Wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i wytrzymałość na ścinanie: różnice i przewodnik po zastosowaniach

Inżynierowie nieświadomie popełniają błędy podczas projektowania produktu, określając i dobierając jego wytrzymałość. Czasami produkty ulegają uszkodzeniu w wyniku zniszczenia ścinającego, podczas gdy największą uwagę poświęca się wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności. Różne materiały wykorzystywane w procesie rozwoju produktu mogą ulegać uszkodzeniom z powodu niewystarczającego uwzględnienia różnych rodzajów wytrzymałości w projekcie. Na przykład, podczas gdy przekroczenie granicy plastyczności może prowadzić do odkształcenia obudowy z tworzywa sztucznego, wkładka gwintowana może ulec uszkodzeniu z powodu niewystarczającej wytrzymałości na ścinanie. Podobnie, gdy metalowe wsporniki osiągną swoją wytrzymałość na rozciąganie, ulegają pęknięciu. Przykłady te pokazują, że różne materiały charakteryzują się różnymi rodzajami wytrzymałości, co należy uwzględnić podczas projektowania i opracowywania produktu. Czy jednak istnieje wyraźna różnica między tymi trzema właściwościami? Niniejszy przewodnik opisuje każdą z tych właściwości, pokazuje, czym się one od siebie różnią, oraz omawia sposoby ich pomiaru i badania.

Czym są wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i wytrzymałość na ścinanie?

Wiele osób może błędnie interpretować te pojęcia ze względu na ich bliski związek. W rzeczywistości osoby spoza dziedzin takich jak fizyka, mechanika i inżynieria czasami uważają, że są to pojęcia tożsame. Jednak terminy te opisują różne mechanizmy uszkodzeń. Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z nich.

Czym jest wytrzymałość na rozciąganie?

Wytrzymałość na rozciąganie jest jedną z właściwości mechanicznych, których nie można pominąć w zastosowaniach przemysłowych. Właściwość ta ma kluczowy wpływ na bezpieczeństwo i parametry eksploatacyjne różnych materiałów wykorzystywanych do produkcji różnych wyrobów.

Cechę tę można zaobserwować w codziennym życiu. Na przykład dźwig może podnosić ciężki ładunek za pomocą cienkiej stalowej liny, która nie pęka. Dzieje się tak, ponieważ lina ta charakteryzuje się bardzo wysoką wytrzymałością na rozciąganie. Gdyby jednak obciążenie przekroczyło wytrzymałość liny na rozciąganie, lina uległaby pęknięciu, co mogłoby doprowadzić do ofiar śmiertelnych.

Definicja i jednostki miary

Wytrzymałość na rozciąganie definiuje się jako maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać przed pęknięciem lub złamaniem. Oblicza się ją poprzez podzielenie maksymalnej siły rozciągającej przez pierwotną powierzchnię przekroju poprzecznego próbki. Opiera się to na zasadzie, że wraz ze wzrostem naprężenia w materiale wiązania między jego atomami ulegają rozciągnięciu, a ostatecznie – zerwaniu.

Materiał nabiera elastyczności pod wpływem odkształcenia. Po usunięciu odkształcenia powraca do swojego pierwotnego kształtu. Jednak w miarę dalszego odkształcania materiał przechodzi w stan plastyczny. W tym obszarze wewnętrzna struktura atomowa lub molekularna materiału ulega trwałemu poślizgowi (spowodowanemu ruchem dyslokacji w metalach krystalicznych lub rozplątaniem łańcuchów molekularnych w polimerach), co uniemożliwia materiałowi powrót do pierwotnego kształtu ^[1].

Wytrzymałość na rozciąganie mierzy się w megapaskalach (N/mm²). Poniższa tabela zawiera zestawienie pozostałych powiązanych jednostek.

1 MPa ≈ 145 psi

1 Ksi = 6,895 MPa

Wzór na wytrzymałość na rozciąganie

Wytrzymałość na rozciąganie (S) jest określone przez:;

S = F / A

Gdzie F oznacza przyłożoną siłę rozciągającą w N lub lbf. A oznacza pierwotną powierzchnię przekroju poprzecznego próbki (mm², m² lub in²). 

Maksymalną wytrzymałość na rozciąganie osiągniętą przez materiał podczas obciążania nazywa się wytrzymałością graniczną na rozciąganie (UTS). Po osiągnięciu i przekroczeniu wartości UTS w materiale zaczyna się zwężanie. W miarę zwiększania obciążenia zwężanie przyspiesza, aż do pęknięcia materiału. Wytrzymałość graniczną na rozciąganie (UTS) oblicza się według wzoru:,

UTS=F_maks/A₀

Gdzie F_maks to maksymalna siła, jaką materiał wytrzymuje przed zniszczeniem, oraz A₀ to pierwotna powierzchnia przekroju poprzecznego przed obciążeniem.

Pomiar wytrzymałości na rozciąganie

Wytrzymałość na rozciąganie można zmierzyć, przeprowadzając próby rozciągania na uniwersalnej maszynie do badań (UTM). Maszyna UTM jest czasami nazywana maszyną do badań rozciągania.

Proces rozpoczyna się od przygotowania standardowej próbki. W przypadku tworzyw sztucznych materiał formuje się w próbkę w kształcie kości dla psa, natomiast w przypadku metali obrabia się cylindryczną próbkę. Przed obróbką mierzy się pierwotną powierzchnię przekroju poprzecznego A0.

Po przygotowaniu próbkę mocuje się w maszynie do badania wytrzymałości na rozciąganie (UTM). Maszyna rozciąga próbkę z kontrolowaną prędkością. W miarę jak maszyna rozciąga próbkę, należy rejestrować dane, w tym siłę i odpowiadające jej wydłużenie. Zachowanie materiału można odczytać na podstawie krzywej naprężenie-odkształcenie generowanej przez maszynę. Wytrzymałość na rozciąganie (S) można następnie obliczyć zgodnie z powyższym wzorem.

Czym jest granica plastyczności?

Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie to pojęcia powiązane. W przypadku materiałów plastycznych materiał osiąga granicę plastyczności, zanim osiągnie wytrzymałość ostateczną na rozciąganie. Natomiast materiały kruche zazwyczaj ulegają pęknięciu, zanim nastąpi jakikolwiek znaczący stan plastyczny.

Granica plastyczności to próg naprężenia, przy którym materiały przechodzą ze stanu sprężystego (odwracalne odkształcenie) do stanu plastycznego (trwałe odkształcenie). Mierzy się ją w megapaskalach (MPa). 

Weźmy na przykład sytuację, w której powoli pociągamy za oba końce spinacza biurowego. Na początku spinacz lekko się rozciąga. Kiedy przestajemy pociągać, spinacz wraca do pierwotnego położenia. Kiedy jednak pociągamy mocniej, a następnie zwolnimy nacisk, spinacz nie wraca do pierwotnego położenia. W tym momencie mówimy, że spinacz osiągnął granicę plastyczności. Z technicznego punktu widzenia mówi się, że spinacz w tym stanie uległ trwałemu odkształceniu bez pęknięcia.

Pomiary granicy plastyczności

Zanim zapoznamy się ze sposobami pomiaru granicy plastyczności, należy koniecznie zrozumieć pojęcia związane z jej obliczaniem. Jednym z nich jest naprężenie (σ). Jest to wielkość siły przypadająca na jednostkę powierzchni, jaką odczuwa materiał. Oblicza się je według wzoru:,

σ = F/A,

Gdzie F oznacza przyłożoną siłę, a A – pole przekroju poprzecznego. Maksymalne naprężenie występuje tam, gdzie maksymalna siła działa na bardzo wąską powierzchnię.

Drugim członem jest odkształcenie (ε). Jest to zdolność materiału do rozciągania się lub ściskania w stosunku do jego pierwotnych wymiarów. Jest ono określone przez:,

ε = ΔL/L₀,

 Gdzie ΔL oznacza zmianę długości, a L₀ – długość początkową.

Moduł Younga (E) określa sztywność materiału. Wysoka wartość E oznacza, że materiał prawie nie ulega odkształceniu pod obciążeniem, tak jak stal w porównaniu z gumą. Jest on określony przez

E = σ/ε

Materiał zachowuje liniowy przebieg zależności naprężenie-odkształcenie zgodnie z prawem Hooke’a do momentu osiągnięcia granicy plastyczności, czyli dokładnego progu, w którym przyłożone naprężenie trwale przełamuje siły międzyatomowe utrzymujące sieć krystaliczną materiału w stanie sprężystym ^[2].

Materiał określa się jako sztywny, jeśli wykazuje odporność na odkształcenie. Materiały takie charakteryzują się najwyższym modułem Younga. Nie oznacza to jednak, że mają najwyższą granicę plastyczności. Dobry projekt inżynierski musi zawsze zapewniać równowagę między tymi właściwościami. Aby dowiedzieć się więcej o tym, czym sztywność różni się od ogólnej wytrzymałości i twardości, zapoznaj się z naszym obszernym przewodnikiem na temat [Wytrzymałość, sztywność i twardość].

Czym jest wytrzymałość na ścinanie?

Zanim przejdziemy do omówienia wytrzymałości na ścinanie, należy zrozumieć, czym jest siła ścinająca. Siła ścinająca to siła wewnętrzna działająca równolegle do powierzchni, która powoduje przesuwanie się lub odkształcanie jednej części powierzchni względem drugiej.

Wytrzymałość na ścinanie to zdolność materiału do przeciwstawiania się siłom, które mogą powodować przesuwanie się jego struktury wewnętrznej względem powierzchni zewnętrznej. Pod wpływem sił ścinających powierzchnia materiału ma tendencję do przesuwania się i odkształcania. Wytrzymałość na ścinanie ma kluczowe znaczenie w różnych zastosowaniach inżynieryjnych, w których materiały poddawane są działaniu sił bocznych.

Wytrzymałość na ścinanie odgrywa kluczową rolę w projektowaniu i analizie konstrukcji, takich jak belki, słupy i połączenia. Zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości na ścinanie zapobiega uszkodzeniom konstrukcji i zwiększa trwałość obiektów budowlanych.

Wytrzymałość na ścinanie ma również swoje odzwierciedlenie w codziennych sytuacjach. W stalowym moście śruby łączące elementy konstrukcyjne są narażone przede wszystkim na obciążenia ścinające. Jeśli obciążenie stanie się zbyt duże, śruby mogą ulec ścinaniu, co spowoduje rozdzielenie się połączonych płyt. Ta wytrzymałość ma również zastosowanie podczas przecinania śrub. Siła cięcia jest przyłożona w przeciwnym kierunku. Te przeciwstawne siły powodują, że materiał ulega zniszczeniu wzdłuż płaszczyzny, a nie rozciąga się. Zdolność śruby do przeciwstawienia się tym dwóm przeciwstawnym siłom to właśnie wytrzymałość na ścinanie.

Pomiar i badanie wytrzymałości na ścinanie

Badania ścinania są powszechnie stosowane w materiałoznawstwie, inżynierii oraz w wielu innych gałęziach przemysłu w celu oceny przydatności materiału do konkretnych zastosowań.

W próbie ścinania próbkę materiału umieszcza się między dwiema równoległymi powierzchniami i przykłada się do niej siłę, aż do momentu wystąpienia zniszczenia ścinającego. Kluczowym mierzonym parametrem jest naprężenie ścinające, które oblicza się, dzieląc przyłożoną siłę przez pole przekroju poprzecznego materiału. Wynik pozwala uzyskać informacje na temat trwałości, wytrzymałości i właściwości materiału w rzeczywistych warunkach obciążenia.

Jakie są typowe wartości wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i wytrzymałości na ścinanie?

W poniższej tabeli zestawiono wartości wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności oraz wytrzymałości na ścinanie dla różnych materiałów. Te wartości odniesienia zostały ściśle wyznaczone na podstawie znormalizowanych procedur badawczych w temperaturze pokojowej (takich jak norma ASTM E8 dla metali i norma ASTM D638 dla tworzyw sztucznych) ^[3].

Odniesienie

[1] Meyers, M. A. i Chawla, K. K. (2008). Właściwości mechaniczne materiałów (wyd. 2). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947

[2] Pelleg, J. (2012). Właściwości mechaniczne materiałów. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[3] ASM International. (1990). Podręcznik ASM, tom 2: Właściwości i dobór materiałów: stopy metali nieżelaznych i materiały specjalnego przeznaczenia. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627