Pevnost kovu v tahu: proč by měl být tento indikátor brán v úvahu

Pevnost kovu v tahu je jednou z hlavních mechanických vlastností materiálů. Tento termín je široce používán ve vztahu ke kovům a slitinám v komunikaci mezi odborníky, avšak v technických příručkách, sbírkách norem a další odborné literatuře se tento indikátor obvykle nazývá dočasná odolnost.

Pevnost je odolnost oceli nebo jiných materiálů vůči deformujícímu nebo destruktivnímu zatížení, schopnost při vystavení mechanickým, teplotním, magnetickým a jiným vlivům zachovat celistvost, strukturu a tvar.

Mezi hlavní charakteristiky pevnosti v tahu patří mez pevnosti (nebo dočasná odolnost kovu), schopnost pružné deformace, mez proporcionality, mez pružnosti a meze kluzu.

Pro označení konečné pevnosti kovu je obvyklé používat symbol σв a pro měření – kilogramy síly na centimetr čtvereční (kgf/cm2) nebo megapascaly (MPa).

Pro testování pevnosti materiálů v tahu se používají speciální stojany. V tomto případě se na vzorek působí mezním zatížením, jehož jeden konec je pevně upevněn. K vytvoření síly se používají elektromechanické nebo hydraulické pohony. Během testu dochází k plynulému nárůstu zatížení, trhání, kroucení nebo ohýbání kovové části.

Pro měření parametrů pevnosti v tahu a poměrného prodloužení vzorků jsou zkušební stolice vybaveny elektronickým řídicím systémem.

Typy mezí pevnosti kovů

Jak již bylo zmíněno, pevnost v tahu je jednou z hlavních fyzikálních vlastností všech konstrukčních materiálů, včetně kovů. Tento ukazatel slouží jako základ pro rozhodování o možnosti použití konkrétních slitin pro výrobu součásti nebo o nutnosti jejich nahrazení silnějšími.

V závislosti na druhu vynaloženého úsilí je obvyklé rozlišovat:

1. Pevnost kovu v tlaku je maximální zatížení, při kterém konstantní nebo střídavé mechanické napětí stlačuje vzorek, deformuje jej nebo ničí. Mez statické pevnosti se obvykle nazývá prahová hodnota při konstantním napětí a mez dynamické pevnosti se nazývá prahová hodnota při proměnném napětí. Slisování vzorku mechanickým zatížením obvykle trvá krátkou dobu.
2. Pevnost kovu v tahu je maximální hodnota mechanického zatížení vzorku, nad kterou se zlomí. V tomto případě můžeme mluvit nejen o úplné destrukci kovové sondy, ale také o jejím nepřijatelném ztenčení, což může také naznačovat překročení napěťového prahu. Obvykle také netrvá dlouho, než se testované tělo zlomí nebo ztenčí.
3. Z mezní pevnosti kovu v krutu vyplývá maximální hodnota tangenciálních napětí, která vznikají při kroucení hřídele v jeho nebezpečných úsecích, překročení vede k destrukci vzorku. Tento ukazatel se používá při ověřovacím výpočtu pevnostních zkoušek, výběru průřezů a stanovení dovoleného krouticího momentu.
4. Pevnost kovu v ohybu je nepřímo závislá na jeho tvrdosti a zvyšuje se se zvyšováním procenta cementačních přísad. Jinými slovy, pevnost v ohybu závisí na chemickém složení slitin, velikosti karbidových zrn a vlastnostech cementované vrstvy vzorku.

Tloušťka vrstvy cementovacího kovu ve vzorku hraje v tomto případě významnou roli. S jeho nárůstem v důsledku snížení lokálních pnutí dochází ke zvýšení pevnosti a naopak – snížení této hodnoty vede ke snížení pevnosti slitiny. Pro stanovení pevnosti v ohybu se používá zkušební metoda, při které jedna soustředěná síla působící na střed rozruší vzorek volně ležící na dvou podpěrách.

Pevnost oceli v tahu

Navzdory skutečnosti, že v moderní výrobě ocelové slitiny postupně ztrácejí půdu pod nohama na nové materiály, jako jsou různé polymery a kompozity, stále slouží jako hlavní materiál, ze kterého se vyrábějí kritické prvky široké škály konstrukcí a dílů. Správný výpočet pevnosti v tahu kovu, ze kterého jsou díly vyrobeny, umožňuje zvýšit jejich životnost, dosáhnout maximální pevnosti a bezpečnosti.

V závislosti na jakosti se pevnost v tahu kovu může pohybovat od 300 MPa u běžných jakostí nízkouhlíkových konstrukčních ocelí do 900 MPa u speciální vysoce legované slitiny.

Pevnost v tahu závisí na:

• chemické složení kovu,
• parametry tepelného zpracování (kalení, popouštění, žíhání a další stupně).

Vliv nečistot může být pozitivní i negativní. Slitina je maximálně zbavena škodlivých vměstků, které snižují pevnost při tavení a válcování. Do složení slitiny se zavádějí aditiva, která jsou prospěšná pro vlastnosti slitiny, aby se zlepšily její vlastnosti.

Kromě meze pevnosti se pro výpočty používá související mez kluzu kovu (označení σT). Jedná se o hodnotu napětí, při které se deformace zvyšuje, aniž by se zvýšila použitá síla. Po dosažení prahové hodnoty se vzorek začne zhoršovat, to znamená, že některé vazby mezi atomy se přeruší a zbytek začne být vystaven zvýšenému zatížení.

U konstrukčních prvků provozovaných při normálním zatížení jsou nejdůležitější fyzikální vlastnosti slitiny. Pokud jsou díly určeny pro provoz za extrémních teplot, vysokého tlaku, vysoké vlhkosti nebo v agresivním prostředí, do popředí se dostávají fyzikální a chemické ukazatele, které stejně jako mechanické silně závisí na chemickém složení:

1. S rostoucím procentem uhlíku se zvyšuje pevnost a tvrdost kovu, ale jeho tažnost klesá. K tomu dochází, dokud není dosaženo přibližně 1% koncentrace uhlíku, poté se výkon začne zhoršovat.
2. Zvýšení procenta uhlíku způsobuje zvýšení prahu studené kapacity, což umožňuje výrobu mrazuvzdorných a kryogenních jakostí oceli.
3. Většina ocelových slitin obsahuje mangan, který pomáhá vytěsňovat kyslík a síru z roztaveného kovu. Při přibližně 2% tento prvek, když je zaveden do složení oceli, pomáhá zlepšit tažnost a svařitelnost, ale následné zvýšení procenta vede k praskání během tepelného zpracování.
4. Křemík se používá k dezoxidaci ocelových slitin. Obsah tohoto prvku určuje rozdělení jakostí ocelí na klidné vysokouhlíkové s procentuálním podílem do 0,6 % a poloklidné s ještě nižším obsahem Si – do 0,1 %.
5. Křemík v kombinaci s manganem nebo molybdenem zvyšuje prokalitelnost slitiny a s chromem a niklem zvyšuje odolnost proti korozi.
6. Obsah dusíku a kyslíku v kovu má negativní vliv na pevnost. Navíc přítomnost sloučenin těchto prvků v krystalové mřížce vede kromě zhoršení pevnostních charakteristik ke snížení tažnosti slitin.

Vlastnosti různých tříd oceli podle pevnosti

Existuje sedm tříd oceli. Klasifikace je založena na tekutosti a pevnosti v tahu:

• první třída je ocel s pevností v tahu 225 MPa,
• tři třídy s pevností v tahu od 285 do 390 MPa (od 2. do 4.),
• tři třídy s pevností v tahu od 440 do 735 MPa (od 5. do 7.).

První třída zahrnuje především běžné jakosti uhlíkové oceli válcované za tepla. Další tři jsou válcované výrobky z nízkolegovaných ocelí (normalizované nebo válcované za tepla). Od páté do sedmé – válcování tepelně optimalizovaného kovu s ekonomickým legováním.

Kromě oceli patřící do první třídy lze zbytek získat také tepelným, termomechanickým zpevněním nebo řízeným válcováním.

Pro označení kategorií pevnosti oceli předepisuje GOST 977 z roku 1988 písmenové označení „K“ nebo „KT“, za kterým následuje údaj o meze kluzu v číslech. Písmeno “K” označuje žíhanou, normalizovanou nebo temperovanou ocel. Odrůdy, které prošly kalením a popouštěním, jsou označeny písmeny „KT“.

Kromě toho při výběru třídy oceli pro konkrétní konstrukci přisuzují inženýři důležitou roli bezpečnostnímu faktoru, který, jak název napovídá, odráží schopnost dílů odolávat zatížení větším, než je vypočteno. Pokud dojde k chybě v jedné z fází, ať už jde o konstrukci, výrobu nebo provoz výrobků, bezpečnostní rezerva umožňuje minimalizovat riziko zničení.

Pevnost v tahu různých druhů kovů

Pevnost mědi v tahu

Technická měď žíhaná při teplotě +20…+22 °C (pokojová teplota) má pevnost v tahu 225,5 MPa. Při zahřívání se tento indikátor snižuje. Dočasný odpor se také může měnit směrem dolů i nahoru, když jsou do slitiny mědi přidávány legující přísady nebo v přítomnosti nečistot.

Pevnost hliníku v tahu

Pevnost v tahu žíhaného technického hliníku při teplotě +20…+22 °C je 78,48 MPa. Čím je kov čistší, tím nižší je jeho pevnost a tím vyšší je jeho plasticita. Pro hliník zalitý do země je tedy toto číslo 49 MPa.

Ohřev snižuje konečný odpor a snížení teploty z +27 °C na -269 °C vede k 4násobnému zvýšení u hliníku technické čistoty a 7násobku u hliníku vysoké čistoty. Pevnost v tahu hliníkové slitiny lze zvýšit legováním.

Pevnost v tahu běžné litiny

Metodu stanovení pevnosti v tahu definuje GOST 27298 z roku 1987 pro tahové zkoušky litinových odlitků.

Pevnost v tahu šedé litiny

Podle GOST 1412 z roku 1985 se pro typy šedé litiny používá písmenné označení jednotky měření pevnosti v tahu kovu ve formě “СЧ” a digitální indikace minimální pevnosti v tahu.

Tato norma upravuje hodnotu pevnosti v tahu pro slitiny s lamelárním grafitem jakosti C410 – C435. Minimální hodnota tohoto ukazatele pro typy šedé litiny je od 100 do 350 MPa a maximální může překročit hodnotu GOST o 100 MPa, pokud není v technických podmínkách uvedeno jinak.

Pevnost v tahu tvárné litiny

U vysokopevnostních druhů litiny je součástí označení i digitální index udávající hodnotu pevnosti v tahu, která se (podle GOST 7293 z roku 1985) pohybuje od 350 do 1 000 MPa.

Tvárná litina je pevností srovnatelná s ocelí.

doporučené články

• Skladování elektrod a restaurování povlaků
• Síla svařovacího proudu: rozumíme nuancím nastavení
• Fosfátování: vlastnosti technologie

Abychom to shrnuli, je třeba poznamenat, že konečná pevnost kovů je nesmírně důležitá pro použití v moderní výrobě, která každý den vyžaduje stále více slitin s vysokými fyzikálními vlastnostmi pro výrobu kovových konstrukcí, kritických součástí různých mechanismů a dalších výrobků. Zvláštní roli při jejich návrhu hraje správný výpočet dočasné odolnosti kovů.

Vedoucí obchodního oddělení

Nejnovější články tohoto autora:

• Six Sigma a Lean Manufacturing: Lean Six Sigma jako způsob, jak zlepšit efektivitu podnikání
• Eloxování kovů: metody, vlastnosti, výhody
• Žíhání oceli: druhy, technologie, možné vady
• Výrobky z kovové sítě: všestrannost použití