Что такое напряжение материалов?

Анализ напряжения является важным инструментом для понимания поведения и характеристик материалов и конструкций при различных условиях нагрузки.

Он имеет широкий спектр практических применений, включая проектирование и анализ конструкций, таких как здания, мосты, автомобили и машины.

По сути, анализ напряжения играет решающую роль в каждой части, которая находится под значительным эксплуатационным стрессом.

Оценивая распределение напряжения в материале, инженеры могут принимать обоснованные решения о выборе материала и конструкции, чтобы убедиться, что конструкция безопасна, надежна и работает оптимально.

Анализ напряжений также проводится для оценки механических свойств материалов, прогнозирования выхода из строя при различных условиях нагрузки и улучшения производственных процессов путем определения концентрации напряжений, которые могут привести к дефектам или отказам.

Как правило, это результат неправильного выбора конструкции. Материал также может быть источником концентрации напряжений, если он имеет неожиданные включения, подвергся локальной коррозии, такой как щелевая коррозия, или имеет неправильную микроструктуру.

Анализируя уровни напряжения и внося соответствующие изменения в конструкцию, инженеры могут оптимизировать производственный процесс и повысить качество и надежность готового продукта.

Как измеряется напряжение в механике?

К сожалению, нет возможности измерить стресс напрямую. Вместо этого мы должны измерять как приложенные силы, так и результирующие деформации.

При этом необходимо иметь представление о связи между приложенными силами (напряжениями) и возникающими при этом деформациями (деформациями).

Анализ напряжения — это способ оценить влияние различных сил на объект, и его можно выполнять по-разному.

Этот необходимый вклад в процесс проектирования обычно достигается за счет некоторой комбинации аналитического математического моделирования, вычислительного моделирования и испытаний материалов и компонентов или конструкций.

Выбор метода/прибора зависит от тестируемого материала, типа измеряемой нагрузки и требуемого уровня точности.

Почему необходимо измерять напряжение материалов?

Очень важно измерить способность материалов выдерживать приложенное напряжение, потому что у каждого материала есть максимальный уровень напряжения, выше которого материал разрушится. Это называется его пределом прочности, который также известен как предел прочности.

Не следует путать с пределом текучести материала, который представляет собой уровень напряжения, при котором материал начинает пластически деформироваться (т. е. он больше не возвращается к своей первоначальной форме после снятия напряжения).

Другими словами, это уровень напряжения, при котором материал подвергается значительной и необратимой деформации. Предел текучести обычно определяется кривой напряжения-деформации материала, которая показывает, как материал реагирует на напряжение при возрастающей деформации.

Важно знать, каковы эти значения, чтобы гарантировать, что напряжение от внешней нагрузки никогда не превысит предел текучести материала.

Каковы причины напряжения в материалах?

Существуют различные причины напряжения в материалах, в том числе:

1. Внешние силы или нагрузки: Приложенные нагрузки вызывают напряжения в материалах. При уровнях напряжения вплоть до предела текучести материала связи между атомами растягиваются, но не разрываются. Если напряжение снимается, материал возвращается к своей первоначальной форме. В этой области упругого поведения зависимость между напряжением и деформацией является линейной. Приложенные извне напряжения, которые превышают предел текучести материала, вызывают однородную пластическую деформацию и деформационное упрочнение пластичного материала. Если нагрузка слишком велика, будет развиваться локальная область большей пластической деформации («шейка»), и деталь или конструкция неизбежно полностью выйдет из строя.
2. Изменения температуры: изменения температуры могут вызвать напряжение в материалах, если одна часть материала может свободно расширяться или сжиматься в ответ на изменение температуры, а другая его часть ограничена в движении. Ограниченное тепловое расширение/сжатие является распространенной причиной остаточных напряжений, коробления и потенциального растрескивания, особенно при быстром изменении температуры.
3. Изменения влажности или влагосодержания. Материалы, чувствительные к влаге, такие как дерево или бумага, могут подвергаться стрессу, если они слишком быстро впитывают или выделяют влагу. Это может привести к набуханию или усадке материала, что приведет к деформации или поломке.
4. Воздействие коррозионной или агрессивной среды: Это может вызвать напряжение в материалах, особенно если материал не устойчив к конкретной среде. Коррозия может уменьшить площадь поперечного сечения детали, и, поскольку напряжение равно силе, деленной на площадь, если площадь меньше, напряжение возрастает. Это прямое воздействие коррозии, приводящее к повышенному напряжению от той же приложенной нагрузки. Коррозия также может образовывать продукты коррозии в щелях. Стрессовая и щелевая коррозия являются локальными механизмами коррозии. Оба они ослабляют материал, эффективно снижая несущую способность, увеличивая концентрацию напряжений или увеличивая скорость роста трещин.

Эффекты напряжения в материалах

Напряжения в материалах могут иметь различные эффекты в зависимости от типа, величины и продолжительности напряжения. Некоторые общие эффекты нагрузки на материалы включают в себя:

1. Когда материал подвергается напряжению, он может подвергаться деформации, которая может быть как упругой, так и пластической. Упругая деформация обратима и исчезает при снятии напряжения, тогда как пластическая деформация необратима и может привести к остаточной деформации или разрушению материала.
2. Напряжение может привести к изменению размеров материала, что может привести к деформации или деформации материала.
3. Напряжение также может изменить механические свойства материала, такие как его прочность, жесткость и ударная вязкость.
4. Высокое напряжение может инициировать трещины в материале, которые могут распространяться и в конечном итоге приводить к разрушению. Это особенно важно для материалов, подверженных циклическим нагрузкам или усталости, поскольку повторяющиеся циклы напряжения могут вызвать рост трещин и, в конечном итоге, привести к разрушению.
5. Наиболее серьезное воздействие, которое напряжение может оказать на материалы, — это разрушение, которое может произойти внезапно.

Формула напряжения материалов

Основная формула напряжения выглядит следующим образом:

σ = F / А

Где:

• σ — напряжение, единицы Па или psi
• F — приложенная сила
• А – площадь поперечного сечения материала.

Эта формула может изменяться для различных типов напряжений.

Как рассчитать напряжение?

Напряжение можно рассчитать, разделив приложенную силу на площадь поперечного сечения материала, находящегося под напряжением. Это приводит к количеству, выраженному в единицах силы на единицу площади, таких как фунты на квадратный дюйм или Па.

Эта формула может меняться для разных типов напряжения: истинного напряжения и инженерного напряжения.

Истинное напряжение — это отношение приложенной нагрузки к фактической площади поперечного сечения материала в любой момент времени, тогда как инженерное напряжение — это отношение приложенной нагрузки к исходной площади поперечного сечения материала.

В целом инженерное напряжение легче измерить и рассчитать, чем истинное напряжение, и оно часто используется в инженерных приложениях. Однако истинное напряжение является более точным и учитывает фактическую деформацию, которой подвергается материал под нагрузкой.

Различные типы напряжения в механике

Существуют различные типы напряжений, которые могут воздействовать на материал, объект или конструкцию. Эти напряжения перечислены и обсуждаются в следующих разделах.

Напряжение сдвига

Напряжение сдвига или касательное напряжение — это напряжение, которое возникает, когда материал подвергается действию противоположных сил, действующих параллельно друг другу, но в противоположных направлениях. Формула для расчета напряжения сдвига задается уравнением:

𝜏 = F/A

Где:

• τ — касательное напряжение
• F — приложенная сила
• А — площадь, к которой приложена сила

Касательное напряжение является тензорной величиной. Это означает, что направление также участвует вместе с величиной.

Растягивающее напряжение

Напряжение растяжения — это мера внутренних сил, действующих на материал, когда он подвергается внешней нагрузке или силе, пытающейся разорвать или удлинить его.

Растягивающее напряжение определяется как величина силы на единицу площади поперечного сечения, которая прикладывается к материалу, чтобы заставить его удлиняться или растягиваться.

Оно рассчитывается путем деления приложенной силы (или нагрузки) на площадь поперечного сечения материала, перпендикулярного направлению нагрузки.

Растягивающее напряжение является важным фактором, который следует учитывать во многих инженерных приложениях, поскольку оно может привести к удлинению материалов или даже разрушению, если напряжение превышает предел текучести или предел прочности материала.

Напряжение при изгибе

Изгибающее напряжение – это напряжение, возникающее в результате приложения изгибающего момента к материалу, вызывающее его деформацию.

Это приводит к развитию комбинации растягивающих и сжимающих напряжений в поперечном сечении материала и создает градиент напряжения, который заставляет материал изгибаться.

Формула напряжения изгиба определяется по формуле:

σb = — (My)/I

Где:

• σb — напряжение изгиба
• М — изгибающий момент
• y — расстояние от нейтральной оси до точки, в которой рассчитывается напряжение.
• I — второй момент площади

Напряжение кручения

Напряжение кручения возникает, когда материал подвергается скручивающей или вращательной силе.

Когда материал подвергается скручиванию, отдельные слои материала деформируются и скручиваются относительно друг друга, что приводит к сдвиговым напряжениям внутри материала.

Формула для расчета напряжения кручения:

τ = Т*r/Дж

Где:

• τ — напряжение кручения
• T — приложенный крутящий момент
• r — радиус материала или расстояние от центральной точки площади поперечного сечения
• J — полярный момент инерции поперечного сечения

Напряжение сжатия

Сжимающее напряжение создается путем приложения к материалу силы, которая действует перпендикулярно площади его поперечного сечения, заставляя материал укорачиваться в направлении действия силы, но обычно утолщается в направлении действия силы. Это может привести к небольшому уменьшению объема материала и увеличению его плотности.

Формула напряжения сжатия:

σс = F / А

Где: 

• σc — сжимающее напряжение
• F — сжимающая сила
• А — площадь поперечного сечения материала

Продольное напряжение

Когда материал подвергается осевой нагрузке, такой как растяжение или сжатие, его длина изменяется вдоль его продольной оси.

Материал либо удлиняется, либо укорачивается в зависимости от направления нагрузки. Это изменение длины приводит к развитию продольных напряжений в материале.

Этот тип напряжения обычно наблюдается в стержнях, которые подвергаются осевым нагрузкам.

Объемное напряжение

Это называется объемным напряжением или объемным напряжением, когда приложенная или деформирующая сила воздействует на объект во всех трех измерениях, изменяя его объем. Это происходит, когда объем тела изменяется в результате деформирующей силы.

Объемное напряжение важно в различных приложениях, например, при анализе жидкостей и твердых тел под давлением, а также при проектировании сосудов высокого давления и гидравлических систем.

Нормальное напряжение

Нормальное напряжение, также известное как осевое напряжение, представляет собой напряжение, возникающее при приложении силы перпендикулярно поверхности объекта.

Это может быть либо сжимающее напряжение, либо растягивающее напряжение, в зависимости от того, какая сила толкает или тянет объект.

Формула нормального напряжения:

σ = F / А

Где:

• σ — нормальное напряжение
• F — приложенная сила
• А — площадь поперечного сечения объекта

Усталостное напряжение

Усталость — это явление, которое возникает в материалах, подвергающихся циклическим нагрузкам и деформациям в местах концентрации высоких напряжений.

Это приводит к процессу прогрессирующей локальной пластической деформации. Этот процесс может в конечном итоге привести к трещинам или полным разрушениям после достаточного количества колебаний.

Другими словами, усталость может привести к разрушению материала из-за многократного приложения напряжения и деформации, даже если максимальный уровень напряжения ниже предела текучести материала.

Усталостное напряжение является распространенной причиной отказа во многих инженерных приложениях, включая аэрокосмическую, автомобильную и конструкционные компоненты.

Примеры материалов, которые используются в технике, и как они справляются со стрессом?

Вот пять примеров материалов, используемых в технике, и то, как они реагируют на нагрузку:

1. Сталь: распространенный материал, используемый в строительстве и машиностроении из-за его высокой прочности и ударной вязкости. Он может хорошо выдерживать напряжения как при растяжении, так и при сжатии, что делает его пригодным для использования в балках, колоннах и других конструктивных элементах.
2. Алюминий: легкий материал, но при этом прочный и устойчивый к коррозии. Он может выдерживать нагрузку как при растяжении, так и при сжатии, что делает его полезным в таких приложениях, как крылья самолетов и автомобильные детали.
3. Бетон: композитный материал, состоящий из цемента, песка и заполнителя. Он прочен на сжатие, но слаб на растяжение, поэтому его часто армируют сталью для повышения прочности на растяжение. Бетон обычно используется в строительстве фундаментов, стен и мостов.
4. Пластмассы: универсальная группа материалов, которым можно придавать различные формы и размеры. Они легкие и обладают хорошей устойчивостью к химическим веществам и коррозии. Различные типы пластмасс могут выдерживать различные виды нагрузки, например, полиэтилен, который хорошо справляется с ударными нагрузками, и поликарбонат, который хорошо справляется с напряжением изгиба.
5. Титан: легкий и прочный материал, устойчивый к коррозии. Он часто используется в аэрокосмической и биомедицинской промышленности из-за его высокого отношения прочности к весу и биосовместимости.

Какие материалы используются в 3D-печати и как они справляются со стрессом?

Вот пять примеров материалов, используемых в 3D-печати, и то, как они реагируют на нагрузку:

1. PLA (полимолочная кислота): PLA — это биоразлагаемый термопластик, изготовленный из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал или сахарный тростник. Он относительно недорог, прост в печати и может работать с приложениями с низким уровнем стресса, такими как прототипирование, фигурки и образовательные модели.
2. АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол): АБС-пластик представляет собой прочный, ударопрочный термопласт, используемый в различных областях, таких как автомобильные детали, игрушки и корпуса электронных устройств. Он может выдерживать умеренные нагрузки, включая удары, сжатие и растяжение.
3. Нейлон. Нейлон — это прочный, долговечный и гибкий термопласт, обычно используемый в приложениях, требующих износостойкости и гибкости, таких как шестерни, шарниры и текстиль. Он может работать с приложениями с высокими нагрузками и имеет высокое отношение прочности к весу.
4. ПЭТ (полиэтилентерефталат): ПЭТ — это широко используемый в 3D-печати термопласт, прочный, легкий и устойчивый к ударам и химическим веществам. Он часто используется в таких приложениях, как бутылки для воды, упаковка и медицинские устройства.
5. TPU (термопластичный полиуретан): TPU — это гибкий и эластичный термопласт, обычно используемый в приложениях, требующих поглощения ударов и вибрации, таких как чехлы для телефонов, обувь и спортивное оборудование. Он может выдерживать нагрузки от низких до умеренных и обладает хорошими свойствами прочности на растяжение и удлинения.

Почему необходимо производить измерения напряжения в материалах?

Некоторые из ключевых преимуществ анализа напряжений в материалах включают:

1. Может предсказать, как материалы будут вести себя при различных условиях нагрузки. Эта информация имеет решающее значение для проектирования материалов и конструкций, которые могут выдерживать силы и нагрузки, которым они подвергаются, сводя к минимуму потенциальные риски.
2. Помогите определить области высокого напряжения, которые могут быть подвержены сбоям, и внесите соответствующие изменения в конструкцию.
3. Оптимизирует свойства материалов, такие как их прочность, пластичность и ударная вязкость, предоставляя средства для сравнения характеристик различных потенциальных составов материалов.
4. Выявляет потенциальные проблемы до их возникновения, что приводит к экономии средств за счет предотвращения сбоев, снижения потребности в ремонте и сведения к минимуму времени простоя.

Хотя анализ напряжений является важным инструментом для понимания поведения материалов и проектирования безопасных и надежных конструкций, его применение имеет несколько ограничений:

1. Часто основывается на упрощенных предположениях о поведении материала и условиях нагрузки, которые могут неточно отражать сложность реальных сценариев. Эти упрощения могут привести к ошибкам и неточностям в прогнозах напряжений.
2. Поведение материалов может значительно различаться из-за таких факторов, как изменчивость производства, условия окружающей среды и старение. Анализ напряжения может не учитывать эти изменения, что приводит к неточным прогнозам поведения материала.
3. Условия нагружения конструкции или компонента могут быть слишком сложными, чтобы их можно было точно предсказать, используя только анализ напряжений. В этих случаях для точного моделирования поведения конструкции может потребоваться анализ методом конечных элементов, который является более развитым типом анализа напряжения.
4. Компания может быть ограничена в ресурсах для анализа, поэтому инженеры должны с осторожностью рассматривать применение наиболее ресурсоемких методов.
5. Разработчики обычно используют коэффициенты безопасности для учета неопределенностей и ограничений анализа напряжений. Однако эти факторы безопасности могут иногда приводить к перепроектированию, что приводит к ненужным затратам или увеличению веса конечной конструкции. Это также может увеличить воздействие на окружающую среду.

Примеры разрушения материалов

1. Разрушение трещины: Разрушение трещины может быть вызвано рядом различных механизмов. Это относится к полному разрушению компонента или конструкции, в отличие от выхода из строя из-за чрезмерной пластической деформации, например, когда детали все еще могут быть соединены.
2. Потеря устойчивости: Потеря устойчивости возникает, когда конструкция подвергается сжимающей силе, которая заставляет ее изгибаться или изгибаться, что приводит к разрушению конструкции.
3. Отказ ползучести: отказ ползучести возникает, когда материал подвергается постоянной нагрузке в течение длительного периода, что приводит к его медленной деформации и, в конечном итоге, к выходу из строя.
4. Отказ при отклонении: это тип отказа, который возникает, когда компонент или конструкция отклоняется за пределы своей способности вернуться в исходное положение, что приводит к необратимой деформации или разрушению. Это может произойти из-за чрезмерной нагрузки или недостаточной жесткости компонента или конструкции.
5. Разрушение при растяжении: Разрушение при растяжении происходит, когда материал подвергается тяговому усилию, превышающему его прочность на растяжение, что приводит к его разрушению.
6. Разрушение при сжатии: этот тип разрушения возникает, когда материал подвергается сжимающей силе, превышающей его прочность на сжатие, что приводит к его короблению или разрушению.
7. Разрушение при сдвиге: это происходит, когда материал подвергается воздействию силы сдвига, превышающей его прочность на сдвиг, что приводит к его разрушению или разрыву.

Возможно одновременное возникновение более чем одного режима разрушения. Другие типы разрушения, которые также распространены, могут быть вызваны такими факторами, как коррозия, износ, эрозия и деформация.

Какое значение имеет зависимость между напряжением и деформацией в механике?

Напряжение и деформация являются тесно связанными свойствами. Напряжение относится к силе, приложенной к материалу или объекту, деленной на его поперечное сечение.

Деформация – это деформация или смещение, возникающее в результате приложенной силы.

Знание значений текучести материала и напряжения растяжения, а также его удлинения, меры деформации, которую он может выдержать, может быть ценным для определения того, сможет ли компонент или материал выдерживать различные условия нагрузки.

Диаграмма напряжения-деформации для материала, рассматриваемого для использования в приложении, является бесценным инструментом.

Она сообщает инженерам, какое усилие может выдержать данное поперечное сечение материала, прежде чем произойдет необратимая деформация или разрушение.

Кроме того, подвергая материалы разным уровням напряжения и измеряя результирующую деформацию, инженеры могут определить свойства материала, включая его прочность, жесткость и пластичность.

В чем разница между напряжением растяжения и напряжением сжатия?

Растягивающие напряжения возникают в материале, когда он растягивается, и атомы материала пытаются разойтись дальше друг от друга.

Сжимающие напряжения возникают, когда на материал оказывается давление, и атомы должны либо сближаться, либо расходиться, в зависимости от уровня приложенной силы.

Предел прочности при растяжении — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал до начала неустойчивой пластической деформации, приводящей к разрушению.

Прочность на сжатие аналогична, но представляет собой напряжение, которое можно выдержать до того, как материал изогнется.

В чем разница между нормальным напряжением и напряжением сдвига?

Разница между нормальным напряжением и напряжением сдвига заключается в следующем: нормальное напряжение возникает, когда сила прикладывается перпендикулярно поверхности объекта, тогда как напряжение сдвига возникает, когда сила прикладывается параллельно поверхности.

В этой статье представлен стресс, объясняется, что это такое, и обсуждаются его важность и преимущества.