Čvrstoća

Izvor: Wikipedija

Čvrstoća je veličina najveće moguće ili dopuštene kohezione sile među molekulama ili kristalima materijala u čvrstom agregatnom stanju. Izražava se jedinicama sile koja opterećuje materijal, po jedinici površine presjeka u kome se ta sila ispoljava (tzv. naprezanje materijala), u karakterističnim točkama dijagrama čvrstoće.

Uobičajena oznaka za naprezanje i čvrstoću je σ (sigma). Uobičajene su izvedene jedinice za naprezanje i čvrstoću: kp / mm² (kilopond po kvadratnom mm presjeka) ili N/mm² Njutn po mm²). Stara jedinica je kp/cm².

Čvrstoća spada među najvažnije karakteristike tehničkih materijala, od kojih se grade strojevi, alati, građevine ili predmeti svakodnevne uporabe.

[uredi] Dijagram čvrstoće

Tehnička terminologija razlikuje nekoliko karakterističnih točaka na krivulji koju ispitni uređaj bilježi tijekom mjerenja čvrstoće probnog uzorka (tzv. "epruveta") od ispitivanog materijala. Kod metala (posebno kod čelika) najčešće se izvodi ispitivanje vlačne čvrstoće, pri čemu se rastezanjem glatko ispolirane epruvete standardiziranih dimenzija do loma, zaključuje o karakteristikama materijala.

Za vrijeme ispitivanja uređaj postepeno povećava i bilježi silu F rastezanja, bilježeći istovremeno i prouzrokovano relativno produženje probnog uzorka ∆L = promjena dužine / L.

Slika prikazuje tipičnu krivulju rastezanja uobičajenih čeličnih materijala. Početni dio krivulje je linearan, tj. produženje epruvete proporcionalno je sili rastezanja do točke E, koju zovemo granicom elasticiteta. Ako se obustavi rastezanje bilo gdje u području između 0 i E, epruveta će se vratiti na prvobitnu dužinu bez ikakvih trajnih deformacija, tj. u rasponu naprezanja 0 - E materijal se ponaša potpuno elastično.

Prekoračenjem točke E, rastezanjem u uzdužnom smjeru uzrokuje se suženje epruvete na najslabijem mjestu (što je posljedica nehomogenosti materijala), što se na dijagramu čvrrstoće reflektira koljenom iza točke E. Daljnje povećanje opterećenja uzrokuje daljnji porast dužine epruvete, međutim područje E - M više nije elastično, tj. u slučaju prekida pokusa epruveta će se nešto skratiti, ali će ipak ostati trajno deformirana. To se stoga zove područjem plastične deformacije.

Najveće dostignuto opterećenje kome odgovara točka M bilježi se kao maksimalna čvrstoća materijala, koja međutim u slučaju trgovačkih čelika nema praktične vrijednosti.

Nakon dosizanja točke M, epruveta se produžuje čak i ako opterećenje smanjujemo. Suženje presjeka na najslabijem mjestu epruvete naglo raste i u točki L nastupa lom epruvete.

Naprezanje u kp / mm² ili N/mm² kod kojega je nastupio lom, nazivamo lomnom čvrstoćom materijala.

Ne ponašaju se svi materijali poput trgovačkih (tj. "mekih") čelika. Neki nemaju izrazitog elastičnog područja, neki nemaju koljena, a neki padajući dio krivulje iza točke M. Slika prikazuje izgled dijagrama čvrstće nekolicne metala. Materijali sa širokim plastičnim područjem su većinom žilavi. Krhki materijali kaljeni čelik, kamen i dr.) nemaju izraženo plastično područje i ne suzuje im se presjek pri opterećivanju. Plastični materijali (olovo) imaju vrlo nisku granicu elastičnosti. Dobro se oblikuju gnječenjem.

[uredi] Stupanj sigurnosti

Budući da se naši proizvodi prilikom uporabe ne smiju trajno deformirati, osnova za određivanje dopuštene čvrstoće predstavlja točka E, tj. naši materijali se smiju opterećvati samo u elastičnom području. Zbog sigurnosnih razloga, nećemo dopustiti da se materijal u normalnoj uporabi napregne do granice elasticiteta, nego dopušteno opterećenje definiramo kao s puta manje od granice elastičnosti. Faktor s zovemo stupnjem sigurnosti. Njegva vrijednost zavisi o uvjetima opterećenja (mirno, pulsirajuće, udarno, izmjenično ili titrajno) i o važnosti elemenata u koje materijal ugrađujemo, pa i o brojnim drugim okolnostima (koroziono agresivna okolina, mogućnost stanjenja trenjem u normalnom radu i dr.). Za važne namjene stupanj sigurnosti propisan je standardima i tehničkim propisima. Tako primjerice za dizalična užeta ili užeta liftova primjenjujemo fator sigurnosti 8, što znači da je dopušteno opterećenje materijala užeta 8 puta manje od njegove granice elastičnosti.

[uredi] Način opterećenja

S gledišta smjera opterećenja razlikujemo:

• opterećenje na vlak (rastezanje)
• opterećenje na tlak (poseno je često u građevnim materijalima - beton, kamen)
• opterćenje na savijanje (kod grede na dva oslonca na krajevima donji pojas grede opterećen je vlačno, a gornji tlačno)
• opterećenje na smik (odrez, npr. kod limova spojenih zakovicama zakovica je opterećena na smik)
• torziono opterećenje (koje je u stvari poseban slučaj smičnog opterećenja).

Neki materijali pokazuju vrlo velike razlike u vlačnoj i tlačnoj čvrstoći. Tako primjerice beton i kamen imaju zanemarivu nosivost u vlačnom smjeru, ali zato imaju vrlo veliku tlačnu čvrstoću.

Za svaku vrstu opterećenja mora se odrediti dopuštena čvrstoća s kojom se ulazi u proračun strojnih elemenata.

S gledišta karakteristika opterećenja razlikujemo:

• mirno opterećenje
• udarno opterećenje
• pulsirajuće opterećenje (koje se mijenja samo u jednom smjeru, npr. vlačnom)
• izmjenično opterećenje (koje naizmjenično mijenja smjer nr. iz vlačnog u tlačno i obratno)
• titrajno (pulsirajuće ili izmjenično s vlo visokim brojem izmjena u sekundi)

Kod izmjeničnog, a pogotovo titrajnog opterećenja (opruge, kotrljajući ležaji, spone i poluosovine autmobila, avionska krila i dr.) javlja se pojava tzv. "umora materijala", pa se za takva titrajna opterećenja dopuštena čvrstoća određuje zavisno o željenog trajnosti elemenata koji će se od tog materijala izrađivati. Ona je svakako niža od dopuštene čvrstoće za mirno opterećenje. U mnogim slučajevma se zahtijeva da element izdrži beskonačno mnogo titraja, pa onda govorimo o trajnoj titrajnoj čvrstoći, koja je daleko ispod dopuštene čvrstoće za mirno opterećenje. Lomovi uslijed umora materijala imaju karakterističan oblik po slici. Vidljiv je početak loma na oslabljenom mjestu uslijed nehomogenosti materijala, uključene rđe ili okujine i sl, oko kojega se sa svakim titrajem proširuje područje prekinutog presjeka, dok se nosivi dio presjeka ne smanji toliko da normalno radno opterećenje prekorači granicu loma.