OVMT Mechanické zkoušky

OVMT
Mechanické zkoušky
Mechanickými zkouškami zjišťujeme chování materiálu za působení vnějších
sil, tzn., že zkoumáme jeho mechanické vlastnosti. Některé mechanické
vlastnosti materiálu vyjadřují jeho odpor proti deformaci (mez kluzu, mez
tečení, tvrdost…), jiné vyjadřují jeho deformační schopnost (tažnost, kontrakce
atd.). Materiál schopný velkých deformací před vznikem lomu je tvárný;
materiál, který klade velký odpor proti deformaci je pevný. Pevný a zároveň
tvárný materiál je houževnatý, protože k jeho přetvoření je potřeba velké práce.
Materiál, u něhož k lomu předcházejí malé deformace, je křehký.
Z hlediska působení síly na zkušební těleso rozdělujeme mechanické zkoušky
takto:
a) Statické zkoušky – uskutečňují se působením klidného rovnoměrného
zatížení na zkušební těleso.
b) Dynamické zkoušky – síla působí nárazově po zlomek sekundy. Při tzv.
únavových zkouškách se cyklicky mění zatížení i mnohokrát za sekundu.
Podle teplot, při kterých zkoušky provádíme, je dělíme:
a) na zkoušky za normálních teplot,
b) na zkoušky za vysokých teplot,
c) na zkoušky za nízkých teplot.
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 1 OVMT
Statické zkoušky můžeme rozdělit i podle způsobu působení zatěžující síly:
a) zkouška v tahu,
b) zkouška v tlaku,
c) zkouška v ohybu,
d) zkouška v krutu,
e) zkouška ve střihu.
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 2 OVMT
Tahová zkouška
Tahová zkouška patří mezi zkoušky mechanických vlastností, pomocí kterých
jsou určovány základní mechanické charakteristiky používané k hodnocení
jakosti materiálu, pro výpočty konstrukcí i k obecnému posouzení vhodnosti
určitých technologických operací. Základní mechanické vlastnosti materiálu
jsou určovány tedy pomocí zkoušky tahem, a dále zkouškou rázem v ohybu
nebo některou z metod zkoušení tvrdosti materiálu.
Podstata zkoušky
Zkoušky kovových materiálů tahem se v ČR řídí národní normou ČSN EN
10002, která je identická s evropskou normou EN 10002:90 a která má pět částí.
Zkouška spočívá v deformaci zkušební tyče tahovým zatížením obvykle do
přetržení pro stanovení jedné nebo více mechanických vlastností zavedených v
normě. Obvykle se zkouší při okolní teplotě v rozmezí od 10 °C do 35 °C, v
arbitrážních případech při teplotách (23±5) °C.
Zkušební tyče
Tvar a rozměry zkušebních tyčí závisí na tvaru a rozměrech kovových výrobků,
pro které jsou určovány mechanické vlastnosti. Zkušební tyč je obvykle
odebrána obráběním vzorku z výrobku; vzorky o stálém příčném průřezu
(profily, dráty, tyče) mohou být podrobeny zkoušce bez obrobení. Příčný průřez
zkušebních těles může být kruhový, čtvercový, obdélníkový, prstencový nebo
jiného tvaru. Zkušební tyče musí být do zkušebního stroje upnuty vhodným
způsobem (pomocí klínů, závitových, osazených nebo hydraulických čelistí) tak,
aby zatížení působilo pokud možno pouze v ose zkušební tyče.
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 3 OVMT
d0
S0
L0
Obr. 1. Zkušební vzorky pro tahovou zkoušku
Obr. 2. Zkušební zařízení
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 4 OVMT
Zkušební tyče poměrné
Zkušební tyče, u kterých je počáteční měřená délka vztažena k počátečnímu
průřezu S0 dle následujícího vztahu, jsou nazývány zkušební tyče poměrné.
L0 – délka zkušební tyče, nesmí být menší než 20 mm
k – mezinárodně stanovená hodnota 5,65 (příp. 11,3)
Pro poměrné zkušební tyče je délka L0 zaokrouhlována na nejbližší násobek 5
mm za předpokladu, že rozdíl mezi vypočtenou a označenou délkou je menší
než 10 % L0. Délka L0 musí být určena s přesností ±1 % a označena značkou
nebo ryskou, která netvoří vrub, jenž by mohl vyvolat předčasný lom.
Zkušební tyče nepoměrné
Délka tyče L0 je nezávislá na počátečním průřezu S0. Délka zkušební tyče nesmí
, kde b je šířka zkoušené délky tyče.
být menší než
Diagram tahové zkoušky
Obr. 3. Smluvní (plně) a skutečný (čárkovaně) diagram tahové zkoušky
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 5 OVMT
Ve strojírenské praxi se přednostně používá diagram smluvní, tedy všechny
hodnoty napětí jsou vztaženy k původnímu průřezu S0. Aby naměřené hodnoty
nebyly závislé na rozměrech zkušební tyče a platily tedy pro libovolný průřez i
délku tyče, vynášejí se do diagramu hodnoty poměrné – napětí je vztaženo
k jednotce plochy zkušební tyče (
(
[MPa]) a deformace k přírůstku délky
).
σU – napětí na mezi úměrnosti
Do tohoto bodu je závislost napětí na prodloužení přímková – lineární. Jestliže
v této oblasti zkoušku přerušíme (odlehčíme sílu), deformace zcela vymizí a tyč
se vrátí do původního tvaru.
σE – napětí na mezi pružnosti
Nad mezí úměrnosti roste pružná deformace rychleji a odchyluje se od
přímkového průběhu. Avšak až do bodu E je deformace stále pružná.
σK – napětí na mezi kluzu
Při tomto napětí se objevují první stálé deformace. Aniž by docházelo k
dalšímu růstu napětí, deformace se zvětšuje. Tento bod se nazývá mez kluzu,
která může být výrazná nebo nevýrazná. U křehkých materiálů (např. šedá
litina) se tento bod neprojeví a jediným charakteristickým bodem je mezu
v pevnosti.
σP – napětí na mezi pevnosti
Jedná se o maximální napětí dosažené v průběhu zkoušky.
Sočinitel bezpečnosti K
Součinitel bezpečnosti je koeficient, který udává, kolikrát je třeba zesílit
materiál, aby se hodnota dovoleného napětí nacházela v lineární části diagramu.
Pokud má materiál dlouhodobě přenášet síly a udržovat si svůj tvar, nesmí být
zatížen nad mez pružnosti.
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 6 OVMT
Dovolené napětí u houževnatých materiálů se vypočte ze vztahu:
,
kde pro ocel
K = 1,5 ÷ 2.
Dovolené napětí u křehkých materiálů se vypočte ze vztahu:
, kde K = 4 ÷ 5.
Modul pružnosti v tahu
Z hlediska materiálových vlastností se v tahovém diagramu stanovují tyto
významné body:
mez kluzu – napětí, při kterém se začínají objevovat první plastické (trvalé)
deformace
a) horní mez kluzu ReH
b) dolní mez kluzu ReL

Obr. 4. Tahový diagram s výraznou mezí kluzu
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 7 OVMT
Z důvodu bezpečnosti provozu je nutné, aby strojní součásti pracovaly pouze
v oblasti pružných deformací.
Platí:
[MPa]
Tento poměr se nazývá modul pružnosti v tahu a jeho velikost je závislá na
druhu materiálu. Pružná oblast je pak charakteristická platností Hookova
zákona:
[MPa]
Obr.
5. Oblast platnosti Hookova zákona
Tab. 1. Modul pružnosti vybraných materiálů
Materiál
mosaz
ocel
olovo
hliník
měď
E [MPa]
1,00▪105
2,10▪105
0,16▪105
0,71▪105
1,23▪105
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 8 OVMT
Smluvní mez kluzu
Při zkoušení některých materiálů nedochází po dosažení horní meze kluzu ke
krátkodobému poklesu napětí (na dolní mez kluzu), ale napětí se dále zvyšuje
nebo zůstává konstantní. V takovémto případě se mez kluzu stanovuje smluvně.
Smluvní mez kluzu Rp se stanovuje z tahového diagramu pomocí přímky
rovnoběžné s lineární částí diagramu ve vzdálenosti, která odpovídá předepsané
hodnotě plastické deformace (např. 0,2% původní délky). Zatížení odpovídající
smluvní mezi kluzu je dáno průsečíkem přímky a křivky diagramu.
Obr. 6. Tahový diagram s nevýraznou mezí kluzu Rp0,2
Výpočty
Počáteční měřená délka L0 [mm] – délka válcové nebo prismatické části
zkušební tyče před zatížením.
Konečná měřená délka L [mm] – měřená délka po přetržení tyče.
Počáteční plocha průřezu vzorku So [mm2]
Konečná plocha průřezu vzorku S [mm2]
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 9 OVMT
Celkové prodloužení
[mm]
Poměrné prodloužení
Napětí na mezi kluzu
[MPa]
Napětí na mezi pevnosti
[MPa]
Tažnost
[%]
Kontrakce (zúžení)
[%]
Obr. 7. Diagram tahové zkoušky pro různé druhy materiálů
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 10 OVMT
Klasifikace lomů
Lom houževnatý
Těmto lomům předchází nápadná plastická deformace. U kruhových tyčí se
jedná o lom číškovitý, který vychází ze střední mikrotrhliny.
Lom smykový
Vyskytuje se např. u hliníkových slitin a je šikmý. Nemá vyvinutý vláknitý lom
středu
Lom smíšený
Tvoří přechod k lomům křehkým. Obsahuje místní kluzy.
Lom křehký
Křehkým lomem se porušují oceli přehřáté, zestárlé, podchlazené nebo rázově
zatížené. Lom vzniká náhle bez předchozí plastické deformace a v technické
praxi je nežádoucí.
Obr. 8. Druhy lomů (a - vznik houževnatého lomu, b - šikmý lom, c - křehký lom)
Obr. 9. Klasifikace lomů (a, b - přetvárný lom houževnatého materiálu, c - frézovitý lom, d smykový lom, e - smíšený lom, f - křehký lom)
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 11 OVMT
Název úlohy:
Statická zkouška tahem
Zadání úlohy
a) Proveďte statickou zkoušku tahem u zkušebních vzorků (měď, mosaz, hliník,
ocel).
b) Vypočítejte mechanické hodnoty.
c) Nakreslete tahový diagram závislosti: Napětí – poměrné prodloužení.
Měřidla a pomůcky
U měřidel uveďte rozsah a přesnost.
 Posuvné měřítko
 Univerzální trhací zařízení WP 300
 Kladivo
 Důlčík
Nákres součásti
Nakreslete a okótujte zkušební vzorek.
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 12 OVMT
Postup měření
Posuvným měřítkem změřte v pěti místech průměr do zkušební tyčinky, hodnoty
zapište do tabulky (Tab. 2.) a vypočítejte aritmetický průměr do.
Tab. 2. Tabulka naměřených hodnot
Počet měření
do[mm]
d 0 [mm]
1
2
3
4
5
 Vypočítejte délku lo (pro tyče nepoměrné platí lo = 5 · do).
 Vypočítanou délku si vyznačte na zkušební tyčince důlky pomocí důlčíku
a kladiva.
 Přišroubujte zkušební tyčinku do horní a dolní čelisti zařízení.
Obr. 10. Upnutí zkušební tyčinky v čelistech
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 13 OVMT
 Na indikátoru síly nastavte ručičku síly na nulu.
 Otáčejte pomalu a rovnoměrně ručním kolem. Zkušební vzorek se
prodlužuje a zužuje (zatěžovací rychlost nesmí překročit hodnotu v=3 až
30MPa/s, neboť registrované prodloužení obsahuje i deformaci
přechodových partií a hlav tyče i pružnou deformaci rámu trhacího
stroje).
 Sledujte ručičku na indikátoru síly.
 Při prvním zakmitnutí ručičky hodnotu zaznamenejte – je to síla Fk (síla
na mezi kluzu)
 Sledujte moment, než začne ručička klesat -hodnota Fmax, je to sila na
mezi pevnosti a tuto silu také zapište.
 Potom začne sila klesat, až dojde k přetržení tyčinky.
 Vyjměte z čelisti trhacího zařízení obě části tyčinky.
 Obě části tyčinky přiložte k sobě a změřte posuvným měřítkem vzdálenost
mezi oběma důlky l. (Obr. 11.)
Obr. 11. Zkušební tyčinka po přetržení
 Změřte 5krát průměr d v zúžené části dříku v místě přetržení.
 Vypočítejte aritmetický průměr d a hodnoty zapište do tabulky (Tab. 3.).
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 14 OVMT
Tab. 3. Tabulka naměřených hodnot
Počet měření
1
2
3
4
5
d [mm]
d [mm]
 Vypočítejte mechanické hodnoty.
do – průměr dříku zkušební tyčinky před zkouškou
d – průměr dříku zkušební tyčinky po zkoušce
lo – délka dříku vyznačená důlky před zkouškou
l – délka dříku vyznačená důlky po zkoušce
Fk – síla na mezi kluzu
Fmax – síla na mezi pevnosti
So – průřez dříku zkušební tyčinky
S – průřez dříku v místě zúžení po přetržení tyčinky
Sl – celkové prodloužení
K – součinitel bezpečnosti
Napětí na mezi kluzu
Re =
Fk
N
[MPa],[
]
S0
mm 2
Napětí na mezi pevnosti
Rm =
Fmax
[ MPa]
S0
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 15 OVMT
Dovolené napětí na mezi kluzu
σDov.t =
Re
K
Celkové prodloužení
∆l = l – lo
Poměrné prodloužení
l
l0
ε=
Tažnost (prodloužení tyčinky v %)
l  l0
· 100 [%]
l
A=
Kontrakce (zúžení tyčinky v %)
Z=
S0  S
· 100 [%]
S0
 Vypočítané hodnoty Re, Rm, σdt zapište do tabulky (Tab. 4.) a přiřaďte
materiály tř. 10 až 19 ze strojních tabulek (Tab. 5.)
Tab. 4. Tabulka naměřených hodnot
Mechanické
hodnoty
Vypočítaná hodnota
[MPa]
Re
Rm
σDov.t
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 16 OVMT
Tab. 5. Tabulka mechanických hodnot vybraných materiálů ze strojnických tabulek
Ocel třídy
Mechanické hodnoty
[MPa]
Re
Rm
 Nakreslete tahový diagram.
Závěr
Zhodnoťte provedenou zkoušku.
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 17 OVMT
Použité zdroje
archiv autora
ADOLF FRISCHHERZ, Paul Skop. Technologie zpracování kovů: Základní
poznatky. Brno: Exprint - Kocián, 1993. ISBN 80-901-6572-9.
MARTINÁK, Milan. Kontrola a měření: Učebnice pro 3. ročník stř. prům. škol
strojnických. 1. vyd. Překlad Jindřich Klůna. Praha: SNTL, 1989, 214 s. ISBN
80-030-0103-X.
Mechanické vlastnosti. ATeam [online]. 2013 [cit. 2013-02-01]. Dostupné z:
http://www.ateam.zcu.cz/mechvlast.html
Součinitel bezpečnosti. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San
Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-02-01]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Sou%C4%8Dinitel_bezpe%C4%8Dnosti
ŠULC, Jan. Technologická a strojnická měření: pro SPŠ strojnické. Praha:
SNTL, 1982.
Vlastnosti materiálů - pružnost a pevnost. Strojírenství [online]. 2007 [cit. 201302-01]. Dostupné z:
http://www.strojirenstvi.wz.cz/stt/rocnik1/06a_pruznost_pevnost.php
Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 18