应力 - 应变曲线是您在入门材料科学或材料机制中遇到的最常见图表之一。尽管起初它的许多标记点和区域似乎都在令人生畏,但绘图和掌握压力与压力的掌握实际上都非常简单。在本文中,我们将详细探讨应力 - 应变曲线,以便您更好地理解它。
但是在开始之前,让我们首先回顾以下问题的答案:
1。为什么用应力 - 应变而不是力 - 位置定义材料的特性?
力 - 位置曲线取决于标本的大小和形状 - 较厚或更长的样品需要更大的力(并经历不同的位移),即使它是相同的材料。换句话说,力和位移是与几何相关的外部特性。
2。压力是什么?
当将外部载荷F应用于静态平衡中的连续,可变形的分量时,该组件会变形并发展内部力F',该内力F'与施加的载荷完全相反以维持平衡。假设F均匀分布在横截面A上,则单位区域的内部抵抗力称为应力,可以表示为:
应力具有压力单位(PA或N/m²),代表每单位面积的平均内力抵抗变形。这工程压力公式假设应力分布均匀;对于大变形或高度不均匀的负载,请使用真正的压力(基于瞬时区域)或全应力张量以进行精确分析。
3。什么是应变?
在施加的载荷下,材料变形。为了比较不同尺寸和形状的标本的变形,科学家引入了一种称为菌株的非二维度量,该方法量化了相对伸长。
对于原始长度l的元素0并改变长度Δl,工程压力定义为:
工程应变对于小变形(通常高达约5%)是简单而准确的。
对于大变形,例如金属形成或非线性FEA,您可以使用true(对数)菌株,这说明了不断变化的长度:
应力 - 应变曲线显示了材料在负载下的行为,这为材料的强度,刚度,延展性和故障限制提供了见解。
它通常是通过破坏性的单轴拉伸测试来测量的:标准化的“狗骨”或直杆标本在通用测试机(UTM)中夹住。机器以受控的常数速率应用负载,直到样品失败。在此过程中,UTM的负载电池测量了拉伸力F,而延长计(或视频/DIC系统)记录了定义量规长的轴向变形。力量与位移,因此工程压力与工程压力 - 连续记录。最后,您将力转换为压力(σ= f/a0)和位移到应变(ε=Δl/l0),然后在垂直轴上与水平轴上的ε绘制σ,以生成应力 - 应变曲线。
延性材料的应力 - 应变曲线由多个部分组成,这些部分反映了材料随着压力增加的反应方式。相比之下,脆性材料的曲线要简单得多 - 通常是直至断裂的直线。在下文中,我们将重点介绍延性材料的应力 - 应变行为。
曲线上有三个主要阶段和五个关键点:
弹性变形:遵循胡克定律,在曲线的最初部分,压力和压力完全成比例。在这里,材料的行为就像弹簧一样 - 避开了负载,并返回其原始形状。该线性区域的斜率是Young的模量,它可以量化材料的刚度。
应变硬化:在产量点(在某些钢中的任何短暂的压力下降或平稳)之后,材料进入应变阶段。塑性变形沿量规长度均匀地持续,并且随着位错的积累和相互作用,金属变得更强大,从而使进一步的滑动变得更加困难。因此,要继续变形样品所需的压力升高,直到达到最终的拉伸强度。
颈部:一旦材料达到其最终的拉伸强度,在一个区域中均匀的变形末端和“颈部”形成。从那时起,将进一步的塑料流动到脖子上需要少的力,因此工程应力(仍使用原始的横截面区域)落下直到样品最终骨折。
比例极限:在应力 - 应变曲线上的线性部分的末端,可以通过计算斜率从Young的模量中拉出。
弹性极限:变形仍然完全可回收的最高应力。在金属中,它几乎与比例极限一致。
产量点(屈服强度):永久变形开始的压力。它是通过在曲线的初始(弹性)部分平行的线平行的线发现而被发现的,但被抵消了0.2%的应变;该线与应力应变曲线的交点定义了屈服强度。
最终的拉伸力量:曲线上的峰值工程应力。除此之外,颈部开始了。 (注意:真正的压力一直在上升,直到断裂为止。)
断裂(断裂)点:曲线的末端,材料最终破裂。
弹性的模量:应力 - 应变曲线弹性部分下的面积,代表每单位体积的能量,材料可以吸收并释放而不会永久变形。这是设计弹簧,值得碰撞的结构以及必须弹性存储和返回能量的任何组件的关键参数。
韧性:应力 - 应变曲线下的总面积,该曲线量化了单位体积的能量在破裂前可以吸收的每一体积的能量。韧性指导选择材料,以进行抗冲击和冲击的应用,例如汽车碰撞结构和弹道装甲。
延性:通过断裂时的伸长来测量(骨折时量规长度的增加百分比)和降低面积(骨折处横截面面积的百分比降低),延展性测量材料在失败之前可能会变形多少。高延展性对于形成操作是有利的,而低延展性表明脆性骨折的风险更高。
工作硬化(应变硬化):产量后,真正的流动应力在均匀的塑料区域内随着塑性应变而保持上升。这种增强的扩散会更均匀地均匀,延迟颈部(更大的均匀伸长率),并改善金属形成(冲压,滚动,深色绘图)和FEA精度,以供回弹和变薄。
压力与应变曲线在材料家庭之间差异很大。如下图所示,它们可以将它们大致分为两类:脱骨和脆性。
延性材料,例如低碳钢,铝合金,铜和许多热塑性塑料,具有多阶段的应力 - 扭曲曲线:初始线性(弹性)区域,明显的屈服点,菌株硬化(均匀的塑料)区域,颈部,颈部和最终的伸长率后,最终是断裂的。它们可以在失败之前吸收大量能量。
易碎的材料,例如铸铁,大多数陶瓷,玻璃和混凝土,几乎没有塑料区域的裂缝表现出纯粹的线性弹性行为,因此它们的比例极限,最终的拉伸强度和断裂强度重合。
请注意,上面显示的曲线仅代表那些特定的材料条件。实际的应力应变行为可以随成分,热处理,微结构,温度,应变率以及其他测试或处理参数而显着变化。
工程和真实的应力 - 应变曲线是提出拉伸测试数据的两种最常见方法。
在标准的拉伸测试中,我们假设样品的横截面停留在其原始区域a0。因此,工程压力定义为:
和工程压力为:
当您施加载荷时,曲线通过弹性区域线性上升,然后将屈服点延伸至均匀的塑性变形,在最终的拉伸强度下达到其峰值,标记了均匀伸长的末端。除了这个峰外,颈部将变形浓缩到一个狭窄的部分。因为工程压力仍然除以原始区域0,即使真正的应力(基于收缩区域)继续攀升,绘制的应力值也会下降。因此,工程曲线(在图中显示为红色)在UTS之后下降,并向下趋势直至断裂。
如果您说明瞬时区域我在每个负载步骤中,您都会得到真正的压力:
和真(对数)菌株:
在颈部期间,横截面降低的速度快于施加的载荷掉落。t继续超越工程最终的拉伸强度。因此,真正的应力 - 应变曲线会稳步增加至断裂,而不会在其峰值之后下降。
工程压力和应变是材料数据表中报告的标准数据,并用于设计代码。它们可以快速访问熟悉的特性,例如屈服强度,最终的拉伸强度和休息时伸长率,从而易于比较材料,设定安全因子并确保整个生产批次的质量控制一致。
真正的应力和应变是非线性有限元分析和组成型模型的关键输入。通过通过大型塑料应变反映实际材料的响应并将其缩成颈部,它们可以准确模拟形成过程(例如,冲压,锻造,挤出),精确的回弹预测以及可靠的零件定位和最终失败的可靠预测。
应力 - 应变曲线是必不可少的工具,可将材料行为与结构性能联系起来。它通过提供弹性模量,屈服强度,韧性和延展性数据来为设计提供信息,以尺寸和合格组件。它还通过定义计算形成力,工具几何形状和预期回弹所需的应力应变路径来指导制造。
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从微型电子产品到重型工业系统,几乎每件硬件都依赖机械紧固件才能有效运行。本文深入探讨了紧固件及其广泛的应用。准备好仔细看看了吗?加入我们,一起发现: 什么是紧固件? 不同类型的紧固件及其用途 用于制造紧固件的材料 如何为您的项目选择合适的紧固件 什么是紧固件? 紧固件是一种用于将两个或多个物体机械连接或固定在一起的硬件设备。它涵盖了广泛的工具类别——螺钉、螺母、螺栓、垫圈、铆钉、锚栓和钉子等各种形式。 大多数紧固件可以轻松拆卸和重新组装,而不会损坏螺钉和螺栓等部件。它们形成非永久性关节,但这并不意味着该关节很弱;事实上,如果安装正确,它们可以承受很大程度的压力。 此外,还有焊接接头和铆钉等紧固件,它们可以形成不易拆卸的永久结合。根据应用的不同,紧固件有各种形状、尺寸和材料,每种都有其独特的功能和用途。我们将在下面的段落中研究这些以及更多内容。 不同类型的紧固件及其用途 如上所述,紧固件有多种形式。每种类型都根据其设计和功能满足独特的应用。以下是紧固件主要类型、子类型和具体用途的详细分类。 类型 1:螺丝 螺钉是高度通用的紧固件,具有头部和螺纹杆,可提供强大的抓地力和抗拉力。它们有各种头部形状(例如扁平、圆形或六角形),可以适应不同的工具和审美需求。 与螺栓不同,许多螺钉(例如自攻螺钉)可以在材料中创建自己的螺纹,而无需预先钻孔。使用螺丝刀或电钻等简单工具即可快速安装,并且不需要螺母进行紧固。螺钉与多种材料兼容,包括木材、塑料和薄金属。一些最常见的包括: 木螺丝 顾名思义,木螺钉通常是部分螺纹的,专门设计用于连接木块。它们具有锋利的尖端和粗螺纹,使它们能够轻松穿透木材并提供牢固的抓握。 机械螺丝 与木螺钉相比,这些螺钉具有更细的螺纹,这使得它们更适合金属和刚性复合材料等硬质材料。它们具有一致的柄直径,尖端没有锥形。通常,机器螺钉插入预先钻好的螺纹孔中或与螺母配对以进行安全组装。 金属板螺丝 金属板螺钉是自攻螺钉专为薄金属板(如金属板)和其他薄材料而设计。它们具有全螺纹柄和锋利的螺纹尖端,可以轻松地将螺纹切削到薄金属中。 自钻螺钉 自钻螺钉采用金属板螺钉的全螺纹设计,但配有钻头形状的尖端。这一独特的功能使它们能够直接钻入钢或铝等硬质基材,而无需预钻孔。它们对于固定较厚的金属材料特别有效,可提高效率并易于安装。 甲板螺丝 与主要用于室内或受保护的木材连接的木螺钉不同,甲板螺钉是专门为室外应用而设计的木螺钉。它们通常由不锈钢、镀锌钢或具有特殊防腐涂层的材料制成。甲板螺钉通常具有全螺纹柄,有些设计采用双螺纹或特殊螺纹,以适应温度和湿度波动引起的膨胀、收缩和应力。 六角拉力螺钉 六角拉力螺钉是大型木螺钉,设计为用扳手或套筒而不是螺丝刀驱动。它们具有粗粗螺纹和六角头,可提供出色的扭矩,是最坚固的金属和木材紧固件之一。由于这些螺钉的尺寸和强度,需要预先钻好导向孔。由于其处理重负载的能力,它们非常适合框架、甲板和重型家具等结构应用。 类型 2:螺栓 螺栓与螺钉具有相似的结构,具有从尖端开始的外外螺纹。与螺钉不同,螺栓不是自攻螺纹,也不会在材料中切出螺纹。相反,它们与预攻丝孔或螺母配合使用,以形成坚固的机械接头。以下是最流行的螺栓类型: 六角头螺栓 六角头螺栓有六角头;这种设计使它们可以使用标准扳手或电动工具轻松拧紧或松开,从而确保高效的组装和拆卸。它们带有机器螺纹,可以完全或部分沿螺栓长度延伸。全螺纹螺栓在需要强夹紧力的应用中表现出色,而部分螺纹螺栓凭借其光滑的杆部,可为横向承载应用提供卓越的剪切强度。 马车螺栓 马车螺栓有一个圆形凸形金属头,后面是方颈和螺纹轴。方颈设计用于锁定在材料内,防止螺栓在安装过程中旋转并确保稳定性。这些螺栓主要用于木材应用,例如木框架或家具组装。 吊环螺栓 吊环螺栓一端具有圆形环(或“吊环”),另一端具有螺纹杆。螺纹端拧入表面,而环可以轻松连接或悬挂物体。这些螺栓通常用于需要拉力的应用,例如提升重物或将绳索和电缆固定到结构上。 内六角螺栓(内六角螺栓) 这些类型的紧固件通常具有圆柱形头部,该头部带有用于驱动工具的六角形凹槽。可以使用内六角扳手或六角扳手来拧紧。与传统螺栓(例如带有外驱动头的六角螺栓)相比,内六角螺栓具有更小、更紧凑的头部。这种设计允许在狭小或有限的空间中应用高扭矩。 U 型螺栓 U型螺栓的形状像“U”形,杆部两端都有螺纹。它们可以缠绕管道或其他圆柱形物体,将它们固定在平坦的表面或结构上,而不会对管道造成永久性损坏或影响流体流动。 双头螺栓 双头螺栓,或双头螺栓,两端都有螺纹,中间有一个无螺纹的杆部。它们用于从两侧固定两个或多个零件,通常用于需要双端紧固的法兰组件或结构连接等应用。这些螺栓可以在其一端或两端使用螺母。 类型 3:坚果 螺母是螺栓不可或缺的伙伴。这些紧固件具有内螺纹,与螺纹尺寸和螺距相匹配的螺栓配对,以确保牢固的夹紧和增加的扭矩。与螺栓和螺钉一样,螺母也有各种形状和尺寸。以下是一些最常见的坚果类型: 六角螺母 作为标准六面螺母,六角螺母是最常见的类型,适用于通用紧固。它们很便宜,您可以使用扳手或钳子轻松组装它们。 尼龙锁紧螺母 尼龙锁紧螺母与后继结构的六角螺母类似,但具有一个额外的轴环,可容纳尼龙环或金属嵌件。这种设计有效防止高振动环境下的松动。 城堡螺母(开槽螺母) 城堡螺母的顶部切有槽,类似于城堡的城垛。这些槽与螺栓或螺柱上的预钻孔对齐,螺母就位后,可以将开口销插入孔中以将其固定,防止松动。 法兰螺母 法兰螺母与六角螺母类似,但底部有一个宽法兰,可用作内置垫圈。这种设计有助于将负载均匀分布在更大的区域,降低连接材料损坏的风险并增强螺母的抓力。 盖形螺母(盖形螺母) […]
Similar to all other 3D printing processes (such as polymer 3D printing), metal 3D printers build parts by adding material a layer at a time based on a digital 3D design — hence the term additive manufacturing. Only this time, the process uses metal powder, wire, or polymerbound filament instead of plastics.
压力和压力是描述材料对力的反应方式的两个最重要的概念。应力是负载下材料中每单位区域的内力,而应变是由施加力引起的材料形状的变形或变化。 但是,压力与压力之间的关系远远超出了理论 - 这对于合理的工程决策至关重要。通过并排比较它们,我们可以更好地预测材料的性能,可以安全变形的程度以及何时失败。本文探讨了他们的定义,差异,关系和实际应用。 在我们详细了解详细信息之前,您可能会发现此简短的介绍性视频和压力很有帮助: 什么是压力? 压力是材料产生以抵抗外部负载的每单位面积的内力。从显微镜上讲,施加的载荷会引起反对变形并“固定”结构的原子间力。这种内部阻力是我们衡量的压力。 根据如何施加负载,压力被归类为: 拉伸应力(σt)和压力应力(σc):这些是垂直于横截面区域的正常应力。 剪切应力(τ):由与横截面区域平行作用的切向力引起的。 扭转应力(τt):扭矩或扭曲引起的剪切应力的特定形式。 其中,拉伸压力是工程设计中最根本的压力类型。计算公式是: 在哪里: σ=压力(PA或N/m²;有时PSI) f =施加力(n) a =施加力的原始横截面区域(m²) 如何测量材料的应力 直接测量应力是不可能的,因此,我们必须测量施加的力或结果变形。以下是关键测量技术的简洁概述: 方法 /技术原则测量设备 /工具准确性和精度常见应用通用测试机(UTM)测量力(F),计算应力= f/aUTM具有集成负载电池★★★★★(高精度)基本材料测试:应力 - 应变曲线,机械性能评估应变量表测量应变(ε),通过σ= E·ε计算应力(假设线性弹性) 应变计,数据采集系统★★★★☆(高)组件应力分析;疲劳评估;嵌入式结构监测延伸计衡量规格的变化,计算ε和σ接触或非接触式延伸仪★★★★☆(高)标本的拉伸测试;验证弹性模量和屈服应变数字图像相关(DIC)光学方法,跟踪全场表面变形高速相机系统,DIC软件★★★★☆(全场)全场应变分析;裂纹跟踪;物质不均匀研究超声应力测量在压力下使用材料的波速变化超声波探测器★★★☆☆(中度)残余应力检测;焊接接头和大型结构的应力监测X射线衍射(XRD)测量由内部压力引起的晶格失真XRD衍射仪,专业软件★★★★☆(高精度;位于表面层)薄膜,焊接区域,金属和陶瓷中的表面残留应力光弹性通过光学干扰条目在透明双折射材料中可视化压力偏振光设置和双重聚合物模型★★★☆☆(对半定量定性)教育演示;透明模型中的实验应力分析微/纳米级表征技术 EBSD,微拉曼,纳米凹陷等技术提供微观或纳米级应变/应力映射 电子或基于激光的系统,图像分析软件★★★★☆(高精度;局部微/纳米尺度) 微电子,薄膜,纳米构造,复合界面行为 什么是应变? 应变是对材料进行外力时材料发生的相对变形的量度。它表示为无单位数量或百分比,代表长度(或其他维度)对原始长度(或尺寸)的变化。 应变的类型对应于施加的应力:拉伸应变,压缩应变或剪切应变。 正常应变的公式是: 在哪里: ϵ =应变(无量纲或以%表示) Δl=长度变化 l0=原始长度 如何测量材料应变 各种方法可用于测量应变。最常用的技术是应变测量值和伸展指标。下表总结了测量材料应变的常见方法: 方法感知原理传感器 /传感器测量场景评论应变量表阻力变化箔型应变量表静态或低频应变;常用广泛用于行业;低成本;需要粘合键和布线连接延伸计位移夹式 /接触式延伸计材料测试;全截面测量高准确性;不适合动态测试或高度局部应变数字图像相关(DIC)光学跟踪相机 +斑点图案全场应变映射;裂纹繁殖;复杂形样品非接触; 2D/3D变形映射;昂贵的系统压电传感器压电效应压电膜或水晶动态应变,压力,冲击,振动高频响应;不适合静电测量纤维bragg光栅(FBG)光学(布拉格反射)FBG光纤传感器长距离的分布式或多路复用测量免疫EMI;适合航空航天,能源和智能结构激光多普勒振动仪(LDV)多普勒效应LDV激光探针动态应变/速度测量和表面振动分析非接触;高分辨率;昂贵的;对表面条件敏感 压力与应变的关键差异 以下是一个简短的表,提供直接概述: 方面压力拉紧公式σ= f / aε=Δl /l₀单位PA(N/m²)或PSI(LBF/in²)无量纲或%原因外力压力引起的变形影响产生内力来抵消外部负载;如果过高改变材料的几何形状;可在弹性极限内回收,永久性超出产量点行为材料必须抵抗的每个区域的内力。根据分配,它可能导致压缩,张力,弯曲或扭转描述了在施加的应力下材料变形的程度。可以是弹性的或塑料的 压力和压力如何相互关系 压力会导致应变。应力 - 应变曲线图可以通过针对施加的应力绘制应变(变形)逐渐增加载荷的变形。让我们回顾一下其要点: 1。弹性区域(点O […]
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