Сужение в инженерии или материаловедении - это способ деформации растяжения, при котором относительно большие деформации непропорционально локализуются в небольшой области материала. [1] Результирующее заметное уменьшение локальной площади поперечного сечения дает основание для названия «шея». Поскольку локальные деформации в шейке велики, образование шейки часто тесно связано с податливостью , формой пластической деформации, связанной с пластичными материалами, часто металлами или полимерами. [2]Как только началось образование шейки, шейка становится исключительным местом деформации материала, так как уменьшенная площадь дает шейке наибольшую локальную нагрузку . При достаточном натяжении шея в конечном итоге становится переломом .
Формирование [ править ]
Сужение возникает в результате нестабильности во время деформации растяжения, когда площадь поперечного сечения материала уменьшается в большей степени, чем затвердевает материал при деформации . Консидер опубликовал основной критерий образования шеи в 1885 году. [3] Три концепции обеспечивают основу для понимания формирования шеи.
- До деформации все реальные материалы имеют неоднородности, такие как дефекты или локальные отклонения в размерах или составе, которые вызывают локальные колебания напряжений и деформаций . Чтобы определить местоположение зарождающейся шейки, эти колебания должны быть лишь бесконечно малыми по величине.
- При деформации растяжением площадь поперечного сечения материала уменьшается. ( Эффект Пуассона )
- При деформации растяжения материал деформируется. Степень затвердевания зависит от степени деформации.
Последние два элемента определяют устойчивость, а первый элемент определяет положение шеи.
Графики слева показывают количественное соотношение между упрочнением (изображенным наклоном кривой) и уменьшением площади поперечного сечения (предполагается, что при обработке Консидера изменяется обратно пропорционально степени вытяжки) для материала, который образует стабильную шейку (вверху) и материал, который однородно деформируется при всех степенях вытяжки (внизу).
По мере того как материал деформируется, все участки подвергаются примерно одинаковой степени деформации, пока он затвердевает больше, чем уменьшается его площадь поперечного сечения, как показано при малых степенях вытяжки на верхней диаграмме и при всех коэффициентах вытяжки внизу. Но если материал начинает затвердевать в меньшей степени, чем уменьшение площади поперечного сечения, как показано первой точкой касания на верхней диаграмме, деформация концентрируется в месте наибольшего напряжения или наименьшей твердости. Чем больше локальная деформация, тем больше локальное уменьшение площади поперечного сечения, что, в свою очередь, вызывает еще большую концентрацию деформации, что приводит к нестабильности, вызывающей образование шейки. Эта нестабильность называется «геометрической» или «внешней», потому что она связана с макроскопическим уменьшением площади поперечного сечения материала.
Стабильность шеи [ править ]
По мере продолжения деформации геометрическая нестабильность заставляет деформацию продолжать концентрироваться в шейке до тех пор, пока материал либо не разорвется, либо материал с шейкой не затвердеет достаточно, как показано второй точкой касания на верхней диаграмме, чтобы вместо этого вызвать деформацию других участков материала. Величина деформации стабильной шейки называется естественной степенью вытяжки [4], потому что она определяется характеристиками твердения материала, а не величиной вытяжки, приложенной к материалу. Пластичные полимеры часто демонстрируют стабильные шейки, поскольку ориентация молекул обеспечивает механизм упрочнения, который преобладает при больших деформациях. [5]
Математическая обработка [ править ]
На кривой инженерного напряжения и деформации начало образования шейки происходит в максимуме кривой, то есть при максимальной приложенной нагрузке, которую может выдержать материал, или при предельной прочности на растяжение . Несущая нагрузка определяется выражением
F = σ T A i
где σ T - истинное напряжение, а A i - мгновенная площадь. В максимуме производная силы равна
dF = dσ T A i + σ T dA i = 0
или же
d σ T / σ T = -dA i / A i
Таким образом, критерием образования шейки является то, что постепенное увеличение внутреннего напряжения в точности равно постепенному уменьшению площади поперечного сечения, где локализуется напряжение. [6]
См. Также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ PW Бриджмен, Большое пластическое течение и разрушение , McGraw-Hill (1952)
- ^ AJ Kinloch и RJ Янг, Fracture Поведение полимеров , Chapman & Hall (1995) P108
- ^ Armand Considère, Annales де Пон и др Chaussées 9 (1885) 574-775 страницы
- ^ Roland Сегел высокомолекулярные материалы и инженерное Том 292 Выпуск 3 (2006)стр 235 - 244
- ^ RN Haward J. Polym Sci Часть B: Polym. Phys. 45 (2007), страницы 1090-1099
- ^ Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: Макгроу Хилл. ISBN 0070285942. OCLC 41932585 .
