Co to jest granica elastyczności?

Granica sprężystości materiału jest ważnym czynnikiem w inżynierii i projektowaniu w budownictwie cywilnym, mechanicznym i lotniczym. Granica sprężystości, określana również jako granica plastyczności, jest górną granicą naprężenia, które można przyłożyć do materiału przed jego trwałym odkształceniem. Limit ten jest mierzony w funtach na cal kwadratowy (psi) lub niutonach na metr kwadratowy, znany również jako paskal (Pa).

Granica sprężystości jest funkcją sprężystości materiału. Elastyczność to zdolność materiału do powrotu do pierwotnego kształtu lub wymiarów po usunięciu obciążenia lub naprężenia. Wszystkie materiały odkształcają się po przyłożeniu naprężenia lub obciążenia. Naprężenie jest miarą wielkości odkształcenia, które występuje, gdy materiał jest poddany naprężeniu.

Naprężenie sprężyste występuje, gdy materiał jest narażony na niskie naprężenia. Zniknie po usunięciu naprężenia, a materiał powróci do pierwotnego stanu. Naprężenia plastyczne wystąpią przy naprężeniach powyżej granicy sprężystości. Materiał, który ulega odkształceniu plastycznemu, nie zostanie w pełni odzyskany i powróci do swoich pierwotnych wymiarów po usunięciu naprężenia.

Tę właściwość można zilustrować na przykładzie sprężyny. Jeśli obciążnik zostanie zawieszony na jednym końcu sprężyny, a przeciwny koniec będzie zamocowany, wydłuży sprężynę. Jeśli zostanie nałożona niewielka masa, a następnie usunięta, sprężyna powróci do pierwotnej długości. Jeśli na sprężynę zostanie przyłożony zbyt duży ciężar, odkształci się on trwale i po usunięciu obciążenia nie powróci do pierwotnej długości. Sprężyna uległa odkształceniu plastycznemu, ponieważ naprężenie wywołane ciężarem przekroczyło granicę sprężystości.

Materiały mają mierzalną zależność między przyłożonym naprężeniem a wynikowym odkształceniem. Zależność tę można wykreślić na krzywej naprężenie-odkształcenie. Nachylenie krzywej naprężenie-odkształcenie pozostaje stałe w obszarze, w którym występuje odkształcenie sprężyste. Granica sprężystości to punkt, w którym przyłożone naprężenie powoduje początek trwałego odkształcenia, a nachylenie krzywej naprężenie-odkształcenie zmienia się.

Nie wszystkie materiały mają granicę elastyczności. Ciągliwość jest miarą wielkości trwałego odkształcenia przed całkowitym uszkodzeniem. Materiały plastyczne, takie jak stal i mosiądz, ulegną znacznej deformacji plastycznej, zanim dojdzie do ostatecznego uszkodzenia. Kruche materiały, takie jak szkło i beton, wykazują niewielkie odkształcenie plastyczne lub nie wykazują go wcale, a całkowite uszkodzenie często występuje natychmiast po osiągnięciu krytycznej wartości naprężenia. Z tego powodu kruche materiały zazwyczaj nie mają granicy plastyczności.