Naprężenie zrywające – graniczna wartość naprężenia prowadząca do zniszczenia materiału

Wprowadzenie do wytrzymałości materiałów

Każdy materiał konstrukcyjny posiada określoną zdolność do przenoszenia obciążeń. Wraz ze wzrostem siły działającej na element konstrukcyjny zwiększają się naprężenia oraz odkształcenia materiału. Po przekroczeniu określonej granicy dochodzi do utraty ciągłości materiału i jego zniszczenia.

Parametrem opisującym maksymalne naprężenie osiągane bezpośrednio przed zerwaniem próbki jest naprężenie zrywające.

Wielkość ta stanowi jeden z podstawowych parametrów mechanicznych wykorzystywanych w inżynierii materiałowej oraz projektowaniu konstrukcji.

Definicja naprężenia zrywającego

Naprężenie zrywające jest maksymalnym naprężeniem występującym w materiale w chwili jego zerwania podczas próby wytrzymałościowej.

Definiuje się je zależnością:$$R_m = \frac{F_{max}}{A_0}$$

gdzie:

• $R_m$​ – naprężenie zrywające (wytrzymałość na rozciąganie),
• $F_{max}$​ – maksymalna siła osiągnięta podczas próby,
• $A_0$ – początkowe pole przekroju próbki.

Jednostką jest:$$MPa$$

Fizyczna interpretacja naprężenia zrywającego

Naprężenie zrywające określa graniczną zdolność materiału do przenoszenia obciążeń rozciągających.

Wartość ta odpowiada:

• maksymalnemu obciążeniu próbki,
• szczytowemu punktowi wykresu rozciągania,
• początkowi procesu niestatecznego przewężenia.

Próba rozciągania

Naprężenie zrywające wyznacza się podczas statycznej próby rozciągania.

Etapy badania

Wykres naprężenie–odkształcenie

Na wykresie:$$\sigma – \varepsilon$$

naprężenie zrywające odpowiada najwyższemu punktowi krzywej.

Zależność od rodzaju materiału

Naprężenie zrywające a granica plastyczności

Naprężenie zrywające:$$R_m$$

nie jest tym samym co granica plastyczności:$$R_e$$

Różnica

Przewężenie próbki

Po osiągnięciu naprężenia maksymalnego w materiałach plastycznych występuje:$$\text{przewężenie}$$

czyli lokalne zmniejszenie przekroju próbki.

Powoduje ono koncentrację naprężeń i prowadzi do zniszczenia.

Materiały kruche i plastyczne

Materiały plastyczne

• duże odkształcenia przed zerwaniem,
• wyraźne przewężenie.

Materiały kruche

• niewielkie deformacje,
• nagłe pęknięcie bez uplastycznienia.

Naprężenie rzeczywiste i umowne

W klasycznej próbie stosuje się naprężenie umowne:$$\sigma = \frac{F}{A_0}$$

Natomiast naprężenie rzeczywiste uwzględnia aktualny przekrój:$$\sigma_r = \frac{F}{A}$$

Czynniki wpływające na naprężenie zrywające

Najważniejsze parametry

Naprężenie zrywające a bezpieczeństwo konstrukcji

W projektowaniu konstrukcji naprężenie zrywające stanowi podstawę do określania:

• nośności materiału,
• współczynników bezpieczeństwa,
• klas wytrzymałościowych.

Klasy wytrzymałości stali

Dla stali konstrukcyjnych:

Naprężenie zrywające w połączeniach

Analiza obejmuje:

• śruby,
• spoiny,
• liny,
• cięgna,
• połączenia klejone.

Zastosowanie w analizie MES

W analizach numerycznych naprężenie zrywające wykorzystywane jest jako:

• kryterium zniszczenia,
• parametr materiałowy,
• warunek utraty nośności.

Naprężenie zrywające a zmęczenie materiału

W warunkach obciążeń cyklicznych materiał może ulec zniszczeniu przy naprężeniach znacznie niższych od:$$R_m$$

Dlatego analiza zmęczeniowa stanowi odrębny obszar wytrzymałości materiałów.

Znaczenie naprężenia zrywającego w inżynierii

Naprężenie zrywające jest jednym z najważniejszych parametrów mechanicznych wykorzystywanych przy doborze materiałów konstrukcyjnych. Pozwala określić maksymalną zdolność materiału do przenoszenia obciążeń oraz analizować mechanizmy zniszczenia elementów konstrukcyjnych.

Podsumowanie

Naprężenie zrywające określa maksymalną wartość naprężenia osiąganą przez materiał podczas próby rozciągania bezpośrednio przed zerwaniem próbki. Parametr ten stanowi podstawową charakterystykę wytrzymałościową materiałów i jest szeroko wykorzystywany w projektowaniu konstrukcji oraz analizie bezpieczeństwa elementów nośnych.