Mechanické zkoušení kovů

Mechanické zkoušení kovů    
Testování mechanických vlastností materiálů hraje nezastupitelnou roli při kontrole technologie výroby, při kontrole jakosti a při přejímkách polotovarů či výrobků a také při vývoji nových materiálů. Existuje celá řada materiálových zkoušek. Některé z mají uplatnění obecně pro testování jak křehkých tak houževnatých materiálů (zkoušky tvrdosti, tahová zkouška) a jiné se používají jen ve speciálních případech. Tyto tzv. technologické zkoušky se využívají pro posouzení vhodnosti materiálu k určitému speciálnímu způsobu zpracování (slévatelnost, tvařitelnost). Všechny metody testování materiálů prošly historickým vývojem. Již Leonardo da Vinci zkoušel pevnost konopných lan jednoduchou tahovou zkouškou. První zkušební tahový stroj byl postaven roku 1729 a systematicky začalo zkoušení pevnosti od poloviny 19. století. Počátkem 20. století přibyly zkoušky tvrdosti a krátce na to zkoušky vrubové houževnatosti. U některých materiálů se rovněž provádí zkoušky tlakem, ohybem, střihem či krutem.1.Zkoušky tvrdosti      Tvrdost je definována jako odpor materiálu proti deformaci cizím tělesem. Podle hodnoty tvrdosti lze usuzovat na další mechanické vlastnosti materiálu, například pevnost v tahu či mez kluzu. Je třeba si uvědomit, že výsledek měření tvrdosti je ovlivněn celou řadou podmínek provedení zkoušky. Při zkoušce tvrdosti dochází k plastické deformaci materiálu v místě vtisku. Jednoduché vyjádření poměrů při zkoušce tvrdosti je obtížné a tvrdost nelze proto vyjádřit jednoduchou fyzikální veličinou. Všeobecně je tvrdost funkcí řady činitelů jako jsou:
pružné vlastnosti zkoušeného materiálu
plastické vlastnosti zkoušeného materiálu
rozměry zkoušeného tělesa
použité zatížení při zkoušce
tvar vnikacího tělesa a rychlost vnikání
mechanické vlastnosti vnikacího tělesa
     Podle způsobu zjišťování tvrdosti se metody dělí na:
statické
dynamické
zvláštní
nepřímé
1.1.Statické metody     Jsou zkoušky nejznámější a jak v technické praxi, tak i ve výzkumu nejvíce používané. Společným znakem těchto metod je, že tvrdost se hodnotí jako odolnost materiálu proti vnikání cizího tělesa, které je zatlačováno klidnou silou do hladkého povrchu kovu. Proto se tyto zkoušky označují jako vnikací. Jednotlivé metody se pak od sebe liší tvarem a materiálem vnikajícího tělesa (indentoru), velikostí používaného zatížení (makro, mikro) a způsobem číselného vyhodnocení.1.1.1.Zkoušky makrotvrdosti (zatěžující síla nad 30N)Do této skupiny zkoušek patří v metalurgii nejběžněji používané metody:
Brinellova
Vickersova a
Rockwellova
1.1.1.1.Metoda BrinellovaPrincip metody spočívá ve vtlačování ocelové kuličky průměru D do zkušebního tělesa působením síly F, směřující kolmo k povrchu tělesa po stanovenou dobu a změření průměru vtisku d po odlehčení zatížení. Tvrdost podle Brinella HB je definována jako poměr působícího zatížení F k ploše povrchu kulového vtisku A dle vztahu 1. 
(1)
Zkoušený předmět musí být rovný a hladký, nejlépe broušený. Při úpravě povrchu musí být vyloučeny změny vlastností ohřevem nebo tvářením za studena. Kuličky se používají s průměrem 10, 5, 2.5 a 1mm. Zatížení musí působit bez rázů u slitin železa 10 až 15 s. Vzhledem k tomu, že plocha vtisku není přímo úměrná zatížení, je tvrdost podle Brinella závislá na zatížení.1.1.1.2.Metoda VickersovaPrincip metody spočívá ve vtlačování diamantového, pravidelného čtyřbokého jehlanu s vrcholovým úhlem mezi protilehlými stěnami 136°, do zkušebního tělesa silou F, působící kolmo k povrchu tělesa po stanovenou dobu a změření úhlopříček vtisku po odlehčení.Tvrdost podle Vickerse HV (vztah 2) je definována jako poměr působícího zatížení F k ploše vtisku (pravidelný čtyřboký jehlan se čtvercovou základnou a úhlopříčkami d). 
(2)
Zatížení musí působit bez rázů po dobu 10-15s. Tvrdost HV nezávisí na použitém zatížení. Měření vtisku se provádí změřením délky obou úhlopříček a pro výpočet tvrdosti se použije aritmetický průměr.1.1.1.3.Metoda RockwellovaPrincip metody spočívá ve vtlačování vnikacího tělesa s diamantovým kuželem nebo ocelovou kuličkou do povrchu zkušebního tělesa postupně na dvakrát a ve změření trvalého zvětšení hloubky vniknutí tohoto vnikacího tělesa.Tvrdost podle Rockwella HR je tvrdost vyjádřená rozdílem mezi smluvní hloubkou vnikání a hloubkou vniknutí vnikacího tělesa působením přídavného zatížení při odlehčení na předběžné zatížení.Indentory se používají dvojí. Buď diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120°, přičemž vrchol je zaoblen s poloměrem zakřivení r = 0,2 mm, nebo ocelová kulička průměru 1/16´´,tj. cca 1,59 mm. V některých případech se mohou používat kuličky s průměrem větším (1/8´´,1/4´´a 1/2´´ ). Zatížení se při zkoušce tvrdosti podle Rockwella požívá dvojí. Předběžné zatížení Fo slouží zejména k vyloučení chyb vzniklých nerovností povrchu a přídavné zatížení F1. Hodnoty Fo, a F1 jsou uvedeny v tab I.                              Tabulka I.: Zatížení při zkoušce podle Rockwella [N]
 
HRA
HRB
HRC
 Předběžné Fo
98
98
98
 Přídavné F1
490
883
1373
 Celkové F
588
981
1471
Doba působení zatěžující síly vyplývá z postupu zkoušky. Nejdříve se zatíží předběžným zatížením Fo. Stupnice hloubkoměru se nastaví na počáteční polohu a bez rázů se během 2-8s zatíží přídavným zatížením F1. V případě, že 2s po prudkém zpomalení ručičky hloubkoměru nepokračuje plastická deformace dále, odlehčíme přídavné zatížení F1 a odečteme tvrdost HB. Jestliže plastická deformace dále pokračuje, můžeme podle dohody odlehčit přídavné zatížení v případě měření na stupnici C po 5-6s a na stupnici B po 6-8s po prudkém zpomalení ručičky hloubkoměru. Celá stupnice hloubkoměru je rozdělena na 100 dílků, přičemž 1 dílek u stupnice A, B a C znamená 0,002 mm a u stupnice N a T pak 0,001 mm. Označování tvrdosti podle Rockwella se provádí číslem, písmeny HR s uvedením dalšího písmene, které značí použitou stupnici. 1.1.2.Zkoušky tvrdosti malým zatížením (2 – 30 N)Využívají se jednak k měření tvrdosti velmi drobných součástek (například hodinářské výrobky), drátů, plechů, kalených nebo nitridovaných vrstev nebo materiálů křehkých, které se při větším zatížení tříští.1.1.2.1.Metoda VickersovaČasto se pro měření tvrdostí malým zatížením používá metoda Vickersova, která již byla popsána. V této souvislosti je potřeba upozornit na to, že tvrdost podle Vickerse není závislá na zatížení přibližně pouze do 5 N. Z toho vyplývá, že nelze srovnávat hodnoty naměřené při zatížení větším než 5 N s hodnotami naměřenými při zatížení menším než 5 N.1.1.2.2.Metoda KnoopovaMetoda Knoopova se liší od Vickersovy tvarem diamantového indentoru. Je to rovněž jehlan, ale je vybroušen tak, že jedna dvojice protilehlých hran svírá úhel 130° a druhá dvojice úhel 172°30´. Vtisk má pak tvar kosočtverce s poměrem úhlopříček přibližně 1:7. Tvrdost podle Knoopa se počítá z delší úhlopříčky vtisku.1.1.2.3.Metoda GrodzinskéhoMetoda Grodzinského používá jako indentoru diamantového dvojkužele spojeného základnami. Toto tělísko se vtlačuje do materiálu kolmo k osy souměrnosti, čímž vznikají vtisky s tvarem podobným jako u zkoušky Knoopovy.1.2.Zkoušky dynamickéZkouškami dynamickými označujeme ty zkoušky tvrdosti, u nichž vnější síla nepůsobí klidně a bez rázů na indentor. Tyto zkoušky se principiálně dělí na dvě skupiny:
Dynamicko-plastické, kde se jedná o vnikací zkoušku, kde indentor vniká rázem, vyhodnocuje se velikost vtisku. Mezi tyto metody patří měření tvrdosti Poldi kladívkem nebo Baumannovým kladívkem (zde je ráz konstantní, zajištován ocejchovanou pružinou).
Dynamicko-elastické, kde se zjišťuje výška odrazu indentoru spuštěného na zkoušený vzorek určitou energií (například Shoreho metoda).
1.3.Metody nepříméDo této skupiny lze zařadit všechny metody, které usuzují na hodnotu tvrdosti měřením jiných fyzikálních vlastností, které souvisejí většinou empiricky. Často se využívá souvislostí mezi tvrdostí a strukturou slitin. 2.Zkouška tahemMechanické zkoušky statickéMechanické zkoušky statické vyjadřují chování materiálu za působení klidných spojitých vnějších sil. Provádějí se zpravidla za normální teploty, v menším rozsahu při zvýšených nebo snížených teplotách. Nejrozšířenější zkouškou je zkouška tahem. Méně obvyklé ale významné jsou zkoušky tlakem, ohybem, střihem a krutem. Použití té které zkoušky je dáno mimo jiné, druhem zkoušeného materiálu.Statická zkouška tahemPůsobí-li na těleso síla, dochází ke změně jeho tvaru. Při zkoušce tahem je zkušební tyč zatěžována klidnou silou zpravidla až do jejího porušení. Během zkoušky se sleduje vztah mezi působící silou a jí odpovídající deformací. Z naměřených hodnot se pak určí mechanické hodnoty. Za základní mechanické hodnoty se pak určí mechanické hodnoty. Za základní mechanické hodnoty se považují mez pevnosti, mez kluzu, tažnost a kontrakce. Tyto hodnoty se určují běžně. Méně běžné je podrobnější měření v oblasti pružných deformací, kde se zejména určuje modul pružnosti a mez pružnosti.Namáhání v mezích pružnostiPro konstrukční účely má hlavní význam namáhání v oblasti pružných deformací. V této oblasti se úměrně s rostoucím napětím zvětšuje deformace. Tento zákon objevil Hook a matematicky jej formuloval Young v roce 1802, viz vztah 3. 
R = E . ε
(3)
   kde R je napětí   E je Youngův modul pružnosti v tahu  ε je poměrné prodlouženíZjištování modulu pružnosti v tahuModul pružnosti můžeme určit podle Hookova zákona ze závislosti síla-prodloužení. Musí být uvedeno, mezi kterými silami byl modul pružnosti určován, přičemž trvalé prodloužení nesmí překročit 0,003% měřené délky. Stanovit modul pružnosti lze dvěma způsoby:
z diagramu síla-poměrné celkové prodloužení jako směrnici počáteční přímkové části diagramu
z diagramu síla-poměrné prodloužení, který se získá měřením deformací dostatečně citlivým průtahoměrem při postupném zatěžování a odlehčování zkušební tyče
Obě metody jsou zatíženy různými chybami, které vyplývají ze způsobu zjištování. Za přijatelný se považuje rozptyl výsledků u téhož vzorků o 2%. Hodnoty modulu pružnosti vypočítané z celkových deformací jsou o 3-4% vyšší než hodnoty vypočtené z deformací pouze pružných.Zjišťování meze pružnostiFyzikální mez pružnosti je mezní napětí, které ještě nevyvolá trvalé prodloužení. U polykrystalických materiálů se zjišťuje smluvní mez pružnosti jako napětí, které způsobí trvalé prodloužení zpravidla v rozmezí 0,005-0,05%.Namáhání nad mezí pružnostiPři namáhání v oblasti nad mezí pružnosti se určuje mez kluzu, mez pevnosti v tahu, tažnost a kontrakce.Zjištování meze kluzuPodle ČSN 42 0310 je potřeba rozlišovat výraznou mez kluzu (Re) zjistitelnou pouze u některých uhlíkových ocelí, kde diagram napětí-prodloužení jeví diskontinuitu na rozhraní pružných a plastických deformací. Smluvní mez kluzu je definována jako napětí, které způsobí 0,2% trvalé deformace.Výrazná mez kluzu (Re) se zjistí z charakteristického průběhu křivky napětí-prodloužení viz obr. 1.
Obr.1: Výrazná mez kluzu Re
             ReH... horní mez kluzu             ReL.... dolní mez kluzuSmluvní mez kluzu se může zjistit několika způsoby:Mez kluzu určená z trvalé deformace po odlehčení RrPomocí průtahoměru podobně jako mez pružnosti postupným zatěžováním a odlehčováním. Zjistíme napětí, po jehož odlehčení zůstane na zkušební tyči předepsané trvalé prodloužení vyjádřené v procentech počáteční měřené délky (například 0,1%). Takto zjištěné napětí se nazývá smluvní mez kluzu určená z trvalé deformace po odlehčení a označuje se Rr0,1.
 

Obr.2: Výpočet mez kluzu Rr0,1
Mez kluzu určená z trvalé deformace pod zatížením RpZjistíme napětí, při kterém trvalá deformace dosáhne předepsané hodnoty, vyjádřené v procentech (například 0,2%) počáteční měřené délky zkušební tyče. Toto napětí se nazývá smluvní mez kluzu určená z trvalé deformace pod zatížením a označuje se Rp0,2. 
Obr.3: Výpočet mez kluzu Rp0,2
Mez kluzu určená z celkové deformace pod zatížením RtZjistíme napětí, při kterém celková deformace zkušební tyče dosáhne předepsané hodnoty (například 0,5%), vyjádřené v procentech počáteční měřené délky. Toto napětí se nazývá smluvní mez kluzu určená z celkové deformace pod zatížením a označuje se Rt0,5. 
Obr.4: Výpočet mez kluzu Rt0,5
Pevnost v tahu RmPevnost v tahu je podle ČSN 42 0310 definována jako napětí, odpovídající největšímu zatížení, předcházejícímu přetržení zkušební tyče. Je to tedy hodnota smluvní (maximální síla Fmax vztažená na původní průřez So), viz vztah 4. 
(4)
Tažnost a kontrakceRovnoměrná deformace zkušební tyče probíhá pouze do nejvyššího zatížení a pak dochází k zaškrcování a místnímu prodlužování a kontrakci, viz vztahy 5 a 6. Uvádí se v procentech.Tažnost A - poměrné prodloužení  
(5)
   Lo ... počáteční měřená délka zkušební tyče   Lu ... konečná měřená délka zkušební tyčeBylo zjištěno, že kontrakční prodloužení je úměrné počátečnímu průřezu zkušební tyče. Tažnost se pak označuje indexem podle délky zkušební tyče (A5 krátká tyč, A10 dlouhá tyč)Kontrakce Z - poměrné zúžení průřezu v místě lomu 
(6)
   So ... počáteční průřez vzorku   Su ... průřez vzorku v místě lomuV případě, že prodloužení je minimální (křehké materiály), nemá smysl určování kontrakce, neboť platí vztah 7.
(7)
     
80/pub/st/menu1.htm"
Nauka o materiálu
Základní vlastnosti materiálů a jejich zkoušení
Mechanické vlastnosti
      Materiály jsou při zpracování i při používání vystaveny různému namáhání, jako je tah, tlak, krut, střih a ohyb (obr. 2). Tato jednotlivá namáhání obvykle nepůsobí samostatně (jednotlivě), ale v různých kombinacích. Materiál je tedy vystaven složenému namáhání. Například materiál je namáhán současně tahem, ohybem i krutem.
Obr. 2. Základní druhy namáhání materiálu
Aby materiál mohl odolávat těmto namáháním, musí mít určité vlastnosti, jako pevnost, tvrdost, pružnost, tvárnost aj.       Na mechanické vlastnosti materiálů má značný vliv také teplota. Při určitých teplotách se mění krystalická struktura materiálů, a tím se mění i jejich mechanické vlastnosti. Tvářením kovů za studena se deformují krystalické mřížky a vzniká v nich vnitřní pnutí. Tím se zvětšuje jejich pevnost a