Proč zkoušíme základní mechanické vlastnosti Neočekávané havárie konstrukcí se začali ve světě vyskytovat koncem 19. století. Již v té době se objevují zprávy o katastrofálních lomech potrubí, plynojemů, nádrží a jiných zařízení. Známý je případ porušení nádrže v lednu 1919 v Bostonu, kde se náhle roztrhla nádrž naplněná 10,5 M l melasy několik lidí a koní se utopilo v melase, 40 lidí bylo zraněno a bylo poškozeno několik budov v sousedství i železniční trať. Po dlouholetém vyšetřování soud vynesl rozhodnutí, že nádrž se roztrhla vlivem přetížení. Za povšimnutí v tomto sporu však stojí prohlášení vyšetřujícího soudce, který pověděl v komentáři k rozsudku: uprostřed bouřlivých polemických vědeckých diskusí jsem občas cítil, že jediné, čeho se při vyšetřování můžu chytit, je zjevný fakt, že alespoň polovina vědců se může mýlit. Tento výrok výstižně charakterizoval tehdejší stav poznatků vědců a inženýrů o křehkém porušování ocelových konstrukcí.
Další problémy Před druhou světovou válkou, když se ocelové konstrukce namísto nýtování začali svářet, vzniklo v Evropě několik katastrofálních porušení mostů zhotovených z konstrukčních uhlíkových ocelí vyrobených ve vzduchových konvertorech. Mosty se porušily náhlým lomem při nižším provozním zatížení a po krátkém používání. Materiálová analýza ukázala, že jde o křehké lomy, které byli iniciovány z defektů ve svarech a většina materiálů měla při provozní teplotě nízkou vrubovou houževnatost. Avšak i při těchto častých výskytech křehkých lomů byly ještě dlouho ocelové konstrukce dimenzovány jen podle hodnoty meze statické pevnosti v tahu. Důkladnější inženýrský přístup k řešení tohoto problému nastal až po velkém počtu havárií svařovaných lodí v průběhu 2. světové války.
Další problémy Havárie a poškození lodí přinutily Americký úřad pro lodní dopravu v r. 1947 zavést určité normy pro chemické složení oceli používaných na stavbu lodí. I když byly používány zastavovače trhlin a došlo ke konstrukčním zlepšením i k úpravě chemického složení ocelí na stavbu lodí, křehké lomy se v omezené míře vyskytovaly i nadále. V 50. letech se totálně rozlomily dvě poměrně nové zcela svařované nákladní lodě a jeden tanker s podélným rámem, vyrobené z vylepšené oceli s využitím nových konstrukčních filozofií a při zvýšené kvalitě svarů. I po roce 1960 se nadále vyskytovaly křehké lomy v různých částech lodí.
Další problémy V historii leteckých katastrof jich značná část nebyla dodnes vysvětlena. I když se při konstruování letadel klade na výběr a kontrolu materiálu prvořadý důraz, vyskytují se i tady poruchy materiálové povahy. Dvě anglické letadla typu DH106 Comet (dopravní) v 60. letech (1954) havarovala při letu ve velkých výškách. Zjistilo se, že lomy vznikly z velmi malých únavových trhlin vycházejících z otvorů pro nýty v blízkosti trupu. Podobně vznikaly křehké lomy z existujících defektů v letadlech typu F-111 (od 1967).
Základní zkoušky kovových materiálů Kovy mají vlastnosti: Fyzikální magnetismus, tepelná roztažnost, Fyzikálně chemické korozní, optické,.. Mechanické pružnost, pevnost, tvrdost, Technologické tvárnost, obrobitelnost, svařitelnost,...
Nedestruktivní zkoušky při nichž nedochází k trvalé změně tvaru, rozměrů, chemického složení ani struktury zkoušeného materiálu: zjišťování struktury materiálů (výroba metalografických vzorků, optická a elektronová mikroskopie), defektoskopie (zkoušky elektromagnetické, zkoušky ultrazvukem, zkoušky radiologické).
Mechanické vlastnosti Napěťové a deformační charakteristiky Chování materiálu někdy lze popsat jednoduchými vztahy a přepočítat na hodnoty použitelné k pevnostním výpočtům (mez pevnosti, mez kluzu,..) Některé vlastnosti vystihují chování materiálu za složitějších podmínek, se zřetelem na tvar, rozměr,.. Některé vlastnosti sou specifické a jen pro daný tvar (např. vrubová houževnatost)
Základní pojmy Pružnost vykazuje hmota, která se působením napětí deformuje a po odstranění napětí se vrátí do původního stavu. Pevnost vnější napětí nutné k rozdělění materiálu na dvě části v tahu, tlaku, ohybu, krutu, střihu - různá Tvrdost je odolnost proti vnikání cizího tělesa. Tvárnost schopnost měnit polohu částic v tuhém stavu. Houževnatost je velikost práce potřebná k rozdělení hmoty na dvě části. (opak křehkosti) Smyk/střih http://commons.wikimedia.org/wiki/file:mechanika_smyk.svg
Rozdělení mechanických zkoušek Podle způsobu zatěžování Podle fyzikálních podmínek zkoušky Podle stavu napjatosti tahové, tlakové, ohybové, krutové a střihové Zkouší se za normání, ale i zvýšené nebo snížené teploty V normálním, korozním prostředí
Způsob odebírání vzorků Pro zkoušky potřebujeme vzorky Zkušební vzorek se odebírá ze zkušebního kusu Vyrobí se zkušební těleso (předepsaný tvar vzorku) Někdy více vzorků, které musí vhodně representovat kvalitu zkoušeného materiálu. Vyhnout se předpokládaným vadám ne okraje plechu Odběrem se nesmí ovlivnit zkoumaná vlastnosti (pozor na ohřev!!)
Statické mechanické zkoušky Stálé nebo pomalu se měnící síly
Zkouška tahem Základní a nejdůležitější Zkušební tyčka se ve stroji trhačce upne do čelistí a přetrhne. Výsledkem je záznam zátěžové síly a prodloužení tyčky
Zkušební tyče http://home.zcu.cz/~dyxon/data/nauka%20o%20m/zkouska.pdf
Popis Zjišťujeme: Mez pevnosti v tahu Rm [MPa] = Fm/S0 Mez kluzu v tahu Re = Fe/S0 Tažnost A [%] = dl/l0 Kontrakce Z [%] = ds/s0 Pozn. Vše vztaženo na původní rozměr Mez kluzu v tahu je nejmenší napětí, které způsobí rozvoj výrazných plastických deformací.
http://home.zcu.cz/~dyxon/data/nauka%20o%20m/zkouska.pdf Diagram Meze: Úměrnosti platí Hookův zákon Pružnosti (elasticity) Kluzu Pevnosti
Příklady pro různé materiály http://home.zcu.cz/~dyxon/data/nauka%20o%20m/zkouska.pdf
Zkouška tlakem Obdobné mechanické vlastnosti jako u zkoušky tahem Zkouška tlakem má význam především u materiálu křehkých a polokrytých (šedá litina, kompozice, stavební materiály,atd.) - u těchto materiálu dochází k porušení. V případe tvárných materiálu k porušení nedochází. http://home.zcu.cz/~dyxon/data/nauka%20o%20m/zkouska.pdf
Zkouška ohybem Zkouška ohybem má význam jen u materiálu křehkých a polokřehkých (zejména šedá litina a některé nástrojové oceli). U tvárných materiálu se provádí pouze jako zkouška technologická. Pevnost v ohybu Rmo = M omax/ Wo Wo = pi*d3/32 (kruh)
Modul pružnosti v tahu Lze spočítat z ohybové zkoušky http://home.zcu.cz/~dyxon/data/nauka%20o%20m/zkouska.pdf
Zkouška krutem Hlavně pro netvárné materiály pro hřídele, torzní tyče, Zjišťuje se pevnost v krutu, diagram je podobný tahové zkoušce http://home.zcu.cz/~dyxon/data/nauka%20o%20m/zkouska.pdf
Způsob porušení tyče Skálová, Kovařík, Benedikt, Základní zkoušky kovových materiálů, VŠSE-471, Plzeň 1990
Dynamické zkoušky Nejčastěji zkouška rázem v ohybu Zkoušky únavy
Zkouška rázem v ohybu Zjišťuje se vrubová houževnatost Princip určení nárazové práce http://drogo.fme.vutbr.cz/opory/pdf/umvi/zk.raz.ohybu.pdf
Schéma děje Tyč 55 x 10 x 10 mm http://drogo.fme.vutbr.cz/opory/pdf/umvi/zk.raz.ohybu.pdf
Zkušební tyče jak vypadá neporušená zkušební tyč před experimentem č. 1 a zkušební tyč po provedení experimentu (pouhé ohnutí tyče č. 2, příp. její nalomení č. 3 v případě, že energie rázu nebyla dostatečná na přeražení tyče, a tyč porušená křehkým lomem č. 4). http://drogo.fme.vutbr.cz/opory/pdf/umvi/zk.raz.ohybu.pdf
Významná závislost na teplotě výraznou závislost nárazové práce na teplotě vykazují právě běžně používané konstrukční materiály uhlíkové oceli s prostorově centrovanou kubickou mřížkou (bcc). Naopak materiály s kubickou plošně centrovanou mřížkou (fcc) některé kovy s hexagonální mřížkou vykazují jen velmi pozvolný a hlavně relativně plynulý nárůst nárazové práce s rostoucí teplotou.
Tranzitní teplota Na křivce bcc materiálu je možno vysledovat přechodovou (tranzitní) oblast, v níž dochází v relativně úzkém intervalu teplot k velkému poklesu nárazové práce dá se říct, že materiál při poklesu teploty přes uvedený interval zkřehne. Šířka teplotního intervalu a jeho poloha na teplotní ose stejně jako velikost poklesu nárazové práce závisí na materiálu
Únava materiálu Je postupně hromadění poškození vlivem mechanického, tepelného nebo mechanickotepelného zatěžování kmitavého charakteru, které vede ke změnám vlastností, ke vzniku a růstu trhlin a k porušení materiálu. Kritériem je mez únavy vyjádřená amplitudou napětí, kterou materiál vydrží nekonečný počet cyklů. Většinou se jako dostatečný bere 108 cyklů
Wohleruv diagram Skálová, Kovařík, Benedikt, Základní zkoušky kovových materiálů, VŠSE-471, Plzeň 1990
Kmit napětí Perioda, horní a dolní napětí kmitu amplituda Je možné i ne sinusové, např. náhodné Skálová, Kovařík, Benedikt, Základní zkoušky kovových materiálů, VŠSE-471, Plzeň 1990
Rozdělení únavy a únavový lom Opakované statické zatěžování (do 100 kmitů) Nízkokmitová únava (do 105 kmitů) Opakované namáhání nad mezí kluzu Vysokokmitová únava (nad 105 kmitů) Převážně v oblasti elastické deformace (vždy pod mezí kluzu) Skálová, Kovařík, Benedikt, Základní zkoušky kovových materiálů, VŠSE-471, Plzeň 1990
Únavový lom Je tvořen oblastí s postupným růstem únavové trhliny a oblastí náhlého odlomení Vždy od povrchu
Reálné situace čep řízení automobilu http://www.ipm.cz/group/fracture/vyuka/doc/p10.ppt
Reálné situace závěs křídla letadla http://www.ipm.cz/group/fracture/vyuka/doc/p10.ppt
Vliv prostředí http://www.ipm.cz/group/fracture/vyuka/doc/p10.ppt
Tvrdost Statické zkoušky tvrdosti Vnikací Brinell, Vickers, Rockwell (tvar hrotu) vriponé Dynamické Plastické nárazové Plastické odrazové Mikrotvrdost statické, vnikací Vickers pod 4,9 N
Vickers Mikrotvrdost Diamantový jehlan pravidelný čtyřboký, úhel 136 stupňů Tvrdost = síla / plocha vtisku Normální síla 294 N po dobu 10 s (až 15 s) Měří se úhlopříčky vtisku Skálová, Kovařík, Benedikt, Základní zkoušky kovových materiálů, VŠSE-471, Plzeň 1990
Vickers Vliv drsnosti povrchu Vliv deformace okrajů vtisku U mikrotvrdosti se měří hloubka vtisku přímo během měření. Zatížení pod 1mN, hloubky od 40pm http://www.helmut-fischer.com/en/th/microhardness/picodentor-hm500
Pro plechy - hloubení Dle Erichsena kulovým razníkem průměru 20 http://tzs.kmm.zcu.cz/material2.pdf mm do plechu šíře 70 mm Důležité pro automotive Vyhodnocuje se směr trhlin hladkost vrchlíku http://www.tribotechnika.sk/tribotechnika-52013/zkusebni-metody-pro-hodnoceni-prilnavostiorganickych-povlaku.html
Technologické zkoušky Slévatelnost Zabíhavost odlévají se zkušební tělesa klín, spirála Smrštění Svařitelnost po svaření spoj namáháme Tvařitelnost vhodnost k tváření za studena, obvykle ohnutí, trubky ohyb, zmáčknutí, rozšiřování trnem,... Obrobitelnost testování obráběním za předepsaných podmínek http://homel.vsb.cz/~cep77/pdf/emo_kapitola_07.pdf
Drsnost Výroba strojních součístí Přesné rozměry Vhodná drsnost s ohledem na funkci Povrch může být Neobrobený (stav polotovaru např. Odlitku) Obrobený lze různě
Plochy Stypové ventil a válec ovlivňuje funkci Volné vnější povrch krytu, atd. Malá drsnosti = vysoká cena
Popis drsnosti http://fei1.vsb.cz/kat410/studium/studijni_materialy/td/01-textyvsb/005_drsnost%20povrchu.pdf
Techniky dosažení
Metody určení Přímo měřením profilu a výpočtem (přístroj) Porovnáním s etalonem (pro různé druhy obrábění různé) http://www.unimetra.cz/soubory_materialy/100_1.pdf
Defektoskopie Zkoušky prozařováním Rtg Ultrazvukem http://tzs.kmm.zcu.cz/material2.pdf
Defektoskopie Další Magnetické a indukční Kapilární http://tzs.kmm.zcu.cz/material2.pdf