Jaká je pevnost oceli v tahu?
Široké použití oceli je nepochybně způsobeno jejími mechanickými vlastnostmi. Vysoká pevnost a střední tažnost kovu zajišťuje spolehlivost a trvanlivost konstrukcí, strojních součástí a dalších výrobků. Pro získání výsledků mechanických vlastností byly vyvinuty různé zkušební metody, jejichž vzorky a metody jsou regulovány GOST.
Pevnost oceli
Pevnost je odolnost materiálu vůči deformaci a destrukci. Pevnost se zjišťuje tahovou zkouškou. Zkouška se provádí na speciálním stroji, který zaznamenává tahový diagram ukazující závislost prodloužení vzorku na působícím zatížení, ale pro získání výsledků na mechanických vlastnostech je rekonstruována závislost poměrného prodloužení na napětí. A zkouška probíhá následovně: vyřízne se vzorek daného materiálu, nejčastěji ve formě tyče, působí se na něj tažná síla a měří se délka vzorku, jak se na něj působící síla zvětšuje (viz. Obrázek 1). Při získávání roztaženého diagramu zapisujte svisle напряжение (síla na jednotku plochy vzorku) a vodorovně – deformace (relativní změna délky vzorku).
Obrázek 1 – Diagram napětí-deformace
při zkoušení tahového vzorku
Při malých deformacích se tyč chová pružně – „odskočí“ zpět na původní délku, pokud se odstraní působící napětí. na napětí nad hodnotou tzv omezit obrat, tyč se začne plasticky deformovat. To znamená, že po odstranění působícího napětí se tyč již nevrací do své původní délky, ale dostává nevratné prodloužení. Natažením tyče až do porušení zjistěte maximální napětí v diagramu napětí-deformace. Toto maximální napětí se nazývá pevnost v tahu nebo dočasná pevnost v tahu materiál, ze kterého byl vzorek vyroben.
Tažnost oceli
Pokud při jednoduché zkoušce ohybem kov selže až po velkém plastickém průhybu, pak je považován za tažný. Pokud k takovému průhybu vůbec nedochází nebo je nevýznamné, nazývá se materiál křehký. Dobrá tažnost kovu se při tahové zkoušce projevuje vysokou tažností vzorku a/nebo jeho zúžením. Protažení vyjadřuje procentuální nárůst délky vzorku po porušení na jeho původní délku (viz obrázek 1). Podobně kontrakce vyjadřuje procentuální zmenšení plochy vzorku ve srovnání s jeho původní plochou (obrázek 2).
Obrázek 2 – Tahový diagram pro křehké a tažné kovy
Nejčastěji se mechanické vlastnosti ocelí jako celku posuzují podle tří ukazatelů: pevnosti v tahu, meze kluzu a tažnosti. Meze pevnosti a tažnosti jsou obvykle vyjádřeny v megapascalech (MPa), tažnost – v procentech (%). Téměř vždy, když se zvyšuje pevnost kovu nebo slitiny, jeho tažnost klesá.
Tvrdost oceli
Při zkoušení tvrdosti se mechanické vlastnosti ocelí posuzují tak, že se do ní při dané síle vnese pevný materiál, t. zv. indentor (Obrázek 3). Často je takový indentor vyroben z diamantu. Výsledkem testu je vytvoření otisku v materiálu – jeho velikost se posuzuje podle tvrdosti oceli: v testu Rockwell – podle hloubky otisku, v testu podle Brinnell a Vickers – podle jeho šířky.
Obrázek 3 – Schéma zkoušky tvrdosti a její hlavní charakteristiky
Poměr pevnosti a tvrdosti oceli
U kalených a temperovaných ocelí existuje dobrá korelace mezi pevností v tahu a tvrdostí – tvrdost lze použít k hodnocení pevnosti a naopak. U tepelně kalených ocelí je běžná tvrdost 45 HRC a vyšší. Tvrdost 45 HRC odpovídá pevnosti v tahu 1480 MPa. Pokud to porovnáte s nejpevnějšími průmyslovými slitinami hliníku, mědi a titanu, které mají pevnost zhruba 570, 1220 a 1350 MPa, je zřejmé, že ocel je pevnější než všechny tyto materiály.
Viskozita oceli
Důležitou mechanickou vlastností oceli je její houževnatost. Obvykle termín viskozita používá se jako měřítko schopnosti kovu rozkládat se nekřehce.
Charakter lomu – křehký nebo tažný – lze nejlépe posoudit na příkladu feritických ocelí. Všechny kovy s kubickou atomovou mřížkou centrovanou na tělo – jako feritické oceli – mají jednu společnou nevýhodu. Při nízkých teplotách se křehce rozpadají, zatímco při dostatečně vysokých teplotách se rozpadají normálně – plasticky. Teplota přechodu z plastické hmoty do křehkého lomu se nazývá přechodová teplota tvárná-křehká. Je definována jako teplota, pod kterou dochází ke křehkému lomu. Teplotu křehkého přechodu lze v zásadě určit tahovou zkouškou, ale v jednoosém tahu je její hodnota výrazně nižší než ta pozorovaná u složitých ocelových dílů. Zkušenosti ukázaly, že zkoušky rázové houževnatosti pomocí Charpyho metody jsou v mnohem lepší shodě s experimentálními údaji o křehkém lomu složitých součástí. Schéma metody Charpyho rázové zkoušky je na obrázku 4.
Obrázek 4 – Schéma nárazové zkoušky metodou Charpy
Únava oceli
Únavové selhání je typ selhání, ke kterému dochází u kovových částí, které jsou vystaveny cyklickému namáhání.
Uvažujme nápravu na kolech, která je „tlačena“ poměrně těžkým nákladem. Toto závaží způsobí ohyb ve středu v bodě uprostřed mezi koly, jak je schematicky znázorněno na obrázku 5.
Obrázek 5 – Změna tlakového a tahového napětí
na povrchu rotační osy
Toto ohýbání způsobuje natažení kovu v bodě T a stlačení v bodě C. Jinými slovy to znamená, že v bodě T je kov vystaven tahovým napětím a v bodě C tlakovým napětím. Proto, když se osa otáčí, je každý bod uprostřed osy vystaven cyklickému namáhání – tahovému, když je dole, a tlakovému, když je nahoře.
U dobře navržené nápravy budou maximální tahová napětí výrazně pod mezí kluzu a všechny deformace, ke kterým dojde na kovovém povrchu během rotace, budou v elastické oblasti, jak je znázorněno ve spodní části obrázku 5.
Pokud je však na povrchu kovu malý škrábanec, pak v tomto místě na povrchu dochází k tzv. koncentraci napětí. Pokud napětí v tomto bodě překročí mez kluzu, pak se zde může objevit trhlina. Pokaždé, když se náprava otočí, bude tato trhlina narůstat, dokud nebude dostatečně velká, aby způsobila selhání nápravy. Tento proces se nazývá únavové porušení nebo únava ocelí. Schopnost oceli odolávat cyklickému namáhání se nazývá únavová pevnost nebo cyklická pevnost. K únavovým poruchám dochází u kovových dílů, které jsou vystaveny cyklickému namáhání, jako jsou rotující díly, ventily, pružiny a vibrující díly, jako jsou křídla letadel.