VLASTNOSTI KOVŮ a jejich zkoušení

VLASTNOSTI KOVŮ
a jejich zkoušení
1
Vlastnosti - dělení
• V technické praxi je obvyklé
dělení vlastností materiálů na:
• fyzikální
• mechanické
• technologické
2
Fyzikální vlastnosti
• Vyplývají z typu kovové vazby,
chemického složení, ze
struktury
• Hustota
• Elektrické vlastnosti
• Tepelné vlastnosti
• Magnetické vlastnosti
3
Elektrické vlastnosti
• Elektrická vodivost
• Supravodivost
4
Tepelné vlastnosti
• Jsou charakterizovány
prostřednictvím
• tepelné vodivosti
• teplotní roztažnosti
• teploty tání
5
Magnetické vlastnosti
• Projevují se chováním látek ve
vnějším magnetickém poli
• Dělíme je na látky:
• - diamagnetické
• - paramagnetické
• - feromagnetické (příp.
ferimagnetické,
antiferomagnetické)
6
Mechanické vlastnosti
• Vyjadřují chování materiálu při
působení vnějších sil.
•
•
•
•
•
Základní jsou:
- pružnost
- pevnost
- houževnatost
- plasticita
7
Důsledky plastické deformace
• při plastické deformaci materiál
zpevňuje, vzniká
vzniká deformač
deformační
zpevně
zpevnění
• Projeví se zvýšením meze kluzu,,
pevnosti, tvrdosti a snížením
tažnosti
• Ve struktuře se projeví textura a s ní
výrazná anizotropie vlastností
8
Důsledky plastické deformace
• Plasticky deformovaný kov je
charakterizován zvýšenou hustotou
poruch (v žíhaném stavu asi 106 – 108
cm-2, v deformovaném stavu vzroste
o 4 – 6 řádů)
9
Odpevňovací pochody rekrystalizace
• Následky deformačního zpevnění se
odstraňují zotavením a rekrystalizací
• Zotavením a rekrystalizací
obnovujeme plastické vlastnosti
materiálu po tváření za studena
• U čistých kovů se teplota zotavení
pohybuje kolem 0,1 – 0,35 teploty
tání.
10
Technologické vlastnosti
• soubor vlastností materiálů, umožňující
za definovaných podmínek určitý
způsob zpracování materiálu
• velmi úzce souvisí s používanou
technologií a se změnou technologie se
mohou měnit
• Mezi nejdůležitější technolog. vl. patří:
•
•
•
•
tvárnost (tvářitelnost)
svařitelnost
slévatelnost
obrobitelnost
11
ZKOUŠENÍ
mechanických vlastností
• Zkoušky můžeme dělit:
• podle časového průběhu
zatěžující síly na zkoušky
statické × dynamické
• podle účinku zatížení na
zkušební těleso na zkoušky
destruktivní × nedestruktivní
12
Zkoušky mechanické
statické
• určuje se chování materiálu při
působení stálých nebo plynule
rostoucí
rostoucích sil.
• Zkušební těleso se zatěžuje
zpravidla pouze jednou až do
porušení.
• Patří sem zkoušky: tahem, tlakem,
ohybem, střihem, krutem.
13
Zkouška tahem
• Princip: porušení zkušební tyče
s cílem zjistit napěťové a
deformační charakteristiky
zkoušeného materiálu
• Zkouškou zjistíme čtyři
normované vlastnosti:
MEZ PEVNOSTI Rm
MEZ KLUZU
Re
TAŽNOST
A
KONTRAKCE
Z
14
Zkouška tahem – zkušební vzorky
• Tyče dlouhé
Lo= 10Do = 11,3(So)1/2
• Tyče krátké
Lo= 5Do = 5,75(So)1/2
15
Zkouška tahem – napěťové
charakteristiky
• Zjišťujeme:
• Mez pevnosti: Rm= Fmax /S0 [MPa]
• Mez kluzu – pokud je výrazná:
Re= Fe/So
Není-li výrazná, určuje se smluvní mez
kluzu = napětí, která zanechá trvalou
deformaci 0,2%Lo, případně graficky.
16
Zkouška tahem – napěťové
charakteristiky
• Grafická metoda
zjišťování
smluvní meze
kluzu
17
Zkouška tahem –
deformační charakteristiky
• Tažnost – poměrné trvalé
prodloužení zkušební tyče v
okamžiku roztržení vyjádřené v
procentech.
•
18
Zkouška tahem –
deformační charakteristiky
• Kontrakce – poměrné trvalé
zúžení průřezu zkušební tyče, v
okamžiku přetržení v místě
lomu. Kontrakce je poměrná
trvalá deformace ψu vyjádřená v
%.
19
Diagram zkoušky tahem
- typy
20
Zkouška tlakem - schéma
• Zjišťuje se
pevnost v tlaku →
konvenční napětí,
při kterém se
vzorek poruší.
• Rmd= Fmax/So
• Používá se pro
křehké materiály
21
Zkouška tlakem – další
charakteristiky
• Poměrné zkrácení:
εt =
h0 − h
εt =
⋅ 100 (% )
h0
h0 − h
⋅ 100 (% )
h0
• Příčné rozšíření:
ψ
t
=
S − S0
⋅ 100 (%
S0
)
22
Zkouška ohybem - schéma
• Neopracovaná tyč odlitá nastojato,
volně položená na dvou podpěrách
23
Zkouška ohybem
• Cíl zkoušky: zjistit pevnost
v ohybu = největší ohybové
napětí ve zkušební tyči při
porušení
• Používá se pro křehké materiály
např. grafitické litiny
M O max
M o max
Fmax ⋅ l
(N .mm) R mo = W
=
4
O
(MPa )
24
Zkouška střihem
• Střihové namáhání vzniká
působením paralelních, opačně
působících sil, ležících v rovině
střihu, kdy tyto zatěžující síly
nevyvozují ani moment ohybový
ani moment kroutící.
• Počítá se mez pevnosti ve střihu
Fmax
(MPa )
Rms =
2SO
25
Zkouška střihem
• Přípravky pro zkoušku střihem: a) pro tyče kruhového
průřezu 1 – zkušební tyč, 2 – vidlice, 3 – táhlo,
• b) pro plechy 1 – zkušební plech, 2 – střižnice, 3 střižník.
26
Zkouška krutem
• φ – úhel
zkroucení
• γ – zkos
R mk
M k max
(MPa
=
Wk
)
27
Zkouška krutem
• Poměrné zkroucení na jednotku délky
tyče je . ϕ
υ=
L
• Při zkrucování tyče se natočí průřez I na
délce L proti průřezu II o úhel φ.
• zkos γ na válcové tyči o průměru d = 2r
je dán vztahem γ ⋅ L = ϕ ⋅ r γ = ϕ ⋅ r
L
28
Dynamické zkoušky
mechanické
• V praxi jsou součásti namáhány
dynamicky
• Zatížení rázové – zkoušky
rázové nebo vrubové
houževnatosti
• Zatížení cyklické – zkoušky
únavy
29
Zkoušky rázové
• Rázová zkouška ohybem
• Zkoušky podle Charpyho – tyč na
dvou podpěrách
• Zkoušky podle Izoda – tyč uchycena
letmo
• tvar i rozměry zkušebních těles dány
normou
30
Typy zkušebních těles
při rázové zkoušce
31
Charpyho kladivo
32
Přechodová teplota
• a) teplotní závislost vrubové
houževnatosti
• b) způsob stanovení přechodové teploty
33
Zkoušky únavy
• při opakovaném zatěžování i menší
může dojít k porušení – únavový lom.
• Rc (σ) – mez únavy – nejvyšší napětí,
materiál vydrží, při nekonečném počtu
aniž dojde k porušení.
• Rn (σ) - časová mez únavy – napětí,
mat. vydrží po určitý počet cyklů n.
• (106 ÷ 107 cyklů).
silou
které
cyklů
které
34
Zkoušky únavy –
Wöhlerova křivka
35
Rozdělení zkoušek
tvrdosti
• Možná různá hlediska,
nejčastěji na:
• Zkoušky vrypové
• Zkoušky odrazové
• Zkoušky vnikací
36
Zkoušky tvrdosti vrypové
• Vrypové: MARTENS (dnes se již
nepoužívá)
• tvrdost se určuje podle šířky vrypu
• jsou od ní odvozeny zkoušky pro
tenké vrstvy
37
Zkouška odrazová
Spočívá v odrazu
padajícího tělíska
určitého tvaru a
hmotnosti
Část energie vytvoří
jamku a zbytek
vymrští zkušební
tělísko do určité
výšky, ta je mírou
tvrdosti
38
Zkoušky vnikací
• Princip: vtlačování přesně definovaného
tělesa do povrchu vzorku (indentoru),
tvrdost je určena velikostí vzniklého vtisku
• Zkoušky podle:
• Brinnella
• Vickerse
• Rockwella
39
Zkouška podle Brinella
Indentor – kalená ocelová kulička ∅ D,
příp. kulička z SK
• vtlačuje se silou F do povrchu zkoušeného
materiálu. Po odlehčení se změří ∅ vtisku d
40
Poldi kladívko
• Dynamická
metoda
• 1 – úderník
• 2 – porovnávací
etalon
• 3
zkoušený
materiál
41
Zkouška podle Vickerse
42
Mikrotvrdost
• měření tvrdosti malých předmětů nebo tenkých
vrstev
• identifikace jednotlivých strukturních složek
• princip shodný s Vickersovou metodou
• menší zatížení (0,2 – 200 g)
• mikrotvrdoměr vybaven mikroskopem
• vzorky leštěné (výhodnější chemické nebo
elektrolytické leštění → nedojde ke zpevnění)
→ metalografické výbrusy
• mikrotvrdost nelze porovnávat s makrotvrdostí
43
Princip Rockwellovy metody
• Tvrdost se odečítá na stupnici
tvrdoměru
• Vhodná pro použití ve výrobě
44
Zkouška tvrdosti podle
Knoopa
45
Další metody měření tvrdosti
• Metoda univerzální tvrdosti – pro zvýšení
přesnosti měření indentorem tříboký jehlan –
metoda podle Berkoviche – pro srovnání vtisk
46
Vickersem
Zkoušky za vyšších teplot
– creepové zkoušky
• Tečení – creep je růst trvalé
deformace při konstantním
napětí v závislosti na čase
47
Křivka tečení
• Křivka tečení závislost
deformace na čase
• AB – deformace
pružná
• BC – deformace trvalá
• CD – primární
(přechodové) tečení
• DE – sekundární
(ustálené) tečení
• EF – terciální tečení
(zrychlené)
48
Diagram tahové zkoušky při různých teplotách
http://www.cideas.cz/free/okno/technicke_listy/4tlv/TL07CZ_3222-8.pdf
49
Dlouhodobé zkoušky charakteristiky
• Mez tečení σt = napětí, které při
dané teplotě a době působení způsobí
danou trvalou deformaci – př.
Deformace se pohybuje v rozmezí 0,1 –
1%, doba cca 1 – 10tisíc hodin
• Mez pevnosti při tečení σtPt =
napětí, které při dané teplotě za danou
dobu způsobí lom materiálu
50
Křivky tečení - příklady
51
Technologické zkoušky
Zkouška lámavosti za studena
• Měřítkem pro posouzení
lámavosti je velikost úhlu,
který se vytvoří ohybem
zkušební tyče.
• Zkušební tyč délky 200
až 400 mm a šířky 25 až
50 mm se ohýbá na dvou
podporách.
• Určuje se úhel ohybu, při
kterém se na vnější
straně objeví první
trhlinky.
52
Zkouška hloubením
podle Erichsena
• Čtvercový vzorek plechu o rozměrech 70 x 70 mm
• Sevřený mezi matrici a přidržovač
• Razidlo zakončené vyleštěnou ocelovou koulí o
průměru 20 mm, se pomalu vtlačuje do povrchu
zkoušeného plechu
• Při výskytu první trhliny se zkouška zastaví, změří
se posuv razidla → měřítko schopnosti plechu
k hloubení
• Při podobné zkoušce, podle Engelharta, se posuzují podmínky
lisování při kterých vznikla prasklina v kalíšku s plochým dnem.
53
Zkouška hloubením
podle Erichsena
54
Zkouš
Zkoušky trubek
• Zkouš
Zkouška
trubek
lemová
lemováním
• jeden konec trubky se
rozšiřuje trnem o
vrcholovém úhlu 90 až
120˚
• pak se vytvoří kolmo na
osu lem určité šířky →
měla by splňovat
hodnotu, kterou udávají
materiálové listy
55
Zkouška trubek rozháněním
Do
trubky se zaráží
trn určitého
průměru → při
rozšíření nesmí
vzniknout trhlina
56
Nedestruktivní metody
zkoušení - defektoskopie
• Lze zajišťovat:
• Kontrola výroby důležitých vysoce
namáhaných výrobků (tlakové
nádoby, části turbín…)
• Vytřídění vadných kusů při sériové
výrobě (automatizovaná kontrola)
• Pravidelná kontrola důležitých strojů
a zařízení v průběhu jejich životnosti
57
Rozdělení
• Podle fyzikálních principů na:
•
•
•
•
•
Vizuální
Kapilární
Magnetoinduktivní
Ultrazvukové
Prozařovací
58
Vizuální metody
• Přímé – vady zjišťujeme pečlivou
prohlídkou zrakem, příp. lupou (3 až 6x
zvětšení)
• Nepřímé – pomocí endoskopů, k
prohlídce nepřístupných povrchů (vady
na vnitřním povrchu trubek, velké
nádrže, kotle, tlakové nádoby –
usazeniny, koroze). Dokonalejší
endoskopy spojeny s televizní kamerou
– obraz lze pozorovat na obrazovce.
59
Kapilární metody
• Pro povrchové vady, podle
detekční kapaliny metody barevné
nebo fluorescenční
60
Magnetoinduktivní metody
• Pro vady povrchové nebo těsně
podpovrchové
• Využívají změny magnetické vodivosti
ve feromagnetických materiálech (vady
silně zvyšují magn.odpor a dochází ke
zhuštění siločar. K indikaci se používá
suchého feromagn.prášku nebo
detekční kapaliny, ve které je rozptýlen.
• Podmínkou je, aby celý předmět byl
zmagnetován.
61
Ultrazvukové metody
• Ultrazvuk je vlnění s vyšší frekvencí
než slyšitelnou, tj. vyšší než cca 16
kHz ( 1-10 MHz)
• Nejmenší velikost zjistitelné vady
(kolmo na směr šíření) je větší než
polovina vlnové délky použitého
vlnění
• Metody se používají nejen ke
zjišťování vnitřních vad, ale i k
měření tloušťky materiálu nebo
vrstev
62
Ultrazvukové metody
• Nejčastěji se používají metody
průchodové a odrazové.
• Průchodová metoda – dvě sondy
umístěné souose na protilehlých
stranách materiálu
• Vhodná pro menší tloušťky a
rovnoběžné povrchy – kontrola plechů,
plátovaných materiálů, ložiskových
pánví apod.
63
Odrazová metoda
• Vysílají se krátké uz impulsy, které se odrážejí od
povrchu a vad a vrací se. V okamžiku vysílání
počáteční impuls, pak za dobu odpovídající 2x
vzdálenosti vady od sondy poruchový impuls a pak
koncový, odražený od protilehlého povrchu – lze
použít i pro zjištění tloušťky předmětu
64
Metody prozařovací
• Ze zdroje záření se
vysílá svazek
paprsků na
zkoušený materiál
• Paprsky
rentgenové nebo
gama
65