ZKOUŠENÍ KOVOVÝCH MATERIÁLŮ Ing. V. Kraus, CSc.
Opakování z Nauky o materiálu
1
VLASTNOSTI MATERIÁLŮ
fyzikální (souvisí hlavně s krystalickou stavbou – hustota, elektrická a
tepelná vodivost, magnet. vlastnosti apod.)
chemické (elektrochemické, korozní apod.) mechanické (pružnost, plasticita, pevnost, houževnatost, tvrdost, tečení, únava apod.)
technologické (tvárnost, slévatelnost, obrobitelnost, svařitelnost apod.)
Dle vlivu struktury: vlastnosti strukturně citlivé (závislé na dokonalosti krystalové mřížky,
způsobu tepelného a mechanického zpracování - většina mechanických vlastností, rovněž elektrické apod.) vlastnosti strukturně necitlivé (hmotnost, měrné teplo, teplota tání apod.) Opakování z Nauky o materiálu
2
Mechanické vlastnosti Charakterizují chování materiálu při působení vnějších sil rozhodující při dimenzování součástí a konstrukcí Charakteristiky (mění se s teplotou):
pevnost (mez pevnosti) – mez kluzu - odpor materiálu proti deformaci a porušení vnějšími silami tvrdost … tvárné vlastnosti: tažnost, kontrakce, houževnatost - energie potřebná k porušení únava - odolnost vůči cyklickému namáhání tečení - dlouhodobé namáhání za vysokých teplot Opakování z Nauky o materiálu
3
Mechanické zkoušky Zkoušky pro zjištění mechanických vlastností Rozdělení:
podle způsobu zatěžování – tlakem, tahem, ohybem, krutem, střihem podle stavu napjatosti – 1osá, 2osá (2D), 3osá (3D) podle časového průběhu zátěžové síly: statické (pomalu rostoucí zátěžová síla) dynamické (rychle rostoucí nebo měnící se zátěžová síla) podle teploty podle prostředí (vlhkost, koroze apod.) Opakování z Nauky o materiálu
4
Reprodukovatelnost a porovnatelnost zkoušek
Způsob odebírání
(může podstatně ovlivnit obdržené výsledky - materiál není
homogenní a izotropní)
zkušební kus zkušební vzorek Místo odebírání (volba průměrných vlastností - nejvíce exponované místo) Počet zkušebních vzorků (dle množství a druhu výroby, potřeby bezpečnosti apod.)
Obecné zásady pro odběr jsou:
reprezentace určité dávky, výroby, tavby ap. vyhnout se místům s předpokládanými vadami vzorek musí prodělat celý výrobní proces odběrem se nesmí ovlivnit vlastnosti brát ohled na anizotropii značení (nepoškozovat zkušební část, zůstat zachováno) Opakování z Nauky o materiálu
5
Statická zkouška tahem Hookeův zákon: R = E.ε Smluvní napětí: R = F/S0 /MPa/ Tažnost: A = (Lm-L0)/L0.100 /%/ Kontrakce: Z = (S0-Sm)/S0.100 /%/ Opakování z Nauky o materiálu
6
Statická zkouška tahem Pevnostní hodnoty: Pevnostní hodnoty: RU – mez úměrnosti (platnost Hookeova zákona)
Re – mez kluzu /zjevná/ (vytváření trvalých deformací bez zvyšování síly)
lomy (charakterizují vlastnosti materiálu /bodový, smykový, křehký, smíšený, dutinový/)
Rm – mez pevnosti
(maximální síla vztažená k původnímu průřezu)
Smluvní hodnoty: Rp0,005 – smluvní mez pružnosti (napětí, při kterém trvalé deformace jsou 0,005 % původní délky tyče)
k deformaci a porušení tělesa plocha pod křivkou)
RE – fyzikální mez pružnosti (max. napětí pouze pružných deformací)
Další charakteristiky: houževnatost (měřítko: energie
Rp0,2 – smluvní mez kluzu /průtažnosti/ (napětí, při kterém trvalé deformace jsou 0,2 % původní délky tyče)
Zkušební tyče: dle upnutí dle materiálu dle délky (10 a 5 do event.
nekruhové 11,3 a 5,65.So - vlivem zaškrcování - nerovnoměrné prodloužení po délce)
Opakování z Nauky o materiálu
7
Statická zkouška tlakem Pevnost v tlaku Rmt = Fmt / S0 [MPa] Plasticita v tlaku • poměrné stlačení
At = (hu – h0) / h0 ⋅ 100 [%] • poměrné rozšíření průřezu
Zt = (SU – S0) / S0 ⋅ 100 [%] 1-šedá litina, 2-měkká ocel, 3-zinek, 4-olovo Opakování z Nauky o materiálu
8
Statická zkouška ohybem Pro litinu ČSN 420361-83 – nosník na dvou podporách zatížený silou uprostřed
Pevnost v ohybu Rmo = Momax / Wo [MPa] • Momax [N·mm] - maximální ohybový moment - Fmax.L/4 (L - vzdálenost podpor)
• Wo [mm3] - modul odporu průřezu v ohybu
– pro kruhový průřez
Wo = π.d3/32 (d – průměr zkušební tyče)
Charakteristika houževnatosti • hodnota maximálního průhybu …. ymax
Modul pružnosti v tahu E = F · L3 / 48 · I · y [MPa] Opakování z Nauky o materiálu
9
Rozložení napětí u statické zkoušky ohybem šedé litiny - pro litinu různá pevnost v tahu a v tlaku →
Opakování z Nauky o materiálu
10
Statická zkouška střihem Pevnost ve střihu: Rms = Fmax / 2· So = 2 · Fmax / π · do2 Rms = (0,8 ÷ 1,0) Rm Pro tyče kruhového průřezu /1-zkušební tyč, 2-vidlice, 3-táhlo/ Pro plechy /1-zkušební plech, 2-střižnice, 3-střižník/ Opakování z Nauky o materiálu
11
Statická zkouška krutem Mez pevnosti v krutu:
Rmk = Mkmax / Wk [MPa], • Mkmax [N·mm] - maximální kroutící moment – Mk = F.d (d – průměr zkušební tyče)
•
Wk [mm3 ] - modul odporu průřezu v krutu – pro kruhový průřez Wk = π.d3/16
Úhel zkroucení …… ϕ [0;rad] Zkrut ……………… ϑ = ϕ / L0
Schéma poměrů při zkoušce krutem
Zkos ……………… γ = ϕ · r0 / L0 Modul pružnosti ve smyku G = Rk / γ Způsoby porušení při zkoušce Opakování z Nauky o materiálu
12
Zkouška vrubové houževnatosti Vlivy na křehký lom:
teplota napjatost rychlost deformace
Dynamická zkouška ohybem
Vrubová houževnatost: KC = K/S0 /J.cm-2/ - vrub U, V – hloubka 5, 3, 2 mm Opakování z Nauky o materiálu
13
Teplotní závislost vrubové houževnatosti Vlivy na hodnotu vrubové houževnatosti:
tvar vrubu hloubka vrubu šířka zkušební tyče orientace vláken zkouška velice strukturně citlivá (velikost zrna, čistota
ocelí, segregace na hranicích, radiační poškození, stárnutí, tepelné zpracování apod.)
teplota
Přechodová (Vidalova) křivka vrubové houževnatosti – určování přechodové (tranzitní) teploty
Opakování z Nauky o materiálu
14
Zkoušky tvrdosti a) Brinell b) Rockwell c) Vickers
vrypové vnikací
Brinell Vickers Rockwell odrazové (Shore)
dynamické zkoušky mikrotvrdosti Opakování z Nauky o materiálu
15
Zkouška tvrdosti dle Brinella Indentor: ocelová kulička ∅D = 10; 5; 2,5 mm
Zatěžovací síla (stupeň zatížení): 30D2; 10D2; 5D2;
Měření: ∅ vtisku d
HB = F / A Rm = k . HB (pro ocel k ∼ 3,1 až 4,1) Opakování z Nauky o materiálu
16
Zkouška tvrdosti dle Vickerse Indentor: čtyřboký diamantový jehlan vrcholový úhel 136°
Zatěžovací síla: libovolná (30 kp)
Měření: úhlopříčka vtisku u
HV = F / A
Deformace vtisku podle Vickerse /a-nezpevněný materiál, b-zpevněný materiál/ Opakování z Nauky o materiálu
17
Zkouška tvrdosti dle Rockwella HRC HRA Indentor
HRB
kužel 120°
kulička 1/16´´
kužel 120°
Zatěžovací síla 150 kp
60 kp
100 kp
Stupnice 0-100
0-100 30-130 Měření: hloubka vtisku (dílek = 0,002 mm)
Schéma postupu měření
Opakování z Nauky o materiálu
18
TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI
vhodnost materiálu k určitým technologickým operacím porovnávací hodnoty: vhodný - nevhodný materiál
Význam:
při výběru a zpracování slitin: - slévarenské vlastnosti: slévatelnost, zabíhavost - svařitelnost - tvařitelnost za studena - tvařitelnost za tepla (kovatelnost) apod. schopnost spojování, opracování: svařitelnost, obrobitelnost, leštitelnost apod. Opakování z Nauky o materiálu
19
ZKOUŠKY NEDESTRUKTIVNÍ DEFEKTOSKOPICKÉ Zjišťování vnitřních a povrchových vad (necelistvostí) – bez porušení výrobku - vzniklých vlivem:
použitého polotovaru výrobní technologie během provozu (degradační pochody, přetížení apod.)
Skryté vady vedou k: ohrožení bezpečnosti snížení životnosti zařízení (zeslabení, vrubové účinky apod.) Opakování z Nauky o materiálu
20
Zkoušky kapilární Využití vzlínavosti kapalin (nízké povrchové napětí) Vady souvisící s povrchem (použití pro výrobky od feromagnetických po nevodivé – mimo pórovitých)
Metody:
barevné indikace fluorescenční
Princip kapilární metody: a) povrch před nanesením kapaliny, b) po nanesení kapaliny, c) po natření, d) po nanesení detekční látky /1-trhlina, 2-indikační kapalina, 3-detekční látka/ Opakování z Nauky o materiálu
21
Zkoušky magnetoindukční
využívají změny magnetického toku ve feromagnetických materiálech (železo α, nikl, kobalt a jejich slitiny) princip metod: zjišťování rozptylu magnetického pole v místě defektů - na povrchu nebo těsně pod povrchem zkoušeného výrobku
Metody:
magnetická prášková magnetografickým záznamem indikací pomocí sondy
Princip magneto-elektrické metody : a) podélná magnetizace, b) příčná magnetizace /P-předmět, V-vada/ Opakování z Nauky o materiálu
22
Zkoušky ultrazvukové Ultrazvuk = mechanické kmity částic prostředí - frekvence > 16 kHz (pro nedestruktivní zkoušení 1 až 15 Mhz)
Princip: průchod nebo odraz ultrazvukových vln, popř. princip rezonance Výhody : • metoda velmi rychlá, jednoduchá a přesná – vhodné pro trhliny • není omezená tloušťkou zkoušeného materiálu (nízký útlum) Nevýhody : • přechod ultrazvuku z vysilače event. do přijímací sondy → opracovaný povrch zkoušeného vzorku Opakování z Nauky o materiálu
23
Zkoušky ultrazvukové - metody Ultrazvukem zjišťujeme: vnitřní vady výrobků měření tlouštěk stěn Metody (nejčastější): • průchodová • odrazová ● rezonanční (měření tloušťky stěn – změna frekvencí)
a-materiál bez vad; b-s menší vadou; c-s velkou vadou /1-vysílací sonda; 2-přijímací sonda/
Opakování z Nauky o materiálu
24
Princip odrazové utrazvukové metody
– a,b s jednou sondou; c,d s dvěma sondami /1-vysílací i přijímací sonda, 2-počáteční echo, 3-koncové echo, 4-poruchové echo, VS-vysílací sonda, PS-přijímací sonda/ Opakování z Nauky o materiálu
25
Zkoušky prozařováním (radiologické)
snaha o zobrazení vnitřních defektů v materiálu ve skutečné podobě a velikosti – nevhodné pro plošné vady (trhliny) využívá krátkovlnné elektromagnetické záření
Opakování z Nauky o materiálu
26
Zkoušky prozařováním Zeslabení (absorbce) procházejícího rtg. záření a záření gama je závislé na:
vlnové délce použitého záření tloušťce zkoušeného materiálu atomovém čísle zkoušeného materiálu
Dělení podle délky použitého záření: dlouhovlnné (měkké) 5-50 keV (rtg) krátkovlnné 50-400 keV (rtg) velmi krátkovlnné (tvrdé) 0,5-30 MeV (betatron) Zdroje: rtg lampy (ocel do 80 mm) lineární urychlovače a betatrony (ocel do 500 mm) radioizotopy (Co60 - záření gama) Opakování z Nauky o materiálu
27
Indikace (registrace) snímků
Prozařovací metody – registrace a-fotografická, b-fluorescenční, c-ionizační /1-zářič, 2-clona, 3-prozařovaný materiál, 4-film v kazetě, 5-fluorescenční deska, 6-stínící deska, 7-ionizační komora, 8-registrační přístroj/ Opakování z Nauky o materiálu
28
