Концепции напряжения и деформации: почему они важны для эффективности использования промышленных материалов

Напряжение и деформация считаются наиболее фундаментальными понятиями в инженерии и материаловедении. Оба определяют, что происходит, когда силы воздействуют на материалы. Если вы получите надлежащие знания об этих двух свойствах, их типах и ключевых различиях между ними, это поможет вам в промышленных приложениях обнаруживать отказы компонентов с деликатными материалами. 

Стресс и его типы

Напряжение относится к силе, действующей на единицу площади на материал. Количество напряжения, приложенного к объекту для определенного количества опор деформации, измеряющих, является ли объект жестким или негнущимся. Ниже приведены основные типы напряжения;

1. Напряжение сдвига
2. Растягивающее напряжение
3. Нормальный стресс 
4. Сжимающее напряжение
5. Плоскостное напряжение 

Штамм и его типы?

Деформация — это результат в виде изменения или деформации, происходящей в форме материала. Здесь вы также можете найти различные типы деформации.

1. Деформация сдвига 
2. Объемная деформация 
3. Упругая деформация
4. Боковая деформация 
5. Нормальная или продольная деформация 

Основные различия в напряжении и деформации

Знание тонкостей разницы между деформацией и напряжением необходимо в структурной инженерии и материаловедении. Оценка обоих раскрывает детали поведения материала, что помогает вам принимать важные решения при проектировании. Их связь также позволяет измерять основные свойства механики. Понимание протоколов напряжения и деформации необходимо для инженеров в различных областях. 

Разница в определении и измерении

• Напряжение имеет размерность силы на площадь, в системе СИ ее единицами являются паскаль (Па) или ньютон на квадратный метр (Н/м2). Оно определяет силу, действующую на определенную площадь материала. Вы можете рассчитать напряжение, используя следующую формулу: σ=ФА
• Деформация — это количество искажений, которым подвергается объект в результате приложения силы, деленное на исходные размеры объекта. Она рассчитывается как десятичное значение или процент. 
• По своей природе стресс — это расчет силы, а деформация, с другой стороны, — это мера деформации. Кроме того, вы можете найти стресс с его единицами, тогда как деформация безразмерна. 

Разница в типах и применениях

• Растягивающее напряжение, сжимающее напряжение и касательное напряжение являются основными типами напряжений, каждое из которых, как вы наблюдаете, коррелирует с различными приложениями силы и приводит к различным реакциям, происходящим внутри материала. 
• В отличие от типов напряжения, типы деформации, такие как объемная, упругая и пластическая, предстают перед вами в разнообразном поведении деформации после приложения напряжения. Например, вы можете обнаружить, что желательно иметь упругую деформацию в пружинах, в то время как другой тип деформации может привести к разрушению материала в критических конструкциях. 
• Сжимающее напряжение — это сила, которая приводит к деформации материала, в результате чего происходит уменьшение его объема. Более высокий уровень сжимающего напряжения обычно приводит к разрушению материала из-за напряжения. Вы можете увидеть этот тип напряжения, используемого в строительстве для удержания объектов вместе. Например, представьте, что вы строите мост. Вы бы использовали сжимающее напряжение, чтобы удерживать его вместе во время строительства
• С другой стороны, объемная деформация — это изменение образца горной породы, когда он подвергается внешней нагрузке, и относится к пропорции изменения объема к исходному объему образца горной породы. Вы можете обнаружить этот тип деформации, выделяющий деформацию сжатия после σ cd и до деформации дилатансии и σ c d. 

Связь между причиной и следствием

• Вы обнаружите, что напряжение действует как причина, возникающая, если внешние силы воздействуют на материал. Напряжение в основном представляет собой внутреннее сопротивление, оказываемое материалом, в отличие от деформации, вызванной выполнением нагрузки. Напряжение заставляет материал изменять свою форму или деформироваться, а также влияет на его механические свойства, прочность и жесткость. Вы можете увидеть разрушение материала или даже постоянную деформацию, если напряжение слишком велико. Самое главное, коррозия, усталость и другие типы деградации материала с течением времени также вызваны напряжением. 
• С другой стороны, если мы видим эффект деформации, он поддается исправлению, поскольку вы можете видеть, как материал возвращается к своей первоначальной форме, когда нагрузка вытягивается. Пластическая деформация может иметь место, если деформация превышает предел упругости, что приводит к постоянному изменению формы материала. Существует меньше шансов на разрушение материала, который вы можете использовать, даже при чрезмерной деформации. Деформация вызывает изменение свойств других материалов, включая теплопроводность, электропроводность и магнитную восприимчивость. 

Физическое поведение и пределы безопасности

• Напряжение может привести к изменению формы материала, растяжению, сжатию или скручиванию. Напряжения — это математически интерпретируемые величины, они измеряются через деформации и не могут быть рассчитаны напрямую. Согласно закону Гука, они пропорциональны деформациям в пределах предела упругости материала. Инженеры и вы можете включить запасы прочности, чтобы избежать достижения пластического диапазона на основе максимально допустимого напряжения. 
• Вы всегда можете обнаружить деформации как физически обнаруживаемые. Они объясняются как «изменение размеров, деленное на фактический размер». Вы можете измерить деформации либо напрямую, приняв датчики деформации, либо измеряя через смещение. По сути, напряжения возникают в теле, когда оно подвергается нагрузке, которая в конечном итоге создает деформации. Вы можете увидеть деформацию либо в пластической, либо в упругой форме. 
• Различные материалы ведут себя по-разному при воздействии деформации и напряжения. Например, под действием напряжения пластичные металлы, такие как сплавы и нержавеющая сталь, склоняются к текучести, а затем деформируются, в то время как деликатные металлы, такие как высокоуглеродистые стали, с большей вероятностью сломаются при номинальной пластической деформации. В противоположность этому, поведение полимеров под действием напряжения-деформации совершенно иное.  

Применимость напряжений и деформаций

• Напряжение будет применимо, если тело в контакте представляет собой твердое вещество, такое как металл. Каждый металл обладает способностью к давлению, за пределами которой он навсегда теряет свою прочность на растяжение и форму. 
• В противоположность этому, вы часто будете обнаруживать деформацию, применимую к эластичным веществам, включая полосы резины. Деформация является основной причиной растяжения вещества за пределы его стандартной длины, и оно восстанавливается, когда сила снимается. Вы также можете назвать это его упругим свойством. Величину деформации, которую испытывает вещество, можно проиллюстрировать в виде отношения деформации, которое равно длине растяжения/фактической длине. Повторение растяжения приведет к тому, что вещество потеряет свою эластичность. 

Заключение

Все идеи, которые нужно иметь в виду, позволяют вам понять фундаментальные концепции напряжения и деформации, различать их на основе их свойств и получать наилучший ответ при работе с ними. Это также расширяет ваши знания относительно их промышленного применения. Помните, что понимание поведения напряжения и деформации поможет вам в обеспечении стандартов безопасности и производительности безопасности. Кроме того, это помогает вам повысить надежность и долговечность конструкций и изделий в различных отраслях промышленности.