VLASTNOSTI KOVŮ a jejich zkoušení
1
Vlastnosti - dělení • V technické praxi je obvyklé dělení vlastností materiálů na: • fyzikální • mechanické • technologické
2
Fyzikální vlastnosti • Vyplývají z typu kovové vazby, chemického složení, ze struktury • Hustota • Elektrické vlastnosti • Tepelné vlastnosti • Magnetické vlastnosti 3
Elektrické vlastnosti • Elektrická vodivost • Supravodivost
4
Tepelné vlastnosti • Jsou charakterizovány prostřednictvím • tepelné vodivosti • teplotní roztažnosti • teploty tání 5
Magnetické vlastnosti • Projevují se chováním látek ve vnějším magnetickém poli • Dělíme je na látky: • - diamagnetické • - paramagnetické • - feromagnetické (příp. ferimagnetické, antiferomagnetické) 6
Mechanické vlastnosti • Vyjadřují chování materiálu při působení vnějších sil. • • • • •
Základní jsou: - pružnost - pevnost - houževnatost - plasticita 7
Důsledky plastické deformace • při plastické deformaci materiál zpevňuje, vzniká vzniká deformač deformační zpevně zpevnění • Projeví se zvýšením meze kluzu,, pevnosti, tvrdosti a snížením tažnosti • Ve struktuře se projeví textura a s ní výrazná anizotropie vlastností
8
Důsledky plastické deformace • Plasticky deformovaný kov je charakterizován zvýšenou hustotou poruch (v žíhaném stavu asi 106 – 108 cm-2, v deformovaném stavu vzroste o 4 – 6 řádů)
9
Odpevňovací pochody rekrystalizace • Následky deformačního zpevnění se odstraňují zotavením a rekrystalizací • Zotavením a rekrystalizací obnovujeme plastické vlastnosti materiálu po tváření za studena • U čistých kovů se teplota zotavení pohybuje kolem 0,1 – 0,35 teploty tání. 10
Technologické vlastnosti • soubor vlastností materiálů, umožňující za definovaných podmínek určitý způsob zpracování materiálu • velmi úzce souvisí s používanou technologií a se změnou technologie se mohou měnit • Mezi nejdůležitější technolog. vl. patří: • • • •
tvárnost (tvářitelnost) svařitelnost slévatelnost obrobitelnost 11
ZKOUŠENÍ mechanických vlastností • Zkoušky můžeme dělit: • podle časového průběhu zatěžující síly na zkoušky statické × dynamické
• podle účinku zatížení na zkušební těleso na zkoušky destruktivní × nedestruktivní 12
Zkoušky mechanické statické • určuje se chování materiálu při působení stálých nebo plynule rostoucí rostoucích sil. • Zkušební těleso se zatěžuje zpravidla pouze jednou až do porušení. • Patří sem zkoušky: tahem, tlakem, ohybem, střihem, krutem. 13
Zkouška tahem • 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 14
Zkouška tahem – zkušební vzorky
• Tyče dlouhé Lo= 10Do = 11,3(So)1/2
• Tyče krátké Lo= 5Do = 5,75(So)1/2
15
Zkouška tahem – napěťové charakteristiky • Zjišťujeme: • Mez pevnosti: Rm= Fmax /S0 [MPa] • Mez kluzu – pokud je výrazná: Re= Fe/So Není-li výrazná, určuje se smluvní mez kluzu = napětí, která zanechá trvalou deformaci 0,2%Lo, případně graficky. 16
Zkouška tahem – napěťové charakteristiky
• Grafická metoda zjišťování smluvní meze kluzu
17
Zkouška tahem – deformační charakteristiky • Tažnost – poměrné trvalé prodloužení zkušební tyče v okamžiku roztržení vyjádřené v procentech. •
18
Zkouška tahem – deformační charakteristiky • Kontrakce – poměrné trvalé zúžení průřezu zkušební tyče, v okamžiku přetržení v místě lomu. Kontrakce je poměrná trvalá deformace ψu vyjádřená v %.
19
Diagram zkoušky tahem - typy
20
Zkouška tlakem - schéma • Zjišťuje se pevnost v tlaku → konvenční napětí, při kterém se vzorek poruší. • Rmd= Fmax/So • Používá se pro křehké materiály 21
Zkouška tlakem – další charakteristiky • Poměrné zkrácení: εt =
h0 − h εt = ⋅ 100 (% ) h0
h0 − h ⋅ 100 (% ) h0
• Příčné rozšíření:
ψ
t
=
S − S0 ⋅ 100 (% S0
)
22
Zkouška ohybem - schéma
• Neopracovaná tyč odlitá nastojato, volně položená na dvou podpěrách 23
Zkouška ohybem • Cíl zkoušky: zjistit pevnost v ohybu = největší ohybové napětí ve zkušební tyči při porušení • Používá se pro křehké materiály např. grafitické litiny
M O max
M o max Fmax ⋅ l (N .mm) R mo = W = 4 O
(MPa ) 24
Zkouška střihem • Střihové namáhání vzniká působením paralelních, opačně působících sil, ležících v rovině střihu, kdy tyto zatěžující síly nevyvozují ani moment ohybový ani moment kroutící. • Počítá se mez pevnosti ve střihu Fmax (MPa ) Rms = 2SO
25
Zkouška střihem
• Přípravky pro zkoušku střihem: a) pro tyče kruhového průřezu 1 – zkušební tyč, 2 – vidlice, 3 – táhlo, • b) pro plechy 1 – zkušební plech, 2 – střižnice, 3 střižník. 26
Zkouška krutem • φ – úhel zkroucení • γ – zkos
R mk
M k max (MPa = Wk
)
27
Zkouška krutem • Poměrné zkroucení na jednotku délky tyče je . ϕ υ=
L
• Při zkrucování tyče se natočí průřez I na délce L proti průřezu II o úhel φ. • zkos γ na válcové tyči o průměru d = 2r je dán vztahem γ ⋅ L = ϕ ⋅ r γ = ϕ ⋅ r L
28
Dynamické zkoušky mechanické • V praxi jsou součásti namáhány dynamicky • Zatížení rázové – zkoušky rázové nebo vrubové houževnatosti • Zatížení cyklické – zkoušky únavy 29
Zkoušky rázové • Rázová zkouška ohybem • Zkoušky podle Charpyho – tyč na dvou podpěrách
• Zkoušky podle Izoda – tyč uchycena letmo • tvar i rozměry zkušebních těles dány normou
30
Typy zkušebních těles při rázové zkoušce
31
Charpyho kladivo
32
Přechodová teplota
• a) teplotní závislost vrubové houževnatosti • b) způsob stanovení přechodové teploty 33
Zkoušky únavy • při opakovaném zatěžování i menší může dojít k porušení – únavový lom. • Rc (σ) – mez únavy – nejvyšší napětí, materiál vydrží, při nekonečném počtu aniž dojde k porušení. • Rn (σ) - časová mez únavy – napětí, mat. vydrží po určitý počet cyklů n. • (106 ÷ 107 cyklů).
silou které cyklů které
34
Zkoušky únavy – Wöhlerova křivka
35
Rozdělení zkoušek tvrdosti • Možná různá hlediska, nejčastěji na: • Zkoušky vrypové • Zkoušky odrazové • Zkoušky vnikací 36
Zkoušky tvrdosti vrypové • Vrypové: MARTENS (dnes se již nepoužívá) • tvrdost se určuje podle šířky vrypu • jsou od ní odvozeny zkoušky pro tenké vrstvy
37
Zkouška odrazová Spočívá v odrazu padajícího tělíska určitého tvaru a hmotnosti Část energie vytvoří jamku a zbytek vymrští zkušební tělísko do určité výšky, ta je mírou tvrdosti 38
Zkoušky vnikací • Princip: vtlačování přesně definovaného tělesa do povrchu vzorku (indentoru), tvrdost je určena velikostí vzniklého vtisku • Zkoušky podle: • Brinnella • Vickerse • Rockwella
39
Zkouška podle Brinella
Indentor – kalená ocelová kulička ∅ D, příp. kulička z SK • vtlačuje se silou F do povrchu zkoušeného materiálu. Po odlehčení se změří ∅ vtisku d 40
Poldi kladívko • Dynamická metoda • 1 – úderník • 2 – porovnávací etalon • 3 zkoušený materiál 41
Zkouška podle Vickerse
42
Mikrotvrdost • měření tvrdosti malých předmětů nebo tenkých vrstev • identifikace jednotlivých strukturních složek • princip shodný s Vickersovou metodou • menší zatížení (0,2 – 200 g) • mikrotvrdoměr vybaven mikroskopem • vzorky leštěné (výhodnější chemické nebo elektrolytické leštění → nedojde ke zpevnění) → metalografické výbrusy • mikrotvrdost nelze porovnávat s makrotvrdostí 43
Princip Rockwellovy metody
• Tvrdost se odečítá na stupnici tvrdoměru • Vhodná pro použití ve výrobě 44
Zkouška tvrdosti podle Knoopa
45
Další metody měření tvrdosti
• Metoda univerzální tvrdosti – pro zvýšení přesnosti měření indentorem tříboký jehlan – metoda podle Berkoviche – pro srovnání vtisk 46 Vickersem
Zkoušky za vyšších teplot – creepové zkoušky
• Tečení – creep je růst trvalé deformace při konstantním napětí v závislosti na čase
47
Křivka tečení • Křivka tečení závislost deformace na čase • AB – deformace pružná • BC – deformace trvalá • CD – primární (přechodové) tečení • DE – sekundární (ustálené) tečení • EF – terciální tečení (zrychlené) 48
Diagram tahové zkoušky při různých teplotách http://www.cideas.cz/free/okno/technicke_listy/4tlv/TL07CZ_3222-8.pdf
49
Dlouhodobé zkoušky charakteristiky • Mez tečení σt = napětí, které při dané teplotě a době působení způsobí danou trvalou deformaci – př. Deformace se pohybuje v rozmezí 0,1 – 1%, doba cca 1 – 10tisíc hodin • Mez pevnosti při tečení σtPt = napětí, které při dané teplotě za danou dobu způsobí lom materiálu 50
Křivky tečení - příklady
51
Technologické zkoušky Zkouška lámavosti za studena • Měřítkem pro posouzení lámavosti je velikost úhlu, který se vytvoří ohybem zkušební tyče. • Zkušební tyč délky 200 až 400 mm a šířky 25 až 50 mm se ohýbá na dvou podporách. • Určuje se úhel ohybu, při kterém se na vnější straně objeví první trhlinky.
52
Zkouška hloubením podle Erichsena • Čtvercový vzorek plechu o rozměrech 70 x 70 mm • Sevřený mezi matrici a přidržovač • Razidlo zakončené vyleštěnou ocelovou koulí o průměru 20 mm, se pomalu vtlačuje do povrchu zkoušeného plechu • Při výskytu první trhliny se zkouška zastaví, změří se posuv razidla → měřítko schopnosti plechu k hloubení • Při podobné zkoušce, podle Engelharta, se posuzují podmínky lisování při kterých vznikla prasklina v kalíšku s plochým dnem. 53
Zkouška hloubením podle Erichsena
54
Zkouš Zkoušky trubek • Zkouš Zkouška trubek lemová lemováním • jeden konec trubky se rozšiřuje trnem o vrcholovém úhlu 90 až 120˚ • pak se vytvoří kolmo na osu lem určité šířky → měla by splňovat hodnotu, kterou udávají materiálové listy 55
Zkouška trubek rozháněním
Do
trubky se zaráží trn určitého průměru → při rozšíření nesmí vzniknout trhlina
56
Nedestruktivní metody zkoušení - defektoskopie • Lze zajišťovat: • Kontrola výroby důležitých vysoce namáhaných výrobků (tlakové nádoby, části turbín…) • Vytřídění vadných kusů při sériové výrobě (automatizovaná kontrola) • Pravidelná kontrola důležitých strojů a zařízení v průběhu jejich životnosti 57
Rozdělení • Podle fyzikálních principů na: • • • • •
Vizuální Kapilární Magnetoinduktivní Ultrazvukové Prozařovací 58
Vizuální metody • Přímé – vady zjišťujeme pečlivou prohlídkou zrakem, příp. lupou (3 až 6x zvětšení) • Nepřímé – pomocí endoskopů, k prohlídce nepřístupných povrchů (vady na vnitřním povrchu trubek, velké nádrže, kotle, tlakové nádoby – usazeniny, koroze). Dokonalejší endoskopy spojeny s televizní kamerou – obraz lze pozorovat na obrazovce. 59
Kapilární metody
• Pro povrchové vady, podle detekční kapaliny metody barevné nebo fluorescenční 60
Magnetoinduktivní metody • Pro vady povrchové nebo těsně podpovrchové • Využívají změny magnetické vodivosti ve feromagnetických materiálech (vady silně zvyšují magn.odpor a dochází ke zhuštění siločar. K indikaci se používá suchého feromagn.prášku nebo detekční kapaliny, ve které je rozptýlen. • Podmínkou je, aby celý předmět byl zmagnetován. 61
Ultrazvukové metody • Ultrazvuk je vlnění s vyšší frekvencí než slyšitelnou, tj. vyšší než cca 16 kHz ( 1-10 MHz) • Nejmenší velikost zjistitelné vady (kolmo na směr šíření) je větší než polovina vlnové délky použitého vlnění • Metody se používají nejen ke zjišťování vnitřních vad, ale i k měření tloušťky materiálu nebo vrstev 62
Ultrazvukové metody • Nejčastěji se používají metody průchodové a odrazové. • Průchodová metoda – dvě sondy umístěné souose na protilehlých stranách materiálu • Vhodná pro menší tloušťky a rovnoběžné povrchy – kontrola plechů, plátovaných materiálů, ložiskových pánví apod. 63
Odrazová metoda
• Vysílají se krátké uz impulsy, které se odrážejí od povrchu a vad a vrací se. V okamžiku vysílání počáteční impuls, pak za dobu odpovídající 2x vzdálenosti vady od sondy poruchový impuls a pak koncový, odražený od protilehlého povrchu – lze použít i pro zjištění tloušťky předmětu 64
Metody prozařovací • Ze zdroje záření se vysílá svazek paprsků na zkoušený materiál • Paprsky rentgenové nebo gama
65
