STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

Podobné dokumenty
LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

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

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

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

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

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

Požadavky na technické materiály

pracovní list studenta Struktura a vlastnosti pevných látek Deformační křivka pevných látek, Hookův zákon

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

2. Molekulová stavba pevných látek

MŘÍŽKY A VADY. Vnitřní stavba materiálu

STRUKTURA PEVNÝCH LÁTEK STRUKTURA PEVNÝCH LÁTEK

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

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově. 06_4_ Struktura a vlastnosti pevných látek

Nauka o materiálu. Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

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

7 Lineární elasticita

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

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

Namáhání na tah, tlak

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově. 06_4_ Struktura a vlastnosti pevných látek

Téma 2 Napětí a přetvoření

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Poruchy krystalové struktury

Test A 100 [%] 1. Čím je charakteristická plastická deformace? - Je to deformace nevratná.

DESTRUKTIVNÍ ZKOUŠKY SVARŮ I.

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

Ing. Jan BRANDA PRUŽNOST A PEVNOST

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

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

1 Krystalické a amorfní látky. 4 Deformace pevného tělesa 7. Základní stavební jednotkou krystalické látky jsou monokrystaly.

Struktura a vlastnosti pevných látek

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

OVMT Mechanické zkoušky

Plastická deformace a pevnost

Nauka o materiálu. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

OVMT Mechanické zkoušky

6 ZKOUŠENÍ STAVEBNÍ OCELI

( r ) 2. Měření mechanické hysterezní smyčky a modulu pružnosti ve smyku

ZKOUŠKY MECHANICKÝCH. Mechanické zkoušky statické a dynamické

Závěrečná práce studentského projektu

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

Pevnost kompozitů obecné zatížení

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

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

Pružnost a pevnost I

Hodnocení vlastností folií z polyethylenu (PE)

ZKOUŠKA PEVNOSTI V TAHU

OVMT Mechanické zkoušky

Přetváření a porušování materiálů

Pružnost, pevnost, tvrdost, houževnatost. Jaký je v tom rozdíl?

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

Reologické modely technických materiálů při prostém tahu a tlaku

Stavební hmoty. Přednáška 3

Minule vazebné síly v látkách

V. STRUKTRURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

Téma: Měření Youngova modulu pružnosti. Křivka deformace.

Nelineární problémy a MKP

PRUŽNOST A PLASTICITA I

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

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Kontrola a měření strojních součástí a jejich polotovarů Pevnostní zkouška statická na tah

Struktura a vlastnosti kovů I.

Ing. Jan BRANDA PRUŽNOST A PEVNOST

Pevné skupenství. Vliv teploty a tlaku

Voigtův model kompozitu

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

TESTY Závěrečný test 2. ročník Skupina A

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

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

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

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

VÝUKOVÝ MATERIÁL Ing. Yvona Bečičková Tematická oblast. Termika Číslo a název materiálu VY_32_INOVACE_0301_0220 Anotace

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

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

6. Viskoelasticita materiálů

Seriál VII.III Deformace, elasticita

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

7. Základní formulace lineární PP

Viskoelasticita. určeno pro praktikum fyziky Jihočeské univerzity, verze

Česká metrologická společnost, z.s.

POLOTOVARY VYRÁBĚNÉ TVÁŘENÍM ZA TEPLA

Porušení hornin. J. Pruška MH 7. přednáška 1

16. Matematický popis napjatosti

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

CZ.1.07/1.5.00/

Mezi krystalické látky nepatří: a) asfalt b) křemík c) pryskyřice d) polvinylchlorid

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

Elektrická vodivost - testové otázky:

TEORIE TVÁŘENÍ. Lisování

Přehled otázek z fyziky pro 2.ročník

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

2.4.6 Hookův zákon. Předpoklady: Podíváme se ještě jednou na začátek deformační křivky. 0,0015 0,003 Pro hodnoty normálového napětí menší než σ

Transkript:

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK Ing.Jiřina Strnadová Předmět:Fyzika Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 1

Obsah Teoretický úvod... 3 Rozdělení pevných látek... 3 Mechanické vlastnosti pevných látek... 7 Namáhání tahem... 9 Hookův zákon... 10 Praktické využití Hookova zákona... 12 Úloha... 14 Pracovní list... 20 Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 2

Teoretický úvod Mezi tělesa z pevných látek patří řada předmětů denní potřeby, stroje, stavební materiály a konstrukce, nerosty, horniny atd. Strukturou a vlastnostmi pevných látek se zabývá fyzika pevných látek. Sleduje mechanické, tepelné, elektrické, magnetické a optické vlastnosti. Rozdělení pevných látek Pevné látky dělíme do dvou základních skupin 1) Krystalické - jsou charakterizovány pravidelným uspořádáním částic, ze kterých jsou tvořeny a to na velkou vzdálenost tzv. dalekodosahové uspořádání a) monokrystaly částice jsou uspořádány pravidelně, proto jsou anizotropní, to znamená, že jejich vlastnosti jsou závislé na směru uvnitř krystalu (např. štěpení slídy jen v určitých rovinách). Příklady monokrystalů: sůl kamenná NaCl, křemen SiO 2, diamant, uměle vyrobené polovodiče (Ge, Si), umělý rubín, safír b) polykrystaly skládají se z velkého počtu zrn, které mají rozměry od 10µm do několika milimetrů. Uvnitř zrn jsou částice uspořádány pravidelně, poloha zrn je náhodná, proto jsou polykrystaly izotropní, to znamená, že ve všech směrech mají stejné vlastnosti. Příklady polykrystalů: všechny kovy 2) Amorfní - periodické uspořádání částic je omezeno na vzdálenost do 10-8 m, na větší vzdálenost je pravidelnost narušena, tzv. krátkodosahové uspořádání. Příklady amorfních látek: sklo, vosk, pryskyřice, asfalt, dřevo, plasty, bílkoviny, celofán Krystalová mřížka Atomy v krystalových mřížkách zaujímají stálé střední polohy, kolem nichž kmitají v závislosti na teplotě. Krystalografické soustavy krychlová (kubická) čtverečná (tetragonální) šesterečná (hexagonální) kosočtverečná (rhombická) Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 3

Krystalová mřížka krychlové soustavy Ideální krystalová mřížka a) prostá polonium b) plošně centrovaná hliník c) prostorově centrovaná železo α d) složitější krychlová mřížka NaCl Prostorová geometrická mřížka obsazená pravidelně rozloženými částicemi, vytváří hmotný útvar tzv. ideální krystalovou mřížku, základní rovnoběžnostěn ABCDEFGH nazýváme elementární buňkou krystalu. Řazením těchto elementárních buněk vznikne krystal libovolných rozměrů. Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 4

Geometrická mřížka Jednoduchá krystalová mřížka ABCDEFGH elementární buňka krystalu Poruchy krystalové mřížky Každý skutečný krystal má ve své struktuře poruchy a) bodové poruchy vakance chybí částice v ideální mřížce intersticiální poloha částic částice mimo pravidelný bod mřížky příměsi cizí atomy buď v intersticiální poloze nebo nahrazují vlastní atom mřížky Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 5

b) čárové poruchy dislokace hranová dochází k posunutí částic šroubová dochází k posunutí částic Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 6

Mechanické vlastnosti pevných látek Každé pevné těleso se účinkem vnějších sil deformuje. Mění svůj tvar a rozměry (pružné těleso). Deformace nezávisí pouze na působících silách, ale také na fyzikálních vlastnostech látek. Namáhání těles Tělesa jsou vystavena různému namáhání - tah - tlak - smyk - ohyb - krut - složená namáhání ohyb + krut, tah + ohyb, apod. Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 7

Deformace Při deformaci tělesa dochází ke změně délek a úhlů: a) prodloužení l l 0 původní délka [mm] l prodloužení [mm] l konečná délka [mm] l=l 0 + l b) poměrné prodloužení ε c) prodloužení ve směru osy tyče způsobí zúžení průřezu poměrné příčné zkrácení poměrné podélné prodloužení V mezích platnosti Hookova zákona platí mezi poměrným zkrácením a poměrným prodloužením poměr Poissonova konstanta µ Poissonovo číslo (Poisson francouzský vědec) Příklady: kovy µ=0,3 litina µ=0,25 pryž µ=0,5 korek µ=0 Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 8

d) zkos pro malé změny lze psát tg γ = γ = BC/AB [1] poměrné posunutí (zkos) Druhy deformací Deformace pružná (elastická) přestanou-li působit vnější síly, deformace vymizí Deformace trvalá (plastická) přestanou-li působit vnější síly, deformace trvá Namáhání tahem V dalších kapitolách se budeme zabývat pouze namáháním tahem Napětí σ Normálové napětí představuje vazbu, která brání částicím tělesa se od sebe oddálit ve směru kolmém k rovině řezu. Metoda řezu (Euler německý fyzik, tvůrce metody) Těleso rozdělíme myšleným řezem na dva díly A, B. aby zůstala v rovnováze část A i B, připojíme v řezu takové vnitřní síly F n, abychom nahradili účinek části A nebo B. F n = F S plocha průřezu [mm 2 ] F vnější síla [N] F n vnitřní síla [N] F n = F Normálové napětí: U tahu je napětí rovnoměrně rozloženo v průřezu Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 9

Hookův zákon (R. Hook anglický fyzik) (pro tah a tlak) U většiny konstrukčních materiálů existuje určitá mez, do které je deformace přímo úměrná zatížení, které tuto deformaci způsobilo. Také platí: normálové napětí je přímo úměrné poměrnému prodloužení U mez úměrnosti Matematické vyjádření Hookova zákona E modul pružnosti v tahu, je v oblasti pružné deformace základní materiálovou konstantou pro platí σ = E [MPa] Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 10

Modul pružnosti v tahu je vlastně napětí, které by způsobilo prodloužení materiálu na dvojnásobnou délku. Příklady modulů pružnosti E materiál E [MPa] ocel 1,9 až 2,18 *10 5 litina 0,8 až 1,25 *10 5 hliník 0,6 až 0,75 *10 5 Závěr: Poissonovo číslo µ a modul pružnosti E jednoznačně charakterizují deformační vlastnosti materiálu v oblasti platnosti Hookova zákona Deformační podmínky Dosadíme do Hookova zákona prodloužení [mm] poměrné prodloužení [1] ES tuhost v tahu Obecně můžeme napsat pro všechny druhy namáhání Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 11

Praktické využití Hookova zákona Statická tahová zkouška Určujeme základní hodnoty mechanických vlastností konstrukčních materiálů. Zjišťujeme pevnost v tahu, poměrné prodloužení, tažnost a zúžení zkoušeného materiálu. Zkoušku provádíme na trhacím stroji, kde pozvolna rostoucí silou zatěžujeme normalizovanou zkušební tyčku až do přetržení. Sledujeme závislost mezi napětím σ a poměrným prodloužením ε. Pracovní diagram σ-ε Skutečné napětí podíl síly a skutečného průřezu Smluvní napětí podíl síly a průřezu S 0 S 0 původní průřez S průřez při přetržení σ U (bod U) mez úměrnosti (mezní napětí, kdy platí H.z.) σ E (bod E) mez pružnosti (mezní napětí, které při odlehčení nevyvolá trvalé deformace) R e (bod K) mez kluzu (nejmenší napětí, při kterém nastávají trvalé deformace i při odlehčení se zvětšují, i když se napětí nezvyšujee) R m (bod P) mez pevnosti v tahu Při napětí odpovídajícímu bodu S se tyčka přetrhne (skutečné napětí je menší než pevnost v tahu, protože průřez tyčky S je v tomto okamžiku velmi malý) Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 12

mez pevnosti mez kluzu tažnost poměrné prodloužení kontrakce (zúžení průřezu) Pracovní diagram pro různé materiály Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 13

Úloha Deformační křivka pevných látek, Hookův zákon Úkol: Určete deformační křivku pro drátky z různých materiálů. Sledujte, jak se mění délka drátku l v závislosti na působící síle F (diagram F- l). Zjistěte průběh napětí σ v závislosti na poměrném prodloužení ε. Zjistěte mez úměrnosti a mez pevnosti daných materiálů drátků z diagramu σ-ε a porovnejte s výpočtem. Pomůcky: Siloměr a sonar Vernier, Lab Quest, počítač s programem Logger Pro, pomůcky pro uchycení drátů, zkoušené dráty, posuvné měřítko (případně mikrometr) Teoretický úvod: Každé pevné těleso se účinkem vnějších sil deformuje. Mění svůj tvar a rozměry. Podle směru působících sil mohou být tělesa namáhána na tah (tlak), smyk, ohyb, krut, případně kombinací. V této úloze budeme řešit namáhání na tah. V tělese vzniká napětí, dojde k prodloužení délky tělesa z původní délky l 0 [mm] na délku l[mm], prodloužení l= l-l 0 [mm]. Poměrné prodloužení. Za předpokladu, že při deformaci se objem drátku nemění, lze odvodit vztah mezi konečným průřezem při přetržení S a počátečním průřezem drátku S 0. Podle Hookova zákona platí a existuje mez úměrnosti, do které je deformace přímo úměrná zatížení, které tuto deformaci způsobilo, také platí, že normálové napětí je přímo úměrné poměrnému prodloužení. Vztah mezi těmito hodnotami znázorňuje deformační křivka F- l nebo σ-ε. Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 14

Ukázka deformační křivky Skutečné napětí podíl síly a skutečného průřezu Smluvní napětí podíl síly a průřezu S 0 S 0 původní průřez S průřez při přetržení σ U (bod U) mez úměrnosti (mezní napětí, kdy platí H.z.) σ E (bod E) mez pružnosti (mezní napětí, které při odlehčení nevyvolá trvalé deformace) R e (bod K) mez kluzu (nejmenší napětí, při kterém nastávají trvalé deformace i při odlehčení se zvětšují, i když se napětí nezvyšuje) R m (bod P) mez pevnosti v tahu Při napětí odpovídajícímu bodu S se tyčka přetrhne (skutečné napětí je menší než pevnost v tahu, protože průřez tyčky S je v tomto okamžiku velmi malý) mez pevnosti mez kluzu tažnost poměrné prodloužení kontrakce (zúžení průřezu) Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 15

Postup měření: 1. Omotáme (více závity) drát dlouhý přibližně 300mm jedním koncem kolem háčku siloměru a druhým koncem např. kolem tužky. Pro přesnější měření délky je vhodné zakrýt tužku deskou (spojenou s tužkou), ke zvětšení plochy zaznamenávané sonarem. 2. Do LabQuestu připojíme siloměr (nastavený na rozsah ±50N) a sonar, připojíme LabQuest k počítači 3. Spustíme program Logger Pro a nastavíme měření. Ve sběru dat nastavíme časová závislost, délka měření 20s, vzorkovací frekvence 50Hz. Příklad vyplnění okna sběr dat 4. Pro zobrazení deformační křivky zobrazíme v grafu na svislou osu sílu F a na vodorovnou prodloužení drátu (poloha). Příklad vyplnění okna nastavení grafu Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 16

5. Umístíme sonar vedle siloměru. 6. Lehce napneme drát, sonar bude snímat jeho délku. 7. Vynulujeme siloměr, sonar nenulujeme (zrušíme zaškrtnutí), budeme určovat počáteční délku drátu. Experiment Nulovat Příklad okna nulování senzoru 8. Spustíme měření 9. Postupně napínáme drát, dokud se nepřetrhne a měříme odpovídající veličiny. 10. Z naměřených hodnot určíme normálové napětí a relativní prodloužení podle vzorců uvedených v teoretickém úvodu. Hodnoty potřebné pro dosazení do vzorců získáme následovně: Průřez drátu před deformací S 0 určíme z počátečního průměru drátu, který změříme. Počáteční délku l 0 drátu nalezneme v tabulce naměřených hodnot, jako první změřenou polohu. 11. Vzorce zadáme do programu Logger Pro. Data nový dopočítávaný sloupec pro normálové napětí a relativní prodloužení. Příklad vyplnění okna vlastnosti dopočítávané datové řady Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 17

Příklad vyplnění okna vlastnosti dopočítávané datové řady 12. Vyneseme graf dopočítaných hodnot Příklad vyplnění okna nastavení grafu Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 18

13. Příklad deformačních křivek ze změřených a vypočtených hodnot pro drát ØD=0,4mm o počáteční délce l 0 =339mm F- l σ-ε Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 19

Pracovní list veličina označení matematické vyjádření jednotka Průměr drátku d mm Původní průřez S 0 mm 2 Původní délka l 0 mm Konečná délka l mm Prodloužení l mm Síla F N Poměrné prodloužení ε 1 Konečný průřez S mm 2 Normálové napětí σ MPa Závěr, vyhodnocení: Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 20