Расшифровка кривой напряжения-деформации:важные сведения для инженерии материалов

Не зная, как материал реагирует на растяжение или сколько его может потребоваться, ваши инженерные изделия и конструкции могут выйти из строя, и вы будете чесать затылок. Отличный способ избежать этого — использовать график кривой напряжения-деформации, который наглядно объясняет качества материала и то, как он будет реагировать на различные стрессоры. В этой статье мы объясним, как именно работает график и как его прочитать.

Что такое стресс?

Существует много типов напряжения, но когда дело доходит до того типа, над которым работают инженеры, самым простым определением является количество силы, прикладываемой к площади поперечного сечения. Знание этого дает вам понимание того, сколько материала может выдержать, прежде чем он сломается или сломается. Формулу для расчета можно увидеть ниже:

1. 𝜎 =стресс
2. F =приложенная сила
3. A =площадь поперечного сечения

Подробнее читайте в нашей статье о стрессе.

Что такое штамм?

Хотя о напряжении и деформации часто говорят вместе, последняя представляет собой деформацию, которую испытывает материал по сравнению с его первоначальными размерами. Это еще одна вычисляемая точка отсчета, которая необходима инженерам, чтобы лучше узнать материал и получить лучшее представление о том, когда конструкция или предмет, изготовленный из определенного материала, сломается. Деформация — это пример безразмерной величины (поскольку оба числа в формуле являются длинами), и формула выглядит следующим образом:

1. ε =деформация
2. Lf =конечная длина после деформации 
3. L0 =исходная или начальная длина

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по Strain.

Что такое кривая напряжение-деформация?

Теперь мы рассмотрим измерение кривой растяжения и деформации и какую информацию можно из нее извлечь. Сегодня в производстве имеется множество машин, которые выполняют все измерения за вас. Эти кривые обычно создаются с помощью современной машины для испытаний на растяжение, и указанные графики стандартизируются в ASTM International по нескольким категориям:E8 для металлов и D638 для пластмасс. Вы можете ожидать, что тесты и измерения создадут эту кривую примерно так:

• Вы или оператор подберете или создадите тестовый материал нужных размеров.
• Затем вы закрепите или прикрепите испытуемый материал к зажимам испытательной машины.
• Затем машина приложит к материалу растягивающую нагрузку и будет увеличивать эту нагрузку до тех пор, пока материал не сломается.
• Как только это произойдет, машина зафиксирует значения напряжения и деформации на основе этих показаний.

Почему важны кривые напряжение-деформация?

Кривая напряжения-деформации важна, поскольку позволяет инженерам быстро определить некоторые из наиболее важных и фундаментальных механических свойств любого материала. Одно испытание на растяжение может дать график зависимости напряжения от деформации, который затем позволяет получить следующие свойства материала:

1. Модуль Юнга
2. Предел текучести
3. Предельная прочность на разрыв.
4. Пластичность
5. Коэффициент Пуассона

Как генерируются кривые «напряжение-деформация»?

Кривые напряжения-деформации автоматически генерируются современными машинами для испытаний на растяжение. Эти машины постоянно контролируют и записывают силу, приложенную к испытуемому образцу, а также величину деформации, которую он испытывает в результате этой нагрузки. Наиболее часто используемые методы испытаний на растяжение и создания стандартизированных кривых напряжения-деформации — это методы, выпущенные ASTM International. ASTM E8 стандартизирует испытания на растяжение металлических материалов, а ASTM D638 стандартизирует испытания на растяжение пластиковых материалов. Шаги по созданию кривой растяжения-деформации описаны в списке ниже:

1. Подготовьте испытательный образец необходимых размеров.
2. Установите испытуемый образец в зажимы машины для испытания на растяжение.
3. Прикладывать к образцу постоянно возрастающую растягивающую нагрузку, пока он не сломается.
4. Машина для испытания на растяжение регистрирует напряжение и деформацию, испытываемые испытуемым образцом, на основе показаний силы, приложенной датчиком нагрузки, и смещения губок, удерживающих испытуемый образец.

Каковы различные способы измерения стресса и напряжения?

На кривой напряжение-деформация можно встретить два типа:инженерное напряжение и деформация и истинное напряжение и деформация. 

1. Инженерное напряжение и напряжение

Первый тип (инженерный) также называется номинальным напряжением и деформацией и рассчитывается без учета очень мелких деталей пластической деформации. Это простой способ получить значения с помощью стандартного испытания на растяжение и понять характеристики материала. Формула инженерного напряжения выглядит следующим образом:

2. Настоящий стресс и напряжение

Это фактическое значение напряжения и деформации, которое вы получаете, если принять во внимание пластическую деформацию. Выполнение расчетов для этого конкретного типа напряжения и деформации отлично подходит для изучения механических свойств материала, и для их определения вам необходимо использовать экспериментальные данные о мгновенной расчетной длине, площади поперечного сечения и приложенной нагрузке. Формула определения истинного стресса выглядит так:

Каковы этапы кривой напряжения-деформации?

Диаграмма напряжения-деформации имеет три стадии. На первом этапе материал испытывает только упругую деформацию. Когда приложенное напряжение снимается, материал возвращается к своим первоначальным размерам. 

На втором этапе происходит равномерная пластическая деформация. Этот этап начинается с предела текучести и продолжается до тех пор, пока материал может продолжать укрепляться за счет деформационного упрочнения (тот же процесс, который происходит при холодной штамповке) с каждым новым увеличением приложенной нагрузки. Со временем способность материала к устойчивой пластической деформации исчерпывается. Величина пластической деформации, которую можно допустить на этом этапе, многое говорит нам об относительной хрупкости или пластичности материала.

Заключительный этап испытания на растяжение называется «суживанием». Эта стадия наступает после того, как достигнуто предельное растягивающее напряжение материала, и дальнейшее деформационное упрочнение невозможно. Вместо продолжающейся стабильной деформации где-то в поперечном сечении испытуемого образца образуется область локализованной деформации. Чрезмерные растягивающие напряжения уменьшают размеры материала, перпендикулярные приложенной силе, что приводит к значительному уменьшению площади. Благодаря этому материал имеет форму «шеи». Как только начинается образование шейки, инженерное напряжение материала уменьшается, в то время как истинное напряжение продолжает увеличиваться.  Материал разрушается вскоре после начала образования шейки.

Как читать график «напряжение-деформация»?

Вот краткое руководство по чтению одного из этих графиков:

1. Выберите значение напряжения по оси Y.
2. Нарисуйте горизонтальную линию от оси Y до пересечения с линией кривой растяжения-деформации. Поставьте точку на этом пункте. 
3. Нарисуйте вертикальную линию от точки пересечения до оси X. Вместе эти линии должны образовывать угол 90 градусов.
4. Значение напряжения, выбранное вами на первом этапе, показывает напряжение, соответствующее деформации (или деформации), которая происходит с материалом в этой точке. 

Каковы различные области графика кривой напряжения-деформации?

Когда у вас есть график, показывающий кривую напряжения-деформации, стоит понять области, стадии и информацию, которую вы можете проанализировать на его основе. Три стадии:упругая деформация, равномерная деформация и образование шейки. Упругая деформация — это когда материал испытывает напряжение, но все же может вернуться к своим первоначальным размерам. Равномерная деформация происходит до тех пор, пока материал может выдерживать упрочнение за счет деформационного упрочнения, что является проявлением его хрупкости или пластичности. Образование шейки – это когда достигнут предел прочности на разрыв и деформационное упрочнение больше невозможно. Локальная деформация возникает где-то в поперечном сечении материала, его размеры уменьшаются, а напряжение увеличивается, а затем точка невозврата проходит, и он деформируется или разрушается навсегда.

Теперь, когда вы знаете этапы, вы можете разобраться в регионах и выделить на графике пять наиболее важных точек, которые мы кратко описали ниже:

1. Пропорциональный предел

Конечная точка линейного участка кривой растяжения-деформации, из которой можно получить модуль Юнга путем расчета наклона.

Подробнее читайте в нашей статье о пропорциональном пределе.

2. Эластичный лимит

Конечная точка упругой деформации, которую затем сменяет пластическая деформация (ее трудно отличить от предела упругости при измерении металлов).

Подробнее читайте в нашей статье о пределе эластичности.

3. Точка доходности

То же, что и предел упругости, но поддающийся вычислению, что гораздо более надежно для инженеров. Чтобы это решить, сместите линейную часть кривой на +0,2% вдоль горизонтальной оси. Затем вы находите точку пересечения линии смещения и исходной кривой растяжения-деформации и получаете предел текучести. 

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по пределу текучести.

4. Точка предельного стресса

Наибольшее напряжение на кривой растяжения, после которого начинается образование шейки. Также важно отметить, что, хотя это самая высокая точка на графике, на самом деле самая высокая точка приходится на момент разрушения материала. 

5. Перелом или переломный момент

Как следует из названия, это точка на кривой, в которой ваш материал деформировался настолько сильно, что в конце концов сломался или раскололся.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашим полным руководством по перелому или точке разрушения.

Как строится кривая напряжение-деформация?

Кривую растяжения строят путем проведения испытания на растяжение на универсальной испытательной машине. Испытательная машина автоматически собирает данные для построения кривой растяжения-деформации по мере увеличения нагрузки и деформации образца. 

Как используются кривые «напряжение-деформация»?

График «напряжение-деформация» используется для определения различных механических свойств материала, включая модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел текучести и предел прочности при растяжении. Эти свойства помогают инженерам выбирать материалы для применений, где несущая способность имеет решающее значение.

Что такое кривая растяжения-деформации пластичного материала? 

Кривая инженерной деформации для пластичного материала характеризуется возрастающей прямой линией до достижения предела текучести. После предела текучести функция напряжения и деформации возрастает нелинейно и достигает максимума при достижении предела прочности на разрыв. После этого инженерное напряжение нелинейно уменьшается по мере того, как деформация продолжает увеличиваться. В конце концов, когда деформация материала становится настолько большой, материал разрушается.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по пластичности.

Что такое кривая растяжения-деформации хрупкого материала?

Кривая растяжения хрупкого материала представляет собой круто наклоненную линию, которая показывает, что напряжение быстро увеличивается при небольшой деформации. В отличие от пластичных материалов, кривая растяжения хрупкого материала демонстрирует небольшую пластическую деформацию после достижения предела текучести (предела текучести). Материал разрушается вскоре после достижения предела текучести. 

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по хрупкости.

В чем разница между инженерным напряжением-деформацией и настоящим напряжением-деформацией?

Различия между инженерным напряжением-деформацией и истинным напряжением-деформацией перечислены ниже: 

1. Техническое напряжение-деформация не учитывает деформацию материала, в отличие от истинного напряжения-деформации.
2. Инженерная деформация — это отношение изменения длины к исходной длине, тогда как истинная деформация — это натуральный логарифм мгновенной длины по отношению к исходной длине.
3. Инженерное напряжение-деформация идеально подходит для определения характеристик материала, а истинное напряжение-деформация идеально подходит для определения свойств материала.

В чем разница между стрессом и напряжением?

Различия между стрессом и деформацией перечислены ниже:

1. Напряжение — это сила, приходящаяся на единицу площади, а деформация — это изменение длины измерения по сравнению с исходной длиной измерения.
2. Напряжение измеряется в Па или фунтах на квадратный дюйм, а напряжение не имеет единиц измерения.
3. Символ стресса — 𝛔, а символ напряжения — 𝞊.
4. Стресс необходим, чтобы вызвать напряжение.
5. Напряжение нельзя измерить напрямую, оно рассчитывается с помощью математических соотношений, тогда как деформацию можно измерить напрямую.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по борьбе стресса и напряжения.

Чем может помочь Xometry

Мы в Xometry работаем со многими различными материалами, которые важны для инженеров и производителей, и можем предложить бесплатные расценки на все:от обработки с ЧПУ до 3D-печати и лазерной резки листов.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с более чем 20-летним писательским опытом. Кэт имеет опыт написания статей для различных производственных и технических организаций и любит мир техники. Помимо писательской деятельности, Кэт почти 10 лет работала помощником юриста, семь из которых занималась финансированием судов. Она писала для многих изданий, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет степень бакалавра английской литературы и философии, а также степень магистра писательского мастерства в Кингстонском университете.

Прочтите другие статьи Кэт де Наум



STL против OBJ:понимание ключевых различий в 3D-моделировании STL для 3D-печати:подробное руководство по превращению цифровых чертежей в физические объекты