Mechanické zkoušení kovů

zmenšuje tažnost.
Druhy zkoušek mechanických vlastností materiálů
      Mechanické vlastnosti materiálů budeme probírat zároveň s popisem jejich zkoušek. Těmito zkouškami totiž získáváme údaje nutné pro návrh tvaru, rozměrů a materiálů strojních součástí.       Z hlediska působení síly na zkušební těleso rozdělujeme mechanické zkoušky takto:
://mujweb.atlas.cz/www/pk80/pub/st/data/st1/zk3_1.htm" Statické zkoušky, při nichž zatížení zvětšujeme poměrně zvolna. Působí obvykle minuty, při dlouhodobých zkouškách dny až roky.
Dynamické zkoušky rázové a cyklické, při kterých působí síla nárazově po zlomek sekundy. Při cyklických zkouškách (tzv. zkoušky na únavu materiálu) se proměnné zatížení opakuje i mnoha cykly za sekundu až do mnoha miliónů jejich celkového počtu.
Zvláštní technické zkoušky, jejichž údaje je možno považovat za směrné, neboť výsledky zkoušek zde závisí na mnoha vedlejších činitelích. Z těchto zkoušek jsou nejdůležitější ti.
Podle teplot, při kterých zkoušky provádíme, je dělíme na zkoušky za normálních, a lot.
      Mechanické zkoušky většinou neprovádíme na součásti samé, ale na zvláštních vzorcích (nejčastěji ve tvaru tyčí) zhotovených buď přímo ze součásti, nebo z téhož materiálu. Podrobné údaje o mechanických zkouškách materiálů obsahuje ČSN 42 0300-sada.
Mechanické vlastnosti-Zkoušky statické
      Tyto zkoušky jsou základem mechanického zkoušení materiálu. Materiál zatěžujeme pozvolna bez rázu, a to buď pouze jednou, nebo zatěžování několikrát opakujeme. Základem těchto zkoušek jsou zkoušky pevností. Podle způsobu působení zatěžující síly rozdělujeme tyto zkoušky na zkoušky pevnosti v tahu, tlaku, ohybu, krutu a střihu.       Zkušební stroje jsou buď jednoúčelové (pro jeden druh zkoušek), nebo univerzální (pomocí vhodných přípravků lze provádět různé druhy zkoušek).       Na obrázku 3 je schéma univerzálního zkušebního stroje. Skládá se z rámu, upínacího ústrojí, zatěžovacího ústrojí, z měřicího a registračního (na obr. není zakresleno) zařízení. Do tlakového válce se přivádí tlakový olej, tím se zvedá pohyblivý (vnitřní) rám stroje. Zkušební tyče pro zkoušku pevnosti v tahu se upínají do upínacích hlav. Zkouška pevnosti v tlaku se koná na zkušební kostce nebo válečku, položeném na desce pohyblivého rámu. Při zkoušce pevnosti v ohybu se pokládá zkušební vzorek na dvě podpěry a namáhání je vyvozeno ohýbacím trnem připevněným na horní desku pevného rámu. Měřící zařízení (tzv. kyvadlový manometr) je spojeno potrubím s pracovním prostorem tlakového válce. Tlak působící na píst měřicího tlakového válečku je vyvážen kyvadlem se závažím.
Obr. 3. Schéma univerzálního zkušebního stroje pro zkoušku tahem, tlakem a ohybem
      Ručička na ramenu páky kyvadla ukazuje na stupnicí měřicího zařízení zatížení v jednotkách síly, tj. v N.
Zkoušky pevnosti
      Zkouška tahem (trhací) - ČSN 42 0310 - je nejrozšířenější statickou zkouškou. Je nutná téměř u všech technických materiálů, protože jí získáme některé základní hodnoty potřebné pro výpočet konstrukčních prvků a volbu vhodného materiálu. Zkoušky tahem se zpravidla nedělají přímo na vyrobené součásti, ale na zkušebních tyčích, jejichž tvary a rozměry jsou normalizovány (obr. 4). Vlastní měřená délka l0 závisí na průřezu zkušební tyče a je při kruhovém průřezu u dlouhé tyče 10 d0 a u tyče krátké 5 d0 (d0=průměr zkušební tyče). Abychom mohli měřit prodloužení zkušební tyče po přetržení, vyznačíme na ní před zkouškou
Obr. 4. Tvary zkušebních tyčí pro zkoušku tahem
rysky ve vzdálenosti 10 mm. Trhací zkouškou zjišťujeme pevnost v tahu, poměrné prodloužení, tažnost a zúžení (kontrakci) zkoušeného materiálu.       Při všech statických zkouškách vzniká v zatížené součásti napětí. Je to míra vnitřních sil, které vznikají v materiálu působením sil vnějších. Rozeznáváme napětí normálové σ a napětí tečné τ. Podíl síly a skutečné plochy průřezu v kterémkoli stadiu zkoušky nazýváme skutečným napětím. Běžně však používáme hodnoty smluvních napětí, protože neuvažujeme změnu průřezu tyče a zatížení vztahujeme na původní průřez S0.       Pevnost v tahu (mez pevnosti v tahu) σPt je smluvní hodnota napětí daného podílem největší zatěžující síly F, kterou snese zkušební tyč, a původního průřezu tyče S0:
,
.
      Byla-li původní délka zkušební tyče l0 a délka zjištěná po přetržení l, je celkové prodloužení (změna délky):
l=l-l0
      Poměrné prodloužení ε je dáno poměrem změny délky l k původní délce zkušební tyče l0:
,
.
      Tažnost δ je poměrné prodloužení vyjádřené v procentech původní délky:
.
      U tažnosti uvádíme indexem (δ5, δ10), zda byla získána na krátké či dlouhé tyči.       Kontrakce (zúžení průřezu) ψ je dána poměrem zúžení průřezu tyče po přetržení (S0-S) k původnímu průřezu tyče S0. Vyjadřujeme ji v procentech:
.
      Pevnost v kluzu (mez kluzu v tahu) σKt je napětí, při němž se zkušební tyč počne výrazně prodlužovat, aniž by stoupala zatěžující síla, nebo při němž nastává prodlužování doprovázené poklesem zatěžující síly. Stanovíme ji ze vztahu
.
      Hodnoty σKt a σPt zaokrouhlujeme na N/mm2, tažnost a kontrakci na desetinu procenta.       U uhlíkových ocelí (žíhaných) bývá poměr
=0.5 až 0.6, u slitinových ocelí až 0.9.
      Trhací stroje kreslí v průběhu trhací zkoušky na milimetrový papír, upnutý na buben registračního přístroje, pracovní diagram (obr. 5), udávající závislost poměrného prodloužení ε na napětí σ (nebo změny délky l na zatěžující síle F). V pružnosti a pevnosti má význam jen diagram ε-σ.       Z diagramu vidíme, že zpočátku je prodloužení tyče přímo úměrné vzrůstajícímu zatížení, a to až do bodu U.
Obr. 5. Pracovní diagram zkoušky tahem a tlakem u měkké uhlíkové oceli
Napětí σU, odpovídající bodu U, nazýváme mez úměrnosti a definujeme ji jako mezní napětí, při němž je prodloužení ještě přímo úměrné napětí (Hookův zákon).       V dalším průběhu zkoušky přestává být prodloužení přímo úměrné zatížení. Až po bod E je protažení pružné, tj. po odlehčení nabývá tyč původních rozměrů. Napětí σE odpovídající bodu E je mez pružnosti a definujeme ji jako mezní napětí, které po odtížení (úplném odlehčení) nevyvolává trvalé deformace.       Zvětšujeme-li zatížení dále, nastává přetváření plastické (trvalé) a tyč po odlehčení již nenabude původní délky. Napětí σKt odpovídající bodu K označujeme jako mez kluzu v tahu a definujeme je jako nejmenší napětí, při němž nastávají podstatné deformace, které někdy dočasně pokračují, aniž se zároveň zvyšuje napětí.       V technické praxi se za mez pružnosti bere napětí způsobující první trvalou deformaci. Je to smluvní hodnota pro trvalou deformaci zkušební tyče 0.005 % původní měřené délky l0. Označujeme ji σEt 0.005, krátce σ0.005. Zjišťování této meze je velmi obtížné a zdlouhavé.       U některých materiálů prodleva nenastane a mez kluzu nelze zjistit (obr. 6). Proto jako běžnou smluvní hodnotu bereme napětí, které způsobí trvalé prodloužení 0.2%, tj. σ0.2. Zjišťujeme je buď graficky (obr. 7), nebo měřicím zařízením (průtahoměry).
Obr. 6. Pracovní diagram oceli s výraznou mezí kluzu a oceli bez výrazné meze kluzu
Obr. 7. Grafické stanovení σ0.2 z pracovního diagramu
      Od bodu K jde čára diagramu téměř vodorovně, kov jako by tekl, tj. tyč se prodlužuje, aniž vzrůstá zatížení. Někdy se objeví i malý pokles napětí. Při dalším zvětšování zatížení se tyč prodlužuje mnohem rychleji než vzrůstá zatížení. Bodu P na vrcholu křivky odpovídá největší napěti σPt (mez pevnosti v tahu čili pevnost v tahu). Při napětí odpovídajícím bodu S se tyčka přetrhne (skutečné napětí při přetržení je menší než pevnost v tahu).       Tvar pracovního diagramu se mění podle druhu materiálu. Na obrázku 8 jsou uvedeny pracovní diagramy pro některé konstrukční materiály.
Obr. 8. Příklady pracovních diagramů různých kovů a slitin
      Zkouška tlakem je používána méně často (např. u ložiskových kovů, litiny, vrstvených tvrzených hmot, keramických látek, stavebních hmot apod.). U ocelí nebývá tato zkouška nutná, neboť hodnoty meze úměrnosti a meze kluzu v tahu i tlaku jsou přibližně stejné. Zkušební tělesa mívají obvykle tvar válečku o řd=10 až 30 mm. Výška válečku h se při hrubých zkouškách rovná průměru d, při přesných měřeních volíme výšku h=(2.5 až 3)d. Zkušební tělesa z kamene, betonu, dřeva apod. mají tvar krychle.       Průběh tlakové deformace zkušebního válečku z houževnatého materiálu (měkké oceli) je na obr. 9. V prvním údobí zkoušky je křivka napětí strmá, materiál odolává tlaku a tvoří se tzv. tlakové kužele. V druhém údobí hmota tělesa lehce klouže po kuželových plochách do stran, což se jeví v tlakovém diagramu menším vzrůstem napětí vzhledem k deformaci.
Obr. 9. Pracovní diagram zkoušky tlakem měkké uhlíkové oceli
Jakmile se tlakové kužele k sobě přiblíží (třetí údobí), vzrůstá odpor proti stlačování a křivka stlačení má opět strmý průběh. Této třetí fáze obvykle u tlakových zkoušek nedosahujeme. U křehkého materiálu nastává rozdrcení (lom) bez plastické deformace.       Stejně jako u trhací zkoušky můžeme i u zkoušky tlakové sestrojit diagram εd-σd (obr. 5) a stanovit:
pevnost v tlaku (mez pevnosti v tlaku) σPd,
prosté zkrácení (stlačeni) ld,
poměrné zkrácení (stlačení) εd,
poměrné zkrácení (stlačení) v procentech δd,
příčné rozšíření ψd.
      Rozměry i definice těchto hodnot jsou stejné jako pro zkoušku tahem. Mez pevnosti v tlaku se uvádí jen pro křehké materiály, neboť u měkkých a tvárných kovů nelze určit okamžik porušení. Smluvní mez kluzu v tlaku σ0.2 určujeme obdobným způsobem jako u tahové zkoušky.       Zkouška ohybem. Tuto zkoušku používáme u materiálů křehkých, hlavně u litých materiálů, např. šedé litiny (ČSN 42 0361). U materiálů houževnatých k porušení zkušební tyče nedojde. Obvyklé uspořádání zkoušky je na obr. 10. Zkušební tyč je uložena na podpěrách a uprostřed tyče působí zatěžující síla. Napětí v průřezu je rozděleno nerovnoměrně, tj. od nulové hodnoty v neutrální ose roste do maxima v povrchových vláknech. Při postupně rostoucím zatížení odměřujeme průhyb tyče y až do okamžiku, kdy se tyč přelomí nebo se trvale prohne.       Pevnost v ohybu (mez pevnosti v ohybu) σPo je napětí, při němž se tyč přelomí. Průhyb při lomu yp je absolutní prohnutí při lomu zkušební
Obr. 10. Zkouška ohybem
tyče namáhané na ohyb, měřené uprostřed podpěr ve směru působící síly. Z výsledků zkoušky určíme i poměrný průhyb φ v procentech
.
      Zkouška krutem. Touto zkouškou se hlavně zjišťuje jakost drátů za studena (ČSN 42 0421 - Zkouška drátu kroucením). Zkouškou za tepla se určuje kujnost oceli. Je vhodná i pro tuhé nekovové materiály (ČSN 64 0130). Zkouška se dělá většinou na válcových zkušebních tyčích, které se ve zkušebním stroji zatěžují až do porušení. Měří se příslušný krouticí moment a zkroucení tyče na určité měřené délce. Touto zkouškou zjišťujeme poměrné zkroucení (zkrut)
.
      Úhel zkroucení φ je úhel vzájemného pootočení dvou rovnoběžných průřezů kolmých k ose, vzdálených o délku l0 (obr. 11). Pevnost v krutu (mez pevnosti v krutu) τPk je největší smykové napětí, které způsobí lom zkušební tyče namáhané kroucením (např. u křehkých látek). U houževnatých materiálů se zkušební tyč poruší až po několika otáčkách.
Obr. 11. Zkouška krutem
      Zkouška střihem. Obvykle se zkouší v přípravcích vkládaných do univerzálních zkušebních strojů. Zkušební válcová tyč (obr. 12) se zasune do otvorů ve spodní i horní části přípravku a na horní část se působí postupně zvyšovanou tlakovou silou F. Ze zatížení, při kterém se zkušební tyč poruší, a z původní plochy stříhaných průřezů vypočítáme mez pevnosti ve střihu. Pevnost ve střihu (mez pevnosti ve střihu) τPs je největší smykové napětí potřebné k přestřižení zkušební tyče. Tato zkouška je obvyklá u slídy, dřeva, lepenky apod. Jinak není běžná.
Obr. 12. Zkouška střihem
      U kovů lze τPs odhadnout s přesností na 10 až 20 % podle vztahu τPs=4/5 σPt. Znalost pevnosti ve střihu je velmi důležitá při výpočtu síly potřebné k prostřihování plechů.
Nauka o materiálu
Základní vlastnosti materiálů a jejich zkoušení
Mechanické vlastnosti-Zkoušky dynamické
      V praxi jsou většinou strojní součásti namáhány zatížením, jehož velikost a smysl se prudce, popřípadě opakovaně mění. Základní způsoby namáhání vysvětluje obr. 15. Potřebné údaje o chování takto namáhaného materiálu nemůžeme zjistit statickými zkouškami, ale zkouškami dynamickými.
Napětí cyklické - nesouměrné
Napětí klidné - statické
Napětí pulsující (tepavé)
Napětí cyklické - souměrné
Napětí cyklické - míjivé
Obr. 15. Základní způsoby namáhání - průběhy napětí
Při tomto namáhání dochází často k náhlému porušení součásti, i když zatěžující síla ještě nedosáhla statické pevnosti materiálu.
Zkoušky rázem
      Slouží k zjištění, kolik práce nebo energie se spotřebuje na porušení zkušební tyče. Zkouší se nejčastěji jedním rázem, kdy na porušení zkušební tyčky se použije najednou dostatečného množství energie. Méně často zkoušíme několika rázy, kdy se energie po sobě jdoucích rázů sčítá. Rázem lze zkoušet pevnost v tahu, tlaku, ohybu nebo krutu.
Obr. 16. Zkouška rázem v ohybu - Charpyho kyvadlové kladivo
      Zkouška rázem v ohybu je ze všech zkoušek nejpoužívanější a je velmi dobrým ukazatelem houževnatosti nebo křehkosti materiálů. Nejběžnější je zkouška vrubové houževnatosti (ČSN 42 0381) na Charpyho kyvadlovém kladivu (obr. 16). Těžké kladivo, otočné kolem osy, se zdvihne a upevní v počáteční poloze. V nejnižší poloze kladiva se umístí ve stojanu kyvadlového kladiva zkušební tyč ze zkoušeného materiálu. Po uvolnění z počáteční polohy se kladivo pohybuje po kruhové dráze, narazí na zkušební tyč, přerazí ji a vykývne do konečné polohy. Tato poloha je nižší než poloha počáteční, protože na přeražení zkušební tyče se spotřebovala určitá práce. Této práci říkáme spotřebovaná nárazová práce AR [J] a vypočítáme ji ze vztahu
AR=G(h1-h2).
      Podíl spotřebované nárazové práce AR a původního nejmenšího průřezu v místě vrubu S0 nazýváme vrubová houževnatost R:
.
      Vrubovou houževnatost zjišťujeme zvláště u tepelně zpracovaných oceli,