Tahové vlastnosti

Tahové vlastnosti udávají, jak bude materiál reagovat na síly působící v tahu. Zkouška tahem je základní mechanická zkouška, při níž se pečlivě připravený vzorek velmi kontrolovaně zatěžuje, přičemž se měří působící zatížení a prodloužení vzorku na určité vzdálenosti. Zkoušky tahem se používají ke stanovení modulu pružnosti, meze pružnosti, prodloužení, meze úměrnosti, zmenšení plochy, pevnosti v tahu, meze kluzu, meze kluzu a dalších tahových vlastností.

Hlavním produktem tahové zkoušky je křivka závislosti zatížení na prodloužení, která se následně převede na křivku závislosti napětí na deformaci. Protože technické napětí i technická deformace se získají vydělením zatížení a prodloužení konstantními hodnotami (informace o geometrii vzorku), bude mít křivka zatížení – prodloužení stejný tvar jako technická křivka napětí – deformace. Křivka napětí-deformace vztahuje aplikované napětí k výsledné deformaci a každý materiál má svou vlastní jedinečnou křivku napětí-deformace. Typická inženýrská křivka napětí-deformace je znázorněna níže. Pokud se použije skutečné napětí, které vychází ze skutečného průřezu vzorku, zjistí se, že křivka napětí-deformace plynule roste až do lomu.

Lineárně-elastická oblast a elastické konstanty
Jak je vidět na obrázku, napětí a deformace zpočátku rostou s lineární závislostí. Jedná se o lineárně-elastickou část křivky a naznačuje, že nedošlo k žádné plastické deformaci. V této oblasti křivky se při snížení napětí materiál vrátí do původního tvaru. V této lineární oblasti se přímka řídí vztahem definovaným jako Hookův zákon, kde poměr napětí a deformace je konstantní.

Sklon přímky v této oblasti, kde je napětí úměrné deformaci a nazývá se modul pružnosti nebo Youngův modul. Modul pružnosti (E) definuje vlastnosti materiálu při namáhání, deformaci a následném návratu do původního tvaru po odstranění napětí. Je to míra tuhosti daného materiálu. Chcete-li vypočítat modul pružnosti , stačí vydělit napětí deformací v materiálu. Protože deformace je bez jednotek, bude mít modul stejné jednotky jako napětí, například kpi nebo MPa. Modul pružnosti se vztahuje konkrétně na situaci, kdy je součást natahována tahovou silou. Tento modul je zajímavý, když je třeba vypočítat, jak moc se tyč nebo drát natáhne při tahovém zatížení.

Existuje několik různých druhů modulů v závislosti na způsobu, jakým je materiál natahován, ohýbán nebo jinak deformován. Pokud je součást vystavena čistě smykovému namáhání, například válcová tyč v krutu, modul ve smyku popisuje lineárně-elastický vztah mezi napětím a deformací.

Axiální deformace je vždy doprovázena bočními deformacemi opačného znaménka ve dvou směrech vzájemně kolmých na axiální deformaci. Deformace, které jsou důsledkem zvětšení délky, se označují jako kladné (+) a ty, které jsou důsledkem zmenšení délky, se označují jako záporné (-). Poissonův poměr je definován jako záporná hodnota poměru příčné a osové deformace pro jednoosý stav napětí.

Poissonův poměr se někdy definuje také jako poměr absolutních hodnot příčné a osové deformace. Tento poměr je stejně jako deformace bez jednotek, protože obě deformace jsou bez jednotek. Pro napětí v rozsahu pružnosti je tento poměr přibližně konstantní. Pro dokonale izotropní pružný materiál je Poissonův poměr 0,25, ale pro většinu materiálů se jeho hodnota pohybuje v rozmezí 0,28 až 0,33. U ocelí má Poissonův poměr obecně hodnotu přibližně 0,3. To znamená, že pokud je jeden palec na palec deformace ve směru působení napětí, bude 0,3 palce na palec deformace kolmo ke směru působení síly.

Pouze dvě z konstant pružnosti jsou nezávislé, takže pokud jsou známy dvě konstanty, lze třetí vypočítat podle následujícího vzorce:

E = 2 (1 + n) G.

.

Kde:	E	=	modul pružnosti (Youngův modul)
	n	=	Poissonův poměr
	G	=	modul tuhosti (modul pružnosti ve smyku).

Mezi několik dalších konstant pružnosti, se kterými se můžeme setkat, patří objemový modul (K) a Lameho konstanty (m a l). Objemový modul se používá k popisu situace, kdy je kus materiálu vystaven zvýšení tlaku ze všech stran. Vztah mezi změnou tlaku a výslednou vzniklou deformací je objemový modul. Lameho konstanty jsou odvozeny z modulu pružnosti a Poissonova poměru.

Bod kluzu
U tvárných materiálů se v určitém bodě křivka napětí a deformace odchýlí od přímkové závislosti a zákon již neplatí, protože deformace roste rychleji než napětí. Od tohoto bodu tahové zkoušky dochází ve vzorku k určité trvalé deformaci a říká se, že materiál reaguje plasticky na další zvyšování zatížení nebo napětí. Po odstranění zatížení se materiál nevrátí do původního, nenamáhaného stavu. U křehkých materiálů dochází k malé nebo žádné plastické deformaci a materiál se láme blízko konce lineárně pružné části křivky.

U většiny materiálů dochází k postupnému přechodu od pružného k plastickému chování a přesný bod, kdy začíná docházet k plastické deformaci, je těžké určit. Proto se používají různá kritéria pro počátek poddajnosti v závislosti na citlivosti měření deformace a zamýšleném použití dat. (Viz tabulka) Pro většinu technických konstrukčních a specifikačních aplikací se používá mez kluzu. Mez kluzu je definována jako napětí potřebné k vyvolání malé plastické deformace. Posunutá mez kluzu je napětí odpovídající průsečíku křivky napětí-deformace a přímky rovnoběžné s pružnou částí křivky posunuté o určitou deformaci (v USA je tento posun obvykle 0,2 % u kovů a 2 % u plastů).

Ve Velké Británii se mez kluzu často označuje jako zkušební napětí. Hodnota posunu je buď 0,1 %, nebo 0,5 %

K určení meze kluzu pomocí tohoto posunu se najde bod na ose deformace (osa x) 0,002 a poté se nakreslí přímka rovnoběžná s přímkou napětí-deformace. Tato přímka protne přímku napětí-deformace mírně po začátku jejího zakřivení a tento průsečík je definován jako mez kluzu s posunem 0,2 %. Dobrý způsob, jak se dívat na mez kluzu s posunem, je ten, že po zatížení vzorku na mez kluzu s posunem 0,2 % a jeho následném odlehčení bude vzorek o 0,2 % delší než před zkouškou. Přestože mez kluzu má představovat přesný bod, ve kterém se materiál trvale deformuje, je 0,2% prodloužení považováno za přijatelnou oběť pro snadnost, kterou přináší při definování meze kluzu.

Některé materiály, jako je šedá litina nebo měkká měď, nevykazují v podstatě žádné lineárně pružné chování. U těchto materiálů se obvykle definuje mez kluzu jako napětí potřebné k vyvolání určité celkové deformace.

• Skutečná mez pružnosti je velmi nízká hodnota a souvisí s pohybem několika stovek dislokací. Pro zjištění deformace v řádu 2 x 10 -6 in/in je nutné provést mikrodeformační měření.
• Proporcionální mez je nejvyšší napětí, při kterém je napětí přímo úměrné deformaci. Získá se pozorováním odchylky od přímkové části křivky napětí-deformace.
• Mez pružnosti je největší napětí, kterému materiál odolá, aniž by po úplném uvolnění zatížení zůstala měřitelná trvalá deformace. Určuje se pomocí zdlouhavého postupu zkoušky postupným zatěžováním a odlehčováním. Při citlivosti měření deformace, která se obvykle používá v inženýrských studiích (10 -4in/in), je mez pružnosti větší než mez úměrnosti. S rostoucí citlivostí měření deformace se hodnota meze pružnosti snižuje, až se nakonec vyrovná skutečné meze pružnosti stanovené z měření mikrodeformace.
• Mez kluzu je napětí potřebné k vyvolání malé specifikované velikosti plastické deformace. Mez kluzu získaná offsetovou metodou se běžně používá pro inženýrské účely, protože se vyhýbá praktickým obtížím při měření meze pružnosti nebo proporcionální meze.

Pevnost v tahu
Pevnost v tahu (UTS) nebo jednodušeji pevnost v tahu je maximální technická úroveň napětí dosažená při zkoušce tahem. Pevnost materiálu je jeho schopnost odolávat vnějším silám bez porušení. U křehkých materiálů bude UTS na konci lineárně-elastické části křivky napětí-deformace nebo blízko meze pružnosti. U tvárných materiálů bude UTS daleko za hranicí pružné části do plastické části křivky napětí-deformace.

Na výše uvedené křivce napětí-deformace je UTS nejvyšší bod, kde je přímka momentálně plochá. Protože UTS vychází z technického napětí, často není totožná s pevností v tahu. V tvárných materiálech dochází k deformačnímu zpevnění a napětí se bude dále zvyšovat, dokud nedojde k lomu, ale inženýrská křivka napětí-deformace může ukazovat pokles úrovně napětí, než dojde k lomu. To je důsledek toho, že technické napětí vychází z původní plochy průřezu a nezohledňuje hrdla, která se ve zkušebním vzorku běžně vyskytují. UTS nemusí být zcela reprezentativní pro nejvyšší úroveň napětí, kterou materiál snese, ale tato hodnota se stejně obvykle nepoužívá při návrhu součástí. U tvárných kovů se v současné návrhové praxi pro dimenzování statických součástí používá mez kluzu. Protože je však UTS snadno stanovitelná a poměrně dobře reprodukovatelná, je užitečná pro účely specifikace materiálu a pro účely kontroly kvality. Na druhé straně u křehkých materiálů může být návrh součásti založen na pevnosti materiálu v tahu.

Míra tažnosti (prodloužení a zmenšení plochy)
Tažnost materiálu je míra, do jaké míry se materiál deformuje před lomem. Velikost tažnosti je důležitým faktorem při zvažování tvářecích operací, jako je válcování a vytlačování. Poskytuje také údaj o tom, jak viditelné může být poškození součásti při přetížení, než dojde k jejímu lomu. Tažnost se také používá jako měřítko kontroly kvality pro posouzení úrovně nečistot a správného zpracování materiálu.

Konvenčními mírami tažnosti jsou technická deformace při lomu (obvykle se nazývá prodloužení ) a zmenšení plochy při lomu. Obě tyto vlastnosti se získávají zpětným uložením vzorku po lomu a změřením změny délky a plochy průřezu. Prodloužení je změna osové délky dělená původní délkou vzorku nebo jeho části. Vyjadřuje se v procentech. Protože značná část plastické deformace bude soustředěna v oblasti hrdla vzorku v tahu, bude hodnota prodloužení záviset na délce měřidla, na které se měření provádí. Čím menší je délka měřidla, tím více se do výpočtu promítne velká lokální deformace v oblasti hrdla. Proto by se při uvádění hodnot prodloužení měla uvádět délka měřidla.

Jedním ze způsobů, jak se vyhnout komplikacím způsobeným hrdlem, je založit měření prodloužení na rovnoměrné deformaci až do místa, kde začíná hrdlo. To někdy funguje dobře, ale některé inženýrské křivky napětí a deformace jsou v okolí maximálního zatížení často poměrně ploché a je obtížné přesně stanovit deformaci, kdy začíná vznikat krček.

Zmenšení plochy je změna plochy průřezu dělená původní plochou průřezu. Tato změna se měří v oblasti hrdla vzorku. Stejně jako prodloužení se obvykle vyjadřuje v procentech.

Jak již bylo řečeno, tah je pouze jedním ze způsobů, jakým může být materiál zatěžován. Mezi další způsoby zatěžování materiálu patří tlak, ohyb, smyk a krut a existuje řada standardních zkoušek, které byly zavedeny pro charakterizaci toho, jak se materiál chová při těchto dalších podmínkách zatěžování. Velmi zběžný úvod do některých z těchto dalších vlastností materiálu bude uveden na následující straně.