Mechanické vlastnosti a charakteristiky materiálů

Nejdůležitější mechanické vlastnosti pružnost – elasticita tvárnost – plasticita pevnost houževnatost

Nejdůležitější mechanické vlastnosti Pružnost je schopnost materiálu deformovat se před porušením pružně. Pružná deformace je vratná, při odlehčení se rozměry tělesa vrátí na původní hodnoty. Při pružné deformaci neplatí zákon zachování objemu. Plasticita je schopnost materiálu deformovat se před porušením plasticky. Plastická deformace je deformace nevratná, při odlehčení se rozměry tělesa nevrátí na původní hodnoty. Při plastické deformaci platí zákon zachování objemu.

Nejdůležitější mechanické vlastnosti Pevnost je odolnost materiálu proti trvalému porušení soudružnosti částic. Houževnatost je odolnost materiálu vůči vzniku deformace nebo porušení. Mírou houževnatosti je množství mechanické práce potřebné k vytvoření deformace nebo k porušení materiálu.

Hlavní faktory ovlivňující mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti jsou velmi výrazně ovlivněny mnoha interními a externími faktory. Mezi nejdůležitější patří: Interní faktory chemické složení a chemická heterogenita struktura a strukturní heterogenita velikost a tvar tělesa koncentrátory napětí (konstrukční a technologické vruby) stav povrchu Externí faktory: teplota rychlost deformace druh a časový průběh zatěžování okolní prostředí

Deformace Změna tvaru tělesa se nazývá deformace nebo-li přetvoření. Deformaci v podélném směru můžeme definovat (kvantifikovat) veličinou, která se nazývá poměrná deformace ε a je definována takto: Obdobně deformace v příčném směru je definována:

Poissonovo číslo materiál Poissonovo číslo Slitiny hliníku 0,33 Beton 0,20 Litiny 0,21-0,26 Sklo 0,24 Jíly 0,30-0,45 Měď Korek ca. 0,00 Hořčík 0,35 Nerezové oceli 0,30-0,31 Pryž 0,50 Oceli 0,27-0,30 Molitan 0,10 to 0,40 Titan 0,34 Písek 0,20-0,45 auxetics negative Poměr příčné a podélné deformace se nazývá Poissonovo číslo: Tabulka příkladů Poissonových poměrů pro různé materiály viz. materiály http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson's_ratio Více o materiálech se záporným Poissonovým poměrem viz. http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=168 Obvyklé hodnoty  pro: Kovy 0,25 ≤  ≤ 0,35 Keramiku  ≈ 0,25 Polymery  ≈ 0,4

Skutečná deformace Skutečná deformace je definována takto: Vztah mezi skutečnou a poměrnou deformací:

Napětí Vnitřní síly deformaci brání, a tím vzniká v tělese napětí. Smluvní napětí Skutečné napětí Vztah mezi skutečným a smluvním napětím:

Smykové a normálové napětí

Materiály s lineární závislostí σ - ε Pro tyto materiály platí Hookeův zákon: E…modul pružnosti v tahu neboli Youngův modul Pro ocel platí: E = 2,1 . 105 MPa Původní znění (Robert Hooke 1678): „Prodloužení tělesa je přímo úměrné působící síle.“

Materiály s lineární závislostí σ - ε Analogie Hookeova zákona pro smykové namáhání: ….. Smykové napětí G…. Modul pružnosti ve smyku (Coulombův modul) Pro ocel platí: G = 0,81 . 105 MPa ….. Poměrná smyková deformace Pro izotropní materiály platí:

Materiály s nelineární závislostí σ - ε Pro tyto materiály neplatí Hookeův zákon a vztah mezi napětím a elastickou deformací nelze jednoduše definovat. Toto chování je typické pro elastomery.

Mechanismus elastické deformace Při elastické deformaci se atomy v uzlových bodech mřížky vlivem působení vnějšího zatížení oddálí nebo přiblíží (parametr mřížky se zvětší nebo zmenší), aniž by došlo k jejich přesunu do jiného uzlového bodu. Po odlehčení se atomy vrátí do své původní rovnovážné polohy.

Celková a plastická deformace Překročí-li vnější zatížení určitou mez, vytvoří se v materiálu plastická, tj. trvalá deformace. Celková deformace pak sestává ze dvou složek: V okamžiku, kdy na těleso přestane působit vnější zatížení, elastická deformace vymizí, zatímco plastická deformace zůstane zachována.

Plastická deformace Základní mechanismy plastické deformace Skluz dislokací Dvojčatění

Skluz dislokací Nejčastější a nejznámější mechanismus plastické deformace, který se realizuje pohybem dislokací ve skluzových systémech. Skluz dislokací probíhá v určitých krystalografických rovinách a směrech, pro které platí: Směr skluzu je totožný s některým směrem, který je nejhustěji obsazený atomy. Skluz probíhá většinou v rovině nejhustěji obsazené atomy. Ze souboru skluzových systémů (rovina, směr) je aktivní ten skluzový systém, který je optimálně orientován vůči vnějšímu zatížení, to je ve kterém je maximální smykové napětí.

Kritické napětí Původní Frenkelova teorie Upřesněný vzorec Kritické napětí dle Taylora Vztah po úpravě

Pohyb hranové dislokace

Pohyb dislokací Po překročení kritického napětí F→ ←F Po překročení kritického napětí dochází k pohybu dislokací.

Pohyb šroubové dislokace Skluzová rovina

Nekonzervativní pohyb dislokací Difuzní šplhání hranové dislokace Příčný skluz šroubové dislokace Difuzní šplhání hranové dislokace: a) atomy opustí dislokační čáru a vytváří intersticiály, nebo zaplňují vakantní místa b) atomy se připojí k dislokační čáře za současného vzniku vakancí, nebo současného zániku intersticiálních atomů

Vznik dislokací v materiálech Frank-Readův zdroj (1) (2) (3) (4) (5) (6)

Frank-Readův zdroj

Interakce dislokací s překážkami Dislokace překonávající částice Orowanovým mechanismem.

Dvojčatění Druhý nejvýznamnější mechanismus plastické deformace, který se uplatňuje zvláště u kovů s mřížkou kubickou plošně středěnou a mřížkou hexagonální těsně uspo-řádanou. Jeho výskyt je podporován zejména vysokou rychlostí deformace a nízkou teplotou.

Dvojčatění Při dvojčatění se atomy v části krystalu přesunou o necelou meziatomovou vzdálenost, a to tak, že vznikne oblast mřížky souměrná podle roviny dvojčatění s neposunutou mřížkou. Přesun atomů při dvojčatění je výsledkem pohybu neúplných dislokací, na rozdíl od deformace kluzem, kde se jedná o pohyb úplných dislokací.

Skluz dislokací a dvojčatění skluz dvojčatění

Makroskopické projevy skluzu Skluzové pásy

Deformační zpevnění monokrystalu Zpevnění kovu s mřížkou FCC Zpevnění kovu s mřížkou BCC Zpevnění kovu s mřížkou HCP

Deformační zpevnění polykrystalu Průběh deformačního zpevnění u polykrystalů se liší od zpevňování monokrystalů, neboť se zde uplatňuje několik dalších mechanismů. Mezi nejdůležitější patří: Zpevnění hranicemi zrn Zpevnění substitučními atomy Zpevnění intersticiálními atomy Zpevnění precipitační

Zpevnění hranicemi zrn

Zpevnění hranicemi zrn Hallův-Petchův vztah: kde σ0 je třecí napětí potřebné pro pohyb dislokací (pro nízkolegovanou ocel σ0 = 40 MPa) ky je materiálová konstanta [N*mm-3/2] d je střední průměr zrna [mm]