Čo je pevnosť v ťahu?
Pevnosť v ťahu je najväčšie napätie, ktorému materiál odolá bez trvalej deformácie. Predstavuje moment, pri ktorom materiál trvalo zmení tvar (t. j. po odstránení napätia sa už nevráti do pôvodného tvaru). Až do bodu klzu je materiál pružný a po odstránení sily sa vráti do svojho pôvodného tvaru. Za touto hranicou sa materiál dostáva do oblasti plastickej deformácie a po odstránení sily sa už nevráti do svojho predchádzajúceho stavu.
To má zásadný význam pri navrhovaní materiálov a konštrukcií. Medza klzu materiálu je rozhodujúca na zabránenie deformácii a poruche pri zaťažení. V technických aplikáciách, ako sú stavebné konštrukcie, letecký dizajn a automobilový priemysel, sa využíva medza klzu na zabezpečenie toho, aby komponenty bezpečne odolávali zaťaženiu a namáhaniu v priebehu času.
vzorec pre medzu klzu
Sila pôsobiaca na materiál a plocha jeho prierezu určujú jeho medzu klzu pomocou jednoduchého vzorca. Vyjadruje sa ako.
Kde:
- –σ_Y = medza klzu (meraná v pascaloch, Pa, alebo megapascaloch, MPa)
- –F = aplikovaná sila (meraná v newtonoch, N)
- –A = plocha prierezu materiálu (meraná v metroch štvorcových, m²)
Medza klzu sa zvyčajne udáva v Pascaloch (Pa) alebo Megapascaloch (MPa), pričom 1 MPa sa rovná 1 miliónu Pascalov. Tento jednoduchý vzorec nám ukazuje, aké veľké napätie môže materiál vydržať, kým sa plasticky zdeformuje.
Ak napríklad na oceľovú tyč s prierezom 10 mm² pôsobí sila 1000 N, medzu klzu možno vypočítať ako:
To naznačuje medzu klzu ocele 100 MPa. Ak napätie prekročí túto hranicu, oceľ sa trvalo deformuje.
Aké sú faktory ovplyvňujúce medzu klzu?
Medzu klzu materiálu určuje viacero faktorov.
Zloženie materiálu
Na medzu klzu materiálu má veľký vplyv jeho chemické zloženie. Napríklad oceľ má vyššiu medzu klzu ako hliník vďaka prítomnosti uhlíka a ďalších legujúcich zložiek, ktoré zvyšujú jej pevnosť.
Temperatúra
So zvyšujúcou sa teplotou často klesá medza klzu. Kovy používané pri vysokých teplotách, ako sú motory alebo elektrárne, sa môžu pri vysokých teplotách zhoršovať, hoci pri teplote okolia fungujú primerane.
Zpracovanie a úprava
Pracovanie za studena, tepelné spracovanie a legovanie sú procesy, ktoré môžu zvýšiť medzu klzu materiálu. Napríklad oceľ možno spevniť operáciami, ako je chladenie a popúšťanie.
Struktúra zrna
Na medzu klzu môže mať vplyv aj veľkosť a orientácia kryštalických zŕn materiálu. Jemnejšie zrná majú vyššiu medzu klzu v dôsledku spevnenia hraníc zŕn.
Krivka napätie-deformácia a medza klzu
Ak chcete lepšie pochopiť, ako funguje medza klzu v reálnych podmienkach, vezmite do úvahy krivku napätia a deformácie. Krivka napätie-deformácia znázorňuje reakciu materiálu na pôsobiace napätie. Ponúka dôležité informácie o správaní sa materiálu pri namáhaní, napríklad o jeho pružnosti, plasticite a bode porušenia.
Krivku napätia a deformácie možno rozdeliť na niekoľko kľúčových oblastí.
Elastická oblasť
V tejto oblasti sa materiál správa pružne, čo znamená, že deformácia je úmerná pôsobiacemu napätiu. Ak sa materiál počas tohto obdobia nezaťaží, obnoví svoj predchádzajúci tvar. Súvislosť napätia a deformácie v tejto fáze je lineárna a sklon tejto priamky je známy ako modul pružnosti (Youngov modul).
Bod výnosu
Je to kľúčový moment, v ktorom materiál prechádza z pružnej na plastickú deformáciu. Po dosiahnutí medze klzu sa materiál začne nevratne deformovať. V tomto okamihu sa určuje **pevnosť materiálu**. Niektoré materiály, ako napríklad mäkká oceľ, môžu vykazovať **trhnutie**, pri ktorom materiál zostáva na stabilnej úrovni napätia dlhší čas, kým sa začne ďalšia deformácia.
Plastová oblasť
Po dosiahnutí medze klzu sa materiál dostane do plastickej oblasti a nevratne sa deformuje. Napätie a deformácia už nie sú lineárne spojené a materiál vykazuje **plastickú deformáciu**, ktorá sa po odstránení zaťaženia neobnoví.
Pevnosť v ťahu (UTS)
Ide o najvyššie napätie, ktoré môže materiál vydržať pred zlyhaním. Po tomto štádiu sa materiál zvyčajne začne krčiť a nakoniec praskne.
Bod zlomu
Miesto, kde sa materiál láme alebo praská. Je to koniec krivky napätia a deformácie.
| Región | Popis |
|---|---|
| Elastická oblasť | Lineárny vzťah; návrat k pôvodnému tvaru |
| Výnosový bod | Prechod od pružného k plastickému správaniu |
| Plastová oblasť | Dochádza k trvalej deformácii |
| Pevnosť v ťahu | Maximálne napätie pred zlyhaním |
| Bod zlomu | Bod, v ktorom sa materiál láme |
Ako testovať a merať medzu klzu?
Skúška ťahom je najčastejšou metódou na určenie medze klzu materiálu. Pri tejto skúške sa na vzorku materiálu pôsobí rastúcou silou, až kým sa nedeformuje. Získané údaje sa použijú na vytvorenie krivky napätie-deformácia a medza klzu sa vypočíta, keď materiál prejde z pružného správania na plastické.
Medzi ďalšie techniky na určenie medze klzu patria **skúšky tvrdosti** (napríklad Brinellova alebo Rockwellova tvrdosť), ktoré môžu poskytnúť približný odhad medze klzu na základe odolnosti materiálu voči vtláčaniu. Na druhej strane, najpresnejším a najobľúbenejším prístupom zostáva skúška pevnosti v ťahu.
Aký je význam medze klzu v strojárstve?
Medza klzu je v strojárstve dôležitá z viacerých dôvodov.
- –Výber materiálu: Konštruktéri musia vybrať materiály s prijateľnou medzou klzu pre konkrétne aplikácie, aby sa zabezpečila bezpečnosť a funkčnosť.
- –Structural Integrity: Znalosť medze klzu umožňuje inžinierom navrhovať konštrukcie, ktoré vydržia očakávané zaťaženie bez trvalej deformácie.
- –Súlad s právnymi predpismi: Mnohé podniky majú požiadavky, ktoré vyžadujú, aby materiály mali určitú medzu výťažnosti, aby sa zabezpečila bezpečnosť a spoľahlivosť.
Pevnosť v rôznych materiáloch
Medza klzu sa medzi jednotlivými materiálmi výrazne líši a výber vhodného materiálu pre danú aplikáciu je do veľkej miery ovplyvnený medzou klzu a výkonnosťou za určitých podmienok.
- Kovy: Kovy s vysokou medzerou klzu, ako sú oceľ, titán a hliník, sa používajú vo veľkej miere. Napríklad:
- –Oceľ sa môže pohybovať od 250 MPa pre mäkkú oceľ až po viac ako 2000 MPa pre vysokopevnostné oceľové zliatiny.
- –Titan sa vyznačuje vysokým pomerom pevnosti k hmotnosti, má medzu klzu približne 900 MPa
- –Hliníkové zliatiny majú oveľa nižšiu medzu klzu (približne 150 MPa), ale sú uprednostňované v situáciách, keď je dôležitým faktorom hmotnosť.
- Polyméry: Materiály ako plasty a gumy majú oveľa nižšiu medzu klzu ako kovy. Napriek tomu sú pre rôzne použitia vďaka svojej prispôsobivosti a tolerancii voči premenlivým faktorom prostredia ideálne. Napríklad **polykarbonát** má medzu klzu približne 60 MPa, zatiaľ čo **PVC** môže mať až 50 MPa.
- Kompozity: Kompozity z uhlíkových vlákien a sklenených vlákien majú síce nízku hmotnosť, ale vysokú medzu klzu. Najmä kompozity z uhlíkových vlákien môžu dosahovať medze klzu viac ako 1000 MPa, čo ich predurčuje na použitie vo vysokovýkonných a leteckých vozidlách.
Aké sú aplikácie medze klzu
V mnohých rôznych technických odboroch je medza klzu materiálov veľmi dôležitá na zaručenie ich predpokladanej funkčnosti bez porúch.
Stavebné inžinierstvo
Výber materiálov pre konštrukčné prvky, ako sú nosníky, stĺpy a výstuže, závisí vo veľkej miere od medze klzu. Konštrukčná oceľ a železobetón sú navrhnuté tak, aby odolali veľkému zaťaženiu a namáhaniu bez trvalej deformácie.
Automobilový a letecký priemysel
Pri navrhovaní komponentov lietadiel, častí motorov a rámov automobilov je potrebná pevnosť v ťahu, pretože sú typické veľké zaťaženia a možné nárazy. Na tieto účely sa často vyberá vysokopevnostná oceľ, titán a uhlíkové vlákna.
Výroba a elektronika
Materiály s vhodnou medzou klzu sa používajú vo výrobe na výrobu nástrojov, zariadení a mikroelektroniky. Zatiaľ čo **chirurgické nástroje** alebo **súčiastky lietadiel** potrebujú materiály s výrazne vyššou pevnosťou, súčiastky v **smartfónoch** alebo **laptopoch** môžu byť vytvorené z kovov so zníženou medzerou klzu.
Záver
Inžinieri a konštruktéri pracujúci s rôznymi materiálmi musia pochopiť medzu klzu. Určuje, aké veľké namáhanie materiál znesie, kým sa nevratne nedeformuje, čím zabezpečuje technickú bezpečnosť a funkčnosť. Vzorce a krivky napätia a deformácie pomáhajú odborníkom pri výbere materiálov a zabezpečovaní integrity konštrukcie.
