ZKOUŠENÍ KOVOVÝCH MATERIÁLŮ Ing. V. Kraus, CSc. Opakování z Nauky o materiálu 1
VLASTNOSTI MATERIÁLŮ fyzikální (souvisí hlavně s krystalickou stavbou hustota, elektrická a tepelná vodivost, magnet. vlastnosti apod.) fyzikální chemické (elektrochemické, korozní apod.) mechanické (pružnost, plasticita, pevnost, houževnatost, tvrdost, tečení, únava apod.) technologické (tvárnost, slévatelnost, obrobitelnost, svařitelnost apod.) Dle vlivu struktury: vlastnosti strukturně citlivé (závislé na dokonalosti krystalové mřížky, způsobu tepelného a mechanického zpracování - většina mechanických vlastností, rovněž elektrické apod.) (hmotnost, měrné teplo, teplota tání apod.) vlastnosti strukturně necitlivé (hmotnost, měrné teplo, teplota tání apod.) Opakování z Nauky o materiálu 2
Mechanické vlastnosti Charakterizují chování materiálu při působení vnějších sil rozhodující při dimenzování součástí a konstrukcí - Charakteristiky (mění se s teplotou): pevnost (mez pevnosti) mez kluzu - odpor materiálu proti deformaci a porušení vnějšími silami - tvrdost tvárné vlastnosti: tažnost, kontrakce, houževnatost - energie potřebná k porušení únava - odolnost vůči cyklickému namáhání tečení - dlouhodobé namáhání za vysokých teplot Opakování z Nauky o materiálu 3
Mechanické zkoušky Zkoušky pro zjištění mechanických vlastností Rozdělení: podle způsobu zatěžování tlakem, tahem, ohybem, krutem, střihem podle stavu napjatosti 1osá, 2osá (2D), 3osá (3D) podle časového průběhu zátěžové síly: statické (pomalu rostoucí zátěžová síla) dynamické (rychle rostoucí nebo měnící se zátěžová síla) podle teploty podle prostředí (vlhkost, koroze apod.) Opakování z Nauky o materiálu 4
Reprodukovatelnost a porovnatelnost zkoušek Způsob odebírání (může podstatně ovlivnit obdržené výsledky - materiál není homogenní a izotropní) zkušební kus zkušební vzorek Místo odebírání (volba průměrných vlastností - nejvíce exponované místo) Počet zkušebních vzorků (dle množství a druhu výroby, potřeby bezpečnosti apod.) Obecné zásady pro odběr jsou: reprezentace určité dávky, výroby, tavby ap. vyhnout se místům s předpokládanými vadami vzorek musí prodělat celý výrobní proces odběrem se nesmí ovlivnit vlastnosti brát ohled na anizotropii značení (nepoškozovat zkušební část, zůstat zachováno) Opakování z Nauky o materiálu 5
Statická zkouška tahem Hookeův zákon: R = E.ε Smluvní napětí: R = F/S 0 /MPa/ Tažnost: A = (L m -L 0 )/L 0.100 /%/ Kontrakce: Z = (S 0 -S m )/S 0.100 /%/ Opakování z Nauky o materiálu 6
Pevnostní hodnoty: Statická zkouška tahem R U mez úměrnosti (platnost Hookeova zákona) R E fyzikální mez pružnosti (max. napětí pouze pružných deformací) R e mez kluzu /zjevná/ (vytváření trvalých deformací bez zvyšování síly) R m mez pevnosti (maximální síla vztažená k původnímu průřezu) Smluvní hodnoty: p0,005 smluvní mez pružnosti (napětí, při kterém trvalé deformace jsou 0,005 % původní délky tyče) R p0,005 p0,2 smluvní mez kluzu /průtažnosti/ (napětí, při kterém trvalé deformace jsou 0,2 % původní délky tyče) R p0,2 Další charakteristiky: houževnatost (měřítko: energie k deformaci a porušení tělesa - plocha pod křivkou) lomy (charakterizují vlastnosti sti materiálu /bodový, smykový, křehký, smíšený, dutinový/) Zkušební tyče: dle upnutí dle materiálu dle délky (10 a 5 d o event. nekruhové 11,3 a 5,65.S o - vlivem zaškrcování - nerovnoměrné prodloužení po délce) Opakování z Nauky o materiálu 7
Statická zkouška tlakem Pevnost v tlaku R mt mt = F mt / S 0 [MPa] Plasticita v tlaku poměrné stlačení A t = (h u h 0 ) / h 0 100 [%] poměrné rozšíření průřezu Z t = (S U S 0 ) / S 0 100 [%] 1-šedá litina, 2-měkká ocel, 3-zinek, 4-olovo Opakování z Nauky o materiálu 8
Statická zkouška ohybem Pro litinu ČSN 420361-83 nosník na dvou podporách zatížený silou uprostřed Pevnost v ohybu R mo = M omax / W o [MPa] M omax omax [N podpor) [N mm] mm] - maximální ohybový moment - Fmax.L/4 (L - vzdálenost W o [mm 3 ] - modul odporu průřezu v ohybu pro kruhový průřez Wo = π.d3/32 (d průměr zkušební tyče) Charakteristika houževnatosti hodnota maximálního průhybu. y max Modul pružnosti v tahu E = F L 3 / 48 I y [MPa] Opakování z Nauky o materiálu 9
Rozložení napětí u statické zkoušky ohybem šedé litiny - pro litinu různá pevnost v tahu a v tlaku Opakování z Nauky o materiálu 10
Statická á zkouška střihem Pevnost ve střihu: R ms ms = F max / 2 S o 2 = 2 F max / π d o R ms = (0,8 1,0) R m Pro tyče kruhového průřezu /1-zkušební tyč, 2-vidlice, 3-táhlo/ Pro plechy /1-zkušební plech, 2-střižnice, 3-střižník/ Opakování z Nauky o materiálu 11
Statická zkouška krutem Mez pevnosti v krutu: R mk = M kmax / W k [MPa], M kmax [N mm] - maximální kroutící moment Mk = F.d (d průměr zkušební tyče) W k [mm 3 ] - modul odporu průřezu v krutu pro kruhový průřez Wk = π.d3/16 Úhel zkroucení ϕ [ 0 ;rad] Schéma poměrů při zkoušce krutem Zkrut ϑ = ϕ / L 0 Zkos γ = ϕ r 0 / L 0 Modul pružnosti ve smyku G = R k / γ Způsoby porušení při zkoušce Opakování z Nauky o materiálu 12
Zkouška vrubové houževnatosti Vlivy na křehký lom: teplota napjatost rychlost deformace Dynamická zkouška ohybem Vrubová houževnatost: KC = K/S 0 /J.cm -2 / - vrub U, V hloubka 5, 3, 2 mm Opakování z Nauky o materiálu 13
Teplotní závislost vrubové houževnatosti Vlivy na hodnotu vrubové houževnatosti: tvar vrubu hloubka vrubu šířka zkušební tyče orientace vláken zkouška velice strukturně citlivá (velikost zrna, čistota ocelí, segregace na hranicích, radiační poškození, stárnutí, tepelné zpracování apod.) teplota Přechodová (Vidalova) křivka vrubové houževnatosti určování přechodové (tranzitní) teploty Opakování z Nauky o materiálu 14
Zkoušky tvrdosti vrypové vnikací Brinell Vickers Rockwell odrazové (Shore) dynamické zkoušky mikrotvrdosti a) Brinell b) Rockwell c) Vickers Opakování z Nauky o materiálu 15
Zkouška tvrdosti dle Brinella Indentor: ocelová kulička D D = 10; 5; 2,5 mm Zatěžovací síla (stupeň zatížení) 30D 2 ; 10D 2 ; 5D 2 ; Měření: vtisku d (stupeň zatížení): HB = F / A R m = k. HB (pro ocel k 3,1 až 4,1) Opakování z Nauky o materiálu 16
Zkouška tvrdosti dle Vickerse Indentor: čtyřboký diamantový jehlan - vrcholový úhel 136 Zatěžovací síla: libovolná (30 kp) Měření: úhlopříčka vtisku u HV = F / A Deformace vtisku podle Vickerse /a-nezpevněný materiál, b-zpevněný materiál/ Opakování z Nauky o materiálu 17
Zkouška tvrdosti dle Rockwella HRC Indentor HRA HRB kužel kužel kulička 120 120 1/16 Zatěžovací síla 150 kp 60 kp 100 kp Stupnice 0-100 0-100 30-130 Měření: hloubka vtisku Měření: (dílek = 0,002 mm) Schéma postupu měření Opakování z Nauky o materiálu 18
TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI vhodnost materiálu k určitým technologickým operacím porovnávací hodnoty: vhodný - nevhodný materiál Význam: při výběru a zpracování slitin: - slévarenské vlastnosti: slévatelnost, zabíhavost - svařitelnost - tvařitelnost za studena - tvařitelnost za tepla (kovatelnost) apod. schopnost spojování, opracování: svařitelnost, obrobitelnost, leštitelnost apod. Opakování z Nauky o materiálu 19
ZKOUŠKY NEDESTRUKTIVNÍ DEFEKTOSKOPICKÉ Zjišťování vnitřních a povrchových vad (necelistvostí) bez porušení výrobku - vzniklých vlivem: použitého polotovaru výrobní technologie během provozu (degradační pochody, přetížení apod.) Skryté vady vedou k: ohrožení bezpečnosti snížení životnosti zařízení (zeslabení, vrubové účinky apod.) Opakování z Nauky o materiálu 20
Zkoušky kapilární Využití vzlínavosti kapalin (nízké povrchové napětí) - Vady souvisící s povrchem (použití pro výrobky od feromagnetických po nevodivé mimo pórovitých) Metody: barevné indikace fluorescenční Princip kapilární metody: a) povrch před nanesením kapaliny, b) po nanesení kapaliny, c) po natření, d) po nanesení detekční látky /1-trhlina, 2-indikační kapalina, 3-detekční látka/ Opakování z Nauky o materiálu 21
Zkoušky magnetoindukční využívají změny magnetického toku ve feromagnetických materiálech (železo α,, nikl, kobalt a jejich slitiny) princip metod: zjišťování rozptylu magnetického pole v místě defektů - na povrchu nebo těsně pod povrchem zkoušeného výrobku Metody: magnetická prášková magnetografickým záznamem indikací pomocí sondy Princip magneto-elektrické metody : a) podélná á magnetizace, b) příčná magnetizace /P-předmět, V-vada/ Opakování z Nauky o materiálu 22
Zkoušky ultrazvukové Ultrazvuk = mechanické kmity částic prostředí - frekvence > 16 khz (pro nedestruktivní zkoušení 1 až 15 Mhz) Princip: průchod nebo odraz ultrazvukových vln, popř. princip rezonance Výhody : metoda velmi rychlá, jednoduchá a přesná vhodné pro trhliny není omezená tloušťkou zkoušeného materiálu (nízký útlum) Nevýhody : přechod ultrazvuku z vysilače event. do přijímací sondy opracovaný povrch zkoušeného vzorku Opakování z Nauky o materiálu 23
Zkoušky ultrazvukové - metody Ultrazvukem zjišťujeme: vnitřní vady výrobků měření tlouštěk stěn Metody (nejčastější): průchodová odrazová rezonanční rezonanční (měření tloušťky stěn změna frekvencí) a-materiál bez vad; b-s menší vadou; c-s velkou vadou /1-vysílací sonda; 2-přijímací sonda/ Opakování z Nauky o materiálu 24
Princip odrazové utrazvukové metody a,b s jednou sondou; c,d s dvěma sondami - /1-vysílací i přijímací sonda, 2-počáteční echo, 3-koncové echo, 4-poruchové echo, VS-vysílací sonda, PS-přijímací sonda/ Opakování z Nauky o materiálu 25
Zkoušky prozařováním (radiologické) snaha o zobrazení vnitřních defektů v materiálu ve skutečné podobě a velikosti nevhodné pro plošné vady (trhliny) využívá krátkovlnné elektromagnetické záření Opakování z Nauky o materiálu 26
Zeslabení (absorbce) procházejícího rtg. záření a záření gama je závislé na: vlnové délce použitého záření tloušťce zkoušeného materiálu atomovém čísle zkoušeného materiálu Dělení podle délky použitého záření: dlouhovlnné (měkké) 5-50 kev (rtg) krátkovlnné 50-400 kev (rtg) velmi krátkovlnné (tvrdé) 0,5-30 MeV (betatron) Zdroje: rtg lampy (ocel do 80 mm) lineární urychlovače a betatrony (ocel do 500 mm) radioizotopy (Co60 - záření gama) Zkoušky prozařováním Opakování z Nauky o materiálu 27
Indikace (registrace) snímků Prozařovací metody registrace a-fotografická, b-fluorescenční, c-ionizační /1-zářič, 2-clona, 3-prozařovaný materiál, 4-film v kazetě, 5-fluorescenční deska, 6-stínící deska, 7-ionizační komora, 8-registrační přístroj/ Opakování z Nauky o materiálu 28