Proč zkoušíme základní mechanické vlastnostiphysics.ujep.cz/~mkormund/P232/Vlastnosti_zkousky.pdfProč zkoušíme základní mechanické vlastnosti Neočekávané havárie konstrukcí

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


Příklady pro různé materiály


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.


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


Zkouška krutem

● Hlavně pro netvárné materiály pro hřídele, torzní tyče, …

● Zjišťuje se pevnost v krutu, diagram je podobný tahové zkoušce


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


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).


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


Kmit napětí

● Perioda, horní a dolní napětí kmitu amplituda●

●

●

●

●

●

● Je možné i ne sinusové, např. náhodné


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)


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


Reálné situace – závěs křídla letadla


Vliv prostředí


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


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


Defektoskopie

● Další– Magnetické a indukční

– Kapilární


Documents

Proč zkoušíme základní mechanické vlastnostiphysics.ujep.cz/~mkormund/P232/Vlastnosti_zkousky.pdfProč zkoušíme základní mechanické vlastnosti Neočekávané havárie konstrukcí