MTDII 1

Zkoušení mechanických vlastností

Email: mhorakova@pf.jcu.cz

Tel: 387 77 3057

Rozdělení mechanických zkoušek

Podle časového průběhu zatěžující síly:

a) Statické – zatížení se zvětšuje pozvolně

b) Dynamické - zatížení působí náhle nebo proměnlivě

Podle účinku zatížení na zkušební těleso:

a) Destruktivní

b) Nedestruktivní

MTDII 2

Při zkouškách tvrdosti může být užito statického i dynamického zatížení a proto jsou zpravidla popisovány jako zvláštní druh zkoušek.

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 3

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 4

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:

1. MEZ PEVNOSTI Rm

2. MEZ KLUZU Re

3. TAŽNOST A

4. KONTRAKCE Z MTDII 5

Zkouška tahem – zkušební vzorkyZkušební těleso

TYČ: a) kruhový průřez

b) čtyřhranný průřez

dlouhé L0 = 10d

krátké L0 = 5d

MTDII 6

L0 – výchozí délka zkušební tyče d0 – výchozí průměr válcové zkušební tyče

Průměr válcové tyče se volí podle velikosti síly, kterou je schopen trhací stroj vyvodit. Nejčastěji bývá průměr vzorků 20 nebo 10 mm.

Zkouška tahem – princip, stroj 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.

MTDII 7

F

F

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

Zkouška tahem – co měříme a počítáme

1. Změření délky L0 a průměru d0 tyče před zatížením.

2. 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 počítámeProdloužení tyče: ΔL = L – L0

Poměrné prodloužení: ε = ΔL/ L0

Smluvní napětí: σ = F/S0 [Mpa] σ = E . e

E = tga

MTDII 9

HOOKŮV ZÁKON – v oblasti pružné deformace je napětí v tyči přímo úměrné její deformaci

U smluvního napětí neuvažujeme změnu průřezu, která nastane během působení skutečného napětí při zkoušce!

Zkouška tahem – co měříme a počítámeTAŽNOST – 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 diagramyZapisovací zařízení na trhacím stroji zaznamenává PRACOVNÍ DIAGRAMY – závislost síly F na prodloužení tyče DL nebo závislost napětí σ a poměrného prodloužení ε.

MTDII 11

UK

E

UE

K

P

F,

l,

L

P

P

A

E

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.

MTDII 12

UK

E

UE

K

P

F,

l,

L

P

P

A

E

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 -.

MTDII 13

P

P´

sk

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.

MTDII 14

http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=D23hzv-3Tf0&NR=1

http://www.youtube.com/watch?v=cADYlfHjCrU

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. MTDII 17

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 5Pt). Pak je ovšem nutno provádět obě zkoušky. Při dosažení meze pevnosti dojde u křehkých materiálů k rozdrcení vzorku.

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.

MTDII 18

F

l l

F

y

Zkouška ohybemPevnost 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

MTDII 19

Zkouška střihemZkouška 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).

MTDII 20

FPs je zatěžující síla v okamžiku porušení zkušebního vzorku a d je průměr válcového vzorku

Mez pevnosti ve smyku

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.

MTDII 21

MK

l

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 22

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 MTDII 23

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 24

Zkouška rázem dle Charpyho Zkušebním zařízením je

tzv. Charpyho kladivo, kyvadlo se zúženou funkční hranou - břitem. Zkušebním vzorkem je tyč normalizovaných rozměrů.

MTDII 25

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.

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.

MTDII 26

Pro křehké materiály se užívá jednoduchých tyčí.

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 27

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 28

Únavové zkoušky – opakovaným namáháním

Podle charakteru vznikajícího napětí může být cyklické namáhání

pulzující míjivé střídavé - nesouměrné

- souměrné

MTDII 29

pulzujícímíjivé

střídavé

nesouměrnéstřídavé

souměrné

- ()

+ ()

čas

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 30

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.

MTDII 31

F

ll/2 1

23

4

d

t 1

2 4

3

úhel pootočení

1

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.

MTDII 32

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 33

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 34

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 35

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).MTDII 36

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.

MTDII 37

AB

C

D

celkové prodloužení

časO

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).

URČUJEME Mez tečení v tahu Tt

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 38

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 39

Použitá literatura

http://ljinfo.blogspot.cz/ http://fst.tnuni.sk/?q=sk/clanok/kst/veda-a-vy

skum/laboratorne-vybavenie Podklady Ing. J. Hladký www.kmt.tul.cz

MTDII 40

MTDII 41

Děkuji za pozornost