Co je to mez kluzu?
Mezer pevnosti v tahu je největší napětí, kterému materiál odolá, aniž by došlo k jeho trvalé deformaci. Představuje okamžik, kdy materiál trvale změní tvar (tj. po odstranění napětí se již nevrátí do původního tvaru). Až do bodu kluzu je materiál pružný a po odstranění síly se vrátí do původního tvaru. Za touto hranicí se materiál dostává do oblasti plastické deformace a po odstranění síly se již nevrátí do původního stavu.
To má zásadní význam pro materiálové inženýrství a navrhování konstrukcí. Mez kluzu materiálu je rozhodující pro zabránění deformace a selhání při zatížení. V technických aplikacích, jako jsou stavební konstrukce, letecké konstrukce a automobilové inženýrství, se mez kluzu využívá k zajištění toho, aby součásti bezpečně odolávaly zatížení a namáhání v průběhu času.
vzorec pro mez kluzu
Síla působící na materiál a plocha jeho průřezu určují jeho mez kluzu podle jednoduchého vzorce. Vyjadřuje se jako.
Kde:
- –σ_Y = mez kluzu (měřeno v pascalech, Pa, nebo megapascalech, MPa)
- –F = působící síla (měřená v newtonech, N)
- –A = plocha průřezu materiálu (měřeno v metrech čtverečních, m²)
Mez kluzu se obvykle udává v Pascalech (Pa) nebo Megapascalech (MPa), přičemž 1 MPa se rovná 1 milionu Pascalů. Tento jednoduchý vzorec nám ukazuje, jak velké napětí materiál snese, než se plasticky zdeformuje.
Pokud je například ocelová tyč o průřezu 10 mm² vystavena síle 1000 N, lze mez kluzu vypočítat takto:
To znamená, že mez kluzu oceli je 100 MPa. Pokud napětí překročí tuto mez, ocel se trvale deformuje.
Jaké faktory ovlivňují mez kluzu?
Hranici kluzu materiálu určuje řada faktorů.
Složení materiálu
Hranice kluzu materiálu je do značné míry ovlivněna jeho chemickým složením. Například ocel má vyšší mez kluzu než hliník díky přítomnosti uhlíku a dalších legujících složek, které zvyšují její pevnost.
Teplota
S rostoucí teplotou často klesá mez kluzu. Kovy používané při vysokých teplotách, jako jsou motory nebo elektrárny, se mohou při vysokých teplotách zhoršovat, přestože při teplotě okolí vykazují dostatečné vlastnosti.
Zpracování a ošetření
Zpracování za studena, tepelné zpracování a legování jsou procesy, které mohou zvýšit mez kluzu materiálu. Například ocel lze zpevnit operacemi, jako je kalení a popouštění.
Struktura zrna
Velikost a orientace krystalických zrn materiálu může rovněž ovlivnit mez kluzu. Jemnější zrna mají vyšší mez kluzu díky zpevnění hranic zrn.
Křivka napětí a deformace a mez kluzu
Abychom lépe pochopili, jak funguje mez kluzu v reálných podmínkách, podívejme se na křivku napětí-deformace. Křivka napětí-deformace znázorňuje reakci materiálu na působící napětí. Nabízí důležité informace o chování materiálu při namáhání, například o jeho pružnosti, plasticitě a bodu porušení.
Křivku napětí a deformace lze rozdělit do několika klíčových oblastí.
Elastická oblast
V této oblasti se materiál chová pružně, což znamená, že deformace je úměrná působícímu napětí. Pokud je materiál v tomto období odlehčen, obnoví svůj předchozí tvar. Vztah napětí a deformace je v této fázi lineární a sklon této přímky se nazývá modul pružnosti (Youngův modul).
Bod výnosu
To je klíčový okamžik, kdy materiál přechází z pružné na plastickou deformaci. Po dosažení meze kluzu se materiál začne nevratně deformovat. V tomto okamžiku se určuje **míra kluzu** materiálu. U některých materiálů, jako je například měkká ocel, se může projevit tzv. deska meze kluzu**, kdy materiál zůstává po delší dobu na ustálené úrovni napětí, než začne další deformace.
Plastová oblast
Po dosažení meze kluzu přechází materiál do plastické oblasti a nevratně se deformuje. Napětí a deformace již nejsou lineárně spojeny a materiál vykazuje **plastickou deformaci**, která se po odstranění zatížení neobnoví.
Pevnost v tahu (UTS)
Jedná se o nejvyšší napětí, které může materiál vydržet, než dojde k jeho selhání. Po této fázi materiál obvykle začne krnět a nakonec praskne.
Bod zlomu
Místo, kde se materiál láme nebo praská. Jedná se o konec křivky napětí a deformace.
| Region | Popis |
|---|---|
| Pružná oblast | Lineární vztah; návrat k původnímu tvaru |
| Výnosový bod | Přechod od pružného k plastickému chování |
| Plastová oblast | Dochází k trvalé deformaci |
| Mez pevnosti v tahu | Maximální napětí před selháním |
| Bod zlomu | Bod, ve kterém se materiál zlomí |
Jak se zkouší a měří mez kluzu?
Zkouška tahem je nejčastější metodou stanovení meze kluzu materiálu. Při této zkoušce se na vzorek materiálu působí rostoucí silou, dokud se nedeformuje. Na základě získaných údajů se vytvoří křivka napětí-deformace a vypočítá se mez kluzu, když materiál přejde z pružného chování do plastického.
Mezi další techniky stanovení meze kluzu patří **zkoušky tvrdosti** (např. tvrdost podle Brinella nebo Rockwella), které mohou poskytnout přibližný odhad meze kluzu na základě odolnosti materiálu proti vtisku. Nejpřesnějším a nejoblíbenějším přístupem zůstává zkouška pevnosti v tahu.
Jaký význam má ve strojírenství mez kluzu?
Pevnost v tahu je ve strojírenství důležitá z řady důvodů.
- –Výběr materiálu: Konstruktéři musí vybrat materiály s přijatelnou mezí kluzu pro konkrétní aplikace, aby byla zajištěna bezpečnost a funkčnost.
- –Structural Integrity: Znalost meze kluzu umožňuje inženýrům navrhovat konstrukce, které vydrží očekávané zatížení bez trvalých deformací.
- –Soulad s předpisy: Mnoho podniků má požadavky, které vyžadují, aby materiály měly určitou mez kluzu, aby byla zajištěna bezpečnost a spolehlivost.
Pevnost v tahu u různých materiálů
Mez kluzu se u jednotlivých materiálů značně liší a výběr vhodného materiálu pro danou aplikaci je do značné míry ovlivněn mezí kluzu a výkonem za určitých podmínek.
- Kovy: Kovy s vysokou mezí kluzu, jako je ocel, titan a hliník, jsou široce používány. Např:
- –Ocel se může pohybovat od 250 MPa u měkké oceli až po více než 2000 MPa u slitin vysokopevnostních ocelí.
- –Titan se vyznačuje vysokým poměrem pevnosti a hmotnosti, jeho mez kluzu je zhruba 900 MPa.
- –Hliníkové slitiny mají mnohem nižší mez kluzu (asi 150 MPa), ale jsou výhodné v situacích, kdy je důležitá hmotnost.
- Polymery: Materiály jako plasty a pryže mají mnohem nižší meze kluzu než kovy. Pro různá použití jsou nicméně díky své přizpůsobivosti a toleranci k proměnlivým vlivům prostředí ideální. Například **polykarbonát** má mez kluzu přibližně 60 MPa, zatímco **PVC** může mít až 50 MPa.
- Kompozity: Kompozity z uhlíkových a skleněných vláken jsou sice lehké, ale mají vysokou mez kluzu. Zejména kompozity z uhlíkových vláken mohou dosahovat meze kluzu vyšší než 1000 MPa, což je předurčuje k použití ve vysoce výkonných a kosmických vozidlech.
Jaké jsou aplikace meze kluzu
V mnoha různých technických oborech je mez kluzu materiálů zásadní pro zajištění jejich předpokládané funkčnosti bez poruch.
Stavební inženýrství
Výběr materiálů pro konstrukční prvky, jako jsou nosníky, sloupy a výztuže, závisí do značné míry na mezi kluzu. Konstrukční ocel a železobeton jsou navrženy tak, aby odolaly velkému zatížení a napětí bez trvalé deformace.
Automobilový a letecký průmysl
Při navrhování součástí letadel, motorů a rámů automobilů je nutná pevnost v tahu, protože jsou pro ně typická velká zatížení a možné nárazy. Pro tato použití se často volí vysokopevnostní ocel, titan a uhlíková vlákna.
Výroba a elektronika
Materiály s vhodnou mezí kluzu se používají ve výrobě k výrobě nástrojů, zařízení a mikroelektroniky. Zatímco **chirurgické nástroje** nebo **součásti letadel** potřebují materiály s výrazně vyšší pevností, součásti **smartphonů** nebo **laptopů** mohou být vytvořeny z kovů se sníženou mezí kluzu.
Závěr
Inženýři a konstruktéři, kteří pracují s různými materiály, musí pochopit meze kluzu. Ta určuje, jak velkému namáhání materiál odolá, než dojde k jeho nevratné deformaci, a zajišťuje tak technickou bezpečnost a funkčnost. Vzorce a křivky napětí a deformace pomáhají odborníkům při výběru materiálů a zajišťují integritu konstrukce.
