Nauka o materiálu a) fyzikální vlastnosti hustota ρ=m/V (kg/m3

Nauka o materiálu
a) fyzikální vlastnosti
hustota ρ=m/V (kg/m3)
teplota t (°C) T (°K)
roztažnost délková αl
roztažnost objemová αV (K-1)
měrná tepelná vodivost F
elektrická vodivost G (S)
b) chemické vlastnosti
žáruvzdornost – odolnost proti opalu, tj. oxidaci za vyšších teplot
reaktivita – schopnost chemicky reagovat v daném prostředí plynném, nebo kapalném
c) mechanické vlastnosti
pevnost – schopnost materiálu klást odpor proti deformaci porušení soudržností
tvárnost – schopnost materiálu se trvale deformovat bez porušení soudržnosti
houževnatost – kombinace dvou předchozích vlastností; schopnost materiálu klást odpor proti deformaci a při
větším namáhání se trvale deformovat bez porušení soudržnosti
křehkost – schopnost materiálu klást odpor proti deformaci při větším namáhání dojde k náhlému porušení
soudržnosti bez trvalé deformace
tvrdost – odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa
žáruvzdornost – schopnost materiálu dlouhodobě odolávat namáhání za vyšších teplot
d) technologické vlastnosti
- je to souhrn mechanických a fyzikálních vlastností, které určují, zda je materiál vhodný pro určitou
technologickou operaci (ohýbání, obrábění, svařování)
- tvárnost, svařitelnost, obrobitelnost, slévatelnost, odolnost proti opotřebení
ZKOUŠENÍ TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ
Mechanické zkoušky materiálu
Zjišťujeme hodnoty mechanických vlastností materiálu.
Mechanické zkoušky statické
Důležité je, že materiál se pozvolna zatěžuje ve zkušebním zařízení.
Zkoušky :
tahem
krutem
tlakem
ohybem
smykem
Napětí :
Působí-li na těleso vnější síly, je materiál tělesa namáhán. Proti porušení materiálu působí vnitřní síly.
napětí
σ=
F
S
síla působící na těleso
průměr tělesa v místě, kde zjišťujeme napětí tělesa
1N
1 MPa = 1 mm2
Zkouška pevnosti tahem (trhací zkouška)
za teploty okolí
Provádí se pozvolným zatěžováním zkušební tyče normalizovaného tvaru ve zkušebním zařízení až do jejího
přetržení.
Δl=l-l0 (prodloužení mm)
Pracovní diagram zkoušky tahem měkké oceli
ε=Δl/l0 poměrné prodloužení
σ=F/S0 smluvní napětí
σPt=Fmax/S0
tažnost σ=(l–l0)/l0 * 100(%)
kontrakce Ψ=(S0–S)/S0 * 100(%)
mez úměrnosti σUt –průběh závislosti diagramu přímkový
mez pružnosti σEt – napětí, do kterého se materiál deformuje pouze pružně, tj. po odlehčení není zkušební tyč
trvale prodloužena
mez skluzu σKt – napětí, při němž se začne tyč prodlužovat aniž by stoupalo zatížení
mez pevnosti v tahu σPt – napětí, odpovídající podílu největšího zatížení tyče před jejím přetržením a
počátečního průřezu tyče
Zkouška tlakem
Používá se pro křehké materiály, např. litina.
U ocelí není nutná, mez úměrnosti a skluzu jsou v tahu a tlaku přibližně stejné.
Zkouška ohybem
Provádí se u křehkých materiálů.
Zkoušky tvrdosti
Pro měření tvrdosti jsou používány zkušební přístroje – tvrdoměry.
Hodnota tvrdosti ukazuje na kvalitu provedeného tepelného zpracování.
Hodnota tvrdosti lze převést na hodnotu pevnosti v tahu a posoudit tak další vlastnosti materiálu.
Zkouška tvrdosti podle Brinella
300 HB
Do zkoušeného povrchu se zatlačuje ocelová kulička. Podle velikosti průměru vtisku
kuličky a velikosti použité síly se z tabulek určí číselná hodnota.
Je vhodná pro měkčí materiály.
Zkouška tvrdosti podle Vickerse
Do zkoušeného povrchu se zatlačuje čtyřboký diamantový jehlan. Podle
velikosti aritmetického průměru délek úhlopříček vtisku a použité síly se
v tabulkách vyhledá číselná hodnota.
120 HV
Zkouška tvrdosti podle Rockwella
Do zkoušeného povrchu se zatlačuje diamantový kužel, nebo ocelová kulička. Podle rozdílu hloubky vtisku při
předběžném a celkovém zatížení se tvrdost zjistí na stupnici přístroje.
Používá se pro celý rozsah tvrdostí kovových materiálů, je univerzální a nejběžnější.
Mechanické zkoušky dynamické
Materiál je zatěžován silami,
jejichž velikost a směr se různě
mění.
K porušení
materiálu
dochází často při nižším zatížení,
než je mez pevnosti při statické
zkoušce.
Zkouška nárazem
Materiál zkušebního tělesa je namáhán nárazem.
Určuje se vrubová houževnatost, jako podíl spotřebované na přiražení tělesa a plochy průřezu tohoto tělesa
v místě vrubu.
R=A/S (J/cm2) – vrubová houževnatost
A = m*g*Δh – práce
m - hmotnost kladiva
Zkoušky únavy materiálu (cyklickým namáháním)
Materiál zkušebního tělesa – tyče je namáhán v jednotlivých cyklech od
horní hodnoty k dolní hodnotě napětí.
σc mez únavy; napětí, při kterém součást vydrží prakticky neomezený počet
cyklů
Měří se více tyčí, 1. tyč zatěžujeme pod mezí kluzu do jejího porušení, zjistíme počet cyklů.
Další tyče zatěžujeme postupně menším napětím, počet cyklů při porušení je u další tyče stále vyšší.
Naměřenými hodnotami proložíme tzv. Wőhlerovu křivku – závislost napětí na počet cyklů. Po určitém počtu
cyklů se křivka asymptoticky blíží k hodnotě napětí, které označujeme mez únavy σc – je to napětí, při kterém
součást snese teoreticky neomezené množství cyklů. Při překročení této meze je u součásti nebezpečí lomu
z únavy materiálu.
Zkoušky bez porušení materiálu – nedestruktivní
Ve výrobě je tak možné zkoušet součásti, aniž by byly zničeny.
Používají se :
a) zkoušky vad povrchu
b) zkoušky vnitřních (skrytých) vad
ad. a) – Zkouška elektromagnetickou polévací metodou
Používá se u feromagnetických materiálů. Součást se upne do elektromagnetického defektoskopu, dále se pak
polije detekční kyselinou, obsahující jemné kovové částečky. Působením magnetického pole se piliny srovnají
kolem trhliny.
ad. a) – Zkouška fluorescenční metodou
Součást se natře fluorescenční barvou, dále se otře a posype křídou. Z trhlinek vzlíná kapalina a v křídě se objeví
obraz vady.
Možno použít i u materiálu nemagnetických.
ad. b) Zkouška prozařováním rentgenovými paprsky
Pro zjištění vnitřních vad se součásti prozáří rentgenovými nebo gama paprsky. Voda materiálů se projeví na
fotografickém filmu.
ad. b) Zkouška ultrazvukem
Zkouška vnitřních vad materiálu na principu radaru – odrazová zkouška. Používá se impulsní defektoskop. Na
stínítku oscilografu se objeví odraz vyslaných vln od protilehlé stěny součásti, případně odraz části vln od vnitřní
vady jako poruchové echo.
Technologické zkoušky
Ověřuje se jimi technologické vlastnosti materiálů, snahou je přiblížit se výrobním nebo provozním podmínkám,
jimž je materiál vystaven.
Př. Erichsenova zkouška tažnosti plechu
TECHNICKÉ ŽELEZO
železo jako čistý kov (Fe) nevyhovuje pro technické použití (měkké, málo pevné)
surové železo se vyrábí z železných rud ve vysokých pecích (redukce rud uhlíkem z koksu, z pece je pak
vypouštěno do pánví a přemístěno k dalšímu zpracování nebo je vypouštěno na slévací pole, kde tuhne na tzv.
kousky nebo bloky).
Technické železo :
Slitina železa s uhlíkem a dalšími prvky.
T.Ž.
kujné (méně než 2,14% C) – především oceli, tvárnost (kovat, lisovat)
nekujné (více než 2,149 C) – především litiny, křehkost (odlévání, obrábění)
OCEL
- slitina železa s hliníkem a doprovodnými prvky (Mn, Si, P, S, Cu)
vyrábí se zkujňováním surového železa v Martinských pecích nebo v konvertorech nejkvalitnější oceli indukční
nebo obloukových elektrických pecích.
- zkujňováním se snižuje podstatně na požadovanou mez obsah uhlíku a nežádoucích doprovodných prvků (S,
P), které jsou obsaženy v surovém železe.
- ocel se upravuje přidáváním přísadových prvků – legování (Cr, W, Mo, V, Ni aj.) i záměrně přidávaný
doprovodný prvek může být přísadový.
- vyrobená ocel se z pece vypouští do pánve a z ní do kokil (kovových forem), kde tuhne na ingaty, které se dále
zpracovávají tvářením na tvářenou ocel.
Odlévá se do forem slévárenských , kde tuhne na ocelové odlitky.
Rozdělení ocelí k tváření
Třída oceli
10
11
Druh oceli podle
Použití a jakosti
chemického složení
Konstrukční oceli
obvyklých jakostí
Uhlíkové
Charakteristické
přísady a údaje
nízký obsah C, obsah S a
P není zaručen
C, Obsah S a P zaručen
slitinové (navíc
přísadové prvky)
C, většinou dále tepelně
zpracované
Mn, S
Cr (Mn, Si)
Mo, W, V (Cr)
Ni (Cr, W, Mo, V)
12
13
14
15
16
konstrukční oceli
ušlechtilé (vyšší
čistota, lepší
vlastnosti)
Cr – korozivzdorné,
žáruvzzdorné
17
19
Nástrojové oceli,
ušlechtilé
uhlíkové, slitinové,
rychlořezné
Použití
šrouby, kolejnice,
betonové výztuže
méně namáhané části strojů,
drobné díly, plechové díly
středně namáhané
části, páky, táhla
vačkové hřídele
najnamáhanější,
klikové hřídele
Označování ocelí k tváření
LITINA
Litina je slitina železa s uhlíkem a doprovodnými prvky.
Obsah uhlíku je nad 2,14%, někdy jsou přidávány legující prvky.
Litina se vyrábí tavením surového železa zlomkové litiny a oceli v kuplovně.
Kombinacemi těchto složek se dosáhne pořadového složení.
Označování litiny :
Šedá litina
obsahuje C ve formě grafitových lupínků
přijatelné mechanické vlastnosti, snadno se obrábí (stojany strojů apod.)
Tvárná litina
vyrábí se ze šedé litiny přidáváním hořčíku
dosahuje se zlepšení mechanických vlastností (vhodnější rozložení grafitu)
Očkovaná litina (obdobně jako tvárná)
Bílá litina
surovina pro temperovanou litinu, obsahuje uhlík ve formě karbidu železa, špatně obrobitelná
Temperovaná litina
vyrábí se temperováním /zkujňováním) – ohřevem odlitků z bílé litiny za určitých podmínek, oproti šedé litině je
houževnatá (menší odlitky do aut, kanalizační mříže apod.)
Ocel na odlitky :
na vysoce namáhané součásti (odlitky)
Označování podle ČSN :
POLOTOVARY
a) normalizovaného tvaru a rozměru
- tyče (profily)
- dráty
- plechy (tabulové nůžky)
- široká ocel
- pásy
- trubky
- tenkostěnné profily
pila kotoučová pásová
nůžky na profily
b) nenormalizované polotovary
odlitky
výkovky
výlisky
odřezky a výpalky
svazky z normalizovaných polotovarů
Základy Metalografie
Při tuhnutí taveniny železa dochází ke krystalizaci
čisté železo krystaluje v soustavě krychlové
při chladnutí od bodu tání dochází k časovým prodlevám
Tyto prodlevy vymezují modifikace (krystalické stavy železa)
α – magnetické
Bod tání a tuhnutí technických slitin železa je sestaven rovnovážný diagram. Tento diagram zobrazuje
modifikace slitin železa podle jejich obsahu uhlíku a teploty.
Poznámka :
Uhlík se vyskytuje ve slitinách ve 2 formách
uhlík – grafit – diagram železo-uhlík litiny
uhlík – karbid železa – diagram železo-karbid železa oceli
Ferit – je měkký, málo pevný, dobře tvárný, houževnatý, převažuje v konstrukčních materiálech.
Cementit (Fe3C) – je velmi tvrdý, je to karbid železa, ve větším množství způsobuje křehkost
primární – jehlicové krystaly
sekundární – vylučuje se na hranicích krystalu austenitu
Perlit – má dobrou pevnost a přijatelnou tvárnost
Austenit – dobře tvárný, plastický a houževnatý, vhodná struktura oceli pro tváření za tepla, pomalým
ochlazováním vzniká perlit nebo ferit, rychlým ochlazením vzniká martenzit, který je tvrdý, ale křehký
Ledeburit – směs austenitu a cementitu nad A1, nebo směs perlitu a cementitu pod A1
Grafit – čistý uhlík v šedé litině místo cementitu
Tepelné zpracování ocelí
- účelem tepelného zpracování je dosáhnout takových vlastností materiálu, které jsou vhodnější z hlediska
dalšího zpracování nebo použití součástí
Vliv na vlastnosti oceli
- obsah strukturních složek,
- velikost krystalových zrn - rychlost ochlazovaní (cca rychlé ochlazení=jemnozrnná struktura s dobrými mech.
vlast.)
Rozdělení tepelného zpracování
- žíhání
- kalení
- tepelné zpracování k dovaření lepšího povrchu
Žíhání
- ohřev materiálu, setrvání na žíhací teplotě, pomalé ochlazení
a) bez překrystalizace pod A1
b) s překrystalizací nad A1
a) Žíhání bez překrystalizace pod A1
Rekrystalizační žíhání
- provádí se po tváření za studena pro odstranění deformací krystalů a zvýšení tvárnosti
- krátkodobý ohřev
Žíhání za měkka
- s vyšším obsahem uhlíku
- pro dosažení měkkosti a tedy lepší obrabitelnost
- ohřev těsně pod A1 - výdrž až 8 hodin - následuje pomalé vychlazení
Žíhání ke změření pnutí
- u výrobků složitých tvarů, které mají po svařování, nebo tváření za tepla vnitřní pnutí
- ohřev na 500-650°C, výdrž 1-10 hodin, pomalé ochlazení
b) Žíhání s překrystalizací nad A1
- teplota žíhání je vyšší než u a)
- do oblasti austenitu, následuje pomalé ochlazování
Normalizační žíhání
- dosáhne se jemnozrnné struktury s vyšší pevností
- po tváření nebo lití se odstraní nerovnoměrnosti struktury
- ohřev o 30-50°C nad čarou GSE
- po prohřátí celého průřezu je ochlazení na vzduchu
Základní žíhání
- varianta norm. žíhání
- ochlazuje se pomalu v peci
Izotermické žíhání
- někdy nahrazuje žíhání na měkko
- ohřev o 30-50°C nad čarou GSE
- ochlazení pod A1
Kalení
- provede se ohřev AC3 nebo AC1, krátká prodleva,prudké ochlazení
- ochlazením dojde k přeměně austenitu na martenzit, který má vysokou tvrdost, ale je křehký
- chladící prostředí je voda, olej nebo proud vzduchu
Základní kalení
- součást se z teplot AC3 AC1 ochladí rychle až na teplotu okolí
Lomené kalení
- prudké ochlazení na teplotu počátku vzniku martenzitu, dále se ochlazuje pomaleji za účelem zmenšení
vnitřního pnutí
Izotermické kalení
- prudké ochlazení nad teplotu vzniku martenzitu, delší prodleva, dále pomalejší chlazení
Popouštění
- ohřev po kalení, nestabilní martenzit se rozpadá na perlit
- zmírňuje se křehkost a zároveň tvrdost
Zušlechťování
- kalení + následné popouštění na vysokou teplotu 500-600°C
Tepelné zpracování k dosažení lepšího povrchu
Povrchové kalení
- velmi rychlým ohřevem na kalicí teplotu,ohřeje se pouze povrchová vrstva
- následuje prudké ochlazení voní sprchou,tl. zakalení vrstvy 1-3 mm
- ohřev plamenem nebo indukovaným elektrickým proudem
Chemicko-tepelné zpracování
- nasycené povrchové vrstvy prvky => dosažení tvrdého povrchu
Cementování
- nasycení povrchu uhlíkem 0,2%C => 0,85%C
- následuje rychlé ochlazení, povrch se zakalí
Nitridování
- nasycení povrchu dusíkem, vznikají v povrchu nitridy a zvyšuje se, dále se vrcholí, nenastává pnutí a
deformace
Neželezné kovy a jejich slitiny
Rozdělení
a) podle ČSN (podle hustoty)
- těžké (ρ>5000kg/m3 - Pb, Cn, Zn)
- lehké (ρ<5000kg/m3 - Al, Mg, Si)
b) podle teploty tání
- s nízkou teplotou tání (Zn, Sn, Pb, Al)
- se střední teplotou tání (Mn, Ca, Ni, Cn)
- s vysokou teplotou tání (Ti, Cr, Mo, W)
Přehled důležitých neželezných kovů a jejich využití
Měd‘ (Cu)
- velmi dobrá tepelná a elektrická vodivost, odolnost proti korozi
- houževnatá a dobře tvárná
- užití : vodiče, slitiny
Hliník (Al)
- dobrá elektrická a tepelná vodivost, nízká hustota
- měkký, houževnatý, tažný a tvárný, dobře se slévá
- užití : vodiče
Olovo (Pb)
- těžký měkký kov
- dobře svařitelný, tvárný, odolný proti korozi
- užití : výroba desek akumulátorů
Zinek (Zn)
- dobře slévatelný kov, výborná odolnost proti korozi
- užití : pozinkování plechu
Cín (Sn)
- dobře slévatelný a tvárný, nízká tvrdost a pevnost
- odolnost proti korozi
- užití : pájení
Titan (Ti)
- lehký kov, odolný proti korozi, nízká tepelná a elektrická vodivost
- odolnost proti mořské vodě
Nikl (Ni)
- dobré mechanické vlastnosti, vysoce odolný korozi i za vyšší teploty
- užití : přísada do ocelí, anody, odpory
Wolfram (W)
- velmi tvrdý kov s vysokou pevností
- má nejvyšší teplotu tání
- velký elektrický odpor
- výroba žáruvzdorných vláken, elektrod, odpory a kontakty, přísada do ocelí na nástroje
Slitiny neželezných kovů
Slitiny mědi
- bronzy = měd‘ + cín nebo hliník, olovo, nikl apod.
- mosazi = měd‘ + zinek
Cínové bronzy
- vysoká pevnost, houževnatost, nízký součinitel tření
- užití : ložiska, do přístrojů (pružiny)
Hliníkové bronzy
- velmi dobrá odolnost proti korozi a některým kapalinám
- užití : na součásti v průmyslu
Olověné bronzy
- výborné kluzné vlastnosti, ale špatné mechanické
- užití : pro kluzná ložiska jako výstelka pánví
Niklové bronzy
- mají vysokou pevnost při vyšších teplotách a vysoký elektrický odpor
- užití : výroba odporových drátů
Mosazi
- označení Ms xx
% Cu
- s rostoucím obsahem zinku, klesá vodivost
- užití : trubky kondenzátorů, chladiče
Slitiny hliníku
- mají nízkou hustotu, relativně vysokou pevnost dobrá odolnost proti korozi
• dural - užití při stavbě letadel
- tvářená slitina
• siluminy - slévané
- Al - Si tenkostěnné odlitky, např. krytky motorů
Označování neželezných kovů a slitin
a) podle ČSN
42
xxxx
xx
hutní skupina
různé pro odlitky, tvářené polotovary
3 - těžké kovy
4 - lehké kovy
pořadové číslo
ČSN 42 4203
skupina kovů
b) hutní označení
Al Cu4 Mg1
4% Cu
1% Mg
c) obchodním označení
“Superdural“
Mosazi
Ms xx
% Cu
Ušlechtilé kovy
Zlato
- rozpouští se v lučavce královské
Stříbro
- velká tepelná vodivost, slitiny a mědí, cínem, zinkem
- stříbro + měd‘ = tvrdé pájky
Platina
- tvrdá . . .
Nekovové materiály
- anorganické materiály
- plasty a ostatní organické materiály
- těsnící materiály (tmely, tepelné izolace)
Anorganické materiály
Skla
- nemají krystalickou strukturu jsou odolná a křehká, odolná agresivním chemikáliím
- snadno tvarovatelná za tepla, dobré elektroizolační vlastnosti
- nevýhoda - tepelná roztažnost
- nízkotavitelná-tabulky,lahve
- optická skla-výroba čoček
Keramické materiály
- vypalování hlinitých surovin, křemene a jiných přísad
- vypálený materiál : tvrdý, křehký => dobré elektrické izolační vlastnosti (porcelán - kaolín)
- použití pro chemická zařízení, části elektrických strojů a přístrojů
- jiná použití : vyzdívky - kyselinovzdorné, žáruvzdorné
Beton
- stavební hmota složená z plniva (písek,kamenivo) a pojiva (cement), přidáním H2O =>beton
- použití : pro základy strojů o velké hmotnosti, nebo zdroje rázů
Plasty a ostatní organické materiály
- plasty podle původu mohou být syntetické, vznikají :
• polymerací - což je přeskupení molekul jedné a též látky (PVC)
• kondenzací - seskupování molekul dvou látek, vedlejší produkt (bakelit)
- polymery (makromolekulární látky) jsou převážně amorfní - nevytvářejí pravidelnou strukturu
- některé druhy plastů se vyrábějí chemickou úpravou přírodních makromolekulárních látek = hmoty z bílkovin a
celulózy (umělé hedvábí, celofán, celuloid)
Všeobecné vlastnosti plastů
- obecné použití do 60-120°C
- hořlavost, dobré elektroizolační a výborné tepelně izolační vlastnosti
- stárnutím se zhoršují mechanické vlastnosti
- malá hustota
- některé chemicky odolné
Rozdělení
- termoplasty - tepelně tvárné a to opakovaně
- reaktoplasty (termosety) - teplem vytvrditelné, po vytvrzení nelze opakovat proces
- eleastomery - velmi pružné
Termoplasty
Polvinylchlorid (PVC)
- použití od – 6 do 60°C pro trubky spojky a odpadní potrubí
- pevný, tvrdý, křehký, poměrně dobrá chemická odolnost, dá se svařovat, lepit, tvářet za tepla
Polyethylen
- použití od – 60 do -90°C
- vlastnosti : měkký, houževnatý, chemicky odolný, dá se svařovat, lepit speciálním lepidlem
Polypropylen (PP)
- od – 10 do 100°C
- pevný houževnatý, dá se svařovat
Polystyren(PS)
- do 80°C v pěnové formě pro tepelné izolace
- dobré dielektrické. i elektroizolační vlastnosti
Polymethylmetakrylát (PMMA - plexi)
- do 70°C, pevný tuhý, průhledný
- dobré elektroizolační vlastnosti
Polyamid (PA)
-od –20 do 80°C, šrouby, matice, ozubená kola, kluzná ložiska
- pevný, tuhý, houževnatý
- nízký součinitel tření, odolnost proti olej a pohonným hmotám
- nevýhoda - navlhlost, neodolnost proti kyselinám
Polytetrafluorethylen (PTFE - teflon)
- od –200 do 260°C, těsnění, kluzná ložiska
- v chemickém průmyslu
Reaktoplasty
Fenolformaldehyd (FF) podle plniva
• bakelit
- přísada dřevěné moučky, do 100°C,n a rukojeti a tepelně izolační držadla, pevný, tvrdý, křehký
- odolává benzínu a olejům, dobré elektroizolační vlastnosti
• kartit
- má přísadu vrstvy papíru, pevný, houževnatý, dobře elektroizolační vlastnosti
- malá ozubená kola přístrojů
• textit
- má přísadu bavlněné tkaniny, pevný houževnatý, na ozubená kola, kluzné ložiskové pánve
Fenolformaldehyd (FF)
- plněný skleněnými vlákny
- do 130°C,vysoká pevnost, na konstrukční součástky v letectví
Epoxid (EP)
- od 90 do 130°C, na lepidla a kovy
- materiál pro zalévání vodičů, impregnace
Epoxidové skelné lamináty (EP+skelná vata - tkaniny)
- desky pro tištěné obvody
Nenasycené polyestery (UP)
- skelné lamináty
- do 90 až 140°C, vysoce pevné, tvrdé
- střešní krytiny
Elastomery
- kaučuky (pryže) - pevné, pružné, vysoký součinitel tření, nízký modul pružnosti
- použití : těsnění, membrány, hadice, pneumatiky, pásy
Silikon (Si)
- odolávající stárnutí, teplotním a povětrnostním vlivům, odpuzující vodu
- mají dobré elektroizolační a dielektrické vlastnosti
- použití : jako oleje, mazací tuky
- od –70 do 250°C, dlouhodobá odolnost teplu
• Si pryskyřice (plnění práškem,skleněnými vlákny)
• Si kaučuky -od –70 do 200°C
Lehčené plasty
- přísada pěnová hmota (PVC, PE, EP, FF)
nenasákavá
nasákavá - dutinky navzájem spojeny (pěnový polystyren)
- tepelně izolační a akusticky izolační desky
- izolace potrubí
- výrobním postupem vznikají i tvrdé pěny (lopatky ventilátorů)
Sendvičové materiály
- použití na lehké tepelně izolované konstrukce
- kovové profily (obaly ) obsahující uvnitř pěnový plast
Těsnící materiály, tmely, tepelně izolační materiály
Těsnící materiály
- viskoelastické materiály
Elastické materiály
- stále pružné
Tuhé materiály
- mechanické těsnící kroužky
Tmely
- výplňové materiály, nezmenšují svůj objem
- vyplňování mezer
Koroze
- postupné rozrušování materiálu vlivem chemických nebo elektrochemických reakcí s okolním prostředím, kov
oxiduje a na jeho povrchu vzniká povlak
a) podle prostředí
Chemická koroze
- v elektricky nevodivém prostředí, suché plyny
- při ohřevu oceli vzniká na povrchu vrstva oxidu železa
Atmosférická koroze
- vlivem vody a jejich par v ovzduší
Elektrochemická koroze
- v elektricky vodivém prostředí, spojením dvou různých kovů vzniká el. článek
- mezi kovy protéká nepatrný el. proud a jeden z kovů se při tom zvolna rozpouští a přichází do roztoku
• mikročlánky - dotyk dvou různých kovů
• makročlánky - základní kov znečištěný jiným kovem
b) podle rozsahu napadení materiálu
Rovnoměrná koroze
- je nejméně nebezpečná, působí povrchově
Důlková a bodová koroze
- hrozí rozpadnutí materiálu
Mezikrystalická koroze
- působením mechanického napětí a korozního prostředí
Půdní koroze
- působením solí, kyselin a plynů obsažených v půdě
Koroze bludnými proudy
- působení cizího stejnosměrného proudu na zařízení
Koroze plastů
- fyzikální (teplem a zářením)
- chemická (přerušením, rozštěpením řetězců)
- biologická (plísněmi a bakteriemi)
Ochrana proti korozi
- volba vhodného materiálu (korozi vzdorná ocel)
- úpravou korozního prostředí (stavebními metodami, úpravami)
- konstrukční úpravy (zamezení vzniku článku)
- elektrochemická úprava (zařízení uložené v zemi napojit na záporný pól - zdroje proudu, na kladný pól pomocné anody)
- ochranné povlaky a vrstvy
Povrchové úpravy
Čištění a předběžná úprava povrchu
- mechanické
- odmašťování (alkalické roztoky)
- moření
- omílání
- tryskání
Nanášení ochranných povlaků = organické
- vytvářejí se nanášením nátěrových hmot na předmět štětcem, stříkací pistoli nebo máčením
- nátěrové hmoty jsou tekuté až polotekuté, skládají se z těchto složek :
a) filmotvorné látky (olejové, celulózové, asfaltové, kaučukové)
b) ředidla a rozpouštědla (těkavá)
c) pigment pro barvu nátěru (základní barvy s inhibitorem koroze, vrchní barvy - emaily - průhledné - bez
pigmentu)
Anorganické ochranné povrchy
- smalty (křemičitanové povlaky vzniklé zpékáním nebo tavením a vychladnutím do skelného stavu)
Chemické úpravy povrchu
- vytvoření ochranné pasivní vrstvy nerozpustné soli ve vodném roztoku např. fosfátování, černění, oxidové
povlaky (Al), eloxování
Chemické pokovování (Cu, Ni, Zn, Sn, Cr…)
- přímé vylučování ochranného kovu na základní kov v lázních (roztok soli povlakového kovu)
Elektrolytické (galvanické) pokovování (Cu, Ni, Zn, Sn, Cr…)
- průchodem stejnosměrného elektrického proudu elektrolytem se vytváří na kovu povlak
- pokovovaní předmět je zavěšený na katodě, kov vytvářející povlak na anodě
Pokovování v roztavených kovech (Pb, Zn, Al)
- povlak se vytváří ponořením předmětu do roztaveného kovu
- použití : pásy, trubky, dráty, plechy
Žárové stříkání kovů - metalizace (Zn, Al, Cu, ap.)
- stříkání roztaveného kovu na povrch
Žárové stříkání plastů
- plast (prášek se nataví a stříká se na plast)
Pružnost a pevnost
(navázání na předmět fyzika + statika)
Základní pojmy - tělesa působením vnějších sil mění svůj tvar
- deformují se
Zabývá se vyšetřováním těchto deformací
- deformace - trvalá (nepružná, plastická)
- dočasná (pružná elastická)
- správná funkce součásti - málo (pružná) deformace, která po odlehčení zmizí
Napětí
Působením vnějších silových účinků
- vnější síly a silové dvojice (zatížení, reakce)
- spojité zatížení (tíha)
- síly vázané na hmotu tělesa (gravitační, odstředivá, dostředivá, setrvační)
Vnitřní silové účinky (vnitřní síly a silové dvojice)
- musí nastat rovnováha těchto sil
- velikost vnitřních silových účinků vyjadřuje normální namáhání tělesa
Výpočet vnitřních silových účinků
1) Uvolnění tělesa
- nahradit připojení k součásti k základnímu rámu vazebními (reakčními) silami
- řešit rovnováhu všech vnějších sil, které na těleso působí (akční síly zadané, reakční síly vypočítat)
2) Výpočet vnitřních sil
- rozdělat těleso řezem na 2 části
- ponechat 1 část (jednodušší)
S
F2
A
F
B
vnější síly
A
B
F
F
F?
F
vnitřní síly
působení B
A
působení A
B
- působení odříznuté části na ponechanou nahradit silami – ty se stávají pro ponechanou část silami většími
vnější síla
F?
F
B
vnítřní síla
pro potřeby výpočtu vnější sílou
působení části A na B
- vypočítat vnitřní síly z podmínek rovnováhy (∑ Fix = 0, ∑ Fiy = 0, ∑ Mi = 0)
ΔFt
ΔF
ΔFm
F
ΔS
Obecně (šikmá v rovině řezu) působí při zatížení součástí na každou elementární (velmi malou) plošku průřezu
ΔS elementární vnitřní síla ΔF. Všechny tahové síly, tvoří obecnou rovinnou souboru sil, kterou lze nahradit
výslednou vnitřní silou F a výslednou dávající a momentu Mo.
- výslednou sílu F nahrazujeme jejími složkami
Fn – normalová síla
Ft – toční (smyková, posouvací) síla působící v rovině řezu
- tyto síly způsobují v tělese NAPĚTÍ :
normálové napětí σ = Fn
S
tečné napětí τ = Ft S
Jednotka napětí :
základní 1Pa = 1N
v praxi 1MPa = 1N
m
2
mm
2
Příklad
Zatížení tyčí normálovou silou Fn = 6000 V
A
Fm = ?
B
σ = Fn
F
B
1. tyč S = 30 mm2
σ = Fn = 6000 = 200MPa
S
30
2. tyč S = 60 mm2
σ = Fn = 6000 = 100MPa
S
60
S
F
S
V první tyči je dvojnásobné napětí (oproti druhé), i když jsou obě tyče namáhány stejnou silou.
Hookeúv zákon
σpt
σkt
σet
σut
ε = ∆l
lo
- do meze úměrnosti platí Hookeúv zákon
- závislost mezi napětím a poměrným prodloužením je lineární
E = 2,1 * 10 5 MPa
σ = E*ε
modul pružnosti v tahu pro ocel do 100°C
G = 0,8 * 10 5 MPa
τ = G*γ
modul pružnosti ve smyku
Deformace
délkové
e = ∆l
lo
l = ε * lo = σ * lo = F * lo
E
E *S
∆
σ = E*ε
E * S = tuhost v tahu (tlaku)
Úhlová deformace
γ = cca * tgγ = CC
CB
pro velmi malé úhly
Dovolené napětí
tabulky str. 46
Napětí které můžeme v daném průřezu bezpečně připustit s ohledem na použitý materiál a provozní podmínky
(způsob zatížení, geometrický tvar, jakost povrchu,vruby…)
σDt
σDd
σDo
τDS
τDK
tah
tlak
ohyb
smyk
krut
- velikost dovoleného napětí odvozujeme :
• u houževnatých materiálů z meze kluzu
σD = σKt
K
τD = τKt
K
• u křehkých materiálů z meze pevnosti
σD = σPt
τD = τPt
K
K
K ……míra bezpečnosti (bezpečnost)
- udává kolikrát je dovolené napětí menší, než mez kluzu nebo pevnosti
Hodnoty bezpečnosti podle způsobu zatížení při výpočtu σD z meze kluzu :
σ
KI = 1,5 až 2
I. statické zatížení
σ
II. míjivé zatížení
KII = 1,25 KI
III. střídavé zatížení
KIII = 1,7 KI
σ
Pevnostní výpočty
skutečné napětí =
charakteristická hodnota zatížení
≤ dovolené napětí
charakteristická hodnota průrůře
Namáhání tahem (tlakem)
- dvě stejně velké opačně orientované síly v ose součásti (tyče)
- např. zkouška tahem
- tyč se prodlužuje (zkracuje), průřez zmenšuje (zvětšuje), nakonec dochází k přetržení (rozdrcení)
Tah
Tlak
F
F
σ t = F ≤ σ Dt
S
σ d = F ≤ σ Dd
S
[MPa ] = [N ]
[mm ]
2
Př.
Zkontrolujte napětí v kruhové tyči o průměru 5 mm, namáhané tahovou (osovou) silou 2800 N. Zatížení statické, materiál - 11600
(tab. 46 - 47)
d = 5 mm
F = 2800 N
σt = ? [MPa]
σDt= 150 - 230 MPa
σt = F =
S
F
π*d2
4
= 2800
19,6
σ t = 142,6MPa < σ Dt
Součást vyhovuje danému zatížení
= 142,6 MPa
Zkontrolujte napětí v nízkém sloupku tvaru sloupku s vnějším průřezu 200 mm a vnitřním průřezu 160 mm,
materiál 422420 a je namáhán klidně působící silou F = 1,5 MN, statické zatížení
d1 = 200 mm
d2 = 160 mm
F = 1,5 MN
σd = ? [MPa]
σDt= 105 - 110 MPa
σd = F =
S
F
2
2
= 1,15 *10
6
π * d1
π * d2
−
4
4
Sloupek vyhovuje danému zatížení
(
π 2
d1 − d 22
4
)
= 101,68 MPa < σ Dd
Namáhání smykem (střihem)
Fmax (=<) S * σ Dt
σ = F ≤ σ Dt
S
S min (=>) F
∆l
=
σ Dt
F * lo
E *S
model pružnosti v tahu pro ocel 2,1*105 MPa
- dvě stejně velké síly v rovině kolmé v ose tyče tak, že dva velmi blízké soumezné řezy (sousední vrstvy) se
posouvají, nakonec se tyč přestřihne
- výslednice vnitřních sil leží v rovině průřezu, prochází těžištěm, je kolmá na osu tyče
Výpočet na smyk počítáme :
- kolíky
- čepy
- některé svary
F
F
F
F
τs =
F
≤ τ DS
S
τ DS = 0,6σ Dt
ocel
τ DS = (0,8 až 1)σ Dt
litina
Protismyk :
- teoreticky případ (stříhání) v praxi je smyk doprovázen ohybem
Př.
Výpočet únosnosti svarového spoje tj. maximální síly, kterou můžeme svar zatížit
Fmax = ?
τDS = 75 MPa
τs =
F
≤ τ DS ⇒ Fmax = S * τ DS
S
S = 2 * l * a = 2l
b
= 352 mm 2
F
a
2
2 svary
Fmax = S * σ Dt = 352 * 75 = 26,4kN
b
l = 50 mm
b
a=
b
2
Vzpěr
- štíhlé přímé prvky zatížené tlakovou silou, při dosažení kritické hodnoty FKr vybočí ze svislé polohy, prohnou
se, ztratí stabilitu (stabilní rovnováhu)
- prut je pak v rovnováze indiferentní (rovnovážná poloha za každého průhybu)
- neurčitá namáhání tlakové se změní na kombinované (tlak + ohyb)
- rozhraní výpočtu na vzpěr nebo tlak udává tzv. štíhlostní poměr λ (lambda)
délka prutu
l
λ=
j min
tzv. kvadratický poloměr průřezu
kvadratický moment min. (mm4)
j min =
J min
S
průřez (mm2)
λ obvykle ≥ 20
Příklady uložení (vliv na výpočet viz. tab. 55-56)
F
volný
kloub
kloub
vetknutý
kloub
vetknutý
vetknutý
Prakticky :
ojnice klik. mechanismu
F
F
F
Výpočty :
na tlak - velmi krátké pruty
podle Tetmajera - přechodová oblast (nebezpečná)
podle Ruleta - velmi tenké pruhy
Namáhání ohybem
Na konci tyče působí v rovině, ve které leží i osa tyče, 2 stejně velké opačně orientované silové dvojice
s momenty Mo (ohybové momenty), tak že tyč ohýbají a po překročení určité meze se tyč zlomí.
Vnitřní síly představuje silová dvojice kolmá k rovině řezu.
Mo
Mo
Mo
neutrální osa
TAH
neutrální vrstva
σ max
vnější síly
TLAK
σo
Mo
Neutrální osa
- je průnik neutrální vrstvy s rovinou průřezu, nemění svou délku
- napětí je rozloženo po průřezu nerovnoměrně
Napětí v ohybu
Mo max
= σ Do
Wo
Mo - ohybový moment
σ o max =
(N * mm) síla x rameno
σ Do napětí dovolené v ohybu (MPa)
Charakteristická hodnota průřezu
Wo - průřezový modul v ohybu (mm3)
- průřezový modul zohledňuje vliv velikosti, tvaru a polohy průřezu
J
Wo = min z W1 nebo W2 , kde W1(2) =
l1( 2)
l1(2) - vzdálenost krajního taženého nebo tlačeného vlákna od neutrální osy
J - kvadratický moment průřezu k neutrální ose (mm4)
- pro ohyb, krut vzpěr vyjadřuje, že deformace je závislá nejen na velikosti průřezu, ale i na jeho poloze, tvaru a
rozložení podél průřezové osy
Určení souřadnic těžiště :
∑ Si * y i
1) výpočtem y T =
∑ Si
2) graficky
J x = ∑ Si * y i2 ( mm 4 )
y
∆S
x
J y = ∑ Si * x i2 (mm 4 )
J p = ∑ Si * ρ 2 = ∑ Si( x i2 + y12 ) = Jx + Jy(mm 4 )
ρ
y
x
Slučování J dílčích ploch
- převod kvadratických momentů průřezu dílčích ploch z jejich těžišťových os na centrální osu pomocí
Steinerovy věty a jejich sloučení
n
n
J = ∑ Ji = ∑ (Ji + Si * a i2 )
4 43
4
i =1
i =1142
2. součet
a ... vzdálenost os (dílčí a centrální)
1. převod na centrální osu
Charakteristické zatížení pro ohyb
- příklady řešených součástí
- nosníky - přímá tělesa s převažující délkou
- zatížení - ohybový moment Mo
- řešení provedeno do roviny (souř. x, y)
Základní druhy vazeb nosníku na rám
a) posuvná hloubková podpěra
Fry
b) rotační hloubková podpěra
Frx
Fry
c) vetknutí
M
Frx
Fry
Základní případy staticky určitě utvořených nosníku v rovině
(počet neznámých složek reakčních sil není větší než počet podmínek rovnováhy, tj.
∑ Fix = 0; ∑ Fiy = 0; ∑ Mi = 0)
a) vetknutý nosník
M
F
F
Frx
Fry
b) nosník na 2 podpěrách
F
A
B
FAx
F
FAy
FBy
c) nosník na 2 podpěrách s převislým koncem
F
A
F
B
F
F
FAy
FBx
FBy
Typy sil
- osamělá F (N)
- spojité zatížení g (N/mm) - nahrazení silou
Výpočet ohybových momentů
Příklad
Nosník na 2 podpěrách délky l, zatížený uprostřed silou F kolmo na osu nosníku, vypočítejte Mo max
l/2
F l/2
A
B
1
2
x1
FA
x2
FB
1) Uvolnění nosníku
- výpočet reakčních sil z podmínek statické rovnováhy (2 reakce → 2 rovnice )
∑ Fiy = 0
FA - F + FB = 0
F
FB = F - FA
FB = FA =
2
M+ ∑ MiA = 0
(součet momentů k bodu A)
- F * l/2 + FB * l = 0
- F * l/2 + F * l - FA * l = 0
F*l
F
= FA * l ⇒ = FA
2
2
2) Určení posouvajících sil T
- algebraický součet sil působících po jedné straně řezu kolmo na rovník
T:
FA
F
FB
3) Výpočet ohybového momentu
- algebraický součet momentů posouvajících sil po 1. straně řezu k místu řezu
Mo+ vnější silové účinky po levé straně řezu
M:
F*l
4
Mo max
1. interval 0 ≤ x 1 ≤ l / 2
Tx1 = FA
M x1 = FA * x1 = F / 2 * x1
x1 = 0 ⇒ M x1 = F / 2 * x1 = F / 2 * 0 = 0
F*l
x 1 = l / 2 ⇒ M x1 = F / 2 * l / 2 =
4
2. interval l / 2 ≤ x 2 ≤ l / 2
Tx2 = FA - F
M x 2 = F / 2(l − x 2 )
M x 2 = FA * x 2 − F(x 2 − l / 2) = F / 2 * x 2 − F * x 2 +
F*l
F*l
= F/ 2* x2 −
= F / 2 * (l − x 2 )
2
4
x 2 = l ⇒ M x 2 = F / 2 = (l − l) = 0
x 2 = l / 2 ⇒ M x 2 = F / 2 * ( l − l / 2) = F / 2 * l / 2 =
F*l
Mo max
4
Příklad
Nosník netknutý, délka l, síla F, na volném konci vypočítejte Mo max
1) uvolnění nosníku, vytvořit reakcí
Mv
A
FA
M+
F
1
l
∑ Fiy = 0
∑ MiA = 0
FA − F = 0 ⇒ FA = F
Mv − F * l = 0 ⇒ Mv = F * l
2) Výpočet ohybového momentu
- zleva Mo+ interval 0 ≤ x 1 ≤ l
T:
FA
Mx1
-F*l
F
Tx1 = FA = F
M x1 = FA * x 1 − Mv = F * x 1 − F * l
x 1 = 0 ⇒ M x1 = F * 0 − F * l = −F * l Mo max
x 1 = l ⇒ M x1 = F * l − F * l = 0
Příklad
Vypočítejte napětí v nosníku obdélníkového průřezu pro obě polohy průřezu
- délka nosníku l = 1m
- síla uprostřed F = 1200 N (kolmo na osu vzniku)
y
l/2
x
F
l/2
h
b
F * l 1200 * N * 1000 mm
=
= 300000 Nmm
4
4
Mo max
=
Wo
Mo max =
σ max
a) na výšku
Wox = 1/6 * b * h2 = 1/6 * 20 * 602 = 12000 mm3
Mo max
300000 N
σ max =
=
= 25 MPa
Wo
12000 mm 3
b) na šířku
Woy = 1/6 * b2 * h = 1/6 * 202 * 60 = 4000 mm3
Mo max 300000 N
σ max =
=
= 75 MPa
Wo
4000 mm 3
Pro polohu průřezu na výšku (a) je v nosníku 3x menší napětí, tj. nosník má 3x větší únosnost v ohybu než
v poloze b
Namáhání krutem
- předpoklad - tyč kruhového průřezu
- na konci tyče působí v rovinách kolmých k její ose dvě stejně velké opačně orientované dvojice s momenty Mk
(kroutící momenty) tak, že povrchové přímky původního nedeformovaného válce se mění ve šroubovici,
sousední řezy se vůči sobě natáčejí, po překročení určité hodnoty se tyč překroutí
α
A
B‘
Δφ
r
Mk
B
Mk
0
tečné napětí
vnější sil. účinek
Max. napětí v krutu
Mk max
N
τ max k =
≤ τ nk
MPa =
Wk
mm 2
W
P
P
Mk = =
[N * m] převést na [N * mm]
ω 2πn
s-1
Mk … kroutící moment
P …… přenášený výkon
Wk … průřezový modul v krutu
Wk =
π * d3
= 0,2 d 3 mm 3
16
[
]
Příklad
Ověřte, zda hřídel kruhového průřezu o průměru d = 24 mm zda hřídel bezpečně přenese výkon 25 kW při
otáčkách 25 s-1
τ Dk = 60 MPa
Mk =
d = 24 mm
P = 25 kW = 25000 W
n = 25 s -1
Wk =
τ max k
τk < τDk - vyhovuje
Zkroucení
∆ϕ
=
Mk * l
G *Jp
l ….. délka hřídele
G … modul pružnosti
G = 0,8 * 105 MPa
Jp … polární kvadratický moment průřezu
180 

ϕ = ϕ * π  - převod na stupně


Poměr zkroucení
ϕ  rad 
theta ϑ = ∆
l  m 
P
25000 W
=
= 159,150 N * m = 159150 N
2πn 2π * 25 s -1
π * d 3 π * 24 3
=
= 2714 mm 3
16
16
159150 N * mm
=
= 58,64 N/mm 2 = 58,64 MPa
3
2714 mm