojama deformācija, bet kuras neietekmē izturība. Turpretī dzelzs deformācijas ātrums ir zemāks nekā varam un viegli nelūst, tāpēc to izmanto kā karkasu konstrukcijām, kurām nepieciešams spēcīgs atbalsts. Pētot, kā izveidot materiālu, pamatojoties uz tā nepieciešamajām īpašībām, šādu datu izmantošana ir ārkārtīgi noderīga, jo tā ļauj ātri un vienkārši noteikt, kuriem izveidotā materiāla aspektiem trūkst un ir nepieciešami uzlabojumi.
