Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 1 Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení Při návrhu strojírenských výrobků rozhouje konstruktér o materiáech, ze kterých mají být tyto výrobky zhotoveny. Přitom bere v úvahu - požaavky na funkci součástí - technoogii součásti - viv prostřeí, ve kterém buou součásti umístěny - ekonomická heiska výroby součásti. Ke správné vobě materiáů součástí proto potřebuje znát jejich fyzikání, chemické, mechanické a technoogické vastnosti. Objektivní posouzení vastností materiáů se prováí pomocí zkoušek. Pomínky, za kterých jsou materiáy zkoušeny, jsou mezinároně sjenoceny, aby výseky zkoušek poskyty možnost objektivního posouzení materiáů. Tento text bue zaměřen na popis zkoušení mechanických a technoogických vastností. Zváštní kapitoou je popis zkoušek prováěných za účeem zjišťování va materiáu, efektoskopie. Zákaní vastnosti kovových materiáů yzikání vastnosti Z fyzikáních vastností seuje napříka hustotu materiáu, jeho tepotu tání a tuhnutí, tepenou roztažnost, magnetické vastnosti, eektrickou a tepenou voivost a aší. Barva Na zákaě barvy můžeme kovové materiáy rozišit o tří skupin: Červená měď Žutá zato, některé sitiny měi Šeá většina ostatních kovů Většina kovů se při expozici v eektroytech nebo v atmosféře pokrývá vrstvičkou korozních prouktů, jejichž barva může rovněž napomáhat jejich ientifikaci. Rezavě hněá vrstva korozních prouktů obvyke naznačuje, že se jená o sitinu žeeza (uhíková oce nebo itina), zeená barva povrchu jasně ukazuje na měď a její sitiny. Bíé korozní proukty můžeme naézt na zinku, hořčíku, hiníku, cínu a sitinách těchto kovů. Daší poněku matoucí skutečností může být přítomnost ekorativních nebo ochranných povaků na bázi jiného kovu. Napříka žutá barva povrchu nemusí ukazovat pouze na zato nebo mosaz, ae může se jenat i o měď nebo jiný kov, na jehož povrch by nanesen povak zata nebo nitriu titanu. Barva nebo vzhe povrchu tey nemohou být jeinou stopou pro orientační určení materiáu. Hustota Hustota je charakteristickou vastností kažého kovu. Na zákaě hustoty ze technicky používané kovy rozěit kovy o tří skupin: ehké kovy s hustotou 1,7 4,5 g/cm 3. Sem patří hořčík, hiník a titan. Daší kategorií jsou kovy s hustotou 7 9 g/cm 3, tey napříka zinek, žeezo, nik, měď. Mezi nejtěžší kovy s hustotou přesahující 1 g/cm 3 patří mimo jiné zato, oovo a wofram. Tepota tání Kovy se poe bou tání ěí na nízko-, střeně- a vysokotavitené. Mezi nízkotavitené kovy patří cín, oovo, zinek a rtuť. Střeně vysokým boem tání se vyznačuje např. měď a nik. Vysokotavitené kovy jsou wofram, vana a moyben. Jeiným kovem tekutým za normáních tepot je rtuť, jejíž tepota tavení je -39 C. V tabuce jsou pro vybrané kovy uveeny jejich hustoty v kg.m 3 a tepoty tání ve C: Hořčík Mg 174 65 Žeezo e 787 1539 Stříbro Ag 149 962 Hiník A 269 66 Nik Ni 891 1455 Oovo Pb 113 327 Titan Ti 45 1668 Měď Cu 894 19 Zato Au 193 164 Cín Sn 73 232 Zinek Zn 713 419 Wofram W 193 34 Magnetické vastnosti Magnetické vastnosti se posuzují poe honoty jejich permeabiity označované µ, to jest poměru magnetické inukce uvnitř magnetovaného materiáu voženého o magnetického poe a intenzity tohoto poe.
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 2 Diamagnetické materiáy mají µ < 1. To znamená, že nezesiují účinek vnějšího magnetické poe. Nejsou přitahovány k magnetu. Patří sem napříka měď, stříbro, zato, rtuť, cín a oovo. Paramagnetické materiáy mají µ > 1, ae bízko jené. Účinek vnějšího magnetického poe zesiují jen nepatrně. Magnet je přitahuje jen sabě. Patří sem napříka hiník, patina, chrom,titan,vana a mangan. eromagnetické materiáy mají µ > 1, a to honě vysoké. Účinek vnějšího magnetického poe zesiují významně. K magnetu jsou přitahovány sině. Patří sem žeezo, nik a kobat, také sitiny chrómu a manganu. Eektrická voivost kovů. Nejépe veou eektrický prou stříbro měď a hiník.oce vee eektrický prou poměrně špatně. Označíme-i eektrickou voivost stříbra 1, je eektrická voivost měi 94, hiníku 55 a žeeza pouze 2. Proto se voiče eektrického prouu vyrábějí havně z měi a hiníku. Stříbro se pro svou vyšší cenu používá jen výjimečně, ve zváštních přípaech. Tepená voivost kovů. Kovy mají ze všech átek nejepší tepenou voivost. Lépe veou tepo kovy čisté, než kovy znečištěné nebo sitiny. Přitom kov, který je epším eektrickým voičem, je také epším voičem tepa. Tepená voivost se posuzuje poe součinitee tepené voivosti λ uávaného v Wm -1 K -1. Napříka tepená voivost stříbra je 418, hiníku 229, čistého žeeza 73 a ocei 5. Chemické vastnosti Z chemických vastností seuje napříka oonost materiáů vůči působení různých chemikáií, schopnost žáoucích chemických úprav a aší. Zkoušky mechanických vastností Při zkouškách mechanických vastností, jinak také mechanických zkouškách, se posuzuje chování materiáu při jeho zatížení vnějšími siami. Posuzovanými vastnostmi jsou zejména - pevnost, čímž se rozumí oonost materiáu proti porušení souržnosti při jeho zatížení vnějšími siami - tvrost, čímž se rozumí oonost materiáu proti eformaci jeho povrchových vrstev působením vnějších si - houževnatost, čímž se rozumí oonost materiáu proti porušení při jeho eformování vnějšími siami - pružnost, čímž se rozumí schopnost materiáu vracet se o půvoního tvaru a rozměrů po ukončení působení vnějších si. Zkoušky mechanických vastností jsou poe průběhu zkušebního zatížení označovány jako - statické, při kterých se zatížení zvětšuje pozvoně - ynamické, při kterých zatížení působí náhe nebo proměnivě. Při zkouškách tvrosti může být užito statického i ynamického zatížení a proto jsou zpravia popisovány jako zváštní ruh zkoušek. Protože strojírenské součásti mohou být při provozu vystaveny různým tepotám, prováějí se mechanické zkoušky materiáu - za normáních tepot, tj. při tepotě 2 C - za zvýšených tepot - za nízkých tepot. b Mechanické zkoušky statické Při statických mechanických zkouškách je seována zejména pevnost materiáu. Protože strojírenské součásti mohou být při provozu namáhány různě orientovaným zatížením, prováějí se statické mechanické zkoušky tahem, takem, ohybem, střihem a krutem. Pro kažý ruh zkoušky norma přeepisuje tvar, rozměry, jakost povrchu a způsob zhotovení zkušebního vzorku, aby byo osaženo objektivity a jenoznačnosti výseku zkoušek. Zkouška pevnosti v tahu Tato zkouška má ze všech statických mechanických zkoušek největší význam a je pokáána za zákaní zkoušku kažého materiáu. Zkušebním vzorkem je vácová (na obrázku vevo) nebo pochá (na obrázku vpravo) tyč, jejíž konce jsou většinou zesíeny a vhoným způsobem upraveny pro uchycení v čeistech zkušebního stroje. Vácové tyče
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 3 jsou používány přenostně, poché tyče se zhotovují pouze při zkoušení materiáu ve tvaru tenkých pechů a pásů, ze kterých není možno zhotovit vácovou zkušební tyč. Tyče se upínají mezi čeisti zkušebního, tak zvaného trhacího, stroje. Zkušební vzorky jsou zatíženy věma stejně vekými siami (), působícími tahem v poéné ose vzorku. Zatěžující sía se vyvozuje většinou hyrauicky, u menších strojů také mechanicky (napříka pomocí šroubu a matice). Stroj je vybaven ukazateem zatěžující síy a zařízením pro grafický záznam síy a eformace. Průměr vácové tyče se voí poe veikosti síy, kterou je schopen trhací stroj vyvoit. Nejčastěji bývá průměr vzorků 2 nebo 1 mm. Na tyči je ryskami vyznačena měřená éka. U vácových tyčí se voí se jako esetinásobek (tzv. ouhé tyče) nebo pětinásobek (tzv. krátké tyče) průměru: = 1. nebo = 5.. U pochých tyčí je měřená éka ovozena z vácové tyče stejného průřezu a vypočte se poe vzorce = 11 S u ouhých tyčí,3.,65. = 5 S u krátkých tyčí ke S je průřez tyče. Pro přesnější postižení rozožení eformace v jenotivých místech zkušební tyče je možno měřenou éku rozěit ryskami s menší roztečí, napříka po eseti miimetrech. Záznamové zařízení trhacího stroje vytvoří iagram závisosti prostého prooužení zkušební tyče, vyjářené vztahem =, ke je éka měřené části tyče v aném okamžiku zkoušky, na zatěžující síe. Protože sía a prosté prooužení jsou závisé na rozměrech zkušebního vzorku, je vhonější posuzovat změřené výseky pomocí poměrných honot, to jest napětí (poměru zatěžující síy k zatěžované poše průřezu) a poměrného prooužení (prooužení ékové jenotky měřené éky). Pro určení skutečného napětí v ibovoném okamžiku zkoušky by byo třeba znát skutečnou pochu průřezu P K E, U K E U sk ε P P P ε A ε E δ P Protože je vžy S < S, je vžy sk >. Poměrné prooužení je áno vztahem ε= = v tomto okamžiku. Tyč se totiž se zatěžováním nejen proužuje, ae také zužuje, její průřez se z půvoní honoty S zmenšuje. Zpočátku probíhá zúžení rovnoměrně v ceé éce tyče. Pozěji se v některém místě začne tyč zužovat výrazněji, než jine. Tvoří se tak zvaná šíje, ve které pozěji oje k prasknutí tyče. Označíme-i veikost pochy průřezu v aném okamžiku S, je skutečné napětí áno vztahem = sk S. Běžné zkušební stroje však změnu příčných rozměrů a tey ani pochy průřezu nejsou schopny zaznamenat. Z uveených ůvoů je zaveena veičina označená smuvní napětí, vyjářená vzorcem =. Je zřejmé, že smuvní napětí i poměrné prooužení ε jsou přímo úměrné zatěžující síe a prostému prooužení. Proto je možno v přísušném měřítku z iagramu zakreseného trhacím strojem oečítat i poměrné honoty. Protože iagram neurčuje průběh skutečného napětí, ae pouze napětí smuvního, nazývá se iagramem smuvním. Srovnání průběhu skutečného a smuvního napětí během zkoušky je naznačeno na obrázku. Tím je také vysvětena skutečnost, proč zánivě zkoušený ε vzorek praská při menším napětí než je napětí přísušející vrchou smuvního iagramu -ε. L,ε. S
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 4 K om K Obrázky znázorňují záznam zkoušky houževnaté ocei. Na záznamové čáře je někoik charakteristických boů. O počátku zkoušky až o bou U je závisost mezi zatížením a eformací ineární, za tímto boem se čára zakřivuje. Do bou E vznikají v materiáu pouze pružné eformace. Poku bychom v průběhu zkoušky snižovai zatěžovací síu, zapisovací pero by se vraceo po již zakresené čáře zpět. Při osažení bou K oje ke zváštnímu jevu. Až osu byo pro zvětšení eformace nutno zvětšit zatížení. Ze je zřejmé, že za boem K bue po určitou obu probíhat eformace, i kyž se zatížení bue snižovat. Pozěji však opět čára začíná stoupat. Bo P opovíá vrchou záznamové čáry. V tomto okamžiku se začíná v některém místě tyč pruce zužovat, vzniká šíje. V boě L ochází k prasknutí vzorku, omu. Zmíněným boům opovíají charakteristická (smuvní) napětí, nazvaná mezemi: - mez úměrnosti v tahu Ut je největší smuvní napětí, při kterém je eformace úměrná napětí (patí Hookův zákon = E.ε) - mez pružnosti (easticity) v tahu Et je smuvní napětí, o kterého vznikají pouze pružné (eastické) eformace - mez kuzu (průtažnosti) v tahu Kt je smuvní napětí, při jehož osažení probíhají po určitou obu eformace, aniž je nutno zvyšovat zatížení; z honoty meze kuzu se u oceí zpravia určuje ovoené napětí v tahu - mez pevnosti v tahu Pt je největší smuvní napětí, kterého je při tahové zkoušce osaženo. V obrázku je naznačeno rozěení eformace v určitém okamžiku zkoušky. Jestiže napříka v boě A bue vzorek oehčen, zapíše záznamové zařízení úsečku směřující z tohoto bou šikmo oů. Cekové poměrné prooužení pře oehčením byo ε, po oehčení zůstane v materiáu poměrné prooužení ε P (pastická sožka cekového prooužení). Úsek označený ε E tey přestavuje pružnou (eastickou) sožku cekového prooužení. Na rozí o meze úměrnosti, meze kuzu a meze pevnosti není mez pružnosti v iagramu tahové zkoušky vyznačena žáným zřeteným boem. Její experimentání zjišťování heáním napětí opovíajícího efinici meze pružnosti je vemi zouhavé. Proto je poe ohoy za mez pružnosti považováno smuvní napětí, které vyvoí trvaé prooužení zkušební tyče rovné,5 % měřené éky (obrázek). Takto určená mez pružnosti se označuje,5. Trvaá sožka poměrného prooužení v okamžiku přetržení se nazývá tažností materiáu. Je označována δ, uávána v procentech půvoní měřené éky a patí pro ni vztah δ = K.1 ke K je měřená éka po přetržení. Zjišťuje se po vyjmutí a sožení obou částí vzorku. Daší uávanou honotou je kontrakce neboi poměrné zúžení. Stejně jako tažnost se zjišťuje po vyjmutí a sožení obou částí vzorku a určuje ze vztahu S S [%] K ψ =.1 [%]. S Tvrší ocei nemají zřetenou ani mez kuzu. Proto se u nich uává smuvní mez kuzu. Je efinována (poobně jako smuvní mez pružnosti) jako napětí, které vyvoí trvaé prooužení zkušební tyče rovné,2 % měřené éky (obrázek). Je označována,2. Tvré a křehké kovy, jako napříka pevné ruhy oceí nebo itina, vykazují při tahové zkoušce vemi maé cekové prooužení. tvrá oce ε itina ε Zkouška pevnosti v taku Zkouška pevnosti v taku je obobou tahové zkoušky. Zkušební vzorky jsou zatíženy věma stejně vekými siami (), působícími takem v poéné ose vzorku. Zkušební vzorek z kovových materiáů má tvar váečku o průměru 1 až 3 mm. Jeho výška h je při hrubém měření h =, při přesném měření h = (2,5 až 3).. Zkušební vzorky ze řeva, kamene či betonu mají z ůvou snanějšího zhotovení tvar kryche. Zjišťovanými honotami, které se pro oišení o honot zjištěných při zkoušce tahové označují E K E ε E =,5 % K ε K =,2 % ε ε
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 5 inexem, jsou: prosté zkrácení poměrné zkrácení poměrné zkrácení v procentech Zkouška střihem Zkouška střihem se prováí pouze výjimečně, zpravia jen u materiáů určených pro výrobu šroubů, nýtů, koíků, kínů a jiných strojních součástí, které jsou během provozu namáhány tangenciáním napětím. Vzorek je vožen o zkušebního zařízení tak, aby se jeho namáhání v maximání možné míře bížio namáhání prostým smykem. Ve skutečnosti však vžy ochází k příavnému ohybovému namáhání, takže vzniká střih. Při způsobu zkoušení nazna t, = = = ε, tah poměrné rozšíření S K S ψ =.1 [%]. ε ε t S tak U měkčích a houževnatějších materiáů je iagram zkoušky takem přibižně souměrný poe počátku k iagramu tahové zkoušky, neochází ze ovšem ke vzniku šíje a tuíž pokesu smuvního napětí. Zkouška u těchto materiáů nemá ukončení, protože vzorky se stáe stačují, aniž oje k jejich porušení. Protože mezní napětí v taku jsou u těchto materiáů prakticky shoná s mezními napětími v tahu, takovou zkoušku není třeba prováět. Křehké materiáy, jako napříka itina, vykazují pevnost v taku výrazně vyšší než pevnost v tahu (u itiny je P = 3 až 5 Pt ). Pak je ovšem nutno prováět obě zkoušky. Při osažení meze pevnosti oje u křehkých materiáů k rozrcení vzorku. δ = K.1 [%] Zkouška ohybem Zkušebním vzorkem je tyč zpravia vácového tvaru (kruhového průřezu). Při zkoušce je poožena na vou popěrách a uprostře zatěžována. Zjišťuje se pevnost v ohybu a poměrný průhyb v okamžiku porušení vzorku. Pevnost v ohybu se vypočte pomocí vzorce M o max Po = Wo ke M o max je maximání ohybový moment, pro který patí max. M o max = 4 max je zatěžující sía v okamžiku porušení vzorku W o je mou průřezu v ohybu, který se pro kruhový průřez určí ze vztahu 3 π. y W o =. 32 Poměrný průhyb ϕ se určí z cekového průhybu y poe vztahu /2 /2 y ϕ =.1 [%]. Zkouška ohybem se zpravia prováí pouze u křehkých materiáů, u kterých oje k porušení. Houževnaté materiáy se při sebevětší eformaci neporuší, takže zkouška by neměa ukončení. V přípaech, ky se přesto zkouška prováí, je nutno stanovit imitní eformaci a pro ni určit napětí a poměrný průhyb.
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 6 čenému v obrázku působí sía na va kruhové průřezy vzorku (vyznačeny čárkovaně), takže pro mez pevnosti ve smyku patí výraz max max 2. max τ Ps = = = 2 2 2. S π. π. 2. 4 ke Ps je zatěžující sía v okamžiku porušení zkušebního vzorku a je průměr vácového vzorku. Zkouška krutem Účeem této zkoušky je zjištění pevnosti materiáu při jeho namáhání kroucením, což je vemi častý přípa u součástí přenášejících rotační pohyb (hříeů). Vzorkem je tyč kruhového průřezu jením koncem nehybně upnutá a na ruhém konci zatížená zvětšujícím se kroutícím momentem. Pro mez pevnosti v krutu patí výraz M k max τ Pk = Wk ke M k max je kroutící moment v okamžiku porušení pevnosti vzorku W k je mou průřezu v krutu, který se pro kruhový průřez určí ze vztahu 3 π. W k =. 16 Kromě meze pevnosti se při zkoušce může zjišťovat také osažitená eformace. Určuje se jako tak zvané poměrné zkroucení poe vzorce ϕ ϑ = ke ϕ je úhe, o který by působením kroutícího momentu pootočen koncový průřez zkušebního vzorku oproti průřezu protiehému. h 3 B vzorek O 2 kaivo A M K Mechanické zkoušky ynamické Strojní součásti jsou během svého provozu vemi často zatěžovány náhe nebo proměnivě působícími siami. V takových přípaech ochází k porušení materiáu při napětích výrazně nižších, než opovíá mezím pevnosti zjištěným při zatížení statickém. Proto je nutno prováět zkoušky, jejichž průběh se přibižuje průběhu takových skutečných namáhání. Jestiže je působení si náhé, označuje se namáhání jako rázové. Je-i působení si proměnivé, označuje se namáhání jako cykické. Přirozeně může existovat i namáhání kombinované z obou jmenovaných. Všechny popisované přípay jsou nazývány ynamickým namáháním. 1 1 opěra vzorek úer kaiva Zkoušky rázem Těmito zkouškami je zjišťována houževnatost materiáu při náhém zatížení. V zásaě je možno prováět rázové zkoušky tahem, takem, smykem či krutem, nejvhonější a proto nejčastější jsou rázové zkoušky ohybem. Používají se vě metoy: poe Charpyho, ky je vzorek při zkoušce poožen na vě popěry, a poe Izoa, ky je vzorek uchycen ze jeen konec (etmo). Častější je první metoa, která bue v aším textu popsána. Zkušebním zařízením je tzv. Charpyho kaivo, kyvao se zúženou funkč-
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 7 ní hranou - břitem. Zkušebním vzorkem je tyč normaizovaných rozměrů. Pro křehké materiáy se užívá jenouchých tyčí. Vzorky z houževnatých materiáů (ocei), které by při jenouchém tvaru neprasky, se opatřují vrubem (naznačeno v obrázku). Vzáenost popěr je 4 mm. Na začátku zkoušky je kaivo umístěno o jeho horní poohy (A). Na popěry se pooží zkušební vzorek a kaivo se uvoní. Poohová energie kaiva se mění v kinetickou. V nejnižším místě své ráhy kaivo ueří o vzorku. Část kinetické energie se spotřebuje na eformaci vzorku. Kaivo překývne o poohy B. Rozí poohových energií kaiva v místech A a B přestavuje práci potřebnou na přeražení vzorku. Měřítkem houževnatosti materiáu je eformační práce přepočtená na jenotku pochy průřezu v místě nárazu kaiva. U houževnatých materiáů zkoušených pomocí vzorků opatřených vrubem patí pro tzv. vrubovou houževnatost A R= ke R (J.m -2 ) je vrubová houževnatost, S (m 2 ) je pocha průřezu vzorku v místě vrubu, A (J) je eformační práce, která se určí ze vztahu A = G. h ke G (N) je tíha kaiva a h (m) je výškový rozí počáteční a konečné poohy kaiva. U křehkých materiáů probíhá zkouška obobně. Vzorek však nemá vrub a proto se o vzorce pro výpočet tzv. rázové houževnatosti osazuje pocha pného průřezu tyče. Zkoušky opakovaným namáháním (zkoušky únavové) Z praxe je známo, že při opakovaném namáhání kovových materiáů často ochází k porušení jejich souržnosti, přestože napětí v nich vyvozené neosáho statické meze pevnosti (napříka oěení části rátu o většího ceku jeho opakovaným ámáním v ruce). Tento jev je nazýván únavou materiáu. Proto je nutno zkoušet materiáy určené pro součásti vystavené proměnivému zatížení také z heiska jejich oonosti proti únavě. Proměnivé namáhání, kterému jsou vystaveny součásti v praxi, nemusí mít praviený průběh (napříka namáhání pružin povozku automobiu se mění v závisosti na nerovnostech vozovky). Při zkoušce je však moeování skutečného proměnivého zatížení obtížné a proto se užívá průběhu pravieného - cykického. Poe charakteru vznikajícího napětí může být cykické namáhání (naznačeno v obrázku) + (τ) - (τ) - puzující - míjivé - stříavé - souměrné - nesouměrné. Časový průběh namáhání může být ovšem různý. Poe působení namáhání mohou zkoušky probíhat cykickým tahem - takem, ohybem a krutem. Nejobvykejší je zkouška souměrným stříavým ohybem. Důvoů je někoik, zejména - tento způsob zatížení je pro materiá nejnebezpečnější - tímto způsobem jsou namáhána vákna materiáu ůežitých a často užívaných strojních součástí přenášejících rotační pohyb - hříeů - reaizace zkoušky cykickým ohybem je snanější a rychejší než reaizace zkoušky jiným způsobem. S puzující míjivé stříavé nesouměrné stříavé souměrné čas 3 t 1 1 /2 2 1 4 2 4 úhe pootočení Vzorkem je tyč kruhového průřezu a normaizovaných rozměrů. Při zkoušce se vzorek, uožený svými konci v ožiskách, otáčí. Uprostře je zatížen nastavitenou siou (). Je-i seované vákno tyče právě v místě 1, vzniká v něm maximání tahové napětí ( t max ). Při průchou místem 2 se naézá v neutrání vrstvě váken a tuíž není vůbec zatíženo ( = ). Je-i právě v místě 3, vzniká v něm maximání takové napětí ( max ). Při průchou místem 4 se opět naézá v neutrání vrstvě váken ( = ). Průběh namáhání kažého vákna je stříavý souměrný, v grafu je znázorněn sinusoiou. 3
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 8 Zkouška se prováí s vekým počtem vzorků, kažý z nich je zatížen jinou siou. Po Po Zaznamenává se, koika zatěžovacím cykům by který vzorek vystaven o prasknutí. Závisost počtu okončených zatěžovacích cyků (N) na zatěžovacím napětí () se graficky znázorňuje v tzv. Wöherově C C iagramu. Na obrázku jsou va způsoby 1 7 N 1 7 og N jeho zakresení. V evém iagramu je počet cyků uveen v ineární stupnici, v pravém iagramu ve stupnici ogaritmické. Z iagramů je zřejmé, že při zatížení, které ve vzorku vyvoá napětí na mezi pevnosti v ohybu, oje k porušení souržnosti hne při první otáčce tyče. Se snižováním zatížení se počet cyků o porušení souržnosti materiáu zvyšuje. Při určitém napětí přechází křivka v evém iagramu o voorovné přímky, šikmá úsečka v pravém iagramu se omí. Toto největší napětí, při kterém by vzorek teoreticky vyrže nekonečně mnoho cyků, se nazývá mez únavy. Označuje se C. Ocei se zkouší o asi 1 7 cyků, některé nežeezné kovy (napříka hiník a jeho sitiny) je nutno zkoušet ée (1 8 cyků i více). Veikost meze únavy závisí na vastnostech materiáu, ae také na tvaru a jakosti jeho povrchu. Kažá povrchová nerovnost mez únavy postatně snižuje. Pt, Kt, δ Pt - 1 2 4 6 tepota ( C) δ Kt Mechanické zkoušky za tepot oišných o okoí Součásti strojních zařízení jsou při svém provozu často vystaveny tepotám oišným o tepoty okoí (tak zvané běžné nebo normání tepoty). Proto je nutno ověřit, o jaké míry tepota ovivňuje mechanické vastnosti. Za tímto účeem jsou prováěny zkoušky mechanických vastností za vyšších tepot a zkoušky mechanických vastností za nízkých tepot. Zkoušky mechanických vastností za vyšších tepot Pro konstrukci i technoogii je třeba znát, jaké vastnosti má materiá za vyšších než obvykých tepot. Zkoušky mechanických vastností za zvýšených tepot jsou vojího ruhu: - krátkoobé, při kterých se zpravia zjišťují vastnosti materiáu za účeem posouzení jeho vhonosti k technoogickým operacím, zejména ke tváření - ouhoobé, při kterých se zjišťují vastnosti materiáu za účeem posouzení jeho vhonosti k použití o zařízení pracujících při zvýšených tepotách. Krátkoobé zkoušky za vyšších tepot Proveení krátkoobých zkoušek za vyšších tepot je v postatě shoné s metoami užívanými při zkouškách za tepot běžných. Nejčastěji se prováí zkouška tahem, něky zkouška vrubové houževnatosti a zkouška tvrosti. Na obrázku je naznačena závisost meze pevnosti ( Pt ), maze kuzu ( Kt ) a tažnosti (δ) uhíkové ocei na tepotě. Z iagramu je zřejmé, že uhíková oce osahuje své největší pevnosti mezi 2 a 3 C. Při téže tepotě má nejmenší tažnost, tey i vhonost pro tváření. Mez kuzu se s tepotou snižuje pynue. Douhoobé zkoušky za vyšších tepot Z popisu tahové zkoušky za běžných tepot je zřejmé, že k osažení cekové prooužení O B A C D čas větší eformace (ε) vzorku (s výjimkou krátké obasti těsně za mezí kuzu a obasti za smuvní mezí pevnosti) je nutno zvýšit napětí (). Poku během zkoušky přestaneme zatížení zvětšovat, nebue eformace pokračovat a vzorek si urží své aktuání rozměry. Při ouhoobém zatížení za vyšších tepot je chování kovů jiné. Deformace se s časem zvětšuje i při neměnném zatížení. Tento jev se nazývá tečení materiáu (angicky creep). Průběh tečení materiáu potřebuje znát konstruktér, navrhující zařízení, které během provozu bue vystaveno vyšším tepotám. Návrh konstrukce musí vycházet z požaavku, aby za přepokáanou obu provozu eformace součástí nezpůsobia nefunkčnost nebo okonce havárii zařízení. Douhoobými zkouškami za vyšších tepot je zjišťována závisost rychosti eformace vzorku na jeho zatížení. Zpravia je prováěna zkouška tahem, obobná tahové zkoušce za běžných tepot. Zkušební vzorek (tyč) je
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 9 však při zkoušce natahován uvnitř zváštní eektrické oporové pece, vybavené zařízením pro přesnou reguaci tepoty. Zatěžující sía se zvyšuje stejně jako u zkoušky za běžných tepot až na přeem určenou veikost, pak zůstává stáá. V praviených časových intervaech se zaznamenává cekové prooužení vzorku až o porušení jeho souržnosti. Ze záznamu se pak vytvoří iagram závisosti cekového prooužení na čase (v obrázku). Diagram je možno rozěit o čtyř charakteristických částí. První část iagramu o počátku záznamu O o bou A opovíá počátečnímu protažení jako při zkoušce za běžných tepot. Ve ruhé části zkoušky o A o B se rychost eformace (tj. prooužení za jenotku času) zmenšuje, probíhá tzv. primární tečení. Neješí je třetí část o B o C, tzv. sekunární tečení, ve které je rychost tečení konstantní, eformace roste s časem ineárně. Po osažení bou C se začne rychost tečení pruce zvyšovat, probíhá terciární tečení. V boě D ochází k omu (porušení souržnosti vzorku). Ze zkoušky se vyhonocuje mez tečení v tahu, označovaná Tt. Je efinována jako napětí, které při ané tepotě vyvoí za určenou obu stanovenou eformaci. Tato přípustná eformace závisí na povaze konstruovaného zařízení a jeho žáané životnosti. Napříka přepokáaná životnost žárových trubek parních kotů je 2.1 5 hoin, životnost součástí etecké spaovací turbiny pouze 1 3 hoin. Konstruktér určí, k jak veké cekové eformaci ané součásti smí za tuto obu ojít bez nebezpečí provozní závay. Součást imenzuje poe meze tečení přísušející ané provozní tepotě a cekové přípustné eformaci. Zkoušky mechanických vastností za nízkých tepot Při snižování tepoty po tepoty běžné se u oceí zvyšuje mez pevnosti a mez kuzu, ae snižuje se tažnost a vrubová houževnatost. Proto je nutno pro imenzování součástí pracujících při snížených tepotách (napříka součásti chaicích zařízení, kompresorů, etae, páště raket) zjistit mechanické vastnosti materiáů těmto tepotám přísušející. Zpravia se při nízkých tepotách prováí tahová zkouška a zkouška vrubové houževnatosti. Metoika zkoušek je shoná s postupy prováěnými za běžných tepot. Zkušební přístroj je opněn o chaicí zařízení, které musí umožnit rovnoměrné ochazení zkušebního vzorku na přeepsanou tepotu a uržení této tepoty během zkoušky. Obvykými chaicími prostřeími jsou směs tuhého kysičníku uhičitého a metyakohou (o - 7 C), směs kapaného usíku a petroétheru (o - 15 C), kapaný usík (o - 19 C) a kapané heium (po - 19 C). Zkoušky tvrosti Tvrost je efinována jako opor, který kae materiá proti vnikání cizího těesa. Ve smysu této efinice jsou také zákaní zkoušky tvrosti prováěny. Do povrchu zkoušeného materiáu se zatačuje zkušební těísko vhoného tvaru (kuička, kuže, jehan) zhotovené z ostatečně tvrého materiáu (kaená oce, sinutý karbi, iamant), nazývané inentor, a poe veikosti vtisku zanechaného zkušebním těískem v materiáu se posuzuje jeho tvrost. Zkoušky tvrosti jsou vemi časté, protože jejich užití má řau výho. Zejména je to - jenouchost a rychost proveení - možnost posouit z výseku zkoušky tvrosti aší vastnosti materiáu, napříka jeho pevnost, tvárnost či obrobitenost - možnost proveení zkoušky na hotovém výrobku bez jeho znehonocení. Zkoušky tvrosti se poe způsobu zatížení rozěují na statické a ynamické. Při statických zkouškách je zatížení kiné, při ynamických rázové. Tvrost zjištěná zkouškami se označuje písmenem H (o německého hart nebo angického har - tvrý) a zkratkou metoy, poe které bya tvrost zkoušena (napříka HB = tvrost poe Brinea, HV = tvrost poe Vickerse at.), přípaně uveením bižších pomínek proveení zkoušky. Protože by u jenotivých tvrostí poe principu jejich metoy vycházey různé jenotky, uváí se tvrost jako veičina bezrozměrná. Statické zkoušky tvrosti Poe působení zkušebního těíska (inentoru) na zkoušený materiá jsou statické zkoušky rozěovány na vrypové a vtačovací. Vrypové statické zkoušky tvrosti Vrypové zkoušky tvrosti mají ve strojírenství maý význam. Zpravia se užívají pro tvré a křehké materiáy jako jsou sinuté karbiy, technické sko, technický porceán, kaené a jinak tvrzené vrstvy a gavanické povaky. Zkouška poe Mohse Nejznámější vrypovou zkouškou vůbec je posuzování tvrosti poe Mohsovy stupnice, užívané v mineraogii (mastek, sů kamenná, vápenec, kazivec, apatit, živec, křemen, topas, korun, iamant). Princip zkoušky spočívá
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 1 ve srovnávání tvrosti zkoušeného materiáu s tvrostí jmenovaných mineráů, kterými se postupně prováí pokus o vryp o materiáu zkoušeného. Tato zkouška je pro svoji nepřesnost u kovů užívána jen výjimečně. V technických oborech se upatňuje při posuzování tvrých a křehkých izoantů. Tvrost zjištěná poe Mohse se označuje HMo. Zkouška poe Martense Vryp se v povrchu zkoušeného materiáu vytváří iamantovým kužeovým hrotem o vrchoovém úhu 9, zatíženým zvyšující se siou při stanovené rychosti pohybu. Měřítkem tvrosti je veikost zatížení potřebného k osažení šířky vrypu,1 mm. Tvrost zjištěná poe Martense se označuje HMa. Zkouška poe Stocka Zkouška je obobou Martensovy zkoušky. Zatížení je však stáé a měřítkem tvrosti je převrácená honota šířky vrypu uané v µm. Převrácené honoty naměřeného výseku je užito proto, aby větší tvrosti opovíao větší číso. Kyby bya jako míra tvrosti uveena přímo šířka vrypu, přísušeo by tvrším materiáům menší čísené vyjáření než materiáům měkčím. Tvrost zjištěná poe Stocka se označuje HSt. Vtačovací statické zkoušky tvrosti Tento způsob zkoušení tvrosti je ve strojírenství užívanější, než zkoušky vrypem. Do zkoušeného materiáu se komo k jeho povrchu pozvona vtačuje zkušební těísko přeepsaného tvaru a veikosti. Tvrost materiáu se posuzuje poe veikosti nebo houbky vtisku, který inentor zanechá. Nejčastěji se prováí zkoušky poe Brinea, Rockwea a Vickerse. Zkouška poe Brinea Tvrost zjišťovaná poe Brinea má zákaní označení HB. D Zkušebním těískem je u měkčích materiáů oceová kaená kuička, u tvrších materiáů (na HB = 4) kuička ze sinutých karbiů. Průměr kuičky (D) je nejčastěji 1 mm, používají se i kuičky o průměru 5 mm, 2,5 mm, 1,25 mm a,625 mm. Zatěžovací sía () se voí jako násobek ruhé mocniny průměru kuičky. Pro zkoušení ocei je nejčastěji (N) =3.D 2, pro nežeezné kovy a jejich sitiny (N) =1.D 2, pro vemi měkké sitiny (N) =25.D 2. Norma určuje také obu zatížení poe charakteru zkoušeného materiáu. Měří se průměr vtisku, a to ve vou vzájemně komých směrech. Vtisk totiž v ůseku eformace materiáu (naznačeno v obrázku) nemusí mít zcea pravieně kruhový průmět. vtisk Měřítkem tvrosti je poměr veikosti zatěžovací síy k poše vtisku (jako kuového vrchíku) poe vzorce,12.2 HB = =. S π 2 2. D D D Poznámka: přepočtový součinite,12 v uveeném vzorci převáí veikost síy uanou v N na půvoní jenotky síy - kiopony (1 kp = 9,81 N, 1 N =,12 kp). Jestiže bya zkouška proveena při zákaních pomínkách, to je kuičkou o průměru 1 mm, siou 3. N po obu 1 sekun, zapisuje se její výseek zákaní označením bez bižších úajů (napříka HB = 22). Jiné užité pomínky je nutno u výseku zkoušky zapsat. Tak napříka označení HB5/75/3 = 135 znamená, že ke zkoušce bya užita kuička průměru 5 mm, zatěžovací sía bya 75 N a oba zatížení bya 3 sekun. U uhíkových oceí patí mezi pevností v tahu a tvrostí zjištěnou poe Brinea vztah Pt,36.HB. Zkouška poe Rockwea Tvrost zjišťovaná poe Rockwea má zákaní označení HR. Zkušebním těískem je u tvrých materiáů iamantový kuže s vrchoovým úhem 12, u měkkých materiáů kuička z kaené ocei o průměru 1/16 (pace), to jest 1,587 mm. Při použití kužee je výseek zkoušky označen
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 11 = 1 N = 15 N = 1 N HRC (C - angicky cone = kuže), při použití kuičky HRB (B - angicky ba = koue). Měřeným úajem je houbka vtisku. Průběh zákaní zkoušky proveené iamantovým kužeem je naznačen na obrázku. Kuže se přibíží k povrchu zkoušeného materiáu. Po otyku se zatíží přeběžným zatížením 1 N a pomau se vtačí o povrchu. Cíem tohoto kroku je zákaní úroveň měření proomení povrchové vrstvy zkoušeného materiáu, která může mít jiné vastnosti než materiá uvnitř. Pak se zatížení zvětší na 15 N. Po ukinění ukazatee houbky vtisku na měřicím přístroji (asi 1 sekun) se kuže opět oehčí na 1 N. Tvrost je určena z rozíu houbky,2 mm, ve které se nachází zákaní (pomysná) úroveň měření a houbky, ve které se nachází vrcho kužee po oehčení. Tento rozí je v obrázku označen HRC. Úaj tvrosti se vypočte vyěením zmíněného rozíu jenotkou tvrosti poe Rockwea, kterou je,2 mm. Jestiže napříka zůstane po oehčení vrcho měřícího kužee v houbce,8 mm, je rozí houbky zákaní úrovně měření a houbky vrchou kužee,2 -,8 =,12 mm. Vyěením jenotkou Rockweovy tvrosti (,2 mm) zjistíme tvrost,12 HRC = = 6.,2 Měřící přístroj je pro zjišťování houbkových úajů vybaven převoním zařízením a tyto úaje se oečítají na stupnici s porobným ěením. Při zjišťování tvrosti tenkých povrchových vrstev nebo křehkých materiáů se užívá cekového zatížení pouze 6 N. Takto zjištěná tvrost se označuje HRA. Princip zkoušky kuičkou je shoný s výše popsaným postupem, cekové zatížení je však jen 1 N. Rockweova zkouška má široké upatnění. Je rychá, vhoná i pro vemi tvré materiáy. Zanechává nepatrné stopy, takže je použitená také pro tenké součásti a vrstvy.,2 136 1 2 Zkouška poe Vickerse Tvrost zjišťovaná poe Vickerse má zákaní označení HV. Zkušebním těískem je iamantový hrot ve tvaru pravieného čtyřbokého jehanu o vrchoovém úhu 136. Tento úhe by zvoen na zákaě experimentů proto, že při něm zjištěná tvrost prakticky nezávisí na zatěžující síe a u běžných materiáů se jen máo iší o tvrosti zjištěné poe Brinea. Zatěžující sía se voí 1, 3, 5, 1, 3, 5 a 1 N, oba zatížení 1, 3, 6 a 18 sekun. Měří se éky obou úhopříček 1 a 2, ze kterých se vypočte stření honota. Vzheem k vemi maým rozměrům vtisku se měření éky úhopříček prováí pomocí optického zvětšení. Měřítkem tvrosti je poměr zatěžující síy k poše vtisku (povrchu jehanovitého ůku) 136,12.2..sin 2,189. HV = = =. S HRC Jestiže byo užito zákaní zatížení 3 N, zapisuje se tvrost bez uání upřesňujících úajů - napříka HV = 18. Při užití jiného zatížení je nutno toto v označení tvrosti poznamenat. Tak napříka označení HV1 = 2 přísuší tvrosti zjištěné při zatížení 1 N. Vickersova zkouška má nejširší použití. Jejími výhoami jsou vysoká přesnost, nezávisost výseku měření na zatěžující síe a vemi maé rozměry vtisku, tey i maé poškození povrchu kontroované součásti. Princip Vickersovy zkoušky je použit i při měření tak zvané mikrotvrosti, to jest tvrosti jenotivých strukturáních součástí kovů (krystaických zrn, nečistot) nebo vemi tenkých materiáů a vrstev. Zatížení je ze jen,5 až 1 N. Rozměry vtisku se měří speciáním mikroskopem. Takto zjištěná tvrost se označuje HVm. Dynamické zkoušky tvrosti Při ynamických zkouškách působí zkušební těeso (inentor) na zkoušený materiá rázem. Tvrost se honotí buď veikostí eformace zkoušeného materiáu (zkoušky vtiskové) nebo z veikosti oskoku inertoru (zkoušky orazové). 2 2
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 12 zkoušený materiá Dynamické zkoušky vtiskové Jsou vojího typu: přímé a srovnávací (komparační). Přímá zkouška se prováí pomocí tzv. Baumannova kaívka (na evém obrázku). Úer je vyvozen pružinou, která se pře zkouškou stačí a ve stačeném stavu zajistí. Kuička přístroje se přioží na zkoušený materiá. Po uvonění pružiny její energie vyvoí ráz na kuičku, která způsobí ůek ve zkoušeném materiáu. Tvrost materiáu se určí z rozměrů ůku pomocí k tomu účeu sestavených tabuek. Známým přístrojem pracujícím srovnávací (komparační) metoou je tzv. kaívko Poiny huti, zkráceně kaívko Poi (na pravém obrázku). Do rukojeti přístroje se na zkušební kuičku voží porovnávací tyč známé tvrosti (etaon), přístroj se kuičkou přioží ke zkoušenému materiáu a shora se vee obyčejným kaivem na vyznačené místo úer. Kuička vytvoří vtisk o zkoušeného materiáu i o materiáu etaonového. Tvrost zkoušeného materiáu se určí z poměru veikosti obou vtisků pomocí k tomu účeu sestavených tabuek. zkoušený materiá Měření popsanými metoami a přístroji mají menší přesnost než měření statickými zkouškami tvrosti. Jejich výhoou je, že těmito maými přenosnými přístroji je možno zjišťovat tvrost materiáu u rozměrných přemětů, které není možno opravit o aboratoře k sice přesnějším, ae stabině instaovaným tvroměrům. trubice zkoušený materiá zkušební těísko Dynamické zkoušky orazové Tvrost zkoušeného materiáu je posuzována poe výšky orazu zkušebního těíska při jeho páu na zkoušený povrch. Poe autora této metoy se zkouška nazývá Shoreho, takto zjištěná tvrost se označuje HSh. Půvoní Shoreho tvroměr čii skeroskop užíva zkušebního těíska o hmotnosti 2,6 gramů. Paa ve skeněné trubici opatřené stupnicí z výšky 1 (paců čii couů; 1 = 25,4 mm). Stupnice bya ěena na 14 íků, přičemž íek s označením 1 opovía výšce orazu těíska o tvré kaené ocei. Pozěji byy vyvinuty přístroje s jinými parametry. Poznámka: význam termínu skeroskop je stejný jako význam termínu tvroměr; je však zvykem užívat označení skeroskop pouze pro přístroj Shoreův. Měření tvrosti orazovou metoou je máo přesné, protože výseek zkoušky závisí kromě tvrosti zkoušeného materiáu také na jeho mouu pružnosti. Protože je přístroj maý a snano přenosný, užívá se ho v poobných přípaech jako Baumannova kaívka nebo kaívka Poi. Použití přístroje je pomíněno obrou kvaitou opracování povrchu zkoušené součásti, zpravia jeho broušením. Zkoušky technoogických vastností Technoogickými vastnostmi se rozumí soubor fyzikáních a mechanických vastností, které za určitých pomínek umožňují určitý způsob zpracování materiáů na pootovary a hotové výrobky. Tyto vastnosti na rozí o vastností fyzikáních nebo mechanických neze vyjářit pomocí přesně efinovaných veičin a jejich posuzování je proto poznamenáno subjektivním názorem oborníka prováějícího zkoušku. Nejůežitějšími technoogickými vastnostmi je tvárnost, sévatenost, svařitenost, kaitenost a obrobitenost. Vzheem ke seovanému účeu jsou postupy technoogických zkoušek voeny tak, aby se pomínky, při kterých jsou prováěny, v maximání možné míře přibižovay pomínkám výrobním. Při těchto zkouškách je zpravia seováno více ukazateů. Výseky zkoušek jsou popisovány kvantitativně (vyčísením míry spnění aných požaavků) i kvaitativně (sovním vyjářením spnění těchto požaavků). Zkoušky tvárnosti Tvárností se rozumí schopnost materiáu měnit vivem působení vnějších si tvar a změněný tvar si zachovat i po ukončení působení těchto si. Tvárnost se zkouší zejména u materiáů určených ke zpracování kováním, vácováním, isováním. Zkoušky tvárnosti se prováějí za stuena nebo za tepa. úer etaon
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 13 Zkouška ámavosti Vzorek zkoušeného materiáu ve tvaru poché tyče je poožen na vácovité popěry a uprostře zatížen trnem. Rozměry vzorku, trnu a popěr jsou ány normou. Měřítkem tvárnosti je úhe (α), o který je možno tyč ohnout, než se na její vnější straně objeví trhiny. Zkouška se prováí za stuena i za tepa. Zkouška pěchováním Vzorek má tvar váečku s výškou rovnou vojnásobku průměru. Stačuje se osovou siou, až se jeho výška zmenší při zkoušce za stuena na poovinu, při zkoušce za tepa na třetinu. Materiá vyhovuje, jestiže se po tomto stačení na obvou vzorku neobjeví trhiny. rát otáček kiky o porušení souržnosti rátu. trn čeisti zkoušená trubka tažník přiržovač pech tažnice α Zkouška pechů houbením Touto zkouškou, která je poe svého autora nazývána zkouškou Erichsenovou, se seuje vhonost pechů k tažení, to jest vytváření utých tenkostěnných těes. Zkoušený pech se pooží na tažnici nástroje a přitiskne přiržovačem. Tažníkem, jehož funkční část má tvar koue o průměru 2 mm, se pech vtačuje o tažnice. Měřítkem tažnosti je houbka prohoubení (h). Kromě toho se seuje také vzhe povrchu pechu na vnější straně vznikého kaíšku. Hrubý povrch svěčí o hrubé krystaizaci materiáu pechu a jeho nevhonosti k tažení. Zkoušky rátů Materiá určený pro výrobu rátů se zkouší více způsoby. Ze buou uveeny pouze nejčastěji prováěné zkoušky. Důežitou zkouškou prováěnou u rátů určených na výrobu an je zkouška stříavým ohybem. Drát je upnut mezi čeisti a stříavě na obě strany ohýbán o 18. Měřítkem tvárnosti je počet ohybů o porušení souržnosti rátu. Při zkoušce kroucením je jeen konec rátu pevně uchycen, ruhým koncem kroutí kika. Měřítkem tvárnosti je počet rozhánění emování smáčknutí Zkoušky trubek Zkoušky trubek jsou voeny poe nejčastějších způsobů jejich úprav při výrobě: rozháněním, emováním a smáčknutím. Při zkoušce rozháněním se o trubky vtačuje trn přeepsaných rozměrů. Materiá trubky vyhovuje, jestiže se na okraji rozšířené části neobjeví trhiny. Při zkoušce emováním se nejříve trnem kužeovým konec trubky rozevře, pak se rovinnou eskou vytvoří em ežící v rovině komé na osu trubky. Jako u přechozí zkoušky se nesmí na okraji emu vytvořit trhiny. Při zkoušce smáčknutím se ořezek trubky stačí raiáně působící siou. Seují se va stupně tvárnosti: při menší eformaci, ky stěny trubky oehnou na voženou estičku přeepsané toušťky (naznačeno v obrázku), h čeisti vožka rát ožisko kika
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 14 a při větší eformaci, ky se vožky neužívá a stěny oehnou na sebe. V obou přípaech se tvárnost posuzuje poe vzniku trhin v místě ohybu. Zkouška kovatenosti Při zkoušce kovatenosti se posuzuje tvárnost materiáu prováěním typických kovacích operací - ěrováním, rozšiřováním a rozkováním. Vzorkem je pochá tyč o šířce asi 25 mm, toušťce 5 až 1 mm a éce 2 až 3 mm. Po zahřátí na kovací tepotu se ostrým hrotem v tyči poožené na kovaině prorazí otvor průměru 1 mm. Ve ruhé fázi zkoušky se tento otvor kužeovým trnem zvětší na průměr 15 mm. Pak se konec tyče rozkove na toušťku asi 2 mm. Tvárnost materiáu se posuzuje poe veikosti eformací, které je možno vyvoat, než se na hranách otvoru nebo okraji rozkované části objeví trhiny. Zkoušky sévatenosti Zkouška sévatenosti se prováí u kovů určených ke zhotovení oitků. Nejčastějšími vaami oitků jsou jejich neúpnost, způsobená špatnou zabíhavostí itého kovu o utiny formy, a bubinatost, existence robných utin uvnitř ztuhého kovu způsobených uvoňováním pynů z tekutého kovu během jeho chanutí. Zkouška zabíhavosti se prováí itím kovu o formy ve tvaru rážky o přeepsaném průřezu. Poe éky vypněné části rážky se posuzuje zabíhavost. Bubinatost se zkoumá na řezu zkušebního oitku nebo některou z meto neestruktivních zkoušek. Ke zkouškám sévatenosti patří také zjišťování smrštivosti kovu, to jest zmenšení rozměrů oitku oproti rozměrům utiny formy. Zkouška se prováí proměřením oitku po jeho vychanutí a srovnáním rozměrů chaného oitku s rozměry formy. Zkoušky svařitenosti Svařiteností se rozumí schopnost kovu vytvářet svařováním pevné spoje. Poe normy se svařitenost posuzuje čtyřmi stupni: zaručená, zaručená - pomíněná, obrá a obtížná. Vzheem k tomu, že je mnoho meto svařování, je i mnoho zkoušek svařitenosti. Nejčastějšími jsou zkouška ohybem estičky s naneseným svarem a zkouška rázová. Při rázové zkoušce je posuzována houževnatost samotného svarového kovu, ae také houževnatost kovu v okoí svaru, ovivněném působením tepa při svařování. Zkoušky kaitenosti Do této skupiny zkoušek patří zkouška kaitenosti, při které se zjišťuje nejvyšší tvrost materiáu osažitená kaením, a zkouška prokaitenosti, při které se zjišťuje houbka zakaené vrstvy osažitená určitým kaicím postupem. Zkoušky obrobitenosti Obrobiteností se rozumí působení obráběného materiáu na obráběcí nástroj. Při zkouškách obrobitenosti se posuzuje veikost řezného oporu, to jest oporu materiáu proti vnikání břitu nástroje, a nežáoucí působení vzniké třísky na břit nástroje, to jest tenence třísky upívat na nástroji. Jiskrová zkouška Jiskrová zkouška souží k určení neznámé ocei pře jejím zpracováním. Vastnosti ocei se posuzují poe tvaru a zabarvení jisker vznikajících při broušení posuzovaného vzorku. Jiskry se porovnávají s jiskrami vznikajícími při broušení vzorků oceí se známým sožením, vybraných ze speciání say oávané hutnickými závoy. Zkoušky ke zjišťování va materiáu (efektoskopie) Při zpracování kovových materiáů může ojít k porušení jejich homogenity a souržnosti. Při ití vznikají v kovech bubiny, uvnitř kovu může být zaita struska, formovací písek nebo jiná nežáoucí sožka. Při tváření kovů a při tepeném zpracování mohou v ůseku pnutí vzniknout v materiáu praskiny. Popisované vay mohou být zjevné nebo skryté. Pootovary a výrobky se zjevnými vaami je možno snano ostranit, přípaně opravit. Skryté vay však mohou způsobit poškození výrobků. Vay v pootovarech zjištěné až během jejich zpracování jsou příčinou zbytečně vynaožené práce. Zjišťováním skrytých va (efektů) pootovarů a výrobků se zabývá speciání obast zkušebnictví, efektoskopie.
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 15 Skryté vay se mohou vyskytovat na povrchu nebo uvnitř materiáu. Poe povahy vay, jejího rozsahu a umístění existuje více způsobů jejich zjišťování. Ze buou popsány pouze nejčastější z nich. Zjišťování povrchových va Povrchovými vaami se rozumí takové, které vycházejí z povrchu materiáu. Nejčastěji to jsou pouhým okem neviitené trhiny, vzniké při tepeném zpracování nebo tváření. Zkoušky kapiární Nejjenoušší metoou zjišťování povrchových va materiáu jsou zkoušky kapiární. Jsou zaoženy na vzínavosti kapain o úzkých štěrbin, kapiár. Inikační (zjišťovací) kapainou může být napříka petroej, přípaně obarvený aniinovou červení, nebo kapainy obsahující fuoreskující příměsi. Menší součásti se o inikační kapainy ponoří, větší se kapainou potírají nebo poévají. Kyž kapaina pronikne o trhin, ostraní se její přebytek z povrchu zkoušeného přemětu otřením nebo omytím. Povrch je také možno osušit, nejčastěji prouem horkého vzuchu. Po očistění a osušení povrchu začne inikační kapaina svou vzínavostí opět vystupovat z trhin na povrch přemětu. U větších va jsou tato místa zřetená pouhým okem. Při použití petroeje se pro snanější zjištění menších va na povrch zkoušeného přemětu nanese vhoný prášek (oxi hořečnatý, uhičitan vápenatý, uhičitan hořečnatý), který ze štěrbin nasává inikační kapainu. Barevné skvrny na vrstvě prášku jsou obře viitené. Na povrch tvarově sožitějších přemětů se místo suchého prášku rozprašuje jeho suspenze v ryche opařitené kapaině (acetonu). Při použití fuoreskující inikační kapainy se otřené a osušené přeměty prohížejí ve tmě po utrafiaovým světem. V trhinách kapaina zřeteně světékuje. Kapiární zkoušky jsou použitené pro všechny kovy, používají se však také u nekovových materiáů. Magnetické zkoušky povrch přemětu siočáry povrch přemětu utina siočáry povrch přemětu Magnetické zkoušky jsou zaoženy na vychýení magnetických siočar v místech, ke je jim o cesty postavena překážka, napříka trhina v povrchu nebo utina uvnitř matriáu. Homogenním matriáem procházejí siočáry přímo. V místě překážky se vychyují, zhušťují a překážku obcházejí. Na horním obrázku je naznačeno vychýení siočar v místě trhiny vycházející z povrchu přemětu, na oním obrázku jejich vychýení v bízkosti utiny naézající se po povrchem přemětu. V místech, ke siočáry vystoupí na povrch přemětu, se vytvoří eementární magnetické póy. Jestiže je na povrch přemětu nanesen feromagnetický prášek (jemné žeezné piiny, práškový oxi žeeza), zachytí se na magnetických póech. Přeměty je také možno poévat suspenzí feromagnetického prášku v oeji. Z obrázků je zřejmé, že touto metoou je možno zjistit povrchové vay a vay ežící uvnitř materiáu bízko jeho povrchu. Houběji poožené vay tato metoa nezaznamená. Magnetizace se prováí různými způsoby. Vžy tak, aby tok siočar by komý nebo šikmý vůči směru vay. Úzké trhiny ežící ve směru toku siočar jejich vychýení nezpůsobí. Nejjenoušším způsobem apikace této metoy je vožení zkoušeného přemětu mezi póy permanentního magnetu. Oproti ze uveenému schematickému náčrtu je ovšem nutno konstruovat magnet tak, aby byo možno vzáenost póů uzpůsobovat rozměrům siočáry trhina transformátor zkoušený přemět zkoušeného přemětu. Pro zjištění va s různou orientací je nutno přemět vkáat v někoika vhoných poohách. Stejný princip má magnetizace pomocí stejnosměrného eektromagnetu. V obou popsaných přípaech ochází k poéné magnetizaci. U přemětů rotačních tvarů se používá také kruhová (cirkuární, příčná) magnetizace, při které je zkoušený přemět zapojen přímo o eektrického obvou jako jeho součást. Kruhové magnetické siočáry eží v rovinách komých na osu přemětu. V místě poéné trhiny nebo trhiny šikmo poožené vůči ose přemětu kruhové siočáry vystoupí na povrch přemětu. Trhiny ežící v rovinách komých na osu přemětu není možno touto metoou zjistit. Z postaty magnetických zkoušek je zřejmé, že jsou použitené pouze pro magnetické materiáy. magnet zkoušený přemět
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 16 Zjišťování vnitřních va Nejčastějšími způsoby zjišťování vnitřních va materiáu je prozařování eektromagnetickým vněním s vemi krátkými vnovými ékami a průcho utrazvukového vnění. zroj záření zkoušený přemět vaa fim kazeta Zkoušky prozařováním Metoa je zaožena na rozíné průchonosti eektromagnetického záření s vemi maou vnovou ékou (1-9 až 1-12 m), to jest rentgnenova záření a záření gama, materiáy různé hustoty. Zrojem rentgenova záření je zváštní eektronka (rentgenka) nebo kruhový urychovač betatron. Zrojem záření gama jsou přirozené raioaktivní prvky (raium, raon) nebo uměé raioaktivní zářiče, raioizotopy (kobat Co 6, cesium Cs 137, iriium Ir 192, thuium Tm 17). Intenzita záření se při průchou materiáem zesabuje v závisosti na hustotě materiáu - materiáy s vyšší hustotou záření zesabují více než materiáy s hustotou menší. Intenzita záření, které prošo zkoušeným materiáem, se zjišťuje vizuáně na fuorescenčním štítu nebo fotochemicky, to jest působením záření na citivou vrstvu fotografického fimu (existují i sožitější způsoby zjišťování intenzity procházejícího záření). Princip zkoušky s použitím fotografického záznamu (raiogramu) je naznačen v obrázku. Jestiže hustota átky tvořící vau materiáu je menší než hustota vastního zkoušeného materiáu, buou paprsky procházející vaou méně zesabeny než paprsky procházející jejím okoím. To se projeví tmavším obrazem vay na citivé vrstvě fimu. Rozí ztmavnutí fimu po vaou a mimo ni ukazuje na rozměr vay ve směru průchou záření. Čím menší je vnová éka záření, tím snáze prochází záření materiáem. Proto je možno u oceových přemětů použít rentgenova záření o toušťky asi 75 mm, záření gama o toušťky asi 2 mm a vemi krátkovnného záření betatronu o toušťky asi 35 mm. Kontroovatené toušťky jiných materiáů je možno přibižně určit vynásobením honot uveených pro oce poměrem hustoty ocei a aného materiáu. Z principu zkoušky je zřejmé, že prozařováním není možno zjišťovat vay, jejichž rozměr ve směru průchou záření je maý rozí ztmavnutí citivé vrstvy fimu po vaou a mimo ni je nezjistitený. Vaa bývá rozeznatená, jestiže její rozměr ve směru průchou záření činí aespoň 3 %, v nejpříznivějších přípaech 1 %, cekové toušťky zkoušeného přemětu. Proto zkoušky prozařováním nejsou použitené napříka u materiáů tvářených, u nichž byy větší utiny vzniké při ití náseným vácováním nebo kováním stačeny, aniž ošo v ůseku existence separujících zoxiovaných povaků k okonaému spojení jejich stěn. Přístroje pracující s rentgenovým zářením jsou stabiní, přístroje pracující se zářením gama jsou poměrně maé a přenosné. Při použití popisovaných meto je nutno oržovat vemi přísné bezpečnostní přepisy. Zkoušky utrazvukem Utrazvukem je obecně nazýváno akustické vnění s frekvencí vyšší než je kmitočet syšitený iským uchem, to jest na 2 khz. V efektoskopii se však užívá utrazvukového vnění o kmitočtu o 1 o 15 MHz. zesiovač přijímač zkoušený přemět osciograf vaa koncové echo poruchové echo zákaní echo impus ze sítě 5 Hz generátor vysíač Zkouška je zaožena na skutečnosti, že utrazvukové vnění se při opau na rozhraní vou átek zčásti oráží, zčásti omí a zčásti rozhraním prochází. Poměr těchto sožek závisí na ruhu stýkajících se átek. Čím více se iší jejich hustoty, tím větší část vnění se oráží. Zrojem utrazvukového vnění je zpravia estička zhotovená z piezoeektrického krystau. Při zapojení o eektrického obvou se estička rozkmitá jeho kmitočtem a přeává (vysíá) vnění o okoního prostřeí. Naopak při opau utrazvukových vn na piezoeektrickou estičku vzniká na jejích stěnách stříavé napětí. Proto mohou estičky soužit jako vysíač i jako přijímač vnění. Zákaními způsoby zkoušení materiáů utrazvukem je metoa orazová a metoa průchoová. Na obrázku je naznačen princip orazové metoy prováěné přístrojem se věma sonami. Generátor kmitání vyše krátký impus o vysíače. Současně je impus vysán přes zesiovač o oscioskopu, na jehož stínítku se objeví výkmit tak zvané zákaní echo. Z vysíače vystoupí svazek utrazvukového
Vastnosti kovových materiáů a jejich zkoušení 17 vnění o vnějšího prostřeí. Protože na rozhraní kovu a vzuchu nastává skoro stoprocentní oraz vn a vnění by o přemětu vůbec nevstoupio, je nutno mezi vnější pochou vysíače a povrchem zkoušeného materiáu vytvořit přechoovou vrstvu z voy, oeje, gycerinu nebo vazeíny. Není-i v cestě vnění žáná vaa, projou vny ceou toušťkou materiáu, o rozhraní kovu a vzuchu na sponí straně přemětu se orazí a projou kovem o přijímací sony. Dopaem vnění na piezoeektrickou estičku vznikne stříavý prou, který po zesíení vytvoří na stínítku výkmit nazývaný koncové echo. Je-i v cestě vnění vaa (utina, částice strusky, trhina a po.), oje zkoušený přemět k zesiovači vysíač přijímač o generátoru sona vaa na jejím povrchu k orazu části vnového svazku k přijímači. Tím vznikne na stínítku oscioskopu mezi zákaním echem a koncovým echem aší výkmit, tak zvané poruchové echo. Poe vzáenosti poruchového echa o echa zákaního je možno posouit houbku, ve které se vaa nachází. Obobou popsaného způsobu je orazová metoa s užitím jené sony, která stříavě funguje jako vysíač a jako přijímač. Při průchoové metoě jsou obě sony umístěny na opačných stranách zkoušeného přemětu. Intenzita utrazvukového toku, který prochází materiáem, může být na straně přijímače měřena ručičkovým inikátorem. Z principu zkoušky utrazvukem je zřejmé, že jsou takto zjistitené všechny vay, které přetínají svazek utrazvukových vn. Protože utrazvuk je materiáem jen máo tumen, je jím možno kontroovat i přeměty o veké toušťce (u ocei asi o 5 m). Orazovou metou je možno použít i tam, ke je přístupný pouze jeen povrch zkoušeného přemětu. Zařízení je poměrně maé, a proto je přenosné. Nehrozí ze nebezpečí poškození zraví, jako u meto prozařovacích. Zkouška není vhoná pro hrubozrné heterogenní struktury kovů. Napříka v oitcích ze šeé itiny s hrubšími částicemi grafitu pronikne utrazvuk jen o houbky někoika esítek miimetrů. Nevýhoou této zkoušky je skutečnost, že neexistuje záznam jejího výseku, jakým je u zkoušek prozařováním raiogram.