Mechanické vlastnosti a charakteristiky materiálů I

Mechanické vlastnosti a charakteristiky materiálů I 1

Materiály jsou charakterizovány svými vlastnostmi. Nejdůležitější mechanické vlastnosti pružnost elasticita tvárnost plasticita pevnost houževnatost 2

Nejdůležitější mechanické vlastnosti Pružnost je schopnost materiálu deformovat se před porušením pružně. Pružná deformace je vratná, při odlehčení se rozměry tělesa vrátí na původní hodnoty. Při pružné deformaci neplatí zákon zachování objemu. Tvárnost je schopnost materiálu deformovat se před porušením plasticky. Plastická deformace je deformace nevratná, při odlehčení se rozměry tělesa nevrátí na původní hodnoty. Při plastické deformaci platí zákon zachování objemu. 3

Nejdůležitější mechanické vlastnosti Pevnost je odolnost materiálu proti trvalému porušení soudružnosti částic. Houževnatost je odolnost materiálu vůči vzniku deformace nebo porušení. Mírou houževnatosti je množství mechanické práce potřebné k vytvoření deformace nebo k porušení materiálu. 4

Hlavní faktory ovlivňující mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti jsou velmi výrazně ovlivněny mnoha interními a externími faktory. Mezi nejdůležitější patří: Interní faktory chemické složení a chemická heterogenita struktura a strukturní heterogenita velikost a tvar tělesa koncentrátory napětí (konstrukční a technologické vruby) stav povrchu Externí faktory: teplota rychlost deformace druh a časový průběh zatěžování okolní prostředí 5

Rozdělení mechanických zkoušek Základní zkoušky mechanických vlastností 1. Zkoušky statické 2. Zkoušky tvrdosti 3. Zkouška rázem v ohybu Zkoušky pro hodnocení mezních stavů materiálů 1. Zkoušky křehkolomových vlastností materiálů 2. Únavové zkoušky 3. Zkoušky tečení materiálů 6

Základní zkoušky mechanických vlastností Zkoušky statické Zkouška tahem Zkouška tlakem Zkouška ohybem Zkouška krutem Zkouška střihem Zkoušky tvrdosti Metoda Brinellova Metoda Vickersova Metoda Rockwelova Jiné metody Zkouška rázem v ohybu Charpyho zkouška 7

Zkoušky pro hodnocení mezních stavů Zkoušky křehkolomových vlastností materiálů (koncepce lomové mechaniky ) Zkoušky statické lomové houževnatosti Zkoušky dynamické lomové houževnatosti Zkoušky únavových vlastností materiálů Zkoušky v nízkocyklové oblasti Zkoušky ve vysokocyklové oblasti Zkoušky v gigacyklové oblasti Stanovení rychlosti šíření únavových trhlin Analýza únavových lomů Zkoušky tečení materiálu Vlastní tečení neboli creep Relaxace 8

Chování pevného tělesa za působení vnějších sil Působí-li na pevné těleso vnější síla, mění těleso svůj tvar, t.j. deformuje se. Vnitřní síly v tělese této změně tvaru brání, a tím současně vzniká v tělese napětí. 9

Deformace Změna tvaru tělesa se nazývá deformace neboli přetvoření. Deformaci v podélném směru můžeme definovat (kvantifikovat) veličinou, která se nazývá poměrná deformace ε a je definována takto: L L 0 D D 0 L L L D 0 0 D 0 0 D [ ] Obdobně deformace v příčném směru je definována: [ ] 10

Poissonovo číslo Poměr příčné a podélné deformace se nazývá Poissonovo číslo: [ ] Obvyklé hodnoty pro: Kovy 0,25 0,35 Keramiku 0,25 Polymery 0,4 materiál Slitiny hliníku 0,33 Beton 0,20 Poissonovo číslo Litiny 0,21-0,26 Sklo 0,24 Jíly 0,30-0,45 Měď 0,33 Korek ca. 0,00 Hořčík 0,35 Nerezové oceli 0,30-0,31 Pryž 0,50 Oceli 0,27-0,30 Molitan 0,10 to 0,40 Titan 0,34 Písek 0,20-0,45 auxetics záporné 11

Skutečná deformace Skutečná deformace je definována takto: dl d L [ ] L L 0 dl L ln L L 0 [ ] Vztah mezi skutečnou a poměrnou deformací: ln( 1 ) [ ] 12

Napětí Vnitřní síly deformaci brání, a tím vzniká v tělese napětí. Smluvní napětí F S 0 [ MPa] Skutečné napětí F S [MPa] Vztah mezi skutečným a smluvním napětím: ( 1 ) [ MPa] 13

Smykové a normálové napětí F S 0 [ MPa] F n F cos, F s F sin [ N] Síla působící v obecné rovině: S S 0 [ mm 2 ] cos n F n S cos 2 [ MPa] F s S sin cos 1 sin 2 2 [ MPa] 14

Napětí a elastická deformace Podle tvaru závislosti mezi napětím a elastickou deformací se materiály dělí na dvě skupiny: 1. Materiály s lineární závislostí σ ε 2. Materiály s nelineární závislostí σ ε (Toto chování je typické pro elastomery) 15

Materiály s lineární závislostí σ - ε Pro tyto materiály platí Hookeův zákon: E e [MPa] E modul pružnosti v tahu neboli Youngův modul Pro ocel platí: E = 2,1. 10 5 MPa Původní znění (Robert Hooke 1678): L k F [m] Prodloužení tělesa je přímo úměrné působící síle. 16

Materiály s lineární závislostí σ - ε Analogie Hookeova zákona pro smykové namáhání: G [MPa].. Smykové napětí G. Modul pružnosti ve smyku (Coulombův modul) Pro ocel platí: G = 0,81. 10 5 MPa.. Poměrná smyková deformace Pro izotropní materiály platí: G E 2 ( 1) [ MPa] 17

Hodnoty Youngova modulu Material E/GPa metals 15... 500 Tungsten 411 nickel alloys 180... 234 ferritic steels 200... 207 austenitic steels 190... 200 cast iron 170... 190 copper alloys 120... 150 titanium alloys 80... 130 brasses and bronzes 103... 124 aluminium alloys 69... 79 magnesium alloys 41... 45 ceramics 40... 1000 polymers 0.1... 5.0 E e [MPa]

Mechanismus elastické deformace Při elastické deformaci se atomy v uzlových bodech mřížky vlivem působení vnějšího zatížení oddálí nebo přiblíží (parametr mřížky sezvětší nebo zmenší), aniž by došlo k jejich přesunu do jiného uzlového bodu. Po odlehčení se atomy vrátí do své původní rovnovážné polohy. 19

Celková a plastická deformace Překročí-li vnější zatížení určitou mez, vytvoří se v materiálu plastická, tj. trvalá deformace. Celková deformace pak sestává ze dvou složek: e p [ ] V okamžiku, kdy na těleso přestane působit vnější zatížení, elastická deformace vymizí, zatímco plastická deformace zůstane zachována. 20

Celková a plastická deformace 2. zatížení 21

Mechanismy plastické deformace 1. Skluz dislokací 2. Dvojčatění 22

Skluz v rovině 45 na vnější tahovou sílu na Cu drátku 23

Skluz dislokací Nejčastější a nejznámější mechanismus plastické deformace, který se realizuje pohybem dislokací ve skluzových systémech. Skluz dislokací probíhá v určitých krystalografických rovinách a směrech, pro které platí: 1. Směr skluzu je totožný s některým směrem, který je nejhustěji obsazený atomy. 2. Skluz probíhá většinou v rovině nejhustěji obsazené atomy. 3. Ze souboru skluzových systémů (rovina, směr) je aktivní ten skluzový systém, který je optimálně orientován vůči vnějšímu zatížení, to je ve kterém je maximální smykové napětí. 24

Proč probíhá deformace v nejhustěji obsazených rovinách a směrech? 2 - Mechanické vlastnosti I Hustě obsazená rovina nebo směr Nedokonale vyplněná rovina nebo směr

Kritické napětí Původní Frenkelova teorie Upřesněný vzorec kr kr G 2 G 30 G b 2 L R, kde L Kritické napětí dle Taylora 2 1 Vztah po úpravě R G b 2 1 2 [ MPa] 26

Vliv krystalové mřížky na vlastnosti materiálu Krystalová mřížka FCC BCC HCP Kritické skluzové napětí MPa Počet skluzových systémů 0,3 až 0,8 30 až 80 0,3 až 0,8 12 ( 5) 12 ( 5) 3 ( 5) Příčný skluz je možný možný nemožný Výsledná materiálová vlastnost tvárnost pevnost relativní křehkost 27

Skluzové systémy u vybraných krystalografických mřížek 28

Skluzové systémy u vybraných krystalografických mřížek Kov Mřížka Čistota Skluzová rovina Směr skluzu KR [MPa] Zn HCP 99,999 (0001) [1010] 0,18 Mg HCP 99,996 (0001) [1010] 0,77 Cd HCP 99,996 (0001) [1010] 0,58 Ti HCP 99,990 (1010) [1120] 14,00 Ag FCC 99,990 (111) [110] 0,48 FCC 99,970 (111) [110] 0,73 FCC 99,930 (111) [110] 1,31 Cu FCC 99,999 (111) [110] 0,65 FCC 99,980 (111) [110] 0,94 Ni FCC 99,800 (111) [110] 5,80 Fe BCC 99,960 (110) [111] 28,00 (112) (123) Mo BCC 99,800 (110) [111] 50,00 29

Plastická deformace - shrnutí 30

Pohyb hranové dislokace 31

Pohyb dislokací Po překročení kritického napětí dochází k pohybu dislokací. F F 32

Pohyb šroubové dislokace Skluzová rovina 33

Nekonzervativní pohyb dislokací Difuzní šplhání hranové dislokace Příčný skluz šroubové dislokace 34

Vznik dislokací v materiálech Frankův-Readův zdroj (1) (2) (3) (4) (5) (6) 35

Frankův-Readův zdroj 36

Zpevnění polykrystalu Průběh zpevnění u polykrystalů se liší od zpevňování monokrystalů, neboť se zde uplatňuje několik dalších mechanismů. Mezi nejdůležitější patří: Zpevnění substitučními atomy Zpevnění intersticiálními atomy Deformační zpevnění Zpevnění hranicemi zrn Zpevnění precipitační 37

Zpevnění Zpevnění substituční Zpevnění intersticiálními atomy Zpevnění deformační 38

Zpevnění hranicemi zrn 39

Zpevnění hranicemi zrn Hallův-Petchův vztah: R el 1 2 k d [ MPa] 0 y kde σ 0 je třecí napětí potřebné pro pohyb dislokací (pro nízkolegovanou ocel σ 0 = 40 MPa) k y je materiálová konstanta [N*mm -3/2 ] d je střední průměr zrna [mm] 40

Interakce dislokací s překážkamiprecipitační zpevnění Dislokace překonává tvrdé nekoherentní částice(orowanův mech.) Dislokace překonává měkké koherentní částice (Friedlův mech) 41

Dvojčatění Druhý nejvýznamnější mechanismus plastické deformace, který se uplatňuje zvláště u kovů s mřížkou kubickou plošně středěnou a mřížkou hexagonální těsně uspo-řádanou. Jeho výskyt je podporován zejména vysokou rychlostí deformace a nízkou teplotou. Při dvojčatění se atomy v části krystalu přesunou o necelou meziatomovou vzdálenost, a to tak, že vznikne oblast mřížky souměrná podle roviny dvojčatění s neposunutou mřížkou. 42

Dvojčatění Přesun atomů při dvojčatění je výsledkem pohybu neúplných dislokací, na rozdíl od deformace kluzem, kde se jedná o pohyb úplných dislokací. 43

Hadfieldova ocel, deformovaná výbuchem. Dvojčatovým mechanismem dochází k fázové transformaci 44

Skluz dislokací a dvojčatění skluz dvojčatění 45

Makroskopické projevy skluzu Skluzové pásy 46

Zkouška tahem (statická) 47

Zkouška tahem, tahový diagram Zkouška tahem patří mezi nejdůležitější mechanické zkoušky. Cílem je stanovit tahový diagram a určit základní mechanické charakteristiky (R e, R m, A, Z), případně další napěťové a deformační charakteristiky, např. R 0,005, ε f atd. Tahový diagram vyjadřuje závislost F L, nebo po přepočtu ε při zkoušce jednoosým tahem. 48

Tahové diagramy různých materiálů 1. Nízkouhlíková ocel 2. Litina s lupínkovým grafitem 3. Polystyren 4. Polyethylen 5. Kaučuk 6. Keramické materiály 50

Zkušební vzorky Zkušební tyče se používají: válcové (d 0 3mm) se závitovými hlavami s osazenými hlavami s válcovými hlavami 2. ploché a*b (a 0.5mm) 51

engineering stress 2 - Mechanické vlastnosti I Tahový diagram F max y Typical response of a metal strain engineering strain 52

napětí 2 - Mechanické vlastnosti I Tahový diagram s horní a dolní mezí kluzu Lüdersovy čáry Lüdersova deformace deformace 53

Charakteristiky určované ze zkoušky tahem 54

Tahový diagram 55

Stanovení meze kluzu 56

Tahový diagram s výraznou mezí kluzu vliv teploty Smluvní tahový diagram oceli 11 373 450 400 350 300 Smluvní napětí [MPa] 250 200 150 100 50 20 C 500 C 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Poměrná deformace [-] 57

Tahový diagram bez výrazné meze kluzu Tahový diagram oceli 17251-500 C 350 300 250 Smluvní napětí [MPa] 200 150 100 50 0 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 Poměrná deformace [-] 58

Tahová houževnatost f w d [ J 0 ] w p.plastická složka t.h. w e elastická složka t.h. 59

Měření tvrdosti 60

Tvrdost Tvrdost je mechanická vlastnost definovaná jako odpor, který klade materiál proti vnikání cizího tělesa Podstata metod měření tvrdosti se zakládá na vtlačování malého tělíska (indentoru) do povrchu zkoušeného materiálu určitou silou za definovaných podmínek. Měřítkem tvrdosti je velikost stopy, která vznikla vtlačováním tělesa vhodného tvaru a z dostatečně tvrdého materiálu (Zkoušky tvrdosti se podle charakteru zátěžné síly dělí na statické a dynamické.) 61

Měření tvrdosti podle Brinella Indentor : tvrdokovová kulička D = 10 mm (případně 5, 2,5 nebo až 1 mm) Zátěžná síla : F = 3000 Kp Doba zatěžování : 10 15 sec. Zápis : např. 250 HB Výsledná tvrdost má povahu napětí 62

Měření tvrdosti podle Vickerse Indentor : Diamantový pravidelný čtyřboký jehlan s vrcholovým úhlem 136 Zátěžná síla : F = 30 Kp Doba zatěžování : 10 15 sec. Zápis : např. 250 HV Výsledná tvrdost má povahu napětí 63

Měření tvrdosti podle Rockwella Indentor : Diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120 nebo kalená ocelová kulička D =1/16 (1,5875 mm) Zátěžná síla : F = F 0 +F 1 Doba zatěžování : 3-6 sec. Zápis : např. 89 HRB (kulička) 52 HRC (HRA) (kužel) 64

Zkouška rázem v ohybu 65

Zkušební zařízení (Charpyho kladivo) 66

Zkušební tělesa s V-vrubem s U-vrubem 67

Nárazová práce a vrubová houževnatost Nárazová práce = Potenciální energie kladiva před zkouškou - Potenciální energie kladiva po zkoušce K = m*g*h - m*g*h [J] Vrubová houževnatost KCV KV S 0 [ J cm 2 ] KCU KU S 0 [ J cm 2 ] 68

Teplotní závislost nárazové práce u různých materiálů 2 - Mechanické vlastnosti I 69

Tranzitní chování, tranzitní teploty 70

Historická vložka: April 14, 1912, R.M.S. Titanic 2 - Mechanické vlastnosti I 72

Doporučená literatura Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003) Pluhař, J. a kol.: Nauka o materiálech. SNTL, Praha, 1989 Askeland, D.R.- Phulé, P.P.: The Science and Engineering of Materials. Thomson-Brooks/Cool, 4th ed. 2003 (5th ed. 2005) Callister, W.D., Jr.: Materials Science and Engineering. An Introduction. John Wiley & Sons, Inc., 6th ed., 2003 73

Deformační zpevnění monokrystalu Zpevnění kovu s mřížkou FCC Zpevnění kovu s mřížkou BCC Zpevnění kovu s mřížkou HCP 74