Krzywa nacisku-wymiany: wyjaśnienie modulu Younga, punktu wydania i trwałości

Czytanie krzywej od lewej do prawej

Naciągnij próbkę testową i zanotuj siłę w stosunku do rozciągnięcia, normalizowanego do nacisku (siła na oryginalną powierzchnię przekroju, σ = F/A₀) oraz deformacji (względne rozciągnięcie, ε = ΔL/L₀), a otrzymasz krzywą, która opisuje prawie całą historię inżynierską materiału w jednym obrazie.

stress   sigma = F / A0        (Pa, or MPa for structural metals)
strain   epsilon = (L - L0) / L0    (dimensionless, often given as %)

Hooke's law (elastic region only):   sigma = E * epsilon
E = Young's modulus (slope of the initial straight-line region)

Region elastyczny i moduł Younga

Na niskich naprężeniach krzywa jest prosta i materiał podlega prawu Hooke’a: ciśnienie jest proporcjonalne do deformacji, a usunięcie obciążenia powoduje powrotny do oryginalnej formy próby. Kąt nachylenia tej prostej to moduł Younga, E — wewnętrzna sprężystość materiału, niezależna od rozmiaru próbki. Stal (E ≈ 200 GPa) jest około trzy razy spręższa niż aluminium (E ≈ 70 GPa), dla tego samego obciążenia, co wyjaśnia dlaczego taka sama ilość obciążenia krzyżuje się znacząco bardziej stalową pręt niż pręt z taką samą wielkością aluminium.

Yield: punkt niezwrotu

Po przejściu punktu wydajności materiał zaczyna się deformować plasticznie — na poziomie atomowym poprzez ruch dezlokacji przez strukturę krystaliczną — i usunięcie obciążenia już nie wraca go do pierwotnej formy. Wydajność wydajnościowa jest zazwyczaj zdefiniowana jako nacisk, w którym materiał akumuluje małą stałą deformację (zwykle 0,2%) poza linijką elastyczną, ponieważ wiele rzeczywistych materiałów nie pokazuje ostrego i wyraźnego skrętu na punkcie wydajności; inżynierowie projektują struktury tak, aby pozostawać poniżej tego nacisku z marginesem bezpieczeństwa, ponieważ przekroczenie go oznacza stałą deformację nawet po usunięciu obciążenia.

Zakurzanie i nacięcie

Po przekroczeniu granicy wytrzymałości, glebokie metale zazwyczaj nadal zyskują siłę ze wzrostem deformacji — zakurzanie — ponieważ rosnąca sieć dezlokacji sprawia, że dalsza plastyczna deformatywa staje się coraz trudniejsza. Do momentu osiągnięcia maksimum krzywej, czyli siły tensji końcowej, deformacja lokalizuje się w zrównywanej przekroju nacięcia. Ponieważ prawdziwa siła jest ilorazem siły przez bieżącą powierzchnię, podczas gdy nominalna inżynieryjna siła (jeszcze dzielona przez oryginalną powierzchnię) wydaje się maleć ze względu na zrównywany przekrój, napięcie wewnątrz nacięcia nadal wzrasta. Specyment zdeformowany — rozpad — kończy się na końcu widocznej krzywej.

Trwałość: pole pod krzywą

Trwałość to cała energia, którą materiał absorbuje przed zniszczeniem, pomiarowana jako pole pod całym wykresem nacisku-wymiany — łącząc siłę materiału z tym, jak wiele może się deformować przed zniszczeniem. Stąd różnica i czasami przeciwność właściwości trwałości (trwałość) i sprężystości (E): materiał może być bardzo sprężysty, ale łupiasty (wysoka E, małe pole — szkło, ceramiki, żelaznik), lub porównywalnie miękkie, ale bardzo trwałe (niska E, duży obszar z dużego plastycznego rozciągnięcia — wiele stali konstrukcyjnych, większość polimerów powyżej temperatury przekładu szklowego).

Pięć materiałów, pięć osobowości

Stal strukturalna pokazuje długi, płaski podziałekowy plaet, który następuje po nacisku i dalszej twardej fazie z widocznym szykingiem — klasyczne zachowanie elastyczne. Aluminiowe stały mają niższy, wolniejszy podziałek z mniej twardej fazy. Łukowa stahl i ceramiki prawie nie deformują się plastycznie przed rozcięciem blisko granic elasticznej — zachowanie sztywne, niski mocowalność, choć czasami wysoka siła. Opony i inne elastomerowe materiały pokazują całkowicie odwrotną kształt: długi, bardzo nieliniowy obszar elasticzny, który może rozciągnąć się o setki procentów i nadal wrócić do pierwotnej formy, rządzony mechanikami polymerowych łańcuchów entropiowych zamiast atomowymi wiązań, które rządzą małym deformacjami elasticznymi metali.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Stress-Strain Curve i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.