Stress
Elk onderdeel, hoe eenvoudig of complex ook, moet een mechanische belasting van een bepaalde soort overbrengen of dragen. De belasting kan een van de volgende typen zijn: een belasting die gelijkmatig wordt toegepast ("statische" belasting); een belasting die fluctueert, met langzame of snelle veranderingen in grootte ("dynamische" belasting); een belasting die plotseling wordt toegepast (“schok” belasting); of een belasting als gevolg van een impact in een of andere vorm. Stress is een vorm van belasting die op een onderdeel kan worden toegepast.
Definitie van Stress
Wanneer een metaal aan een belasting (kracht) wordt onderworpen, wordt het vervormd of gedeformeerd, ongeacht hoe sterk het metaal of hoe licht de belasting ook is. Als de belasting klein is, zal de vervorming waarschijnlijk verdwijnen wanneer de belasting wordt verwijderd. De intensiteit of mate van vervorming staat bekend als vervorming. Als de vervorming verdwijnt en het metaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke afmetingen na verwijdering van de belasting, wordt de vervorming elastische vervorming genoemd. Als de vervorming niet verdwijnt en het metaal blijft vervormd, wordt het type vervorming plastische vervorming genoemd. Vervorming wordt in meer detail besproken in een ander saVRee-artikel.
Wanneer een belasting op metaal wordt toegepast, wordt de atomaire structuur zelf vervormd, waarbij het wordt samengedrukt, vervormd of uitgerekt in het proces. De atomen die een metaal vormen, zijn gerangschikt in een bepaald geometrisch patroon, specifiek voor dat specifieke metaal of legering, en worden in dat patroon gehouden door interatomaire krachten. Wanneer ze zo zijn gerangschikt, bevinden de atomen zich in hun toestand van minimale energie en hebben ze de neiging in die rangschikking te blijven. Er moet werk worden verricht op het metaal (dat wil zeggen, er moet energie worden toegevoegd) om het atomaire patroon te vervormen (werk is gelijk aan kracht maal de afstand die de kracht beweegt).
Stress is de interne weerstand of tegenkracht van een materiaal tegen de vervormende effecten van een externe kracht of belasting. Deze tegenkrachten hebben de neiging de atomen terug te brengen naar hun normale posities. De totale ontwikkelde weerstand is gelijk aan de externe belasting. Deze weerstand staat bekend als stress.
Hoewel het onmogelijk is de intensiteit van deze stress direct te meten, kunnen de externe belasting en het gebied waarop deze wordt toegepast, worden gemeten. Stress (σ) kan worden gelijkgesteld aan de belasting per eenheid oppervlakte of de kracht (F) die wordt toegepast per dwarsdoorsnede-oppervlakte (A) loodrecht op de kracht zoals weergegeven in de onderstaande vergelijking.
waarbij:
σ = stress (psi of lbs kracht per in.2)
F = toegepaste kracht (lbs)
A = dwarsdoorsnede-oppervlakte (in.2)
Opmerking
De imperiale eenheid van kracht is pond-kracht (lbf), wat anders is dan pond-massa (lb) afhankelijk van het effect van de zwaartekracht. Op planeet Aarde is pond-kracht bijna exact hetzelfde als pond-massa. Voor eenvoud zullen pond-massa (lb) eenheden worden gebruikt voor alle getoonde berekeningen.
De SI metrische eenheid van kracht is de Newton. Stress wordt uitgedrukt in Newtons per vierkante meter (N/m2).
Soorten Stress
Stressen komen voor in elk materiaal dat aan een belasting of een toegepaste kracht wordt onderworpen. Er zijn veel soorten stressen, maar ze kunnen allemaal in het algemeen worden ingedeeld in een van de zes categorieën: restspanningen, structurele spanningen, drukspanningen, stromingsspanningen, thermische spanningen en vermoeiingsspanningen.
Restspanningen
Restspanningen zijn het gevolg van de productieprocessen die spanningen in een materiaal achterlaten. Lassen laat restspanningen achter in de gelaste metalen.
Structurele Spanningen
Structurele spanningen zijn spanningen die worden geproduceerd in structurele elementen vanwege de gewichten die ze ondersteunen. De gewichten zorgen voor de belastingen. Deze spanningen worden gevonden in funderingen en raamwerken van gebouwen, evenals in machinedelen.
Drukspanningen
Drukspanningen zijn spanningen die worden opgewekt in vaten die onder druk staande materialen bevatten. De belasting wordt geleverd door dezelfde kracht die de druk veroorzaakt.
Stromingsspanningen
Stromingsspanningen treden op wanneer een massa stromende vloeistof een dynamische druk op een leidingwand veroorzaakt. De kracht van de vloeistof die de wand raakt, fungeert als de belasting. Dit type stress kan op een onregelmatige manier worden toegepast wanneer de stroomsnelheden fluctueren. Een waterslagscenario is een voorbeeld van een tijdelijke stromingsspanning.
Thermische Spanningen
Thermische spanningen bestaan wanneer er temperatuurgradiënten aanwezig zijn in een materiaal. Verschillende temperaturen zorgen voor verschillende uitzettingen en onderwerpen materialen aan interne stress. Dit type stress is vooral merkbaar in mechanismen die bij hoge temperaturen werken en worden gekoeld door een koude vloeistof.
Vermoeiingsspanningen
Vermoeiingsspanningen zijn het gevolg van cyclische toepassing van een spanning. De spanningen kunnen het gevolg zijn van trillingen of thermische cycli.
Het belang van alle spanningen neemt toe wanneer de materialen die ze ondersteunen gebrekkig zijn. Gebreken hebben de neiging extra stress toe te voegen aan een materiaal. Ook wanneer belastingen cyclisch of onregelmatig zijn, kunnen spanningen een materiaal ernstiger beïnvloeden. De extra spanningen die gepaard gaan met gebreken en cyclische belasting kunnen de stress overschrijden die nodig is voor een materiaal om te falen.
Soorten Toegepaste Stress
De stressintensiteit binnen het lichaam van een onderdeel wordt uitgedrukt als een van de drie basistypen interne belasting. Ze staan bekend als trek, druk en afschuiving. De afbeelding hieronder illustreert de verschillende soorten stress. Wiskundig gezien zijn er slechts twee soorten interne belasting omdat trek- en drukspanning kunnen worden beschouwd als de positieve en negatieve versies van hetzelfde type normale belasting.
Echter, in mechanisch ontwerp kan de respons van componenten op de twee omstandigheden zo verschillend zijn dat het beter en veiliger is om ze als afzonderlijke typen te beschouwen.
Zoals geïllustreerd in de afbeelding hieronder, ligt het vlak van een trek- of drukspanning loodrecht op de as van de kracht waarvan het afkomstig is. Het vlak van een afschuifspanning ligt in het vlak van het krachtsysteem waarvan het afkomstig is. Het is essentieel om deze verschillen duidelijk te houden, zowel in gedachten als in de manier van uitdrukken.
Soorten Toegepaste Stress
Trekspanning
Trekspanning is een type spanning waarbij de twee secties van materiaal aan weerszijden van een spanningsvlak de neiging hebben uit elkaar te trekken of te verlengen zoals geïllustreerd in de afbeelding hierboven (Trek).
Drukspanning
Drukspanning is het omgekeerde van trekspanning. Aangrenzende delen van het materiaal hebben de neiging tegen elkaar te drukken door een typisch spanningsvlak zoals geïllustreerd in de afbeelding hierboven (Druk).
Afschuifspanning
Afschuifspanning bestaat wanneer twee delen van een materiaal de neiging hebben over elkaar te schuiven in een typisch afschuifvlak bij toepassing van kracht parallel aan dat vlak zoals geïllustreerd in de afbeelding hierboven (Afschuiving).
Beoordeling van mechanische eigenschappen wordt gedaan door de drie basistypen stress aan te pakken. Omdat trek- en drukbelastingen spanningen produceren die over een vlak werken, in een richting loodrecht (normaal) op het vlak, worden trek- en drukspanningen normale spanningen genoemd. De afkortingen zijn als volgt.
Voor trekspanningen: "+SN" (of "SN") of "σ" (sigma)
Voor drukspanningen: "-SN" of "-σ" (min sigma)
Het vermogen van een materiaal om te reageren op drukspanning of druk wordt compressibiliteit genoemd. Bijvoorbeeld, metalen en vloeistoffen zijn niet samendrukbaar, maar gassen en dampen zijn samendrukbaar. De afschuifspanning is gelijk aan de kracht gedeeld door het oppervlak van het vlak parallel aan de richting waarin de kracht werkt, zoals weergegeven in de vorige afbeelding (Afschuiving).
Twee soorten stress kunnen gelijktijdig aanwezig zijn in één vlak, mits een van de spanningen afschuifspanning is. Onder bepaalde omstandigheden kunnen verschillende combinaties van basistypen stress gelijktijdig aanwezig zijn in het materiaal. Een drukvatwand heeft trekspanning op verschillende locaties vanwege de temperatuur en druk van de vloeistof die op de wand werkt. Drukspanning wordt van buitenaf toegepast op andere locaties op de wand vanwege de buitenste druk, temperatuur en beperking van de steunen die bij het vat horen. In deze situatie worden de trek- en drukspanningen beschouwd als hoofdspanningen. Indien aanwezig, zal afschuifspanning in een hoek van 90° ten opzichte van de hoofdspanning werken.
Samenvatting
De belangrijke informatie in dit hoofdstuk wordt hieronder samengevat.
Stress Samenvatting
- Stress is de interne weerstand van een materiaal tegen de vervormende effecten van een externe kracht of belasting.
- Er zijn drie soorten stress:
Trekspanning is een type spanning waarbij de twee secties van materiaal aan weerszijden van een spanningsvlak de neiging hebben uit elkaar te trekken of te verlengen.
Drukspanning is het omgekeerde van trekspanning. Aangrenzende delen van het materiaal hebben de neiging tegen elkaar te drukken.
Afschuifspanning bestaat wanneer twee delen van een materiaal de neiging hebben over elkaar te schuiven bij toepassing van kracht parallel aan dat vlak.
- Compressibiliteit is het vermogen van een materiaal om te reageren op drukspanning of druk.