Projekt "Podpora výuky v cizích jazycích na SPŠT" Mechanické vlastnosti materiálů STTA1 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR 1
Mechanické vlastnosti Materiály jsou při zpracování i při používání vystaveny různému namáhání, jako je tah, tlak, krut, střih a ohyb (obr. 1). Obr. 1 základní druhy namáhání materiálu [ 1 ] Mechanické vlastnosti : 1. pevnost, 2. tvrdost, 3. pružnost, 4. tvárnost apod. Druhy zkoušek mechanických vlastností materiálů Z hlediska působení síly na zkušební těleso rozdělujeme mechanické zkoušky takto: 1. Statické zkoušky, při nichž zatížení zvětšujeme poměrně zvolna. Působí obvykle minuty, při dlouhodobých zkouškách dny až roky. 2. Dynamické zkoušky rázové a cyklické, při kterých působí síla nárazově po zlomek sekundy. Při cyklických zkouškách (tzv. zkoušky na únavu materiálu) se proměnné zatížení opakuje i mnoha cykly za sekundu až do mnoha miliónů jejich celkového počtu. 2
Mechanical properties Materials are exposed to the different stress, e.g. pull, pressure, torsion, shear and band, on material during processing and using (picture n. 1). e.g.pull shear pressure torsion band Mechanical properties: 1) strenght 2) hardness 3) elasticity 4) formability etc. Kinds of the examinations of mechanical properties of materials In terms of force application on a specimen mechanical examinations are categorized to: 1) Static tests in the course of them the stress is increased gradually and slowly. It usually effects within minutes, during long term tests as far as days to years. 2) Dynamic impulse and cyclical tests in which the force causes fitfully within the fraction of a second. During the cyclical tests (so-called tests for fatigue) the variable stress is repeated even in many cycles per second up to the total number of many millions. 3
3. Zvláštní technické zkoušky, jejichž údaje je možno považovat za směrné, neboť výsledky zkoušek zde závisí na mnoha vedlejších činitelích. Z těchto zkoušek jsou nejdůležitější zkoušky tvrdosti. 4. Podle teplot, při kterých zkoušky provádíme, je dělíme na : zkoušky za normálních, vysokých nízkých teplot. Mechanické vlastnosti-zkoušky statické Podle způsobu působení zatěžující síly rozdělujeme tyto zkoušky na zkoušky: 1. pevnosti 2. v tahu, 3. tlaku, 4. ohybu, 5. krutu, 6. střihu. Obr. 2 schéma univerzálního zkušebního stroje pro zkoušku tahem a ohybem [ 1 ] 4
3) Special technical tests whose data might be considered for directive because the results of tests depend on many indirect factors. The most important of these tests are hardness tests. 4) According to the temperatures, in which tests are carried out, are classified into: tests in normal high low temperatures Mechanical qualities Static tests According to the way of causing of encumbering force these tests are classified on: 1. strenght 2. tension strenght 3. compressive strenght 4. flexural strenght 5. torsion 6. shear strenght 5
Zkouška tahem (trhací) - ČSN 42 0310 - je nejrozšířenější statickou zkouškou. Je nutná téměř u všech technických materiálů, protože jí získáme některé základní hodnoty potřebné pro výpočet konstrukčních prvků a volbu vhodného materiálu. Zkoušky tahem se zpravidla nedělají přímo na vyrobené součásti, ale na zkušebních tyčích, jejichž tvary a rozměry jsou normalizovány (obr. 3). Zkušební tyče : Vlastní měřená délka l 0 závisí na průřezu zkušební tyče: o u dlouhé tyče 10 d 0 o u tyče krátké 5 d 0 (d 0 =průměr zkušební tyče). Abychom mohli měřit prodloužení zkušební tyče po přetržení, vyznačíme na ní před zkouškou rysky ve vzdálenosti 10 mm. Obr. 3. Tvary zkušebních tyčí pro zkoušku tahem [ 1 ] Trhací zkouškou zjišťujeme: pevnost v tahu, poměrné prodloužení, tažnost zúžení (kontrakci) zkoušeného materiálu. 6
I. The tension test ČSN 42 0310 - it is the most spread test. It is almost necessary at all technical kinds of material because some basic values gained by these tests are needful for the calculation of construction elements and the choice of appropriate material. The test are not usually done directly on produced parts, but on a test bar whose shape and mesurements are standardized (picture 3.). Test bars: The inherent mesured lenght l 0 depends on the intersection of a test bar: at a long bar 10 d 0 at a long bar 5 d 0 (d 0 the avarage of a bar) We mark two scribed lines at a distance of 10 mm on a bar before a test in order to we can measure the prolongination of a test bar after a rupture. Picture n. 3. The shapes of test bars for the tension tests [ 1 ] By a tear test it is detected: tension strength relative elongation tensibility contraction of tested material 7
Při všech statických zkouškách vzniká v zatížené součásti napětí (je to míra vnitřních sil, které vznikají v materiálu působením sil vnějších). Rozeznáváme : napětí normálové σ napětí tečné τ. Podíl síly a skutečné plochy průřezu v kterémkoli stadiu zkoušky nazýváme skutečným napětím = smluvních napětí, protože neuvažujeme změnu průřezu tyče a zatížení vztahujeme na původní průřez S 0. Pevnost v tahu (mez pevnosti v tahu) σ Pt je smluvní hodnota napětí daného podílem největší zatěžující síly F, kterou snese zkušební tyč, a původního průřezu tyče S 0 : Byla-li původní délka zkušební tyče l 0 a délka zjištěná po přetržení l, je celkové prodloužení (změna délky): l 0 : l=l-l 0 Poměrné prodloužení ε je dáno poměrem změny délky l k původní délce zkušební tyče Tažnost δ je poměrné prodloužení vyjádřené v procentech původní délky:. Kontrakce (zúžení průřezu) ψ je dána poměrem zúžení průřezu tyče po přetržení (S 0 -S) k původnímu průřezu tyče S 0. Vyjadřujeme ji v procentech: 8
During all static tests tension is created in a stressed part (it is the measure of inner strength that is made in material effecting by outer strength). Tension is distinguished: direct stress σ shear stress According to the real sectional area in any stadium of the test it is called the real tension = contracting tension because it is excluded the change of section of a bar and the tension is reffered to the original section S 0. Tension strength ( tension strength limit ) σ p1 is the face value of the tension given by the fraction of the biggest burdensome strength F, which a test bar bears, and by the original section of a bar S 0. If the original length of a bar was l 0 and the length after the rupture found out l, it is the overall prolongination (the change og the lenght): l=l-l 0 Relative elongation ε is given by the proportion of the change of lenght l to the original length of a bar l 0. Tensibility δ is the relative elongation expressed in the percents of the original length: Contraction (intake of section) ψ is given by the intake proportion of the section of a bar after the rupture (S 0 -S) to the original section of a bar S 0. It is expressed in precents. 9
Pevnost v kluzu (mez kluzu v tahu) σ Kt je napětí, při němž se zkušební tyč počne výrazně prodlužovat, aniž by stoupala zatěžující síla, nebo při němž nastává prodlužování doprovázené poklesem zatěžující síly. Stanovíme ji ze vztahu. diagram smluvních napětí(obr.4), udávající závislost poměrného prodloužení ε na napětí σ (nebo změny délky l na zatěžující síle F). V pružnosti a pevnosti má význam jen diagram ε- σ. Obr. 4. Pracovní diagram smluvních napětí zkoušky tahem a tlakem u měkké uhlíkové oceli [ 1 ] Hookův zákon Z diagramu vidíme, že zpočátku je prodloužení tyče přímo úměrné vzrůstajícímu zatížení, a to až do bodu U. Napětí σ U, odpovídající bodu U, nazýváme mez úměrnosti a definujeme ji jako mezní napětí, při němž je prodloužení ještě přímo úměrné napětí (Hookův zákon). Mez pružnosti V dalším průběhu zkoušky přestává být prodloužení přímo úměrné zatížení. Až po bod E je protažení pružné, tj. po odlehčení nabývá tyč původních rozměrů. Napětí σ E odpovídající bodu E je mez pružnosti a definujeme ji jako mezní napětí, které po odtížení (úplném odlehčení) nevyvolává trvalé deformace. 10
Tensile strength (tensil strength limit in tension) σ Kt is the tension in which the test bar begins extending distinctively without ecreasing the burdensome power or in which the extending occures accompanied by the decreasing of burdensome power. It is expressed in the relation: Diagram of contracting tension (Picture n. 5) determines the dependence of rekatuve elongation ε on tension σ (or the change length l on the burdensome power F). In terms of elasticity and strength only diagrams ε and σ are significant. Picture 5. The diagram of work of contracting tension of a tension and compressive test in tender carbon steel. [ 1 ] Hook s law In the diagram it is seen that the length of a bar is directly proportional to the increasing weight and that until the point U. Tension σ U, corresponding to the point U, is called a proportional limit and it is achieved by the stress limit in which the prolongation is still directly proportional to the tension. The limit of elasticity In the further process of a test the prolongation stops being directly proportional to weighting. As far as to the point E the extension is elastic, it means that after the unloading the bar takes its original measurement. The tension σ E corresponding to the point E is the limit of elasticity a it is defines as a stress limit which doesn t permanent deformations after the unloading (total unloading). 11
Mez kluzu v tahu Zvětšujeme-li zatížení dále, nastává přetváření plastické (trvalé) a tyč po odlehčení již nenabude původní délky. Napětí σ Kt odpovídající bodu K označujeme jako mez kluzu v tahu a definujeme je jako nejmenší napětí, při němž nastávají podstatné deformace, které někdy dočasně pokračují, aniž se zároveň zvyšuje napětí. V technické praxi se za mez pružnosti bere napětí způsobující první trvalou deformaci. Mez pevnosti v tahu čili pevnost v tahu Bodu P na vrcholu křivky odpovídá největší napětí σ Pt (mez pevnosti v tahu čili pevnost v tahu). Při napětí odpovídajícím bodu S se tyčka přetrhne (skutečné napětí při přetržení je menší než pevnost v tahu). Tvar pracovního diagramu se mění podle druhu materiálu. Na obrázku 5 jsou uvedeny pracovní diagramy pro některé konstrukční materiály. Obr. 5. Příklady pracovních diagramů různých kovů a slitin [ 1 ] 12
Yeld strength in tension If the load is still being increased further, the plastic transformation happens (permanent) a and the bar after the uloading hasn t got its original size yet. The tension σ Kt corresponds to the point K is called as yeld strength in tension and it is defined as the least tension in which the major deformations occure that sometimes continue temporarily without increasing the tension at one moment. In technical practice behind the limit of elasticity is taken the tension causing the first large deformation. Tension strength limit thus tensile strength The biggest tension σ Pt corresponds to the point P on the top of the curve (tension strength limit thus tensile strength). The bar breakes in the tension corresponds to the point S (the real tension is lesser during the break point than tensile strength). The shape of the diagram of work changes according to the kind of material. In the picture 5 the diagrams of work are mentioned for some contruction kinds of material. Picture n. 5. The examples of diagrams of work of different kinds of metal [ 1 ] 13
Zkouška tlakem je používána méně často (např. u ložiskových kovů, litiny, vrstvených tvrzených hmot, keramických látek, stavebních hmot apod.). U ocelí nebývá tato zkouška nutná, neboť hodnoty meze úměrnosti a meze kluzu v tahu i tlaku jsou přibližně stejné. Zkušební tělesa Zkušební tělesa mívají obvykle tvar válečku: ød=10 až 30 mm. Výška válečku h se při: 1. hrubých zkouškách rovná průměru d, 2. přesných měřeních volíme výšku h=(2.5 až 3)d. Fáze zkoušky: I. křivka napětí strmá, materiál odolává tlaku a tvoří se tzv. tlakové kužele. II. hmota tělesa lehce klouže po kuželových plochách do stran, což se jeví v tlakovém diagramu menším vzrůstem napětí vzhledem k deformaci. III. odpor proti stlačování a křivka stlačení má opět strmý průběh. Této třetí fáze obvykle u tlakových zkoušek nedosahujeme. U křehkého materiálu nastává rozdrcení (lom) bez plastické deformace. Obr. 6. Pracovní diagram zkoušky tlakem měkké uhlíkové oceli [ 1 ] 14
Compressive strength test It is used less often (e.g. at babbit metal, část iron, laminated cured matter, carbon substances, building matter etc.) At steel this test is not necessary because the values of proportional limits and tension strength limit even tensile strength are aproximatly the same. Specimen Specimen will have usually the shape of cylinder: the diameter from 10 to 30 mm the hight of cylinder h is: 1. equal to the diameter of d at rough tests 2. hight h=(2,5 to 3)d is chosen at acurate measurements Stages of the test I. the curve of tension sheers, the material resists pressure and so-called pressure cones are made. II. the matter of body slips easily on cylindrical areas to the sides, which appears in a pressure diagram as lesser growth of tension regarding deformation. III. resistance against compressing and the curve of compressing has got a sheer procedure. In this stage is not usually achieved at compressive strength tests. Crushing occures (quarry) without a plastic deformation at fragile material. Picture n. 6. The diagram of work of the tensile strength test of soft carbon steel [ 1 ] 15
Stejně jako u trhací zkoušky můžeme i u zkoušky tlakové sestrojit diagram ε d -σ d (obr. 5) a stanovit: pevnost v tlaku (mez pevnosti v tlaku) σ Pd, prosté zkrácení (stlačeni) l d, poměrné zkrácení (stlačení) ε d, poměrné zkrácení (stlačení) v procentech δ d, příčné rozšíření ψ d. Rozměry i definice těchto hodnot jsou stejné jako pro zkoušku tahem. Mez pevnosti v tlaku se uvádí jen pro křehké materiály, neboť u měkkých a tvárných kovů nelze určit okamžik porušení. Smluvní mez kluzu v tlaku σ 0.2 určujeme obdobným způsobem jako u tahové zkoušky. Zkouška ohybem (ČSN 42 0361). Tuto zkoušku používáme u materiálů křehkých, hlavně u litých materiálů, např. šedé litiny Obvyklé uspořádání zkoušky je na obr. 7 (při postupně rostoucím zatížení odměřujeme průhyb tyče y až do okamžiku, kdy se tyč přelomí nebo se trvale prohne). Pevnost v ohybu (mez pevnosti v ohybu) σ Po je napětí, při němž se tyč přelomí. Průhyb při lomu y p je absolutní prohnutí při lomu zkušební tyče namáhané na ohyb, měřené uprostřed podpěr ve směru působící síly. Z výsledků zkoušky určíme i poměrný průhyb φ v procentech. Obr. 7. Zkouška ohybem [ 1 ] 16
A diagram may be constructed and appointed at a compressive strength test ε D - σ D (picture 5) as well as at a bursting test: compression limit (ultimate strength in compression) σ Pd, free shortening (compression) l relative shortening (compression) ε d relative shortening (compression) in percentiles δ d lateral extension ψ d The measurement and definitions of these values are the same as in a tensile test. Strenght limit in compression is mentioned only for fregile material for it is not possible to determine the moment of breach at tender and plastic metal. Proof limit in compression σ 0.2 is appointed in the same way as in a tensile test. Single bend test (ČSN 42 0361). This test is applied in fregile materials, mainly in cast material, e.g.: grey cast iron. The usual system of the test is in the picture 7 (the bend of a bar is measured at gradually increasing pressure γ till the moment of breakage of a bar or the bar is bended permanently). Bending strength (bending strength limit) σ Po it is tension in which a bar breaks. The deflection in the rapture γ P is absolute deflection of a bar in the rapture subjected to bending, measured in the middle of supports in the direction of strength. From the results of the test is determined relative deflection φ in percentiles. Picture n. 7. Single bend test [ 1 ] 17
Zkoušky tvrdosti Tvrdost definujeme jako odpor, který klade materiál proti vnikání cizího tělesa. Pro tvrdost používáme značku H. Zkoušky tvrdosti rozdělujeme na zkoušky: 1. vrypové, 2. vnikací 3. odrazové. Zkouška vnikací je nejpoužívanější zkouškou při zjišťování tvrdosti materiálů. Při této zkoušce zatlačujeme do zkušebního materiálu velmi tvrdé těleso (kuličku, kužel, jehlan) a měřítkem tvrdosti je velikost vzniklého vtisku (jeho plocha, hloubka nebo uhlopříčka, obr.8.) Nejznámější jsou zkoušky tvrdosti podle: Brinella, (neželezných kovů (Cu, Sn, Pb, Al a jejich slitiny) ) Rockwella (tvrdé a kalené materiály) Vickerse. (odstraňuje nevýhody obou předcházejících zkoušek a je nejpoužívanější). c Obr. 8. Zkoušky tvrdosti [ 1 ] 18
Die Hardness test Hardness is defined as resistance that put material against invading a strange body. The indication H is used for hardness. Tests of hardness are divided into: 1. scratch hardness 2. intruding 3. reflexive 1) Scratch test it is the most used test at detecting of hardness of material. During the test a very hard body is sunk into the tested material (marble, spire, cone) and the measurement of hardness is the size of an incurred dint (its surface, depth or diagonal, pic.8). The most well-known tests according to hardness: Herrinel (non-ferrous metal (Cu, Sn, Pb, Al a their aloys)) Rockwell (hard and hardened material) Vickers (It gets rid of the disadvantages of the both previous tests and it is the usest test) 19
Tvrdost podle Brinella (ČSN 42 0371) zjišťujeme vtlačováním ocelové kalené kuličky o průměru D=10; 5; 2.5; 2 a 1 mm rovnoměrně stupňovanou silou F (F=300 D 2 ; 100 D 2 ; 50 D 2 a 25 D 2 N) po dobu t (t=10; 30; 120; 180 s) do lesklé rovné plochy zkušebního vzorku nebo zkoušené součásti. Označení tvrdosti se skládá ze značky tvrdosti HB a k ní připojených údajů podmínek zkoušky, tj. průměru kuličky D, síly F a doby zatížení t. Tyto údaje jsou od sebe odděleny šikmou zlomkovou čarou (např. HB 5/7500/30 = 320). Pro nejběžnější podmínky, tj. HB 10/30000/10, používáme jen označení HB (např. HB=210). Nevýhody : vtisk bývá někdy nezřetelný a nesouměrný deformace použité vtlačované kuličky (je z kalené oceli). Obr. 9. Ruční tvrdoměr Poldi [ 1 ] 20
Hardness according to Brinell (ČSN 42 0371) is figured out by crushing a steel hardened marble with the diameter of D=10; 5; 2,5; 2 and 1 mm by even graded strength F (F=300 D 2 ; 100 D 2 ; 50 D 2 and 25 D 2 N 1 during the time t (t=10; 30; 120; 180 s) into the glossy surface of the tested sample or part. The indication of hardness consists of the mark of hardness HB and the added data of test conditions, it means the diameter of a marble D, strength F and the time of weighting t. These data are split apart by a slash (e.g. HB 5/7/7500/30 320). For the most common conditions, it is HB 10/30000/10, it is used only indication HB (for instance: HB -210). Disadvantages: dint is sometimes illegible and unsymetric the deformation of the used sunk marble (it si made of hardened steel) Picture n. 9. A manual durometer Poldi [ 1 ] 21
Zkouška podle Brinella je důležitá hlavně proto, že mezi tvrdostí HB a pevnosti v tahu σ Pt platí u kovových materiálů empiricky zjištěná přímá závislost daná vztahem: σ Pt (0,31 až 0,41)HB. Pro uhlíkové oceli platí σ Pt 0,36HB. Tvrdost podle Rockwella (ČSN 42 0373) zjištujeme na Rockwellově tvrdoměru jako rozdíl hloubky vtisku ocelové kuličky nebo diamantového kužele mezi dvěma stupni zatížení (předběžného a celkového, obr. 13). Účelem předběžného zatížení je vyloučit z měřené hloubky nepřesnosti povrchových ploch. U nás jsou normalizovány tři zkoušky tvrdosti podle Rockwella. Tvrdost zjištěnou při těchto zkouškách označujeme: HRA, HRB, HRC. HRA je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení 600 N (pro křehké materiály a tenké povrchové vrstvy), kovy), HRB je tvrdost určená ocelovou kuličkou při celkovém zatížení 1000 N (pro měkčí HRC je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení 1500 N (doporučuje se používat pro rozsah HRC=20 až 67). Tvrdost podle Vickerse (ČSN 42 0374) se zkouší na Vickersově tvrdoměru. Do materiálu vtlačujeme diamantový jehlan se čtvercovou základnou a okulárem mikroskopu nebo projekcí zjišťujeme střední délku u obou úhlopříček (obr. 13). Zkušební zatěžující síla bývá od 10 do 1000 N. Doba zatížení se volí od 10 do 180 s. 22
Brinell test is mainly important for the reason that between hardness HB and tensile strength limit σ Pl is learnt the empirical direct dependence at metal material given by relation: σ Pl = (0,31 to 0,4)HB for carbon steel obtains σ Pl = 0,36HB Rockwell hardness (ČSN 42 0373) takes on the Rockwell s durometer like the difference of the depth of the dint of a steel marble or a diamond cone between two levels of loads (preliminary and overall, pic 13). The purpose of the preliminary load is to suspend the inaccuracy of surface areas from the measured depth. There are standardized three hardness tests according to Rockwell in our country. The hardness figured out at these tests is indicated: HRA HRB HRC HRA is the hardness determined by a cone at overall load 600 N (for fragile material and thin layers). HRB is the hardness determined by a steel marble at overall load 1000 N (for softer metal) HRC is the hardness determined by a diamond cone at overall load 1500 N (it is recommended to use the extent of HRC=20 to 67). Vickers hardness (ČSN 42 0374) is tested on the Vicker s durometer. It is sunk a diamond pyramid with a square base and the ocular of a micrscope or by projection is uncovered the middle length of both diagonals (pic. 13). The tested loaded strength will be from 10 to 1000 N. The time of load is chosen from 10 to 180 s. 23
Použité zatížení píšeme do označení, např. HV 100 (HV 100 = 215). Pro běžně zkušební zatížení 300 N používáme označení HV (např. HV 250). Pro praktickou potřebu používáme tabulek, ve kterých podle délky úhlopříčky u a použité síly F najdeme přímo odpovídající tvrdost. Této metody můžeme použít pro všechny tvrdosti. Je velmi přesná a není téměř závislá na zatížení. Metodami, které jsme uvedli, se zjišťuje tzv. makrotvrdost (vtisk má plochu velkou i několik mm 2 ) pro velmi tenké materiály nebo malé předměty (fólie, strukturní složky materiálů aj.) nelze těchto metod použít. Používáme k tomu mikrotvrdoměrů, nejčastěji s diamantovým jehlanem (Vickers) a malým zatížením (0.005 až 1 N). Mikrotvrdoměry jsou buď samostatné, nebo jsou součástí metalografického mikroskopu. Zkouška odrazem. Touto metodou zjišťujeme tvrdost z velikosti odskoku závaží spuštěného z určité výše od zkoušeného materiálu. Přístroj nazýváme Shoreův skleroskop a stanoví se jím tvrdost podle Shorea HSh. Tohoto způsobu zjišťování tvrdosti se používá velmi málo, většinou jen pro měření tvrdosti velkých výrobků, konstrukcí apod. Literatura: [ 1 ] Hluchý,M. a kol. : Strojírenská technologie 1, Nauka o materiálu, SNTL,Praha 1978 24
The used load is written to the indication, e.g. HV 100 (HV 100 = 215). For common tested load 300 N si used the indication HV (e.g. HV 250). A chart is implied for practical need where directly corresponding hardness is found according to the length of diagonal u and the used strength F. This method it can be used for every magnitude of force. It is very accurate and it doesn t almost depend on load. Microhardness. The mentioned methods is determined co-called microhardness (the dint has an are of a few mm 2 ). Microhardness for very fragile material or small subjects (folios, structural files of material etc.) is not possible to use these methods. For the purpose is used microdurometer, the most often with a diamond pyramid (Vickers) and small load (0,005 to 1 N). Microdurometers are either single or as the part of a metalographic microscope. Rebound test. This method figures out hardness by the rebound of weight triggered from the particular hight from tested material. The instrument is called Shoer scleroscope that determines the Shoer s hardness HSh. This method is used very rarely, mostly only for the hardness measurement of large products, constructions etc. Literature: [ 1] Hluchý,M. a kol. : Strojírenská technologie 1, Nauka o materiálu, SNTL,Praha 1978 25