Pevnosť (materiál)

Pevnosť je schopnosť materiálu odolať vonkajšej alebo vnútornej sile bez toho, aby bol porušený. Rozlišuje sa:

• pevnosť v ťahu
• pevnosť v ohybe
• pevnosť v tlaku
• pevnosť v skrute
• pevnosť v strihu/šmyku
• únavová pevnosť

Udávanie pevnosti

Na udanie pevnosti sa používa viacero údajov:

1. Medza proporcionality – je najväčšia sila, ktorou je možné materiál namáhať tak, aby bola závislosť napätia a pomernej deformácie lineárna – platí Hookov zákon.
2. Medza pružnosti (elasticity) – najväčšia sila, ktorou je možné materiál namáhať tak, aby sa po konci namáhania vrátil do pôvodného stavu. Určuje hranicu medzi elastickou a plastickou deformáciou. Vzťah medzi silou a natiahnutím je už nelineárny ale s nelinearitou menšou ako 0,2 %.
3. Medza klzu – alebo aj medza prieťažnosti (pri zaťažení ťahom) a medza stlačiteľnosti (pri zaťažení tlakom) je zaťaženie, pri ktorom sa materiál začne nevratne (plasticky) deformovať, aj keď prestane pôsobiť záťaž, nenadobudne materiál pôvodnú dĺžku.
4. Medza pevnosti – maximálne zaťaženie vedúce k porušeniu materiálu.
5. Medza únavy – maximálne zaťaženie ktoré ešte nevedie k porušeniu materiálu ani pri nekonečnom počte cyklov.

Medza klzu a medza pevnosti sa udávajú v technických tabuľkách a slúžia na výpočet pevnosti súčiastok a konštrukcií. Všetky sa udávajú v pascaloch, [Pa]alebo v [MPa], napr. bežná oceľ má pevnosť 150 až 450 MPa.

Číselné vyjadrenie

Napríklad pre medzu pevnosti R_m:

$R_{\mathrm {m} }={\frac {F}{A}}\qquad [R_{\mathrm {m} }]=\mathrm {N\,mm^{-2}=MPa}$

• R_m – medza pevnosti [MPa]
• F – sila zaťažujúca vzorku [N]
• A – prierez vzorky pred skúškou [mm²]

Pre ostatné medze platia obdobné vzťahy.

Príklad:

Oceľový profil s prierezom 10 mm × 100 mm (1 000 mm²) z ocele s medzou pevnosti 150 MPa (nízkouhlíková oceľ) sa roztrhne pri rovnomernej sile (bez zátrhov) 150 kN (zodpovedá 15 t).

Technické využitie

Pevnosť v ohybe a skrute sú úmerné pevnosti v ťahu.

Pri konštrukciách sa za nominálnu záťaž berie (ak je to možné) medza proporcionality. Ľahko sa počíta a zaručuje dlhodobú výdrž pri nominálnych podmienkach. Bohužiaľ môže viesť občas k nežiaducemu predimenzovaniu konštrukcií – potom sa konštrukcia navrhuje komplikovanejšími výpočtami, v extrémoch dokonca experimentálne.

Medza klzu (aj medza pevnosti) sa používa hlavne pri lisovaní. Krehké materiály (napr. liatina) medzu klzu nemajú.

Vlastné (zvyškové) napätia

V materiáli môžu existovať ešte zvyškové napätia, ktoré existujú aj bez pôsobenia vonkajšej sily. Znižujú celkovú pevnosť materiálu preto sa väčšinou odstraňujú. To sa dá pri oceli napr. popúšťaním.

Príklady materiálov

Pevnosť v ťahu:

• Oceľ má bežne asi 370 MPa, (zvlášť pevná) 900 MPa (výnimočne pevná 1 770 MPa).
• Najpevnejší materiál (na trhu): uhlíkové vlákno – 4 200 MPa, sklenené vlákna – 2 400 MPa, kevlar – 3 620 MPa
• Najpevnejší materiál: nanovlákna jednostenové – 40 000 – 65 000 MPa