Stress
Jede Komponente, ob einfach oder komplex, muss eine mechanische Belastung irgendeiner Art übertragen oder aushalten. Diese Belastung kann eine der folgenden Formen annehmen: eine kontinuierlich aufgebrachte Belastung ("statische" Belastung); eine Belastung, die schwankt, mit langsamen oder schnellen Änderungen in der Größe ("dynamische" Belastung); eine plötzlich aufgebrachte Belastung ("Stoß" Belastung); oder eine Belastung aufgrund eines Aufpralls. Stress ist eine Form der Belastung, die auf eine Komponente wirken kann.
Definition von Stress
Wenn ein Metall einer Belastung (Kraft) ausgesetzt wird, wird es verzerrt oder verformt, unabhängig davon, wie stark das Metall oder wie leicht die Belastung ist. Wenn die Belastung gering ist, verschwindet die Verzerrung wahrscheinlich, wenn die Belastung entfernt wird. Die Intensität oder der Grad der Verzerrung wird als Dehnung bezeichnet. Wenn die Verzerrung verschwindet und das Metall bei Entfernung der Belastung in seine ursprünglichen Abmessungen zurückkehrt, wird die Dehnung als elastische Dehnung bezeichnet. Wenn die Verzerrung bestehen bleibt und das Metall verformt bleibt, wird die Dehnungsart als plastische Dehnung bezeichnet. Dehnung wird in einem anderen saVRee-Artikel ausführlicher behandelt.
Wenn eine Belastung auf Metall aufgebracht wird, wird die atomare Struktur selbst verzerrt, indem sie komprimiert, verzogen oder verlängert wird. Die Atome, aus denen ein Metall besteht, sind in einem bestimmten geometrischen Muster angeordnet, das für dieses spezielle Metall oder diese Legierung spezifisch ist, und werden durch zwischenatomare Kräfte in diesem Muster gehalten. Wenn sie so angeordnet sind, befinden sich die Atome in ihrem Zustand minimaler Energie und neigen dazu, in dieser Anordnung zu bleiben. Es muss Arbeit am Metall verrichtet werden (d. h. Energie muss hinzugefügt werden), um das atomare Muster zu verzerren (Arbeit ist gleich Kraft mal der Strecke, die die Kraft bewegt).
Stress ist der innere Widerstand oder die Gegenkraft eines Materials gegen die verzerrenden Effekte einer äußeren Kraft oder Belastung. Diese Gegenkräfte neigen dazu, die Atome in ihre normalen Positionen zurückzubringen. Der gesamte entwickelte Widerstand ist gleich der äußeren Belastung. Dieser Widerstand wird als Stress bezeichnet.
Obwohl es unmöglich ist, die Intensität dieses Stresses direkt zu messen, können die äußere Belastung und die Fläche, auf die sie aufgebracht wird, gemessen werden. Stress (σ) kann als Belastung pro Flächeneinheit oder als Kraft (F) pro Querschnittsfläche (A) senkrecht zur Kraft definiert werden, wie in der untenstehenden Gleichung gezeigt.
wo:
σ = Stress (psi oder lbs Kraft pro in.2)
F = aufgebrachte Kraft (lbs)
A = Querschnittsfläche (in.2)
Hinweis
Die imperiale Einheit der Kraft ist Pfund-Kraft (lbf), die sich je nach Schwerkraft von Pfund-Masse (lb) unterscheidet. Auf der Erde ist die Pfund-Kraft fast genau die gleiche wie die Pfund-Masse. Zur Vereinfachung werden für alle gezeigten Berechnungen Pfund-Masse (lb) Einheiten verwendet.
Die SI-Metrikeinheit der Kraft ist der Newton. Stress wird in Newton pro Quadratmeter (N/m2) ausgedrückt.
Arten von Stress
Spannungen treten in jedem Material auf, das einer Belastung oder einer aufgebrachten Kraft ausgesetzt ist. Es gibt viele Arten von Spannungen, aber sie können alle allgemein in eine von sechs Kategorien eingeteilt werden: Restspannungen, Strukturspannungen, Druckspannungen, Fließspannungen, thermische Spannungen und Ermüdungsspannungen.
Restspannungen
Restspannungen entstehen durch Herstellungsprozesse, die Spannungen in einem Material hinterlassen. Schweißen hinterlässt Restspannungen in den geschweißten Metallen.
Strukturspannungen
Strukturspannungen sind Spannungen, die in Strukturbauteilen aufgrund der von ihnen getragenen Gewichte entstehen. Die Gewichte stellen die Belastungen dar. Diese Spannungen finden sich in Gebäudegrundlagen und Rahmenwerken sowie in Maschinenteilen.
Druckspannungen
Druckspannungen sind Spannungen, die in Behältern mit unter Druck stehenden Materialien induziert werden. Die Belastung wird durch die gleiche Kraft erzeugt, die den Druck erzeugt.
Fließspannungen
Fließspannungen treten auf, wenn eine Masse von fließendem Fluid einen dynamischen Druck auf eine Rohrwand ausübt. Die Kraft des Fluids, das auf die Wand trifft, wirkt als Belastung. Diese Art von Spannung kann in unregelmäßiger Weise aufgebracht werden, wenn die Durchflussraten schwanken. Ein Wasserschlag-Szenario ist ein Beispiel für eine transiente Fließspannung.
Thermische Spannungen
Thermische Spannungen existieren immer dann, wenn Temperaturgradienten in einem Material vorhanden sind. Unterschiedliche Temperaturen führen zu unterschiedlichen Ausdehnungen und setzen Materialien inneren Spannungen aus. Diese Art von Spannung ist besonders bemerkenswert in Mechanismen, die bei hohen Temperaturen arbeiten und durch ein kaltes Fluid gekühlt werden.
Ermüdungsspannungen
Ermüdungsspannungen entstehen durch zyklische Anwendung einer Spannung. Die Spannungen könnten durch Vibration oder thermische Zyklen verursacht werden.
Die Bedeutung aller Spannungen nimmt zu, wenn die Materialien, die sie tragen, fehlerhaft sind. Fehler neigen dazu, zusätzliche Spannungen in einem Material zu verursachen. Auch wenn Belastungen zyklisch oder unregelmäßig sind, können Spannungen ein Material stärker beeinflussen. Die zusätzlichen Spannungen, die mit Fehlern und zyklischen Belastungen verbunden sind, können die Spannung überschreiten, die für ein Material zum Versagen notwendig ist.
Arten von aufgebrachten Spannungen
Die Spannungsintensität innerhalb des Körpers einer Komponente wird als eine von drei grundlegenden Arten von inneren Lasten ausgedrückt. Sie sind bekannt als Zug, Druck und Schub. Das untenstehende Bild zeigt die verschiedenen Arten von Spannungen. Mathematisch gibt es nur zwei Arten von inneren Lasten, da Zug- und Druckspannungen als die positiven und negativen Versionen derselben Art von normaler Belastung angesehen werden können.
In der mechanischen Konstruktion kann jedoch die Reaktion von Komponenten auf die beiden Bedingungen so unterschiedlich sein, dass es besser und sicherer ist, sie als separate Arten zu betrachten.
Wie im untenstehenden Bild dargestellt, liegt die Ebene einer Zug- oder Druckspannung senkrecht zur Achse der Kraft, von der sie ausgeht. Die Ebene einer Schubspannung liegt in der Ebene des Kraftsystems, von dem sie ausgeht. Es ist wichtig, diese Unterschiede sowohl im Kopf als auch im Ausdruck klar zu halten.
Arten von aufgebrachten Spannungen
Zugspannung
Zugspannung ist eine Art von Spannung, bei der die beiden Materialabschnitte auf beiden Seiten einer Spannungsebene dazu neigen, sich auseinanderzuziehen oder zu verlängern, wie im obigen Bild (Zug) dargestellt.
Druckspannung
Druckspannung ist das Gegenteil von Zugspannung. Benachbarte Teile des Materials neigen dazu, sich durch eine typische Spannungsebene gegeneinander zu drücken, wie im obigen Bild (Druck) dargestellt.
Schubspannung
Schubspannung existiert, wenn zwei Teile eines Materials dazu neigen, sich in einer typischen Scherebene bei Anwendung einer Kraft parallel zu dieser Ebene zu verschieben, wie im obigen Bild (Schub) dargestellt.
Die Bewertung der mechanischen Eigenschaften erfolgt durch die Betrachtung der drei grundlegenden Spannungsarten. Da Zug- und Drucklasten Spannungen erzeugen, die über eine Ebene wirken, in einer Richtung senkrecht (normal) zur Ebene, werden Zug- und Druckspannungen als normale Spannungen bezeichnet. Die Kurzbezeichnungen sind wie folgt.
Für Zugspannungen: "+SN" (oder "SN") oder "σ" (Sigma)
Für Druckspannungen: "-SN" oder "-σ" (Minus Sigma)
Die Fähigkeit eines Materials, auf Druckspannung oder Druck zu reagieren, wird als Kompressibilität bezeichnet. Zum Beispiel sind Metalle und Flüssigkeiten inkompressibel, aber Gase und Dämpfe sind kompressibel. Die Schubspannung ist gleich der Kraft geteilt durch die Fläche der Fläche parallel zur Richtung, in der die Kraft wirkt, wie im vorherigen Bild (Schub) gezeigt.
Zwei Arten von Spannungen können gleichzeitig in einer Ebene vorhanden sein, vorausgesetzt, dass eine der Spannungen Schubspannung ist. Unter bestimmten Bedingungen können verschiedene Kombinationen von grundlegenden Spannungsarten gleichzeitig im Material vorhanden sein. Eine Druckbehälterwand hat an verschiedenen Stellen Zugspannungen aufgrund der Temperatur und des Drucks des Fluids, das auf die Wand wirkt. Druckspannungen werden von außen an anderen Stellen der Wand aufgrund des Außendrucks, der Temperatur und der Einschränkung der mit dem Behälter verbundenen Stützen aufgebracht. In dieser Situation werden die Zug- und Druckspannungen als Hauptspannungen betrachtet. Wenn vorhanden, wirkt die Schubspannung in einem 90°-Winkel zur Hauptspannung.
Zusammenfassung
Die wichtigen Informationen in diesem Kapitel sind unten zusammengefasst.
Stress-Zusammenfassung
- Stress ist der innere Widerstand eines Materials gegen die verzerrenden Effekte einer äußeren Kraft oder Belastung.
- Es gibt drei Arten von Stress:
Zugspannung ist eine Art von Spannung, bei der die beiden Materialabschnitte auf beiden Seiten einer Spannungsebene dazu neigen, sich auseinanderzuziehen oder zu verlängern.
Druckspannung ist das Gegenteil von Zugspannung. Benachbarte Teile des Materials neigen dazu, sich gegeneinander zu drücken.
Schubspannung existiert, wenn zwei Teile eines Materials dazu neigen, sich bei Anwendung einer Kraft parallel zu dieser Ebene zu verschieben.
- Kompressibilität ist die Fähigkeit eines Materials, auf Druckspannung oder Druck zu reagieren.