Nauka o materiálu. Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

Transkript

1 Nauka o materiálu Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

2 Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Monokrystal Atomy jsou pravidelně uspořádány, tvoří trojrozměrné útvary, které lze získat trojrozměrně periodickým opakováním určitého motivu. Pokud se motiv periodicky opakuje v celém objemu materiálu, mluvíme o monokrystalu. Pouze některé látky se v přírodě vyskytují ve formě monokrystalu: - diamant a další drahé kameny - oxid křemičitý apod. 2 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

3 Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Polykrystaly jedná se o útvary složené z drobných monokrystalů (zrn) oddělených od sebe hranicemi zrn. Důvodem je zřejmě skutečnost, že polykrystaly mají ve srovnáni s monokrystaly nižší energii a vyšší entropii. Vznik polykrystalu tuhnutím. Polykrystalická struktura oceli 3 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

4 Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Ke zpevnění materiálů dochází díky plastické deformaci, která vzniká v důsledku pohybu dislokací. Hustota dislokací během plastické deformace prudce narůstá, což vysvětluje Frank Readův zdroj Dislokace se pohybují vlivem smykového napětí Velmi tvrdý materiál pohyb dislokací je omezen Tažný materiál dislokace se mohou pohybovat 4 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

5 Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Deformační zpevnění a) válcování, b) kování, c) tažení, d) protlačování, e) hluboké tažení, f) tváření tažením, g) ohýbání 5 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

6 Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Příměsové zpevnění - slitiny, legovací prvky apod. Čím větší rozdíl mezi velikostí základních atomů a atomů příměsí, tím větší omezení pohybu dislokací a zpevnění slitiny. zpevnění mědi (Cu) 6 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

7 Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Precipitační zpevnění Vlivem omezené rozpustnosti vznikají v materiálu matrice (základní kov) vměstky neboli precipitáty. Precipitáty jsou částice druhé fáze, které mají často odlišné fyzikální, chemické vlastnosti a krystalickou strukturu. Precipitáty jsou značnou překážkou pro pohyb dislokací. Tvar a mechanické vlastnosti precipitátů lze měnit tepelným zpracováním. 7 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

8 Zpevnění monokrystalu a polykrystalického kovu Zpevnění pomocí hranic zrn Hranice zrn jsou jako plošné poruchy složeny buď z dislokací (maloúhlové hranice), nebo z tenké téměř amorfní vrstvičky (velkoúhlové hranice) a jsou značnou překážkou pro pohyb dislokací. Deformace polykrystalů s velkým zrnem je obvykle dána hlavně deformací uvnitř zrn. Deformace polykrystalů s malými zrny, která se téměř nedeformují a kloužou po sobě tzv. pokluz po hranicích zrn. Velikost a tvar zrn se během deformování mění, přičemž se tvar jednoho zrna přizpůsobuje tvaru zrn sousedních. V tom případě hraje velký význam mechanismus difúze atomů, silně ovlivňovaná teplotou deformovaného materiálu. 8 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

9 Pevnost krystalických materiálů Působí-li na těleso vnější síla, vzniká v tělese napětí Normálové (Pa, MPa) tahové či tlakové Tečné (Pa, MPa) - smykové F t F cos S S 0 sin F S 0 F t S F S 0 cos sin cos / sin Max. bude při Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

10 Pevnost krystalických materiálů Napětí vyvolá v tělese deformaci (ε), která znamená změnu jeho tvaru Logaritmická deformace Poměrná deformace ln l l l l l l l Tečná deformace u b Hookeův zákon pro pružnou deformaci ve smyku 10 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů G

11 Tahová zkouška Tahová zkouška se provádí dle ČSN EN ISO (aktualizována v roce 2010) Je nejčastější mechanickou zkouškou kovových materiálů. Zkoušky se realizují na trhacích strojích, kde se zkušební tyč postupně zatěžuje tahovou silou až do přetržení. 11 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

12 Tahová zkouška Zkušební tyč před zkouškou po zkoušce d 0 počáteční průměr zkoušené délky L C zkoušená délka L 0 počáteční měřená délka L t celková délka zkušebního tělesa L u konečná měřená délka po lomu S 0 počáteční průřezová plocha zkoušené délky S u minimální průřezová plocha po lomu průřezy 12 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

13 Tahová zkouška Při zatížení vzorku se snímá zatěžující síla F (N) prodloužení vzorku L (m, mm) případně příčné zúžení Přepočtem získáme závislost - F S L L 0 S - plocha průřezu vzorku (m 2, mm 2 ) - tahové napětí (Pa, MPa) L 0 - původní délka vzorku (m, mm) - poměrné prodloužení (-) 13 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

14 Tahová zkouška - dle ČSN EN ISO A tažnost v procentech A g plastické prodloužení v procentech měřené průtahoměrem při max. zatížení A gt celkové prodloužení v procentech měřené průtahoměrem při max. zatížení A t celková tažnost v procentech e prodloužení v procentech měřené průtahoměrem m E směrnice pružné části závislosti napětí-prodloužení v procentech měřené průtahoměrem R napětí R m mez pevnosti v tahu 14 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

15 Tahová zkouška Příklady horních a dolních mezí luzu při tahové zkoušce e prodloužení v procentech měřené průtahoměrem R napětí R eh horní mez kluzu R el dolní mez kluzu 15 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

16 Výsledky získané z tahové zkoušky R e - mez kluzu - hranice lineárního průběhu (Pa, MPa) R m - mez pevnosti - maximální namáhání materiálu (Pa, MPa) m - poměrné prodloužení na mezi pevnosti (-) E - modul pružnosti v tahu (Pa, MPa) z Hookeova zákona m - Poissonovo číslo (-) udává závislost mezi příčnou a podélnou deformací Tažnost v procentech Poissonův zákon A Lu Lo Lo 100% Kontrakce v procentech Z So Su So 100% E m 16 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů p

17 Hookeův zákon E E = tg j modul pružnosti v tahu F S L L Normálové napětí Poměrná deformace Analogie Hookeova zákona pro smykové napětí G G modul pružnosti ve smyku poměrná smyková deformace E 2(1 m) m Poissonovo číslo - poměr mezi příčnou a podélnou deformací 17 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů G

18 Elastická deformace Fyzikální proces elastické (pružná) deformace spočívá v relativně malém vychýlení atomů z rovnovážné polohy v důsledku působení vnějších sil (dislokace se nepohybují) Elastická deformace je deformace vratná tzn. že po odlehčení napětí vymizí (těleso nabývá původní tvar a objem). Platí Hookeův zákon tj. do meze pružnosti 18 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

19 Plastická deformace Plastická (trvalá) deformace vzniká působením dostatečně velkého zatížení (nad mezí pružnosti), která se po odlehčení projeví jako trvalá změna tvaru tělesa. Materiál mění svůj tvar a rozměry. Během plastické deformace dochází k rozsáhlým změnám v mikroskopické a submikroskopické stavbě materiál. Vlivem plastické deformace dochází k deformačnímu zpevnění materiálů 19 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

20 Viskoelastická deformace Viskoelastická (zpožděná elastická) deformace je kombinací elastické deformace a viskózního toku. Je dokonale vratná, ale není okamžitá. K dosažení rovnovážné deformace při konstantním napětí je zapotřebí určité doby. Řídí se časově závislým Hookeovým zákonem: ( t) G( t) Ideálně viskoelasticky se deformují sesíťované polymery při teplotách nad teplotou skelného přechodu 20 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

21 Viskoplastická deformace Viskoplastická deformace je časově závislá plastická deformace. Při popisu je důležitá časová závislost deformace a rychlosti deformace. Příkladem viskoplastické deformace je tečení (creep). 21 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

22 Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška v tlaku d 0 = 10 až 30 mm h 0 = 2,5 až 3 d 0 Stanovuje se: - mez pevnosti v tlaku - mez kluzu v tlaku - poměrné stlačení d ho hu ho 100% - poměrné příčné rozšíření d Su So 100% So 22 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

23 Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška v ohybu - nejčastěji tříbodový ohyb Max. ohybový moment (Nm, Nmm): Mo max R A L 2 F L 4 Napětí v ohybu (Pa, MPa): 0 Mo Wo Modul průřezu v ohybu pro kruhový průřez (m 3, mm 3 ): d Wo Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

24 Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška ve střihu Zkouška obvykla probíhá na trhacím stroji pomocí přípravku pro tzv. Dvojitý střih. Stanovuje se mez pevnosti ve střihu Rms. F Rms 2 So F síla (N) So plocha příčného průřezu (m 2, mm 2 ) 24 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

25 Další zkoušky nap. def. chování materiálu Zkouška v krutu Krouticí moment (Nm, Nmm): Napětí v krutu (Pa, MPa): K M W K K Modul průřezu v krutu pro kruhový průřez (m 3, mm 3 ): d W K Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

26 Zkoušky tvrdosti Tvrdost je chápána jako odpor materiálu proti vniknutí cizího tělesa Tvrdost je mírou odporu materiálu proti plastické deformaci Základní metody měření tvrdosti: - vtiskové - vrypové - odrazové - kyvadlové Vtiskové metody měření tvrdosti Podstatou je vyhodnocení velikosti trvalé deformace po vtlačení indentoru do povrchu materiálu. Čím je deformace větší, tím je tvrdost menší. 26 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

27 Zkouška tvrdosti podle Brinella (HB) Zatlačení ocelové kuličky o D [mm] silou F [N] kolmo do povrchu. Měří se průměr vtisku d [mm] a z něj se počítá povrch vrchlíku A [mm 2 ] 0,102 F HB A Dle ČSN EN ISO 6506 se síla F volí tak, aby průměr vtisku byl v rozsahu 0,25-0,6 D. Zkouška tvrdosti podle Brinella D je vhodná do tvrdosti 450HB 0,102 2 F D D 2 d 2 27 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

28 Zkouška tvrdosti podle Vickerse (HV) Způsob provedení je popsán normou ČSN EN ISO Vyhodnocuje se povrch vtisku vzniklý vtlačením čtyřbokého diamantového jehlanu. Rozsah síly vtlačení je 9,8-980N HV F A F tlačná síla [N] A povrch vtisku [mm2] D aritmetický průměr úhlopříček vtisku d1 a d2 [mm] 0,189 F d Úhlopříčky se měří opticky 2 (mikroskopem) s přesností 0,001 mm 28 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

29 Zkouška tvrdosti - Rockwell (HRA, HRB, HRC) Způsob provedení je popsán normou ČSN EN ISO Vyhodnocuje se hloubka vtisku: HRA diamantový kužel 120º, F = 600N HRB kalená kulička cca =1,6mm, F= 1000N HRC diamantový kužel, F = 1500N (předpětí 100N +1400N) Předností Rockwellovy metody je její rychlost. 29 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

30 Další zkouška tvrdosti Zkouška tvrdosti podle Shorea (HS) Jedná se o odrazovou zkoušku prováděnou pomocí Shore-ho skleroskopu. Princip spočívá v pádu válcového kladívka z výšky 254mm na povrch zkušebního předmětu. Měří se výška odrazu kladívka po dopadu na empiricky sestavené stupnici. Zkouška tvrdosti pomocí Poldi Kladívka Určeno pro provozní měření tvrdosti. Rázem kladívka na čelo svorníku se kulička vtlačí do zkušebního povrchu a jednak do standardního vzorku. Po úderu se měří průměry vtisku v obou površích a pomocí tabulek se z obou hodnot stanovuje tvrdost HB 30 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů

31 Další zdroje informací 1) Silbernagel, A.: Nauka o materiálu I, skripta FS VŠB TU Ostrava, 2000, 150 s. 2) Silbernagel, A.: Programy do cvičení z nauky o materiálu I, skripta VŠB TU Ostrava, 1999, 120 s. 3) University of Cambridge. Dissemination of IT for the Promotion of Materials Science (DoITPoMS). Animace pro podporu výuky Nauky o materiálu (Materials Science), ) 31 Přednáška č. 3 Pevnost krystalických materiálů