Mechanické zkoušení kovů

u svarů a u plastů určených k lisování, méně často u neželezných kovů.
Zkoušky opětovným namáháním
      Říkáme jim také zkoušky únavy materiálu a dávají opět jiný obraz o chování kovů. Při namáhání součásti vznikají často poruchy dříve (tj. i při značně nižším napětí), než odpovídá jeho statické pevnosti. Tomuto jevu říkáme únava materiálu. Při zkoumání se ukázalo, že nebezpečí lomu z únavy je jen při překročení určité hranice, kterou nazýváme mez únavy.      Při zjišťování meze únavy je součást namáhána napětím cyklickým, tj. napětím měnícím se periodicky od horní (σh, τh) hodnoty po hodnotu dolní (σd, τd, obr. 15). Zatěžovací cyklus (perioda) je průběh napětí za jednu dobu kmitu. Doba kmitu je nejmenší časový úsek, za který se opakuje týž průběh namáhání.      Mez únavy zjišťujeme na speciálních zkušebních strojích. Pro střídavé napětí souměrné a nesouměrné stanovíme mez v kombinaci tah - tlak (σC), v ohybu (σC0) a v krutu (τC). Při napětí pulsujícím a míjivém určujeme mez únavy v tahu, tlaku, ohybu a krutu. Provedení těchto zkoušek a velikost a tvar zkušebních tyčí určuje ČSN 42 0363.      Pro tyto zkoušky se používá několika stejných zkušebních tyčí ze zkoušeného materiálu a zatěžují se jedním z uvedených způsobů. První tyč se zatíží něco málo pod mezí kluzu a po porušení tyče se odečte příslušný počet cyklů změn zatížení. Vynesením použité velikosti napětí σ na svislou osu a počtu cyklů na vodorovnou osu se získá bod 1 (obr. 17). Další tyče se zatíží menším napětím, čímž se dosáhne většího počtu cyklů před porušením - bod 2. Tak se postupuje i u ostatních tyčí a získají se další body. Těmito body se proloží křivka (tzv. Wöhlerova křivka) udávající závislost mezi napětím a počtem cyklů. Tato křivka se po určitém počtu cyklů blíží asymptoticky napětí, které je mezí únavy σC. Proto si k Wöhlerově křivce zakreslíme asymptotu jako rovnoběžku s vodorovnou osou a tato rovnoběžka na ose napětí určuje mez únavy. Mez únavy σC [N/mm2] definujeme jako největší napětí, při kterém součást zhotovená z tohoto materiálu vydrží teoreticky neomezený počet cyklů změn zatížení.
Obr. 17. Konstrukce Wöhlerovy křivky - zjišťování meze únavy
      Únava materiálu souvisí nejen s jeho vlastnostmi, ale i se stavem jeho povrchu. Drsnost, vruby, povrchová koroze apod. snižují mez únavy. Leštění, povrchové tvrzení nebo mechanické zpevnění povrchu naopak mez únavy zvyšují.
Mechanické vlastnosti-Zkoušky tvrdosti
      Tvrdost, jako jedna z mechanických vlastností, má hlavně u kovových materiálů mimořádnou důležitost. Je to proto, že ze všech vlastností materiálu ji můžeme zjistit nejrychleji, nejlevněji a i na předmětech nejmenších rozměrů. Z tvrdosti často usuzujeme i na některé další vlastnosti materiálu (pevnost v tahu, obrobitelnost apod.). Zkouší se buď na zkušebních vzorcích, nebo přímo na hotových výrobcích.      Tvrdost definujeme jako odpor, který klade materiál proti vnikání cizího tělesa. Na této definici je založena většina přístrojů k měření tvrdosti. Hodnoty tvrdosti se uvádějí buď bez jednotek, nebo, jsou-li odvozeny ze vztahu mezi tlakovou silou a plochou vtisku, přisuzujeme jim jednotku N/mm2. Protože však tento způsob může vést k omylům (k záměně za pevnost), je lépe uvádět tvrdost jako číslo nepojmenované, pouze s udáním způsobu měření nebo stupnice. Pro tvrdost používáme značku H. Zkoušky tvrdosti rozdělujeme na zkoušky vrypové, vnikací a odrazové.      Zkouška vrypová. Dnes se jí používá už jen pro tvrdé a křehké materiály (sklo, porcelán aj.). V technické praxi se používá zkouška podle Martense.      Vrypovou tvrdost podle Martense HMa zjišťujeme přitlačováním kuželového diamantového hrotu měnitelným tlakem na leštěný povrch zkušebního předmětu, kterým pohybujeme určitou rychlostí. Mírou tvrdosti je pak síla F, potřebná ke vzniku vrypu širokého 0,01 mm.      Zkouška vnikací je nejpoužívanější zkouškou při zjišťování tvrdosti materiálů. Při této zkoušce zatlačujeme do zkušebního materiálu velmi tvrdé těleso (kuličku, kužel, jehlan) a měřítkem tvrdosti je velikost vzniklého vtisku (jeho plocha, hloubka nebo uhlopříčka, obr. 13.) Nejznámější jsou zkoušky tvrdosti podle Brinella, Rockwella a Vickerse. Tvrdost neželezných kovů (Cu, Sn, Pb, Al a jejich slitiny) zkoušíme nejčastěji podle Brinella, tvrdé a kalené materiály podle Rockwella. Zkouška tvrdosti podle Vickerse odstraňuje nevýhody obou předcházejících zkoušek a je nejpoužívanější.
Obr. 13. Zkoušky tvrdosti
      Tvrdost podle Brinella (ČSN 42 0371) zjišťujeme vtlačováním ocelové kalené kuličky o průměru D=10; 5; 2.5; 2 a 1 mm rovnoměrně stupňovanou silou F (F=300 D2; 100 D2; 50 D2 a 25 D2 N) po dobu t (t=10; 30; 120; 180 s) do lesklé rovné plochy zkušebního vzorku nebo zkoušené součásti. Zkouší se na Brinellově tvrdoměru. Kulička vytvoří na zkušebním vzorku kulovitý vtisk. Tvrdost určujeme podle průměru vtisku, který měříme dvakrát (kolmo na sebe), abychom vyloučili chyby vzniklé nepřesností vtisku. Pro praktickou potřebu jsou sestaveny tabulky, ve kterých podle průměru vtisku d a velikosti použité síly F najdeme přímo odpovídající tvrdost a pevnost. Označení tvrdosti se skládá ze značky tvrdosti HB a k ní připojených údajů podmínek zkoušky, tj. průměru kuličky D, síly F a doby zatížení t. Tyto údaje jsou od sebe odděleny šikmou zlomkovou čarou (např. HB 5/7500/30 = 320). Pro nejběžnější podmínky, tj. HB 10/30000/10, používáme jen označení HB (např. HB=210).      Přesnost měření závisí na správném proměření vtisku. U Brinellovy zkoušky je toto proměření obtížné a nepřesné, což je její nevýhodou. Vtisk bývá někdy nezřetelný a nesouměrný. Na průměr vtisku má velký vliv i vtažení materiálu po kraji vtisku (u materiálu nezpevněného) nebo naopak vytlačení obvodového valu (u materiálu zpevněného). Příčinou další chyby je deformace použité vtlačované kuličky (je z kalené oceli). Pro materiály tvrdší než HB=400 není již ocelová kulička vhodná a používá se kuličky ze slinutých karbidů. Není vhodná pro kalené předměty.
Obr. 14. Ruční tvrdoměr Poldi
Zkouška podle Brinella je důležitá hlavně proto, že mezi tvrdostí HB a pevnosti v tahu σPt platí u kovových materiálů empiricky zjištěná přímá závislost daná vztahem:
σPt(0.31 až 0.41)HB.
Pro uhlíkové oceli platí σPt0.36HB.
      Brinellovy tvrdoměry mají různou velikost a provedení. Ve velkých továrnách a laboratořích, kde se zkoušky tvrdostí konají po celý pracovní den, mají velké stabilní přístroje. Pro malé dílny, sklady, montáže nebo pro zkušební účely na stavbách byly zkonstruovány malé jednoduché přístroje. Nejpoužívanější z nich je ruční přenosný (kapesní) tvrdoměr Poldi (obr. 14). Principem je porovnání známé pevnosti materiálu porovnávací tyčinky s pevností zkoušeného materiálu. Pracuje se s ním tak, že tvrdoměr přiložíme ke zkoušenému předmětu a kladívkem udeříme na úderník. Ocelová kulička se úderem kladívka zatlačí do zkoušeného materiálu a vytvoří v něm vtisk. Zároveň se však kulička vtiskne i do porovnávací tyčinky. Lupou se změří průměry vtisků na zkoušeném materiálu i na porovnávací tyči. V tabulkách, které jsou ke každému tvrdoměru přiloženy, vyhledáme příslušné číslo tvrdosti podle velikosti vtisku.      Tvrdost podle Rockwella (ČSN 42 0373) zjištujeme na Rockwellově tvrdoměru jako rozdíl hloubky vtisku ocelové kuličky nebo diamantového kužele mezi dvěma stupni zatížení (předběžného a celkového, obr. 13). Účelem předběžného zatížení je vyloučit z měřené hloubky nepřesnosti povrchových ploch.      Diamantový kužel nebo ocelovou kuličku, dotýkající se povrchu zkoušeného předmětu, nejprve předběžně zatížíme silou 100 N, což je výchozí poloha pro měření hloubky vtisku. Potom zvolna zvětšujeme zatěžovací sílu tak, abychom za 3 až 6 sekund dosáhli zatížení předepsané normou (např. předběžné zatížení silou 100 N + zkušební zatížení silou 1400 N = celkové zatížení silou 1500 N). Pak zatěžující sílu opět zmenšujeme až na 100 N a v tomto stavu zjistíme přírůstek h hloubky vtisku, který nastal proti výchozí poloze při 100 N. Většina přístrojů pro tuto zkoušku je upravena tak, že hloubku vtisku odečteme na číselníkovém úchylkoměru, kde ukazovatel na číselníku ukazuje přímo tvrdost podle Rockwella. Je to zkouška rychlá, snadná, vpichy (důlky) jsou velmi malé (max. hloubka 0.2 mm). Je vhodná pro běžnou kontrolu velkých sérií výrobků a tam, kde HB již není použitelná.      U nás jsou normalizovány tři zkoušky tvrdosti podle Rockwella. Tvrdost zjištěnou při těchto zkouškách označujeme HRA, HRB, HRC.      HRA je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení 600 N (pro křehké materiály a tenké povrchové vrstvy),      HRB je tvrdost určená ocelovou kuličkou při celkovém zatížení 1000 N (pro měkčí kovy),      HRC je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení 1500 N (doporučuje se používat pro rozsah HRC=20 až 67).      Tvrdost podle Vickerse (ČSN 42 0374) se zkouší na Vickersově tvrdoměru. Do materiálu vtlačujeme diamantový jehlan se čtvercovou základnou a okulárem mikroskopu nebo projekcí zjišťujeme střední délku u obou úhlopříček (obr. 13). Zkušební zatěžující síla bývá od 10 do 1000 N. Doba zatížení se volí od 10 do 180 s. Použité zatížení píšeme do označení, např. HV 100 (HV 100 = 215).      Pro běžně zkušební zatížení 300 N používáme označení HV (např. HV 250).      Pro praktickou potřebu používáme tabulek, ve kterých podle délky úhlopříčky u a použité síly F najdeme přímo odpovídající tvrdost. Této metody můžeme použít pro všechny tvrdosti. Je velmi přesná a není téměř závislá na zatížení.      Pro kontrolování tvrdosti po celou pracovní dobu se používá ve velkých závodech zdokonalených Vickersových tvrdoměrů, tzv. diatestorů. Obraz čtvercového vtisku je promítán ve zvětšeném měřítku na matnici. To umožňuje pohodlné a rychlé čtení délky úhlopříčky u.      Mikrotvrdost. Metodami, které jsme uvedli, se zjišťuje tzv. makrotvrdost (vtisk má plochu velkou i několik mm2). Pro velmi tenké materiály nebo malé předměty (fólie, strukturní složky materiálů aj.) nelze těchto metod použít. Používáme k tomu mikrotvrdoměrů, nejčastěji s diamantovým jehlanem (Vickers) a malým zatížením (0.005 až 1 N). Mluvíme potom o mikrotvrdosti. Mikrotvrdoměry jsou buď samostatné, nebo jsou součástí metalografického mikroskopu.      Zkouška odrazem. Touto metodou zjišťujeme tvrdost z velikosti odskoku závaží spuštěného z určité výše od zkoušeného materiálu. Přístroj nazýváme Shoreův skleroskop a stanoví se jím tvrdost podle Shorea HSh. Tohoto způsobu zjišťování tvrdosti se používá velmi málo, většinou jen pro měření tvrdosti velkých výrobků, konstrukcí apod.      Každý závod nemá k dispozici veškeré měřící přístroje pro měření tvrdosti všemi metodami. Byla proto sestavena porovnávací tabulka (ČSN 42 0379) pro převod mezi jednotlivými tvrdostmi. Výběr z této normy je uveden ve Strojnických tabulkách.
Mechanické vlastnosti-Zkoušky za nízkých a vysokých teplot
Zkoušky za vyšších teplot
      Pro kovy, které chceme použít na součásti pracující za vyšších teplot, nemají hodnoty zjištěné za normální teploty prakticky žádnou cenu. Dělají se proto krátkodobě nebo dlouhodobé zkoušky mechanických vlastností kovů za zvýšené teploty. Nejčástější takovou zkouškou je zkouška pevnosti v tahu, méně často v tlaku, ohybu, krutu a zkouška tvrdosti. Zkušební stroj musí být doplněn píckou udržující teplotu zkoušené tyče na žádané výši.      Se vzrůstající teplotou klesá značně pevnost kovů a mez kluzu, ale stoupá tažnost a kontrakce (obr. 18). Například velmi pevná ocel se za vysoké teploty chová jako olovo nebo cín za normální teploty. To znamená, že i při poměrně malém, konstantním, klidném trvalém zatížení (např. tahem) se zkušební tyč prodlužuje, až nastane přetržení.
Obr. 18. Pracovní diagramy (počáteční část) zkoušky tahem měkké oceli v závislosti na různých teplotách
      Na obrázku 19 je charakteristický tvar křivky tečení při tahové zkoušce za vyšší teploty, společný pro různé kovy. Z hlediska změny průběhu deformace můžeme charakteristickou křivku tečení rozdělit na čtyři části. První část křivky OA odpovídá počátečnímu protažení zkušební tyče působením konstatní síly. Protažení nemá nic společného s tečením materiálu a skládá se ze složky pružné a tvárné. V druhé části křivky AB se tyč prodlužuje stále se zmenšující rychlostí. Třetí část křivky tečení BC je nejdůležitější, neboť odpovídá rychlosti tečení téměř konstantní. Proto v této části definujeme obvykle mez tečení. Čtvrtá část křivky CD představuje zvětšující se rychlost prodlužování tyče. Prodlužování se již nezastaví a v bodě D dojde k přetržení tyče.
Obr. 19. Křivka tečení při zkoušce tahem za vyšší teploty
      Z diagramu vidíme, že je nutno nejprve stanovit, které namáhání (napětí) považujeme za mezní pro určení únosnosti za tepla, neboli meze tečeni v tahu σTt. Toto namáhání je dáno napětím při určité rychlosti prodlužování. Místo termínu rychlost prodlužování používáme zde termínu rychlost tečení (ČSN 42 0302).      Mez tečení v tahu σTt (napětí na mezi tečení v tahu) při určité teplotě (např. 500°C) definujeme proto jako namáhání v N/mm2, jež vyvodí mezi 25. a 35. hodinou zkoušky průměrnou rychlost tečení 0,003 % měřené délky za hodinu. Tyto údaje označujeme číselnými indexy u značky meze tečení. Píšeme proto σTt 35/3/500, kde první index značí horní hranici časového úseku zkoušky (35h=35), druhý index je mocnitel rychlosti tečení při vynechání záporného znaménka (10-3%/h=3) a třetí index je teplota (500°C=500).      Méně často určujeme mez tečení v tlaku σTd, v ohybu σT0 a v krutu τTk.
Zkoušky za nízkých teplot
      Chování kovů za nízké teploty je opakem chování za teploty vysoké. Pevnost vzrůstá, zmenšuje se však tažnost a houževnatost. Praktickou důležitost mají tyto zkoušky např. pro materiály vozidel, kde teplota okolí může klesat až na -50°C, nebo u materiálů pro kompresory a čerpadla (až -180°C).      Stejně důležité jsou tyto zkoušky u materiálu pro zařízení a přístroje určené k dosažení velkých výšek (letadla, střely, družice). Kromě trhací zkoušky se zde uplatňuje nejčastěji zkouška vrubové houževnatosti.