background image

ODKSZTAŁCENIE 

Materiały rzeczywiste są materiałami odkształcalnymi – pod wpływem sił lub innych czynników 
zewnętrznych ulegają odkształceniom (zmianie wymiarów i postaci). 
Rozróżniamy: 

odkształcenia sprężyste 

 

-  

ustępują po odciążeniu, 

odkształcenia plastyczne (trwałe)  -  pozostają. 

Materiały rzeczywiste zależnie od sposobu zachowania dzielimy na: 

materiały w stanie sprężysto-plastycznym 

materiały w stanie sprężysto-kruchym. 

Pod względem geometrycznym odkształcenia dzielimy na: 

liniowe   

 

– wydłużenie, skrócenie, wzajemne przesunięcie, 

kątowe (postaciowe)  – kąt obrotu, kąt skręcenia. 

 
O charakterze odkształceń przekonać się możemy badając zmianę jakiej dozna pod wpływem 
obciążenia wybrany odcinek AB lub kąt prosty CDE 

 
AB = l 

 

A’B’ = l + 

Średnie wydłużenie względne AB 

   

l

l

średnie

 

Graniczna wartość jest lokalną 
intensywnością zmiany wymiarów 
liniowych w bezpośrednim otoczeniu 
punktu A 

   

l

l

l

0

lim

 

i nosi nazwę wydłużenia względnego
Zależy ono nie tylko od obciążenia ale 
także od kierunku jego wyznaczania. 

Drugą niezależną od wydłużenia względnego miarą intensywności odkształcenia jest zmiana  
kąta prostego CDE. Jest nim kąt 

 zwany 

kątem odkształcenia postaciowego 

 

 

 

 

'

'

'

lim

0

,

0

E

D

C

CDE

DE

CD

 

Zbiór wydłużeń względnych 

x

y

z

 i 

odkształceń postaciowych 

 

w określonym punkcie ciała, 

we wszystkich możliwych kierunkach, nazywamy stanem odkształcenia w danym punkcie. 
 

ROZCIĄGANIE I ŚCISKANIE PRĘTA PROSTEGO O STAŁYM PRZEKROJU 

A. 

Warunki równowagi 

Na pręt działa siła P wywołująca w dowolnym 
normalnym przekroju siłę N=P. Siła normalna N jest 
wypadkową sił wewnętrznych (tu naprężeń 
normalnych 

 

 

 

A

dA

N

 

gdy 

 

nie zależy od obioru punktu A na przekroju  

tzn. 

 = const 

 

 

A

dA

N

A

N

 

P

P

A’ 

B’ 

l+

C’ 

E’ 

D’ 

90-

 

 

 

background image

B.  Warunki geometryczne 

Wydłużenie względne odcinka dx 

   

 

dx

du

 

– przemieszczenie przekroju A-A, 

u + du - przemieszczenie przekroju B 

– B 

W przypadku gdy 

 =const. mamy przypadek 

2

1

)

(

1

2

x

x

x

x

dx

u

dx

du

 

Jeżeli x

2

-x

1

=l  to  u=

 l=

 l   i   

l

l

 

Zmieniają się nie tylko wymiary wzdłużne lecz również wymiar poprzeczny pręta d. 
 

Zakładając, że materiał jest izotropowy to zmiany te są jednakowe we wszystkich kierunkach: 

 

 

d

d

d

z

y

'

 

odkształcenie poprzeczne  

’ = 

z

 

 

 

 

dla rozciągania d > d’  

zatem  

’ < 0 

 

C. 

Związki fizyczne – określają zależności między odkształceniami a naprężeniami. 

 

Związek ten nazywa się prawem Hooke’a – wydłużenie jest 
proporcjonalne do naprężenia które je spowodowało
. Jest ono 
słuszne dla naprężeń niższych od pewnej wartości granicznej. 

 
 E 

– moduł Younga (moduł sprężystości wzdłużnej). Charakteryzuje odkształcalność 

materiałów. Ma wymiar naprężenia czyli N/m

2

 = [Pa] lub [MPa] = 10

6

 Pa 

 

Graficznie zależność ta przedstawia się jako: 

 

   

gdzie   

E

tg

 

Pomiędzy 

 i 

’ istnieje związek: 

 

   

'

 

gdzie 

 - 

współczynnik (ułamek, liczba) Poissona,   

'

  

o < 

 < 0,5 

dla  

 

l

l

dx

EA

N

dx

l

EA

N

A

N

,

,

 

jeżeli   N = P = const, 

A = const, 

    E = const 

EA

Pl

l

   

EA 

– sztywność pręta rozciąganego (ściskanego)  

Warunek wytrzymałościowy na rozciąganie: 

 

r

k

A

P

 

 

1

n

n

k

nieb

r

 

E

1

 

x

dx 

x

 

 

 

nieb 

R

R

background image

Obliczenia wytrzymałościowe prętów na rozciąganie (ściskanie) 

Próba rozciągania pozwala na wyznaczenie naprężenia niebezpiecznego R

e

 lub R

m

W poprawnie zaprojektowanej konstrukcji max. naprężenie robocze (inaczej-dopuszczalne) 

 

   

dop

 < 

nieb

    

a  ściślej 

 

n

nieb

dop

 

n>1  -  

współczynnik bezpieczeństwa 

Podstawą obliczeń wytrzymałościowych jest równanie: 

 

   

A

N

   

gdzie: N 

– siła osiowa; 

 

   

 

 

 

 

– pole przekroju poprzecznego; 

 

   

 

 

 

 

 - 

naprężenie normalne 

i warunek     

  

  

  

dop

     

 

przy rozciąganiu   

dop

 = k

r

 

 

łącząc je otrzymamy   

r

k

A

N

 

warunek wytrzymałościowy na rozciąganie 

Zależnie od tego co jest w tym równaniu nieznane, mamy: 

a. 

obliczenia sprawdzające; 

b. 

wyznaczenie naprężenia dopuszczalnego; 

c. 

wyznaczenie wymiarów. 

 

Spiętrzenie naprężeń 
 
Powstają w prętach o zmiennym przekroju np.: 
 
a)    

 

 

 

b) 

 

 

 

      c) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

A

P

n

 

naprężenie nominalne 

 

n

k

max

 

współczynnik kształtu 

max 

 

P

 

max 

P

 

P

 

max 

P

 

P

 

P

 

max

 tym 

większe im 
większy kąt 

 

background image

PRZYPADKI STATYCZNIE NIEWYZNACZALNE PRZY ROZCIĄGANIU (ŚCISKANIU) 

- wtedy gdy siły osiowe w prętach nie mogą być wyznaczone z samych tylko równań równowagi. 
Brakujące równania uzyskuje się rozpatrując sprężyste odkształcenie układu. 

 

Przykład. Pręty 1 i 2 o jednakowej długości, 

różnych przekrojach i różnych E. 
Wyznaczyć: – siły wzdłużne N

1

,N

2

 

                    

– naprężenia 

1

2

 

 
A. Warunki równowagi 
 

0

2

1

N

N

P

   

- zadanie 1-krotnie statycznie niewyznaczalne 

B. Warunki geometryczne 

 

1

 = 

2 

 

warunek

 

nierozdzielczości przemieszczeń 

C. Warunki fizyczne 

 

   

2

2

2

2

1

1

1

1

;

A

E

l

N

A

E

l

N

 

prawo Hooke’a 

2

2

1

1

1

1

1

1

2

2

2

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

1

1

1

....;

;

A

E

A

E

E

P

A

N

N

A

E

A

E

A

E

P

N

N

P

N

i

A

E

N

A

E

N

 
Przykład  Pręt AB umocowano na dwóch nieprzesuwnych podporach i podgrzano o 30 K. 

Wyznaczyć naprężenia powstałe w pręcie. 

t

=1,2 10

-5

 1/K, E=2,1 10

5

 MPa, 

T=30 K 

 
 
 

A. Warunki równowagi 

 

 

R

A

 

– R

B

 = 0 

B. Warunki geometryczne  

 

 = 0 

C. Warunki fizyczne  

 

 

 = 

T  odkształcenie wywołane zmiana temperatury 

 

 

 

 

 

lub 

l= 

T l  

gdy wraz ze wzrostem temperatury pojawi się naprężenie  to: 

 

 

 

l

T

EA

Nl

l

T

E

t

t

lub

 

 

 

 

B

A

t

R

R

N

T

EA

Nl

;

0

 

 

 

MPa

TE

A

N

TEA

R

R

t

t

t

B

A

6

,

75

10

1

,

2

30

10

2

,

1

;

5

5

 

Przykład 

 

A. 

Warunek równowagi 

R

2

+R

1

-P=0 

B.  Warunek geometryczny 

l

1

=

+

C.  Warunki fizyczne 

EA

l

R

l

EA

l

P

l

1

1

;

5

,

0

 

A

 

R

R

l

 

B

 

P

 

R

R

l/2

 

l

 

l

 

l

 

l/2

 

N

N

P

 

P

 

l

 

 

background image

Doświadczalne podstawy określania własności mechanicznych 

 
Badania 

– podstawowe, znormalizowane np. próba rozciągania, 

- specjalistyczne 

– cel określenie zachowania się elementu pod obciążeniem  

np. tensometryczne, ultradzwiękowe, zmęczeniowe, udarowe, elastooptyczne 

Statyczna próba rozciągania metali (PN-EN 10002-1+AC 1).  
Norma określa sposób, warunki, kształt i wymiary próbek, definicje wyznaczanych wielkości. 
Przebieg próby rejestrowany jest w układzie F- 

l 

(siła - wydłużenie).  

Często przedstawia się go później w układzie 

 - 

 

(naprężenie - odkształcenie). 

 
Typowy wykres rozciągania dla stali 0,15%C (wyraźna granica plastyczności) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Podstawowe wielkości: 

0

A

F

R

H

H

 

[MPa] - 

granica proporcjonalności 

0

0

l

l

l

A

u

p

100% 

wydłużenie względne 

0

05

,

0

05

,

0

A

F

R

  [MPa] - 

granica sprężystości 

 

 

p 

– krotność próbki (5 lub 10) 

0

A

F

R

e

e

 

[MPa] - 

granica plastyczności 

 

%

100

0

0

A

A

A

Z

u

 

przewężenie 

0

A

F

R

m

m

 

[MPa] - 

wytrzymałość na rozciąganie 

l

A

l

F

E

 

moduł Younga 

u

u

u

A

F

R

 

[MPa] - 

naprężenie zerwania 

 

'

 

liczba Poissona 

R

R

R

R

0,05 

R

H

 

F

 

D

 

A

 

B

 

C

 

G

 

A

 

E

 

0

 

l

pl 

l

spr 

l

całk 

X=0,05%

 

l

 

 [%]

 

   

 

[MPa] 

F [N]

 

F

F

F

F

0,05 

F

u

u

u

A

F

R

A

F

R

0

 

background image

Wykres bez wyraźnej granicy plastyczności 

 

Wykres materiału sprężysto-kruchego 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Wykresy ściskania: 
 

a) 

materiał sprężysto-plastyczny 

 

b) 

materiał sprężysto-kruchy 

 

 
 
 
 
 
 

Wpływ na wykresy rozciągania: 
 
a) czasu- 

szybkości rozciągania   

 

b) temperatury 

 

 T  -  wzrost temperatury powoduje 

przesuwanie się zachowania materiału 
ze stanu kruchego w plastyczny 

 T  -  z plastycznego w kruchy 

 
 
 
 

 
 
 

Własności mechaniczne wybranych materiałów 
 

Materiał 

[MPa] 

 

R

e

 

[Mpa] 

R

m

 

[Mpa] 

A

5

 

[%] 

stal St 3 

żeliwo zwykłe 

miedź 

2,06 10

5

 

1,2 10

5

 

1,17 10

0,29 

0,23-0,27 

0,32-0,35 

235 

370-460 

120-200 

224 

25 

60 

 

F

0,2 

F

u

=F

l

 

R

l

 

=0,2% 

R

0,2 

F

0,2 

F

0,2 

F

u

 

F

m

 

V

V

1

 > V

V