Kas yra tempimo jėga?
Tempimo stipris – tai didžiausias tempimo (tempimo arba tempimo) įtempimas, kurį medžiaga gali atlaikyti prieš nutrūkdama arba sugriūdama. Tai matas, rodantis, kokią jėgą medžiaga gali atlaikyti prieš deformuodamasi arba nutrūkdama, kai yra tempiama arba įtempta. Ši savybė svarbi medžiagų moksle ir inžinerijoje, nes padeda įvertinti, ar medžiaga tinkama daugeliui paskirčių – nuo statybos iki gamybos.
Tempimo stiprio reikšmė inžinerijoje
Tempiamasis stipris yra pagrindinė inžinerinė savybė, turinti įtakos medžiagų pasirinkimui ir projektavimui įvairiose pramonės šakose. Pagrindinės jo svarbos ypatybės:
Medžiagų parinkimas
- –Saugumui itin svarbu: Inžinieriai turi patikrinti, ar medžiagos gali atlaikyti numatomą apkrovą be gedimų. TENSILE stiprumas padeda parinkti saugos reikalavimus atitinkančias medžiagas, naudojamas aviacijos, automobilių ir civilinės inžinerijos srityse.
- –Veiksmingumo optimizavimas: Inžinieriai gali parinkti medžiagas, atitinkančias eksploatacinius reikalavimus, ekonomiškumą ir gamybos galimybes, jei supranta tempimo stiprį. Pasirinkus didelio tempimo stiprumo medžiagas, galima padidinti komponentų patvarumą ir ilgaamžiškumą.
Dizaino aspektai
- –Struktūrinis vientisumas: pagal tempiamąjį stiprį projektuojamos konstrukcijos ir komponentai, kad jie atlaikytų tempimo įtempius ir nesugestų. Tai labai svarbu tokioms konstrukcijoms kaip tiltai, pastatai ir lėktuvų sparnai.
- –Saugumo koeficientai: Inžinieriai, remdamiesi atsparumo tempimui duomenimis, dažnai į savo projektus įtraukia saugos koeficientus, kad atsižvelgtų į nenumatytas apkrovas arba medžiagos trūkumus. Šis metodas padeda išvengti konstrukcijos gedimų.
Vykdymo prognozė
- –Veiksmas veikiant apkrovai: tempimo stiprumo bandymai suteikia informacijos apie tai, kaip medžiagos reaguos esant įvairiems apkrovos scenarijams. Ši prognozavimo galimybė yra labai svarbi siekiant užtikrinti patikimumą realiomis sąlygomis.
- –Kokybės užtikrinimas: reguliariai atliekami tempimo bandymai yra kokybės kontrolės metodas, padedantis nustatyti galimus medžiagų defektus prieš pradedant jas naudoti svarbiausiose srityse.
Kokie yra skirtingi tempimo stiprio tipai?
Tempimo stipris yra svarbi mechaninė medžiagų savybė, kurią galima suskirstyti į daugybę kategorijų, iš kurių kiekviena atspindi tam tikrą medžiagos reakcijos į įtempimą etapą.
Produktyvumas
Tai didžiausias įtempis, kurį medžiaga gali atlaikyti be nuolatinės deformacijos. Tai reiškia perėjimą iš elastinės (kai medžiaga grįžta į pradinę formą) į plastinę (kai deformacija išlieka nuolatinė).
Tamprumas labai svarbus, kai medžiagos turi išlaikyti savo formą veikiant apkrovai, pavyzdžiui, konstrukciniai komponentai.
Vidutinis tempiamasis stipris (UTS)
Tempimo stipris – tai didžiausias įtempis, kurį medžiaga gali atlaikyti tempiama arba traukiama, kol sugenda arba nutrūksta. Jis žymi aukščiausią įtempių ir deformacijų kreivės tašką.
UTS yra labai svarbus nustatant, kokią apkrovą gali atlaikyti medžiaga, kai reikia didelio tempimo slėgio.
Lūžio stipris (atsparumas lūžiui)
Tai įtempis, kuriam esant medžiaga galiausiai suyra ir skyla į dvi dalis. Kietosioms medžiagoms tai įvyksta pasiekus ribinį tempiamąjį stiprį, dažnai po įtrūkimo fazės, kai medžiagos skerspjūvis smarkiai susitraukia.
Lūžio stipris suteikia informacijos apie medžiagų, ypač trapiųjų medžiagų, gedimo savybes, kai gedimas įvyksta greitai.
Minimalus tempimo stipris
Tai mažiausias tempimo stipris, kurio reikia, kad medžiaga atitiktų tam tikrus projektavimo kriterijus arba saugos taisykles. Juo remiantis rengiamos medžiagų specifikacijos.
Žinant mažiausią tempimo stiprį, inžinieriai gali garantuoti, kad medžiagos tinkamai veiks esant numatytoms apkrovoms.
Kaip apskaičiuoti tempimo stiprį?
Norint apskaičiuoti tempiamąją jėgą, galima naudoti šią formulę:
Apskaičiavimo žingsniai
- 1.Nustatykite ribinę jėgą (UF): tai didžiausia jėga, kurią medžiaga gali atlaikyti prieš lūždama. Paprastai ji matuojama niutonais (N) arba svarais (lbs).
- 2.Išmatuokite skerspjūvio plotą (A): Šis plotas yra vieta, kurioje veikia jėga, ir paprastai matuojamas kvadratiniais metrais (m²) arba kvadratiniais milimetrais (mm²).
- 3.Pritaikykite formulę: Įstatykite UF ir A reikšmes į formulę, kad apskaičiuotumėte tempimo stiprį.
Faktoriai, turintys įtakos tempimo stipriui
Tempimo stiprį lemia keli kintamieji, kurie gali turėti įtakos įtemptų medžiagų eksploatacinėms savybėms ir elgsenai. Inžinieriams ir medžiagų mokslininkams, norintiems užtikrinti medžiagų patikimumą ir saugumą, labai svarbu suprasti šias charakteristikas. Toliau pateikiami pagrindiniai tempimo stiprį lemiantys elementai.
Medžiagų sudėtis
Medžiagos tempimo stipriui didelę įtaką daro jos elementinė sudėtis. Dėl geresnio skirtingų elementų sujungimo lydiniai dažnai pasižymi didesniu tempimo stipriu nei gryni metalai.
Skirtingos sudėties medžiagų, pavyzdžiui, anglinio plieno ir grynos geležies, tempimo stipris skiriasi. Lydiniai gali būti gaminami taip, kad tam tikriems tikslams turėtų optimalias stiprumo savybes.
Molekulinė struktūra
Medžiagos mechaninės savybės labai priklauso nuo jos atomų ar molekulių išsidėstymo. Pavyzdžiui, dėl didesnių tarpmolekulinių jėgų kristaliniuose dariniuose dažnai būna didesnis atsparumas tempimui.
Tempimo stipris gali labai skirtis priklausomai nuo molekulinės struktūros pokyčių, kuriuos sukelia apdorojimo būdai arba faziniai perėjimai.
Temperatūra
Temperatūra daro įtaką medžiagų ryšio stiprumui ir molekuliniam judrumui. Apskritai, kylant temperatūrai, tempimo stipris mažėja.
Didėjant temperatūrai medžiagos gali tapti plastiškesnės, bet mažiau tvirtos, o žemesnėje temperatūroje dažnai padidėja stipris, bet sumažėja plastiškumas.
Įtempimo greitis
Medžiagos lenkimo greitis bandymų metu gali turėti įtakos jos tempimo stipriui. Medžiagos skirtingai reaguoja į deformacijos greitį.
Didesnis deformacijos greitis paprastai padidina tąsiųjų medžiagų tempiamąjį stiprį dėl deformacijos sukietėjimo poveikio, tačiau trapiųjų medžiagų stipris gali iš esmės nepasikeisti.
Defektai ir mikrostruktūra
Vidiniai defektai (pvz., tuštumos ar intarpai) ir bendra mikrostruktūra (grūdelių dydis ir fazių pasiskirstymas) gali turėti didelę įtaką tempimo stiprumui.
Defektai veikia kaip įtempių koncentratoriai, todėl anksti sugenda, o patobulinta mikrostruktūra dažnai padidina stiprumą taikant tokius metodus kaip grūdų ribų stiprinimas.
Darbo grūdinimas
Plastinė deformacija naudojama medžiagos kietumui ir stiprumui padidinti.
Dirbtinis grūdinimas pakeičia metalų mikrostruktūrą, padidindamas takumo ir ribinio tempimo stiprį, bet sumažindamas plastiškumą.
Gydymas karščiu
Įvairios terminio apdorojimo procedūros (pvz., atkaitinimas ir grūdinimas) gali pakeisti metalų ir polimerų mikrostruktūrą.
Terminis apdorojimas gali pakeisti fazių sudėtį ir grūdelių dydžius, todėl priklausomai nuo apdorojimo padidėja arba sumažėja tempimo stipris.
Priedai ir užpildai
Stiklo arba anglies pluošto priedai gali padidinti kompozitinių medžiagų ir polimerų tempimo stiprį.
Šios armatūros padidina nemetalinių medžiagų laikomąją galią ir bendras mechanines savybes.
Bendrosios medžiagos tempimo stipris
Kelių populiarių medžiagų ribinis tempiamasis stipris (UTS) labai skiriasi, o tai atspindi jų paskirtį ir savybes. Čia pateikiama įvairių medžiagų UTS verčių apžvalga, pagrįsta paieškos rezultatais.
| Medžiaga | UTS diapazonas (MPa) |
|---|---|
| Švelnus plienas | 400 – 550 |
| Nerūdijančio plieno (304) | 520 – 750 |
| Titanas | 240 – 900+ |
| Aluminis (grynas) | 70 – 110 |
| Medis | 210 – 250 |
| Polietilenas (HDPE) | 30 – 40 |
| Polikarbonatas (PC) | 60 – 70 |
| Polipropilenas (PP) | 30 – 50 |
| Nilonas | 70 – 90 |
| Alumino oksidas (keramika). | 150 – 250 |
| Silicio karbidas (keramika) | 300 – 500 |
| Uglio pluoštu sustiprintas polimeras | 1000 – 1500 |
| Stiklo pluoštu sustiprintas polimeras | 500 – 800 |
| Betonas (gelžbetoninis) | 2 – 5 |
| Mediena (kietmedis) | 50 – 100 |
| Stiklas (sodos ir laimo) | 40 – 120 |
Pastabos:
- –Metalai dažnai pasižymi didžiausiu tempimo stipriu, ypač kai yra legiruoti arba apdoroti.
- –Polimerai ir kompozitai gali turėti didesnį tempimo stiprį, priklausomai nuo pluošto sudėties ir apdorojimo.
- –Keramika ir stiklas yra gerokai silpnesni tempimo, o ne gniuždymo metu, todėl jie dažnai naudojami tose srityse, kuriose patiriamas ne tempimo, o gniuždymo slėgis.
- -**Betonas** skirtas gniuždymo jėgoms atlaikyti, o jo tempiamasis stipris be sutvirtinimo yra minimalus.
Tempimo stiprio gedimų tipaire
Tempimo stiprumo pažeidimas – tai medžiagų suirimas, kai jas veikia tempimo jėgos, viršijančios jų pajėgumą. Inžinieriams ir medžiagotyrininkams labai svarbu suprasti įvairius tempimo stiprio gedimų tipus, nes tai padeda projektuoti saugesnes ir patikimesnes konstrukcijas. Štai pagrindiniai tempiamojo stiprio gedimų tipai:
Dukcinis gedimas
Lankstusis gedimas įvyksta, kai medžiaga prieš lūžį patiria didelę plastinę deformaciją. Šiam gedimo tipui būdingas pastebimas medžiagos pailgėjimas ir įtrūkimas.
Kietosiose medžiagose didžiausio įtempimo vietoje susidaro „kaklelis”, kuris galiausiai plyšta. Šis procesas suteikia vizualinių įspėjamųjų ženklų prieš visišką gedimą, todėl galima imtis prevencinių priemonių.
Kietas gedimas
Trapusis suirimas įvyksta staiga ir su minimalia plastine deformacija. Trapios medžiagos lūžta staiga, paprastai išilgai kristalinių plokštumų.
Lūžio paviršius atrodo slidus arba stiklinis, o tai rodo, kad prieš lūžį sugeriama minimali energija. Toks gedimas yra pavojingas, nes gali sukelti katastrofiškus gedimus svarbiausiose srityse, pavyzdžiui, slėginiuose induose ir konstrukcinėse atramose.
Nuovargio gedimas
Nuovargio gedimą sukelia laikui bėgant pasikartojančios arba kintančios apkrovos, net jei jos yra mažesnės už medžiagos takumo ribą. Dėl ciklinių įtempių susidaro ir didėja smulkūs įtrūkimai.
Nutrūkimo paviršiuje matomos diskrečios zonos, rodančios įtrūkimų atsiradimą ir plitimą, kartais vadinamos „paplūdimio žymėmis”. Nuovargio gedimai ypač didelį nerimą kelia ciklinių apkrovų veikiamiems komponentams, pavyzdžiui, orlaivių sparnams ir besisukančioms mašinoms.
Tempiamasis lūžis
Ši gedimo forma pasireiškia, kai medžiaga ištempiama viršijant ribinį tempimo stiprį, todėl atsiskiria arba lūžta veikiamos apkrovos kryptimi.
Tempimo lūžis pastebimas įtemptuose kabeliuose, laiduose ir konstrukciniuose komponentuose. Kietosiose medžiagose prieš gedimą gali prasidėti įpjovimas, o trapiose medžiagose gedimas gali įvykti greitai.
Šešėlinis gedimas
Nors šlyties pažeidimas paprastai siejamas su šlyties įtempiais, jis gali atsirasti ir tempimo sąlygomis, kai viena medžiagos dalis pasislenka kitos atžvilgiu. Taip gali atsitikti tvirtinamose jungtyse arba sijose, veikiamose didelių apkrovų.
Šlyties pažeidimas paprastai sukelia pasislinkimą arba atsiskyrimą išilgai medžiagos viduje esančių plokštumų, todėl prarandamas konstrukcijos vientisumas.
Šliaužti nepavyksta
Šliaužiantis gedimas įvyksta, kai medžiagos, veikiamos pastovaus įtempio, laikui bėgant negrįžtamai deformuojasi, ypač aukštoje temperatūroje.
Šis gedimo tipas yra lėtas ir gali būti nepastebimas, kol neįvyksta dideli iškraipymai, kurie dažnai baigiasi plyšimu.
Prievarta (įtemptai)
Įlinkis dažniausiai siejamas su gniuždomosiomis apkrovomis, tačiau jis gali pasireikšti ir plonose konstrukcijose, veikiamose tempimo jėgų, jei jos neturi šoninių atramų.
Įlinkis sukelia greitą konstrukcijos dalių pasislinkimą į šonus, todėl sumažėja jų laikomoji galia.
| Nesėkmės tipas | Savybės | Paveiktos medžiagos | Ženklai |
|---|---|---|---|
| Dukcinis gedimas | Didelė plastinė deformacija prieš lūžį; pažeidimo vietoje atsiranda įtrūkimas. | Mažaanglis plienas, aliuminis, kai kurie lydiniai | Matomas įtrūkimas, pailgėjimas prieš plyšimą. |
| Kietas gedimas | Staigus lūžis, kai plastinė deformacija yra maža arba jos nėra; lūžta išilgai kristalinių plokštumų. | Ketaus, keramikos, kai kurių didelio atsparumo plienų | Blizgantis arba stikliškas lūžio paviršius; nėra pailgėjimo. |
| Nuovargio gedimas | Susidaro dėl pasikartojančių apkrovos ciklų; laikui bėgant atsiranda ir didėja įtrūkimai. | Ciklinių apkrovų veikiami metalai (pvz., orlaivių komponentai) | Pliažo žymės lūžio paviršiuje, rodančios įtrūkimo augimą. |
| Tempiamasis lūžis | Atsiranda, kai tempimo jėgos viršija ribinį tempimo stiprį; medžiaga atsiskiria. | Įvairūs įtempti metalai ir polimerai | Staigus atsiskyrimas be išankstinio įspėjimo trapiose medžiagose. |
| Shear Failure | Viena medžiagos dalis pasislenka kitos atžvilgiu; dažnai pasitaiko sandūrose arba sijose. | Varžtinės jungtys, sijos, veikiamos didelių apkrovų | Slydimas arba atsiskyrimas išilgai medžiagos plokštumų. |
| Šliaužti nepavyksta | Laipsniška deformacija veikiant pastoviai apkrovai laikui bėgant, ypač aukštoje temperatūroje. | Metalai ir polimerai aukštoje temperatūroje | Ilgainiui matoma nuolatinė deformacija; galimas plyšimas. |
| Prievarta (įtemptai) | Lieknų konstrukcijų šoninis įlinkis veikiant tempimo jėgoms; gali sukelti nestabilumą. | Ploni konstrukciniai elementai, pavyzdžiui, kabeliai ar sijos. | Staigus šoninis išlinkimas, dėl kurio prarandama laikomoji galia. |
Didelio tempimo stiprio privalumai
Didelio tempimo stiprio medžiagos dėl savo daugybės privalumų naudojamos įvairiose techninėse srityse.
- 1.Pagerintas konstrukcijos vientisumas: Jie padidina konstrukcijos saugumą ir patikimumą veikiant didelėms apkrovoms.
- 2.Sumažinti medžiagų poreikiai: Toms pačioms eksploatacinėms savybėms pasiekti reikia mažiau medžiagų, todėl sutaupoma lėšų.
- 3.Didesnis projektavimo lankstumas: Jie suteikia galimybę kurti išradingus projektus su ilgesniais tarpatramiais ir didesnėmis atviromis erdvėmis.
- 4.Tvarumas ir atsparumas: Didelio tempimo stiprio medžiagos yra atsparesnės aplinkos veiksniams, todėl mažesnės techninės priežiūros išlaidos.
- 5.Nuostolingumas: Dėl jų ilgalaikio patvarumo sumažėja remonto ir keitimo išlaidos.
- 6.Pagarba aplinkai: Daugelį jų galima perdirbti ir pagaminti iš perdirbtų medžiagų, o tai skatina tvarumą.
- 7.Lengvosios savybės: Dažnai jos būna lengvesnės, todėl pigiau kainuoja transportavimas ir taupiau naudojami degalai.
Didelio tempimo stiprio trūkumai
Šie trūkumai rodo, kad renkantis medžiagas konkrečioms reikmėms svarbu kruopščiai apsvarstyti jų privalumus ir galimus sunkumus.
- 1.Kietumas: Didelio tempimo stiprio medžiagos gali būti trapesnės, todėl gali netikėtai sugesti be didelių deformacijų.
- 2.Machining Challenges: atliekant apdirbimo operacijas gali kilti problemų, dėl kurių reikia naudoti tam tikrą įrangą ir metodus.
- 3.Padidėjęs svoris: Tam tikros didelio atsparumo medžiagos gali sverti daugiau nei pakaitalai, todėl tai turi įtakos bendram konstrukcijos efektyvumui.
- 4.Kainos: Didelio atsparumo tempimui medžiagų gamyba ir apdorojimas gali būti brangesni nei įprastinių medžiagų.
- 5.Suvirinimo sunkumai: Daugeliui jų reikalingos tam tikros suvirinimo procedūros, kad gamybos metu būtų išvengta deformacijų ar įtrūkimų.
- 6.Nuovargio apribojimai: kai kurie žmonės gali silpnai toleruoti nuovargį, todėl gali palūžti dėl ciklinio spaudimo.
- 7.Springimo problemos: nemažas spyruokliavimas formuojant gali trukdyti gamybai.
- 8.Ribotas prieinamumas: kai kurių didelio atsparumo lydinių ar kompozitų gali būti nelengva rasti tam tikroms reikmėms.
- 9.Reikiama kompetencija: Dirbant su šiomis medžiagomis dažnai reikalingos specifinės žinios ir patirtis, kurių turi ne visos inžinierių komandos.
Tempimo stiprio taikymo sritys
Tempimo stipris yra svarbi daugelio sektorių savybė, užtikrinanti svarbiausiose srityse naudojamų medžiagų našumą, saugumą ir ilgaamžiškumą. Supratimas, kaip naudojamas tempimo stipris, padeda inžinieriams ir konstruktoriams pasirinkti tam tikroms reikmėms tinkamas medžiagas.
Aerokosminė inžinerija
Didelio atsparumo tempimui medžiagos naudojamos siekiant užtikrinti orlaivių ir erdvėlaivių komponentų saugumą ir veikimą atšiauriomis sąlygomis.
Automobilių pramonė
Tempiamasis stipris labai svarbus transporto priemonės konstrukcijos vientisumui, ypač tokiose saugos priemonėse kaip saugos diržai ir kėbulo plokštės.
Statyba ir civilinė inžinerija
Medžiagos, pasižyminčios dideliu tempimo stipriu, yra labai svarbios statant saugias ir ilgaamžes konstrukcijas, pavyzdžiui, tiltus ir aukštybinius pastatus.
Medicinos prietaisai
Tempimo stiprumo bandymai labai svarbūs tikrinant chirurginių įrankių, implantų ir kitos medicininės įrangos, kuri turi atlaikyti dideles apkrovas, patikimumą.
Išvada
Tempiamasis stipris yra svarbi savybė, pagal kurią parenkamos ir projektuojamos medžiagos įvairiuose sektoriuose. Inžinieriai gali pagerinti savo projektų patikimumą ir našumą, jei supras jų apibrėžimus, matavimo metodikas ir praktinį įgyvendinimą. Galiausiai šis supratimas padeda kurti saugesnes ir efektyvesnes konstrukcijas ir prekes.
