Odkształcenie
Gdy występuje naprężenie, odkształcenie również będzie obecne. W tym artykule omówimy dwa rodzaje odkształceń.
Definicja Odkształcenia
W kontekście zastosowania metali w inżynierii mechanicznej, stan naprężenia zwykle występuje w dużej objętości materiału. Reakcja struktury atomowej ujawnia się w skali makroskopowej. Dlatego, gdy tylko naprężenie (bez względu na jego wielkość) zostanie przyłożone do metalu, musi nastąpić proporcjonalna zmiana wymiarowa lub deformacja.
Taka proporcjonalna zmiana wymiarowa (intensywność lub stopień deformacji) nazywana jest odkształceniem i jest mierzona jako całkowite wydłużenie na jednostkę długości materiału w wyniku przyłożonego naprężenia. Równanie poniżej ilustruje tę proporcję lub deformację.
gdzie:
ε = odkształcenie (in./in.)
δ = całkowite wydłużenie (in.)
L = pierwotna długość (in.)
Należy zauważyć, że równoważne jednostki SI do cali to milimetr, centymetr i metr.
Rodzaje Odkształceń
Odkształcenie może przybierać dwie formy: odkształcenie sprężyste i odkształcenie plastyczne.
Odkształcenie Sprężyste
Odkształcenie sprężyste to przejściowa zmiana wymiarowa, która istnieje tylko podczas stosowania naprężenia i znika natychmiast po jego usunięciu. Odkształcenie sprężyste nazywane jest również deformacją sprężystą. Przyłożone naprężenia powodują, że atomy w krysztale przesuwają się ze swojej pozycji równowagi. Wszystkie atomy są przesunięte o tę samą ilość i nadal zachowują swoją względną geometrię. Po usunięciu naprężeń wszystkie atomy wracają do swoich pierwotnych pozycji i nie występuje trwała deformacja.
Odkształcenie Plastyczne
Odkształcenie plastyczne (lub deformacja plastyczna) to zmiana wymiarowa, która nie znika po usunięciu naprężenia. Zwykle towarzyszy mu pewne odkształcenie sprężyste.
Zjawisko odkształcenia sprężystego i plastycznego w materiale nazywane jest odpowiednio sprężystością i plastycznością.
W temperaturze pokojowej większość metali ma pewną sprężystość, która objawia się natychmiast po przyłożeniu najmniejszego naprężenia. Zwykle posiadają one również pewną plastyczność, ale może to nie być widoczne, dopóki naprężenie nie zostanie znacznie zwiększone. Wielkość odkształcenia plastycznego, gdy już się pojawi, jest prawdopodobnie znacznie większa niż odkształcenia sprężystego dla danego przyrostu naprężenia. Metale prawdopodobnie wykazują mniejszą sprężystość i większą plastyczność w podwyższonych temperaturach. Kilka czystych metali nie stopowych (szczególnie aluminium, miedź i złoto) wykazuje niewielką, jeśli w ogóle, sprężystość, gdy są naprężane w stanie wyżarzonym (podgrzewane, a następnie powoli chłodzone, aby zapobiec kruchości) w temperaturze pokojowej, ale wykazują wyraźną plastyczność. Niektóre metale nie stopowe i wiele stopów wykazuje wyraźną sprężystość w temperaturze pokojowej, ale brak plastyczności.
Stan naprężenia tuż przed pojawieniem się odkształcenia plastycznego nazywany jest granicą proporcjonalności lub granicą sprężystości i jest definiowany przez poziom naprężenia i odpowiadającą mu wartość odkształcenia sprężystego. Granica proporcjonalności jest wyrażana w funtach na cal kwadratowy w jednostkach imperialnych lub w niutonach na metr kwadratowy w jednostkach metrycznych. Dla intensywności obciążenia przekraczających granicę proporcjonalności, deformacja składa się zarówno z odkształceń sprężystych, jak i plastycznych.
Jak wspomniano wcześniej w tym artykule, odkształcenie mierzy proporcjonalną zmianę wymiarową bez przyłożonego obciążenia. Takie wartości odkształcenia są łatwo określane i przestają być wystarczająco dokładne tylko wtedy, gdy odkształcenie plastyczne staje się dominujące.
Kiedy metal doświadcza odkształcenia, jego objętość pozostaje stała. Dlatego, jeśli objętość pozostaje stała, gdy zmienia się wymiar na jednej osi, to wymiary co najmniej jednej innej osi muszą się również zmienić. Jeśli jeden wymiar się zwiększa, inny musi się zmniejszać. Na przykład, kształt może zmieniać się z krótkiego i grubego na długi i cienki, ale objętość pozostaje taka sama. Istnieje kilka wyjątków. Na przykład, utwardzanie przez odkształcenie polega na absorpcji energii odkształcenia w strukturze materiału, co skutkuje zwiększeniem jednego wymiaru bez kompensacyjnego zmniejszenia innych wymiarów. Powoduje to zmniejszenie gęstości materiału i zwiększenie objętości.
Jeśli do materiału przyłożone jest obciążenie rozciągające, materiał wydłuży się na osi obciążenia (prostopadle do płaszczyzny naprężenia rozciągającego), jak pokazano na poniższym obrazku (Rozciąganie). Odwrotnie, jeśli obciążenie jest ściskające, wymiar osiowy zmniejszy się, jak pokazano na poniższym obrazku (Ściskanie). Jeśli objętość jest stała, musi nastąpić odpowiednie boczne skurczenie lub rozszerzenie. Ta boczna zmiana będzie miała stały związek z odkształceniem osiowym. Związek, lub stosunek, odkształcenia bocznego do osiowego nazywany jest współczynnikiem Poissona na cześć jego odkrywcy. Zwykle symbolizuje się go literą ν.
Zmiana Kształtu Cylindra Pod Naprężeniem
Deformacja Struktur Sześciennych
To, czy materiał może ulegać deformacji plastycznej przy niskich naprężeniach, zależy od jego struktury krystalicznej. Łatwiej jest płaszczyznom atomów przesuwać się względem siebie, jeśli te płaszczyzny są gęsto upakowane. Dlatego struktury krystaliczne z gęsto upakowanymi płaszczyznami pozwalają na większą deformację plastyczną niż te, które nie są gęsto upakowane. Ponadto, struktury krystaliczne sześcienne pozwalają na łatwiejsze przesuwanie się niż niesześcienne; wynika to z ich symetrii, która zapewnia gęsto upakowane płaszczyzny w kilku kierunkach. Większość metali składa się z kryształów sześciennych przestrzennie centrowanych (BCC), sześciennych ściennie centrowanych (FCC) lub heksagonalnych gęsto upakowanych (HCP). Struktura krystaliczna sześcienna ściennie centrowana będzie się deformować łatwiej pod obciążeniem przed złamaniem niż struktura sześcienna przestrzennie centrowana.
Krystaliczna struktura BCC, choć sześcienna, nie jest gęsto upakowana i tworzy mocne metale. α-żelazo (forma żelaza zwana żelazem 'alfa') i wolfram mają formę BCC. Struktura FCC jest zarówno sześcienna, jak i gęsto upakowana, i tworzy bardziej plastyczne materiały. Srebro, złoto i ołów mają strukturę FCC. Wreszcie, struktury HCP są gęsto upakowane, ale nie sześcienne. Metale HCP, takie jak kobalt i cynk, nie są tak plastyczne jak metale FCC.
Podsumowanie
Ważne informacje z tego rozdziału są podsumowane poniżej.
Podsumowanie Odkształceń
- Odkształcenie to proporcjonalna zmiana wymiarowa, lub intensywność lub stopień deformacji, w materiale pod naprężeniem.
- Odkształcenie plastyczne to zmiana wymiarowa, która nie znika po usunięciu naprężenia.
- Granica proporcjonalności to ilość naprężenia tuż przed punktem (progiem), w którym zaczyna się pojawiać odkształcenie plastyczne, lub poziom naprężenia i odpowiadająca mu wartość odkształcenia sprężystego.
- Istnieją dwa rodzaje odkształceń:
Odkształcenie sprężyste to przejściowa zmiana wymiarowa, która istnieje tylko podczas stosowania naprężenia i znika natychmiast po jego usunięciu.
Odkształcenie plastyczne (deformacja plastyczna) to zmiana wymiarowa, która nie znika po usunięciu naprężenia.