2 Mechanick vlastnosti I Mechanick vlastnosti a charakteristiky

2 - Mechanické vlastnosti I Mechanické vlastnosti a charakteristiky materiálů 1

2 - Mechanické vlastnosti I Nejdůležitější mechanické vlastnosti n pružnost – elasticita n tvárnost – plasticita n pevnost n houževnatost 2

2 - Mechanické vlastnosti I Nejdůležitější mechanické vlastnosti Pružnost je schopnost materiálu deformovat se před porušením pružně. Pružná deformace je vratná, při odlehčení se rozměry tělesa vrátí na původní hodnoty. Při pružné deformaci neplatí zákon zachování objemu. Plasticita je schopnost materiálu deformovat se před porušením plasticky. Plastická deformace je deformace nevratná, při odlehčení se rozměry tělesa nevrátí na původní hodnoty. Při plastické deformaci platí zákon zachování objemu. 3

2 - Mechanické vlastnosti I Nejdůležitější mechanické vlastnosti Pevnost je odolnost materiálu proti trvalému porušení soudružnosti částic. Houževnatost je odolnost materiálu vůči vzniku deformace nebo porušení. Mírou houževnatosti je množství mechanické práce potřebné k vytvoření deformace nebo k porušení materiálu. 4

2 - Mechanické vlastnosti I Hlavní faktory ovlivňující mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti jsou velmi výrazně ovlivněny mnoha interními a externími faktory. Mezi nejdůležitější patří: Interní faktory n chemické složení a chemická heterogenita n struktura a strukturní heterogenita n velikost a tvar tělesa n koncentrátory napětí (konstrukční a technologické vruby) n stav povrchu Externí faktory: n teplota n rychlost deformace n druh a časový průběh zatěžování n okolní prostředí 5

2 - Mechanické vlastnosti I Deformace n Změna tvaru tělesa se nazývá deformace nebo-li přetvoření. Deformaci v podélném směru můžeme definovat (kvantifikovat) veličinou, která se nazývá poměrná deformace ε a je definována takto: n Obdobně deformace v příčném směru je definována: n 6

2 - Mechanické vlastnosti I materiál Poissonovo číslo n Poměr příčné a podélné deformace se nazývá Poissonovo číslo: Obvyklé hodnoty pro: n n n Kovy 0, 25 ≤ ≤ 0, 35 Keramiku ≈ 0, 25 Polymery ≈ 0, 4 Poissonovo číslo Slitiny hliníku 0, 33 Beton 0, 20 Litiny 0, 21 -0, 26 Sklo 0, 24 Jíly 0, 30 -0, 45 Měď 0, 33 Korek ca. 0, 00 Hořčík 0, 35 Nerezové oceli 0, 30 -0, 31 Pryž 0, 50 Oceli 0, 27 -0, 30 Molitan 0, 10 to 0, 40 Titan 0, 34 Písek 0, 20 -0, 45 auxetics negative 7

2 - Mechanické vlastnosti I Skutečná deformace n n Skutečná deformace je definována takto: Vztah mezi skutečnou a poměrnou deformací: 8

2 - Mechanické vlastnosti I Napětí Vnitřní síly deformaci brání, a tím vzniká v tělese napětí. n ¨ Smluvní napětí ¨ Skutečné napětí Vztah mezi skutečným a smluvním napětím: 9

2 - Mechanické vlastnosti I Smykové a normálové napětí 10

2 - Mechanické vlastnosti I Materiály s lineární závislostí σ - ε n Pro tyto materiály platí Hookeův zákon: E…modul pružnosti v tahu neboli Youngův modul Pro ocel platí: E = 2, 1. 105 MPa n Původní znění (Robert Hooke 1678): „Prodloužení tělesa je přímo úměrné působící síle. “ 11

2 - Mechanické vlastnosti I Materiály s lineární závislostí σ - ε n Analogie Hookeova zákona pro smykové namáhání: …. . Smykové napětí G…. Modul pružnosti ve smyku (Coulombův modul) Pro ocel platí: G = 0, 81. 105 MPa …. . Poměrná smyková deformace n Pro izotropní materiály platí: 12

2 - Mechanické vlastnosti I Materiály s nelineární závislostí σ - ε Pro tyto materiály neplatí Hookeův zákon a vztah mezi napětím a elastickou deformací nelze jednoduše definovat. n Toto chování je typické pro elastomery. n 13

2 - Mechanické vlastnosti I Mechanismus elastické deformace n Při elastické deformaci se atomy v uzlových bodech mřížky vlivem působení vnějšího zatížení oddálí nebo přiblíží (parametr mřížky se zvětší nebo zmenší), aniž by došlo k jejich přesunu do jiného uzlového bodu. Po odlehčení se atomy vrátí do své původní rovnovážné polohy. 14

2 - Mechanické vlastnosti I Překročí-li vnější zatížení určitou mez, vytvoří se v Celková a plastická deformace materiálu plastická, tj. trvalá deformace. n Celková deformace pak sestává ze dvou složek: n n V okamžiku, kdy na těleso přestane působit vnější zatížení, elastická deformace vymizí, zatímco plastická deformace zůstane zachována. 15

2 - Mechanické vlastnosti I Plastická deformace 1. Základní mechanismy plastické deformace Skluz dislokací 2. Dvojčatění n 16

2 - Mechanické vlastnosti I Skluz dislokací n n Nejčastější a nejznámější mechanismus plastické deformace, který se realizuje pohybem dislokací ve skluzových systémech. Skluz dislokací probíhá v určitých krystalografických rovinách a směrech, pro které platí: 1. Směr skluzu je totožný s některým směrem, který je nejhustěji obsazený atomy. 2. Skluz probíhá většinou v rovině nejhustěji obsazené atomy. 3. Ze souboru skluzových systémů (rovina, směr) je aktivní ten skluzový systém, který je optimálně orientován vůči vnějšímu zatížení, to je ve kterém je maximální smykové napětí. 17

2 - Mechanické vlastnosti I Kritické napětí Původní Frenkelova teorie Upřesněný vzorec Kritické napětí dle Taylora Vztah po úpravě 18

2 - Mechanické vlastnosti I Pohyb hranové dislokace 19

2 - Mechanické vlastnosti I Pohyb dislokací ←F Po překročení kritického napětí dochází k pohybu dislokací. F→ 20

2 - Mechanické vlastnosti I Pohyb šroubové dislokace Skluzová rovina 21

2 - Mechanické vlastnosti I Nekonzervativní pohyb dislokací n Difuzní šplhání hranové dislokace n Příčný skluz šroubové dislokace 22

2 - Mechanické vlastnosti I Vznik dislokací v materiálech Frank-Readův zdroj (1) (4) (2) (5) (3) (6) 23

2 - Mechanické vlastnosti I Frank-Readův zdroj 24

2 - Mechanické vlastnosti I Interakce dislokací s překážkami n Dislokace překonávající částice Orowanovým mechanismem. 25

2 - Mechanické vlastnosti I Dvojčatění n Druhý nejvýznamnější mechanismus plastické deformace, který se uplatňuje zvláště u kovů s mřížkou kubickou plošně středěnou a mřížkou hexagonální těsně uspořádanou. n Jeho výskyt je podporován zejména vysokou rychlostí deformace a nízkou teplotou. 26

2 - Mechanické vlastnosti I Dvojčatění n Při dvojčatění se atomy v části krystalu přesunou o necelou meziatomovou vzdálenost, a to tak, že vznikne oblast mřížky souměrná podle roviny dvojčatění s neposunutou mřížkou. n Přesun atomů při dvojčatění je výsledkem pohybu neúplných dislokací, na rozdíl od deformace kluzem, kde se jedná o pohyb úplných dislokací. 27

2 - Mechanické vlastnosti I Skluz dislokací a dvojčatění skluz dvojčatění 28

2 - Mechanické vlastnosti I Makroskopické projevy skluzu Skluzové pásy 29

2 - Mechanické vlastnosti I Deformační zpevnění monokrystalu n n n Zpevnění kovu s mřížkou FCC Zpevnění kovu s mřížkou BCC Zpevnění kovu s mřížkou HCP 30

2 - Mechanické vlastnosti I Deformační zpevnění polykrystalu n n Průběh deformačního zpevnění u polykrystalů se liší od zpevňování monokrystalů, neboť se zde uplatňuje několik dalších mechanismů. Mezi nejdůležitější patří: Zpevnění hranicemi zrn ¨ Zpevnění substitučními atomy ¨ Zpevnění intersticiálními atomy ¨ Zpevnění precipitační ¨ 31

2 - Mechanické vlastnosti I Zpevnění hranicemi zrn 32

2 - Mechanické vlastnosti I Zpevnění hranicemi zrn n Hallův-Petchův vztah: kde σ0 je třecí napětí potřebné pro pohyb dislokací (pro nízkolegovanou ocel σ0 = 40 MPa) ky je materiálová konstanta [N*mm-3/2] d je střední průměr zrna [mm] 33