Stres
Każdy element, niezależnie od tego, czy jest prosty czy złożony, musi przenosić lub wytrzymywać obciążenie mechaniczne. Obciążenie może być jednym z następujących typów: obciążenie stałe ("martwe" obciążenie); obciążenie zmienne, z powolnymi lub szybkimi zmianami wielkości ("żywe" obciążenie); obciążenie przyłożone nagle ("szokowe" obciążenie); lub obciążenie wynikające z uderzenia. Stres jest formą obciążenia, które może być przyłożone do elementu.
Definicja Stresu
Kiedy metal jest poddany obciążeniu (siła), jest zniekształcany lub deformowany, niezależnie od tego, jak wytrzymały jest metal lub jak lekkie jest obciążenie. Jeśli obciążenie jest małe, zniekształcenie prawdopodobnie zniknie po usunięciu obciążenia. Intensywność lub stopień zniekształcenia jest znany jako odkształcenie. Jeśli zniekształcenie znika i metal wraca do swoich pierwotnych wymiarów po usunięciu obciążenia, odkształcenie nazywa się odkształceniem sprężystym. Jeśli zniekształcenie pozostaje i metal nie wraca do pierwotnych wymiarów, typ odkształcenia nazywa się odkształceniem plastycznym. Odkształcenie jest omówione bardziej szczegółowo w innym artykule saVRee.
Kiedy obciążenie jest przyłożone do metalu, sama struktura atomowa jest odkształcana, będąc ściskana, zniekształcana lub rozciągana w procesie. Atomy tworzące metal są ułożone w określony wzór geometryczny, specyficzny dla danego metalu lub stopu, i są utrzymywane w tym wzorze przez siły międzyatomowe. Gdy są tak ułożone, atomy są w stanie minimalnej energii i mają tendencję do pozostawania w tym układzie. Praca musi być wykonana na metalu (to znaczy, energia musi być dodana), aby zniekształcić wzór atomowy (praca jest równa sile pomnożonej przez odległość, na którą siła działa).
Stres jest wewnętrznym oporem lub przeciwdziałaniem materiału wobec zniekształcających efektów zewnętrznej siły lub obciążenia. Te przeciwdziałania mają tendencję do przywracania atomów do ich normalnych pozycji. Całkowity opór rozwinięty jest równy zewnętrznemu obciążeniu. Ten opór jest znany jako stres.
Chociaż niemożliwe jest zmierzenie intensywności tego stresu, można zmierzyć zewnętrzne obciążenie i obszar, do którego jest przyłożone. Stres (σ) można porównać do obciążenia na jednostkę powierzchni lub siły (F) przyłożonej na przekrój poprzeczny (A) prostopadły do siły, jak pokazano w poniższym równaniu.
gdzie:
σ = stres (psi lub funty siły na cal kwadratowy)
F = przyłożona siła (funty)
A = przekrój poprzeczny (cal kwadratowy)
Uwaga
Jednostką imperialną siły jest funt-siła (lbf), która różni się od funt-masy (lb) w zależności od wpływu grawitacji. Na planecie Ziemia funt-siła jest prawie dokładnie taka sama jak funt-masa. Dla uproszczenia, jednostki funt-masa (lb) będą używane we wszystkich pokazanych obliczeniach.
Jednostką SI siły jest Newton. Stres jest wyrażany w Newtonach na metr kwadratowy (N/m2).
Rodzaje Stresu
Stresy występują w każdym materiale, który jest poddany obciążeniu lub jakiejkolwiek przyłożonej sile. Istnieje wiele rodzajów stresów, ale można je ogólnie sklasyfikować w jednej z sześciu kategorii: stresy resztkowe, stresy strukturalne, stresy ciśnieniowe, stresy przepływowe, stresy termiczne i stresy zmęczeniowe.
Stresy Resztkowe
Stresy resztkowe są wynikiem procesów produkcyjnych, które pozostawiają stresy w materiale. Spawanie pozostawia stresy resztkowe w spawanych metalach.
Stresy Strukturalne
Stresy strukturalne są stresami wytwarzanymi w elementach konstrukcyjnych z powodu ciężarów, które podtrzymują. Ciężary te dostarczają obciążeń. Te stresy występują w fundamentach budynków i ramach, a także w częściach maszyn.
Stresy Ciśnieniowe
Stresy ciśnieniowe są stresami indukowanymi w naczyniach zawierających materiały pod ciśnieniem. Obciążenie jest dostarczane przez tę samą siłę, która wytwarza ciśnienie.
Stresy Przepływowe
Stresy przepływowe występują, gdy masa płynącego płynu indukuje dynamiczne ciśnienie na ścianie przewodu. Siła płynu uderzającego w ścianę działa jako obciążenie. Ten typ stresu może być stosowany w sposób niestabilny, gdy przepływy się zmieniają. Scenariusz młota wodnego jest przykładem przejściowego stresu przepływowego.
Stresy Termiczne
Stresy termiczne istnieją zawsze, gdy w materiale występują gradienty temperatury. Różne temperatury powodują różne rozszerzenia i poddają materiały wewnętrznemu stresowi. Ten typ stresu jest szczególnie zauważalny w mechanizmach pracujących w wysokich temperaturach, które są chłodzone przez zimny płyn.
Stresy Zmęczeniowe
Stresy zmęczeniowe są wynikiem cyklicznego przyłożenia stresu. Stresy te mogą być wynikiem wibracji lub cykli termicznych.
Znaczenie wszystkich stresów wzrasta, gdy materiały je podtrzymujące są wadliwe. Wady mają tendencję do dodawania dodatkowego stresu do materiału. Również, gdy obciążenia są cykliczne lub niestabilne, stresy mogą bardziej dotkliwie wpływać na materiał. Dodatkowe stresy związane z wadami i cyklicznym obciążeniem mogą przekroczyć stres niezbędny do zniszczenia materiału.
Rodzaje Przyłożonego Stresu
Intensywność stresu wewnątrz ciała komponentu jest wyrażana jako jeden z trzech podstawowych typów wewnętrznego obciążenia. Są one znane jako rozciągający, ściskający i ścierający. Poniższy obrazek ilustruje różne rodzaje stresu. Matematycznie istnieją tylko dwa typy wewnętrznego obciążenia, ponieważ stres rozciągający i ściskający można uznać za pozytywne i negatywne wersje tego samego typu normalnego obciążenia.
Jednak w projektowaniu mechanicznym reakcja komponentów na dwa warunki może być tak różna, że lepiej i bezpieczniej jest traktować je jako oddzielne typy.
Jak pokazano na poniższym obrazku, płaszczyzna stresu rozciągającego lub ściskającego leży prostopadle do osi działania siły, z której pochodzi. Płaszczyzna stresu ścierającego leży w płaszczyźnie systemu sił, z którego pochodzi. Ważne jest, aby te różnice były wyraźnie zrozumiane zarówno w umyśle, jak i w sposobie wyrażania.
Rodzaje Przyłożonego Stresu
Stres Rozciągający
Stres rozciągający jest rodzajem stresu, w którym dwie sekcje materiału po obu stronach płaszczyzny stresu mają tendencję do rozciągania się lub wydłużania, jak pokazano na powyższym obrazku (Rozciągający).
Stres Ściskający
Stres ściskający jest odwrotnością stresu rozciągającego. Sąsiadujące części materiału mają tendencję do naciskania na siebie przez typową płaszczyznę stresu, jak pokazano na powyższym obrazku (Ściskający).
Stres Ścierający
Stres ścierający istnieje, gdy dwie części materiału mają tendencję do przesuwania się względem siebie w dowolnej typowej płaszczyźnie ścierania po przyłożeniu siły równoległej do tej płaszczyzny, jak pokazano na powyższym obrazku (Ścierający).
Ocena właściwości mechanicznych jest dokonywana poprzez analizę trzech podstawowych typów stresu. Ponieważ obciążenia rozciągające i ściskające wytwarzają stresy działające w poprzek płaszczyzny, w kierunku prostopadłym (normalnym) do płaszczyzny, stresy rozciągające i ściskające nazywane są stresami normalnymi. Skrócone oznaczenia są następujące.
Dla stresów rozciągających: "+SN" (lub "SN") lub "σ" (sigma)
Dla stresów ściskających: "-SN" lub "-σ" (minus sigma)
Zdolność materiału do reakcji na stres ściskający lub ciśnienie nazywa się ściśliwością. Na przykład metale i ciecze są nieściśliwe, ale gazy i pary są ściśliwe. Stres ścierający jest równy sile podzielonej przez powierzchnię twarzy równoległą do kierunku, w którym działa siła, jak pokazano na poprzednim obrazku (Ścierający).
Dwa rodzaje stresu mogą być obecne jednocześnie w jednej płaszczyźnie, pod warunkiem że jednym z tych stresów jest stres ścierający. W pewnych warunkach różne kombinacje podstawowych typów stresu mogą być jednocześnie obecne w materiale. Ściana naczynia ciśnieniowego ma stres rozciągający w różnych miejscach z powodu temperatury i ciśnienia płynu działającego na ścianę. Stres ściskający jest przyłożony z zewnątrz w innych miejscach na ścianie z powodu zewnętrznego ciśnienia, temperatury i ograniczenia podpór związanych z naczyniem. W tej sytuacji stresy rozciągające i ściskające są uważane za stresy główne. Jeśli jest obecny, stres ścierający będzie działał pod kątem 90° do stresu głównego.
Podsumowanie
Ważne informacje w tym rozdziale są podsumowane poniżej.
Podsumowanie Stresu
- Stres jest wewnętrznym oporem materiału wobec zniekształcających efektów zewnętrznej siły lub obciążenia.
- Istnieją trzy rodzaje stresu:
Stres rozciągający jest rodzajem stresu, w którym dwie sekcje materiału po obu stronach płaszczyzny stresu mają tendencję do rozciągania się lub wydłużania.
Stres ściskający jest odwrotnością stresu rozciągającego. Sąsiadujące części materiału mają tendencję do naciskania na siebie.
Stres ścierający istnieje, gdy dwie części materiału mają tendencję do przesuwania się względem siebie po przyłożeniu siły równoległej do tej płaszczyzny.
- Ściśliwość jest zdolnością materiału do reakcji na stres ściskający lub ciśnienie.