W tym wpisie na blogu przyjrzymy się podstawowym koncepcjom „inżynierskiej krzywej naprężenie-odkształcenie”, różnicy między normalnym naprężeniem-odkształceniem a rzeczywistym naprężeniem-odkształceniem, a także właściwościom materiałów, które można określić na podstawie tej krzywej.
Wybór materiałów do produkcji wyrobów w warunkach przemysłowych wymaga wiedzy inżynierskiej. Co by się stało, gdyby na przykład wspornik zaprojektowany do podtrzymywania przedmiotu pękł zbyt łatwo lub gdyby sprężyna nie powróciła do pierwotnego kształtu po rozciągnięciu z powodu niewystarczającej siły przywracającej, powodując jej trwałe odkształcenie? W takich przypadkach należy natychmiast przeanalizować przyczynę i znaleźć lepszy materiał. Można temu zapobiec, dobierając materiały w oparciu o ich mechaniczne zrozumienie.
Najbardziej fundamentalnym aspektem zrozumienia mechaniki dowolnego materiału jest określenie, jaką siłę jest on w stanie wytrzymać. Aby zweryfikować trwałość materiału, po jego wyprodukowaniu przeprowadzamy eksperymenty z zastosowaniem siły i określamy jej wytrzymałość, a następnie przedstawiamy wyniki na wykresie. Najprostszym sposobem na wizualizację tego jest wykres naprężenia i odkształcenia.
Czym są naprężenie i odkształcenie? Naprężenie odnosi się do siły przyłożonej na jednostkę powierzchni, gdy siła jest przyłożona do materiału, natomiast odkształcenie odnosi się do stosunku „długości po rozciągnięciu ÷ długości początkowej”, gdy materiał odkształca się pod wpływem przyłożonej siły. Na krzywej naprężenie-odkształcenie oś x przedstawia odkształcenie, a oś y przedstawia naprężenie. Wykreślając ten wykres, możemy określić, jak materiał odkształca się w zależności od siły przyłożonej na jednostkę powierzchni. Nawet w przypadku tego samego materiału, ponieważ jest on wykorzystywany do różnych celów w różnych rozmiarach, krzywa naprężenie-odkształcenie zaspokaja potrzebę tworzenia różnych wykresów w zależności od rozmiaru próbki materiału używanej w eksperymentach, przedstawiając stopień odkształcenia w oparciu o siłę na jednostkę powierzchni.
Istnieją dwa rodzaje krzywych naprężenie-odkształcenie: inżynierskie naprężenie-odkształcenie i rzeczywiste naprężenie-odkształcenie. Krzywe te służą do obliczania naprężenia i odkształcenia w celu analizy danych zebranych podczas przykładania siły do materiału w celu wywołania odkształcenia. Jednak wraz z odkształcaniem się materiału, powierzchnia, na którą przyłożona jest siła (podstawa naprężenia) oraz pierwotna długość (podstawa odkształcenia) stale się zmieniają. Rzeczywiste naprężenie-odkształcenie wymaga ciągłego obliczania tych wartości, przy jednoczesnym dokładnym pomiarze stale zmieniającego się pola przekroju poprzecznego i pierwotnej długości. Jednak przeprowadzenie eksperymentu przy ciągłym określaniu tych zmieniających się wartości jest niezwykle trudne. Dlatego w wielu przypadkach zmiany są ignorowane, a naprężenie i odkształcenie obliczane są na podstawie początkowego pola przekroju poprzecznego i pierwotnej długości; jest to określane jako inżynierskie naprężenie-odkształcenie.
Poniższy wykres przedstawia typową postać konwencjonalnej krzywej naprężenie-odkształcenie. Początkowy niebieski odcinek liniowy reprezentuje obszar odkształcenia sprężystego. Odkształcenie sprężyste odnosi się do odkształcenia, w którym materiał powraca do stanu pierwotnego po usunięciu przyłożonej siły. W tym obszarze odkształcenie następuje pod wpływem siły, ale ponieważ wiązania między atomami lub cząsteczkami w materiale pozostają nienaruszone, materiał powraca do stanu pierwotnego po usunięciu przyłożonej siły. Zakrzywiony odcinek, który podąża za niebieską linią prostą, reprezentuje obszar, w którym występuje odkształcenie plastyczne. Odkształcenie plastyczne odnosi się do odkształcenia, w którym pod wpływem przyłożonej siły i znacznego odkształcenia istniejące wiązania między atomami ulegają zerwaniu, a powstają nowe wiązania, tak że nawet po usunięciu siły materiał nie powraca do stanu początkowego. Jeśli siła zostanie przyłożona do tego punktu, wystąpi zarówno odkształcenie sprężyste, jak i plastyczne, a jeśli siła zostanie następnie usunięta, materiał powróci do stanu pierwotnego tylko w zakresie odkształcenia sprężystego.
Wykres rośnie w obrębie krzywej, a następnie zaczyna maleć po przekroczeniu pewnego punktu; punkt, w którym naprężenie jest najwyższe, nazywa się naprężeniem rozciągającym o wartości granicznej. Odnosi się ono do punktu o najwyższym naprężeniu, a po jego przekroczeniu materiał ulega nieodwracalnemu odkształceniu i ostatecznie pęka, gdy osiąga punkt oznaczony „X”. (Wyobraź sobie rozciąganie kawałka toffi: środek zaczyna się przerzedzać, zanim pęknie). Innymi słowy, naprężenie rozciągające o wartości granicznej reprezentuje maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać. Ponadto, rysując linię prostopadłą od punktu oznaczonego „X” do osi x i całkując pole pod krzywą, możemy określić siłę, jaką materiał może wytrzymać przed pęknięciem. Nazywa się to wytrzymałością. Ponadto, analizując standardową krzywą naprężenie-odkształcenie, można zidentyfikować obszary równomiernego odkształcenia i odkształcenia nierównomiernego (obszar, w którym odkształcenie występuje w całym materiale oraz obszar, w którym odkształcenie występuje w określonych miejscach poddanych większemu naprężeniu z powodu karbów lub innych defektów) oraz uzyskać dane, takie jak przesunięte naprężenie graniczne, które wyznacza granicę między odkształceniem sprężystym a plastycznym.
Jeśli rozumiesz krzywą naprężenie-odkształcenie, możesz na pierwszy rzut oka zrozumieć podstawowe właściwości materiału i dzięki temu zminimalizować konieczność prób i błędów, aby wybrać odpowiedni materiał do produktu i go wyprodukować. Na przykład miedź łatwo odkształca się nawet pod wpływem niewielkich sił, ale nie pęka łatwo; dlatego jest stosowana w elementach takich jak przewody, które wymagają znacznego odkształcenia, ale nie są narażone na utratę wytrzymałości. Z kolei żelazo ma niższą prędkość odkształcania niż miedź i nie pęka łatwo, dlatego jest wykorzystywane jako szkielet konstrukcji wymagających mocnego podparcia. Podczas badania, jak stworzyć materiał w oparciu o jego wymagane właściwości, wykorzystanie takich danych jest niezwykle pomocne, ponieważ pozwala szybko i łatwo zidentyfikować, które aspekty stworzonego materiału są niewystarczające i wymagają poprawy.
