View
7
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
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 rozdělení 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 normální, 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.
Diagram
● Meze:– Úměrnosti – platí Hookův zákon– Pružnosti (elasticity)– Kluzu – Pevnosti
http://home.zcu.cz/~dyxon/DATA/Nauka%20o%20M/Zkouska.pdf
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 mechanicko-tepelného 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
http://www.ipm.cz/group/fracture/vyuka/doc/P10.ppt
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)– vryponé
● 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 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-prilnavosti-organickych-povlaku.html
http://tzs.kmm.zcu.cz/material2.pdf
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 součástí– Přesné rozměry– Vhodná drsnost – s ohledem na funkci
● Povrch může být– Neobrobený (stav polotovaru – např. Odlitku)– Obrobený – lze různě
Plochy
● Stykové – 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
Recommended