Plastická deformace a pevnost Anelasticita – vnitřní útlum Zkoušky základních mechanických charakteristik konstrukčních materiálů (kovy, plasty, keramiky, kompozity) Fyzikální podstata pevnosti Skutečný tahový diagram
1
Fyzikální podstata modulu pružnosti
tuhost vazby d 2U S0 = 2 dr
r = r0 2
Určování modulu pružnosti
3
Kvazistatické metody 3000
60 -50°C epoxy243_3 epoxy115_3
2500
2000
40
Stress [MPa]
Load [N]
-50°C epoxy243_3 epoxy115_3
50
1500
30
1000
20
500
10
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
500
0
Time [s]
0.1
1600 60°C epoxy115_2 epoxy315_5 epoxy243_4
1400
0.2
0.3
0.4
0.5
Strain [%]
50
60°C epoxy243_4 epoxy315_5 epoxy115_2
40
1200
Stress [MPa]
Load [N]
1000 800 600
30
20
400 10
200 0
4
0
0
20
40
60
80
100 120
Time [s]
140 160 180 200
0
0,2
0,4
0,6
Strain [%]
0,8
1
Hystereze - anelasticita
Q-1 = tgα (vnitřní tlumení)
schopnost materiálu rozptylovat elastickou energii při vibracích
5
Vnitřní útlum,vnitřní tření množství rozptýlené energie (za jeden cyklus) celková přivedená energie
∆U η= 2πU
6
Měření charakteristik vnitřního útlumu
torzní kyvadlo 2 /d4 G = 128 π . J a . l.f ∆ω – polovičn í šířka píku
v polovin ě jeho drezonance - průměr vzorku šky vzorku lvý - délka Ja moment ω0- osový – rezonan čn í setrvačnosti kruhová ffrekvence - vlastní frekv. kmitů kyvadla kmit ů vzorku
∆U ∆ω η= = 2πU 3ω0 7
Vnitřní útlum,vnitřní tření
schopnost materiálu rozptylovat elastickou energii při vibracích míra vnitřního útlumu - koeficient ztrát η=
∆U ( Q-1) 2πU
- logaritmický dekrement útlumu
an ϑ = ln a n +1 8
Vnitřní útlum,vnitřní tření
schopnost materiálu rozptylovat elastickou energii při vibracích míra vnitřního útlumu - koeficient ztrát - logaritmický dekrement útlumu Praktický význam využití: převodovka, blok motoru, řízené střely……. 9
Vnitřní útlum,vnitřní tření fyzikální původ frekvenčně závislý vnitřní útlum - termoelastický jev (prodloužení – ochlazení, stlačení – ohřev) - pohyb valenčních elektronů (při jednotkách K) - viskozita hranic zrn (Ke - samodifúze) - difuse uhlíku v tuhém roztoku α-železa (Snoek) - změna orientace párových bodových poruch (bivakance apod.) - relaxace dislokací - Bordoniho maximum - dynamické vlastnosti dislokací 10 - relaxační procesy v plastech
Vnitřní útlum,vnitřní tření fyzikální původ frekvenčně nezávislý vnitřní útlum - chování dislokačních segmentů (disloakcí mezi kotvícími body) - magneto-mechanické tlumení
11
Vnitřní útlum,vnitřní tření význam frekvenčně závislý vnitřní útlum zajímá spíše materiálové vědce (jevy podmíněné nějakým relaxačním procesem): - difuse uhlíku v tuhém roztoku α-železa (Snoek) - relaxace v dislokační čáře (Bordoni) - dynamické vlastnosti dislokací a interakce s překážkami – dislokace lesa, atmosféry, precipitáty, vrstevné chyby)
12
Vnitřní útlum,vnitřní tření význam frekvenčně nezávislý vnitřní útlum tato vlastnost zajímává pro konstruktéry - kolejová vozidla - převodová skříň - řízená střela a pod. vhodné materiály jsou např. - slitiny hořčíku – vratná dvojčatová deformace - slitina (Mn-Cu) – vratná martenzitická přeměna - litina – rozptyl energie na grafitických částicích 13 - beton – rozptyl na nehomogenní struktuře
Vnitřní útlum,vnitřní tření Volba materiálu pro tabuli (desku) třepacího stroje (třepací stroj – zkoušení součástí pro auta, letadla) Materiálové požadavky: nízká hmotnost ρ velká tuhost E > 30 GPa vysoká vlastn í frekvence (E/ρ)1/2 vysoký koeficient útlumu η≈10-2 Materiál Mg slitiny slitina Mn-Cu KFRP/GFRP litina beton
η 10-2 – 10-1 10-1 2.10-2 2.10-2 2.10-2
Hodnocení (E/ρ)1/2 ρ [Mg/m3] Nejlepší kombinace 5.103 1,75 Útlum dobrý, ale těžký 3,5.103 8 Možný 6.103 1,8 Dobrý/těžký 6.103 7,8 Možný 14 3,5.103 2,5
Vnitřní útlum,vnitřní tření
15
Anelasticita – vnitřní útlum Zkoušky základních mechanických charakteristik konstrukčních materiálů (kovy, plasty, keramiky, kompozity) Fyzikální podstata pevnosti Skutečný tahový diagram
16
Zkouška tahem Kovové materiály – Zkouška tahem za okolní teploty Evropa: ČSN EN 10 002 – 1 /2002 (42 0310 identifikační znak) Amerika: ASTM E 8 - 01(ASTM E8 M)
17
Zkouška tahem
18
EN 10002 se skládá z pěti částí
Zkouška tahem
Část 1: Zkušební metoda za okolní teploty ČSN EN 10 002-1 (42 0310) Část 2: Ověřování siloměrného měřícího systému tahových zkušebních strojů (ČSN EN ISO 7500-1), (42 0322) Část 3: Kalibrace siloměrů používaných k ověřování zkušebních strojů pro zkoušku jednoosým tahem (ČSN EN ISO 376) (42 00358) Část 4: Ověřování průtahoměrů používaných při zkoušce jednoosým tahem (ČSN EN ISO 9513) (42 0386) Část 5: Zkušební metoda za zvýšené teploty ČSN EN 10 002-5 (42 0312)
19
Zkouška tahem Obecná pravidla pro zkušební tyče
A50; A80 A200; A100 A5,65; A11,3 20
Zkouška tahem Obecná pravidla pro zkušební tyče Poměrné zkušební tyče (L0=k.S01/2), kde k = 11,3 nebo 5,65 Nepoměrné zkušební tyče – umožňuje-li norma na výrobek
Původní povrch – předepisuje – li norma na výrobek Výroba a opracování – vliv na počátek plastické deformace a mez kluzu
21
Obecná pravidla pro zkoušku
Zkouška tahem
Zatěžovací osa stroje (kardan, vyosovací přípravek, upínací přípravky s kulovými plochami apod.) Rychlost zatěžování (podle určované charakteristiky) Kontrola a měření tyče před zkouškou Předtížení tyče v upnutém stavu před zkouškou Provedení zkoušky – se snímačem, bez snímače 22 (hystereze, vícerychlostní zkouška)
Zkouška tahem F R= S0 800
Stress in MPa
600
400
Re
Rm
A
=
∆L * 100 L0
200
0 0
10
20 Strain in %
ε=
∆L L0
30
23
Zkouška tahem µ [-]
č. S0 Re Rm vz. [mm2] [MPa] [MPa]
Ag [%]
A [%]
E (t) E (s) [GPa] [GPa]
1
28,29
695,5
806,9
7,49
16,40
206,0
196,0
0,287
2
28,30
722,6
812,8
6,64
14,53
210,3
196,0
0,296
3
28,28
730,0
820,0
7,67
18,46
222,4
196,0
0,295
4
28,29
733,0
820,5
7,37
15,70
204,0
195,7
0,299
5
28,29
711,9
812,5
7,64
16,94
188,6
196,0
0,304
24
Zkouška tahem
Smluvní tahový diagram tj. závislost zátěžná síla – prodloužení měřené délky zkušebního tělesa
• napěťové charakteristiky Rxx, Rm • deformační charakteristiky A, Z
25
Zkouška tahem Smluvní tahový diagram měříme sílu F přepočteme na smluvní napětí měříme prodloužení ∆L přepočteme na poměrné prodloužení
F R= S0
∆L ε= L0 26
Zkouška tahem Smluvní mez kluzu
• p = plastic - plastická deformace • t = total – celková deformace • r = running - průběžná, trvalá (plastická) deformace
27
Zkouška tahem Nevýrazná mez kluzu Rp0,2
28
Zkouška tahem
Výrazná mez kluzu
ReH,
ReL
Re
29
Zkouška tahem Označování ocelí (horní/dolní mez kluzu) Svařitelné oceli S185 S235
S275
S355
Oceli na strojní součásti E295 E335 E360
30
Zkouška tahem Deformační charakteristiky S 0 − Su Z= 100[% ] • Zúžení S0
• Tažnost
A?? =
Lu − L0 L0
.100[% ]
• Proč jsou deformační charakteristiky dvě? 31
Zkouška tahem ČSN EN ISO 2566 (420308)
• Převodní tabulky tažnosti Část 1: uhlíkové a nízkouhlíkové oceli I L I II 0 k = ,k = I S0
LII 0 II S0
k A = I II A k II
I
0,4
Nechť kI = 5,65, kII =11,3 pak platí A11,3=A5,65.0,759)
Část 2: austenitické oceli 32
Energetické charakteristiky • Kovy – klasický tahový diagram
Zkouška tahem
Resilience (modul resilience): mater. charakt. vyjadřující množství energie v jednotce objemu materiálu zatíženého napětím Re. (Množství energie, které je materiál schopen při daném zatížení akumulovat). Rm + Re A MJ wf = . , Re2 MN .m MJ 3 2 100 m wel = MPa = =
2E
2
m .m
m 3
i ál y r e t a m Kře hké
2 A MJ w f = Rm . 3 100 m3
Tahová houževnatost (modul houževnatosti): množství energie potřebné k porušení materiálu 33
Zkouška tahem Kovové materiály – deformační zpevnění • Kovy – klasický tahový diagram
• Mírou deformačního zpevnění je poměr meze pevnosti a meze kluzu
Rm ≥ 1,4........velké _ zpevnění Re Rm ≤ 1,2........malé _ zpevnění Re 34
Zkouška tahem - plasty
35
Zkouška tahem - plasty Plasty – ČSN EN ISO 527 (640604)
σ M − mez _ pevnosti σ y − mez _ kluzu σ B − lomové _ napětí a - křehký b - houževnatý s σ y c - houževnatý s σ y d - houževnatý bez σ y 36
ČSN EN 658
Zkouška tahem - keramiky
omezená obrobitelnost – jednoduché tvary vysoká křehkost – předčasné lomy citlivost na přesnost zatěžovací osy přednost – ohybové zkoušky
37
38
Zkouška tahem
Energetické charakteristiky
• energie kumulovaná při poškození ČSN EN 658-1 (727510)
(Cumulative damage energy)
Mechanické vlastnosti keramických kompozitů při pokojové teplotě – stanovení tahových vlastností
1 Φ= S 0 L0
∆L f
kJ ( ) Fd ∆ L 3 ∫ m 0 39
Zkouška tahem Tahový diagram (smluvní tahový diagram F − ∆L(R − ε ) )
-
hodnocení kvality materiálu nákup – prodej (technické dodací podmínky EN) expertíza havárií pevnostní výpočty (únava) základní mechanické vlastnosti – v materiálových listech a databázích 40
Plastická deformace a pevnost Anelasticita – vnitřní útlum Zkoušky základních mechanických
charakteristik konstrukčních materiálů (kovy, plasty, keramiky, kompozity)
Fyzikální podstata pevnosti Skutečný tahový diagram
41
