Naprężenie graniczne: definicja i obliczenia

Każdy materiał ma zestaw właściwości, które ustalić jego dalsze cechy. Jedną z tych cech jest odporność na naprężenia mechaniczne, która nazywana jest naprężeniem granicznym. Termin ten opisuje nie tylko pęknięcie materiału w miejscu złamania, ale także występowanie odkształceń resztkowych. Innymi słowy, jest to przeciwdziałanie siłom zewnętrznym, które prowadzą do osłabienia siły. W tym artykule wyjaśniono czym jest napięcie, jak się je oblicza i jak się je określa.

Co to jest??

Naprężenie ostateczne materiału jest to maksymalna siła napięcia rozrywającego wywierana na jego przekrój poprzeczny, którą będzie on w stanie wytrzymać aż do pęknięcia lub całkowitego rozerwania. Prosty wzór do obliczeń brzmi: napięcie równa się sile podzielonej przez powierzchnię. Wynika z niego, że im większa powierzchnia, tym mniejsza siła jest potrzebna do przyłożenia. Podobnie jest w odwrotnej sytuacji. Im mniejszy przekrój poprzeczny przedmiotu obrabianego, tym większa siła potrzebna jest do jego złamania.

Ale wartości twardości różnych materiałów nie są identyczne. Jedne są kruche, inne elastyczne. Naprężenia graniczne dla każdego z nich są określane na podstawie badań mechanicznych. Wynik uważa się za osiągnięty, gdy na powierzchni próbki widoczne są zewnętrzne oznaki ciągłości. Mogą one przybrać formę pęknięcia lub złamania. Dla tych ostatnich stosuje się termin "granica plastyczności". Pierwsza wskazuje na kruchość, druga na plastyczność.

Oba pojęcia związane są z naprężeniem granicznym, w którym Wytrzymałość materiału jest zagrożona. Przyjrzyjmy się bliżej, jak te dwa pojęcia są rozróżniane.

Naprężenia i plastyczność

Sztywność materiałów można podzielić na dwa pojęcia: kruche i plastyczne:

1. Pierwszy z nich oznacza zniszczenie struktury próbki już przy niewielkich siłach działających. Materiały sprężyste stawiają opór sile zewnętrznej, pozostawiając jedynie trwałe odkształcenia w postaci pęknięć. Wynika z tego, że dla elementów plastycznych kryterium zniszczenia jest zginanie, ponieważ następuje ono wcześniej niż całkowite zniszczenie.
2. Mniejsza siła jest potrzebna do zgięcia próbki niż do jej złamania. Dla elementów z tworzyw sztucznych granica plastyczności wynosi zatem. Produkty kruche również wykazują granicę plastyczności, ale dla produktów kruchych wartość ta jest zbyt mała.

Naprężenie, które występuje w przekroju poprzecznym próbki nazywamy naprężeniem obliczeniowym. Zostanie on opisany bardziej szczegółowo w kolejnych rozdziałach.

Wzory do obliczania naprężeń

Obliczenia naprężeń granicznych przeprowadza się według następującego wzoru:

• s = s(prev.) / n.

Gdzie:

• s jest naprężeniem normalnym prostopadłym do powierzchni wyrobu;
• s(prev.) jest naprężeniem końcowym, które prowadzi do całkowitego zniszczenia próbki lub do jej odkształcenia, przy czym dla materiałów plastycznych (miękkich) wartość ta oznacza granicę plastyczności, a dla elementów kruchych wytrzymałość;
• n jest znormalizowanym współczynnikiem bezpieczeństwa, który jest konieczny dla odszkodowanie za tymczasowe przeciążenie konstrukcji roboczych wykonanych z tego materiału.

Do obliczenia naprężeń stycznych służy wzór:

• t = s / 1 + v.

W:

• t to naprężenie styczne;
• v - współczynnik Poissona, który dotyczy konkretnego materiału, z którego wykonana jest konstrukcja.

Wniosek

Wskaźnik naprężeń jest ważnym parametrem do obliczania wytrzymałości konstrukcji roboczej. Stosuje się go w projektowaniu elementów nośnych. Pozwala określić stopień, w jakim komponent spełnia swoją funkcję i jego długość życia.