Hrdlo (strojírenství) - Necking (engineering)

Polyetylenový vzorek se stabilním hrdlem.
Schematické zobrazení zúžení. Před zúžením celý materiál rovnoměrně prochází plastickou deformací. Jakmile se vytvoří nestabilní krk, plocha průřezu krku se bude při zatížení nadále zmenšovat, zatímco materiál bez hrdla se již plasticky nedeformuje.

Krk, v inženýrství nebo věda o materiálech, je režim v tahu deformace kde je relativně velké množství kmen lokalizovat neúměrně v malé oblasti materiálu.[1] Výsledné výrazné zmenšení místní průřezové plochy poskytuje základ pro název „krk“. Vzhledem k tomu, že místní kmeny v krku jsou velké, je zúžení často úzce spojeno poddajný, forma plastické deformace spojená s tvárný materiály, často kovy nebo polymery.[2] Jakmile začne zúžení, krk se stane výlučným místem poddajnosti v materiálu, protože zmenšená plocha dává krku největší místní stres. Krk se nakonec stává zlomenina když je aplikováno dostatečné napětí.

Formace

Výsledky krku z nestabilita během deformace v tahu, kdy se plocha průřezu materiálu zmenšuje o větší část než materiál kmen ztvrdne. Considère zveřejnil základní kritérium pro zúžení v roce 1885.[3] Tři koncepty poskytují rámec pro pochopení tvorby krku.

  1. Před deformací mají všechny skutečné materiály heterogenity, jako jsou vady nebo místní rozdíly v rozměrech nebo složení, které způsobují místní výkyvy zdůrazňuje a kmeny. K určení polohy počínajícího krku musí být pouze tyto výkyvy infinitezimální ve velikosti.
  2. Během deformace v tahu se materiál v průřezu zmenšuje. (Poissonův efekt )
  3. Během deformace v tahu deformace materiálu ztvrdne. Množství vytvrzení se mění s rozsahem deformace.

Poslední dvě položky určují stabilitu, zatímco první položka určuje polohu krku.

Grafická konstrukce indikující kritéria pro formování a stabilizaci krku.
Grafická konstrukce pro materiál, který se homogenně deformuje při všech poměrech tažení.

Grafy vlevo ukazují kvantitativní vztah mezi vytvrzením (znázorněným sklonem křivky) a zmenšením plochy průřezu (předpokládá se, že se v Considèrově zpracování mění inverzně s poměrem tažení) pro materiál, který tvoří stabilní krk (nahoře) a materiál, který se homogenně deformuje při všech poměrech tažení (dole).

Jak se materiál deformuje, všechna místa podléhají přibližně stejnému namáhání, pokud ztvrdne více, než se zmenší jeho plocha průřezu, jak je znázorněno při malých poměrech tahu v horním diagramu a při všech poměrech tahu v dolní části. Pokud však materiál začne tvrdnout o menší podíl, než je zmenšení průřezové plochy, jak je naznačeno prvním tečným bodem v horním diagramu, přetvoření se koncentruje v místě nejvyššího napětí nebo nejnižší tvrdosti. Čím větší je lokální napětí, tím větší je lokální zmenšení plochy průřezu, což zase způsobí ještě větší koncentraci napětí, což vede k nestabilitě, která způsobí vytvoření krku. Tato nestabilita se nazývá „geometrická“ nebo „vnější“, protože zahrnuje makroskopické zmenšení průřezu materiálu.

Stabilita krku

Jak postupuje deformace, geometrická nestabilita způsobí, že se napětí v krku stále koncentruje, dokud materiál buď nepraskne, nebo materiál s hrdlem dostatečně neztvrdne, jak je naznačeno druhým bodem tečny v horním diagramu, což místo toho způsobí deformaci jiných oblastí materiálu. Množství napětí ve stabilním krku se nazývá poměr přirozeného tahu[4] protože to je určeno charakteristikami kalení materiálu, nikoli mírou tažení nanesenou na materiál. Tažné polymery často vykazují stabilní krky, protože molekulární orientace poskytuje mechanismus vytvrzování, který převládá u velkých kmenů.[5]

Matematické zpracování

Ve strojírenství křivka napětí-deformace, začátek zúžení nastává na maximu křivky, to znamená na maximálním aplikovaném zatížení, které může materiál nést, nebo Maximální pevnost v tahu. Nosnost je dána vztahem

F = σT Ai

kde σT je skutečný stres a Ai je okamžitá oblast. Maximálně se derivace síly rovná

dF = dσT Ai + σT dAi = 0

nebo

dσT/ σT = -dAi /Ai

Kritériem pro zúžení je tedy to, že přírůstkové zvýšení vnitřního napětí je přesně stejné jako přírůstkové snížení v oblasti průřezu, kde je napětí lokalizováno.[6]


Viz také

Reference

  1. ^ P.W. Bridgman, Velký tok a lom plastu, McGraw-Hill, (1952)
  2. ^ AJ. Kinloch a R.J. Mladá, Lomové chování polymerů, Chapman & Hall (1995) str. 108
  3. ^ Armand Considère, Annales des Ponts et Chaussées 9 (1885), strany 574-775
  4. ^ Roland Séguéla Makromolekulární materiály a inženýrství Svazek 292, vydání 3 (2006), strany 235 - 244
  5. ^ R. N. Haward J. Polym Sci část B: Polym. Phys. 45 (2007), strany 1090-1099
  6. ^ Courtney, Thomas H. (2000). Mechanické chování materiálů (2. vyd.). Boston: McGraw Hill. ISBN  0070285942. OCLC  41932585.