Vlastnosti a zkoušení materiálů Přednáška č.3 – Pevnost krystalických materiálů
Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Monokrystal Atomy jsou pravidelně uspořádány, tvoří trojrozměrné útvary, které lze získat trojrozměrně periodickým opakováním určitého motivu. Pokud se motiv periodicky opakuje v celém objemu materiálu, mluvíme o monokrystalu. Pouze některé látky se v přírodě vyskytují ve formě monokrystalu: - diamant a další drahé kameny - oxid křemičitý apod.
2
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Polykrystaly jedná se o útvary složené z drobných monokrystalů (zrn) oddělených od sebe hranicemi zrn. Důvodem je zřejmě skutečnost, že polykrystaly mají ve srovnáni s monokrystaly nižší energii a vyšší entropii. Vznik polykrystalu tuhnutím. Polykrystalická struktura oceli
3
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Ke zpevnění materiálů dochází díky plastické deformaci, která vzniká v důsledku pohybu dislokací. Hustota dislokací během plastické deformace prudce narůstá, což vysvětluje Frank – Readův zdroj Dislokace se pohybují vlivem smykového napětí
Velmi tvrdý materiál – pohyb dislokací je omezen Tažný materiál – dislokace se mohou pohybovat 4
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Deformační zpevnění a) válcování, b) kování, c) tažení, d) protlačování, e) hluboké tažení, f) tváření tažením, g) ohýbání
5
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Příměsové zpevnění slitiny, legovací prvky apod. Čím větší rozdíl mezi velikostí základních atomů a atomů příměsí, tím větší zpevnění slitiny a omezení pohybu dislokací.
zpevnění mědi (Cu)
6
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Precipitační zpevnění Vlivem omezené rozpustnosti vznikají v materiálu matrice (základní kov) vměstky neboli precipitáty. Precipitáty jsou částice druhé fáze, které mají často odlišné fyzikální, chemické vlastnosti a krystalickou strukturu. Precipitáty jsou značnou překážkou pro pohyb dislokací. Tvar a mechanické vlastnosti precipitátů lze měnit tepelným zpracováním.
7
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Zpevnění pomocí hranic zrn Hranice zrn jsou jako plošné poruchy složeny buď z dislokací (maloúhlové hranice), nebo z tenké téměř amorfní vrstvičky (velkoúhlové hranice) a jsou značnou překážkou pro pohyb dislokací. Deformace polykrystalů s velkým zrnem je obvykle dána hlavně deformací uvnitř zrn. Deformace polykrystalů s malými zrny, která se téměř nedeformují a „kloužou“ po sobě tzv. pokluz po hranicích zrn. Velikost a tvar zrn se během deformování mění, přičemž se tvar jednoho zrna přizpůsobuje tvaru zrn sousedních. V tom případě hraje velký význam mechanismus difúze atomů, silně ovlivňovaná teplotou deformovaného materiálu. 8
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Tahová zkouška Tahová zkouška se provádí dle ČSN EN ISO 6892-1 Je nejčastější mechanickou zkouškou kovových materiálů. Zkoušky se realizují na trhacích strojích, kde se zkušební tyč postupně zatěžuje tahovou silou až do přetržení.
elektrický průtahoměr (extenzometr) 9
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Tahová zkouška Při zatížení vzorku se snímá zatěžující síla F (N), prodloužení vzorku ∆L (m, mm), případně příčné zúžení. Přepočtem získáme závislost σ - ε
F σ= S
∆L ε= L0
S - plocha průřezu vzorku (m2, mm2) σ - tahové napětí (Pa, MPa) L0 - původní délka vzorku (m, mm) ε - poměrné podélné prodloužení (-) 10
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Hookeův zákon Většina konstrukčních materiálů vykazuje v oblasti malých deformací lineární chování – platí přímá úměrnost mezi napětím a poměrnou podélnou deformací.
σ = E ⋅ε E = tg ϕ modul pružnosti v tahu
F σ= S ∆L ε= L0
11
Normálové napětí Poměrná podélná deformace
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Výsledky získané z tahové zkoušky Re - mez kluzu - hranice lineárního průběhu (Pa, MPa) Rm - mez pevnosti - maximální namáhání materiálu (Pa, MPa)
εm - poměrné prodloužení na mezi pevnosti (-) E - modul pružnosti v tahu (Pa, MPa) z Hookeova zákona
σ = E ⋅ε
µ - Poissonovo číslo (-) udává závislost mezi příčnou a podélnou deformací Tažnost v procentech Lu − Lo A= ⋅100% Lo Kontrakce v procentech So − Su Z= ⋅100% So 12
Poissonův zákon
ε p = −µ ⋅ε pro Poissonovo číslo platí
µ ≤ 0,5
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Elastická deformace Fyzikální proces elastické (pružná) deformace spočívá v relativně malém vychýlení atomů z rovnovážné polohy v důsledku působení vnějších sil. Elastická deformace je deformace vratná tzn. že po odlehčení napětí vymizí (těleso nabývá původní tvar a objem).
13
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Plastická deformace Plastická (trvalá) deformace vzniká působením dostatečně velkého zatížení (nad mezí pružnosti), která se po odlehčení projeví jako trvalá změna tvaru tělesa. Materiál mění svůj tvar a rozměry. Během plastické deformace dochází k rozsáhlým změnám v mikroskopické a submikroskopické stavbě materiál. V oblasti velkých deformací - logaritmická deformace
14
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
L ε = ln L0
Viskoelastická deformace Viskoelastická (zpožděná elastická) deformace je kombinací elastické deformace a viskózního toku. Je dokonale vratná, ale není okamžitá. K dosažení rovnovážné deformace při konstantním napětí σ je zapotřebí určité doby. Řídí se časově závislým Hookovým zákonem:
dγ dt = δ η - η je viskozitní koeficient kapaliny Ideálně viskoelasticky se deformují sesíťované polymery při teplotách nad teplotou skelného přechodu
15
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Viskoplastická deformace Viskoplastická deformace je časově závislá plastická deformace. Při popisu je důležitá časová závislost deformace a rychlosti deformace. Příkladem viskoplastické deformace je tečení kovů (creep).
16
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška v tlaku d0 = 10 až 30 mm h0 = 2,5 až 3 d0 Stanovuje se: - mez pevnosti v tlaku - mez kluzu v tlaku - poměrné stlačení ho − hu ⋅100% ho - poměrné příčné rozšíření
δd =
Su − So ψd = ⋅100% So 17
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška v ohybu - jedná se o zkoušku v tříbodovém ohybu Max. ohybový moment (Nm, Nmm): L F ⋅L M o max = R A ⋅ = 2 4 Napětí v ohybu (Pa, MPa): M o max σ0 = Wo
Modul průřezu v ohybu pro kruhový průřez (m3, mm3): Wo = 18
π ⋅d3 32 Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška ve střihu Zkouška obvykla probíhá na trhacím stroji pomocí přípravku pro tzv. Dvojitý střih. Stanovuje se mez pevnosti ve střihu Rms. F Rms = 2 ⋅ So F – síla (N) So – plocha příčného průřezu (m2, mm2)
19
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška v krutu Krouticí moment (Nm, Nmm): Napětí v krutu (Pa, MPa):
MK σK = WK Modul průřezu v krutu pro kruhový průřez (m3, mm3):
WK =
20
π ⋅d3 16
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zkoušky tvrdosti Tvrdost je chápána jako odpor materiálu proti vniknutí cizího tělesa Tvrdost je mírou odporu materiálu proti plastické deformaci Základní metody měření tvrdosti: - vtiskové - vrypové - odrazové - kyvadlové Vtiskové metody měření tvrdosti Podstatou je vyhodnocení velikosti trvalé deformace po vtlačení indentoru do povrchu materiálu. Čím je deformace větší, tím je tvrdost menší. 21
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zkouška tvrdosti podle Brinella (HB) Zatlačení ocelové kuličky o ∅D [mm] silou F [N] kolmo do povrchu. Měří se průměr vtisku d [mm] a z něj se počítá povrch vrchlíku S [mm2] HB =
F 2⋅ F = S π ⋅ D ⋅ D − D2 − d 2
Dle ČSN EN ISO 6506 se síla F volí tak, aby průměr vtisku byl v rozsahu 0,25-0,6 D. Zkouška tvrdosti podle Brinella je vhodná do tvrdosti 450HB 22
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zkouška tvrdosti podle Vickerse (HV) Způsob provedení je popsán normou ČSN EN ISO 6507-1. Vyhodnocuje se povrch vtisku vzniklý vtlačením čtyřbokého diamantového jehlanu. Rozsah síly vtlačení je 9,8-980N
F 0,189 ⋅ F HV = = S d2 F – tlačná síla [N] S – povrch vtisku [mm2] d – aritmetický průměr úhlopříček vtisku d1 a d2 [mm] Úhlopříčky se měří opticky (mikroskopem) s přesností ±0,001 mm 23
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Zkouška tvrdosti - Rockwell (HRA, HRB, HRC) Způsob provedení je popsán normou ČSN EN ISO 6508-1. Vyhodnocuje se hloubka vtisku: HRA – diamantový kužel 120º, F = 600N HRB – kalená kulička cca ∅=1,6mm, F= 1000N HRC – diamantový kužel, F = 1500N (předpětí 100N +1400N) Předností Rockwellovy metody je její rychlost.
24
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
Další zkouška tvrdosti Zkouška tvrdosti podle Shorea (HS) Jedná se o odrazovou zkoušku prováděnou pomocí Shore-ho skleroskopu. Princip spočívá v pádu válcového kladívka z výšky 254mm na povrch zkušebního předmětu. Měří se výška odrazu kladívka po dopadu na empiricky sestavené stupnici .
Zkouška tvrdosti pomocí Poldi Kladívka Určeno pro provozní měření tvrdosti. Rázem kladívka na čelo svorníku se kulička vtlačí do zkušebního povrchu a jednak do standardního vzorku. Po úderu se měří průměry vtisku v obou površích a pomocí tabulek se z obou hodnot stanovuje tvrdost HB
25
Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů
