Mechanické vlastnosti technických materiálů a jejich měření. Metody charakterizace nanomateriálů 1

Transkript

1 Mechanické vlastnosti technických materiálů a jejich měření Metody charakterizace nanomateriálů 1

2 Základní rozdělení vlastností ZMV Přednáška č. 1 Nejobvyklejší dělení vlastností materiálů v technické praxi : fyzikální (magnetické, transportní, tepelné, radiační) fyzikálně chemické (chemické a elektrochemické, optické,kontaktní mechanické technologické (úzce souvisí s používanou technologií a se změnou technologie se můžou měnit svařitelnost, slévatelnost, obrobitelnost Základní pružnost pevnost plasticita houževnatost Mechanické Vlastnosti vlastnosti, kterými lze vyjádřit číselně chování materiálu za působení vnějších sil Odvozené tvrdost odolnost vůči: křehkému lomu únavovému porušení tečení opotřebení povrchu

3 Mechanické namáhání materiálu Mechanické vlastnosti vyjádření reakce na definované mechanické namáhání Veličina definující mechanické σ = namáhání napětí σ V namáhaném průřezu působí napětí normálov lové σ, kolmo na S smykové τ, v rovině S df ds Počet, druh a průběh σ v objemu tělesa stav napjatosti Veličina definující odezvu materiálu na mechanické namáhání deformace ε

4 Mechanické namáhání materiálu - deformace deformace ( změna rozměrů namáhaného tělesa vyvolaná působícím napětím) pružná (elastická) ε el vratná, r < a/2 trvalá (plastická) ε pl nevratná, r na celková deformace ε = ε el + ε pl Vztah mezi napětím a změnou délky v elastické oblasti Hookův zákon σ = Eε délková deformace ε = L L 0 napětí σ = F S 0 Pružná deformace v příčném směru (pružné zmenšení průřezu) ψ = d d 0

5 Mechanické namáhání materiálu - deformace Poissonovo číslo poměr obou deformací ν = (- vyjadřuje záporný směr deformace) ε využití: stanovení objemových změn v konstrukčních výpočtech pro kovy 0,25 < ν < 0,5 V = ε( 1 2ν ) V 0 ψ Skutečná deformace fyzikální vyjádření: L1 dl L Pro vztah mezi 1 ε ε = ln( 1+ ε ) = L 0 L = ln L 0 skutečnou a smluvní deformací

6 Pružnost = Schopnost materiálu před porušením se deformovat 1. Moduly pružnosti (vyjadřují odpor materiálu proti pružné deformaci čím modul pružnosti, tím napětí σ je nutné k vyvolání deformace) Modul pružnosti v tahu E σ 1 E K = = = Modul pružnosti ve smyku G V χ 31 Modul pružnosti objemový K V 2. Mez pružnosti R e nejvyšší napětí, při kterém ještě nevzniká plastická deformace velikost R e odvozena od vnitřního odporu materiálu vůči PD technicky přesné měření je nemožné nelze určit přesný přechod mezi elastickou a plastickou deformací je definována jako napětí způsobující malou trvalou deformaci Re 0,005 (tz. 0,005% L 0 ) 3.Energie elastické deformace charakteristika materiálu využívaná např. v lomové mechanice Stanovuje se z plochy pod zatěžovací křivkou ( 2ν )

7 Pevnost odolnost materiálu proti trvalému porušení soudržnosti částic může se realizovat: štěpením štěpná pevnost dána normálovým napětím σ smykem smyková pevnost dána smykovým napětím τ dělení podle způsobu namáhání: tah tlak střih krut - ohyb (obvykle se pod pojmem pevnost myslí pevnost v tahu, která se nejvíce používá v praxi i ve výzkumu a vývoji materiálů)

8 Pevnost - varianty Pevnost konvenční: R m definována pomocí konvenčního napětí nemá fyzikální podstatu ( skutečné napětí je vyšší), používá se z praktických důvodů Pevnost skutečná: R f definována skutečným napětím v okamžiku porušení tělesa vyjadřuje fyzikální odolnost materiálu proti vzniku a šíření lomu Pevnost ideáln lní: R id σ max σ max [ MPa] maximální teoretická hodnota pevnosti, které lze dosáhnout v daných podmínkách dá se vypočítat z meziatomových vazebných sil hodnoty blížící se ideální pevnosti lze zjistit u bezporuchových monokrystalů či kovových skel = = F S F S f u max 0 = R = f R m [ MPa]

9 Zkoušen ení základních mechanických vlastností Reakce zkoušeného materiálu na působení vnějších sil je daná vzájemnou interakcí čtyř základních činitelů: - zatížení - geometrie zkušebního tělesa - materiál zkušebního tělesa - ostatní podmínky zkoušky Ostatní podmínky zkoušky: - zkušební teplota - okolní prostředí (vlhkost, ) Je třeba zjištěné hodnoty vlastností navzájem porovnávat a reprodukovat dohoda (konvence) o zkušebních postupech 9

10 Zkoušky mech. vlastností Aspekty rozdělení: podle stavu napjatosti jednoosá víceosá napjatost podle způsobu zatížení tah tlak ohyb.. podle časového průběhu zatěžující síly statické dynamické podle účinku zatížení na zkušební těleso destruktivní nedestruktivní) 10

11 Mechanické zkoušky statické definují chování materiálu při působení stálých nebo pomalu spojitě se měnících sil zkušební těleso se zatěžuje zpravidla pouze jednou až do porušení sleduje se závislost napětí a deformace podle druhu namáhání dělení na zkoušky: tahem tlakem ohybem krutem střihem Pozn.: do skupiny zkoušek statických patří také zkouškytvrdosti, přestože způsob zkoušení má jiný charakter. 11

12 Zkouška ka tahem Princip: porušení zkušební tyče s cílem zjistit napěťové a deformační charakteristiky zkoušeného materiálu 12

13 Univerzální zkušební aparatura 13

14 Diagram zkoušky v tahu Normované vlastnosti: MEZ PEVNOSTI R m MEZ KLUZU R e TAŽNOST A KONTRAKCE Z (kromě toho E, R E, R U ) Diagram zkoušky v tahu σ=f(ε) Různé typy tahových diagramů 14

15 Napěťové charakteristiky diagramu E Youngův modul pružnosti R U mez úměrnosti nejvyšší σ, při kterém zákon platí Hookův R E mez pružnosti, konvenční hodnota R E0,005, σ které působí trvalou deformaci 0,005%L 0 R e mez kluzu nejmenší σ, které působí výraznou plast. deformaci, smluvní hodnota R e0,2, výrazná x nevýrazná R e R m mez pevnosti smluvní σ, odpovídající F max do porušení, vztažené k S 0 15

16 Činitelé ovlivňující tvar tahového diagramu u ocelí 1. Složen ení % C : C < 0,001 bez výrazné meze kluzu C > 0,001 vznik prodlevy nebo poklesu 0,05 < C < 0,15 nejvýraznější pokles C > 0,4 mez kluzu jako zlom na diagramu, blízko eutektoidního složení zlom mizí! 2. Teplota čím vyšší teplota, tím vyšší rozpustnost uhlíku ve feritu diagram má kostrbatý průběh; uklidnění při C; u teplot nad 200 C se ztrácí mez kluzu 3. Jemnost krystalizace čím hrubší mez kluzu krystalizace, tím nižší 16

17 Doplnění informací o mech. vlastnostech materiálu analýza lomu po tahové zkoušce D) C) 17

18 Vliv příměsí na tvárnost materiálu Al Porovnání vlastnostíčistého Al a slitiny typu Duralu při zkoušce v tahu Slitina Al,Mg,Cu 18

19 Porovnání vlastností různých materiálů při zkoušce v tahu 19

20 Další statické zkoušky Zkouška ka jednoosým tlakem Teoreticky opak namáhání v tahu. V reálných kovech vlivem nestejnorodosti struktury a dalších faktorů však existují rozdíly mezi mech. vl. v tahu a tlaku. Součinitel stavu napjatosti při jednoosém tlaku 4 než při jednoosém tahu při namáhání v tlaku plastická deformace i materiálů, které se při tahu chovají jako polokřehké. jen u materiálů křehkých, nebo v případě nedostatku materiálu pro výrobu zkušební tyče pro tahovou zkoušku 20

21 Zkouška ka jednoosým tlakem Zkušební těleso váleček o průměru d 0 charakteristického soudkovitého tvaru třecí síly mezičely válečku a podložkami brzdí deformaci na čelech válečku Pevnost v tlaku konvenční napětí, při kterém se a výšce h 0. Univerzální trhací stroje nebo speciální lisy (odměření zatěžující sílu s potřebnou přesností) Váleček dosahuje vzorek poruší: R pd = F pd S 0 Definuje se také: mez kluzu v tlaku R ed plasticita v tlaku A d poměrné příčné rozšíření Z d 21

22 Další statické zkoušky Zkouška ka ohybem Namáhání v ohybu vzniká v průřezu tělesa zatíženého dvojicí příčných sil působících v rovině procházející podélnou osou tělesa. Ohyb = kombinace tahového a tlakového namáhání. Nejčastější uspořádání trojbodový symetrický ohyb čtyřbodový symetrický ohyb ohyb vetknutého tělesa Cíl zkoušky: zjistit pevnost v ohybu = největší ohybové napětí ve zkušební tyči při porušení 22

23 Další statické zkoušky Zkouška ka krutem Namáhání krutem působí na tyči zatížené dvojicí momentů působících v rovinách kolmých na osu tyče, a které mají opačný směr. Napětí v průřezu je rozložené nerovnoměrně. Mění se lineárně od nuly v ose kroucení až do τ max v povrchovýchčástech. Cíle zkoušky: zjistit pevnost v krutu, úhel zkroucení ϕ (vzájemné pootočení dvou průřezů vzdálených o L 0 ), resp. zkos γ (úhel pootočení povrchové přímky). 23

24 Další statické zkoušky Zkouška ka střihem Střihové namáhání vzniká působením paralelních, opačně působících sil, ležících v rovině střihu, kdy tyto zatěžující síly nevyvozují ani moment ohybový ani moment kroutící. V průřezu tyče ležícím v rovině působení zatěžujících sil vzniká pouze smykové napětí. Zkoušky na střih se provádí jako jednoduchý nebo dvojitý střih 24