Základní vlastnosti materiálů a jejich zkoušení


Zkoušení materiálů je v praxi nezbytnou součástí kontroly jakosti jak pro dodavatele i pro odběratele. Umožňuje nám poznat vlast. materiálů nutné pro jejich účelné využití v praxi.
Pro různé vlastnosti materiálů byla vyvinuta řada zkoušek, které lze podle povahy údajů o materiálech rozdělit do těchto hlavních skupin :
1.     Chemické zkoušky – stanovení složení materiálu - často bez porušení(polarografie, fotometrie, spektrální analýza, atd.).
2.     Fyzik.-chemické zkoušky – odolnost materiálu vůči různým agresivním prostředím
3.     Fyzikální zkoušky – stanovení základních fyzikálních konstant a vlastností tepelných, elektrických, magnetických, akustických, optických a dalších (např. - teplotní roztažnost, tepelná vodivost, měrná hmotnost, krystal. stavba kovů a poruchy krystal. mřížky, apod.).
4.     Metalografické zkoušky - hodnocení struktury – rozložení strukturních součástí (makro a mikro strukturní rozložení) tvořící slitinu pomocí optické a elektronové mikroskopie.
5.     Mechanické zkoušky – přímé posouzení užití různých materiálů v praxi. Stanovují pevnostní vlastnosti, tvrdost, plasticitu, houževnatost a další.
6.     Technologické zkoušky – ověřuje se schopnost a vhodnost materiálů k technologickému zpracování (obrobitelnost, svařitelnost, slévatelnost, opotřebení, atd).
7.     Defektoskopické (nedestruktivní) zkoušky – zjišťují se vady necelistvosti materiálu (vnitřní a povrchové vady), slouží k ověření způsobilosti materiálu k určenému účelu.

Zkoušení základních mechanických vlastností materiálů

Vlastnosti jsou takové stránky materiálních objektů, které člověk pozoruje a pomocí určitého experimentálního zařízení zkoumá z hlediska svých zájmů a potřeb. Mechanické vlastnosti materiálů vyjadřují schopnost materiálu odolávat mechanickému namáhání. Základní mechanické vlastnosti vyjadřují obecné požadavky na kvalitu materiálu. Jsou měřeny klasicky definovanými charakteristikami (určitým způsobem definovanými mírami kvantitativní i kvalitativní stránky dané vlastnosti), které se určují na konvenčně definovaných vzorcích jednotných velikostí a tvarů. Metody zjišťování základních mechanických vlastností jsou založeny na principu působení vnějších mechanických sil na zkušební těleso vyrobené ze zkoušeného materiálu. Cílem je stanovit číselnou hodnotu materiálové charakteristiky. Reakce zkoušeného materiálu na působení vnějších sil je dána vzájemným působením čtyř základních faktorů:
q  zatížením,
q  zkušebním tělesem,
q  materiálem zkušebního tělesa,
q  podmínkami zkoušky.

Zatížení je dáno definovanou vnější silou, která vyvolá v tělese stav napjatosti a působí na jednu nebo více ploch zkušebního tělesa.
Zkušební těleso představuje tuhé těleso definovaného tvaru a rozměrů, které je dohodnutým způsobem vyrobené ze zkoušeného materiálu.
Materiál zkušebního tělesa je definován chemickým složením a mikrostrukturou. Podmínky zkoušky jsou určeny teplotou zkoušky a dohodnutým zkušebním postupem vlastní zkoušky.

Rozdělení mechanických zkoušek
I.       Podle charakteru zatěžování     a) statické
b) dynamické
II.      Podle zjišťované vlastnosti či souborů vlastností
a) zkoušky pevnostních vlastností
b) zkoušky tvrdosti
c) zkoušky únavy…
III.     Podle druhu namáhání    a) zkoušky tahové
                                                b) zkoušky tlakové
                                                c) zkoušky ohybu…
IV.            Podle teploty a prostředí.

Statická zkouška tahem


Jednou z nejdůležitějších a nejfrekventovanější statických zkoušek v technické praxi je tahová zkouška. Při zkoušce je zkušební tyč zatěžována (kvazi)statickým jednoosým tahem; zkouška obvykle končí destrukcí zkušební tyče. Zkušební tělesa se zatěžují silou ve zkušebním stroji pomalu rostoucí silou až do přetržení.

Metodu zkoušky tahem kovových materiálů při teplotě okolí předepisuje ČSN EN 10002-1 (nahrazuje ČSN 42 0310 z r.1978).
V současné době je 15 platných ČSN, které předepisují různé metody tahových zkoušek.

Podstata zkoušky :
Zkouška spočívá v deformaci zkušební tyče jednoosým tahovým zatížením obvykle do přetržení pro stanovení jedné nebo více napěťových a deformačních charakteristik zavedených v normě. Obvykle se zkouší při okolní teplotě v rozmezí od 10°C do 35°C, pokud není stanoveno jinak, v arbitrážních případech při teplotách (23±5) oC. Rychlost zatěžování se pohybuje od 0,5 do 2,0 mm/min.

Zkušební tyče :
Tvar a rozměry zkušebních tyčí závisí na tvaru a rozměrech kovových výrobků, pro které jsou určovány mechanické vlastnosti. Zkušební tyč je obvykle připravena obráběním vzorku odebraného z výrobku; vzorky o stálém příčném průřezu (profily, dráty, tyče) mohou být podrobeny zkoušce bez obrobení. Příčný průřez zkušebních těles může být kruhový, čtvercový, obdélníkový, prstencový nebo jiného tvaru.


Zkušební tyče jsou dvojího druhu:

s  poměrné - pro jejichž počáteční měřenou délku L0 a počáteční průřez S0 platí vztah                   
  ,kde k je 5,65 a délka L0 > 20 mm. Jestliže příčný průřez zkušební tyče nesplňuje požadavky kladené na hodnoty k a L0, používá se větší hodnota k ; přednostně k = 11,3. Pro poměrné zkušební tyče je délka L0 zaokrouhlována na nejbližší násobek 5 mm za předpokladu, že rozdíl mezi vypočtenou a označenou délkou je menší než 10 % L0. Délka L0 musí být určena s přesností ±1 % a označena značkou nebo ryskou, která netvoří vrub, jenž by mohl vyvolat předčasný lom.
s  nepoměrné - jsou zkušební tyče, u nichž je délka L0 nezávislá na počátečním příčném průřezu.

Upnutí vzorků do stroje :
Zkušební tyče musí být do zkušebního stroje upnuty vhodným způsobem (pomocí klínů, závitových, osazených nebo hydraulických čelistí) tak, aby zatížení působilo pokud možno v ose zkušební tyče.
Provedení zkoušky :
Zkušební tyč je upnuta do čelistí trhacího stroje. Po spuštění elektromotoru je uveden do pohybu střední příčník. Zkušební tyč je tak zatěžována silou F [N], jejíž velikost je registrována pomocí zapisovacího zařízení v závislosti na prodloužení ∆L [mm] zkušební tyče. Zkouška tahem obvykle končí porušením zkušební tyče.
U mechanického zkušebního stroje je zátěžná síla F [N] měřena pomocí sklonné váhy (vychýlením závaží) a přes hřebenovou tyč s pastorkem je přenášena na ukazatel a pisátko registračního zařízení. Pohyb středního příčníku vyvolává prodloužení ∆L [mm] zkušební tyče a zároveň zajišťuje odvíjení registračního papíru.




Moderní elektronické zkušební stroje umožňují registrovat skutečné prodloužení zkušební tyče pomocí zařízení zvaného průtahoměr, který se pomocí měřicích břitů připevňuje na zkušební tyč. Prodlužování tyče je pomocí indukčního nebo tenzometrického snímače převedeno na elektrický signál, který je možno dále elektronicky zpracovávat. Současně je pomocí tenzometrické hlavy upevněné v horním příčníku zaznamenávána i velikost působící zátěžné síly.


Schéma zkušebního stroje :




Základní typy tahových diagramů :

Vynesením zátěžné síly F [N] a prodloužení zkušební tyče ∆L [mm] do grafu vznikne tahový diagram, v němž je nezávisle proměnnou ∆L a závisle proměnnou F.
Základní typy diagramů :



Moderní elektronické trhací stroje umožňují automatický průběžný přepočet zátěžné síly F na napětí R (podle vztahu   
 ) a prodloužení zkušební tyče ∆L na deformaci ε (podle vztahu        
 ). Tahové diagramy potom mohou být vynášeny v souřadnicích napětí R [N.mm-2] – deformace ε [-]. Počáteční plocha příčného průřezu zkušební tyče S0 [mm2] i počáteční měřená délka L0 [mm] jsou konstanty a proto tahové diagramy vynášené v souřadnicích R – ε jsou tvarově shodné s diagramy vynášenými v souřadném systému F - ∆L; na osách jsou však jiné charakteristiky s odpovídajícími měřítky a jednotkami.



Vyhodnocení základních charakteristik


Definice základních pojmů používaných při vyhodnocování napěťových a deformačních charakteristik :
Ø měřená délka L [mm] - délka válcové nebo prismatické části zkušební tyče, na které se měří prodloužení v každém okamžiku během zkoušky,
Ø počáteční měřená délka L0 [mm] – měřená délka před zatížením,
Ø konečná měřená délka Lu [mm] - měřená délka po přetržení zkušební tyče,
Ø prodloužení ∆L [mm] - přírůstek počáteční měřené délky( L0 ) v každém okamžiku zkoušky; ∆L = L - L0,
Ø prodloužení v % - prodloužení vyjádřené v % počáteční měřené délky ( L0 ); prodloužení v 
,
Ø poměrná deformace ε [ - ] - přírůstek počáteční měřené délky L0 v každém okamžiku během zkoušky vztažený na počáteční měřenou délku L0; 
,
Ø smluvní napětí R [N.mm-2] - poměr zátěžné síly F a počátečního průřezu zkušební tyče S0;     

Ø trvalé prodloužení v % - přírůstek počáteční měřené délky zkušební tyče po odlehčení příslušného napětí vyjádřené v % počáteční měřené délky (L0 ),
Ø největší zatížení (Fm) – největší zatížení, které je zaznamenáno v průběhu zkoušky po dosažení meze kluzu,
Ø napětí – poměr zatížení v okamžiku během zkoušky k ploše počátečního příčného průřezu (So) zkušební tyče,
Ø smluvní mez kluzu (Rp) – napětí při kterém plastická deformace dosáhne předepsané hodnoty vyjádřená v procentech počáteční měřené délky průtahoměru (Lc). Vyjadřuje se symbolem, který je doplněn indexem označujícím hodnotu plastické deformace v procentech, např.: Rp 0,2,
Ø Zkoušená délka Lc  [mm] - délka zúžené části zkušební tyče se stálou plochou příčného průřezu,

Napěťové charakteristiky :
Mez kluzu - napětí, při kterém se zkoušený materiál začíná plasticky deformovat. Charakter přechodu mezi elastickou a plastickou deformací je dán typem materiálu. Mohou se vyskytovat následující závislosti F – ∆L :
Horní mez kluzu
[N.mm-2] je napětí odpovídající prvnímu poklesu zatížení.
Dolní mez kluzu  
[N.mm-2] je nejnižší napětí v průběhu plastické eformace (bez uvažování přechodovéhojevu)




Smluvní mez kluzu       
 [N.mm-2] je napětí, při kterém plastické prodloužení zkušební tyče dosáhne předepsané hodnoty vyjádřené v % počáteční měřené délky L0. Symbol x v označení meze kluzu znamená násobek % počáteční měřené délky L0. Př.: Rp0,2 je napětí způsobující plastickou deformaci o velikosti






Pevnost v tahu je napětí odpovídající největšímu zatížení Fm.

Pevnost v tahu      
 [N.mm-2]




Modul pružnosti odráží tuhost vazeb mezi atomy a charakterizuje odolnost materiálu vůči elastické deformaci.

Lineární závislost mezi působícím napětím σ a elastickou deformací εel popisuje Hookeův zákon s = E . εel, kde konstantou úměrnosti je Youngův modul pružnosti v tahu E (E je měřítkem tuhosti a jeho převrácená hodnota je měřítkem poddajnosti v oblasti pružných deformací). Hodnotu E je možno určit ze sklonu počátečního přímkového úseku tahového diagramu.



Tažnost v % (A) - trvalé prodloužení měřené délky po přetržení (Lu - L0), vyjádřené v % počáteční měřené délky (L0),

Tažnost může být určena několika způsoby :
a) přímým zjištěním konečné měřené délky Lu po přetržení zkušební tyče a výpočtem podle uvedeného vztahu           

b) Z tahového diagramu odečtením prodloužení (Lu)pl zkušební tyče z počáteční měřené délky L0 na konečnou měřenou délku po přetržení Lu a výpočtem podle vztahu
                                                





Kontrakce v % (Z) – největší změna příčného průřezu po přetržení zkušební tyče    (So – Su) vyjádřená v procentech počátečního příčného průřezu (So)

,
Su [mm2] je nejmenší plocha příčného průřezu zkušební tyče po přetržení.

Příklad vyhodnocení zkoušek tahem :

Na obrázku je uveden záznam ze zkoušky tahem provedené na ploché zkušební tyči o příčných rozměrech a = 2mm, b = 20 mm a počáteční měřené délce zkušební tyče L0 = 80 mm. Po ukončení experimentu byla změřena konečná měřená délka zkušební tyče po přetržení Lu = 95,12 mm. Prodloužení zkušební tyče bylo měřeno průtahoměrem s měrnou délkou (vzdáleností mezi břity) 20 mm. Po dosažení plastického prodloužení přesahujícího velikost 0,2% L0 byl průtahoměr odpojen a další prodlužování zkušební tyče bylo odvozeno z pohybu příčníku. Do výpočtu E a Rp0,2 je tedy místo počáteční měřené délky zkušební tyče L0 = 80 mm použita měrná délka průtahoměru L0x=20 mm. U zkoumaného materiálu je možno určit modul pružnosti v tahu E, smluvní mez kluzu Rp0,2, mez pevnosti v tahu Rm a tažnost A80mm.









Zkouška tlakem


Používá se méně často (např. u ložiskových kovů, litiny, vrstvených tvrzených hmot, keramických látek, stavebních hmot apod.). U ocelí nebývá tato zkouška nutná, neboť hodnoty meze úměrnosti a meze kluzu v tahu i tlaku jsou přibližně stejné.
Zkušební tělesa mívají obvykle tvar válečku o ød=10 až 30 mm. Výška válečku h se při hrubých zkouškách rovná průměru d, při přesných měřeních volíme výšku h=(2.5 až 3)d. Zkušební tělesa z kamene, betonu, dřeva apod. mají tvar krychle.
Průběh tlakové deformace zkušebního válečku z houževnatého materiálu (měkké oceli) je na obrázku. V prvním údobí zkoušky je křivka napětí strmá, materiál odolává tlaku a tvoří se tzv. tlakové kužele. V druhém údobí hmota tělesa lehce klouže po kuželových plochách do stran, což se jeví v tlakovém diagramu menším vzrůstem napětí vzhledem k deformaci.





Pracovní diagram zkoušky tlakem měkké uhlíkové oceli

Jakmile se tlakové kužele k sobě přiblíží (třetí údobí), vzrůstá odpor proti stlačování a křivka stlačení má opět strmý průběh. Této třetí fáze obvykle u tlakových zkoušek nedosahujeme. U křehkého materiálu nastává rozdrcení (lom) bez plastické deformace.
Stejně jako u trhací zkoušky můžeme i u zkoušky tlakové sestrojit diagram εdd. 5) a stanovit:
  • pevnost v tlaku (mez pevnosti v tlaku) σPd,
  • prosté zkrácení (stlačeni) ld,
  • poměrné zkrácení (stlačení) εd,
  • poměrné zkrácení (stlačení) v procentech δd,
  • příčné rozšíření ψd.
Rozměry i definice těchto hodnot jsou stejné jako pro zkoušku tahem. Mez pevnosti v tlaku se uvádí jen pro křehké materiály, neboť u měkkých a tvárných kovů nelze určit okamžik porušení. Smluvní mez kluzu v tlaku σ0.2 určujeme obdobným způsobem jako u tahové zkoušky.

Zkouška ohybem

Tuto zkoušku používáme u materiálů křehkých, hlavně u litých materiálů, např. šedé litiny (ČSN 42 0361). U materiálů houževnatých k porušení zkušební tyče nedojde.
Schéma zkoušky:
Zkušební tyč je uložena na podpěrách a uprostřed tyče působí zatěžující síla. Napětí v průřezu je rozděleno nerovnoměrně, tj. od nulové hodnoty v neutrální ose roste do maxima v povrchových vláknech. Při postupně rostoucím zatížení odměřujeme průhyb tyče y až do okamžiku, kdy se tyč přelomí nebo se trvale prohne. Zjišťuje se pevnost v ohybu Rmo a průhyb tyče y až do okamžiku, kdy se tyč přelomí nebo se trvale prohne




Směrem k těžišti napětí ubývá, maximální napětí je v krajních vláknech, střednice (neutrální osa) – prochází těžištěm


Statická rovnováha:


Metoda řezu- průběh ohybového momentu:

MA=0
MC= F/2. LP/2= F.LP/4= /Mo/max
MB= F/2. LP – F. LP/2=0

Měřené veličiny:








Zkoušky rázem


Slouží k zjištění, kolik práce nebo energie se spotřebuje na porušení zkušební tyče. Zkouší se nejčastěji jedním rázem, kdy na porušení zkušební tyčky se použije najednou dostatečného množství energie. Méně často zkoušíme několika rázy, kdy se energie po sobě jdoucích rázů sčítá. Rázem lze zkoušet pevnost v tahu, tlaku, ohybu nebo krutu.

Zkouška rázem v ohybu podle Charpyho(vrubové houževnatosti) :
Je ze všech zkoušek nejpoužívanější a je velmi dobrým ukazatelem houževnatosti nebo křehkosti materiálů.
Metodu zkoušky rázem v ohybu podle Charpyho předepisuje ČSN EN 10045-1 (nahrazuje ČSN 42 0381 z r.1978).
Princip zkoušky :
Spočívá v přeražení zkušební tyče jedním rázem kyvadlového kladiva a v určení nárazové práce, která se přitom spotřebovala.
Zkouška se používá zejména u ocelí. Vzhledem k jejich většinou velké houževnatosti by se v některých případech zkušební tyč nepřerazila, ale pouze plasticky deformovala. Proto se tyče opatřují vrubem (U – vrub, V - vrub), v jehož kořenu dochází při úderu kladiva ke koncentraci napětí a vzniká oblast složité napjatosti, což usnadní nukleaci trhliny a vytvoří předpoklady pro křehké porušení.
Charpyho kladivo otočné kolem osy, se zdvihne a upevní v počáteční poloze. V nejnižší poloze kladiva se umístí ve stojanu kyvadlového kladiva zkušební tyč ze zkoušeného materiálu. Po uvolnění z počáteční polohy se kladivo pohybuje po kruhové dráze, narazí na zkušební tyč, přerazí ji a vykývne do konečné polohy. Tato poloha je nižší než poloha počáteční, protože na přeražení zkušební tyče se spotřebovala určitá práce.
Této práci říkáme spotřebovaná nárazová práce AR [J] a vypočítáme ji ze vztahu
AR=G(h1-h2).
Podíl spotřebované nárazové práce AR a původního nejmenšího průřezu v místě vrubu S0 nazýváme vrubová houževnatost R:  

Vrubovou houževnatost zjišťujeme zvláště u tepelně zpracovaných oceli, u svarů a u plastů určených k lisování, méně často u neželezných kovů.

Změřená nárazová práce K se označuje podle užitého vrubu buď KU, nebo KV.
                                         

KC – vrubová houževnatost (KCU nebo KCV), K – nárazová práce,    S0 – plocha průřezu tyče pod vrubem, g – zrychlení, m – hmotnost,    H,h – výšky


Zkouška rázem v ohybu - Charpyho kyvadlové kladivo




Žádné komentáře:

Okomentovat

Kinematika PRaM, základní typy

  Kinematika PRaM, základní typy PRaM dělení podle kinematiky  – podľa skladby hlavnýchôs TTT    -  základný typ kinematiky a využívá se při...