Расшифровка кривой напряжение-деформация: ключевые инсайты для материаловедения

Не зная, как материал реагирует на натяжение, или сколько его может выдержать, ваши спроектированные продукты и структуры могут сломаться, оставив вас в недоумении. Отличный способ избежать этого — через график кривой напряжение-деформация, дающий визуальное объяснение качеств материала и того, как он отзовется на различные напряжения. Мы объясним, как именно работает график и как вы можете его читать в этой статье.

Что такое напряжение?

Существует много типов напряжения, но когда речь идет о типе, который инженеры работают на открытии, простейшее определение — количество силы, приложенное к поперечному сечению. Знание этого дает понимание того, сколько материал может выдержать перед тем, как он разорвется или сломается. Формула для выяснения этого видна ниже:

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

Подробнее см. в нашей статье по Напряжению.

Что такое деформация?

Хотя напряжение и деформация часто говорят вместе, последняя — деформация, которую материал проходит по сравнению с его исходными размерами. Это еще одна вычисляемая опорная точка, необходимая для помощи инженерам действительно знать материал лучше, и получить лучшее представление о том, когда структура или предмет из конкретного материала сломается. Деформация — пример безразмерной величины (так как оба числа в формуле — длины), и формула выглядит так:

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

Подробнее см. в нашем полном руководстве по Деформации.

Что такое кривая напряжение-деформация?

Теперь мы посмотрим на измерение кривой напряжение-деформация и какие виды информации можно извлечь из нее. В производстве сегодня есть многие машины, которые делают все измерения за вас. Эти кривые обычно создаются современной машиной для растягивания тестов, и сказанные графики стандартизированы через ASTM International под несколькими категориями — E8 для металлов и D638 для пластиков. Вы можете ожидать, что тесты и измерения для создания этой кривой пойдут примерно так:

• Вы или оператор найдете или создадите тестовый материал с правильными размерами.
• Затем вы зажмете или прикрепите тестовый материал к челюстям тестовой машины.
• Машина затем поместит растягивающую нагрузку на материал и увеличит эту нагрузку до тех пор, пока материал не сломается.
• Как только это произойдет, машина запишет значения напряжения и деформации на основе тех показаний.

Почему кривые напряжение-деформация важны?

Кривая напряжение-деформация важна, потому что она позволяет инженерам быстро определить несколько из самых критичных и фундаментальных механических свойств любого материала. Один растягивающий тест может произвести график напряжение-деформация, который затем позволяет получить следующие свойства материала:

1. Модуль Юнга
2. Предел текучести
3. Предел прочности на разрыв
4. Вязкость
5. Коэффициент Пуассона

Как генерируются кривые напряжение-деформация?

Кривые напряжение-деформация генерируются автоматически современными машинами для растягивания тестов. Эти машины непрерывно наблюдают и записывают силу, приложенную к тестовому образцу, и количество деформации, которую он испытывает в результате этой нагрузки. Наиболее часто используемые тестовые методы для растягивания тестов и создания стандартизированных кривых напряжение-деформация — те, изданные ASTM International. ASTM E8 стандартизирует растягивающие тесты для металлических материалов, в то время как ASTM D638 стандартизирует растягивающие тесты для пластиковых материалов. Шаги создания кривой напряжение-деформация описаны в списке ниже:

1. Подготовьте тестовый образец к требуемым размерам.
2. Установите тестовый образец в челюсти растягивающей тестовой машины.
3. Приложите непрерывно увеличивающуюся растягивающую нагрузку к образцу до его разрыва.
4. Растягивающая тестовая машина запишет напряжение и деформацию, испытанные тестовым образцом, основанные на показаниях силы, приложенной датчиком нагрузки, и смещением челюстей, держащих тестовый кусок.

Каковы разные способы измерения напряжения и деформации?

Есть два типа, которые вы найдете на кривой напряжение-деформация: инженерное напряжение и деформация, и истинное напряжение и деформация.

1. Инженерное напряжение и деформация

Первый тип (инженерный) также называется номинальным напряжением и деформацией и рассчитывается без учета очень мелких деталей пластической деформации. Это легкий способ получить значения через стандартный растягивающий тест и понять производительность материала. Формула для инженерного выглядит так:

2. Истинное напряжение и деформация

Это фактическое напряжение и деформация, которые вы получаете, если учитываете пластическую деформацию. Выполнение расчетов для этого конкретного типа напряжения и деформации отлично для изучения механических свойств материала, и для его нахождения вам нужно использовать экспериментальные данные о мгновенной калибровочной длине, поперечном сечении и приложенной нагрузке. Формула для нахождения истинного напряжения выглядит так:

Каковы стадии кривой напряжение-деформация?

Диаграмма напряжение-деформация имеет три стадии. На первой стадии материал испытывает только эластическую деформацию. Когда приложенное напряжение выпускается, материал возвращается к своим исходным размерам.

Равномерная пластическая деформация происходит на второй стадии. Эта стадия начинается в точке текучести и продолжается до тех пор, пока материал может продолжать укрепляться через упрочнение деформацией (тот же процесс, что происходит в холодной формовке) с каждым новым приращением приложенной нагрузки. В конечном счете, способность материала к устойчивой пластической деформации исчерпывается. Количество пластической деформации, которое может быть терпимо в этой фазе, говорит нам много о относительной хрупкости или вязкости материала.

Финальная стадия растягивающего теста называется «сужение». Эта стадия происходит после достижения материала предельной прочности на разрыв, и больше никакое упрочнение деформацией невозможно. Вместо продолжения устойчивой деформации, область локализованной деформации формируется где-то в поперечном сечении тестового образца. Чрезмерные растягивающие напряжения уменьшают размеры материала, перпендикулярные приложенной силе, что вызывает значительное уменьшение площади. Это заставляет материал иметь форму «сужения». Как только сужение начинается, инженерное напряжение материала уменьшается, в то время как истинное напряжение продолжает увеличиваться. Материал разрывается вскоре после начала сужения.

Как читать график напряжение-деформация?

Вот быстрое руководство по чтению одного из этих графиков:

1. Выберите значение напряжения на оси Y.
2. Проведите горизонтальную линию от оси Y до пересечения с линией кривой напряжение-деформация. Сделайте точку на той точке.
3. Проведите вертикальную линию от точки пересечения к оси X. Вместе эти линии должны образовывать 90-градусный угол.
4. Значение напряжения, выбранное в шаге один, показывает напряжение, соответствующее деформации (или деформации), которая случается с материалом в той точке.

Каковы разные области графика кривой напряжение-деформация?

Как только у вас есть график, показывающий кривую напряжение-деформация, стоит понять области, стадии и информацию, которую можно извлечь из нее. Три стадии: эластическая деформация, равномерная деформация и сужение. Эластическая деформация — когда материал испытывает напряжение, но может все еще вернуться к своим исходным размерам. Равномерная деформация происходит до тех пор, пока материал может справляться с укреплением через упрочнение деформацией — что показывает его хрупкость или вязкость. Сужение — когда предельная прочность на разрыв достигнута и упрочнение деформацией больше невозможно. Локализованная деформация появится где-то в поперечном сечении материала, его размеры уменьшаются, пока напряжение увеличивается, и затем оно прошло точку невозврата и деформируется или ломается постоянно.

Теперь, когда вы знаете стадии, вы можете понять области и выделить пять самых важных точек на графике, которые мы кратко описали ниже:

1. Порядок пропорциональности

Конечная точка линейной части на кривой напряжение-деформация, из которой модуль Юнга может быть получен путем расчета наклона.

Подробнее см. в нашей статье по пределу пропорциональности.

2. Эластический предел

Конечная точка для эластической деформации, которая затем захватывается пластической деформацией (трудно отличить ее от эластического предела, когда вы измеряете металлы).

Подробнее см. в нашей статье по эластическому пределу.

3. Точка текучести

То же, что и эластический предел, но вычислимая, поэтому намного более надежна для инженеров. Чтобы выработать ее, сместите линейную часть кривой на +0,2% вдоль горизонтальной оси. Затем найдите точку пересечения между смещенной линией и исходной кривой напряжение-деформация, и у вас есть предел текучести.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по точке текучести.

4. Точка предельного напряжения

Наибольшее количество напряжения на кривой напряжение-деформация, после которого начинается сужение. Также важно отметить, что пока это наивысшее на графике, фактическая наивысшая точка случается именно когда материал ломается.

5. Точка разрыва или поломки

Как говорит ее название, это точка на кривой, где ваш материал деформировался так сильно, что он наконец разорвался или поломался.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по точке разрыва или поломки.

Как делается кривая напряжение-деформация?

Кривая напряжение-деформация делается проведением растягивающего теста с использованием универсальной тестовой машины. Тестовая машина автоматически захватит данные для производства кривой напряжение-деформация по мере увеличения нагрузки и деформации образца.

Как используются кривые напряжение-деформация?

График напряжение-деформация используется для определения различных механических свойств материала, включая эластический модуль, коэффициент Пуассона, предел текучести и предельную прочность на разрыв. Эти свойства помогают инженерам выбирать материалы для приложений, где несущая способность критична.

Какова кривая напряжение-деформация вязкого материала?

Инженерная кривая напряжение-деформация для вязкого материала характеризуется увеличивающейся прямой линией до достижения точки текучести. После точки текучести функция напряжения и деформации увеличивается нелинейно и пикует, когда предельная прочность на разрыв достигнута. После этого инженерное напряжение нелинейно уменьшается, пока деформация продолжает увеличиваться. В конечном счете, как только деформация материала стала такой большой, материал разрывается.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по вязкости.

Какова кривая напряжение-деформация хрупкого материала?

Кривая напряжение-деформация хрупкого материала — крутой наклон линии, показывающей напряжение быстро увеличивающееся с малой деформацией. В отличие от вязких материалов, кривая напряжение-деформация для хрупкого материала показывает мало пластической деформации после достижения напряжения текучести (точки текучести). Материал разрывается вскоре после напряжения текучести.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по хрупкости.

Какая разница между инженерной кривой напряжение-деформация и истинной кривой напряжение-деформация?

Различия между инженерной кривой напряжение-деформация и истинной кривой напряжение-деформация перечислены ниже:

1. Инженерное напряжение-деформация не учитывает деформацию материала, в то время как истинное напряжение-деформация учитывает.
2. Инженерная деформация — отношение изменения длины к исходной длине, в то время как истинная деформация — натуральный логарифм мгновенной длины к исходной длине.
3. Инженерное напряжение-деформация идеально для определения производительности материала, в то время как истинное напряжение-деформация идеально для определения свойств материала.

Какая разница между напряжением и деформацией?

Различия между напряжением и деформацией перечислены ниже:

1. Напряжение — сила на единицу площади, в то время как деформация — вариация в длине измерения над исходной длиной измерения.
2. Напряжение имеет единицы Па или psi, в то время как деформация безразмерна.
3. Символ для напряжения — 𝛔, в то время как символ для деформации — 𝞊.
4. Напряжение требуется для причины деформации.
5. Напряжение не может быть измерено напрямую и рассчитывается через математические отношения, в то время как деформация может быть измерена напрямую.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по напряжение против деформации.

Как Xometry может помочь

Мы в Xometry работаем с многими разными материалами, важными для инженеров и производителей, и можем предложить бесплатные котировки для всего: от ЧПУ обработки до 3D-печати до лазерной резки листов.

Отказ от ответственности

Контент на этой странице предназначен только для информационных целей. Xometry не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, касательно точности, полноты или достоверности информации. Никакие параметры производительности, геометрические допуски, специфические конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны трактоваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, запрашивающие котировки для деталей, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Обратитесь к нашим условиям для получения дополнительной информации.

Кат де Наум

Кат де Наум — писатель, автор, редактор и контент-специалист из Великобритании с 20+ лет опытом письма. Кат имеет опыт письма для разнообразных производственных и технических организаций и любит мир инженерии. Наряду с письмом, Кат была паралигалом почти 10 лет, семь из которых в судоходном финансировании. Она писала для многих публикаций, как печатных, так и онлайн. Кат имеет BA в английской литературе и философии, и MA в творческом письме из Кингстон Университета.

Читайте больше статей Кат де Наум