Ha minden kötél szakad, szokták mondani azokra a helyzetekre, amikor már nincs mit tenni, mert amit lehetett, megtettük. Igen ám, de mikor szakad minden kötél? Sőt, minden kötél ugyanakkor szakad? Egyáltalán nem. Vannak könnyebben és nehezebben szakadó kötelek. Hogy mit várhatunk tőlük, azt a szakítószilárdságuk határozza meg. Kohászat után egy kis mechanika.
A szakítószilárdság fogalma
A szakítószilárdság a mérnöki tudományok, különösen az anyagtudomány, a gépészet és a szerkezetépítés fontos fogalma.
A szakítószilárdság egy kötél, huzal, tartógerenda, vagy más hasonló szerkezeti elem elszakításához szükséges mechanikai feszültség.
Jele s, egysége a Pa (pascal).
A szakítószilárdság az anyagnak csak az állandó terheléssel szembeni szilárdságára ad felvilágosítást, dinamikus igénybevétel esetén az anyagok már jóval kisebb feszültségnél is elszakadnak.
A szakítószilárdság a hőmérséklet függvényében változik (általában csökken), magasabb hőmérsékleten állandó terhelés alatt az anyag állandóan növekvő alakváltozást szenved (tartósfolyás).
A szakítószilárdságot és nyúlást az MSZ 5360–71 szabvány szerint határozzák meg.
A szakítószilárdság megállapítása
A szakítószilárdság megállapítására az anyagból szabvány szerint elkészített próbatesten statikus szakítóvizsgálatot végeznek.
Ez egy roncsolásos eljárás, amely során a próbatest alakúra kiképzett munkadarabot szakítógépen, állandó húzással fokozatosan addig nyújtják, amíg a mintadarab el nem szakad.
A folyamat során végig mérik a munkadarab megnyúlását a terhelés változásának függvényében., ami azt jelenti, hogy lassan növelik a húzóerőt és közben a gép felveszi a feszültség-alakváltozás diagramját.
Ez a megnyúlás-erő diagram a szakítóvizsgálat egyik eredménye, amelyet szakítódiagramnak neveznek. Ezen a megnyújtás és a szakítás folyamata nyomon követhető és szakaszokra osztható.
- Az első szakasz a rugalmas alakváltozás szakasza. Ebben a fázisban még nem történik olyan deformáció, ami miatt a mintadarab ne nyerhetné vissza eredeti alakját.
- A második szakasz az egyenletes alakváltozás. Ekkor a képlékeny deformáció a húzott mintadarabon végig azonos.
- A harmadik szakasz a kontrakció, amikor egy ponton elkeskenyedik a mintadarab, majd ott el is szakad.
A Hooke-törvény
A Hooke-törvény a szilárd testek rugalmas alakváltozásai és az ezeket létrehozó erők, illetve feszültségek kapcsolatára vonatkozó törvényszerűség, amely szerint a rugalmas alakváltozás mértéke bizonyos határon (rugalmassági határ) belül arányos az azt létrehozó erővel.
Fontos mérhető feszültségek
Az anyagok állandó terhelés következtében végbemenő tönkremenetelénél három fontos feszültséget kell figyelembe venni:
- Folyáshatár (Re): az a feszültség, melyet az anyag maradó alakváltozás nélkül elvisel. Ez a pont nem mindig határozható meg konkrétan, ezért helyette némely anyagnál azt a feszültséget tekintik folyáshatárnak, melynél a maradó alakváltozás mértéke 0,2%. A folyáshatár alatt minden alakváltozás visszafordítható. A folyáshatáron túl az anyag maradó alakváltozást (acél esetében megnyúlást) szenved.
- Szakítószilárdság (Rm): az anyag által törés nélkül kibírt legnagyobb feszültség, vagy másként az a mennyiség, amely a szakítódiagram maximális erőpontjának és a mintadarab keresztmetszetének hányada.
- Szakadás: a szakítódiagramról leolvasható feszültség, ahol az anyag elszakad.
Érdekesség, hogy rideg anyagoknak nincs folyáshatáruk, sem felkeményedő szakaszuk, ezek esetében a legnagyobb feszültség és a szakítószilárdság megegyezik.
Ha a fémeket hidegmegmunkálásnak vetik alá, vagy huzalt húznak belőlük, szakítószilárdságuk megnő.
Néhány anyag tipikus szilárdsági értékei
Az alábbi táblázatban érdekességképpen feltüntettük néhány anyag jellemző szilárdsági értékeit.
Anyag megnevezése | Folyáshatár (MPa) | Legnagyobb feszültség (MPa) | Sűrűség (g/cm³) |
Szerkezeti acél A36 | 250 | 400 | 7,8 |
Nagyszilárdságú ötvözött acél A514 | 690 | 760 | 7,8 |
Nagyszilárdságú előfeszített acélhuzal | 1650 | 1860 | 7,8 |
Zongorahúr (acél) | kb. 2000 | 7,8 | |
Nagy sűrűségű polietilén (HDPE) | 26-33 | 37 | 0,95 |
Polipropilén | 12-43 | 19,7-80 | 0,91 |
Korrózióálló acél AISI 302 – (hidegen hengerelt) | 520 | 860 | |
Öntöttvas 4,5% C, ASTM A-48 | 130 | 200 | |
Titánötvözet (6% Al, 4% V) | 830 | 900 | 4,51 |
Üveg | 50 (nyomásra) | 2,53 | |
Márvány | N/A | 15 | |
Beton | N/A | 2-5 (húzásra) | 2,4 |
Hernyóselyem | 500 | ||
Csont | 130 |
