Напряжение и деформация: всё, что нужно знать

Напряжение и деформация — два термина, которые одновременно различны и взаимосвязаны. Крайне важно понимать их взаимосвязь, чтобы правильно подбирать материалы для различных прикладных задач.

В статье ниже рассматриваются различия между напряжением и деформацией, а также их значение при выборе материалов и проектировании конструкции. Итак, начнём.

Что такое напряжение?

Напряжение — это сила, действующая на единицу площади данного материала. Оно также определяет, как материал реагирует на определённые условия нагружения. Внутри объекта возникают различные виды напряжений.

Виды напряжений

Две наиболее распространённые формы напряжения — следующие:

Растягивающее напряжение

Растягивающее напряжение возникает, когда объект растягивают, что приводит к увеличению его длины. Например, когда стержень тянут или проволоку растягивают силами, направленными в противоположные стороны от обоих концов, она удлиняется.

Сжимающее напряжение

Сжимающее напряжение возникает, когда объект сжимают и его длина уменьшается. Например, когда стержень или проволоку сдавливают, прикладывая к обоим концам противоположные и равные силы.

Как работает напряжение в материалах

Напряжение в материале возникает, когда материал подвергается деформирующей силе. При этом создаётся приложенная сила, и это может быть либо упругая деформация, которая обратима, либо происходящая деформация.

Атомы материала сопротивляются внешним силам благодаря имеющимся связям, что создаёт противоположную силу реакции.

В случае простой растягивающей силы, даже когда материал растягивают с одного конца, реакция проявляется в виде напряжения в двух измерениях. Таким образом, он растягивается в одном направлении и сжимается в другом.

Как измеряется напряжение в материалах

Измерить напряжение напрямую невозможно, поэтому вместо этого измеряют деформации и приложенные силы. Для измерения деформации очень важно понимать взаимосвязь между деформацией и силой.

Существуют различные методы измерения деформации: с помощью тензодатчиков, датчиков нагрузки, фотоупругости и ультразвукового контроля.

Зная величину силы, можно рассчитать напряжение по формуле. Формула: σ=F/A.

Анализ напряжений влияет на силы, которые объект способен выдерживать. Очень важно их определить, чтобы соответствующим образом подобрать материал.

Что такое деформация?

Деформация характеризует изменение материала, происходящее под воздействием внешней силы. Она также учитывает степень деформации, которой подвергается материал под действием напряжения.

Деформация — это мера изменения длины материала по отношению к исходному размеру, и это безразмерная величина.

Виды деформации

Растягивающая деформация

Растягивающая деформация возникает, когда материал удлиняется или растягивается.

Сжимающая деформация

Сжимающая деформация возникает, когда материал укорачивается или сжимается.

Как работает деформация в материалах

При приложении внешней силы материал деформируется, и такая деформация и есть деформация. Поведение или деформация материала под напряжением зависит от многих факторов, таких как тип материала, состав, направление и величина.

Материалы могут деформироваться под действием напряжения тремя способами:

• Упругая деформация возникает, когда материал деформируется под действием напряжения, но возвращает свою первоначальную форму при снятии напряжения.
• Пластическая деформация — это необратимая деформация: когда форма материала изменяется под действием напряжения, она не восстанавливается.
• Разрушение происходит, когда приложенное напряжение превышает прочность материала, что приводит к отказу или излому.

Как измеряется деформация материалов

Существует множество методов измерения деформации, и наиболее популярные из них — экстензометры и тензодатчики.

Оба этих метода являются направленными, а помимо них существуют также пьезоэлектрические датчики и цифровая корреляция изображений.

Примеры зависимости напряжения от деформации для различных материалов

Каждый материал по-разному реагирует на напряжение и деформацию, и в этом разделе рассматривается поведение металлов и полимеров:

Металлы

Некоторые пластичные металлы такие как нержавеющая сталь и другие сплавы, склонны к деформации под нагрузкой. В то же время хрупкие металлы, например высокоуглеродистая сталь, разрушаются даже при незначительной деформации.

В то же время низкоуглеродистая сталь изгибается под нагрузкой до достижения предела текучести; она деформируется и подвергается наклёпу.

Полимеры

Поведение полимеров при напряжении и деформации весьма разнообразно. Хрупкий полимер деформируется упруго, а при дальнейшем растяжении может произойти разрушение. Эта точка представляет собой предел прочности в виде значения напряжения.

Некоторые эластомеры, например резина, способны восстанавливать исходную форму после снятия нагрузки, а при растяжении до точки разрушения они разрываются.

Как связаны напряжение и деформация

Напряжение и деформация связаны между собой так, что одно вызывает другое. Модуль Юнга описывает, как напряжение и деформация соотносятся друг с другом.

Упругая модель описывает связь между приложенным к материалунапряжением, которое вызывает деформацию, и эта зависимость также описывается законом Гука. Согласно этому закону напряжение и деформация прямо пропорциональны друг другу при условии, что материал обладает упругостью.

Математически эта зависимость выражается следующим образом:

Кривая напряжение–деформация

Взаимосвязь напряжения и деформации включает ряд важных терминов, являющихся частью кривой напряжение–деформация, а именно:

Упругая область

Упругие области — это области деформации, в пределах которых материалы возвращаются к своей исходной форме после снятия напряжения.

Предел текучести

Он описывает точку деформации материала. Напряжение в этой точке называется пределом текучести.

Пластическая область

Пластическая область — это область, которая начинается после предела текучести, и деформация, происходящая в этой области, является необратимой.

Предел прочности при растяжении

Предел прочности при растяжении — это максимальный предел напряжения, который выдерживает материал. Эту точку на кривой можно увидеть там, где начинается образование шейки.

Образование шейки

Образование шейки — это участок кривой напряжение–деформация, характеризующийся более значительной деформацией.

Разрушение

В этой точке материал разрушается.

Заключение

Приведённое выше руководство подробно раскрывает разницу между напряжением и деформацией и их взаимосвязь. Если вам нужно изготовить детали с высокой точностью и без деформации, свяжитесь с нами в DEK.

Мы понимаем принципы напряжения и деформации, поэтому подберём подходящий материал и правильный процесс для ваших задач.