Как пользоваться рядом напряжения металлов


Ряд активности металлов, когда им пользоваться » HimEge.ru

Ряд напряжений (ряд активности или электрохимический ряд напряжения ЭХРН) металлов используется на практике для относительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЯД НАПРЯЖЕНИЙ МЕТАЛЛОВ

Восстановительная активность металлов (свойство отдавать электроны) уменьшается, а окислительная способность их катионов (свойство присоединять электроны) увеличивается в указанном ряду слева направо.

  • Металлы, стоящие левее, являются более сильными восстановителями, чем металлы, расположенные правее: они вытесняют последние из растворов солей. Например, взаимодействие Zn + Cu 2+ → Zn2+ + Cu возможно только в прямом направлении. Цинк вытесняет медь из водного раствора её соли. При этом цинковая пластинка растворяется, а металлическая медь выделяется из раствора.
  • Металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют водород при взаимодействии с водными растворами кислот-неокислителей; наиболее активные металлы (до алюминия включительно) — и при взаимодействии с водой.
  • Металлы, стоящие в ряду правее водорода, с водными растворами кислот-неокислителей при обычных условиях не взаимодействуют.
  • При электролизе металлы, стоящие правее водорода, выделяются на катоде; восстановление металлов умеренной активности сопровождается выделением водорода; наиболее активные металлы (до алюминия) невозможно при обычных условиях выделить из водных растворов солей.

    Катодный процесс

Основы и уравнения прочности материалов | Механика материалов

Меню прочности / Механика материалов

Сопротивление материалов , также называемое механика материалов , представляет собой предмет, изучающий поведение твердых объектов, подверженных напряжениям и деформациям.

В материаловедении прочность материала - это его способность без разрушения выдерживать приложенную нагрузку.Нагрузка, приложенная к механическому элементу, будет вызывать внутренние силы внутри элемента, называемые напряжениями, когда эти силы выражаются в единицах. Напряжения, действующие на материал, по-разному вызывают деформацию материала. Деформация материала называется деформацией, если и эти деформации относятся к единице. Приложенные нагрузки могут быть осевыми (растягивающими или сжимающими) или сдвигающими. Напряжения и деформации, возникающие в механическом элементе, должны быть рассчитаны, чтобы оценить грузоподъемность этого элемента.Это требует полного описания геометрии элемента, его ограничений, нагрузок, приложенных к элементу, и свойств материала, из которого он состоит. С полным описанием нагрузки и геометрии элемента можно рассчитать состояние напряжения и состояние деформации в любой точке элемента. Когда состояние напряжения и деформации внутри элемента известно, можно рассчитать прочность (несущую способность) этого элемента, его деформации (характеристики жесткости) и его стабильность (способность сохранять свою первоначальную конфигурацию).Рассчитанные напряжения затем можно сравнить с некоторой мерой прочности элемента, такой как текучесть материала или предел прочности. Рассчитанный прогиб элемента можно сравнить с критериями прогиба, основанными на использовании элемента. Расчетную нагрузку на продольный изгиб элемента можно сравнить с приложенной нагрузкой. Расчетная жесткость и распределение массы элемента могут использоваться для расчета динамического отклика элемента, а затем сравниваться с акустической средой, в которой он будет использоваться.

Под прочностью материала понимается точка на инженерной кривой «напряжение-деформация» (предел текучести), за которой материал испытывает деформации, которые не будут полностью устранены при снятии нагрузки, и в результате элемент будет иметь постоянный прогиб. Предел прочности относится к точке на инженерной кривой «напряжение – деформация», соответствующей напряжению, вызывающему разрушение.

Ниже приведены основные определения и уравнения, используемые для расчета прочности материалов.


Напряжение (нормальное)

Напряжение - это отношение приложенной нагрузки к площади поперечного сечения растягиваемого элемента, выраженное в фунтах на квадратный дюйм (psi) или кг / мм 2 .

Нагрузка

л

Напряжение, σ

=


=


Площадь

А

Деформация (нормальная)

Безразмерная мера деформации материала.

изменение длины

Δ L

Деформация, ε

=


=


исходная длина

л

Кривая деформации напряжения

Предел пропорциональности - это точка на кривой напряжения-деформации, в которой она начинает отклоняться от прямолинейная связь между напряжением и деформацией.См. Сопроводительный рисунок в (1 и 2).

Предел упругости - это максимальное напряжение, которому может подвергаться образец вернуться к исходной длине после снятия нагрузки. Говорят, что материал подчеркнут в упругая область, когда рабочее напряжение не превышает предела упругости, и подлежащая напряжению в пластической области, когда рабочее напряжение действительно превышает предел упругости. Предел упругости для стали для всех практических целей такой же, как и ее предел пропорциональности.См. Сопроводительный рисунок в (1, 2).

Предел текучести - это точка на кривой напряжения-деформации, в которой происходит внезапное увеличение деформации. без соответствующего увеличения стресса. Не все материалы имеют предел текучести. См. Сопроводительный рисунок в (1).

Предел текучести, S y , это максимальное напряжение, которое может быть приложено без остаточной деформации образца для испытаний.Это значение напряжения на пределе упругости материалов для который существует предел упругости. Из-за сложности определения предела упругости и поскольку многие материалы не имеют упругой области, предел текучести часто определяется метод смещения, как показано на сопроводительном рисунке в (3). Предел текучести в таком case - значение напряжения на кривой напряжения-деформации, соответствующее определенному количеству постоянных набор или напряжение, обычно 0.1 или 0,2% от исходного размера.


Модуль упругости

Деформация металла пропорциональна приложенным нагрузкам в диапазоне нагрузок.

Поскольку напряжение пропорционально нагрузке, а деформация пропорциональна деформации, это означает, что напряжение пропорционально деформации. Закон Гука утверждает эту пропорциональность.

Напряжение σ

=
= E
Штамм ε

Константа, E , представляет собой модуль упругости, модуль Юнга или модуль упругости при растяжении и представляет собой жесткость материала.Модуль Юнга составляет 10 6 psi или 10 3 кг / мм 2 . Если материал подчиняется закону Гука, он эластичен. Модуль нечувствителен к состоянию материала. Нормальная сила напрямую зависит от модуля упругости.


Предел пропорциональности

Наибольшее напряжение, при котором материал способен выдерживать приложенную нагрузку без отклонения от пропорциональности напряжения к деформации.Выражается в фунтах на квадратный дюйм (кг / мм 2 ).


Предел прочности (растяжение)

Максимальное напряжение, которое материал выдерживает при приложении нагрузки. Значение определяется делением нагрузки при разрушении на исходную площадь поперечного сечения.


Предел упругости

Точка на кривой "напряжение-деформация", за которой материал необратимо деформируется после снятия нагрузки.


Предел текучести

Точка, в которой материал превышает предел упругости и не возвращается к исходной форме или длине, если напряжение снимается. Это значение определяется путем оценки диаграммы напряжения-деформации, полученной во время испытания на растяжение.


Коэффициент Пуассона

Отношение поперечной деформации к продольной - это коэффициент Пуассона для данного материала.

боковая деформация
мкм =
продольная деформация

Коэффициент Пуассона - это безразмерная константа, используемая для анализа напряжений и прогибов таких конструкций, как балки, пластины, оболочки и вращающиеся диски.

Алюминий

0,334

Нейзильбер

0,322

Бериллиевая медь

0,285

Фосфорная бронза

0.349

Латунь

0,340

Резина

0,500

Чугун, серый

0,211

Сталь литая

0.265

Медь

0,340

высокоуглеродистый

0,295

Инконель

0,290

легкая

0.303

Свинец

0,431

никель

0,291

Магний

0,350

Кованое железо

0.278

Металлический монель

0,320

цинк

0,331


Напряжение изгиба

При сгибании куска металла одна поверхность материала растягивается при растяжении, а противоположная поверхность сжимается.Отсюда следует, что между двумя поверхностями есть линия или область нулевого напряжения, называемая нейтральной осью. Сделайте следующие предположения в простой теории изгиба:

  1. Балка изначально прямая, ненапряженная и симметричная.
  2. Материал балки линейно эластичный, однородный и изотропный.
  3. Пропорциональный предел не превышен.
  4. Модуль Юнга для материала одинаков при растяжении и сжатии
  5. Все прогибы небольшие, поэтому плоские поперечные сечения остаются плоскими до и после изгиба.

Используя классические формулы балки и свойства сечения, можно получить следующую взаимосвязь:

3 PL
Напряжение изгиба, σ b =
2 вес 2
PL 3
Модуль упругости при изгибе или изгибе, E b =
4 вес 3 y
Где: п. = нормальная сила
л = длина балки
Вт = ширина луча
т = толщина балки
y = прогиб в точке нагрузки

Сообщаемый модуль упругости при изгибе обычно является начальным модулем из кривой зависимости напряжения от деформации при растяжении.

Максимальное напряжение возникает на поверхности балки, наиболее удаленной от нейтральной поверхности (оси), и составляет:

Mc млн
Максимальное поверхностное напряжение, σ max =
=
I Z

Где: млн = изгибающий момент
с = расстояние от нейтральной оси до внешней поверхности, где возникает максимальное напряжение
I = момент инерции
Z = I / c = модуль упругости сечения

Для прямоугольной консольной балки с сосредоточенной нагрузкой на одном конце максимальное поверхностное напряжение определяется по формуле:

Методы уменьшения максимального напряжения состоят в том, чтобы сохранять постоянную энергию деформации в балке при изменении профиля балки.Дополнительные профили балки бывают трапециевидные, конические и торсионные.
Где: г = прогиб балки под нагрузкой
E = Модуль упругости
т = толщина балки
л = длина балки

Урожайность

Податливость возникает, когда расчетное напряжение превышает предел текучести материала. Расчетное напряжение обычно представляет собой максимальное поверхностное напряжение (простая нагрузка) или напряжение Фон Мизеса (сложные условия нагружения). Критерий текучести фон Мизеса утверждает, что текучесть происходит, когда напряжение фон Мизеса превышает предел текучести при растяжении.Часто в результатах анализа напряжений методом конечных элементов используются напряжения фон Мизеса. Стресс фон Мизеса:

σ v =

1 - σ 2 ) 2 + (σ 2 - σ 3 ) 2 + (σ 1 - σ 3 ) 2

2

где σ 1 , σ 2 , σ 3 - главные напряжения.

Коэффициент запаса прочности является функцией расчетного напряжения и предела текучести. Следующее уравнение обозначает коэффициент безопасности, f s .

Где Y S - предел текучести, а D S - расчетное напряжение

Дополнительную информацию см. На странице «Существенные условия и ссылки».

Связанный:

  • Прочность материалов Методы измерения момента площади для расчета прогиба в балках, спецификации и характеристики материалов - черные и цветные, опорные колонны и изгиб, момент инерции, модуль упругости сечения, радиусы вращательных уравнений, треугольные, шестигранные сечения Момент инерции, Модуль сечения, радиусы круговых уравнений, эксцентрические формы, момент инерции, модуль сечения, радиусы вращения
  • Сопротивление материалов Н.М. Беляев Премиум-подписка на 648 страниц, необходимая для просмотра документа / книги
  • Прогиб балки и расчет конструкции
  • Сечение Момент площади Калькуляторы инерции
  • Допуски, пределы технического проектирования и посадки

© Copyright 2000-2020, Engineers Edge, LLC www.Engineersedge.com
Все права защищены
Отказ от ответственности | Обратная связь | Реклама | Контакт

Дата / Время:

.

Напряжение, деформация и модуль Юнга

Напряжение

Напряжение - это отношение приложенной силы F к площади поперечного сечения , определяемой как « силы на единицу площади ».

  • растягивающее напряжение - напряжение, которое имеет тенденцию к растяжению или удлинению материала - действует нормально к напряженной области
  • сжимающее напряжение - напряжение, которое имеет тенденцию к сжатию или укорачиванию материала - действует нормально по отношению к напряженной области
  • напряжение сдвига - напряжение, которое имеет тенденцию к сдвигу материала - действует в плоскости напряженной области под прямым углом к ​​напряжению сжатия или растяжения
Напряжение растяжения или сжатия - нормальное напряжение

Напряжение растяжения или сжатия нормально к Плоскость обычно обозначается как « нормальное напряжение » или « прямое напряжение » и может быть выражена как

σ = F n / A (1)

, где

σ = нормальное напряжение (Па (Н / м 2 ), фунт / кв. дюйм ( фунт / дюйм / дюйм 2 ))

F n = нормальная сила, действующая перпендикулярно площади (Н, фунт f )

A = площадь (м 2 , дюйм 2 )

  • a kip - это имперская единица силы - она ​​равна 1000 фунтов f (фунт-сила)
  • 1 кип = 4448.2216 Ньютонов (Н) = 4,4482216 килограммов Ньютонов (кН)

Нормальная сила действует перпендикулярно площади и возникает всякий раз, когда внешние нагрузки имеют тенденцию толкать или тянуть два сегмента тела.

Пример - Растягивающая сила, действующая на стержень

Сила 10 кН действует на круглый стержень диаметром 10 мм . Напряжение в стержне можно рассчитать как

σ = (10 10 3 Н) / (π ((10 10 -3 м) / 2) 2 )

= 127388535 (Н / м 2 )

= 127 (МПа)

Пример - Сила, действующая на квадратную стойку из пихты Дугласа

Сжимающая нагрузка 30000 фунтов действует на короткий квадрат 6 x 6 дюймов столб пихты Дугласа.Размер опоры в оправе составляет 5,5 x 5,5 дюйма , а сжимающее напряжение можно рассчитать как

σ = (30000 фунтов) / ((5,5 дюйма) (5,5 дюйма) )

= 991 (фунт / дюйм 2 , psi)

Напряжение сдвига

Напряжение, параллельное плоскости, обычно обозначается как «напряжение сдвига » и может быть выражено как

τ = F p / A (2)

где

τ = напряжение сдвига (Па (Н / м 2 ), фунт / кв. Дюйм (фунт f / дюйм 2 ))

F p = поперечная сила в плоскости площади (Н, фунт f )

A = площадь (м 2 , в 2 )

Поперечная сила лежит в плоскости области и возникает, когда внешние нагрузки имеют тенденцию вызывать два сегмента тела скользить друг по другу.

Деформация (деформация)

Деформация определяется как «деформация твердого тела под действием напряжения».

  • Нормальная деформация - удлинение или сжатие отрезка линии
  • Деформация сдвига - изменение угла между двумя отрезками прямой, первоначально перпендикулярными

Нормальная деформация и может быть выражена как

ε = dl / l o

= σ / E (3)

, где

dl = изменение длины (м, дюйм)

l o = начальная длина (м, дюйм)

ε = деформация - без единицы измерения

E = Модуль Юнга (модуль упругости) (Па, (Н / м 2 ), фунт / кв. дюйм (фунт f / дюйм 2 ))

    Модуль Юнга
  • можно использовать для прогнозирования удлинения или сжатия объекта при воздействии силы.

Обратите внимание, что деформация является безразмерной единицей, так как это отношение двух длин.Но также общепринято указывать это как отношение двух единиц длины - например, м / м или дюйм / дюйм .

Пример - напряжение и изменение длины

Стержень в приведенном выше примере имеет длину 2 м и и изготовлен из стали с модулем упругости 200 ГПа (200 10 9 Н / м 2 ) . Изменение длины можно рассчитать, преобразовав (3) в

dl = σ l o / E

= (127 10 6 Па) (2 м) / (200 10 9 Па)

= 0.00127 м

= 1,27 мм

Энергия деформации

Напряжение объекта сохраняет в нем энергию. Для осевой нагрузки запасенная энергия может быть выражена как

U = 1/2 F n dl

, где

U = энергия деформации (Дж (Н · м), фут-фунт)

Модуль Юнга - Модуль упругости (или Модуль упругости) - Закон Гука

Большинство металлов деформируются пропорционально приложенной нагрузке в диапазоне нагрузок.Напряжение пропорционально нагрузке, а деформация пропорциональна деформации в соответствии с законом Гука .

E = напряжение / деформация

= σ / ε

= (F n / A) / (дл / л o ) ( 4)

, где

E = модуль Юнга (Н / м 2 ) (фунт / дюйм 2 , фунт / кв. Дюйм)

Модуль упругости или модуль Юнга обычно используется для металлов и металлических сплавов и выражается в единицах 10 6 фунтов f / дюйм 2 , Н / м 2 или Па .Модуль упругости при растяжении часто используется для пластмасс и выражается в единицах 10 5 фунтов f / дюйм 2 или ГПа.

Модуль упругости при сдвиге - или модуль жесткости

G = напряжение / деформация

= τ / γ

= (F p / A) / (с / d) (5)

, где

G = модуль упругости при сдвиге - или модуль жесткости (Н / м 2 ) (фунт / дюйм 2 , psi)

τ = напряжение сдвига ((Па) Н / м 2 , psi)

γ = мера деформации сдвига без единицы измерения

2

2 p = сила, параллельная граням, на которые они действуют

A = площадь (м 2 , в 2 )

s = смещение граней (м, дюйм)

d = ди положение между смещенными гранями (м, дюйм)

Объемный модуль упругости

Объемный модуль упругости - или объемный модуль - является мерой сопротивления вещества равномерному сжатию.Объемный модуль упругости - это отношение напряжения к изменению объема материала, подвергающегося осевой нагрузке.

Модули упругости

Модули упругости для некоторых распространенных материалов:


9000 Модуль упругости - 904 Стекло 9047 8
Материал Модуль упругости
- E -
Модуль упругости при сдвиге
- G -
(ГПа)
(10 6 фунтов на кв. Дюйм)
(ГПа)
(10 6 фунтов на кв. Дюйм)
(ГПа)
4 60005 (10 6 фунтов на кв. )
Алюминий 70 24 70
Латунь 91 36 61
Медь 55 23 37
Железо 91 70 100
Свинец 16 5.6 7,7
Сталь 200 84 160
.Диаграмма деформации

| MATHalino

Предположим, что металлический образец помещается в машину для испытания на растяжение-сжатие. Поскольку осевая нагрузка постепенно увеличивается с приращениями, общее удлинение по измерительной длине измеряется при каждом приращении нагрузки, и это продолжается до тех пор, пока не произойдет разрушение образца. Зная исходную площадь поперечного сечения и длину образца, можно получить нормальное напряжение σ и деформацию ε. График этих величин с напряжением σ по оси y и деформацией ε по оси x называется диаграммой напряжение-деформация.Диаграмма "напряжение-деформация" отличается по форме для разных материалов. На приведенной ниже диаграмме показана конструкционная сталь со средним содержанием углерода.

Металлические конструкционные материалы классифицируются как пластичные и хрупкие. Пластичный материал - это материал, имеющий относительно большие деформации при растяжении до точки разрыва, как конструкционная сталь и алюминий, тогда как хрупкие материалы имеют относительно небольшую деформацию до точки разрыва, например, чугун и бетон. Произвольная деформация 0.05 мм / мм часто используется как разделительная линия между этими двумя классами.



Диаграмма деформирования среднеуглеродистой конструкционной стали

Предел пропорциональности (закон Гука)
От начала координат O до точки, называемой пределом пропорциональности, кривая напряжения-деформации представляет собой прямую линию. Эта линейная связь между удлинением и вызывающей осевой силой была впервые замечена сэром Робертом Гуком в 1678 году и называется законом Гука, согласно которому в пределах пропорционального предела напряжение прямо пропорционально деформации, или

$ \ sigma \ propto \ varepsilon $ или $ \ sigma = k \ varepsilon $

Константа пропорциональности k называется модулем упругости E или модулем Юнга и равна наклону диаграммы напряжения-деформации от O до P.Тогда

$ \ sigma = E \ varepsilon

$

Предел упругости
Предел упругости - это предел, за которым материал больше не будет возвращаться к своей исходной форме при снятии нагрузки, или это максимальное напряжение, которое может возникнуть, так что не будет остаточной или остаточной деформации. когда нагрузка полностью снята.

Диапазон упругости и пластичности
Область на диаграмме "напряжение-деформация" от O до E называется диапазоном упругости.Область от E до R называется пластической областью.

Предел текучести
Предел текучести - это точка, при которой материал будет иметь заметное удлинение или податливость без увеличения нагрузки.

Предел прочности
Максимальная ордината на диаграмме "напряжение-деформация" - это предел прочности или предел прочности при растяжении.

Прочность при вознесении
Прочность при вознесении - это прочность материала при разрыве.Это также известно как предел прочности на разрыв.

Модуль упругости
Модуль упругости - это работа, выполняемая на единицу объема материала при постепенном увеличении силы от O до P, в Н · м / м 3 . Это можно рассчитать как площадь под кривой зависимости напряжения от деформации от начала координат O до предела упругости E (заштрихованная область на рисунке). Устойчивость материала - это его способность поглощать энергию, не создавая постоянных искажений.

Модуль ударной вязкости
Модуль ударной вязкости - это работа, выполняемая на единицу объема материала при постепенном увеличении силы от O до R, в Н · м / м 3 .Это может быть рассчитано как площадь под всей кривой напряжения-деформации (от O до R). Прочность материала - это его способность поглощать энергию, не вызывая разрушения.

Рабочее напряжение, допустимое напряжение и коэффициент безопасности
Рабочее напряжение определяется как фактическое напряжение материала при заданной нагрузке. Максимальное безопасное напряжение, которое может выдержать материал, называется допустимым напряжением. Допустимое напряжение должно быть ограничено значениями, не превышающими предела пропорциональности.Однако, поскольку пропорциональный предел трудно определить точно, допустимая прядь принимается как предел текучести или предел прочности, деленный на коэффициент безопасности. Отношение этой прочности (предела текучести) к допустимой прочности называется запасом прочности.

.

Введение в материаловедение

Убедитесь, что в вашем браузере включен JavaScript. Если вы оставите отключенным JavaScript, вы получите доступ только к части предоставляемого нами контента. Вот как.

Коллаж из 8 фотографий с текстом «Что общего у всех этих фотографий?» над центром коллажа. На фотографиях по часовой стрелке слева вверху: падающая башня Пизы, безрукая статуя Венеры Милосской, банка с газировкой, которую вот-вот открывают, сломанный карандаш, собака, жующая кость, треснувший Колокол Свободы, Tacoma Narrows Мост, когда его палуба рушится, и разбитое лицо и разрушенное тело Сфинкса.


Коллаж, состоящий из 8 изображений, по часовой стрелке от верхнего левого угла: падающая башня Пизы, безрукая статуя Венеры Милосской, банка из-под газировки, которую вот-вот открывают, щелкнувший карандаш, собака, жующая кость, трещина Колокол Свободы, мост через пролив Такома, когда его палуба рушится, а также разбитое лицо и разрушенное тело Сфинкса.


Коллаж из 8 фотографий с текстом «Каждая - пример того, как вещи ломаются!» по центру изображения.На фотографиях по часовой стрелке слева вверху: падающая башня Пизы, безрукая статуя Венеры Милосской, банка с газировкой, которую вот-вот открывают, сломанный карандаш, собака, жующая кость, треснувший Колокол Свободы, Tacoma Narrows Мост, когда его палуба рушится, и разбитое лицо и разрушенное тело Сфинкса.

Как вещи ломаются!

Иногда мы хотим, чтобы что-то сломалось. . .

Взлом - не всегда плохо. Например, для банок из-под газировки мы хотим, чтобы ободок вокруг отверстия сломался раньше всего.У вас когда-нибудь отрывался язычок перед открытием банки? Разве вы не ненавидите, когда это происходит? Подумайте о двух разных объяснениях отказа такого вида газированных банок.

Иногда мы этого не делаем!

По очевидным причинам мы хотим, чтобы мосты были прочными и выдерживали множество различных условий окружающей среды.

Для получения дополнительной информации о катастрофе Tacoma Narrows Bridge, эти онлайн-ссылки являются хорошим местом для начала:

Вопросы

  • Как определить, сломается ли конструкция?
  • Из чего состоят разные конструкции и каковы их свойства?
  • Какие слова мы используем для описания этих свойств?
  • Как мы проверяем эти свойства?

Словарь

Звездная величина

Метрические префиксы
Йотта- Я 10 24 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Zetta- Z 10 21 1 000 000 000 000 000 000 000 000
Exa- E 10 18 1 000 000 000 000 000 000
Пета- P 10 15 1 000 000 000 000 000
Тера- т 10 12 1 000 000 000 000
Гига - G 10 9 1 000 000 000
Мега- M 10 6 1 000 000
килограмм - к 10 3 1000
га - ч 10 2 100
дека- da 10 1 10
деци- г 10 -1 0.1
сантиметров - с 10 -2 0,01
милли- м 10 -3 0,001
микро- мкм 10 -6 0,000 001
нано- n 10 -9 0,000 000 001
пико- с. 10 -12 0.000 000 000 001
фемто- f 10 -15 0,000 000 000 000 001
атто- а 10 -18 0,000 000 000 000 000 0001
zepto- z 10 -21 0,000 000 000 000 000 000 000 1
yocto- л 10 -24 0.000 000 000 000 000 000 000 0001

В США мы используем английскую систему, но все в мире (включая Англию!) Используют метрическую систему. Вы наверняка уже видели некоторые из этих метрических префиксов раньше, например: милли, метров, гига, байт, нано, секунд.

Для интересного упражнения с величинами вещей попробуйте придумать разные измерения, для которых каждый из приведенных выше префиксов был бы удобен.Вот несколько ссылок:

Напряжение

Это стресс ??

Что вы обычно думаете, когда слышите слово «стресс»?

Нет, это стресс!

Диаграмма напряжений при растяжении и сжатии. Напряжение - это сила, действующая на материал, деленная на площадь поперечного сечения материала. Если сила растягивает материал (груз, подвешенный к объекту), это называется растягивающим напряжением.Если сила сжимает материал (груз, помещенный на верхнюю часть объекта), это называется сжимающим напряжением.

С точки зрения материаловедения и машиностроения, напряжение определяется как сила, действующая на материал, деленная на площадь поперечного сечения материала ( A на диаграмме выше). Мы можем говорить о разных типах стресса в зависимости от того, как приложена сила. Например, если сила стремится растянуть материал (как на диаграмме слева), мы называем это растягивающим напряжением , напряжением.Если сила имеет тенденцию сжимать материал (как на диаграмме справа), мы называем это напряжением сжатия .

Что происходит, когда вы подвергаете что-то стрессу?

На фото и чертежах деформация показана как изменение длины материала, деленное на исходную длину материала. При растяжении материал может постепенно увеличиваться в длине. При сжатии материал может постепенно уменьшаться в длине.Человек, поднимающий машину, испытывает растягивающее напряжение при вытягивании рук.

Деформация - это реакция материала на напряжение. Он определяется как изменение длины материала под нагрузкой ( L ' - L 0 ), деленное на исходную длину ( L 0 ). Для материала, находящегося под напряжением, длина материала может постепенно увеличиваться. Для сжатого материала длина материала может постепенно уменьшаться.

Один из способов продемонстрировать напряжение - использовать сжимаемую упаковочную пену (балки) или изоляцию (трубы). Нарисуйте на поролоне правильную сетку (как показано ниже). Что происходит с шагом сетки, когда вы сжимаете, растягиваете и сгибаете пену? Когда вы изгибаете пенопласт, вы можете увидеть сочетание сжимающих и растягивающих напряжений на противоположных сторонах изгиба.

Механические свойства материалов

Диаграмма описывает модуль упругости и коэффициент Пуассона относительно напряжения и деформации в материале.Модуль упругости равен напряжению, разделенному на деформацию, и обозначается заглавной буквой E. Коэффициент Пуассона равен изменению напряжения вдоль оси x, деленному на изменение напряжения вдоль оси z или изменение напряжения вдоль оси y. делится на изменение напряжения по оси z.

Как инженеры-механики описывают поведение материала при нагрузке? Одно измерение называется модулем упругости и определяется как напряжение, деленное на деформацию.Это мера того, какая деформация создается при данной нагрузке на материал. Другой показатель - это коэффициент Пуассона, который описывает, как напряжение, приложенное вдоль одного измерения материала, влияет на другие измерения.

Вот демонстрация, которую вы можете попробовать сами. В качестве одного из примеров сравните детские роллы и веселых владельцев ранчо. Какая разница? Как каждый реагирует на растягивающие и сжимающие силы? Что с этим случится, если сжать зубочистку? Такие материалы, как рулеты, ириски и карамель , пластически деформируются (навсегда меняют форму).Они также становятся намного шире, когда становятся короче, или уже, если растягиваются дольше. Как насчет веселого владельца ранчо? Они хрупкие, поэтому не деформируются пластически до того, как сломаются в результате разрушения. Другие материалы, которые вы можете попробовать, - это глупая замазка (см. Химия слизи для рецепта приготовления самостоятельно) и кубиками льда.

Оборудование для испытаний на растяжение

Фотография машины для испытания на растяжение показывает чертежи металлического стержня, который помещают в центр машины для проверки ее прочности.Машина имеет две головки, одна подвешенная над другой, которые удерживают материал, в то время как рычаги по бокам машины толкают или стягивают головки вместе для проверки материала. Под фотографией приведены уравнения для напряжения (сила / площадь поперечного сечения) и деформации (изменение длины / исходной длины).

Материаловеды и инженеры-механики используют специальное испытательное оборудование, такое как машина для испытания на растяжение на диаграмме выше, для измерения реакции материала на нагрузку. Испытательное оборудование может применять большое количество силы.Как величину, так и продолжительность действия силы можно точно измерить. На диаграмме также показаны типичные характеристики пластичных материалов при растяжении.

Как нетрудно догадаться, такое специализированное испытательное оборудование стоит дорого. Есть гораздо более дешевые методы, которые вы можете использовать для измерения стресса и напряжения для своего научного проекта. Например, см. Сила в цифрах?

Зачем тестировать материалы?

Хорошие вопросы:

  • Как выбирать материалы?
  • Как убедиться, что то, что мы делаем, хорошо?
  • Как убедиться, что он безопасен, когда мы его построим?
  • Как убедиться, что он прослужит долго?

Это некоторые из многих веских причин для тщательного тестирования материалов.

  • Исследования. Нам нужны точные измерения свойств существующих материалов, чтобы инженеры могли выбрать правильный материал для конкретного проекта. Материаловедам, разрабатывающим новые материалы, нужны способы измерения прогресса.
  • Контроль качества при производстве. Тестирование гарантирует, что производственный процесс работает должным образом. Когда материалы не проходят проверку качества, причину дефекта (-ов) можно отследить, а проблему на производственной линии можно устранить.
  • Характеристики зданий / устройств в заводском состоянии. Когда инженеры проектируют продукт, они ожидают, как его конструкция будет работать (на основе моделей и прототипов, известных свойств материалов и опыта). Взяв реальный продукт, только что сошедший с конвейера, и протестировав его, мы можем измерить, насколько конструкция выдерживает реальный мир.
  • Тестирование жизненного цикла. Автоматическое тестирование с повторяющимися циклами нагрузки может дать информацию о том, как долго материалы могут прослужить в различных условиях окружающей среды.

Результаты испытаний на растяжение

График напряжения-деформации для пластичных материалов

Пример графика зависимости напряжения от деформации показывает приложенное напряжение и измеренную деформацию в пластичном материале до разрушения материала. Пластичный материал - это материал, который перед разрушением может сгибаться или сгибаться. График показывает неуклонное увеличение напряжения и деформации перед небольшим провалом, при котором материал больше не может изгибаться и внутри материала начинает расти напряжение.Напряжение продолжает медленно увеличиваться, пока не достигает пика, и медленно уменьшается, в то время как напряжение постоянно нарастает. В конце концов, напряжение и напряжение становятся слишком большими, и объект разрывается или ломается. Напряжение, измеренное в точке разрыва, является точкой напряжения разрушения.

Вот пример того, как специалисты по обработке данных используют при оценке пластичных материалов. Приложенное напряжение откладывается по оси y, а измеренная деформация в ответ на это напряжение откладывается по оси x.Приведенные ниже определения помогут вам понять схему.

  • Материал, который может подвергаться большой пластической деформации перед разрушением, называется пластичным материалом .
  • Материал, который демонстрирует небольшую пластическую деформацию при разрушении или не проявляет ее вовсе, называется хрупким материалом .
  • Точка, до которой напряжение и деформация линейно связаны, называется пределом пропорциональности .
  • Наибольшее напряжение на кривой "напряжение-деформация" называется предельным напряжением .
  • Напряжение в точке разрыва называется напряжением разрыва или разрывом .
  • Область кривой напряжения-деформации, в которой материал возвращается к недеформированному напряжению, когда приложенные силы снимаются, называется областью упругости .
  • Область, в которой материал постоянно деформируется, называется пластической областью .
  • Точка, отделяющая резину от области пластика, называется предел текучести .Напряжение в пределе текучести называется пределом текучести .
  • Остаточная деформация при нулевых напряжениях называется пластической деформацией .
  • Напряжение смещения текучести - это напряжение, которое вызовет пластическую деформацию, соответствующую указанной деформации смещения .
  • Твердость - устойчивость к вдавливанию.
  • Повышение предела текучести с увеличением деформации называется деформационным упрочнением .
  • Внезапное увеличение площади поперечного сечения после предельного напряжения называется сужением . На рисунке ниже показан пример сужения.

Моменты и моменты

Моменты и крутящие моменты - это на инженерном языке напряжения, которые мы обычно называем «изгибом» и «скручиванием». Это все те же идеи напряжения и напряжения, о которых мы говорили, и те же единицы измерения.Разница в оси приложения напряжения.

На диаграмме видно, что моменты создают как сжимающие (−σ), так и растягивающие (+ σ) напряжения, в зависимости от того, какую часть материала вы исследуете. Вы можете использовать решетчатые балки и трубы из пенопласта (из сжимаемого пенопласта и изоляции труб, соответственно), чтобы визуализировать влияние моментов и крутящих моментов. Проведите линии сетки через 2-3 интервала.

Пластичный или хрупкий?

Материалы с разными свойствами ломаются по-разному.Вспомните веселых владельцев ранчо и сладких булочек. Какой пластичный, а какой хрупкий? Подумайте о скрепке. Пластичный или хрупкий? Вы можете использовать его на небольшой стопке бумаги много раз, и она вернется к своей первоначальной форме. Но если вы откроете скрепку, как показано выше, вы деформируете ее пластически, и она навсегда сохранит новую форму после превышения предела текучести. Как насчет лобового стекла?

Как вещи ломаются?

Коррозия

Металлы прочные, но они подвержены коррозии или ржавчине.Краска помогает защитить металл от воды и воздуха, которые являются ингредиентами коррозии.

Усталость

Повторяющаяся нагрузка открывает и закрывает крошечные дефекты снова и снова, и в конечном итоге эти дефекты становятся трещинами, которые распространяются и разрушаются. При повторяющейся нагрузке конструкции в конечном итоге разрушаются при гораздо меньших нагрузках, чем предполагалось изначально. Возьмите скрепку и попробуйте развернуть и сложить ее в разных направлениях (вращая или сгибая).Попробуйте покататься на велосипеде с разными диапазонами отклонения и подсчитайте количество циклов, необходимых для разрыва скрепки. Есть ли связь между углом отклонения и количеством циклов до поломки?

Человек из пластика или человек из стали?

Пластмассы дешевы, их легко формовать, они легкие и довольно прочные для своего веса, но они легко размягчаются при температуре. Их соотношение прочности к весу не так хорошо, как у стали, популярного конструкционного материала.Однако сталь довольно тяжелая и подвержена коррозии.

А как насчет этих материалов?

Керамика хрупкая, алюминий пластичный. Бетон обычно армируют внутри металлическими прутьями, поэтому вся конструкция имеет смешанные свойства.

Объединяем материалы

Насколько прочны разные конструкции? Какие преимущества у разных форм?

Прочность зависит от:

  • Свойства материала
  • Геометрия (e.г., форма поперечного сечения материала)
  • Характер и размещение опоры

Чем материалы на иллюстрации выше отличаются по свойствам материала, геометрии и размещению опор?

А как насчет этих структур?

Эти продукты были разработаны с использованием композитов из углеродного волокна, чтобы быть легкими, но очень прочными. Как свойства материала, геометрия и размещение опор придают каждому изделию прочность?

Для проектов, которые исследуют силу vs.геометрию см .:

Делаем вещи прочными и легкими

Как сделать вещи сильными и легкими?

  • Геометрия: умные формы выдерживают большие нагрузки.
  • Материалы: выбор подходящего материала для работы.

Требуется сочетание качественных материалов и правильной формы.

Отношение прочности к массе

Как мы можем измерить, чтобы увидеть, что работает лучше всего?

  • Мы можем сравнивать различные конструкции и материалы, сравнивая соотношение прочности к весу каждой из них с другими.
  • Возьмем прочность материала (сила или разрывное напряжение) и разделим на его вес , ​​чтобы получить отношение прочности к весу.

Сильный и легкий: галерея изображений

Геометрия - Здания

Эта галерея изображений может вдохновить вас на создание прочных и легких конструкций. Для проекта, в котором вы можете применить эти идеи, см.: Падающая башня макаронных изделий.

Здание банка Гонконга и Шанхая имеет треугольные рамы вокруг высоких стержней, чтобы стержни могли поддерживать здание и не сгибались.Архитекторы часто играют с геометрией при проектировании зданий. Использование простых форм помогает снизить стоимость и вес материала, сохраняя при этом безопасность и поддержку здания.

Эйфелева башня достигает большого отношения прочности к весу за счет использования несущей конструкции фермы.

Строительный кран - это высокая башня с ферменной рамой, предназначенная для подъема и перемещения тяжелых предметов.Высота конструкции по сравнению с ее весом очень хороша по сравнению с тем, какой вес она может поднять.

Конструкционные пластмассы

Различные материалы обладают разными свойствами. Многие металлы, например сталь, очень прочные, но при этом очень тяжелые. Конструкционные твердые пластмассы прочные и долговечные, им можно придать практически любую форму и они легкие.

Канаты и шнуры

Даже простые вещи, такие как веревки и шнуры, могут обладать огромной прочностью для своего веса.Они используют тот факт, что материалы, из которых они сделаны, очень прочны на растяжение.

Superstrong: материалы и геометрия

Углеродное волокно - еще один материал, устойчивый к растяжению. Если скомбинировать его с сотовой формой, которая хорошо поддается сжатию, получается очень прочная структура.

Как материалы (например, полая рама из титана или углеродного волокна), так и геометрическая треугольная форма велосипеда позволяют ему быть очень прочным при небольшом весе.

Натуральные материалы

Паучий шелк обладает удивительными свойствами.

  • На ощупь он похож на шелк и эластичен, как нейлон.
  • Он в 3 раза легче, чем кевлар (самые прочные искусственные волокна, используемые в пуленепробиваемых жилетах) и до 30 раз прочнее!
  • Если бы волокна паучьего шелка были созданы диаметром с маленький карандаш и скручены в паутину, они смогли бы остановить самолет Боинг 747 в воздухе (как вы видите в «Человеке-пауке»)!

Многие материалы, встречающиеся в природе, обладают очень интересными свойствами, которые люди не могут скопировать.

Древесина имеет высокое отношение прочности к массе благодаря своей ячеистой микроструктуре. То, как растут клетки дерева (в зернах), делает древесину прочной.

Даже разные породы дерева обладают разными свойствами. Например, древесина бальзы чрезвычайно легкая, но при формовании правильной формы она также чрезвычайно прочна. Эта конструкция из пробкового дерева и суперклея весила всего 18 грамм, но выдержала 990 кг перед тем, как сломаться !!


Фотографии моста из бамбука и бамбука, растущего в природе.Стебель бамбукового растения называется стеблем, он легкий и прочный из-за стеновых перегородок, которые перемещаются и укрепляют весь стебель. Бамбук также быстро растет, его можно найти в различных формах и размерах, и он отлично подходит для строительства, мостов и инструментов.

Бамбук - еще один природный ресурс для изготовления строительных материалов.

Страницы «Напряжение, напряжение и сила» были адаптированы из программы семинаров, разработанной в Стэнфордском университете для учащихся 7-х классов, интересующихся инженерными науками.Первокурсники Стэнфордского университета были наставниками программ. Мастерская разработана:

Профессор Бет Прюитт, Машиностроение, Стэнфордский университет
Тори Бейли, доктор философии. Кандидат технических наук, Стэнфордский университет
Алекс Тунг, Ph.D. Кандидат электротехники, Стэнфордский университет

Разработчики дали разрешение на публикацию этих материалов на сайте Science Buddies.

Отредактировал Эндрю Олсон, доктор философии, приятели науки.

Видео о нашей науке

Сделайте термометр - STEM Activity

Разноцветные узоры тающих ледяных шариков - STEM Activity

Сделайте свою собственную лавовую лампу

.

Смотрите также