Zkouška pevnosti v tahu se používá hlavně k určení schopnosti kovových materiálů odolávat poškození během procesu natahování a je jedním z důležitých ukazatelů pro hodnocení mechanických vlastností materiálů.
1. Zkouška tahem
Zkouška tahem je založena na základních principech mechaniky materiálů. Aplikací tahového zatížení na vzorek materiálu za určitých podmínek se vyvolá tahová deformace, dokud se vzorek nepraskne. Během zkoušky se zaznamenává deformace experimentálního vzorku při různých zatíženích a maximální zatížení, při kterém se vzorek rozbije, aby se vypočítala mez kluzu, pevnost v tahu a další ukazatele výkonu materiálu.
Napětí σ = F/A
σ je pevnost v tahu (MPa)
F je tahové zatížení (N)
A je plocha průřezu vzorku
2. Tahová křivka
Analýza několika fází procesu protahování:
a. Ve fázi OP s malým zatížením je prodloužení lineárně úměrné zatížení a Fp je maximální zatížení pro udržení přímky.
b. Poté, co zatížení překročí Fp, začne tahová křivka nabývat nelineárního vztahu. Vzorek vstoupí do počáteční fáze deformace, zatížení je odstraněno a vzorek se může vrátit do původního stavu a elasticky se deformovat.
c. Poté, co zatížení překročí Fe, se zatížení odstraní, část deformace se obnoví a část zbytkové deformace se zachová, což se nazývá plastická deformace. Fe se nazývá mez pružnosti.
d. Při dalším zvyšování zatížení se tahová křivka zvětšuje do pilovitého tvaru. Pokud se zatížení nezvyšuje ani nesnižuje, jev kontinuálního prodlužování experimentálního vzorku se nazývá tečení. Po tečení začíná vzorek procházet zjevnou plastickou deformací.
e. Po mezním zpevnění vzorek vykazuje zvýšení deformační odolnosti, zpevnění a deformačního zpevnění. Když zatížení dosáhne Fb, stejná část vzorku se prudce smrští. Fb je mez pevnosti.
f. Smršťování vede ke snížení únosnosti vzorku. Když zatížení dosáhne Fk, vzorek se zlomí. Tomu se říká lomové zatížení.
Mez kluzu
Mez kluzu je maximální hodnota napětí, kterou kovový materiál vydrží od začátku plastické deformace do úplného lomu při působení vnější síly. Tato hodnota označuje kritický bod, ve kterém materiál přechází z fáze elastické deformace do fáze plastické deformace.
Klasifikace
Horní mez kluzu: označuje maximální napětí vzorku před prvním poklesem síly při mezním roztažení.
Dolní mez kluzu: označuje minimální napětí ve fázi kluzu, když se zanedbá počáteční přechodový efekt. Protože hodnota dolní meze kluzu je relativně stabilní, obvykle se používá jako indikátor odolnosti materiálu, nazývaný mez kluzu nebo mez kluzu.
Výpočetní vzorec
Pro horní mez kluzu platí: R = F / Sₒ, kde F je maximální síla před prvním poklesem síly ve fázi kluzu a Sₒ je původní plocha průřezu vzorku.
Pro nižší mez kluzu platí: R = F / Sₒ, kde F je minimální síla F bez započítání počátečního přechodového jevu a Sₒ je původní plocha průřezu vzorku.
Jednotka
Jednotkou meze kluzu je obvykle MPa (megapascal) nebo N/mm² (Newton na milimetr čtvereční).
Příklad
Vezměte si například nízkouhlíkovou ocel, jejíž mez kluzu je obvykle 207 MPa. Pokud je nízkouhlíková ocel vystavena vnější síle větší než tato mez, dojde u nízceuhlíkové oceli k trvalé deformaci, kterou nelze obnovit; pokud je nízkouhlíková ocel vystavena vnější síle menší než tato mez, může se vrátit do původního stavu.
Mez kluzu je jedním z důležitých ukazatelů pro hodnocení mechanických vlastností kovových materiálů. Odráží schopnost materiálů odolávat plastické deformaci při působení vnějších sil.
Pevnost v tahu
Pevnost v tahu je schopnost materiálu odolávat poškození při tahovém zatížení, která se konkrétně vyjadřuje jako maximální hodnota napětí, které materiál může během procesu tahu odolat. Když tahové napětí působící na materiál překročí jeho pevnost v tahu, materiál podléhá plastické deformaci nebo lomu.
Výpočetní vzorec
Výpočetní vzorec pro pevnost v tahu (σt) je:
σt = F / A
Kde F je maximální tahová síla (Newton, N), kterou vzorek odolá před přetržením, a A je původní plocha průřezu vzorku (milimetr čtvereční, mm²).
Jednotka
Jednotkou pevnosti v tahu je obvykle MPa (megapascal) nebo N/mm² (newton na čtvereční milimetr). 1 MPa se rovná 1 000 000 newtonům na metr čtvereční, což se také rovná 1 N/mm².
Ovlivňující faktory
Pevnost v tahu je ovlivněna mnoha faktory, včetně chemického složení, mikrostruktury, procesu tepelného zpracování, způsobu zpracování atd. Různé materiály mají různou pevnost v tahu, takže v praktických aplikacích je nutné vybrat vhodné materiály na základě mechanických vlastností materiálů.
Praktické použití
Pevnost v tahu je velmi důležitým parametrem v oblasti materiálové vědy a inženýrství a často se používá k hodnocení mechanických vlastností materiálů. Z hlediska konstrukčního návrhu, výběru materiálu, posouzení bezpečnosti atd. je pevnost v tahu faktorem, který je třeba zvážit. Například ve stavebnictví je pevnost v tahu oceli důležitým faktorem při určování, zda odolá zatížení; v oblasti letectví a kosmonautiky je pevnost v tahu lehkých a vysoce pevných materiálů klíčem k zajištění bezpečnosti letadel.
Únavová pevnost:
Únava kovu označuje proces, při kterém materiály a součásti postupně vytvářejí lokální trvalé kumulativní poškození na jednom nebo několika místech při cyklickém namáhání nebo cyklickém přetvoření a po určitém počtu cyklů dochází k prasklinám nebo náhlým úplným lomům.
Funkce
Náhlost v čase: K únavovému porušení kovu často dochází náhle v krátkém časovém úseku bez zjevných příznaků.
Lokalita v poloze: K únavovému porušení obvykle dochází v lokálních oblastech, kde je koncentrováno napětí.
Citlivost na prostředí a vady: Únava kovu je velmi citlivá na prostředí a drobné vady uvnitř materiálu, což může proces únavy urychlit.
Ovlivňující faktory
Amplituda napětí: Velikost napětí přímo ovlivňuje únavovou životnost kovu.
Průměrná velikost napětí: Čím větší je průměrné napětí, tím kratší je únavová životnost kovu.
Počet cyklů: Čím vícekrát je kov vystaven cyklickému namáhání nebo deformaci, tím závažnější je hromadění únavového poškození.
Preventivní opatření
Optimalizace výběru materiálu: Vyberte materiály s vyššími mezemi únavy.
Snížení koncentrace napětí: Snižte koncentraci napětí pomocí konstrukčního návrhu nebo metod zpracování, jako je použití zaoblených rohových přechodů, zvětšení rozměrů průřezu atd.
Povrchová úprava: Leštění, stříkání atd. na kovovém povrchu pro snížení povrchových vad a zlepšení únavové pevnosti.
Kontrola a údržba: Pravidelně kontrolujte kovové součásti, abyste včas odhalili a opravili závady, jako jsou praskliny; udržujte součásti náchylné k únavě materiálu, například výměnou opotřebovaných dílů a zesílením slabých článků.
Únava kovu je běžný způsob porušení kovu, který se vyznačuje náhlostí, lokálností a citlivostí na prostředí. Amplituda napětí, průměrná velikost napětí a počet cyklů jsou hlavními faktory ovlivňujícími únavu kovu.
SN křivka: popisuje únavovou životnost materiálů při různých úrovních napětí, kde S představuje napětí a N představuje počet cyklů napětí.
Vzorec pro výpočet součinitele únavové pevnosti:
(Kf = Ka ∫ Kb ∫ Kc ∫ Kd ∫ Ke)
Kde (Ka) je součinitel zatížení, (Kb) je součinitel velikosti, (Kc) je teplotní součinitel, (Kd) je součinitel kvality povrchu a (Ke) je součinitel spolehlivosti.
Matematický výraz pro SN křivku:
(\sigma^m N = C)
Kde (∞) je napětí, N je počet cyklů napětí a m a C jsou materiálové konstanty.
Kroky výpočtu
Určete materiálové konstanty:
Hodnoty m a C určete experimentálně nebo s využitím příslušné literatury.
Určení součinitele koncentrace napětí: Pro určení součinitele koncentrace napětí K vezměte v úvahu skutečný tvar a velikost součásti, jakož i koncentraci napětí způsobenou zaoblením, drážkami pro pera atd. Výpočet únavové pevnosti: Podle křivky SN a součinitele koncentrace napětí v kombinaci s návrhovou životností a úrovní pracovního napětí součásti vypočítejte únavovou pevnost.
2. Plasticita:
Plasticita označuje vlastnost materiálu, že když je vystaven vnější síle, vyvolává trvalou deformaci, aniž by se zlomil, když vnější síla překročí svou mez pružnosti. Tato deformace je nevratná a materiál se nevrací do původního tvaru, ani když je vnější síla odstraněna.
Index plasticity a jeho výpočetní vzorec
Prodloužení (δ)
Definice: Prodloužení je procento celkové deformace měřené části po tahovém lomu vzorku na původní měřenou délku.
Vzorec: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %
Kde L0 je původní měřená délka vzorku;
L1 je měřená délka po přetržení vzorku.
Segmentální redukce (Ψ)
Definice: Segmentální redukce je procentuální vyjádření maximální redukce plochy průřezu v bodě zúžení po přetržení vzorku na původní plochu průřezu.
Vzorec: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %
Kde F0 je původní plocha průřezu vzorku;
F1 je plocha průřezu v místě zúžení po přetržení vzorku.
3. Tvrdost
Tvrdost kovu je index mechanické vlastnosti, který měří tvrdost kovových materiálů. Udává schopnost odolávat deformaci v lokálním objemu na povrchu kovu.
Klasifikace a znázornění tvrdosti kovu
Tvrdost kovu má řadu klasifikačních a znázorňovacích metod podle různých zkušebních metod. Mezi ně patří zejména:
Tvrdost podle Brinella (HB):
Oblast použití: Obecně se používá, když je materiál měkčí, jako jsou neželezné kovy, ocel před tepelným zpracováním nebo po žíhání.
Princip zkoušky: S určitou velikostí zkušebního zatížení se do povrchu zkoušeného kovu vtlačí kalená ocelová nebo karbidová kulička o určitém průměru, po stanovené době se zatížení odlehčí a změří se průměr vtlačku na zkoušeném povrchu.
Výpočetní vzorec: Hodnota tvrdosti podle Brinella je podíl získaný vydělením zatížení kulovou plochou vtisku.
Tvrdost podle Rockwella (HR):
Oblast použití: Obecně se používá pro materiály s vyšší tvrdostí, například po tepelném zpracování.
Princip testu: Podobný tvrdosti dle Brinella, ale s použitím jiných sond (diamantových) a jiných výpočetních metod.
Typy: V závislosti na aplikaci existují typy HRC (pro materiály s vysokou tvrdostí), HRA, HRB a další.
Tvrdost podle Vickerse (HV):
Rozsah použití: Vhodné pro mikroskopickou analýzu.
Princip zkoušky: Na povrch materiálu se působí zatížením menším než 120 kg diamantovým čtvercovým kuželovým vtlačovacím tělískem s vrcholovým úhlem 136° a plocha vtlačovacího důlku materiálu se vydělí hodnotou zatížení, čímž se získá hodnota tvrdosti dle Vickerse.
Tvrdost podle Leeba (HL):
Vlastnosti: Přenosný tvrdoměr, snadno měřitelný.
Princip testu: Použijte odskok generovaný kulovou hlavou nárazu po nárazu na tvrdý povrch a vypočítejte tvrdost poměrem rychlosti odrazu razníku ve vzdálenosti 1 mm od povrchu vzorku k rychlosti nárazu.
Čas zveřejnění: 25. září 2024
