Mechanické zkoušky Mechanickými zkouškami zjišťujeme chování materiálu za působení vnějších sil, tzn., že zkoumáme jeho mechanické vlastnosti. Některé mechanické vlastnosti materiálu vyjadřují jeho odpor proti deformaci (mez kluzu, mez tečení, tvrdost ), jiné vyjadřují jeho deformační schopnost (tažnost, kontrakce atd.). Materiál schopný velkých deformací před vznikem lomu je tvárný; materiál, který klade velký odpor proti deformaci je pevný. Pevný a zároveň tvárný materiál je houževnatý, protože k jeho přetvoření je potřeba velké práce. Materiál, u něhož k lomu předcházejí malé deformace, je křehký. Z hlediska působení síly na zkušební těleso rozdělujeme mechanické zkoušky takto: a) Statické zkoušky uskutečňují se působením klidného rovnoměrného zatížení na zkušební těleso. b) Dynamické zkoušky síla působí nárazově po zlomek sekundy. Při tzv. únavových zkouškách se cyklicky mění zatížení i mnohokrát za sekundu. Podle teplot, při kterých zkoušky provádíme, je dělíme: a) na zkoušky za normálních teplot, b) na zkoušky za vysokých teplot, c) na zkoušky za nízkých teplot. 1
Statické zkoušky můžeme rozdělit i podle způsobu působení zatěžující síly: a) zkouška v tahu, b) zkouška v tlaku, c) zkouška v ohybu, d) zkouška v krutu, e) zkouška ve střihu. 2
Tahová zkouška Tahová zkouška patří mezi zkoušky mechanických vlastností, pomocí kterých jsou určovány základní mechanické charakteristiky používané k hodnocení jakosti materiálu, pro výpočty konstrukcí i k obecnému posouzení vhodnosti určitých technologických operací. Základní mechanické vlastnosti materiálu jsou určovány tedy pomocí zkoušky tahem, a dále zkouškou rázem v ohybu nebo některou z metod zkoušení tvrdosti materiálu. Podstata zkoušky Zkoušky kovových materiálů tahem se v ČR řídí národní normou ČSN EN 10002, která je identická s evropskou normou EN 10002:90 a která má pět částí. Zkouška spočívá v deformaci zkušební tyče tahovým zatížením obvykle do přetržení pro stanovení jedné nebo více mechanických vlastností zavedených v normě. Obvykle se zkouší při okolní teplotě v rozmezí od 10 C do 35 C, v arbitrážních případech při teplotách (23±5) C. Zkušební tyče Tvar a rozměry zkušebních tyčí závisí na tvaru a rozměrech kovových výrobků, pro které jsou určovány mechanické vlastnosti. Zkušební tyč je obvykle odebrána obráběním vzorku z výrobku; vzorky o stálém příčném průřezu (profily, dráty, tyče) mohou být podrobeny zkoušce bez obrobení. Příčný průřez zkušebních těles může být kruhový, čtvercový, obdélníkový, prstencový nebo jiného tvaru. Zkušební tyče musí být do zkušebního stroje upnuty vhodným způsobem (pomocí klínů, závitových, osazených nebo hydraulických čelistí) tak, aby zatížení působilo pokud možno pouze v ose zkušební tyče. 3
d 0 S 0 L 0 Obr. 1. Zkušební vzorky pro tahovou zkoušku Obr. 2. Zkušební zařízení 4
Zkušební tyče poměrné Zkušební tyče, u kterých je počáteční měřená délka vztažena k počátečnímu průřezu S 0 dle následujícího vztahu, jsou nazývány zkušební tyče poměrné. L 0 délka zkušební tyče, nesmí být menší než 20 mm k mezinárodně stanovená hodnota 5,65 (příp. 11,3) Pro poměrné zkušební tyče je délka L 0 zaokrouhlována na nejbližší násobek 5 mm za předpokladu, že rozdíl mezi vypočtenou a označenou délkou je menší než 10 % L 0. Délka L 0 musí být určena s přesností ±1 % a označena značkou nebo ryskou, která netvoří vrub, jenž by mohl vyvolat předčasný lom. Zkušební tyče nepoměrné Délka tyče L 0 je nezávislá na počátečním průřezu S 0. Délka zkušební tyče nesmí být menší než, kde b je šířka zkoušené délky tyče. Diagram tahové zkoušky Obr. 3. Smluvní (plně) a skutečný (čárkovaně) diagram tahové zkoušky 5
Ve strojírenské praxi se přednostně používá diagram smluvní, tedy všechny hodnoty napětí jsou vztaženy k původnímu průřezu S 0. Aby naměřené hodnoty nebyly závislé na rozměrech zkušební tyče a platily tedy pro libovolný průřez i délku tyče, vynášejí se do diagramu hodnoty poměrné napětí je vztaženo k jednotce plochy zkušební tyče ( [MPa]) a deformace k přírůstku délky ( ). σ U napětí na mezi úměrnosti Do tohoto bodu je závislost napětí na prodloužení přímková lineární. Jestliže v této oblasti zkoušku přerušíme (odlehčíme sílu), deformace zcela vymizí a tyč se vrátí do původního tvaru. σ E napětí na mezi pružnosti Nad mezí úměrnosti roste pružná deformace rychleji a odchyluje se od přímkového průběhu. Avšak až do bodu E je deformace stále pružná. σ K napětí na mezi kluzu Při tomto napětí se objevují první stálé deformace. Aniž by docházelo k dalšímu růstu napětí, deformace se zvětšuje. Tento bod se nazývá mez kluzu, která může být výrazná nebo nevýrazná. U křehkých materiálů (např. šedá litina) se tento bod neprojeví a jediným charakteristickým bodem je mezu v pevnosti. σ P napětí na mezi pevnosti Jedná se o maximální napětí dosažené v průběhu zkoušky. Sočinitel bezpečnosti K Součinitel bezpečnosti je koeficient, který udává, kolikrát je třeba zesílit materiál, aby se hodnota dovoleného napětí nacházela v lineární části diagramu. Pokud má materiál dlouhodobě přenášet síly a udržovat si svůj tvar, nesmí být zatížen nad mez pružnosti. 6
Dovolené napětí u houževnatých materiálů se vypočte ze vztahu:, kde pro ocel K = 1,5 2. Dovolené napětí u křehkých materiálů se vypočte ze vztahu:, kde K = 4 5. Modul pružnosti v tahu Z hlediska materiálových vlastností se v tahovém diagramu stanovují tyto významné body: mez kluzu napětí, při kterém se začínají objevovat první plastické (trvalé) deformace a) horní mez kluzu R eh b) dolní mez kluzu R el Obr. 4. Tahový diagram s výraznou mezí kluzu 7
Z důvodu bezpečnosti provozu je nutné, aby strojní součásti pracovaly pouze v oblasti pružných deformací. Platí: [MPa] Tento poměr se nazývá modul pružnosti v tahu a jeho velikost je závislá na druhu materiálu. Pružná oblast je pak charakteristická platností Hookova zákona: [MPa] Obr. 5. Oblast platnosti Hookova zákona Tab. 1. Modul pružnosti vybraných materiálů Materiál E [MPa] mosaz 1,00 10 5 ocel 2,10 10 5 olovo 0,16 10 5 hliník 0,71 10 5 měď 1,23 10 5 8
Smluvní mez kluzu Při zkoušení některých materiálů nedochází po dosažení horní meze kluzu ke krátkodobému poklesu napětí (na dolní mez kluzu), ale napětí se dále zvyšuje nebo zůstává konstantní. V takovémto případě se mez kluzu stanovuje smluvně. Smluvní mez kluzu R p se stanovuje z tahového diagramu pomocí přímky rovnoběžné s lineární částí diagramu ve vzdálenosti, která odpovídá předepsané hodnotě plastické deformace (např. 0,2% původní délky). Zatížení odpovídající smluvní mezi kluzu je dáno průsečíkem přímky a křivky diagramu. Obr. 6. Tahový diagram s nevýraznou mezí kluzu R p 0,2 Výpočty Počáteční měřená délka L 0 [mm] délka válcové nebo prismatické části zkušební tyče před zatížením. Konečná měřená délka L [mm] měřená délka po přetržení tyče. Počáteční plocha průřezu vzorku S o [mm 2 ] Konečná plocha průřezu vzorku S [mm 2 ] 9
Celkové prodloužení [mm] Poměrné prodloužení Napětí na mezi kluzu [MPa] Napětí na mezi pevnosti [MPa] Tažnost [%] Kontrakce (zúžení) [%] Obr. 7. Diagram tahové zkoušky pro různé druhy materiálů 10
Klasifikace lomů Lom houževnatý Těmto lomům předchází nápadná plastická deformace. U kruhových tyčí se jedná o lom číškovitý, který vychází ze střední mikrotrhliny. Lom smykový Vyskytuje se např. u hliníkových slitin a je šikmý. Nemá vyvinutý vláknitý lom středu Lom smíšený Tvoří přechod k lomům křehkým. Obsahuje místní kluzy. Lom křehký Křehkým lomem se porušují oceli přehřáté, zestárlé, podchlazené nebo rázově zatížené. Lom vzniká náhle bez předchozí plastické deformace a v technické praxi je nežádoucí. Obr. 8. Druhy lomů (a - vznik houževnatého lomu, b - šikmý lom, c - křehký lom) Obr. 9. Klasifikace lomů (a, b - přetvárný lom houževnatého materiálu, c - frézovitý lom, d - smykový lom, e - smíšený lom, f - křehký lom) 11
Název úlohy: Statická zkouška tahem Zadání úlohy a) Proveďte statickou zkoušku tahem u zkušebních vzorků (měď, mosaz, hliník, ocel). b) Vypočítejte mechanické hodnoty. c) Nakreslete tahový diagram závislosti: Napětí poměrné prodloužení. Měřidla a pomůcky U měřidel uveďte rozsah a přesnost. Posuvné měřítko Univerzální trhací zařízení WP 300 Kladivo Důlčík Nákres součásti Nakreslete a okótujte zkušební vzorek. 12
Postup měření Posuvným měřítkem změřte v pěti místech průměr d o zkušební tyčinky, hodnoty zapište do tabulky (Tab. 2.) a vypočítejte aritmetický průměr d o. Tab. 2. Tabulka naměřených hodnot Počet měření 1 2 3 4 5 d o [mm] d 0 [mm] Vypočítejte délku l o (pro tyče nepoměrné platí l o = 5 d o ). Vypočítanou délku si vyznačte na zkušební tyčince důlky pomocí důlčíku a kladiva. Přišroubujte zkušební tyčinku do horní a dolní čelisti zařízení. Obr. 10. Upnutí zkušební tyčinky v čelistech 13
Na indikátoru síly nastavte ručičku síly na nulu. Otáčejte pomalu a rovnoměrně ručním kolem. Zkušební vzorek se prodlužuje a zužuje (zatěžovací rychlost nesmí překročit hodnotu v=3 až 30MPa/s, neboť registrované prodloužení obsahuje i deformaci přechodových partií a hlav tyče i pružnou deformaci rámu trhacího stroje). Sledujte ručičku na indikátoru síly. Při prvním zakmitnutí ručičky hodnotu zaznamenejte je to síla F k (síla na mezi kluzu) Sledujte moment, než začne ručička klesat -hodnota F max, je to sila na mezi pevnosti a tuto silu také zapište. Potom začne sila klesat, až dojde k přetržení tyčinky. Vyjměte z čelisti trhacího zařízení obě části tyčinky. Obě části tyčinky přiložte k sobě a změřte posuvným měřítkem vzdálenost mezi oběma důlky l. (Obr. 11.) Obr. 11. Zkušební tyčinka po přetržení Změřte 5krát průměr d v zúžené části dříku v místě přetržení. Vypočítejte aritmetický průměr d a hodnoty zapište do tabulky (Tab. 3.). 14
Tab. 3. Tabulka naměřených hodnot Počet měření 1 2 3 4 5 d [mm] d [mm] Vypočítejte mechanické hodnoty. d o průměr dříku zkušební tyčinky před zkouškou d průměr dříku zkušební tyčinky po zkoušce l o délka dříku vyznačená důlky před zkouškou l délka dříku vyznačená důlky po zkoušce F k síla na mezi kluzu F max síla na mezi pevnosti S o průřez dříku zkušební tyčinky S průřez dříku v místě zúžení po přetržení tyčinky S l celkové prodloužení K součinitel bezpečnosti Napětí na mezi kluzu Napětí na mezi pevnosti F k N Re = [ MPa],[ ] 2 S0 mm Fmax R m = [ MPa] S 0 15
Dovolené napětí na mezi kluzu σ Dov.t = K R e Celkové prodloužení l = l l o Poměrné prodloužení ε = l l 0 Tažnost (prodloužení tyčinky v %) A = Kontrakce (zúžení tyčinky v %) l l0 l 100 [%] Z = S S 0 S 0 100 [%] Vypočítané hodnoty Re, Rm, σ dt zapište do tabulky (Tab. 4.) a přiřaďte materiály tř. 10 až 19 ze strojních tabulek (Tab. 5.) Tab. 4. Tabulka naměřených hodnot Mechanické hodnoty Vypočítaná hodnota [MPa] R e R m σ Dov.t 16
Tab. 5. Tabulka mechanických hodnot vybraných materiálů ze strojnických tabulek Ocel třídy Mechanické hodnoty [MPa] R e R m Nakreslete tahový diagram. Závěr Zhodnoťte provedenou zkoušku. 17
Použité zdroje archiv autora ADOLF FRISCHHERZ, Paul Skop. Technologie zpracování kovů: Základní poznatky. Brno: Exprint - Kocián, 1993. ISBN 80-901-6572-9. MARTINÁK, Milan. Kontrola a měření: Učebnice pro 3. ročník stř. prům. škol strojnických. 1. vyd. Překlad Jindřich Klůna. Praha: SNTL, 1989, 214 s. ISBN 80-030-0103-X. Mechanické vlastnosti. ATeam [online]. 2013 [cit. 2013-02-01]. Dostupné z: http://www.ateam.zcu.cz/mechvlast.html Součinitel bezpečnosti. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-02-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/sou%c4%8dinitel_bezpe%c4%8dnosti ŠULC, Jan. Technologická a strojnická měření: pro SPŠ strojnické. Praha: SNTL, 1982. Vlastnosti materiálů - pružnost a pevnost. Strojírenství [online]. 2007 [cit. 2013-02-01]. Dostupné z: http://www.strojirenstvi.wz.cz/stt/rocnik1/06a_pruznost_pevnost.php 18