🧪 Zkoušky materiálů

Zkouška tahem

O čem to je

Hutě dodávají ocel s „atestem“ – papírem, kde je napsaná její pevnost, tažnost a tvrdost. Ta čísla nikdo neodhadl. Zjistily se zkouškami na zkušebních vzorcích.

Zkoušky ověřují, že materiál vydrží to, co konstruktér spočítal. Bez nich by se nedalo věřit žádnému mostu, jeřábu ani šroubu.

Nové pojmy

Zkušební vzorek (zkušební tyč)Kus materiálu přesně daného tvaru a rozměrů, který se při zkoušce zatíží až do porušení nebo do daného stavu.Válcová tyč o průměru 10 mm s rozšířenými konci pro upnutí.

Napětí σSíla rozložená na plochu průřezu. σ = F / S. Když jsou síla v newtonech a plocha v mm², vyjde napětí v MPa (1 MPa = 1 N/mm²).Síla 1 000 N na průřez 10 mm² → 100 MPa.

Trhací strojStroj, který vzorek natahuje stále větší silou a zapisuje sílu a prodloužení do grafu (tahový diagram).Univerzální zkušební stroj ve zkušebně hutě.

Zkouška tahem

Vzorek se natahuje, dokud se nepřetrhne. Z grafu síla–prodloužení se zjistí hlavní mechanické vlastnosti. Zkoušku popisuje norma ČSN EN ISO 6892-1.

Mez kluzu ReNapětí, při kterém se materiál začne trvale (plasticky) protahovat, i když síla skoro neroste. Do této hodnoty se součásti navrhují. U materiálů bez výrazné meze kluzu se určuje smluvní mez Rp0,2 (trvalé prodloužení 0,2 %).Ocel S235 má mez kluzu aspoň 235 MPa.

Mez pevnosti RmNejvětší napětí, které vzorek vydrží. Rm = Fm / S₀, kde Fm je největší síla a S₀ původní průřez.Běžná konstrukční ocel má Rm asi 360–510 MPa.

Tažnost AO kolik procent se vzorek prodloužil do přetržení. A = (Lu − L₀) / L₀ · 100 %. L₀ je původní délka, Lu délka po přetržení (obě poloviny přiložené k sobě).Velká tažnost = materiál je tvárný.

Změř průměr vzorku d₀ a vyznač počáteční délku L₀.

Upni vzorek do čelistí trhacího stroje.

Stroj plynule zvyšuje sílu, zapisuje diagram.

Odečti sílu na mezi kluzu Fe a největší sílu Fm.

Po přetržení přilož poloviny k sobě a změř Lu.

Spočítej Re, Rm a A.

Vzorek o průměru 10 mm se přetrhl při největší síle 31 400 N. Jaká je mez pevnosti Rm?

Průřez S₀ = π · d² / 4 = 3,14 · 100 / 4 = 78,5 mm². Rm = Fm / S₀ = 31 400 / 78,5 = 400 MPa.

Počáteční délka L₀ = 50 mm, po přetržení Lu = 62 mm. Jaká je tažnost?

A = (62 − 50) / 50 · 100 % = 12 / 50 · 100 % = 24 %.

Další zkoušky

Zkoušky tvrdosti (Brinell, Vickers, Rockwell) – do povrchu se vtlačí tvrdé tělísko a měří se vtisk.
Zkouška rázem v ohybu (Charpy) – kyvadlové kladivo zlomí vzorek s vrubem a měří se spotřebovaná práce. Ukáže houževnatost – schopnost snést náraz a nepraskout.
Defektoskopie (zkoušky bez porušení) – ultrazvuk, rentgen, magnetická prášková a kapilární zkouška hledají skryté vady v hotové součásti.

✗Rm = Fm / S, kde S je průřez v místě přetržení.

✓Rm = Fm / S₀ – vždy se dělí původním průřezem.

Vzorek se před přetržením zúží (krček). Norma počítá s původním průřezem, aby výsledky šly porovnat.

Zkouška tahem dá mez kluzu Re, mez pevnosti Rm = Fm / S₀ a tažnost A. Tvrdost se měří vtlačováním tělíska, houževnatost rázovou zkouškou Charpy a skryté vady defektoskopií.

Zkušebna

O čem to je

Ve zkušebně je několik strojů a každý odpovídá na jinou otázku. Kolik materiál unese? Jak je tvrdý? Praskne při nárazu? Má uvnitř trhlinu? Projdeš je jeden po druhém jako v dílně.

Nové pojmy

Destruktivní zkouškaZkouška, při které se vzorek poškodí nebo zničí. Dělá se na vzorcích, ne na hotových dílech.Zkouška tahem, rázová zkouška.

Nedestruktivní zkouška (defektoskopie)Zkouška, která součást nepoškodí. Hledá vady uvnitř nebo na povrchu.Ultrazvuková kontrola svaru.

TvrdostOdolnost materiálu proti vnikání cizího, tvrdšího tělesa. Měří se velikostí nebo hloubkou vtisku.Kalený čep má tvrdost kolem 60 HRC.

Indentor (vnikací tělísko)Malé velmi tvrdé tělísko, které se vtlačuje do povrchu: kulička ze slinutého karbidu (velmi tvrdý materiál z karbidu wolframu a kobaltu), diamantový jehlan nebo diamantový kužel.Při zkoušce Vickers je to diamantový čtyřboký jehlan.

Tři zkoušky tvrdosti

Zkouška	Indentor	Co se měří	Značka
Brinell	kulička ze slinutého karbidu	průměr vtisku	HBW
Vickers	diamantový jehlan, vrcholový úhel 136°	úhlopříčky vtisku	HV
Rockwell C	diamantový kužel, vrcholový úhel 120°	hloubka vtisku	HRC
Rockwell B	kulička	hloubka vtisku	HRB

Brinell se hodí pro měkčí a nestejnorodé materiály (litina, neželezné kovy) – velký vtisk zprůměruje strukturu. Vickers jde použít pro měkké i velmi tvrdé materiály a tenké vrstvy. Rockwell je nejrychlejší: tvrdoměr ukáže číslo hned, proto se používá v provozu, třeba na kontrolu kalených dílů.

Při zkoušce Vickers silou F = 294,2 N (HV30) vyšla průměrná úhlopříčka vtisku d = 0,5 mm. Jaká je tvrdost? Vzorec: HV = 0,1891 · F / d².

d² = 0,5 · 0,5 = 0,25 mm². HV = 0,1891 · 294,2 / 0,25 = 55,6 / 0,25 ≈ 223 HV30. Čím menší vtisk, tím tvrdší materiál.

Zkouška rázem v ohybu

Charpyho kladivoKyvadlo s těžkým břitem. Pustí se z dané výšky, zlomí vzorek s vrubem a vykývne na druhou stranu níž. Rozdíl energií je nárazová práce KV v joulech.Vzorek 10 × 10 × 55 mm s V-vrubem.

Velká nárazová práce = houževnatý materiál. Malá = křehký. Za mrazu se mnoho ocelí stává křehčími, proto se zkouška dělá i při −20 °C nebo nižší teplotě. Zkoušku popisuje ČSN EN ISO 148-1.

Kladivo mělo před nárazem energii 300 J, po zlomení vzorku mu zůstalo 255 J. Jaká je nárazová práce?

KV = 300 − 255 = 45 J. Tolik energie vzorek pohltil, než se zlomil.

Zkoušky bez porušení

Ultrazvuk – Zvukové vlny se odrazí od vnitřní vady – najde trhliny a dutiny uvnitř.
Rentgen (prozařování) – Paprsky projdou součástí, vada je na snímku vidět jako tmavší místo. Kontrola svarů a odlitků.
Magnetická prášková – Jemný železný prášek se nahromadí nad povrchovou trhlinou. Jen pro feromagnetické materiály – ty, které přitahuje magnet (ocel, litina).
Kapilární (penetrační) – Barevná kapalina vzlíná do povrchových trhlin, vývojka je zviditelní. I pro nemagnetické kovy.

Otáčej kartičky a zkus nejdřív sám říct, co která metoda dělá.

✗Čím větší číslo HRC, tím měkčí materiál.

✓Čím větší číslo tvrdosti (HB, HV i HRC), tím tvrdší materiál.

Tvrdší materiál dá menší a mělčí vtisk. Vzorce jsou postavené tak, aby z malého vtisku vyšlo velké číslo.

Tvrdost se měří Brinellem (kulička, průměr vtisku), Vickersem (diamantový jehlan, úhlopříčky) a Rockwellem (kužel nebo kulička, hloubka). Charpyho kladivo měří nárazovou práci KV. Defektoskopie najde vady bez poškození součásti.

🔍Vlastnosti materiálů💎Krystalová stavba kovů