» » » » » » Rezistența materialelor

Rezistența materialelor

postat în: Materia | 0

Rezistența materialelor, numită și mecanica materialelor, este un subiect care abordează comportamentul obiectelor solide supuse stresurilor și tensiunilor. Teoria completă a început cu luarea în considerație a comportamentului unidimensional și bidimensional a structurilor, ale căror stări de stres pot fi aproximate în două dimensiuni, și apoi au fost generalizate la trei dimensiuni pentru a dezvolta o teorie mai completă a comportamentului elastic și plastic al materialelor. Un pionier important în mecanica materialelor a fost Stephen Timoshenko.

Studiul rezistenței materialelor se referă adesea la diferite metode de calcul al eforturilor și tensiunilor din elementele structurale, cum ar fi grinzile, coloanele și arborii. Metodele utilizate pentru a prezice răspunsul unei structuri sub încărcare și susceptibilitatea sa la diferite moduri de defectare iau în considerare proprietățile materialelor, cum ar fi rezistența la curgere, rezistența finală, modulul Young și raportul Poisson; în plus, sunt luate în considerare proprietățile macroscopice ale elementelor mecanice (proprietățile geometrice), cum ar fi lungimea, lățimea, grosimea, constrângerile de margine și modificările abrupte ale geometriei, cum ar fi găurile.

Definiție

În mecanica materialelor, rezistența materialului este capacitatea sa de a rezista unei sarcini aplicate fără defecțiuni sau deformări plastice. Domeniul rezistenței materialelor se ocupă de forțele și de deformările care rezultă din acționarea lor pe un material. O sarcină aplicată unui element mecanic va induce forțe interne în interiorul elementului numite solicitări atunci când forțele sunt exprimate pe o bază unitară. Tensiunile care acționează asupra materialului cauzează deformarea materialului în diferite moduri, inclusiv ruperea completă a acestuia. Deformarea materialului se numește solicitare atunci când și aceste deformări sunt plasate pe o bază unitară. Sarcini aplicate pot fi axiale (tracțiune sau compresiune) sau rotație (forfecare). Tensiunile și solicitările care se dezvoltă în cadrul unui element mecanic trebuie să fie calculate pentru a evalua capacitatea de încărcare a elementului respectiv. Aceasta necesită o descriere completă a geometriei elementului, a constrângerilor acestuia, a sarcinilor aplicate elementului și a proprietăților materialului din care este compus elementul. Cu o descriere completă a încărcării și a geometriei elementului, se poate calcula starea de stres și starea de întindere în orice punct al elementului. Odată ce starea de stres și solicitarea în cadrul elementului sunt cunoscute, se poate calcula rezistența (capacitatea de suportare a încărcării), deformările (calitățile rigidității) și stabilitatea acestuia (capacitatea de a-și menține configurația inițială). Stresurile calculate pot fi apoi comparate cu o anumită măsură a rezistenței elementului, cum ar fi randamentul materialului sau rezistența maximă. Deformarea calculată a elementului poate fi comparată cu un criteriu de deformare care se bazează pe utilizarea elementului. Sarcina calculată la încovoiere a elementului poate fi comparată cu sarcina aplicată. Rigiditatea calculată și distribuția masică a elementului pot fi folosite pentru a calcula răspunsul dinamic al elementului și apoi pentru a compara cu mediul acustic în care acesta va fi utilizat.

Rezistența materialelor se referă la punctul de pe curba inginerească de încercare la tracțiune (limita de elasticitate), dincolo de care materialul suferă deformări care nu vor fi complet reversibile după îndepărtarea sarcinii și, ca urmare, elementul va avea o deformare permanentă. Rezistența ultimă a materialului se referă la valoarea maximă a stresului atins. Rezistența la rupere este valoarea de stress la fractură (ultima valoare de tensiune înregistrată).

Tipuri de sarcini

  • Sarcini transversale – forțe aplicate perpendicular pe axa longitudinală a unui element. Sarcina transversală face ca elementul să se îndoaie și să se deformeze din poziția sa inițială, cu tensiuni interne de întindere și compresiune care însoțesc modificarea curbei elementului. Sarcina transversală determină, de asemenea, forțe de forfecare care determină deformarea forfecată a materialului și măresc deformarea transversală a elementului.
  • Sarcina axială – Forțele aplicate sunt colineare cu axa longitudinală a elementului. Forțele determină întinderea sau scurtarea elementului.
  • Sarcina torsională – Acțiunea de răsucire provocată de o pereche de cupluri de forță egale și îndreptate direct spre exterior care acționează pe planuri paralele sau printr-un singur cuplu extern aplicat unui element care are un capăt fixat împotriva rotației.

Condiții de stress

Un material sub sarcină
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Compressive_tensile_shear_loading.svg 

(Un material sub sarcină în a) comprimare, b) tensiune, c) forfecare. )

Stresul uniaxial este exprimat prin

σ = F/A

unde F este forța [N] care acționează asupra unei zone A [m2]. Zona poate fi zona nedeformată sau deformată, în funcție de dacă este important stresul ingineresc sau stresul real.

  • Stresul compresiv (sau compresia) este starea de stres cauzată de o sarcină aplicată care acționează pentru a reduce lungimea materialului (elementul de comprimare) de-a lungul axei sarcinii aplicate, cu alte cuvinte o stare de stres care provoacă o comprimare a materialului. Un caz simplu de comprimare este compresia uniaxială indusă de acțiunea forțelor opuse, de împingere. Rezistența la compresiune pentru materiale este, în general, mai mare decât rezistența la tracțiune. Cu toate acestea, structurile solicitate în comprimare sunt supuse altor moduri de defectare, cum ar fi flambajul, care depind de geometria elementului.
  • Tensiunea la întindere este starea de stres cauzată de o sarcină aplicată care tinde să alungească materialul de-a lungul axei sarcinii aplicate, cu alte cuvinte stresul cauzat de tragerea materialului. Rezistența structurilor cu o arie transversală egală încărcată în tensiune este independentă de forma secțiunii transversale. Materialele încărcate în tensiune sunt susceptibile la concentrații de stres, cum ar fi defectele materiale sau schimbări abrupte în geometrie. Cu toate acestea, materialele care prezintă comportamente ductile (cele mai multe metale, de exemplu) pot tolera unele defecte, în timp ce materialele fragile (cum ar fi ceramica) pot eșua cu mult sub rezistența lor materială finală.
  • Forța de forfecare este stresul cauzat de energia combinată a unei perechi de forțe opuse care acționează de-a lungul liniilor paralele de acțiune prin material, cu alte cuvinte stresul cauzat de fețele materialului care alunecă unul față de celălalt. Un exemplu este tăierea hârtiei cu foarfece sau tensiuni datorate încărcării prin torsiune.

Condiții de rezistență

Proprietățile mecanice ale materialelor includ rezistența la rupere, rezistența la tracțiune, rezistența la oboseală, rezistența la fisuri și alte caracteristici.

  • Rezistența la rupere este cel mai mic stres care produce o deformare permanentă într-un material, valoarea maximă pe care o poate atinge efortul unitar normal dintr-un material supus unei solicitări simple. În anumite materiale, cum ar fi aliajele de aluminiu, punctul de rupere este dificil de identificat, astfel încât este definit de obicei ca stresul necesar pentru a provoca 0,2% deformare plastică. La o anumită valoare a solicitării se înregistrează o creştere a forţei până la valoarea maximă în care materialul suferă un fenomen de ecruisare. De aici forţa începe să scadă iar în final să se producă ruperea. Scăderea forţei începând cu punctul corespunzător acestei valori maxime este legată de apariţia fenomenului de gâtuire a materialului, deci de scăderea secţiunii transversale. Tensiunea corespunzătoare acestui punct poartă denumirea de rezistenţă la rupere.
  • Rezistența la compresiune este o stare limită a stresului de compresiune care duce la o modificare a calităților ductile ale unui material, sau a fragilității sale (ruptură ca rezultat al propagării fisurilor sau alunecare de-a lungul unui plan slab). Multe materiale ca de exemplu fonta, oţelul turnat, bronzul, au o rezistenţa mult mai mare la compresiune în comparaţie cu rezistenţa la tracţiune.
  • Rezistența la tracțiune sau rezistența maximă la tracțiune este capacitatea unui material sau a unei structuri de a rezista sarcinilor care tinde să îl alungească. Rezistența maximă la tracțiune se măsoară prin efortul maxim pe care un material îl poate suporta înainte de rupere.
  • Rezistența la oboseală este o măsură a rezistenței unui material sau a unei componente sub sarcină ciclică și, de obicei, este mai dificil de evaluat decât măsurile de rezistență statică. Rezistența la oboseală este menționată ca amplitudinea sau intervalul de tensiune de stre, împreună cu numărul de cicluri până la defecțiune în această stare de stres.
  • Rezistența la impact este capacitatea materialului de a rezista unei sarcini aplicate brusc și este exprimată în termeni de energie. Se măsoară frecvent prin testul de rezistență la impact Izod sau prin încercarea de impact Charpy, ambele măsurând energia de impact necesară pentru a rupe un eșantion. Volumul, modulul de elasticitate, distribuția forțelor și rezistența la curgere afectează rezistența la impact a unui material. Pentru ca un material sau un obiect să aibă o rezistență ridicată la impact, solicitările trebuie distribuite uniform în întregul obiect. De asemenea, trebuie să aibă un volum mare, cu un modul redus de elasticitate și o rezistență ridicată la material.

Condiții de deformare

  • Deformarea materialului este schimbarea geometriei create atunci când se aplică tensiuni (ca urmare a forțelor aplicate, a câmpurilor gravitaționale, a accelerațiilor, a expansiunii termice etc.). Deformarea este exprimată de câmpul de deplasare al materialului.
  • Deformarea redusă este un termen matematic care exprimă tendința schimbării deformării în câmpul material. Deformarea redusă este deformarea pe unitate de lungime. În cazul solicitării uniale, deplasările unei mostre (de exemplu un element de bară) conduc la un calcul al deformării reduse exprimat ca coeficient al deplasării și al lungimii originale a mostrei.
  • Deflexia este un termen care descrie mărimea cu care este deplasat un element structural atunci când este supus unei sarcini aplicate.

Relațiile stres-deformare

Răspuns static de bază al unei mostre sub tensiune
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Tension_test.svg 

(Răspuns static de bază al unei mostre sub tensiune. )

  • Elasticitatea este capacitatea unui material de a reveni la forma sa anterioară după eliberarea stresului. În multe materiale, relația dintre stresul aplicat este direct proporțională cu deformarea rezultată (până la o anumită limită), iar un grafic reprezentând cele două cantități este o linie dreaptă.

Panta acestei linii este cunoscută ca modulul lui Young sau „modulul de elasticitate„. Modulul de elasticitate poate fi folosit pentru a determina relația de efort-deformare în porțiunea liniară-elastică a curbei stres-deformare. Regiunea liniară-elastică este fie sub punctul de unde începe deformarea plastică, fie, dacă un astfel de punct nu este ușor de identificat pe curba stres-deformare, se definește a fi între 0 și 0,2% din deformarea redusă, și este definită ca regiunea în care nu apare deformarea permanentă.

  • Plasticitatea sau deformarea plastică este opusul deformării elastice și este definită ca o deformare nereversibilă. Deformarea plastică rămâne după eliminarea stresului aplicat. Cele mai multe materiale din categoria liniar-elastică sunt de obicei capabile de deformare plastică. Materialele brute, cum ar fi ceramica, nu prezintă nicio deformare plastică și se vor fractura sub presiune relativ scăzută, în timp ce materialele ductile precum cele metalice, plumbul sau polimerii, se vor deforma plastic mult mai înainte de inițierea fracturii.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *