FENOMEN VID STATISK BELASTNING
Materialdeformation under inverkan av spänning är ett mycket komplicerat fenomen, och måste därför förenklas på olika sätt för att kunna förstås. En av dessa förenklingar är antagandet att belastningarna påförs gradvis, såsom man t.ex. gör med provkroppar vid drag- och tryckprovning.
Om en stålstav som belastas i drag utsätts för en belastning som gradvis ökar och dess dilatation ℇ mäts, erhålls det diagram som visas i figuren.
_1= Gräns för proportionalitet _2 =Elasticitetsgräns 3 = Nedre flytgräns 3’= Övre sträckgräns
I början är töjningen mycket liten och proportionell mot spänningen, i enlighet med Hookes lag. Från en viss spänning upphör proportionaliteten och töjningen ökar snabbare. Det exakta läget för denna proportionalitetsgräns är svårt att bestämma. Ju mer exakt mätningen är, desto lägre blir den. För de flesta material ligger den vid δ=0, och Hookes lag utgör då endast en första approximation av det elastiska beteendet, den första termen i utvecklingen i Taylors serie av funktionen ℇ=ℇ (δ) i närheten av koordinatursprunget. Om stången avlastas, märks att deformationen också försvinner enligt Hookes lag, när spänningen inte varit alltför stor. Men även detta ändras om en viss spänning överskrids som ligger nära proportionalitetsgränsen, den s.k. elasticitetsgränsen; då består den totala deformationen av en elastisk (återgående) och en oelastisk (bestående) del. Inte heller elasticitetsgränsen kan bestämmas exakt; den ligger desto lägre ju större mätnoggrannheten är.
Emellertid, eftersom den har stor teknisk betydelse, då den utgör gränsen för relevans i nästan alla beräkningar inom materialstyrka, och samtidigt gränsen där de första permanenta skadorna uppstår, definieras den vid provning av prover strikt genom en vedertagen konvention, så att t.ex. som gränsen 0,2% betecknas den spänning vid vilken den permanenta töjningen når 0,2%.
Omedelbart efter att elasticitetsgränsen har överskridits ökar deformationen hastigt och kan observeras med blotta ögat; vid nästan konstant spänning förlängs stången kontinuerligt. Denna spänning kallas flytgräns.
Vid hydrauliska maskiner för materialprovning kan man dessutom efter flytningens början iaktta ett mer eller mindre tydligt spänningsfall, såsom visas i diagrammet med den streckade kurvan; då kallas maximum för den övre flytgränsen, och den konstanta flytspänning som därefter inträder för den nedre flytgränsen.
När en viss töjning, som nästan helt är oelastisk, har uppnåtts, börjar spänningen åter att öka, materialet härdar. I detta lastområde uppstår en märkbar minskning av stångens tvärsnitt på grund av (oelastisk) lateral kontraktion, och den fortsatta utvecklingen av spännings- och töjningsdiagrammet beror i första hand på om dragkraften P som verkar på stången vid spänningsberäkningen delas med det ursprungliga tvärsnittet Fo eller det aktuella tvärsnittet F. För tekniska ändamål är spänningen P/F av intresse. Denna spänning passerar ett maximum, som kallas materialets hållfasthet, och när detta maximum passerats avsmalnar stången kraftigt på ett ställe och brister. ”Den verkliga spänningen” P/F ökar fram till brott.
Beteendet hos andra metaller avviker i hög grad från det som beskrivits här. Flytning är ofta inte tydligt framträdande, och härdning börjar omedelbart efter att elasticitetsgränsen överskridits.
Hos spröda material (sten, glas, betong) är de oelastiska deformationerna i allmänhet små och redan vid liten töjning inträffar brott. Den totala töjning som materialet uppvisar fram till brott är ett mått på materialets tänjbarhet (motsats: sprödhet), och för stål anges den exakt i tekniska föreskrifter. Eftersom den fortsatta deformationen omedelbart före brott koncentreras till området kring den insnörda tvärsnittsytan, erhålls olika värden på töjningen vid brott beroende på om den större eller mindre delen av stången väljs som mätlängd, så att en viss bestämd konvention måste antas i förväg för att få entydiga och ömsesidigt jämförbara resultat. Töjning vid brott mäts vanligen genom att man på en rund stång med diameter d före försöket markerar mätlängden l = 10 d och beräknar töjningen vid brott ℇSl = ∆1/1 utifrån dess förlängning ∆l.
Om det är nödvändigt att prova stavar med annat tvärsnitt, bestäms mätlängden utifrån diametern hos den cirkulära cylindriska stång som har samma tvärsnittsarea.