Nauka o materiálu a) fyzikální vlastnosti hustota ρ=m/v (kg/m 3 ) teplota t ( C) T ( K) roztažnost délková α l roztažnost objemová α V (K -1 ) měrná tepelná vodivost elektrická vodivost G (S) b) chemické vlastnosti žáruvzdornost odolnost proti opalu, tj. oxidaci za vyšších teplot reaktivita schopnost chemicky reagovat v daném prostředí plynném, nebo kapalném c) mechanické vlastnosti pevnost schopnost materiálu klást odpor proti deformaci porušení soudržností tvárnost schopnost materiálu se trvale deformovat bez porušení soudržnosti houževnatost kombinace dvou předchozích vlastností; schopnost materiálu klást odpor proti deformaci a při větším namáhání se trvale deformovat bez porušení soudržnosti křehkost schopnost materiálu klást odpor proti deformaci při větším namáhání dojde k náhlému porušení soudržnosti bez trvalé deformace tvrdost odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa žáruvzdornost schopnost materiálu dlouhodobě odolávat namáhání za vyšších teplot d) technologické vlastnosti - je to souhrn mechanických a fyzikálních vlastností, které určují, zda je materiál vhodný pro určitou technologickou operaci (ohýbání, obrábění, svařování) - tvárnost, svařitelnost, obrobitelnost, slévatelnost, odolnost proti opotřebení Mechanické zkoušky materiálu Zjišťujeme hodnoty mechanických vlastností materiálu. Mechanické zkoušky statické ZKOUŠENÍ TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ Důležité je, že materiál se pozvolna zatěžuje ve zkušebním zařízení. Zkoušky : tahem tlakem ohybem krutem smykem
Napětí : Působí-li na těleso vnější síly, je materiál tělesa namáhán. Proti porušení materiálu působí vnitřní síly. síla působící na těleso napětí σ = S průměr tělesa v místě, kde zjišťujeme napětí tělesa 1 N 1 MPa = 1 mm Zkouška pevnosti tahem (trhací zkouška) za teploty okolí Provádí se pozvolným zatěžováním zkušební tyče normalizovaného tvaru ve zkušebním zařízení až do jejího přetržení. Δl=l-l 0 (prodloužení mm) Pracovní diagram zkoušky tahem měkké oceli ε=δl/l 0 poměrné prodloužení σ=/s 0 smluvní napětí σ Pt =max/s 0 tažnost σ=(l l 0 )/l 0 * 100(%) kontrakce Ψ=(S 0 S)/S 0 * 100(%) mez úměrnosti σ Ut průběh závislosti diagramu přímkový mez pružnosti σ Et napětí, do kterého se materiál deformuje pouze pružně, tj. po odlehčení není zkušební tyč trvale prodloužena mez skluzu σ Kt napětí, při němž se začne tyč prodlužovat aniž by stoupalo zatížení mez pevnosti v tahu σ Pt napětí, odpovídající podílu největšího zatížení tyče před jejím přetržením a počátečního průřezu tyče Zkouška tlakem Používá se pro křehké materiály, např. litina. U ocelí není nutná, mez úměrnosti a skluzu jsou v tahu a tlaku přibližně stejné.
Zkouška ohybem Provádí se u křehkých materiálů. Zkoušky tvrdosti Pro měření tvrdosti jsou používány zkušební přístroje tvrdoměry. Hodnota tvrdosti ukazuje na kvalitu provedeného tepelného zpracování. Hodnota tvrdosti lze převést na hodnotu pevnosti v tahu a posoudit tak další vlastnosti materiálu. Zkouška tvrdosti podle Brinella 300 HB Do zkoušeného povrchu se zatlačuje ocelová kulička. Podle velikosti průměru vtisku kuličky a velikosti použité síly se z tabulek určí číselná hodnota. Je vhodná pro měkčí materiály. Zkouška tvrdosti podle Vickerse Do zkoušeného povrchu se zatlačuje čtyřboký diamantový jehlan. Podle velikosti aritmetického průměru délek úhlopříček vtisku a použité síly se v tabulkách vyhledá číselná hodnota. 10 HV Zkouška tvrdosti podle Rockwella Do zkoušeného povrchu se zatlačuje diamantový kužel, nebo ocelová kulička. Podle rozdílu hloubky vtisku při předběžném a celkovém zatížení se tvrdost zjistí na stupnici přístroje. Používá se pro celý rozsah tvrdostí kovových materiálů, je univerzální a nejběžnější. Mechanické zkoušky dynamické Materiál je zatěžován silami, jejichž velikost a směr se různě mění. K porušení materiálu dochází často při nižším zatížení, než je mez pevnosti při statické zkoušce.
Zkouška nárazem Materiál zkušebního tělesa je namáhán nárazem. Určuje se vrubová houževnatost, jako podíl spotřebované na přiražení tělesa a plochy průřezu tohoto tělesa v místě vrubu. R=A/S (J/cm ) vrubová houževnatost A = m*g*δh práce m - hmotnost kladiva Zkoušky únavy materiálu (cyklickým namáháním) Materiál zkušebního tělesa tyče je namáhán v jednotlivých cyklech od horní hodnoty k dolní hodnotě napětí. σ c mez únavy; napětí, při kterém součást vydrží prakticky neomezený počet cyklů Měří se více tyčí, 1. tyč zatěžujeme pod mezí kluzu do jejího porušení, zjistíme počet cyklů. Další tyče zatěžujeme postupně menším napětím, počet cyklů při porušení je u další tyče stále vyšší. Naměřenými hodnotami proložíme tzv. Wőhlerovu křivku závislost napětí na počet cyklů. Po určitém počtu cyklů se křivka asymptoticky blíží k hodnotě napětí, které označujeme mez únavy σ c je to napětí, při kterém součást snese teoreticky neomezené množství cyklů. Při překročení této meze je u součásti nebezpečí lomu z únavy materiálu. Zkoušky bez porušení materiálu nedestruktivní Ve výrobě je tak možné zkoušet součásti, aniž by byly zničeny. Používají se : a) zkoušky vad povrchu b) zkoušky vnitřních (skrytých) vad ad. a) Zkouška elektromagnetickou polévací metodou Používá se u feromagnetických materiálů. Součást se upne do elektromagnetického defektoskopu, dále se pak polije detekční kyselinou, obsahující jemné kovové částečky. Působením magnetického pole se piliny srovnají kolem trhliny. ad. a) Zkouška fluorescenční metodou Součást se natře fluorescenční barvou, dále se otře a posype křídou. Z trhlinek vzlíná kapalina a v křídě se objeví obraz vady. Možno použít i u materiálu nemagnetických. ad. b) Zkouška prozařováním rentgenovými paprsky Pro zjištění vnitřních vad se součásti prozáří rentgenovými nebo gama paprsky. Voda materiálů se projeví na fotografickém filmu.
ad. b) Zkouška ultrazvukem Zkouška vnitřních vad materiálu na principu radaru odrazová zkouška. Používá se impulsní defektoskop. Na stínítku oscilografu se objeví odraz vyslaných vln od protilehlé stěny součásti, případně odraz části vln od vnitřní vady jako poruchové echo. Technologické zkoušky Ověřuje se jimi technologické vlastnosti materiálů, snahou je přiblížit se výrobním nebo provozním podmínkám, jimž je materiál vystaven. Př. Erichsenova zkouška tažnosti plechu TECHNICKÉ ŽELEZO železo jako čistý kov (e) nevyhovuje pro technické použití (měkké, málo pevné) surové železo se vyrábí z železných rud ve vysokých pecích (redukce rud uhlíkem z koksu, z pece je pak vypouštěno do pánví a přemístěno k dalšímu zpracování nebo je vypouštěno na slévací pole, kde tuhne na tzv. kousky nebo bloky). Technické železo : Slitina železa s uhlíkem a dalšími prvky. T.Ž. kujné (méně než,14% C) především oceli, tvárnost (kovat, lisovat) nekujné (více než,149 C) především litiny, křehkost (odlévání, obrábění) OCEL - slitina železa s hliníkem a doprovodnými prvky (Mn, Si, P, S, Cu) vyrábí se zkujňováním surového železa v Martinských pecích nebo v konvertorech nejkvalitnější oceli indukční nebo obloukových elektrických pecích. - zkujňováním se snižuje podstatně na požadovanou mez obsah uhlíku a nežádoucích doprovodných prvků (S, P), které jsou obsaženy v surovém železe. - ocel se upravuje přidáváním přísadových prvků legování (Cr, W, Mo, V, Ni aj.) i záměrně přidávaný doprovodný prvek může být přísadový. - vyrobená ocel se z pece vypouští do pánve a z ní do kokil (kovových forem), kde tuhne na ingaty, které se dále zpracovávají tvářením na tvářenou ocel. Odlévá se do forem slévárenských, kde tuhne na ocelové odlitky. Rozdělení ocelí k tváření Třída oceli 10 11 1 Druh oceli podle Použití a jakosti chemického složení Konstrukční oceli obvyklých jakostí Uhlíkové Charakteristické přísady a údaje Použití nízký obsah C, obsah S a šrouby, kolejnice, P není zaručen betonové výztuže C, Obsah S a P zaručen méně namáhané části strojů, drobné díly, plechové díly C, většinou dále tepelně středně namáhané zpracované části, páky, táhla 13 Mn, S konstrukční oceli 14 Cr (Mn, Si) vačkové hřídele ušlechtilé (vyšší 15 čistota, lepší Mo, W, V (Cr) slitinové (navíc Ni (Cr, W, Mo, V) najnamáhanější, 16 vlastnosti) přísadové prvky) klikové hřídele Cr korozivzdorné, 17 žáruvzzdorné Nástrojové oceli, uhlíkové, slitinové, 19 ušlechtilé rychlořezné
Označování ocelí k tváření Litina je slitina železa s uhlíkem a doprovodnými prvky. LITINA Obsah uhlíku je nad,14%, někdy jsou přidávány legující prvky. Litina se vyrábí tavením surového železa zlomkové litiny a oceli v kuplovně. Kombinacemi těchto složek se dosáhne pořadového složení. Označování litiny : Šedá litina obsahuje C ve formě grafitových lupínků přijatelné mechanické vlastnosti, snadno se obrábí (stojany strojů apod.) Tvárná litina vyrábí se ze šedé litiny přidáváním hořčíku dosahuje se zlepšení mechanických vlastností (vhodnější rozložení grafitu) Očkovaná litina (obdobně jako tvárná) Bílá litina surovina pro temperovanou litinu, obsahuje uhlík ve formě karbidu železa, špatně obrobitelná Temperovaná litina vyrábí se temperováním /zkujňováním) ohřevem odlitků z bílé litiny za určitých podmínek, oproti šedé litině je houževnatá (menší odlitky do aut, kanalizační mříže apod.) Ocel na odlitky : na vysoce namáhané součásti (odlitky)
Označování podle ČSN : POLOTOVARY a) normalizovaného tvaru a rozměru - tyče (profily) pila kotoučová pásová - dráty nůžky na profily - plechy (tabulové nůžky) - široká ocel - pásy - trubky - tenkostěnné profily b) nenormalizované polotovary odlitky výkovky výlisky odřezky a výpalky svazky z normalizovaných polotovarů Základy Metalografie Při tuhnutí taveniny železa dochází ke krystalizaci čisté železo krystaluje v soustavě krychlové při chladnutí od bodu tání dochází k časovým prodlevám
Tyto prodlevy vymezují modifikace (krystalické stavy železa) α magnetické Bod tání a tuhnutí technických slitin železa je sestaven rovnovážný diagram. Tento diagram zobrazuje modifikace slitin železa podle jejich obsahu uhlíku a teploty. Poznámka : Uhlík se vyskytuje ve slitinách ve formách uhlík grafit diagram železo-uhlík litiny uhlík karbid železa diagram železo-karbid železa oceli erit je měkký, málo pevný, dobře tvárný, houževnatý, převažuje v konstrukčních materiálech. Cementit (e 3 C) je velmi tvrdý, je to karbid železa, ve větším množství způsobuje křehkost primární jehlicové krystaly sekundární vylučuje se na hranicích krystalu austenitu Perlit má dobrou pevnost a přijatelnou tvárnost Austenit dobře tvárný, plastický a houževnatý, vhodná struktura oceli pro tváření za tepla, pomalým ochlazováním vzniká perlit nebo ferit, rychlým ochlazením vzniká martenzit, který je tvrdý, ale křehký Ledeburit směs austenitu a cementitu nad A1, nebo směs perlitu a cementitu pod A1 Grafit čistý uhlík v šedé litině místo cementitu Tepelné zpracování ocelí - účelem tepelného zpracování je dosáhnout takových vlastností materiálu, které jsou vhodnější z hlediska dalšího zpracování nebo použití součástí Vliv na vlastnosti oceli - obsah strukturních složek, - velikost krystalových zrn - rychlost ochlazovaní (cca rychlé ochlazení=jemnozrnná struktura s dobrými mech. vlast.) Rozdělení tepelného zpracování - žíhání - kalení - tepelné zpracování k dovaření lepšího povrchu Žíhání - ohřev materiálu, setrvání na žíhací teplotě, pomalé ochlazení a) bez překrystalizace pod A 1 b) s překrystalizací nad A 1 a) Žíhání bez překrystalizace pod A 1 Rekrystalizační žíhání - provádí se po tváření za studena pro odstranění deformací krystalů a zvýšení tvárnosti - krátkodobý ohřev Žíhání za měkka - s vyšším obsahem uhlíku - pro dosažení měkkosti a tedy lepší obrabitelnost - ohřev těsně pod A 1 - výdrž až 8 hodin - následuje pomalé vychlazení
Žíhání ke změření pnutí - u výrobků složitých tvarů, které mají po svařování, nebo tváření za tepla vnitřní pnutí - ohřev na 500-650 C, výdrž 1-10 hodin, pomalé ochlazení b) Žíhání s překrystalizací nad A 1 - teplota žíhání je vyšší než u a) - do oblasti austenitu, následuje pomalé ochlazování Normalizační žíhání - dosáhne se jemnozrnné struktury s vyšší pevností - po tváření nebo lití se odstraní nerovnoměrnosti struktury - ohřev o 30-50 C nad čarou GSE - po prohřátí celého průřezu je ochlazení na vzduchu Základní žíhání - varianta norm. žíhání - ochlazuje se pomalu v peci Izotermické žíhání - někdy nahrazuje žíhání na měkko - ohřev o 30-50 C nad čarou GSE - ochlazení pod A 1 Kalení - provede se ohřev A C3 nebo A C1, krátká prodleva,prudké ochlazení - ochlazením dojde k přeměně austenitu na martenzit, který má vysokou tvrdost, ale je křehký - chladící prostředí je voda, olej nebo proud vzduchu Základní kalení - součást se z teplot A C3 A C1 ochladí rychle až na teplotu okolí Lomené kalení - prudké ochlazení na teplotu počátku vzniku martenzitu, dále se ochlazuje pomaleji za účelem zmenšení vnitřního pnutí Izotermické kalení - prudké ochlazení nad teplotu vzniku martenzitu, delší prodleva, dále pomalejší chlazení Popouštění - ohřev po kalení, nestabilní martenzit se rozpadá na perlit - zmírňuje se křehkost a zároveň tvrdost Zušlechťování - kalení + následné popouštění na vysokou teplotu 500-600 C Tepelné zpracování k dosažení lepšího povrchu Povrchové kalení - velmi rychlým ohřevem na kalicí teplotu,ohřeje se pouze povrchová vrstva - následuje prudké ochlazení voní sprchou,tl. zakalení vrstvy 1-3 mm - ohřev plamenem nebo indukovaným elektrickým proudem Chemicko-tepelné zpracování - nasycené povrchové vrstvy prvky => dosažení tvrdého povrchu Cementování - nasycení povrchu uhlíkem 0,%C => 0,85%C - následuje rychlé ochlazení, povrch se zakalí
Nitridování - nasycení povrchu dusíkem, vznikají v povrchu nitridy a zvyšuje se, dále se vrcholí, nenastává pnutí a deformace Rozdělení a) podle ČSN (podle hustoty) - těžké (ρ>5000kg/m3 - Pb, Cn, Zn) - lehké (ρ<5000kg/m3 - Al, Mg, Si) b) podle teploty tání - s nízkou teplotou tání (Zn, Sn, Pb, Al) - se střední teplotou tání (Mn, Ca, Ni, Cn) - s vysokou teplotou tání (Ti, Cr, Mo, W) Neželezné kovy a jejich slitiny Přehled důležitých neželezných kovů a jejich využití Měd (Cu) - velmi dobrá tepelná a elektrická vodivost, odolnost proti korozi - houževnatá a dobře tvárná - užití : vodiče, slitiny Hliník (Al) - dobrá elektrická a tepelná vodivost, nízká hustota - měkký, houževnatý, tažný a tvárný, dobře se slévá - užití : vodiče Olovo (Pb) - těžký měkký kov - dobře svařitelný, tvárný, odolný proti korozi - užití : výroba desek akumulátorů Zinek (Zn) - dobře slévatelný kov, výborná odolnost proti korozi - užití : pozinkování plechu Cín (Sn) - dobře slévatelný a tvárný, nízká tvrdost a pevnost - odolnost proti korozi - užití : pájení Titan (Ti) - lehký kov, odolný proti korozi, nízká tepelná a elektrická vodivost - odolnost proti mořské vodě Nikl (Ni) - dobré mechanické vlastnosti, vysoce odolný korozi i za vyšší teploty - užití : přísada do ocelí, anody, odpory Wolfram (W) - velmi tvrdý kov s vysokou pevností - má nejvyšší teplotu tání - velký elektrický odpor - výroba žáruvzdorných vláken, elektrod, odpory a kontakty, přísada do ocelí na nástroje Slitiny mědi - bronzy = měd + cín nebo hliník, olovo, nikl apod. - mosazi = měd + zinek Slitiny neželezných kovů
Cínové bronzy - vysoká pevnost, houževnatost, nízký součinitel tření - užití : ložiska, do přístrojů (pružiny) Hliníkové bronzy - velmi dobrá odolnost proti korozi a některým kapalinám - užití : na součásti v průmyslu Olověné bronzy - výborné kluzné vlastnosti, ale špatné mechanické - užití : pro kluzná ložiska jako výstelka pánví Niklové bronzy - mají vysokou pevnost při vyšších teplotách a vysoký elektrický odpor - užití : výroba odporových drátů Mosazi - označení Ms xx % Cu - s rostoucím obsahem zinku, klesá vodivost - užití : trubky kondenzátorů, chladiče Slitiny hliníku - mají nízkou hustotu, relativně vysokou pevnost dobrá odolnost proti korozi dural - užití při stavbě letadel - tvářená slitina siluminy - slévané - Al - Si tenkostěnné odlitky, např. krytky motorů Označování neželezných kovů a slitin a) podle ČSN 4 x x x x x x hutní skupina různé pro odlitky, tvářené polotovary 3 - těžké kovy 4 - lehké kovy pořadové číslo skupina kovů ČSN 4 403 b) hutní označení Al Cu 4 Mg 1 4% Cu 1% Mg c) obchodním označení Superdural Mosazi Ms xx % Cu Ušlechtilé kovy Zlato - rozpouští se v lučavce královské Stříbro - velká tepelná vodivost, slitiny a mědí, cínem, zinkem - stříbro + měd = tvrdé pájky Platina - tvrdá...
Nekovové materiály - anorganické materiály - plasty a ostatní organické materiály - těsnící materiály (tmely, tepelné izolace) Anorganické materiály Skla - nemají krystalickou strukturu jsou odolná a křehká, odolná agresivním chemikáliím - snadno tvarovatelná za tepla, dobré elektroizolační vlastnosti - nevýhoda - tepelná roztažnost - nízkotavitelná-tabulky,lahve - optická skla-výroba čoček Keramické materiály - vypalování hlinitých surovin, křemene a jiných přísad - vypálený materiál : tvrdý, křehký => dobré elektrické izolační vlastnosti (porcelán - kaolín) - použití pro chemická zařízení, části elektrických strojů a přístrojů - jiná použití : vyzdívky - kyselinovzdorné, žáruvzdorné Beton - stavební hmota složená z plniva (písek,kamenivo) a pojiva (cement), přidáním H O =>beton - použití : pro základy strojů o velké hmotnosti, nebo zdroje rázů Plasty a ostatní organické materiály - plasty podle původu mohou být syntetické, vznikají : polymerací - což je přeskupení molekul jedné a též látky (PVC) kondenzací - seskupování molekul dvou látek, vedlejší produkt (bakelit) - polymery (makromolekulární látky) jsou převážně amorfní - nevytvářejí pravidelnou strukturu - některé druhy plastů se vyrábějí chemickou úpravou přírodních makromolekulárních látek = hmoty z bílkovin a celulózy (umělé hedvábí, celofán, celuloid) Všeobecné vlastnosti plastů - obecné použití do 60-10 C - hořlavost, dobré elektroizolační a výborné tepelně izolační vlastnosti - stárnutím se zhoršují mechanické vlastnosti - malá hustota - některé chemicky odolné Rozdělení - termoplasty - tepelně tvárné a to opakovaně - reaktoplasty (termosety) - teplem vytvrditelné, po vytvrzení nelze opakovat proces - eleastomery - velmi pružné Termoplasty Polvinylchlorid (PVC) - použití od 6 do 60 C pro trubky spojky a odpadní potrubí - pevný, tvrdý, křehký, poměrně dobrá chemická odolnost, dá se svařovat, lepit, tvářet za tepla Polyethylen - použití od 60 do -90 C - vlastnosti : měkký, houževnatý, chemicky odolný, dá se svařovat, lepit speciálním lepidlem Polypropylen (PP) - od 10 do 100 C - pevný houževnatý, dá se svařovat
Polystyren(PS) - do 80 C v pěnové formě pro tepelné izolace - dobré dielektrické. i elektroizolační vlastnosti Polymethylmetakrylát (PMMA - plexi) - do 70 C, pevný tuhý, průhledný - dobré elektroizolační vlastnosti Polyamid (PA) -od 0 do 80 C, šrouby, matice, ozubená kola, kluzná ložiska - pevný, tuhý, houževnatý - nízký součinitel tření, odolnost proti olej a pohonným hmotám - nevýhoda - navlhlost, neodolnost proti kyselinám Polytetrafluorethylen (PTE - teflon) - od 00 do 60 C, těsnění, kluzná ložiska - v chemickém průmyslu enolformaldehyd () podle plniva Reaktoplasty bakelit - přísada dřevěné moučky, do 100 C,n a rukojeti a tepelně izolační držadla, pevný, tvrdý, křehký - odolává benzínu a olejům, dobré elektroizolační vlastnosti kartit - má přísadu vrstvy papíru, pevný, houževnatý, dobře elektroizolační vlastnosti - malá ozubená kola přístrojů textit - má přísadu bavlněné tkaniny, pevný houževnatý, na ozubená kola, kluzné ložiskové pánve enolformaldehyd () - plněný skleněnými vlákny - do 130 C,vysoká pevnost, na konstrukční součástky v letectví Epoxid (EP) - od 90 do 130 C, na lepidla a kovy - materiál pro zalévání vodičů, impregnace Epoxidové skelné lamináty (EP+skelná vata - tkaniny) - desky pro tištěné obvody Nenasycené polyestery (UP) - skelné lamináty - do 90 až 140 C, vysoce pevné, tvrdé - střešní krytiny Elastomery - kaučuky (pryže) - pevné, pružné, vysoký součinitel tření, nízký modul pružnosti - použití : těsnění, membrány, hadice, pneumatiky, pásy Silikon (Si) - odolávající stárnutí, teplotním a povětrnostním vlivům, odpuzující vodu - mají dobré elektroizolační a dielektrické vlastnosti - použití : jako oleje, mazací tuky - od 70 do 50 C, dlouhodobá odolnost teplu
Si pryskyřice (plnění práškem,skleněnými vlákny) Si kaučuky -od 70 do 00 C Lehčené plasty - přísada pěnová hmota (PVC, PE, EP, ) nenasákavá nasákavá - dutinky navzájem spojeny (pěnový polystyren) - tepelně izolační a akusticky izolační desky - izolace potrubí - výrobním postupem vznikají i tvrdé pěny (lopatky ventilátorů) Sendvičové materiály - použití na lehké tepelně izolované konstrukce - kovové profily (obaly ) obsahující uvnitř pěnový plast Těsnící materiály - viskoelastické materiály Elastické materiály - stále pružné Tuhé materiály - mechanické těsnící kroužky Tmely - výplňové materiály, nezmenšují svůj objem - vyplňování mezer Těsnící materiály, tmely, tepelně izolační materiály Koroze - postupné rozrušování materiálu vlivem chemických nebo elektrochemických reakcí s okolním prostředím, kov oxiduje a na jeho povrchu vzniká povlak a) podle prostředí Chemická koroze - v elektricky nevodivém prostředí, suché plyny - při ohřevu oceli vzniká na povrchu vrstva oxidu železa Atmosférická koroze - vlivem vody a jejich par v ovzduší Elektrochemická koroze - v elektricky vodivém prostředí, spojením dvou různých kovů vzniká el. článek - mezi kovy protéká nepatrný el. proud a jeden z kovů se při tom zvolna rozpouští a přichází do roztoku mikročlánky - dotyk dvou různých kovů makročlánky - základní kov znečištěný jiným kovem b) podle rozsahu napadení materiálu Rovnoměrná koroze - je nejméně nebezpečná, působí povrchově Důlková a bodová koroze - hrozí rozpadnutí materiálu Mezikrystalická koroze - působením mechanického napětí a korozního prostředí
Půdní koroze - působením solí, kyselin a plynů obsažených v půdě Koroze bludnými proudy - působení cizího stejnosměrného proudu na zařízení - fyzikální (teplem a zářením) - chemická (přerušením, rozštěpením řetězců) - biologická (plísněmi a bakteriemi) Koroze plastů Ochrana proti korozi - volba vhodného materiálu (korozi vzdorná ocel) - úpravou korozního prostředí (stavebními metodami, úpravami) - konstrukční úpravy (zamezení vzniku článku) - elektrochemická úprava (zařízení uložené v zemi napojit na záporný pól - zdroje proudu, na kladný pól - pomocné anody) - ochranné povlaky a vrstvy Čištění a předběžná úprava povrchu - mechanické - odmašťování (alkalické roztoky) - moření - omílání - tryskání Povrchové úpravy Nanášení ochranných povlaků = organické - vytvářejí se nanášením nátěrových hmot na předmět štětcem, stříkací pistoli nebo máčením - nátěrové hmoty jsou tekuté až polotekuté, skládají se z těchto složek : a) filmotvorné látky (olejové, celulózové, asfaltové, kaučukové) b) ředidla a rozpouštědla (těkavá) c) pigment pro barvu nátěru (základní barvy s inhibitorem koroze, vrchní barvy - emaily - průhledné - bez pigmentu) Anorganické ochranné povrchy - smalty (křemičitanové povlaky vzniklé zpékáním nebo tavením a vychladnutím do skelného stavu) Chemické úpravy povrchu - vytvoření ochranné pasivní vrstvy nerozpustné soli ve vodném roztoku např. fosfátování, černění, oxidové povlaky (Al), eloxování Chemické pokovování (Cu, Ni, Zn, Sn, Cr ) - přímé vylučování ochranného kovu na základní kov v lázních (roztok soli povlakového kovu) Elektrolytické (galvanické) pokovování (Cu, Ni, Zn, Sn, Cr ) - průchodem stejnosměrného elektrického proudu elektrolytem se vytváří na kovu povlak - pokovovaní předmět je zavěšený na katodě, kov vytvářející povlak na anodě Pokovování v roztavených kovech (Pb, Zn, Al) - povlak se vytváří ponořením předmětu do roztaveného kovu - použití : pásy, trubky, dráty, plechy Žárové stříkání kovů - metalizace (Zn, Al, Cu, ap.) - stříkání roztaveného kovu na povrch
Žárové stříkání plastů - plast (prášek se nataví a stříká se na plast) Pružnost a pevnost (navázání na předmět fyzika + statika) Základní pojmy - tělesa působením vnějších sil mění svůj tvar - deformují se Zabývá se vyšetřováním těchto deformací - deformace - trvalá (nepružná, plastická) - dočasná (pružná elastická) - správná funkce součásti - málo (pružná) deformace, která po odlehčení zmizí Napětí Působením vnějších silových účinků - vnější síly a silové dvojice (zatížení, reakce) - spojité zatížení (tíha) - síly vázané na hmotu tělesa (gravitační, odstředivá, dostředivá, setrvační) Vnitřní silové účinky (vnitřní síly a silové dvojice) - musí nastat rovnováha těchto sil - velikost vnitřních silových účinků vyjadřuje normální namáhání tělesa Výpočet vnitřních silových účinků 1) Uvolnění tělesa - nahradit připojení k součásti k základnímu rámu vazebními (reakčními) silami - řešit rovnováhu všech vnějších sil, které na těleso působí (akční síly zadané, reakční síly vypočítat) ) Výpočet vnitřních sil - rozdělat těleso řezem na části - ponechat 1 část (jednodušší) S A B vnější síly A B? vnitřní síly působení B A působení A B - působení odříznuté části na ponechanou nahradit silami ty se stávají pro ponechanou část silami většími vnější síla vnítřní síla? B pro potřeby výpočtu vnější sílou působení části A na B
- vypočítat vnitřní síly z podmínek rovnováhy ( ix = 0, iy = 0, Mi = 0) Δ Δt Δm ΔS Obecně (šikmá v rovině řezu) působí při zatížení součástí na každou elementární (velmi malou) plošku průřezu ΔS elementární vnitřní síla Δ. Všechny tahové síly, tvoří obecnou rovinnou souboru sil, kterou lze nahradit výslednou vnitřní silou a výslednou dávající a momentu Mo. - výslednou sílu nahrazujeme jejími složkami n normalová síla t toční (smyková, posouvací) síla působící v rovině řezu - tyto síly způsobují v tělese NAPĚTÍ : normálové napětí σ = n S tečné napětí τ = t S Jednotka napětí : základní 1 Pa = 1N m v praxi 1 MPa = 1N mm Příklad Zatížení tyčí normálovou silou n = 6000 V 1. tyč S = 30 mm σ = n = 6000 = 00MPa S 30 A B σ = n S. tyč S = 60 mm σ = n = 6000 = 100MPa S 60 m =? B S V první tyči je dvojnásobné napětí (oproti druhé), i když jsou obě tyče namáhány stejnou silou.
Hookeúv zákon σ pt σ kt σ et σ ut ε = l lo - do meze úměrnosti platí Hookeúv zákon - závislost mezi napětím a poměrným prodloužením je lineární σ = E * ε E =,1*10 MPa modul pružnosti v tahu pro ocel do 100 C τ = G * γ G = 0,8 *10 MPa modul pružnosti ve smyku 5 5 Deformace délkové e = l lo l = ε * lo = σ * lo = E * lo E *S σ = E * ε E * S = tuhost v tahu (tlaku) Úhlová deformace γ = cca * tgγ = CC CB pro velmi malé úhly Dovolené napětí tabulky str. 46 Napětí které můžeme v daném průřezu bezpečně připustit s ohledem na použitý materiál a provozní podmínky (způsob zatížení, geometrický tvar, jakost povrchu,vruby ) σ Dt σ Dd σ Do τ DS τ DK tah tlak ohyb smyk krut - velikost dovoleného napětí odvozujeme : u houževnatých materiálů z meze kluzu σkt σ D = τ D = K τkt K
u křehkých materiálů z meze pevnosti σpt σ D = τ D = K τpt K K míra bezpečnosti (bezpečnost) - udává kolikrát je dovolené napětí menší, než mez kluzu nebo pevnosti Hodnoty bezpečnosti podle způsobu zatížení při výpočtu σ D z meze kluzu : σ I. statické zatížení K I = 1,5 až II. míjivé zatížení III. střídavé zatížení K II = 1,5 K I K III = 1,7 K I σ σ Pevnostní výpočty skutečné napětí = charakteristická hodnota zatížení dovolené napětí charakteristická hodnota průrůře Namáhání tahem (tlakem) - dvě stejně velké opačně orientované síly v ose součásti (tyče) - např. zkouška tahem - tyč se prodlužuje (zkracuje), průřez zmenšuje (zvětšuje), nakonec dochází k přetržení (rozdrcení) Tah Tlak S S σ t = σdt σ d = σdd [ MPa ] = [ N] [ mm ] Př. Zkontrolujte napětí v kruhové tyči o průměru 5 mm, namáhané tahovou (osovou) silou 800 N. Zatížení - statické, materiál - 11600 (tab. 46-47) d = 5 mm = 800 N σ t =? [MPa] σ Dt = 150-30 MPa σ = = S π*d 4 = 800 19,6 t = 14,6 MPa σ t = 14,6MPa < σ Dt Součást vyhovuje danému zatížení
Zkontrolujte napětí v nízkém sloupku tvaru sloupku s vnějším průřezu 00 mm a vnitřním průřezu 160 mm, materiál 440 a je namáhán klidně působící silou = 1,5 MN, statické zatížení d 1 = 00 mm d = 160 mm = 1,5 MN σ d =? [MPa] σ Dt = 105-110 MPa σ d = = 1,15*10 = S π*d1 π*d 4 4 Sloupek vyhovuje danému zatížení 6 π 4 ( d d ) 1 = 101,68 MPa < σ Namáhání smykem (střihem) Dd σ = S σ ( < ) max = S* Dt σ Dt S ( > ) min = σ Dt *lo l = E *S model pružnosti v tahu pro ocel,1*10 5 MPa - dvě stejně velké síly v rovině kolmé v ose tyče tak, že dva velmi blízké soumezné řezy (sousední vrstvy) se posouvají, nakonec se tyč přestřihne - výslednice vnitřních sil leží v rovině průřezu, prochází těžištěm, je kolmá na osu tyče Výpočet na smyk počítáme : - kolíky - čepy - některé svary S τ s = τds DS = 0, 6σDt τ ocel ( 0,8 až ) σ Dt τ litina DS = 1 Protismyk : - teoreticky případ (stříhání) v praxi je smyk doprovázen ohybem
Př. Výpočet únosnosti svarového spoje tj. maximální síly, kterou můžeme svar zatížit max =? τ DS = 75 MPa τ S s = τds max = S* τ DS b S = *l*a = l = 35 mm a svary b = S* σ = 35* 75 6,4kN l = 50 mm max Dt = b a = Vzpěr - štíhlé přímé prvky zatížené tlakovou silou, při dosažení kritické hodnoty Kr vybočí ze svislé polohy, prohnou se, ztratí stabilitu (stabilní rovnováhu) - prut je pak v rovnováze indiferentní (rovnovážná poloha za každého průhybu) - neurčitá namáhání tlakové se změní na kombinované (tlak + ohyb) - rozhraní výpočtu na vzpěr nebo tlak udává tzv. štíhlostní poměr λ (lambda) délka prutu l λ = j min λ obvykle 0 j min = tzv. kvadratický poloměr průřezu kvadratický moment min. (mm 4 ) J min S průřez (mm ) b Příklady uložení (vliv na výpočet viz. tab. 55-56) volný kloub kloub vetknutý kloub vetknutý vetknutý Prakticky : ojnice klik. mechanismu Výpočty : na tlak - velmi krátké pruty podle Tetmajera - přechodová oblast (nebezpečná) podle Ruleta - velmi tenké pruhy
Namáhání ohybem Na konci tyče působí v rovině, ve které leží i osa tyče, stejně velké opačně orientované silové dvojice s momenty Mo (ohybové momenty), tak že tyč ohýbají a po překročení určité meze se tyč zlomí. Vnitřní síly představuje silová dvojice kolmá k rovině řezu. Mo Mo Mo neutrální osa TAH σ max neutrální vrstva vnější síly TLAK σ o Mo Neutrální osa - je průnik neutrální vrstvy s rovinou průřezu, nemění svou délku - napětí je rozloženo po průřezu nerovnoměrně Napětí v ohybu Mo max σ o max = Wo Mo - ohybový moment = σ Do (N * mm) síla x rameno σ napětí dovolené v ohybu (MPa) Do Charakteristická hodnota průřezu Wo - průřezový modul v ohybu (mm 3 ) - průřezový modul zohledňuje vliv velikosti, tvaru a polohy průřezu J Wo = min z W 1 nebo W, kde W 1() = l 1() - vzdálenost krajního taženého nebo tlačeného vlákna od neutrální osy J - kvadratický moment průřezu k neutrální ose (mm 4 ) l 1() - pro ohyb, krut vzpěr vyjadřuje, že deformace je závislá nejen na velikosti průřezu, ale i na jeho poloze, tvaru a rozložení podél průřezové osy Určení souřadnic těžiště : Si * y 1) výpočtem yt = Si i
) graficky 4 J x = Si * yi (mm ) 4 y x S J y = Si * x i (mm ) ρ y J p = Si * ρ = Si(x i + y1 ) = Jx + Jy(mm 4 ) x Slučování J dílčích ploch - převod kvadratických momentů průřezu dílčích ploch z jejich těžišťových os na centrální osu pomocí Steinerovy věty a jejich sloučení n n J = Ji = (Ji + Si * a ) 1443 4i i= 1 i= 1 a... vzdálenost os (dílčí a centrální). součet 1. převod na centrální osu - příklady řešených součástí - nosníky - přímá tělesa s převažující délkou - zatížení - ohybový moment Mo - řešení provedeno do roviny (souř. x, y) Základní druhy vazeb nosníku na rám a) posuvná hloubková podpěra Charakteristické zatížení pro ohyb ry b) rotační hloubková podpěra rx ry c) vetknutí M rx ry Základní případy staticky určitě utvořených nosníku v rovině (počet neznámých složek reakčních sil není větší než počet podmínek rovnováhy, tj. ix = 0; iy = 0; Mi = 0)
a) vetknutý nosník M rx b) nosník na podpěrách ry A B Ax Ay By c) nosník na podpěrách s převislým koncem A B Ay Bx By Typy sil - osamělá (N) - spojité zatížení g (N/mm) - nahrazení silou Výpočet ohybových momentů Příklad Nosník na podpěrách délky l, zatížený uprostřed silou kolmo na osu nosníku, vypočítejte Mo max l/ l/ A B 1 x 1 A x B 1) Uvolnění nosníku - výpočet reakčních sil z podmínek statické rovnováhy ( reakce rovnice ) iy = 0 A - + B = 0 B = - A B = A = M+ MiA = 0 (součet momentů k bodu A) - * l/ + B * l = 0 - * l/ + * l - A * l = 0 * l = A * l = A ) Určení posouvajících sil T - algebraický součet sil působících po jedné straně řezu kolmo na rovník T: A B
3) Výpočet ohybového momentu - algebraický součet momentů posouvajících sil po 1. straně řezu k místu řezu Mo+ vnější silové účinky po levé straně řezu M: 1. interval 0 x1 l / * l 4 Mo max T x1 = A M = * x = / * x x1 A 1 1 x1 = 0 Mx1 = / * x1 = / *0 = x 1 1 = l / M x = / * l / =. interval l / x l / T x = A - = / (l x ) M x * l 4 0 * l * l M x = A * x ( x l / ) = / * x * x + = / * x = / * (l x ) 4 = l M = / = (l l) 0 x x = x = l / M x = / * (l l / ) = / * l / = * l 4 Mo max Příklad Nosník netknutý, délka l, síla, na volném konci vypočítejte Mo max 1) uvolnění nosníku, vytvořit reakcí Mv A 1 A l M+ iy = 0 MiA = 0 A = 0 = Mv *l = 0 Mv = *l A ) Výpočet ohybového momentu - zleva Mo+ interval 0 x1 l T: T x1 = A = A = * x Mv = * x * l M x1 A 1 1 M x1 x x 1 1 = 0 M = l M x1 x1 = * 0 * l = * l = * l * l = 0 Mo max - * l
Příklad Vypočítejte napětí v nosníku obdélníkového průřezu pro obě polohy průřezu - délka nosníku l = 1m - síla uprostřed = 100 N (kolmo na osu vzniku) y l/ l/ x h Mo max = σ max = b * l 4 Mo max Wo = 100* N *1000 mm 4 = 300000 Nmm a) na výšku Wox = 1/6 * b * h = 1/6 * 0 * 60 = 1000 mm 3 Mo max 300000 N σ max = = = 5 MPa Wo 3 1000 mm b) na šířku Woy = 1/6 * b * h = 1/6 * 0 * 60 = 4000 mm 3 Mo max 300000 N σ max = = = 75 MPa Wo 3 4000 mm Pro polohu průřezu na výšku (a) je v nosníku 3x menší napětí, tj. nosník má 3x větší únosnost v ohybu než v poloze b Namáhání krutem - předpoklad - tyč kruhového průřezu - na konci tyče působí v rovinách kolmých k její ose dvě stejně velké opačně orientované dvojice s momenty Mk (kroutící momenty) tak, že povrchové přímky původního nedeformovaného válce se mění ve šroubovici, sousední řezy se vůči sobě natáčejí, po překročení určité hodnoty se tyč překroutí α A B Δφ B r Mk Mk 0 vnější sil. účinek tečné napětí
Max. napětí v krutu Mk max τmax k = τnk Wk W P P Mk = * m ω πn MPa N = mm = [ N ] převést na [ N * mm] s -1 Mk kroutící moment P přenášený výkon Wk průřezový modul v krutu π * d Wk = = 0, d 16 3 3 3 [ mm ] Příklad Ověřte, zda hřídel kruhového průřezu o průměru d = 4 mm zda hřídel bezpečně přenese výkon 5 kw při otáčkách 5 s -1 τ Dk d = 4 mm P = 5 kw = 5000 W n = 5 s = 60 MPa -1 τ k < τ Dk - vyhovuje P 5000 W Mk = = πn -1 π * 5 s 3 π * d π * 4 3 Wk = = = 714 mm 16 16 159150 N * mm τ k = = 58,64 N/mm 3 714 mm 3 = 159,150 N * m = 159150 N max = 58,64 MPa Zkroucení Mk * l ϕ = G * J p l.. délka hřídele G modul pružnosti G = 0,8 * 10 5 MPa J p polární kvadratický moment průřezu 180 ϕ = ϕ * - převod na stupně π Poměr zkroucení ϕ rad theta ϑ = l m