W tym wpisie na blogu wyjaśnimy zjawisko przewężenia materiałów i proces niszczenia, jaki ono powoduje, a także przyjrzymy się umocnieniu zgniotowemu i innym metodom technicznym służącym do zapobiegania temu zjawisku.
Ostatnio w Korei Południowej toczy się gorąca debata na temat kontrowersji związanej ze „srebrną łyżeczką”. Moda na „srebrną łyżeczkę”, która zaczęła się od powiedzenia, że dzieci urodzone w bogatych rodzinach rodzą się ze srebrną łyżeczką w ustach, wywołała krytykę, że bogactwo jest dziedziczone w Korei Południowej, a dzieci z bogatych rodzin nazywane są „diamentowymi łyżkami”, a dzieci z biednych rodzin – „glinianymi łyżkami”.
Dzieci urodzone w biednych rodzinach nie mają innego wyboru, jak żyć w ubóstwie, a to samo zjawisko występuje w naturze. Co jeśli to zjawisko występuje w przypadku materiałów? Materiały muszą mieć różne właściwości w zależności od ich zastosowania, ale generalnie mają jedną wspólną cechę: nie mogą się łamać.
Dzieje się tak, ponieważ jeśli materiały pękną, nie mogą spełniać swoich funkcji. Wyobraźmy sobie imperium materialne, w którym niezliczona liczba obywateli, zwanych atomami, tworzy kraj i żyje w określonej kombinacji. Złoczyńcy, którzy chcą zniszczyć imperium, ciągną za materiały, wywierając nacisk na imperium materialne, co nazywa się naprężeniem. To naprężenie powoduje deformację więzi między obywatelami, nieustannie kurcząc wioskę. Jeśli naprężenie będzie nadal stosowane, czy imperium materialne może być deformowane w nieskończoność? Nie, nie może. Imperium materiałów ma limit tego, jak bardzo może się deformować, i ostatecznie zostanie zniszczone lub rozbite. Podczas tego procesu zachodzi zjawisko zwane przewężeniem, w którym materiały stają się cieńsze w środku.
W tym momencie przywódcy Material Empire nie mogą po prostu stać i patrzeć. Wdrażają politykę zwaną utwardzaniem odkształceniowym, aby zapobiec wystąpieniu przewężenia. Utwardzanie odkształceniowe to zjawisko, w którym materiał staje się mocniejszy, gdy jest odkształcany. Gdy dochodzi do odkształcenia, pozycje atomów w materiale zmieniają się, zwiększając interferencję między nimi i dając materiałowi zdolność do opierania się odkształceniom. Innymi słowy, zapobiega to dalszemu odkształcaniu części, które zostały mocno odkształcone. Przywódcy Material Empire wspierają wioskę i uniemożliwiają złoczyńcom ponowne ataki, aby zapobiec zniszczeniu materiałów. Dowiedzmy się o walce o przetrwanie Material Empire, przewężeniu i utwardzaniu odkształceniowym.
Mówiąc prościej, przewężenie to zjawisko, w którym pręt wykonany z pewnego materiału nie rozciąga się równomiernie po pociągnięciu, ale zamiast tego rozciąga się z zauważalnym przerzedzeniem w pewnych obszarach. Być może doświadczyłeś tego podczas ciągnięcia końców kawałka ciasta mącznego, które nie rozciąga się do jednolitej grubości jak makaron, ale zamiast tego pęka w środku, gdzie jest cieńsze. Zjawisko to występuje, ponieważ naprężenia wywierane na obiekt nie są równomierne. Wielkość naprężenia wywieranego na materiał można uzyskać, dzieląc siłę przez pole przekroju poprzecznego powierzchni otrzymującej siłę. Dlatego naprężenie jest odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego powierzchni otrzymującej siłę, co oznacza, że im mniejsze pole przekroju poprzecznego powierzchni otrzymującej siłę, tym większe naprężenie i większe odkształcenie. Bez względu na to, jak równomiernie pocięty jest patyk, nie można sprawić, aby pole przekroju poprzecznego wszystkich części było równe poziomowi atomowemu. Dlatego gdy siła jest przyłożona do materiału, część o najmniejszym przekroju poprzecznym ulega największej deformacji, powodując zwiększenie długości tej części patyka i zmniejszenie jej grubości. W rezultacie, patrząc na materiał jako całość, można zauważyć stosunkowo dużą różnicę w przekroju poprzecznym.
Jeśli siła będzie się utrzymywać, różnica będzie się zwiększać, powodując zwężenie zwane przewężeniem. Jeśli przewężenie nastąpi natychmiast po odkształceniu materiału, każdy materiał łatwo pęknie. Jednak gdy rzeczywisty materiał zostanie pociągnięty, przewężenie nie nastąpi natychmiast. Dzieje się tak, ponieważ odkształcona część materiału zyskuje zdolność do przeciwstawiania się odkształceniu, co nazywa się umocnieniem odkształceniowym.
Material Empire przyjęło politykę wspierania kurczących się wiosek, aby nie stały się mniejsze. Złoczyńcy nie są głupi, więc wiedzą, że atakowanie wiosek wspieranych przez imperium jest daremne. W tym przypadku złoczyńcy atakują inne wioski, a imperium wdraża system zapewniania priorytetowego wsparcia atakowanym wioskom. W ten sposób części materiału, które zostały lekko zdeformowane, są deformowane jako pierwsze, co skutkuje równomierną deformacją całego materiału. Głównym powodem utwardzania deformacyjnego jest niewspółosiowość między atomami zwana dyslokacjami, które zapobiegają deformacji, gromadząc się w określonych obszarach, gdy dochodzi do deformacji. Te dyslokacje można uznać za lojalne oddziały wsparcia Material Empire.
Efekt utwardzania odkształceniowego w znacznym stopniu przyczynia się do zwiększenia ogólnej wytrzymałości materiałów. Na przykład podczas produkcji stali proces wielokrotnego kucia żelaza i obróbki cieplnej w celu zwiększenia jego wytrzymałości jest zastosowaniem zasady utwardzania odkształceniowego. Ponadto utwardzanie odkształceniowe odgrywa ważną rolę w poprawie ciągliwości materiałów i zmniejszeniu możliwości zniszczenia.
Dla uproszczenia wyjaśniliśmy zwężenie i umocnienie odkształceniowe w tej kolejności, ale w rzeczywistości, gdy siła jest przyłożona do materiału, najpierw następuje umocnienie odkształceniowe, a zwężenie rozpoczyna się, gdy ustaje umocnienie odkształceniowe. Utwardzenie odkształceniowe Material Empire może zapobiec atakom złoczyńców do pewnego stopnia, ale jeśli silne i ciągłe ataki będą kontynuowane, utwardzanie osiągnie swój limit i nastąpi zwężenie. Tak jak luka majątkowa jest problemem w społeczeństwie, luka w jakości materiałów i zwężenie są również niepożądanymi zjawiskami w materiałach, ponieważ mogą prowadzić do zniszczenia. Dlatego zdolność materiałów do umocnienia odkształceniowego jest ważna jako miara ich odporności na zniszczenie.
Ostatnio prowadzone są badania mające na celu poprawę zdolności do utwardzania odkształceniowego poprzez wykorzystanie materiałów o ultradrobnym ziarnie i materiałów wzmacnianych włóknem węglowym. Inżynieria nadal wymaga mocnych materiałów. Dlatego potencjał badań nad poprawą zdolności do utwardzania odkształceniowego jest nieograniczony i będzie kontynuowany w nieskończoność. Inżynierowie nieustannie dążą do tworzenia mocniejszych i bardziej elastycznych materiałów poprzez opracowywanie nowych materiałów i ulepszanie istniejących. Te badania i rozwój w znacznym stopniu przyczynią się do poprawy jakości i bezpieczeństwa wszystkich produktów, których używamy.
