当材料在外力作用下不能产生位移时,它的几何形状和尺寸将发生变化,这种形变就称为应变新年新气象下一句(Strain)。材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力,把分布内力在一点的集度称为应力(Stress交通安全板报),应力与微面积的乘积即为内力,或物体由于外因(受力、温度变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。
目录
1分布
2定义
3分类
4线应变
5切应变
6应变状态
7测量工具
8计算
9区别
10危害
11应力消除
1分布
应力分布是指物质在外力作用的反应,表现为外力作用导致物体变形时,物体内部每一点与相邻点之间通过力进行相互作用的强度。对于材料科学来说,物体应力分布是一个重要参数。大至楼房、桥梁、公路,小到一根针尖的设计,都要清楚明白应力分布,才能做出合适的设计,否则桥梁可能因为承重不当而塌毁,针尖可能因为挤压过度而碎裂。
2定义
应力定义为“单位面积上所承受的附加内力”。公式记为σ=ΔFj/ΔAi
其中,σ表示应力;ΔFj 表示在j 方向的施力;ΔAi 表示在i 方向的受力面积。
因为力是矢量,如果受力面积与施力方向相互正交则称正应力,如图1所示的σx 与σy;如果受力面积与施力方向平行则称剪应力(shear stress),如图1所示的τxy 与τyx。
“内应力”指组成单一构造的不同材质之间,因材质差异而导致变形方式的不同,继而产生的各种应力。
当材料在外力作用下而又不产生惯性移动时,它的几何形状和尺寸将发生变化,这种形变就称为应变(Strain)。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力.把分布内力在一点的集度称为应力(Stress),应力与微面积的乘积即微
正向应力与剪应力
内力.或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力(Stress)。按照应力和应变的方向关系,可以将应力分为正应力σ 和切应力τ,正应力的方向与应变方向平行,而切应力的方向与应变方向垂直。按照载荷(Load)作用的形式不同,应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。
3分类
正向应力与剪应力
同截面垂直的称为正应力或法向应力,同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长,对于某一种材料,应力的增长是有限度的,超过这一限度,材料就要破坏。对某种材料来说,应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低,规定出材料能安全工作的应力最大值,这就是许用应力。材料要想安全使用,在使用时其内的应力应低于它的极限应力,否则材料就会在使用时发生破坏。
有些材料在工作时,其所受的外力不随时间而变化,这时其内部的应力大小不变,称为静应力;还有一些材料,其所受的外力随时间呈周期性变化,这时内部的应力也随时间呈周期性变化,称为交变应力。材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时,破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大,这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料,应力集中将大大降低构件的强度,这在构件的设计时应特别注意。
物体受力产生变形时,体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体,比较变形前后单元体大小和形状的变化。
单位:Pa,Psi
张应力与压应力
压应力 一个圆柱体两端受压,那么沿着它轴线方向的应力就是压应力。压应力就是指使物体有压缩趋势的应力。 不仅仅物体受力引起压应力,任何产生压缩变形的情况都会有,包
括物体膨胀后。 另外,如果一根梁弯曲,不管是受力还是梁受热不均而引起弯曲,等等,弯曲内侧自然就受压应力,外侧就受拉应力。 单位面积上得 压力就是压应力 安全评估单位是 Pa 压应力=F/A 正应力(张应力) 杆件截面上的分布内力集度称为应力。
应力是受力杆件某一截面上的某一点处的内力集度。(以上摘自材料力学1 第四版 孙训方)
垂直于截面的应力分量称为正应力(或法向应力,用σ表示;相切于截面的应力分量称为剪应力或切应力,用τ表示。
应力的单位为Pa。
1 Pa=1 N/m2
工程实际中应力数值较大,常用MPa或GPa作单位
1 MPa=1e6Pa (十的六次方)
1 GPa=1e9Pa (十的九次方)[1]
4线应变
在直角坐标中所取单元体为正六面体时,三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量
与原长之比,定义为线应变,用ε表示。一点在x、y、z方向的线应变分别为εx、εy、εz。线应变以伸长为正,缩短为负。
5切应变
单元体的两条相互垂直的棱边,在变形后的直角改变量,定义为角应变或切应变,用γ表示。一点在x-y方向、y-z方向z-x方向的切应变,分加别为γxy、γyz、γzx。切应变以直角减少为正,反之为负。
6应变状态
一点的应变分量εx、εy、εz、γxy、γyz、努力的名人故事γzx已知时,在该点处任意方向的线应变,以及通过该点任意两线段间的直角改变量,都可根据应变分量的坐标变换公式求出。该点的应变状态也就确定。
表示一点应变状态的各应变分量εx、εy、εz、γxy、γyx、γyzγzy、γzx、γxz组成的应变张量,即
式中 右边的张量中的切应变用εxy、εxz、---表示,适用于使用张量的附标标号的表示法;
左边张量中的切应变用γxy、γxz、---表示,是工程习惯表示法。
二者概念相同,大小相差一倍。应变张量也是二阶对称量,其中切应变分量ε往复运动xy=εyx
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7测量工具
应力仪或者应变仪是来测定物体由于内应力的仪器。一般通过采集应变片的信号,而转化为电信号进行分析和测量。
方法是:将应变片贴在被测定物上,使其随着被测定物的应变一起伸缩,这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理,通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金,其电阻变化率为常数,与应变成正比例关系。
通过惠斯通电桥,便可以将这种电阻的比例关系转化为电压。然后不同的仪器,可以将这种电压的变化转化成可以测量的数据。
对于应力仪或者应变仪,关键的指标有: 测试精度,采样速度,测试可以支持的通道数,
动态范围,支持的应变片型号等。并且,应力仪所配套的软件也至关重要,需要能够实时显示,实时分析,实时记录等各种功能,高端的软件还具有各种信号处理能力。
另外,有一些仪器是通过光谱,膜片等原理设计的。
8计算
应力是在它所作用面积上的力,用kgf/mm^2表示。在米制单位中,用千帕(kPa)或兆帕(MPa)表示,如图4所示。
信心的英文应力的计算
如图:
9区别
应力(载荷)施加于物体将产生应变(变形)。应变是被测试材料尺寸的变化率,它是加载后应力引起的尺寸变化。由于应变是一个变化率,所以它没有单位。
10危害
开裂
因为应力的存在,在受到外界作用后(如移印时接触到化学溶剂或者烤漆后端时高温烘烤),会诱使应力释放而在应力残留位置开裂。开裂主要集中在浇口处或过度填充处。
翘曲及变形
因为残留应力的存在,因此产品在室温时会有较长时间的内应力释放或者高温时出现短时间内残留应力释放的过程,同时产品局部存在位置强度差,产品就会在应力残留位置产生翘曲或者变形问题。
产品尺寸变化
因为应力的存在,在产品放置或后处理的过程中,如果环境达到一定的温度,产品就会因应力释放而发生变化。
11应力消除
1.自然时效消除残余应力
公式
自然时效时通过把零件暴露于室外,经过几个月至几年的时间,使其尺寸精度达到稳定的
一种方法。大量的试验研究和生产实践证明,自然时效具有稳定铸件尺寸精度的良好效果。
然而,经过自然时效的工件,其残余应力的变化并不明显,由图3-1可见,铸件试样放置一年以后,残余应力仅降低2-10%;实测机床床身残余应力的结果表明,进行为期一年的自然时效后,最大残余应力由80N/mm降至70N/mm平均残余应力由38N/mm降至30N/mm,即仅仅降低了大约台帐10-20%。由此可见,经自然时效后已停止变形的铸件,仍然残存着相当大的残余应力。对于那些使用时需承受很大载荷的铸件,当在较高残余应力上再叠加使用应力时就有可能影响铸件的使用性能,因此必须慎重考虑是否应该采用这种时效方法。
2.热时效法
最传统、也是目前最普及的方法——热时效法,把工件放进热时效炉中进行热处理,慢慢消除应力。这种方法的缺点也非常显著,比如卫星制造厂对温度控制要求非常严格的铝合金工件以及长达十米或者更大的巨型工件都无法用这种方法处理。而且这种方法还带来了大量的污染和能源消耗,随着中国及世界范围内对环保的进一步要求,热时效炉的处理方式马上面临全面退出的境地。
3.利用亚共振来消除应力
这种方法虽然解决了热时效的环保问题,但是使用起来相当烦琐,要针对不同形状的工件编制不同的时效工艺,如果有几百上千种工件就要编几百上千种工艺,而且在生产时操作相当复杂,需要操作者确定处理参数,复杂工件必须是熟练的专业技术人员才能操作。更令人遗憾的是这种方法只能消除23%的工件应力,无法达到处理所有工件的目的。
4.振动时效去除应力
振动时效技术,国外称之为"Vibrating Stress Relief"(简称"VSR"),旨在通过专用的振动时效设备,使被处理的工件产生共振,并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件所有部位,使工件内部发生微观的塑性变形—被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。位错重新滑移并钉扎,最终使残余应力得到消除和均化,从而保证了工件尺寸精度的稳定性。
振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力,当附加动应力与残余应力叠加后,达到或超过材料的屈服极限时,工件发生微观或宏观塑性变形,从而降低和均化工件内部的残余应力,并使其尺寸精度达到稳定。