Novinky

Odeslat stránku emailem

Zašlete tuto stránku svým přátelům, ať se na ní také podívají.

Pevnost a tuhost – jaký je mezi nimi rozdíl?

V každodenním životě se pevnost a tuhost obvykle vyskytují společně. Pokud si vezmeme například příbor, ocelová vidlička je jak pevnější, tak tužší než plastová.

Tužší znamená, že prohnout ocelovou vidličku vyžaduje v porovnání s plastovou vidličkou větší sílu. Pevnější znamená, že je potřeba větší síla k jejímu trvalému ohnutí nebo zlomení.

Protože se zpravidla setkáváme s tím, že vysokou pevnost doprovází vysoká tuhost, a malou pevnost malá tuhost, často v mysli spojujeme pevnost a tuhost dohromady. Ve skutečnosti se však jedná o dvě rozdílné vlastnosti. I když to většina techniků ví, duševní návyk spojovat tyto dvě vlastnosti dohromady se velmi těžko překonává. Toto zmatení pojmů může vést k závažným konstrukčním chybám.

Mez kluzu materiálu je velikost napětí (síly na jednotkovou plochu) potřebná k jeho trvalé deformaci. Dokud napětí zůstává pod mezí kluzu, vrátí se materiál po odstranění napětí do svého původního tvaru. Pokud však napětí mez kluzu překročí, materiál už se do svého původního tvaru nevrátí. Pokud se bude napětí dále zvyšovat, materiál nakonec dospěje k bodu zlomu, který se označuje jako mez pevnosti.

U kovů jsou mez kluzu a mez pevnosti vlastnosti, které je možné měnit, a to buď tepelným zušlechtěním, nebo tvářením za studena. Vezměme si například běžně používanou třídu oceli, ČSN 15 142, což je chrommolybdenová ocel s 0,45 % uhlíku. V popouštěném stavu může mít tato ocel mez kluzu pouhých 410 MPa. Pokud je kalená a temperovaná, může mít mez kluzu až 1720 MPa. To znamená, že v závislosti na tepelném zušlechtění se může mez kluzu u této třídy oceli lišit více než čtyřnásobně. Také to znamená, že pouhá specifikace třídy oceli – bez specifikace tepelného zušlechtění – neříká téměř nic o pevnosti.

Tuhost závisí jak na materiálu, tak na geometrii. Tuhost materiálu závisí na vlastnosti označované jako modul pružnosti. Tato vlastnost popisuje vztah mezi napětím a deformací (prodloužení na jednotkovou délku). Na rozdíl od pevnosti je tato vlastnost u daného materiálu prakticky neměnná. Modul pružnosti oceli ČSN 15 142 i téměř všech ostatních druhů oceli je přibližně 200 GPa, bez ohledu na tepelné zušlechtění nebo tváření za studena.

Abychom pochopili konstrukční chyby, které mohou být způsobeny záměnou těchto dvou vlastností, podívejme se na jednoduchý příklad: pružinu, která se musí při působení dané zátěže stlačit na danou výšku. Předpokládejme, že se pružina při působení zátěže stlačí příliš. Vyřeší tento problém tepelné zušlechtění pružiny na vyšší pevnost? Ne, protože modul pružnosti zůstane stejný. Problém by mohlo vyřešit použití jiného materiálu s vyšším modulem pružnosti. Také by ho mohlo vyřešit vytvoření pružiny z drátu o větším průměru.

Na druhou stranu zvažme jiný problém. Tentokrát předpokládejme, že se pružina při působení zátěže stlačí na správnou výšku, ale při odstranění zátěže se už nevrátí na svou původní výšku. V tomto případě by bylo možným řešením zvýšit mez kluzu pružiny tepelným zušlechtěním.

Pochopení rozdílu mezi pevností a tuhostí je zásadní i při snižování hmotnosti součástek. Předpokládejme například, že z analýzy napětí u ocelového dílu vyplývá, že maximální napětí je hluboko pod mezí kluzu oceli. Na základě maximálního napětí by konstruktér mohl dojít k závěru, že je díl možné vyrobit z hliníku, aby se ušetřila hmotnost. Je však důležité si uvědomit, že modul pružnosti hliníku je oproti oceli zhruba třetinový. To znamená, že při stejném napětí dojde k trojnásobnému ohnutí dílu. Proto je při navrhování náhrady ocelového dílu z hliníku často potřeba navrhnout novou geometrii dílu, aby se zabránilo nadměrnému ohýbání.

Koncepty, které jsem zde popsal, jsou naprosto základní a měly by být dobře známé každému, kdo absolvoval úvodní přednášky nauky o pružnosti a pevnosti. Už jsem ale viděl udělat tyto chyby hodně inženýrů, kteří by z toho mohli mít rozum.

Není to nezbytně hloupostí, neznalostí nebo tím, že ve škole nedávali pozor. Je to spíš důsledek toho, jak pracuje lidský mozek. Jak prohlásil kanadský psycholog Donald Hebb, spojení mezi současně aktivovanými neurony se posiluje. Když jsou dvě věci často pozorovány společně (tak jako pevnost a tuhost), spojí si je náš mozek dohromady. Tento fenomén je mimořádně užitečný v procesu učení. Občas ale také může vést k tomu, že nás náš mozek obelstí.

Nejlepším způsobem, jak se nenechat obelstít, je si tuto tendenci uvědomovat. Mnoha konstrukčních chyb se můžeme vyvarovat tím, že si položíme jednoduchou otázku: „Jde o problém pevnosti, nebo o problém tuhosti?"

zdroj: www.designnews.com

PŘEMÝŠLEJTE JAKO KONSTRUKTÉR

NEJVĚTŠÍ MÝTY O NEREZOVÉ OCELI