الإجهاد والسلالة هما من أهم المفاهيم لوصف كيفية استجابة المواد للقوى. الإجهاد هو القوة الداخلية لكل وحدة مساحة داخل مادة تحت الحمل ، في حين أن الإجهاد هو تشوه أو تغيير في شكل المادة التي تنتج عن القوة المطبقة.
ومع ذلك ، فإن العلاقة بين الإجهاد والإجهاد تتجاوز النظرية - إنها ضرورية لقرارات هندسة الصوت. من خلال مقارنتها جنبًا إلى جنب ، يمكننا التنبؤ بشكل أفضل بمدى أداء المواد ، ومدى تشوهها بأمان ، ومتى قد تفشل. تستكشف هذه المقالة تعريفاتها واختلافاتها وعلاقتها والتطبيقات العملية.
قبل أن ندخل في التفاصيل ، قد تجد هذا الفيديو التمهيدي القصير على التوتر والضغط المفيد:
ما هو التوتر？
الإجهاد هو القوة الداخلية لكل وحدة مساحة تتطورها المادة لمقاومة الحمل الخارجي. من الناحية المجهرية ، يحث الحمل المطبق على قوى ما بين الدوران التي تعارض التشوه و "التمسك" بالهيكل معًا ؛ هذه المقاومة الداخلية هي ما نقيسه كضغط.
اعتمادًا على كيفية تطبيق الحمل ، يتم تصنيف الإجهاد على النحو التالي:
إجهاد الشد (σر) والإجهاد الضغط (σج):هذه ضغوط طبيعية تعمل بشكل عمودي على المنطقة المستعرضة.
إجهاد القص (τ):بسبب القوى العرضية التي تعمل بالتوازي مع المنطقة المستعرضة.
إجهاد الالتواء (τر):شكل محدد من إجهاد القص الناجم عن عزم الدوران أو التواء.
من بينها ، الإجهاد الشد هو النوع الأساسي من التوتر في التصميم الهندسي. صيغة الحساب هي:
أين:
σ = الإجهاد (PA أو N/M² ؛ أحيانًا PSI)
F = القوة التطبيقية (N)
A = المنطقة المستعرضة الأصلية التي يتم تطبيق القوة عليها (M²)
كيف يتم قياس إجهاد المواد
لا يمكن قياس الإجهاد مباشرة ، لذا بدلاً من ذلك ، يجب علينا قياس القوى المطبقة أو التشوهات الناتجة. فيما يلي نظرة عامة موجزة على تقنيات القياس الرئيسية:
الطريقة / التكنولوجيا
مبدأ
جهاز القياس / الأداة
الدقة والدقة
التطبيقات المشتركة
آلة الاختبار العالمية (UTM)
تدابير القوة (و) ، يحسب الإجهاد = f/a
UTM مع خلية التحميل المتكاملة
★★★★★ (دقة عالية)
اختبار المواد الأساسي: منحنيات الإجهاد الإجهاد ، تقييم الممتلكات الميكانيكية
مقياس الإجهاد
الإجهاد المقياس (ε) ، ويحسب الإجهاد عبر σ = e · ε (يفترض المرونة الخطية)
مقياس الإجهاد ، نظام الحصول على البيانات
★★★★ ☆ (مرتفع)
تحليل الإجهاد المكون. تقييم التعب ؛ مراقبة هيكلية مضمنة
مقياس التوسيع
التدابير تغيير طول المقياس ، ويحسب ε و σ
الاتصال أو غير الاتصال
★★★★ ☆ (مرتفع)
اختبار الشد للعينات ؛ التحقق من المعامل المرن وسلالة الإنتاج
ارتباط الصور الرقمي (DIC)
الطريقة البصرية ، يتتبع تشوه السطح الكامل
نظام الكاميرا عالي السرعة ، برنامج DIC
★★★★ ☆ (المجال الكامل)
تحليل سلالة المجال الكامل ؛ تتبع الكراك دراسات عدم تجانس المواد
قياس الإجهاد بالموجات فوق الصوتية
يستخدم تغييرات سرعة الموجة في المواد تحت الضغط
التحقيق بالموجات فوق الصوتية والمستقبل
★★★ ☆☆ (معتدل)
اكتشاف الإجهاد المتبقي ؛ مراقبة الإجهاد في المفاصل الملحومة والهياكل الكبيرة
حيود الأشعة السينية (XRD)
يقيس تشويه الشبكة الناجم عن الإجهاد الداخلي
مقياس حيود XRD ، برنامج متخصص
★★★★ ☆ (دقة عالية ؛ محلية إلى الطبقات السطحية)
الأفلام الرقيقة ومناطق اللحام والإجهاد المتبقي السطحي في المعادن والسيراميك
المرونة الضوئية
يتصور الإجهاد عن طريق هامش التداخل البصري في مواد birefringent شفافة
إعداد الضوء المستقطب ونماذج بوليمر birefringent
★★★ ☆☆ (النوعية إلى شبه كمية)
العروض التعليمية ؛ تحليل الإجهاد التجريبي في نماذج شفافة
تقنيات التوصيف الدقيقة/النانوية
توفر تقنيات مثل EBSD و Micro-Raman أو NanoIndentation سلالة/إجهاد صغرى أو نانوي
أنظمة الإلكترون أو الليزر ، برنامج تحليل الصور
★★★★ ☆ (دقة عالية ؛ مقياس ميكرو/نانو محلي)
إلكترونيات صغيرة ، أفلام رقيقة ، نانوي
ما هو السلالة？
السلالة هي مقياس للتشوه النسبي الذي تخضعه مادة عندما تتعرض لقوة خارجية. يتم التعبير عنه ككمية بدون وحدات أو كنسبة مئوية ، تمثل التغير في الطول (أو الأبعاد الأخرى) إلى الطول الأصلي (أو البعد).
يتوافق نوع السلالة مع الإجهاد المطبقة: إجهاد الشد ، أو سلالة الضغط ، أو سلالة القص.
صيغة الإجهاد العادي هي:
أين:
ϵ = سلالة (بدون أبعاد أو معبر عنها في ٪)
ΔL = تغيير في الطول
ل0= الطول الأصلي
كيف يتم قياس سلالة المواد
يمكن استخدام طرق مختلفة لقياس الضغط. التقنيات الأكثر استخدامًا هي مقاييس الإجهاد والمقاييس. يلخص الجدول أدناه الطرق الشائعة لقياس الضغط في المواد:
طريقة
مبدأ الاستشعار
مستشعر / محول
سيناريو القياس
ملاحظات
مقياس الإجهاد
تغيير المقاومة
رقاقة من نوع الإجهاد مقياس
سلالة ثابتة أو منخفضة التردد ؛ شائع الاستخدام
يستخدم على نطاق واسع في الصناعة ؛ تكلفة منخفضة يتطلب اتصالات لاصقة واتصالات الأسلاك
مقياس التوسيع
النزوح
مقطع / اتصال تمديد
اختبار المواد قياس القسم الكامل
دقة عالية. غير مناسب للاختبارات الديناميكية أو الإجهاد المترجمة للغاية
ارتباط الصور الرقمي (DIC)
التتبع البصري
نمط الكاميرا + البقع
رسم خرائط سلالة المجال الكامل. انتشار الكراك عينات على شكل معقدة
عدم الاتصال 2D/3D رسم الخرائط التشوه ؛ نظام باهظ الثمن
مستشعر كهروضوئي
تأثير كهروضوئي
فيلم كهروإجهادي أو كريستال
إجهاد ديناميكي ، ضغط ، تأثير ، اهتزاز
استجابة التردد العالية ؛ غير مناسب لقياسات الإجهاد الثابت
الألياف Bragg Grating (FBG)
بصري (انعكاس براغ)
مستشعر الألياف البصرية FBG
القياس الموزع أو متعدد الإرسال على مسافات طويلة
محصن من EMI. مناسبة للفضاء والطاقة والهياكل الذكية
الليزر دوبلر الاهتزاز (LDV)
تأثير دوبلر
LDV التحقيق ليزر
قياس السلالة/السرعة الديناميكية وتحليل اهتزاز السطح
عدم الاتصال دقة عالية غالي؛ حساسة لظروف السطح
الاختلاف الرئيسي في الإجهاد مقابل الإجهاد
فيما يلي جدول سريع يوفر نظرة عامة مباشرة:
وجه
ضغط
أَضْنَى
صيغة
σ = f / a
ε = ΔL / L₀
الوحدات
PA (N/M²) ، أو PSI (LBF/IN²)
أبعاد أو ٪
سبب
قوة خارجية
التشوه الناجم عن الإجهاد
تأثير
يولد القوى الداخلية لمواجهة الأحمال الخارجية ؛ قد يؤدي إلى تشوه البلاستيك أو الكسر أو فشل التعب أو تكسير التآكل في الإجهاد إذا كان مرتفعًا جدًا
يغير هندسة المادة ؛ قابلة للاسترداد في الحد المرن ، دائم ما وراء نقطة العائد
سلوك
القوة الداخلية لكل منطقة يجب أن تقاوم المادة. اعتمادًا على التوزيع ، يمكن أن يسبب الضغط أو التوتر أو الانحناء أو التواء
يصف مقدار تشوهات المواد تحت الضغط التطبيقي ؛ يمكن أن تكون مرنة أو بلاستيكية
كيف يرتبط التوتر والضغط ببعضهما البعض
الإجهاد يسبب الضغط. الرسوم البيانية لمنحنى الإجهاد ، كيف تتشوه المواد تحت الحمل المتزايد تدريجياً عن طريق تخطيط الإجهاد (التشوه) ضد الإجهاد المطبقة. دعنا نراجع نقاطها الرئيسية:
1. المنطقة المرنة (النقطة O - B)
المنطقة الخطية (O-A):التوتر والضغط متناسبان تمامًا ، بعد قانون هوك. ينتهي هذا الجزء الخطي عند الحد النسبي ، وانحداره هو معامل المرونة (معامل يونغ) ، مما يشير إلى صلابة المادة. ضمن هذا النطاق ، يكون التشوه مرنًا تمامًا: بمجرد إزالة الحمل ، تعود المادة إلى شكلها الأصلي.
(المنطقة غير الخطية A-B):لا تزال المادة تتصرف بشكل مرن - أي أن التشوه قابل للاسترداد تمامًا ، لكن العلاقة تصبح غير خطي ، مما يعني أن قانون Hoke لم يعد ينطبق. وبالتالي ، تُعرف النقطة B بالحد المرن: إنها تمثل الحد الأقصى للقوة التي يمكن للمادة تحملها بشكل مرن ، وتسمى المنطقة OB المنطقة المرنة.
2. المنطقة البلاستيكية (النقطة ب فصاعدا)
العائد (B-C):بعد النقطة ب ، تدخل المادة إلى المنطقة البلاستيكية وتصبح التشوه دائم. تُعرف النقطة B أيضًا باسم نقطة العائد العلوية ، حيث ينفجر الخلع فجأة من عقباتها ، وبالتالي فإن الحمل المطلوب ينخفض لفترة وجيزة مع استمرار تمديد المادة. يقع الإجهاد بعد ذلك إلى النقطة C - نقطة العائد السفلية ، التي يظل فيها مستوى الإجهاد ثابتًا تقريبًا بينما تستمر المادة في استطالة بطريقة دائمة (بلاستيكية).
لاحظ أن هضبة العائد "العلوية → السفلى" الواضحة (B → C) هي الأكثر وضوحًا في فولاذ الكربون المنخفض. غالبًا ما تنتقل السبائك الأخرى بسلاسة إلى تشوه بلاستيكي دون تراجع عن الإجهاد.
تصلب السلالة (C - D):بعد النقطة C ، يتصاعد العمل المادي: مع تراكم الاضطرابات والتفاعل ، تزداد مقاومة المعدن لمزيد من التدفق. على الرغم من أن القسم لا يزال ينحرف ويطيل ، إلا أن المقاومة المتزايدة للتشوه تدفع الإجهاد الهندسي إلى أعلى حتى يصل إلى الحد الأقصى عند النقطة د -قوة الشد النهائية(UTS). هذا هو أعلى حمولة يمكن أن يحافظ عليها قسم المقياس الأصلي في ظل ظروف الاختبار.
الكسور والكسر (D - E):ما وراء النقطة D ، يبدأ التقيد الموضعي ، مما تسبب في انخفاض سريع في منطقة مستعرضة في منطقة واحدة. في منحنى الإجهاد الهندسي ، ينخفض الإجهاد المسجل مع انخفاض سعة حمل المواد. في نهاية المطاف ، لم تعد المنطقة ذات العنق تحمل الحمل ، وكسر العينة عند النقطة E. تمثل السلالة عند E استطالة المادة الكلية عند الفشل.
ما هو معامل يونغ？
داخل المنطقة المرنة بين O و A ، يتم تعريف العلاقة النسبية بين الإجهاد والسلالة بواسطة معامل Young ، والمعروف أيضًا باسم معامل المرونة أو معامل الشد. تحدد هذه القيمة تصلب المادة من خلال قانون هوك:
ه = إجهاد / إجهاد
رياضيا ، وهذا هو:
ه = σ / ε
حيث e هو معامل يونغ مع وحدة PA أو N/M2. كلما ارتفع المعامل ، كلما قل تشوه المواد تحت ضغط معين.
أمثلة على الإجهاد والسلالة في مواد مختلفة
تستجيب مواد مختلفة بشكل مختلف تحت الحمل بسبب سلوكها الفريد من الإجهاد. فيما يلي بعض الأمثلة التي توضح هذا في الممارسة العملية:
الصلب في إطارات البناء
في المباني الشاهقة ، تحمل الأعمدة والأعمدة الفولاذية الهيكلية ضغوطًا ضغطًا بسبب الأحمال الميتة والحيوية (غالبًا ما تقتصر ضغوط التصميم على حوالي 250 ميجا باسكال). مع معامل الشباب من 200 GPA ، فإن السلالة المرنة المقابلة عند العائد هي 0.125 ٪ فقط (ε = σ/e). إلى جانب نقطة العائد ، يمكن أن تحافظ على سلالات سلالة الصلب الطري ويمكن أن تحافظ على سلالات بلاستيكية من 10 إلى 20 ٪ قبل الكسر (قوة الشد النهائية 400-550 ميجا باسكال). في الممارسة العملية ، يستخدم المهندسون عامل أمان يتراوح بين 1.5 و 2 ، مع الحفاظ على ضغوط العمل أقل من 150 ميجا باسكال لمنع التشوه الدائم أو التشوه الدائم.
الألومنيوم في هياكل الطائرات
تجرب سبائك الألومنيوم مثل 2024-T3 و 7075-T6 بالتناوب مع الضغوط الشد والضغط التي تصل إلى 300 ميجا باسكال أثناء الإقلاع والهبوط والاضطراب. ينتج معاملهم من 70 GPA سلالات مرنة من 0.4-0.5 ٪ ، ما يقرب من ثلاثة أضعاف من الصلب في نفس الضغط. توفر هذه السبائك نقاط قوة عالية في نهاية المطاف من 500 إلى 600 ميجا باسكال وإجماليات إجمالي 10-15 ٪. تتم إدارة حياة التعب (بين 10⁶ و 10⁷ دورات) من خلال مراقبة اتساع الإجهاد ومعدلات النمو الكراك لضمان المتانة على عمر الخدمة.
المطاط في إطارات السيارات
تخضع إطارات السيارات المطاطية لدورات متكررة من التوتر والضغط أثناء تدويرها وتشوهها على سطح الطريق. تحتوي مركبات المطاط على نقاط قوة شد تتراوح بين 15 و 25 ميجا باسكال ومعدلات مرنة منخفضة (1-10 ميجا باسكال) ، ولكنها تظهر سلالات قابلة للعكس من 300-600 ٪ (تتجاوز بعض تركيبات الأداء عالي الأداء 1000 ٪). يسمح هذا التشوه الكبير القابل للاسترداد للإطار بالتوافق مع المخالفات على الطرق وامتصاص الصدمات. ينظر المصممون أيضًا في تباطؤ اللزوجة (فقدان الطاقة) ونمو الكراك في التعب تحت ملايين دورات الحمل لضمان المتانة والجر على المدى الطويل.
خاتمة
تكشف منحنيات الإجهاد الإجهاد عن الخواص الميكانيكية الرئيسية-المعامل المرنة ، وقوة العائد ، وقوة الشد النهائية ، والحونة ، والمتانة-التي توجه اختيار المواد. من خلال تحليل كيفية توزيع الإجهاد ويحث على الإجهاد ، يتنبأ المهندسون بتشوهات والتحقق من أن المكونات تظل بأمان في المنطقة المرنة ، والتحقق من حدود مثل العائد أو الاشتراك.
في Chiggo ، نجمع بين خبرة المواد العميقة مع المتقدمةتصنيع CNCللمساعدة في إعادة تصاميمك إلى الحياة. فريقنا مستعد لدعم أصعب مشاريعك كشريكك الموثوق به - جودة وكفاءة كل خطوة على الطريق.اتصل بنا اليوم لمعرفة المزيد!
التعليمات
1. ما هو الفرق بين الإجهاد الهندسي والسلالة الحقيقية؟
يتم حساب السلالة الهندسية ببساطة حيث أن التغير في الطول مقسومًا على طول المقياس الأصلي ، على افتراض أن طول المقياس لا يزال ثابتًا تقريبًا. على النقيض من ذلك ، فإن السلالة الحقيقية تتتبع كل تغيير صغير في الطول بالنسبة لطول العينة المتغير باستمرار ويدمج هذه السلالات الإضافية خلال عملية التشوه. لتشوهات صغيرة ، فإن الاثنين متساوين تقريبا. ولكن مع زيادة التشوه ، تقلل الإجهاد الهندسي من التغيير الفعلي ، في حين أن الإجهاد الحقيقي يوفر مقياسًا دقيقًا.
2. هل المرونة هي نفس الصلابة؟
لا. الصلابة ، التي تم تحديدها بواسطة معامل يونغ ، هي مقاومة المادة للتشوه المرن (ميل منحنى الإجهاد). المرونة هي الطاقة القابلة للاسترداد لكل وحدة حجم يمكن للمادة امتصاصها في هذا النطاق المرن (المنطقة تحت المنحنى حتى العائد).
