ZJAWISKA PRZY OBCIĄŻENIU STATYCZNYM
Odkształcanie materiału pod wpływem naprężenia jest zjawiskiem bardzo złożonym, dlatego trzeba je w różnych kierunkach upraszczać, aby można je było zrozumieć. Jednym z takich uproszczeń jest założenie, że obciążenia są przykładane stopniowo, tak jak np. robi się to z próbkami podczas próby rozciągania i ściskania.
Jeśli stalowy pręt obciążony na rozciąganie zostanie poddany obciążeniu stopniowo rosnącemu i mierzy się jego dylatację ℇ, otrzymuje się wykres pokazany na rysunku.
_1= Granica proporcjonalności _2 =Granica sprężystości 3 =Dolna granica płynięcia 3’= Górna granica plastyczności
Na początku odkształcenie jest bardzo małe i proporcjonalne do naprężenia, zgodnie z prawem Hooke’a. Od pewnego określonego naprężenia ustaje proporcjonalność i odkształcenie rośnie szybciej. Dokładne położenie tej granicy proporcjonalności trudno ustalić. Im dokładniejszy pomiar, tym niżej zostaje ona wyznaczona. Dla większości materiałów leży ona przy δ=0, a prawo Hooke’a stanowi wtedy tylko pierwsze przybliżenie zachowania sprężystego, pierwszy wyraz rozwinięcia w szereg Taylora funkcji ℇ=ℇ (δ) w pobliżu początku układu współrzędnych. Jeśli pręt zostanie odciążony, zauważa się, że gdy naprężenie nie było zbyt duże, zgodnie z prawem Hooke’a zanika również odkształcenie. Ale i to ulega zmianie, gdy zostanie przekroczone pewne naprężenie leżące blisko granicy proporcjonalności, tzw. granica sprężystości; wówczas całkowita deformacja składa się z części sprężystej (odwracalnej) i niesprężystej (trwałej). Również granicy sprężystości nie można dokładnie określić; leży ona tym niżej, im większa jest dokładność pomiaru.
Jednakże, ponieważ ma ona duże znaczenie techniczne, gdyż stanowi granicę istotności przy prawie wszystkich obliczeniach w wytrzymałości materiałów, a jednocześnie granicę, przy której powstają pierwsze trwałe uszkodzenia, przy badaniu próbek definiuje się ją ściśle według przyjętej konwencji, tak więc np. jako granicę 0,2% oznacza się to naprężenie, przy którym trwała dylatacja osiąga 0,2%.
Bezpośrednio po przekroczeniu granicy sprężystości odkształcenie gwałtownie rośnie i można je zauważyć gołym okiem; przy prawie stałym naprężeniu pręt nieprzerwanie się wydłuża. To naprężenie nazywa się granicą plastyczności.
W maszynach hydraulicznych do badania materiałów można ponadto zauważyć po rozpoczęciu płynięcia mniej lub bardziej wyraźny spadek naprężenia, jak zaznaczono na wykresie linią przerywaną; wtedy maksimum nazywa się górną granicą plastyczności, a następujące potem stałe naprężenie plastyczne dolną granicą plastyczności.
Po osiągnięciu określonego wydłużenia, które jest prawie całkowicie nieelastyczne, naprężenie zaczyna ponownie rosnąć, materiał umacnia się. W tym zakresie obciążenia następuje wyraźne zmniejszenie przekroju poprzecznego pręta wskutek (nieelastycznej) kontrakcji poprzecznej, a dalszy przebieg wykresu naprężeń i odkształceń zależy przede wszystkim od tego, czy przy obliczaniu naprężenia siła rozciągająca P działająca na pręt jest dzielona przez pierwotny przekrój Fo, czy przez przekrój chwilowy F. Dla celów technicznych interesujące jest naprężenie P/F. Naprężenie to przechodzi przez maksimum, które nazywa się wytrzymałością materiału, a gdy maksimum to zostanie przekroczone, pręt silnie przewęża się w jednym miejscu i pęka. „Rzeczywiste naprężenie” P/F rośnie aż do zniszczenia.
Zachowanie innych metali w znacznej mierze odbiega od opisanego tutaj. Płynięcie często nie jest wyraźne, a umocnienie zaczyna się bezpośrednio po przekroczeniu granicy elastyczności.
W przypadku materiałów kruchych (kamień, szkło, beton) odkształcenia nieelastyczne są na ogół niewielkie i już przy małym wydłużeniu dochodzi do zniszczenia. Całkowite wydłużenie, jakie materiał osiąga do momentu zniszczenia, jest miarą ciągliwości (w przeciwieństwie: kruchości) materiału i dla stali jest dokładnie określone w warunkach technicznych. Jednakże, ponieważ bezpośrednio przed zniszczeniem dalsze odkształcenie koncentruje się w otoczeniu miejsca przewężenia przekroju, uzyskuje się różną wartość wydłużenia przy zerwaniu, w zależności od tego, czy za długość pomiarową przyjmuje się większą czy mniejszą część pręta, tak że dla uzyskania jednoznacznych i wzajemnie porównywalnych wyników należy z góry przyjąć pewną określoną konwencję. Wydłużenie przy zerwaniu mierzy się z reguły w ten sposób, że na pręcie okrągłym o średnicy d przed próbą zaznacza się długość pomiarową l = 10 d i z jej wydłużenia ∆l oblicza się wydłużenie przy zerwaniu ℇSl= ∆1/1.
Jeżeli zachodzi potrzeba badania prętów o innym przekroju, długość pomiarową określa się według średnicy okrągłego pręta cylindrycznego, który ma taką samą powierzchnię przekroju poprzecznego.