Кіріспе
Материалдың қолданылған күштерге жауабын көрсететін қисық. Инженерлік және материалтану ғылымдарында материалдың кернеу-деформация қисығы кернеу мен деформация арасындағы қатынасты көрсетеді. Ол сынақ үлгісіне жүктемені біртіндеп қолдану және деформацияны өлшеу арқылы алынады, одан кернеу мен деформацияны анықтауға болады (көтерілу сынағына қараңыз). Бұл қисықтар материалдың көптеген қасиеттерін ашады, мысалы, Янг модулі, беріктік шегі және максималды кернеу беріктігі.
In engineering and materials science, a stress–strain curve for a material gives the relationship between stress and strain. It is obtained by gradually applying load to a test coupon and measuring the deformation, from which the stress and strain can be determined (see tensile testing). These curves reveal many of the properties of a material, such as the Young's modulus, the yield strength and the ultimate tensile strength.
Анықтама
Жалпы алғанда, кез келген деформация түріндегі кернеу мен деформация арасындағы байланысты көрсететін қисықтарды кернеу-деформация қисықтары деп қарастыруға болады. Кернеу және деформация қалыпты, серпімді немесе аралас болуы мүмкін, сондай-ақ біртұтас, екіұштас немесе көпұштас болуы мүмкін, тіпті уақыт өте өзгеруі де мүмкін. Деформацияның түрлері қысу, созу, бұралу, иілу және тағы да басқалар болуы мүмкін. Егер басқаша көрсетілмесе, кернеу-деформация қисығы кернеу сынағында өлшенген материалдардың бойлық қалыпты кернеуі мен бойлық қалыпты деформациясы арасындағы қатынасты көрсетеді.
Инженерлік қысым мен ауытқу
Төмендегідей көлденең қима ауданы бар бірқалыпты таяққа тең және қарама-қарсы F күштері қолданылып, оны кернеуге ұшыратыңыз. Материал күштің таяқтың көлденең қима ауданына қатынасы ретінде анықталатын кернеуді, сондай-ақ осьтік созуды бастан кешіреді: +Eng. stress & strain equationsStressStrain Индекс 0 – сынаманың бастапқы өлшемдерін көрсетеді. Кернеудің СИ жүйесіндегі өлшем бірлігі – шаршы метрге ньютон немесе паскаль (1 паскаль = 1 Па = 1 Н/м2), ал деформацияның өлшем бірлігі жоқ. Бұл материал үшін кернеу-деформация қисығы сынаманы созу арқылы және сынама сынғанға дейін деформацияға қатысты кернеудің өзгеруін тіркеу арқылы салынады. Келісім бойынша, деформация көлденең оське, ал кернеу тік оське орналастырылады. Инженерлік мақсаттар үшін материалдың көлденең қима ауданының бүкіл деформация процесінде өзгермейді деп есептейміз. Бұл дұрыс емес, себебі серпімді және пластикалық деформация кезінде нақты аудан деформацияланғанда азаяды. Бастапқы көлденең қима және өлшеу ұзындығына сүйенген қисық инженерлік кернеу-деформация қисығы деп аталады, ал дереу көлденең қима ауданы мен ұзындығына сүйенген қисық нақты кернеу-деформация қисығы деп аталады. Басқаша көрсетілмесе, әдетте инженерлік кернеу-деформация қолданылады.
+Eng. stress & strain equationsStressStrain
Subscript 0 denotes the original dimensions of the sample. The SI derived unit for stress is newtons per square metre, or pascals (1 pascal = 1 Pa = 1 N/m2), and strain is unitless. The stress–strain curve for this material is plotted by elongating the sample and recording the stress variation with strain until the sample fractures. By convention, the strain is set to the horizontal axis and stress is set to vertical axis. Note that for engineering purposes we often assume the cross section area of the material does not change during the whole deformation process. This is not true since the actual area will decrease while deforming due to elastic and plastic deformation. The curve based on the original cross section and gauge length is called the engineering stress–strain curve, while the curve based on the instantaneous cross section area and length is called the true stress–strain curve. Unless stated otherwise, engineering stress–strain is generally used.
Кезеңдер
1-суретте бөлме температурасындағы төмен көміртекті болаттың кернеу-деформация қисығының схемасы көрсетілген. Әртүрлі механикалық қасиеттерді көрсететін әртүрлі мінез-құлық сатылары бар. Нақтырақ айтқанда, материалдар 1-суретте көрсетілген бір немесе бірнеше сатыларды өткізіп тастауы немесе мүлдем басқа сатыларды көрсетуі мүмкін.
Сызықтық иілгіш аймақ
Бірінші кезең – сызықтық серпімді аймақ. Кернеу деформацияға пропорционалды, яғни Гук заңына бағынады, ал еңісі – Янг модулі. Бұл аймақта материал тек серпімді деформацияға ұшырайды. Бұл кезеңнің соңы пластикалық деформацияның басталу нүктесін көрсетеді. Осы нүктенің кернеуі – беріктік шегі (немесе жоғарғы беріктік нүктесі, қысқаша UYP) деп аталады.
Қаттылықтан қатаю аймағы
Екінші кезең – сорылудан қатаю аймағы. Бұл аймақ беріктік шегінен асып, максималды беріктік нүктесіне жеткенде басталады, ол материалдың көтере алатын ең жоғары кернеу болып табылады және ең жоғары созылу беріктігі (UTS) деп аталады. Бұл аймақта материалдың ұзартылуымен бірге кернеу көбінесе артады, бірақ болат сияқты кейбір материалдарда бастапқыда дерлік тегіс аймақ байқалады. Тегіс аймақтың кернеуі төменгі беріктік шегі (LYP) ретінде анықталады және Людерс жолақтарының пайда болуы мен таралуының нәтижесі болып табылады. Нақтырақ айтқанда, гетерогенді пластикалық деформация жоғарғы беріктік шегінде жолақтарды құрайды, ал осы жолақтар деформациямен бірге төменгі беріктік шегінде үлгі бойымен таралады. Үлгі қайтадан біркелкі деформацияланғаннан кейін, созылу прогресімен кернеудің артуы жұмысқа байланысты нығайтудан туындайды, яғни пластикалық деформация нәтижесінде пайда болған тығыз дислокациялар дислокациялардың одан әрі қозғалысына кедергі келтіреді. Осы кедергілерді жеңу үшін жоғары шешілген серпімді кернеу қолданылуы керек. Деформация жинақталған сайын жұмысқа байланысты нығайту күшейеді, кернеу ең жоғары созылу беріктігіне жеткенше.
Жағалық аймағы
Үшінші кезең – мойынның пайда болу аймағы. Тартылу күшінен асып кеткенде, жергілікті көлденең қимасы орташа көлденең қимадан едәуір кішірейетін мойын пайда болады. Мойын деформациясы біртекті емес және кернеу кішкентай қимаға жиналған сайын күшейе түседі. Мұндай кері байланыс мойынның жылдам дамуына және сынаққа әкеледі. Тартқыш күш азайғанымен, материалдың нығайтылуы жалғаса беретінін ескеру керек, яғни, нақты кернеу өсуде, ал инженерлік кернеу кемиді, себебі қимасы кішірейген аудан ескерілмейді. Бұл аймақ сынақпен аяқталады. Сынақтан кейін созылудың проценттік көрсеткіші және қимасының азаюын есептеуге болады.
Жіктеу
Материалдардың әртүрлі топтарының кернеу-деформация қисықтарында ортақ белгілерді анықтауға болады, және осыған сүйене отырып, материалдарды екі негізгі категорияға бөлуге болады: яғни, пластикалық материалдар және хрупқақ материалдар.
Қисық материалдар
Жұмсақ материалдар, соның ішінде конструкциялық болат және көптеген басқа металдар, қалыпты температурада пластикалық деформацияға ұшырау қабілетімен сипатталады. Мысалы, төмен көміртекті болат әдетте анықталған шығым нүктесіне дейін өте сызықтық кернеу-деформация қатынасын көрсетеді. Сызықтық бөлігі – серпімділік аймағы, ал осы аймақтың еңісі – серпімділік модулі немесе Юнг модулі. Пластикалық ағын жоғарғы шығым нүктесінде басталып, төменгі шығым нүктесінде жалғасады. Жоғарғы шығым нүктесінің пайда болуы жүйедегі дислокациялардың тоқтауымен байланысты. Тұрақты деформация дислокациялар тоқтау нүктелерінен өтуге мәжбүр болғанда пайда болады. Бастапқыда бұл деформация сынама бойымен біркелкі таратылмайды. Осы процесте материал ішіндегі Коттрель атмосферасынан дислокациялар босап шығады. Соның салдарынан төменгі шығым нүктесінде сығу жолақтары пайда болып, Людерс деформациясына жетуге дейін тұрақты кернеу кезінде сынама ұзындығы бойынша таралады, деформация біркелкі болады. Людерс деформациясынан кейін кернеу кернеудің қатаюы салдарынан соңғы тартылу кернеуіне дейін артады. Бұл кезеңде пластикалық ағыстың икемділігіне байланысты (эластикалық құбылыс болып табылатын Пуассон эффектісінен емес) сынама ұзындығы бойынша көлденең қима ауданы біркелкі азаяды. Содан кейін мойынның пайда болуы басталады, ол жұмсақ материалдарға тән «стақан және конус» пішіндес сынумен аяқталады. Жұмсақ материалдарда мойынның пайда болуы жүйедегі геометриялық тұрақсыздықпен байланысты. Материалдың табиғи біртектілігі болмағандықтан, материалдың ішінде немесе бетінде кішігірім қоспалар немесе кеуектілік бар аймақтар кездеседі, онда деформация шоғырланып, көлденең қима ауданы жергілікті түрде азаяды. Деформация соңғы тартылу деформациясынан кем болғанда, осы аймақтағы жұмыс қатаю жылдамдығының артуы ауданның азаю жылдамдығынан жоғары болады, бұл аймақты деформациялауды қиындатады, тұрақсыздық жойылады, яғни материал соңғы тартылуға дейін біртектілігі артады. Алайда, одан кейін жұмыс қатаю жылдамдығы төмендейді, нәтижесінде кіші ауданы бар аймақ жақын орналасқан аймақтарға қарағанда әлсіз болады, сондықтан ауданның азаюы осы аймақта шоғырланады және мойын сынуға дейін айқын болады. Материалда мойын қалыптасқаннан кейін, қосымша пластикалық деформация мойында шоғырланады, ал материалдың қалған бөлігі созылу күшінің төмендеуіне байланысты серпімді жиырылуға ұшырайды. Жұмсақ материалдың кернеу-деформация қисығын Рамберг-Осгуд теңдеуімен жуықтауға болады. Бұл теңдеуді іске асыру оңай, ол материалдың шығымдылығын, соңғы шығымдылығын, серпімділік модулін және пайыздық созылуын ғана қажет етеді.
Қатты материалдар
Қатыр материалдар, мысалы, құйма темір, шыны және тас, сынудың ешқандай көзге көрінетін алдын ала созылу жылдамдығының өзгеруісіз пайда болады, кейде олар иімделуге үлкермей-ақ сынады. Бетон немесе көміртек талшығы сияқты қатыр материалдарда анық иімделу нүктесі болмайды және олар қатаймайды. Сондықтан, максималды және сындыру күші бірдей болады. Шыны сияқты қатыр материалдар пластикалық деформацияны көрсетпейді, бірақ деформация серпімді болғанда бұзылады. Қатыр сынудың бір ерекшелігі – екі сынған бөлікті қайта құрастырғанда бастапқы компоненттің түріне ұқсас пішінге қол жеткізуге болады, себебі созылмалы материалдардағыдай мойын пайда болмайды. Қатыр материалға тән кернеу-деформация қисығы сызықтық болады. Бетон сияқты кейбір материалдар үшін тартылу күші, қысылу күшімен салыстырғанда мардымсыз болып есептеледі және көптеген инженерлік есептеулерде нөлге тең деп қарастырылады. Шыны талшықтарының тартылу күші болаттан артық, бірақ жаппай шыныда мұндай күш жоқ. Бұл материалдағы ақаулармен байланысты кернеудің қарқындылық факторына байланысты. Үлгінің мөлшері артқан сайын, ең ірі ақаудың күтілетін мөлшері де артады.