Zkoušení mechanických vlastností Email: mhorakova@pf.jcu.cz Tel: 387 77 3057 MTDII

Rozdělení mechanických zkoušek Podle časového průběhu zatěžující síly: Statické – zatížení se zvětšuje pozvolně Dynamické - zatížení působí náhle nebo proměnlivě Podle účinku zatížení na zkušební těleso: Destruktivní Nedestruktivní Při zkouškách tvrdosti může být užito statického i dynamického zatížení a proto jsou zpravidla popisovány jako zvláštní druh zkoušek. MTDII

Rozdělení mechanických zkoušek Protože strojírenské součásti mohou být při provozu vystaveny různým teplotám, provádějí se mechanické zkoušky materiálu za normálních teplot, tj. při teplotě 20 °C za zvýšených teplot za nízkých teplot. MTDII

Mechanické zkoušky statické Určuje se chování materiálu při působení stálých nebo plynule rostoucích sil. Zkušební těleso se zatěžuje zpravidla pouze jednou až do porušení. Při statických mechanických zkouškách je sledována zejména pevnost materiálu. Protože strojírenské součásti mohou být při provozu namáhány různě orientovaným zatížením, provádějí se statické mechanické zkoušky tahem, tlakem, ohybem, střihem a krutem. Pro každý druh zkoušky norma předepisuje tvar, rozměry, jakost povrchu a způsob zhotovení zkušebního vzorku, aby bylo dosaženo objektivity a jednoznačnosti výsledku zkoušek. MTDII

Zkouška pevnosti v tahu Tato zkouška má ze všech statických mechanických zkoušek největší význam a je pokládána za základní zkoušku každého materiálu. Princip: porušení zkušební tyče s cílem zjistit napěťové a deformační charakteristiky zkoušeného materiálu Zkouškou zjistíme čtyři normované vlastnosti: MEZ PEVNOSTI Rm MEZ KLUZU Re TAŽNOST A KONTRAKCE Z MTDII

Zkouška tahem – zkušební vzorky Zkušební těleso TYČ: a) kruhový průřez b) čtyřhranný průřez dlouhé L0 = 10d krátké L0 = 5d Průměr válcové tyče se volí podle velikosti síly, kterou je schopen trhací stroj vyvodit. Nejčastěji bývá průměr vzorků 20 nebo 10 mm. U plochých tyčí je měřená délka odvozena z válcové tyče stejného průřezu a vypočte se podle vzorce u dlouhých tyčí u krátkých tyčí L0 – výchozí délka zkušební tyče d0 – výchozí průměr válcové zkušební tyče MTDII

Zkouška tahem – princip, stroj F Tyče se upínají mezi čelisti zkušebního, tak zvaného trhacího, stroje. Zkušební vzorky jsou zatíženy dvěma stejně velkými silami (F), působícími tahem v podélné ose vzorku. Zatěžující síla se vyvozuje většinou hydraulicky, u menších strojů také mechanicky (například pomocí šroubu a matice). Stroj je vybaven ukazatelem zatěžující síly a zařízením pro grafický záznam síly a deformace. Mechanický trhací stroj s ručním ovládáním: 1 – indukční snímač sily, 2 – indukční průtahoměr, A – vzorek, B – příčník, C – ovládání, V – vřeteno, P – převodovka, M – motor MTDII 7

Zkouška tahem – co měříme a počítáme Změření délky L0 a průměru d0 tyče před zatížením. Změření délky L a průměru d tyče po provedení zkoušky. !! Po zatížení v závislosti na charakteru mat. dochází k prodloužení tyče a zúžení (zvětšení L oproti L0 a zmenšení d oproti d0)!! MTDII 8

Zkouška tahem – co měříme a počítáme Prodloužení tyče: ΔL = L – L0 Poměrné prodloužení: ε = ΔL/ L0 Smluvní napětí: σ = F/S0 [Mpa] σ = E . e E = tga U smluvního napětí neuvažujeme změnu průřezu, která nastane během působení skutečného napětí při zkoušce! Pro určení skutečného napětí v libovolném okamžiku zkoušky by bylo třeba znát skutečnou plochu průřezu v tomto okamžiku. Tyč se totiž se zatěžováním nejen prodlužuje, ale také zužuje, její průřez se z původní hodnoty S0 zmenšuje. Zpočátku probíhá zúžení rovnoměrně v celé délce tyče. Později se v některém místě začne tyč zužovat výrazněji, než jinde. Tvoří se tak zvaná šíje, ve které později dojde k prasknutí tyče. Označíme-li velikost plochy průřezu v daném okamžiku S, je skutečné napětí dáno vztahem HOOKŮV ZÁKON – v oblasti pružné deformace je napětí v tyči přímo úměrné její deformaci MTDII 9

Zkouška tahem – co měříme a počítáme TAŽNOST – poměrné trvalé prodloužení po přetržení tyče vyjádřené v % původní délky. Charakterizuje tvárnost materiálu. A = L - L0 . 100 [%] L0 KONTRAKCE – poměrné trvalé zúžení. Je to celková změna průřezu v místě přetržení. Z = S - S0 . 100 [%] S0 MTDII 10

Zkouška tahem – pracovní diagramy Zapisovací zařízení na trhacím stroji zaznamenává PRACOVNÍ DIAGRAMY – závislost síly F na prodloužení tyče DL nebo závislost napětí σ a poměrného prodloužení ε. U K  E U E K P  F, l, L P P   A E MTDII 11

Zkouška tahem – co určujeme (z diagramu) MEZ ÚMĚRNOSTI V TAHU σU – největší smluvní napětí, při kterém je deformace úměrná napětí (platí Hookův zákon). MEZ PRUŽNOSTI σE – smluvní napětí, do kterého vznikají jen pružné deformace. Těžko zjistitelná. SMLUVNÍ MEZ PRUŽNOSTI = napětí, které po odlehčení zanechá trvalou deformaci 0,2% L0. MEZ KLUZU σK – smluvní napětí, při jehož dosažení probíhají po určitou dobu deformace, aniž je nutno zvyšovat zatížení. U ocelí se z něj určuje dovolené napětí v tahu. MEZ PEVNOSTI σP – největší smluvní napětí, které materiál ještě vydrží bez porušení. U K  E U E K P  F, l, L P P   A E MTDII 12

Zkouška tahem – rozdíl mezi skutečným a smluvním napětím Smluvní napětí  i poměrné prodloužení  jsou přímo úměrné zatěžující síle F a prostému prodloužení l. Proto je možno v příslušném měřítku z diagramu zakresleného trhacím strojem odečítat i poměrné hodnoty. Protože diagram neurčuje průběh skutečného napětí, ale pouze napětí smluvního, nazývá se diagramem smluvním. Srovnání průběhu skutečného a smluvního napětí během zkoušky je naznačeno na obrázku. Tím je také vysvětlena skutečnost, proč zdánlivě zkoušený vzorek praská při menším napětí než je napětí příslušející vrcholu smluvního diagramu -. P    P´ sk MTDII 13

Zkouška tahem – typy diagramů Tvrdší oceli nemají zřetelnou ani mez kluzu. Proto se u nich udává smluvní mez kluzu. Je definována (podobně jako smluvní mez pružnosti) jako napětí, které vyvodí trvalé prodloužení zkušební tyče rovné 0,2 % měřené délky l0 (obrázek). Je označována 0,2. Tvrdé a křehké kovy, jako například pevné druhy ocelí nebo litina, vykazují při tahové zkoušce velmi malé celkové prodloužení. http://www.youtube.com/watch?v=cADYlfHjCrU http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=D23hzv-3Tf0&NR=1 MTDII 14

Zkouška pevnosti v tlaku Zkouška pevnosti v tlaku je obdobou tahové zkoušky. Zkušební vzorky jsou zatíženy dvěma stejně velkými silami (F), působícími tlakem v podélné ose vzorku. Zkušební vzorek z kovových materiálů má tvar válečku o průměru 10 až 30 mm. Jeho výška h je při hrubém měření h = d, při přesném měření h = (2,5 až 3).d. Zkušební vzorky ze dřeva, kamene či betonu mají z důvodu snadnějšího zhotovení tvar krychle. MTDII 15

Zkouška tlakem – co měříme a počítáme Prosté zkrácení: Poměrné zkrácení: Poměrné zkrácení v %: Poměrné rozšíření: MTDII 16

Srovnání diagramu zkoušky tahem a tlakem U měkčích a houževnatějších materiálů je diagram zkoušky tlakem přibližně souměrný podle počátku k diagramu tahové zkoušky, nedochází zde ovšem ke vzniku „šíje“ a tudíž poklesu smluvního napětí. Zkouška u těchto materiálů nemá ukončení, protože vzorky se stále stlačují, aniž dojde k jejich porušení. Protože mezní napětí v tlaku jsou u těchto materiálů prakticky shodná s mezními napětími v tahu, tlakovou zkoušku není třeba provádět. t t d d tah tlak Křehké materiály, jako například litina, vykazují pevnost v tlaku výrazně vyšší než pevnost v tahu (u litiny je Pd = 3 až 5Pt). Pak je ovšem nutno provádět obě zkoušky. Při dosažení meze pevnosti dojde u křehkých materiálů k rozdrcení vzorku. MTDII 17

Zkouška ohybem Zkušebním vzorkem je tyč zpravidla válcového tvaru (kruhového průřezu). Při zkoušce je položena na dvou podpěrách a uprostřed zatěžována. Zjišťuje se pevnost v ohybu a poměrný průhyb v okamžiku porušení vzorku. F l l F y MTDII 18

Zkouška ohybem Pevnost v ohybu [Mpa]: MOmax = maximální ohybový moment [N.mm]: Fmax = maximální zatěžující síla v okamžiku porušení [N] WOmax = modul průřezu v ohybu (kruhový průřez): Poměrný průhyb  = z celkového průhybu y podle vztahu Zkouška ohybem se zpravidla provádí pouze u křehkých materiálů, u kterých dojde k porušení. Houževnaté materiály se při sebevětší deformaci neporuší, takže zkouška by neměla ukončení. V případech, kdy se přesto zkouška provádí, je nutno stanovit limitní deformaci a pro ni určit napětí a poměrný průhyb. MTDII 19

Zkouška střihem Zkouška střihem se provádí pouze výjimečně, zpravidla jen u materiálů určených pro výrobu šroubů, nýtů, kolíků, klínů a jiných strojních součástí, které jsou během provozu namáhány tangenciálním napětím. Vzorek je vložen do zkušebního zařízení tak, aby se jeho namáhání v maximální možné míře blížilo namáhání prostým smykem. Ve skutečnosti však vždy dochází k přídavnému ohybovému namáhání, takže vzniká střih. Při způsobu zkoušení naznačenému v obrázku působí síla F na dva kruhové průřezy vzorku (vyznačeny čárkovaně). Mez pevnosti ve smyku FPs je zatěžující síla v okamžiku porušení zkušebního vzorku a d je průměr válcového vzorku MTDII 20

Zkouška krutem Účelem této zkoušky je zjištění pevnosti materiálu při jeho namáhání kroucením, což je velmi častý případ u součástí přenášejících rotační pohyb (hřídelů). Vzorkem je tyč kruhového průřezu jedním koncem nehybně upnutá a na druhém konci zatížená zvětšujícím se kroutícím momentem. MK l MTDII

Zkouška krutem Mez pevnosti v krutu: Mk max je kroutící moment v okamžiku porušení pevnosti vzorku Wk je modul průřezu v krutu, který se pro kruhový průřez určí ze vztahu Kromě meze pevnosti se při zkoušce může zjišťovat také dosažitelná deformace. Určuje se jako tak zvané poměrné zkroucení podle vzorce kde  je úhel, o který byl působením kroutícího momentu pootočen koncový průřez zkušebního vzorku oproti průřezu protilehlému. MTDII

Mechanické dynamické zkoušky Strojní součásti jsou během svého provozu velmi často zatěžovány náhle nebo proměnlivě působícími silami. V takových případech dochází k porušení materiálu při napětích výrazně nižších, než odpovídá mezím pevnosti zjištěným při zatížení statickém. Proto je nutno provádět zkoušky, jejichž průběh se přibližuje průběhu takových skutečných namáhání. RÁZOVÉ NAMÁHÁNÍ = působení sil náhlé CYKLICKÉ NAMÁHÁNÍ = působení sil proměnlivé Přirozeně může existovat i namáhání kombinované z obou jmenovaných. Všechny popisované případy jsou nazývány dynamickým namáháním. MTDII

Zkoušky rázem Těmito zkouškami je zjišťována houževnatost materiálu při náhlém zatížení. Zkoušky tahem, tlakem, smykem či krutem, nejvhodnější a proto nejčastější jsou rázové zkoušky ohybem. Dvě metody: podle Charpyho, kdy je vzorek při zkoušce položen na dvě podpěry, podle Izoda, kdy je vzorek uchycen ze jeden konec (letmo). MTDII

Zkouška rázem dle Charpyho Zkušebním zařízením je tzv. Charpyho kladivo, kyvadlo se zúženou funkční hranou - břitem. Zkušebním vzorkem je tyč normalizovaných rozměrů. Na začátku zkoušky je kladivo umístěno do jeho horní polohy (A). Na podpěry se položí zkušební vzorek a kladivo se uvolní. Polohová energie kladiva se mění v kinetickou. V nejnižším místě své dráhy kladivo udeří do vzorku. Část kinetické energie se spotřebuje na deformaci vzorku. Kladivo překývne do polohy B. Rozdíl polohových energií kladiva v místech A a B představuje práci potřebnou na přeražení vzorku. MTDII

Zkouška rázem dle Charpyho Vzorky z houževnatých materiálů (oceli), které by při jednoduchém tvaru nepraskly, se opatřují vrubem (naznačeno v obrázku). Vzdálenost podpěr je 40 mm. Pro křehké materiály se užívá jednoduchých tyčí. MTDII

Zkouška rázem dle Charpyho Měřítkem houževnatosti materiálu je deformační práce přepočtená na jednotku plochy průřezu v místě nárazu kladiva. U houževnatých materiálů zkoušených pomocí vzorků opatřených vrubem platí pro tzv. vrubovou houževnatost kde R (J.m-2) je vrubová houževnatost, S0 (m2) je plocha průřezu vzorku v místě vrubu, A (J) je deformační práce, která se určí ze vztahu kde G (N) je tíha kladiva a h (m) je výškový rozdíl počáteční a konečné polohy kladiva. U křehkých materiálů probíhá zkouška obdobně. Vzorek však nemá vrub a proto se do vzorce pro výpočet tzv. rázové houževnatosti dosazuje plocha plného průřezu tyče. MTDII

Únavové zkoušky – opakovaným namáháním Při opakovaném namáhání kovových materiálů často dochází k  porušení jejich soudržnosti, přestože napětí v nich vyvozené nedosáhlo statické meze pevnosti (například oddělení části drátu od většího celku jeho opakovaným lámáním v ruce). Tento jev je nazýván únavou materiálu. MTDII

Únavové zkoušky – opakovaným namáháním Podle charakteru vznikajícího napětí může být cyklické namáhání pulzující míjivé střídavé - nesouměrné - souměrné pulzující míjivé střídavé nesouměrné souměrné - () + () čas Proměnlivé namáhání, kterému jsou vystaveny součásti v praxi, nemusí mít pravidelný průběh (například namáhání pružin podvozku automobilu se mění v závislosti na nerovnostech vozovky). Při zkoušce je však modelování skutečného proměnlivého zatížení obtížné a proto se užívá průběhu pravidelného - cyklického. MTDII

Únavové zkoušky – opakovaným namáháním Podle působení namáhání mohou zkoušky probíhat cyklickým tahem - tlakem, ohybem a krutem. Nejobvyklejší je zkouška souměrným střídavým ohybem. tento způsob zatížení je pro materiál nejnebezpečnější tímto způsobem jsou namáhána vlákna materiálu důležitých a často užívaných strojních součástí přenášejících rotační pohyb hřídelů realizace zkoušky cyklickým ohybem je snadnější a rychlejší než realizace zkoušky jiným způsobem. MTDII

Únavové zkoušky – opakovaným namáháním Vzorkem je tyč kruhového průřezu a normalizovaných rozměrů. Při zkoušce se vzorek, uložený svými konci v ložiskách, otáčí. Uprostřed je zatížen nastavitelnou silou (F). Je-li sledované vlákno tyče právě v místě 1, vzniká v něm maximální tahové napětí (t max). Při průchodu místem 2 se nalézá v neutrální vrstvě vláken a tudíž není vůbec zatíženo (  = 0). Je-li právě v místě 3, vzniká v něm maximální tlakové napětí (d max). Při průchodu místem 4 se opět nalézá v neutrální vrstvě vláken (  = 0). Průběh namáhání každého vlákna je střídavý souměrný - sinusoida. Zkouška se provádí s velkým počtem vzorků, každý z nich je zatížen jinou silou. Zaznamenává se, kolika zatěžovacím cyklům byl který vzorek vystaven do prasknutí. F l l/2 1 2 3 4 d t 1 2 4 3 úhel pootočení MTDII

Únavové zkoušky – opakovaným namáháním σc – mez únavy – nejvyšší napětí, které materiál vydrží, při nekonečném poctu cyklu aniž dojde k porušení. σn - časová mez únavy – napětí, které mat. vydrží po určitý počet cyklů n. Z diagramů je zřejmé, že při zatížení, které ve vzorku vyvolá napětí na mezi pevnosti v ohybu, dojde k porušení soudržnosti hned při první otáčce tyče. Se snižováním zatížení se počet cyklů do porušení soudržnosti materiálu zvyšuje. Při určitém napětí přechází křivka v levém diagramu do vodorovné přímky, šikmá úsečka v pravém diagramu se lomí. Toto největší napětí, při kterém by vzorek teoreticky vydržel nekonečně mnoho cyklů, se nazývá mez únavy. Označuje se C. Oceli se zkouší do asi 107 cyklů, některé neželezné kovy (například hliník a jeho slitiny) je nutno zkoušet déle (108 cyklů i více). Velikost meze únavy závisí na vlastnostech materiálu, ale také na tvaru a jakosti jeho povrchu. Každá povrchová nerovnost mez únavy podstatně snižuje. MTDII

Mechanické zkoušky za teplot odlišných od okolí Součásti strojních zařízení jsou při svém provozu často vystaveny teplotám odlišným od teploty okolí (tak zvané běžné nebo normální teploty). Proto je nutno ověřit, do jaké míry teplota ovlivňuje mechanické vlastnosti. Za tímto účelem jsou prováděny zkoušky mechanických vlastností za vyšších teplot a zkoušky mechanických vlastností za nízkých teplot. MTDII

Zkoušky mechanických vlastností za vyšších teplot Pro konstrukci i technologii je třeba znát, jaké vlastnosti má materiál za vyšších než obvyklých teplot. Zkoušky mechanických vlastností za zvýšených teplot jsou dvojího druhu: krátkodobé, při kterých se zpravidla zjišťují vlastnosti materiálu za účelem posouzení jeho vhodnosti k technologickým operacím, zejména ke tváření dlouhodobé, při kterých se zjišťují vlastnosti materiálu za účelem posouzení jeho vhodnosti k použití do zařízení pracujících při zvýšených teplotách. MTDII

Krátkodobé zkoušky za vyšších teplot Provedení krátkodobých zkoušek za vyšších teplot je v podstatě shodné s metodami užívanými při zkouškách za teplot běžných. Nejčastěji se provádí zkouška tahem, někdy zkouška vrubové houževnatosti a zkouška tvrdosti. Na obrázku je naznačena závislost meze pevnosti (Pt), meze kluzu (Kt) a tažnosti () uhlíkové oceli na teplotě. Z diagramu je zřejmé, že uhlíková ocel dosahuje své největší pevnosti mezi 200 a 300 °C. Při téže teplotě má nejmenší tažnost, tedy i vhodnost pro tváření. Mez kluzu se s teplotou snižuje plynule. MTDII

Dlouhodobé zkoušky za vyšších teplot Při dlouhodobém zatížení za vyšších teplot je chování kovů jiné. Deformace se s časem zvětšuje i při neměnném zatížení. Tento jev se nazývá tečení materiálu (anglicky creep) Dlouhodobými zkouškami za vyšších teplot je zjišťována závislost rychlosti deformace vzorku na jeho zatížení. Zpravidla je prováděna zkouška tahem, obdobná tahové zkoušce za běžných teplot. Zkušební vzorek (tyč) je však při zkoušce natahován uvnitř zvláštní elektrické odporové pece, vybavené zařízením pro přesnou regulaci teploty. Zatěžující síla se zvyšuje stejně jako u zkoušky za běžných teplot až na předem určenou velikost, pak zůstává stálá. V pravidelných časových intervalech se zaznamenává celkové prodloužení vzorku až do porušení jeho soudržnosti. Ze záznamu se pak vytvoří diagram závislosti celkového prodloužení na čase (v obrázku).  A B C D celkové prodloužení čas O Z popisu tahové zkoušky za běžných teplot je zřejmé, že k dosažení větší deformace () vzorku (s výjimkou krátké oblasti těsně za mezí kluzu a oblasti za smluvní mezí pevnosti) je nutno zvýšit napětí (). Pokud během zkoušky přestaneme zatížení zvětšovat, nebude deformace pokračovat a vzorek si udrží své aktuální rozměry. Při dlouhodobém zatížení za vyšších teplot je chování kovů jiné. Deformace se s časem zvětšuje i při neměnném zatížení. Tento jev se nazývá tečení materiálu (anglicky creep). Průběh tečení materiálu potřebuje znát konstruktér, navrhující zařízení, které během provozu bude vystaveno vyšším teplotám. Návrh konstrukce musí vycházet z požadavku, aby za předpokládanou dobu provozu deformace součástí nezpůsobila nefunkčnost nebo dokonce havárii zařízení. MTDII

Dlouhodobé zkoušky za vyšších teplot Diagram je možno rozdělit do čtyř charakteristických částí. První část diagramu od počátku záznamu O do bodu A odpovídá počátečnímu protažení jako při zkoušce za běžných teplot. Ve druhé části zkoušky od A do B se rychlost deformace (tj. prodloužení za jednotku času) zmenšuje, probíhá tzv. primární tečení. URČUJEME Mez tečení v tahu Tt  A B C D celkové prodloužení čas O Ze zkoušky se vyhodnocuje mez tečení v tahu, označovaná Tt. Je definována jako napětí, které při dané teplotě vyvodí za určenou dobu stanovenou deformaci. Tato přípustná deformace závisí na povaze konstruovaného zařízení a jeho žádané životnosti. Například předpokládaná životnost žárových trubek parních kotlů je 2.105 hodin, životnost součástí letecké spalovací turbiny pouze 103 hodin. Konstruktér určí, k jak velké celkové deformaci dané součásti smí za tuto dobu dojít bez nebezpečí provozní závady. Součást dimenzuje podle meze tečení příslušející dané provozní teplotě a celkové přípustné deformaci. Nejdelší je třetí část od B do C, tzv. sekundární tečení, ve které je rychlost tečení konstantní, deformace roste s časem lineárně. Po dosažení bodu C se začne rychlost tečení prudce zvyšovat, probíhá terciární tečení. V bodě D dochází k lomu (porušení soudržnosti vzorku). MTDII

Zkoušky mechanických vlastností za nízkých teplot Při snižování teploty pod teploty běžné se u ocelí zvyšuje mez pevnosti a mez kluzu, ale snižuje se tažnost a vrubová houževnatost. Proto je nutno pro dimenzování součástí pracujících při snížených teplotách (například součásti chladicích zařízení, kompresorů, letadel, pláště raket) zjistit mechanické vlastnosti materiálů těmto teplotám příslušející. MTDII

Zkoušky mechanických vlastností za nízkých teplot Zpravidla se při nízkých teplotách provádí tahová zkouška a zkouška vrubové houževnatosti. Metodika zkoušek je shodná s postupy prováděnými za běžných teplot. Zkušební přístroj je doplněn o chladicí zařízení, které musí umožnit rovnoměrné ochlazení zkušebního vzorku na předepsanou teplotu a udržení této teploty během zkoušky. Obvyklými chladicími prostředími jsou směs tuhého oxidu uhličitého a metylalkoholu (do - 70 °C), směs kapalného dusíku a petrolétheru (do - 150 °C), kapalný dusík (do - 190 °C) a kapalné helium (pod - 190 °C). MTDII

Použitá literatura http://ljinfo.blogspot.cz/ http://fst.tnuni.sk/?q=sk/clanok/kst/veda-a-vyskum/laboratorne-vybavenie Podklady Ing. J. Hladký www.kmt.tul.cz MTDII

Děkuji za pozornost MTDII