応力-ひずみ曲線は、材料の強度と弾性を表すグラフです。特定のアプリケーションで使用される材料の挙動を予測するために使用されます。
応力-ひずみグラフは、エンジニアと設計者に材料の強度と弾性のグラフィカルな尺度を提供します。これにより、特定のアプリケーションで使用される材料の挙動を予測できます。グラフを描くには、まず材料に引張試験を行う必要があります。
引張試験は、最も単純で最も広く実施されている機械試験です。その中で、テストされる材料で構成されたロッドが2つの爪の間に挟まれています。強度と弾力性をテストするために、2 つの爪がロッドを標準的な速度で反対方向に引っ張り、ロッドが壊れるまで伸ばします。ロッドにストレスがかかる これは、両端に加えられた反対の力 (P) とロッドの断面積 (A) の比率に等しくなります。この応力は、ロッドを伸ばすことでロッドを変形させます。ロッドはひずみを受けます。 これは、ロッドの長さの変化の比率 (δL) と元の長さ (L) に等しくなります。
応力ひずみのデモンストレーション
応力が増加すると、材料の特性に応じて、それによって生じる歪みが異なります。この関係はグラフで表すことができ、このグラフは応力 - ひずみ曲線と呼ばれ、応力が Y 軸にプロットされ、ひずみが X 軸にプロットされます。私たちが自由に使える資料はたくさんありますが、基本的にそれらを 2 つのグループに分類することができます。したがって、2 つの応力-ひずみ曲線があります。1 つは延性材料を表し、もう 1 つは脆性材料を表します。まず前者について考えてみましょう。
延性曲線
銅やアルミニウムなどの延性材料に応力がかかると、最初は応力の大きさに比例した歪みが生じます。これは、直線 OA で表されます。直線は、応力と歪みが OA 全体で直線的または直接的な関係を共有していることを意味します。または、単純に、材料はフックの法則に従います。比例関係は、それらを定数 (この場合は材料のヤング率または弾性率) と等しくすることによって取り除くことができます。応力「σ」は、ヤング率「E」の積に等しくなります そして歪み「ε」。さらに、この領域では、材料は弾性体のように振る舞います — クランプを外して応力から解放されると、元の形状を保持または回復します。
延性材料の応力-ひずみ曲線
これは領域 AB にも当てはまりますが、この領域の材料はフックの法則に従わないことを除いて、事実はその非線形形状から容易に識別できます。点 A は比例限界と呼ばれます。この点を超えると、応力とひずみが線形関係を共有しなくなるためです。それでも、材料はフックの法則に従わなくても、弾力性を維持することができます. AB でロッドをアンクランプしても、材料は元の形状に戻ります。したがって、点 B は弾性点として知られています。これは、材料が弾性的に耐えることができる最大の力を表し、領域 OB は弾性領域と呼ばれます。
ただし、さらに応力を加えると、材料は弾性点の端を越えて可塑性領域に押し出されます。これが、点 B が上限降伏点としても知られている理由です。点 B を超えると、材料は応力に屈し、プラスチックのように変形し始めます。ここで応力は急激に低下しますが、ひずみが非常に大きいため、変形 (より正確には伸び) は永続的です。降伏点の下限として知られる点 C まで応力は減少しますが、観察できるように、材料は伸び続けます。
ネッキングは応力-ひずみ曲線の点「D」を示し、破壊は点「E」を示します。
材料に可塑性が誘発されると、その内部分子構造は絶えず再編成されます。材料はこの変化に抵抗しようとし、硬化する傾向があります。これはひずみ硬化として知られています。しかし、それに加えられる応力が増加するにつれて、材料の最大強度を表す点 D まで、その長さに沿って伸び続け、次第に長くなったり細くなったりします。これは、材料の究極の強度点と呼ばれます。
D より大きい応力は非常に耐え難いものであり、伸長によってロッドの最も弱い部分にネックが形成されます。これで、首だけがさらに変形します。ネックはE点まで細く弱くなり、そこで壊れます。材料は現在、破砕されていると言われています。 2 つの壊れたパーツは、いわゆる「カップとコーン」形状を示します。ポイント E は、破砕点または破裂点と呼ばれます。
カップとコーンの形状
すべての延性材料の応力-ひずみ曲線は、A、B、C、D、および E の値が異なる場合がありますが、すべての曲線は一般的に不気味なほど似た軌跡を描いています。
もろい曲線
ガラスなどの脆性材料は、降伏現象を示さないことを除いて、同じ関係を共有しています。これらの材料は、可塑性領域をスキップし、弾性領域の直後に破損します。延性材料と脆性材料の主な違いは、前者は広範囲に変形しますが、後者はほとんど変形しないことです。弾性限界まで生き残り、その後過剰な応力を受けると破壊します。ガラスは最も明白な例です。 (応力-ひずみ曲線は温度変化の影響を受けるため、加熱するまでは) 成形できないため、破壊することしかできません。
脆い曲線
このような関係は、すべての素材に適用できます。延性や脆性材料を超えて範囲を広げるとしたら、プラスチックなどの破砕点さえない材料が見つかることに驚かれることでしょう。ただし、その比例限界は無視できます。反対に、グラフが急な初期勾配を示す鋼は、その強度と耐久性を示す健全な比例限界を誇っていますが、破壊点が遠くないため、可塑性が劣っています。次に、さまざまな材料のグラフを調べて、材料がワイヤーとして使用できるほど十分に可鍛性があるか、橋を架けるのに十分な剛性があるかを判断できます。
異なる材料の応力-ひずみ曲線
