Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Podobné dokumenty
Nauka o materiálu. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

7 Lineární elasticita

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Kap. 3 Makromechanika kompozitních materiálů

7. Základní formulace lineární PP

Pružnost a pevnost I

Analýza napjatosti PLASTICITA

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

Nelineární problémy a MKP

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

1. Úvod do pružnosti a pevnosti

Téma 2 Napětí a přetvoření

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

16. Matematický popis napjatosti

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

4. Napjatost v bodě tělesa

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

PRUŽNOST A PLASTICITA

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

PRUŽNOST A PLASTICITA I

Nauka o materiálu. Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

Plastická deformace a pevnost

12. Prostý krut Definice

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

PRUŽNOST A PLASTICITA

2.2 Mezní stav pružnosti Mezní stav deformační stability Mezní stav porušení Prvek tělesa a napětí v řezu... p03 3.

Vybrané okruhy znalostí z předmětů stavební mechanika, pružnost a pevnost důležité i pro studium předmětů KP3C a KP5A - navrhování nosných konstrukcí

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Střední průmyslová škola strojírenská a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky, Kolín IV, Heverova 191

Cvičení 1. Napjatost v bodě tělesa Hlavní napětí Mezní podmínky ve víceosé napjatosti

vztažný systém obecné napětí předchozí OBSAH další

Zde je uveden abecední seznam důležitých pojmů interaktivního učebního textu

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

Ing. Jan BRANDA PRUŽNOST A PEVNOST

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

Základy matematické teorie pružnosti Tenzor napětí a tenzor deformace Statické (Cauchyho) rovnice. Geometrické rovnice

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.9 Plasticita a creep

18MTY 1. Ing. Jaroslav Valach, Ph.D.

Technologie a procesy sušení dřeva

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

Poruchy krystalové struktury

Co by mohl (budoucí) lékař vědět o materiálech tkáňových výztuží či náhrad. 20. března 2012

písemky (3 příklady) Výsledná známka je stanovena zkoušejícím na základě celkového počtu bodů ze semestru, ze vstupního testu a z písemky.

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Kritéria porušení laminy

Definujte poměrné protažení (schematicky nakreslete a uved te jednotky) Napište hlavní kroky postupu při posouzení prutu na vzpěrný tlak.

Kontraktantní/dilatantní

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost. Napětí statické rovnice Deformace geometrické rovnice Zobecněný Hookeův zákon Příklad zemní tlak v klidu

Reologické modely technických materiálů při prostém tahu a tlaku

ZÁKLADNÍ ÚLOHY TEORIE PLASTICITY Teoretické příklady

Dovolené napětí, bezpečnost Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012 Jméno zhotovitele: Ing. Iva Procházková

Pevnost kompozitů obecné zatížení

Statika 2. Vybrané partie z plasticity. Miroslav Vokáč 2. prosince ČVUT v Praze, Fakulta architektury.

Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI. Jaroslav Krucký, PMB 22

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

POŽADAVKY KE ZKOUŠCE Z PP I

NAUKA O MATERIÁLU I. Zkoušky mechanické. Přednáška č. 04: Zkoušení materiálových vlastností I

A mez úměrnosti B mez pružnosti C mez kluzu (plasticity) P vznik krčku na zkušebním vzorku, smluvní mez pevnosti σ p D přetržení zkušebního vzorku

Přetváření a porušování materiálů

Voigtův model kompozitu

Osové a deviační momenty setrvačnosti ploch (opakování ze 4. cvičení) Momenty setrvačnosti k otočeným osám Kroucení kruhových a mezikruhových průřezů

Struktura a vlastnosti kovů I.

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

Přednáška 01 PRPE + PPA Organizace výuky

Požadavky na technické materiály

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Autor: Vladimír Švehla

STRUKTURA PEVNÝCH LÁTEK STRUKTURA PEVNÝCH LÁTEK

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

1. Měření hodnoty Youngova modulu pružnosti ocelového drátu v tahu a kovové tyče v ohybu

Navrhování konstrukcí z korozivzdorných ocelí

Ing. Jan BRANDA PRUŽNOST A PEVNOST

Objemové změny. Materiál a konstrukce, přednáška 2. Materiál a konstrukce, syllaby FSv ČVUT Praha 2011, Prof.Ing. J.Krňanský, CSc.

Ztráta stability tenkých přímých prutů - vzpěr

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Pružnost a pevnost (132PRPE), paralelka J2/1 (ZS 2015/2016) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady.

Nejpoužívanější podmínky plasticity

Porušení hornin. J. Pruška MH 7. přednáška 1

7. CVIČENÍ. Sedmé cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

Stavební hmoty. Přednáška 3

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

1.1 Shrnutí základních poznatků

Vzpěr, mezní stav stability, pevnostní podmínky pro tlak, nepružný a pružný vzpěr Ing. Jaroslav Svoboda

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Houževnatost. i. Základní pojmy (tranzitní lomové chování ocelí, teplotní závislost pevnostních vlastností, fraktografie) ii.

Transkript:

Vlastnosti a zkoušení materiálů Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Teoretická a skutečná pevnost kovů Trvalá deformace polykrystalů začíná při vyšším napětí než u monokrystalů, tj. hodnota meze kluzu R e, odpovídající začátku plastické deformace u tahové zkoušky, je mnohem vyšší než kritické skluzové napětí σ 0 monokrystalu. Podobně je tomu s mezí pevnosti. Přitom odvozená teoretická pevnost monokrystalu odpovídá hodnotě R m = G 2π, polykrystalický kov monokrystal kovu což je hodnota výrazně vyšší než je skutečná pevnost. Tento jev se podařilo vysvětlit eistencí poruch krystalické mřížky. 2 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Vliv velikosti zrn na pevnost kovů perimenty ukazují, že velikost napětí při jistém stupni deformace závisí na velikosti zrna. Například hodnota meze kluzu R e je tím větší, čím je průměrná velikost zrna d menší, přesněji se chová dle Hall-Petchova vztahu R e = σ + k d 1/ 2 kde σ 0 je kritické skluzové napětí monokrystalu a parametr k může být funkcí teploty, rychlosti deformace a strukturních parametrů materiálu. Deformace polykrystalů s velkým zrnem je obvykle dána hlavně deformací uvnitř zrn, na rozdíl od deformace polykrystalů s malými zrny, která se téměř nedeformují a kloužou po sobě. 0 3 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Základní předpoklady pružnosti Pružnost kovů, jakožto schopnost nabýt po odlehčení původní tvar, lze z fyzikálního hlediska vysvětlit tak, že se uskutečňují pouze vratné změny v krystalické mřížce (mění se velikost parametrů mřížky, nedochází ke skluzu). Z pohledu strojaře je důležité zamezit při návrhu součástí vzniku trvalé deformace, což mu umožňují znalosti nauky o pružnosti a pevnosti. Základní předpoklady pružnosti a pevnosti: 1) Materiál je homogenní (fyzikální vlastnosti jsou v celém objemu stejné) 2) - - je izotropní (jeho vlastnosti jsou ve všech směrech totožné) 3) Deformace jsou v porovnání s rozměry tělesa velmi malé 4) Materiál je ideálně pružný 5) Závislost mezi napětím a deformací je lineární (Hookeův zákon) 4 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Velikost charakteristického elementu materiálu Krystalické mřížky v jednotlivých zrnech u polykrystalů jsou náhodně orientovány. Jsou-li potom rozměry součásti o několik řádů větší (mm, cm, m) něž je průměrná velikost zrna materiálu (1-100µm), je předpoklad izotropního materiálu splněn velmi dobře (pokud není materiál během výroby deformačně zpevněn protáhlejší tvar zrn, tzv. tetura). U vybraných skupin materiálu lze nalézt takový rozměr charakteristického elementu, kdy lze materiál považovat za spojité kontinuum, například: ~0,1 mm pro kovové materiály ~1 mm pro polymery ~10 mm pro dřevo ~100 mm pro betony 5 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Vztah vnějších a vnitřních sil Každé těleso, vystavené účinku vnějších sil či dalších účinků (změna teploty) mění obecně svůj tvar a rozměry - deformuje se. Skutečné vnitřní síly (vazebné), které udržují těleso v pevném stavu, pružnost a pevnost nezkoumá, protože tyto nezávisí na vnějším zatížení. Zabývá se však tzv. doplňkovými vnitřními silami (dále jen vnitřní síly), které se snaží po odlehčení vnějšího zatížení vrátit těleso do původního tvaru. Mírou intenzity vnitřních sil je veličina zvaná napětí. Vztah mezi vnějšími silami, vnitřními silami a napětím lze vyjádřit graficky takto: vnější síly vnitřní síly napětí 6 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Metoda řezu (uler 18.stol.) Postup lze vysvětlit na tahu: 1) Uvažujme, že těleso, zatížené osamělou silou dle obrázku je v rovnováze. 2) Veďme tímto tělesem myšlený řez rovinou ρ, kterým jej rozdělíme na dvě části I a II. 3) Protože celé těleso je v rovnováze, musí také části I a II zůstat v rovnováze. To je splněno při uvažování vnitřních sil, působících v rovině řezu. 4) Můžeme proto pro stanovení vnitřních sil použít rovnice rovnováhy: R=F R=F S 0 STATIKA PRUŽNOST N I II ρ I II N F F F 7 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Základní případy namáhání Tah/tlak Ohyb U tahového namáhání působí síly (normálové napětí) ven z průřezu, u tlakového namáhání do průřezu. 8 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Základní případy namáhání Smyk Krut Moduly průřezu v ohybu W o a v krutu W k jsou uvedeny ve strojnických tabulkách (vztah pro krut platí jen u kruhového a mezikruhového průřezu). 9 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Napětí v bodě myšleného řezu Uvažujme elastické izotropní těleso obecného tvaru. Pak ulerovou metodou řezu získáme v bodě šikmého řezu:... obecné napětí... normálové napětí... smykové napětí 10 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Napětí v bodě tělesa Aplikujeme-li 6 ulerovu metodu řezu, získáme elementární krychli, na které lze zakreslit složky napětí v bodě tělesa. Víme, že na každé rovině působí obecně normálové a smykové napětí, tzn. 9 složek napětí, přičemž jen šest je nezávislých a stav napjatosti je dán veličinou zvanou tenzor napětí 11 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Koncept deformace - poměrná (relativní) deformace Působením vnějších sil mění každé těleso svůj tvar. Deformuje-li se celé těleso, deformuje se i každá jeho část. Můžeme tedy zkoumat deformaci elementu. V zásadě dojde ke změně délek (prodloužení anebo zkrácení) a ke změně pravých úhlů elementu. Změnu délek nazýváme podélnou poměrnou deformací, změnu pravého úhlu zkosem. Tyto pojmy lze vyložit na případech tahu (a) a smyku (b). u u 12 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Poměrná (relativní) deformace Podobně jako u stavu napjatosti je stav deformace v bodě tělesa dán tenzorem deformace. Normálovým složkám tenzoru napětí σ ij odpovídají poměrné deformace ε ij a smykovým složkám tenzoru napětí τ ij poloviční hodnoty zkosu γ ij /2. Tenzor deformace je opět symetrickým tenzorem druhého řádu a lze jej zapsat maticově 13 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Význam složek tenzoru deformace y y ε y z ε z 1 1 1 ε z 90 -γ y d dy dz a) b) y y dy 90 -γ yz dy z dz 90 -γ z z d d c) d) dz 14 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Konstituční rovnice Vztahy mezi napětím a deformací nazýváme konstituční rovnice. Pro tah: a) lastická deformace ε Hookeův zákon Poissonův zákon př σ = ε σ = µ ε = µ b) lasticko-plastická deformace ε např. Ramberg-Osgood 1 σ σ n = εe + ε p = + 15 Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti K σ ε p ε e ε ε př d = d

Princip superpozice Jsou-li splněny již formulované předpoklady pružnosti a pevnosti, je možné využít tzv. princip superpozice: Napjatost (deformace) tělesa zatíženého soustavou sil je v lineární pružnosti rovna součtu napjatostí (deformací), způsobených jednotlivými silami této soustavy. Př: Na prut působí dvě osamělé síly o velikosti F 1 a F 2, pak celkové prodloužení prutu je rovno součtu prodloužení způsobených jednotlivými silami, viz obr. Analogicky lze vyjádřit poměrné podélné prodloužení prutu či napětí v příčném řezu.

Obecný Hookeův zákon Princip superpozice lze využít pro stanovení vztahu mezi složkami tenzoru napětí a tenzoru přetvoření pro elastický izotropní materiál: σ z, ε z σ z σ σ, ε σ y σ y, ε y Ve směru : Po dosazení a úpravě A B C A σ B σz σy ε = ε B = µ εy = µ A B C σ σ σz y ε = ε + ε + ε = µ µ ε [ ( )] = 1 σ µ σy + σz

Obecný Hookeův zákon - kompletace [ ( )] Analogicky lze postupovat i v osách y a z 1 ε (rovnice se získají také záměnou indeů) = σ µ σy + σz Doplněním o tři rovnice Hookeova 1 εy = σy µ σ + σz zákona pro smyk získáváme obecný Hookeův zákon pro elastický izotropní mat.: 1 ε Vzhledem k tomu, že platí, z = σz µ σy + σ G= 2 ( 1+µ ) potřebujeme pro popis napěťově deformačního chování elastického izotropního materiálu jen dvě konstanty (nejčastěji, µ). ( ) [ ] [ ( )] γ γ γ y yz z τ = G y τ = G yz τ = G z

Druhy anizotropie Obecný Hookeův zákon lze zapsat i maticově: matice tuhosti Izotropní materiál - počet nezávislých prvků matice tuhosti: 2 - stejné elastické vlastnosti ve všech směrech Anizotropní materiál - počet nezávislých prvků matice tuhosti: 21 - není rovina symetrie materiálových vlastností Ortotropní materiál - počet nezávislých prvků matice tuhosti: 9-3 roviny symetrie materiálových vlastností Příčně izotropní materiál - počet nezávislých prvků matice tuhosti: 5-3 roviny symetrie materiálových vlastností (v 1 je izotropní)

Teplotní zatížení Změnu tvaru tělesa může kromě zatížení způsobit také změna teploty. Nejjednodušší případ změny délky tyče při změně teploty, viz obr., můžeme vypočítat dle rovnice ( ) kde α je je koeficient teplotní roztažnosti materiálu, T je změna teploty. Hookův zákon pak lze upravit takto 1 ε = 1 ε y = 1 εz = [ σ µ ( σ + σ )] [ σ µ ( σ + σ )] y Pozor s teplotou se mění také mechanické vlastnosti materiálu (např. )! α + α T + α T [ σ µ ( σ + σ )] + α T z y y z z L řez ΔT ΔL