Ce este rezistența la curgere?
Rezistența la întindere este cea mai mare tensiune la care poate rezista un material fără deformare permanentăn. Acesta reprezintă momentul în care un material își schimbă permanent forma (adică nu mai revine la forma sa anterioară după eliminarea solicitării). Până la punctul de curgere, un material este elastic și revine la forma sa inițială dacă forța este îndepărtată. Dincolo de acest prag, materialul intră în zona de deformare plastică și nu va mai reveni la forma sa anterioară după îndepărtarea forței.
Acest lucru este esențial în ingineria materialelor și în proiectarea structurilor. Rezistența la curgere a materialelor este esențială pentru prevenirea deformării și cedării sub sarcină. Aplicațiile inginerești precum construcția de clădiri, proiectarea aeronautică și ingineria automobilelor utilizează rezistența la curgere pentru a se asigura că componentele pot rezista în siguranță la sarcini și solicitări în timp.
Formula pentru rezistența la curgere
Forța aplicată unui material și aria secțiunii transversale a acestuia determină limita de curgere a acestuia cu ajutorul unei formule simple. Se exprimă ca.
Unde:
- –σ_Y = rezistența la întindere (măsurată în Pa sau MPa)
- –F = Forța aplicată (măsurată în Newtoni, N)
- –A = aria secțiunii transversale a materialului (măsurată în metri pătrați, m²)
Rezistența la curgere este de obicei dată în Pascali (Pa) sau Megapascali (MPa), unde 1 MPa este egal cu 1 milion de pascali. Această formulă simplă ne arată cât de multă tensiune poate suporta un material înainte de a se deforma plastic.
De exemplu, dacă o tijă de oțel cu o suprafață a secțiunii transversale de 10 mm² este supusă unei forțe de 1000 N, limita de curgere poate fi calculată astfel:
Aceasta indică o limită de curgere a oțelului de 100 MPa. Dacă tensiunea depășește acest prag, oțelul se deformează permanent.
Care sunt factorii care afectează rezistența la curgere?
Limita de elasticitate a unui material este determinată de o serie de factori.
Compoziția materialului
Rezistența la curgere a unui material este puternic influențată de compoziția sa chimică. Oțelul, de exemplu, are o limită de curgere mai mare decât aluminiul datorită prezenței carbonului și a altor componente de aliere care îi sporesc rezistența.
Temperatură
Pe măsură ce temperatura crește, rezistența la curgere scade adesea. Metalele utilizate în aplicații la temperaturi ridicate, cum ar fi motoarele sau centralele electrice, se pot deteriora la temperaturi ridicate, deși funcționează corespunzător la temperatura ambiantă.
Procesare și tratament
Prelucrarea la rece, tratamentul termic și alierea sunt toate procese care pot crește limita de curgere a materialului. Oțelul, de exemplu, poate fi întărit prin operații precum călirea și temperarea.
Structura granulometrică
Dimensiunea și orientarea granulelor cristaline ale unui material pot influența, de asemenea, rezistența la curgere. Granulele mai fine au o rezistență mai mare la curgere datorită întăririi limitelor granulelor.
Curba tensiune-deformare și rezistența la curgere
Pentru a înțelege mai bine cum funcționează limita de curgere în circumstanțe reale, luați în considerare curba tensiune-deformare. Curba tensiune-deformare descrie răspunsul unui material la tensiunea aplicată. Ea oferă informații esențiale despre comportamentul materialului sub tensiune, cum ar fi elasticitatea, plasticitatea și punctul de cedare.
Curba tensiune-deformare poate fi împărțită în mai multe regiuni cheie.
Regiunea elastică
În această regiune, materialul se comportă elastic, ceea ce implică faptul că deformarea este proporțională cu tensiunea aplicată. Dacă materialul este descărcat în timpul acestei perioade, acesta își va relua forma anterioară. Legătura tensiune-deformație în această fază este liniară, iar panta acestei linii este cunoscută ca modul de elasticitate (modulul lui Young).
Punct de randament
Acesta este momentul cheie în care materialul trece de la deformarea elastică la cea plastică. Când se atinge punctul de curgere, materialul începe să se deformeze ireversibil. Acesta este momentul în care se determină **rezistența la curgere** a materialului. Unele materiale, cum ar fi oțelul moale, pot prezenta un **plafon de curgere**, în care materialul rămâne la un nivel stabil de tensiune pentru o perioadă lungă de timp înainte de a începe deformarea suplimentară.
Regiunea plastică
După atingerea punctului de curgere, materialul intră în regiunea plastică și se deformează ireversibil. Tensiunea și deformația nu mai sunt legate liniar, iar materialul prezintă **deformare plastică** care nu se reface atunci când sarcina este îndepărtată.
Rezistența la tracțiune ultimă (UTS)
Aceasta este cea mai mare tensiune pe care materialul o poate suporta înainte de a ceda. După acest stadiu, materialul începe de obicei să cedeze și, în cele din urmă, se fisurează.
Punct de fractură
Locul în care materialul se rupe sau se fracturează. Acesta este capătul curbei tensiune-deformare.
| Regiunea | Descriere |
|---|---|
| Regiune elastică | Relație liniară; revine la forma inițială |
| Punct de randament | Tranziția de la comportamentul elastic la cel plastic |
| Regiunea plastic | Se produce o deformare permanentă |
| Rezistența finală la tracțiune | Tensiunea maximă înainte de cedare |
| Punct de fractură | Punctul la care materialul se rupe |
Cum se testează și se măsoară rezistența la curgere?
Încercarea la tracțiune este cea mai frecventă metodă de determinare a limitei de elasticitate a unui material. În cadrul acestui test, se aplică o forță din ce în ce mai mare unei probe de material până când aceasta se deformează. Datele sunt utilizate pentru a produce curba tensiune-deformare, iar limita de curgere este calculată atunci când materialul trece de la comportamentul elastic la cel plastic.
Alte tehnici de determinare a limitei de elasticitate includ **testele de duritate** (cum ar fi duritatea Brinell sau Rockwell), care pot furniza estimări aproximative ale limitei de elasticitate pe baza rezistenței la indentare a materialului. Pe de altă parte, încercarea la tracțiune continuă să fie cea mai precisă și populară abordare.
Care este importanța rezistenței la curgere în inginerie?
Rezistența la rupere este importantă în inginerie din mai multe motive.
- –Selecția materialelor: Inginerii trebuie să selecteze materiale cu limite de curgere acceptabile pentru aplicații specifice, pentru a asigura siguranța și funcționalitatea.
- – Integritatea structurală: Cunoașterea limitei de curgere permite inginerilor să proiecteze structuri care pot rezista la sarcinile preconizate fără deformări permanente.
- –Conformitatea cu reglementările: Multe întreprinderi au cerințe care impun ca materialele să aibă anumite limite de curgere pentru a asigura siguranța și fiabilitatea.
Rezistența la rupere în diferite materiale
Rezistența la curgere variază foarte mult între materiale, iar selectarea materialului adecvat pentru o aplicație este influențată în mare măsură de rezistența la curgere și de performanța în anumite condiții.
- Metale: Metalele cu rezistențe ridicate la curgere, cum ar fi Oțelul, titanul și aluminiul, sunt utilizate pe scară largă. De exemplu:
- –Oțel poate varia de la 250 MPa pentru oțelul moale la peste 2000 MPa pentru aliajele de oțel cu rezistență ridicată.
- –Titaniul este cunoscut pentru raportul său ridicat rezistență/greutate, având o rezistență la rupere de aproximativ 900 MPa
- – Aliajele de aluminiu au o limită de elasticitate mult mai mică (aproximativ 150 MPa), dar sunt preferate pentru situațiile în care greutatea este un factor important.
- Polimeri: Materialele precum plasticele și cauciucurile au rezistențe la curgere mult mai mici decât metalele. Cu toate acestea, pentru o varietate de utilizări, adaptabilitatea și toleranța lor la variabilele de mediu le fac perfecte. De exemplu, **policarbonatul** are o limită de curgere de aproximativ 60 MPa, în timp ce **PVC** ar putea avea chiar și 50 MPa.
- Compozite: Deși ușoare, materialele compozite din fibră de carbon și fibră de sticlă au rezistențe ridicate la curgere. Compozitele din fibră de carbon, în special, pot atinge rezistențe la curgere mai mari de 1000 MPa, ceea ce le face perfecte pentru vehiculele de înaltă performanță și pentru cele aerospațiale.
Care sunt aplicațiile rezistenței la curgere
În multe discipline inginerești diferite, limita de curgere a materialelor este vitală pentru a garanta că acestea vor funcționa așa cum se preconizează, fără defecțiuni.
Inginerie structurală
Alegerea materialelor pentru componentele de construcție precum grinzile, stâlpii și armăturile depinde în mare măsură de limita de curgere. Oțelul structural și betonul armat sunt concepute pentru a rezista la sarcini și tensiuni majore fără deformare permanentă.
Industria auto și aerospațială
Proiectarea componentelor de avion, a pieselor de motor și a cadrelor de automobile necesită rezistență la curgere, deoarece sarcinile severe și posibilele impacturi sunt tipice. Adesea selectate pentru aceste utilizări sunt Oțelul cu rezistență ridicată, titanul și fibra de carbon.
Producție și electronică
Materialele care au o limită de curgere adecvată sunt utilizate în producție pentru a produce unelte, echipamente și microelectronică. În timp ce **uneltele chirurgicale** sau **piesele de avion** au nevoie de materiale cu o rezistență semnificativ mai mare, componentele din **smartphone-uri** sau **laptopuri** pot fi create din metale cu o limită de curgere redusă.
Concluzie
Inginerii și proiectanții care lucrează cu diverse materiale trebuie să înțeleagă rezistența la curgere. Aceasta determină cât de multă tensiune poate suporta un material înainte de deformare ireversibilă, asigurând siguranța tehnică și funcționarea. Formulele și curbele tensiune-deformare îi ajută pe experți să aleagă materialele și să asigure integritatea structurală.
