¿Por qué utilizamos la curva de esfuerzo / deformación de ingeniería si la curva de esfuerzo / deformación real es más precisa?

Había una vez dos ingenieros civiles, Stress Sharma y Strain Singh, trabajando para una gran empresa. Un día, su jefe, que estaba sentado sin hacer nada, como suele ser el caso, los llamó.

Les entregó a cada uno una varilla de acero idéntica y les pidió que calcularan la carga máxima que podría soportar antes de romperse. Les indicó que hicieran los cálculos de forma independiente, ya que quería verificar la respuesta de uno con el otro.

Nuestros dos ingenieros estaban visiblemente enojados porque era domingo por la noche (sí, los ingenieros civiles también trabajan los domingos) y habían planeado una cita con sus novias. Sin embargo, ambos sabían que tenían que ponerse a trabajar, ya que no había otra salida que darle al hombre lo que necesitaba.

El jefe también les había dado un calibrador a vernier (un instrumento que mide con precisión las dimensiones) y la curva de tensión-deformación trazada en función de la prueba de laboratorio realizada en una muestra. Le dio a Sharma el gráfico de ingeniería de tensión y tensión, mientras que a Singh se le dio la verdadera gráfica de tensión y tensión.

“¡Qué ducha tan colosal! Si él tiene el informe del laboratorio, ¿por qué nos está pidiendo que calculemos esta mierda en primer lugar?” Sharma estaba enojado.

Singh estaba más maduro. “No seas tan duro. Es un buen hombre. Tal vez realmente quiera saber”, trató de consolar a Sharma.

Singh luego abrió su informe y vio que le dieron el verdadero gráfico de tensión-tensión. “¡Eres un vicioso hijo de puta!” gritó furiosamente.

Sharma rápidamente se puso en acción.

Tomó el calibrador a vernier y midió el diámetro de la varilla de acero. La pinza mostró una lectura de 16 mm. A partir de esto, encontró el área de la sección transversal: (pi) * d ^ 2/4 = 3.14 * 16 * 16/4 = 201 mm2.

Luego abrió el gráfico, identificó el esfuerzo final (el punto donde la curva alcanza su punto máximo) que era de 410 N / m2.

Él sabía ingg stress = carga / área original. Por lo tanto, carga = engg stress * area.

Por lo tanto, la carga máxima que puede transportar la varilla de acero = 410 * 201 = 82,41 kN, que es aproximadamente 8,2 toneladas métricas . Voila!

Corrió hacia su jefe. “Señor, la barra puede soportar una carga máxima de 8 toneladas métricas”.

“kthnx”.

“¿Me puedo ir ahora?”

“bueno adios.”

Sharma miró su reloj. Todavía tiene 30 min. Estaba en su habitación en 10. Ducha caliente, 5 minutos. Adecuado, 5min. Cuando llegó al restaurante, todavía tenía 1 minuto de sobra. Se veía tan fresco y esbelto que su novia no podía decir que había estado bajo un estrés inmenso (juego de palabras no intencionado) todo el día.

De vuelta en la oficina de la firma, Singh todavía estaba luchando. Había encontrado el verdadero estrés correspondiente a la carga máxima del gráfico (punto donde la pendiente se reduce repentinamente): 504 N / m2. Pero para calcular la carga máxima, también necesitaba conocer el área de la sección transversal correspondiente de la barra en el momento en que se sometió a 504 N / mm2 de tensión real.

Nuestro Singh había golpeado un obstáculo en el camino. No pudo medir el área real porque tenía que hacerse en tiempo real mientras el espécimen todavía estaba cargado ( vea la imagen de arriba ). Por supuesto, había una fórmula que podía usar para calcular el área reducida usando el área original y la deformación verdadera correspondiente del gráfico [deformación verdadera E = ln (A0 / A)], pero estaba cansado. Su mente ya no funcionaba. Fue muy tarde. Echó un vistazo a su teléfono: 15 llamadas perdidas y 9 mensajes de su novia. El último mensaje decía: “¡Se acabó!”

Vio la futilidad del ejercicio. Se volvió loco! Rompió los papeles en pedazos y destrozó todo el lugar. Le molestaba su jefe, lo maldecía en todos los idiomas que sabía.

Se desplomó en el suelo, exhausto y abatido. La importancia de diseñar la curva de tensión-deformación comenzó a surgir en él. Qué concepto tan maravilloso, pensó. Qué simple, elegante y práctico era, daba lo que se necesitaba rápidamente sin ecuaciones intimidantes. Sintió que era un héroe no reconocido. Un guardián silencioso. Un protector vigilante.

Un Kurve Oscuro!

* reproduce música de Hans Zimmer en su iPod *

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Mis respuestas relacionadas sobre mecánica de sólidos:

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Aquí hay una posible respuesta …

Como ya respondieron muchos pueblos, las razones de este qus. como no podemos medir la reducción en el área en varias etapas de carga, por lo tanto, recurrimos a calcular las tensiones de ingeniería que incluyen el área original, no lo considero una respuesta plausible.

Otra respuesta que la gente generalmente da es que prácticamente en la estructura no se produce tanta reducción en el área, por eso podemos ir con eng. Estrés, de nuevo, no una respuesta ineficaz.

La respuesta correcta es …

“Usamos el área original del elemento en el diseño, por eso tenemos que usar tensiones de ingeniería en lugar de tensiones verdaderas”.

Lo demostraré claramente siguiendo las líneas:

Supongamos que al probar una varilla de acero de 1 m² (las dimensiones se exageran para facilitar su uso) y el material se obtuvo a 100 N y en este punto el área reducida de material fue de 0,5 m². Por lo tanto, el estrés de ingeniería = 100 N / m². (los valores son aleatorios para facilitar la comprensión)

Estrés verdadero = 200 N / m². (No estoy considerando factor de seguridad)

y si se usara la misma barra en la columna, la carga máxima que puede soportar o la capacidad de carga de la barra = 100 N. (según lo determinado directamente por la prueba)

Ahora, si usamos el concepto de tensiones verdaderas en el diseño de la estructura real. esto nos llevará a usar …

Capacidad de carga de la barra = 200 N / m² * 1 m² = 200 KN. !!!!!(Error)

¿¿¿¿¿Por qué?????

porque no consideramos la reducción del área de varios elementos al diseñar la estructura (en la práctica). Y obtuvimos una interpretación totalmente errónea sobre la resistencia del material y finalmente nos llevará a un diseño inadecuado y defectuoso.

Mientras que si usamos ing. estrés entonces

capacidad de carga de la misma barra = 100 N / m² * 1 m²

= 100 N (sí, eso está cumpliendo con resultados prácticos)

Por lo tanto, debido a nuestra consideración del área original del miembro al diseñarlo, tenemos que apegarnos a las tensiones de ingeniería.

El estrés de ingeniería no es una medida menos precisa que el verdadero estrés, simplemente mide una cantidad diferente. Ambos miden la relación fuerza / área. Uno simplemente usa el área inicial mientras que el otro usa la corriente. Esto no es una aproximación o porque las personas son demasiado flojas para hacerlo bien, es porque la ingeniería es una medida más útil. El hecho de que el esfuerzo de ingeniería sea la fuerza dividida por una constante fácilmente calculada o medida es muy útil en el diseño inicial, el análisis de fallas y las pruebas.

1) Permisibles / Diseño

Ftu es fácil. Conoces tu área inicial, mides la fuerza al fallar y ahí vas. Ahora puede calcular cuál debe ser su área inicial o de diseño para que otras cargas no fallen. ¿Qué haría con un verdadero estrés de falla incluso después de esforzarse por medir la sección transversal (plana) en la falla?

2) carga crítica

A veces tendrá que comparar los materiales permitidos por falla de material con la estabilidad permitida que usará el área inicial (y efectivamente final) para calcular la tensión (si no solo usan carga). Para esto, necesitará el esfuerzo de ingeniería para hacer una comparación de “manzanas con manzanas”.

3) Secciones planas

En situaciones donde las secciones planas no permanecen planas en la falla (es decir, paralizante), podría ser muy difícil definir una sección transversal para tomar como su área.

Por estas razones y por más esfuerzo de ingeniería, no solo es inferior al esfuerzo verdadero, sino también el parámetro preferido y más útil.

[# Esto pretende ser una adición a la respuesta de Mithil Kamble]

tl; dr Es una molestia en a # @ medir el área instantánea de la sección transversal una vez que comienza el cuello.

El objetivo principal detrás del cálculo del ‘esfuerzo de ingeniería’ (mediante la prueba de tracción) es poder usar ese conocimiento (más específicamente el límite elástico en la carga uniaxial) para predecir la falla en componentes con geometrías complicadas y / o carga [usando varios teorías del fracaso]. Mi respuesta se basará principalmente en esta perspectiva.

La relación entre la ingeniería y el verdadero estrés y las tensiones se dan como debajo
[matemáticas] \ displaystyle \ sigma = s (1 + e) ​​[/ matemáticas]
[matemáticas] \ displaystyle \ epsilon = ln (1 + e) ​​[/ matemáticas]
donde [math] \ sigma, s [/ math] representa la tensión verdadera y de ingeniería [math]] \ epsilon, e [/ math] representa la cepa verdadera y de ingeniería respectivamente.
A deformaciones muy bajas, las diferencias entre la tensión y la tensión verdadera y de ingeniería son muy pequeñas. Realmente no importa si el módulo de Young se define en términos de ingeniería o tensión de esfuerzo real.

Debe enfatizarse que estas expresiones son válidas solo mientras la deformación sea uniforme. Una vez que comienza el cuello, la ecuación para el estrés verdadero ([matemática] \ sigma = \ frac {F} {A} [/ matemática]) sigue siendo válida, pero el área de sección transversal instantánea (A) en la base del cuello debe medirse directamente en lugar de deducirse de las mediciones de longitud Siempre que la deformación sea uniforme a lo largo de la sección de medición, el esfuerzo y la deformación verdaderos podrían calcularse a partir de las cantidades de ingeniería [con volumen constante y deformación uniforme [matemáticas] LA = L_ {0 } A_ {0} [/ matemáticas]]. Sin embargo, el cuello cambia la ‘uniformidad del cambio de sección transversal’ a lo largo de la longitud al concentrar la mayor parte del cambio en la sección transversal en una región pequeña.

[1] Manual de ASM: Volumen 8, Prueba de tracción

Supongamos que le piden que llegue al punto B desde el punto A y tiene dos caminos diferentes,

1. Caminas sobre fuego y llegas al punto B
2. Conduces una bicicleta y llegas al punto B

¿Cuál elegirías? El segundo ¿verdad? Como es mucho más rápido y finalmente te da el mismo resultado.

¿Imagínese cómo se desarrolló la curva de ingeniería? Un chico probó el espécimen y trazó el resultado. Luego descubrió que esto no es posible y buscó más detalles de que el área de la sección transversal disminuye más allá de cierto punto. No, si utiliza una curva de tensión reducida, obtendrá la misma carga final en comparación con una tensión aumentada y un área reducida. Entonces, ¿por qué debería usar dos variables mientras puedo hacer la misma tarea usando una sola variable?

P (x) = F (x) .A (x) y P (x) = F1 (x) .A

Donde F (x) = curva de esfuerzo-deformación real
F1 (x) = Ingeniería de curva de esfuerzo-deformación.

Solo imagine el caso del análisis de elementos finitos. Tiene millones de elementos en una estructura y comienza a usar la curva real, luego, cada vez que se reduzca el área de la sección transversal, tendrá que realizar un paso adicional para calcular el nivel de deformación lineal y luego usar la relación de Poison y luego calcular el área reducida . Esto se volverá un poco desordenado y tomará más tiempo calcularlo.

En última instancia, nuestro objetivo es ver si el material puede soportar la carga que estamos buscando o no. Y como se muestra en las dos ecuaciones anteriores, está obteniendo el mismo resultado para las mismas manchas.

Espero que hayas recibido tu respuesta.

tl; versión dr: facilidad de medición.

Ya hay algunas buenas respuestas aquí que capturan la esencia. Solo me gustaría agregar otra perspectiva desde Matemáticas.

En primer lugar, tanto el primer estrés de Piola-Kirchhoff (lo que llamas estrés de ingeniería) como el estrés de Cauchy (lo que llamas estrés verdadero) son descripciones precisas del estado del cuerpo. Si conoce el estado de deformación (digamos, el gradiente de deformación, F ), entonces hay una relación directa entre los dos dada por
[matemáticas] \ boldsymbol {\ sigma} = J ^ {- 1} \ mathbf {P} \ mathbf {F} ^ {T} [/ math]
donde [math] J = det (\ mathbf {F}) [/ math], [math] \ boldsymbol {\ sigma} [/ math] es el estrés de Cauchy y P es el estrés de Piola-Kirchhoff.

Ambas tensiones se usan con bastante regularidad al hacer cálculos matemáticos o cálculos mientras se resuelven problemas en la mecánica de sólidos no lineales. Sucede que cuando haces mediciones experimentales, es mucho más fácil estimar el primer estrés de Piola-Kirchhoff (o el estrés de ingeniería). En el caso unidimensional, simplemente mide la fuerza que aplica y divide eso por el área de la sección transversal que midió al comienzo del experimento. Medir el área transversal en tiempo real no es tan fácil.

Necesitamos abordar algunas preguntas

  • ¿Qué entendemos exactamente por “valor correcto” del estrés?
  • ¿Qué tan preciso debe ser para ser útil?
  • (Y más importante) ¿con qué facilidad podemos obtenerlo por razones prácticas?

El estado de estrés en un punto es la descripción más completa de las cosas en el cuerpo continuo. Se expresa como el estrés de Cauchy que tiene seis componentes independientes. Además, es por definición con respecto a la configuración deformada y, por lo tanto, es ‘estrés verdadero’. Pero calcular el estado de estrés de cada punto no es trivial y puede requerir el uso de paquetes FE.

La relación [math] \ displaystyle \ sigma = E \ times \ epsilon [/ math] es una versión simplificada en casos unidimensionales y puede no representar el estado de tensión real del material si la geometría o la carga son complejas.

Sin embargo, es lo más fácil de medir porque podemos conocer fácilmente el área de la sección transversal original y la carga. Además, tenemos fórmulas que conectan el estrés nominal y los valores de estrés verdadero. En casos de ingeniería simples, solo estas medidas simples son suficientes para tomar decisiones informadas sobre el diseño. Por lo tanto, tratamos con tensiones de ingeniería la mayoría de las veces.

Además de lo que otros han mencionado (es decir, la simplicidad en la medición), hay una razón más para usar la curva de esfuerzo-deformación de ingeniería desde la perspectiva de un diseñador.

La razón es que la resistencia máxima dada por la curva de esfuerzo-deformación de ingeniería es menor que la dada por la curva de esfuerzo-deformación verdadera.

Esto implica que, cuando encontremos dimensiones de componentes durante el diseño, obtendremos dimensiones más grandes correspondientes a la curva de esfuerzo-deformación de ingeniería.
aquí A1> A2 y, por lo tanto, como diseñador, nos gustaría jugar con seguridad y usar el más grande.

Lo que significa que nos movemos hacia el lado más seguro cuando usamos una curva de esfuerzo-deformación de ingeniería.

Opcional:
En otras palabras, cuando usamos la fuerza máxima de ingg. curva tensión-deformación damos un factor implícito de seguridad de

(ULTIMATE STRENGTH BY TRUE STRESS-STRAIN CURVE) / (ULTIMATE STRENGTH BY ENGG. STESS-STRAIN CURVE).

Esto fue solo un intento de dar una perspectiva diferente. Espero que se transmita.

La mayoría de las veces, estamos lidiando con el estrés y la tensión de ingeniería. La tensión verdadera solo se aleja de la tensión de ingeniería cuando el material comienza a deformarse plásticamente y al cuello. En ese punto, estás lejos de la región elástica donde puedes predecir razonablemente el comportamiento del material. Sin embargo, estoy seguro de que la verdadera tensión y el estrés son importantes para los científicos de materiales y metalúrgicos en su búsqueda para comprender cómo reacciona el material bajo ciertas condiciones.

TL; DR: la cepa de ingeniería es para el diseño, la verdadera cepa es para la ciencia de los materiales.

Principalmente porque la medición de la tensión de estrés real requiere un calibrador instrumentado en la muestra de prueba que debe ubicarse en el punto máximo de cuello hacia abajo durante todo el tirón. Esa es una configuración de prueba más difícil y más costosa que requiere más habilidad por parte del técnico de laboratorio. Por lo tanto, siempre se ha utilizado la prueba más fácil que asume el área de la sección transversal original a lo largo del tirón al fallo. Como siempre se ha utilizado, se convierte en una medida comparativa útil y confiable de diferentes aleaciones. La única vez que encontré la necesidad de datos de tensión de tensión real fue en el modelado FEA de alta deformación en un proceso de extrusión. Hice las mediciones en un laboratorio industrial de buena reputación. También utilizamos un recinto calentado alrededor de la muestra para duplicar las condiciones de extrusión. Era costoso pero la aplicación de mi cliente lo justificaba. Otros están invitados a agregar sus propios usos para ello a continuación.

Creo que la razón detrás de la popularidad de la curva de tensión / deformación de ingeniería es que en la mayoría de las aplicaciones tratamos con la tensión de fluencia, no que las tensiones vengan después de la tensión de fluencia.

Y como ingeniero, sabemos que una vez que el miembro se cargue más allá del límite elástico, nunca recuperará sus dimensiones originales, por lo que básicamente nos preocupa más el estrés de diseño (límite elástico)

Y hasta el estrés final, ambos tienen la misma precisión, así que una vez que comienza el cuello para obtener resultados precisos, podemos usar la verdadera curva de esfuerzo / deformación

No podremos determinar el verdadero estrés en cada momento en cada punto. Será más fácil calcular un valor de appx y analizarlo para diseñar un material determinado. Al hacer esto, también podemos lograr el resultado aumentando ligeramente el factor de seguridad. Si consideramos el verdadero estrés, el análisis de los cálculos será imposible de resolver.

¡Porque el verdadero estrés es casi imposible de encontrar!

Cuando aplica carga en cualquier cuerpo, se deforma cada segundo.

Este es el verdadero estrés. Entonces, imagine que un cuerpo que sufre un cambio debido a alguna carga cambiará cada milisegundo y, por lo tanto, el estrés de ingeniería es un concepto teórico y se utiliza principalmente.

Debido a las siguientes razones

  • Medir los cambios en el área de la sección transversal durante la deformación es difícil.
  • Hay poca diferencia entre las tensiones y para el estrés se puede ajustar por factor de seguridad.