2.6.1 Tahová zkouška

Tahová zkouška se provádí v trhacím stroji, který je zařízením umožňujícím provádět deformaci vzorku různými deformačními mechanizmy až po jeho destrukci. Při tahové zkoušce je vzorek podroben tahové deformaci, jejíž velikost s časem rovnoměrně roste (rychlost deformace je konstantní). Sleduje se závislost tahového napětí s na deformaci e. Napětím se zde rozumí tzv. smluvní napětí, tj. poměr síly F působící na vzorek k ploše průřezu nedeformovaného vzorku; a deformací poměr prodloužení vzorku k nedeformované (původní) délce vzorku . Upřesnění, o jaké napětí se jedná, je nutné, protože vzorek je deformován až po svou destrukci - přetržení, kdy rozdíl mezi původním průřezem a průřezem při přetržení bývá značný. Rozdíl průřezu nedeformovaného a deformovaného vzorku však obvykle nelze zanedbat již brzy po začátku tahové zkoušky a nelze tedy užít zjednodušení klasické teorie pružnosti (kap. 3), která tento rozdíl zanedbává. Deformace při tahové zkoušce je nutno pokládat za velké deformace (srov. stať 2.1.3) a zavedené smluvní napětí přísně odlišovat od skutečného aktuálního napětí ve vzorku.

 

Tvar závislostí

, (2,72)

kterou nazýváme tahová křivka, je pro různé látky různý. Pro řadu kovových materiálů lze tuto závislost schematicky vystihnout křivkou znázorněnou na obr.39. (V grafu na obrázku označujeme smluvní napětí stručně s, aby-chom vyhnuli dvojnásobnému indexování.) Počáteční část křivky až po bod A je přímková, napětí je úměrné deformaci, chování materiálu lze vystihnout modelem hookovské látky. Napětí odpovídající bodu A se označuje jako mez úměrnosti. Překročí-li napětí mez úměrnosti, může se materiál až po dosažení napětí , které odpovídá bodu B křivky, chovat elasticky (pružně). To znamená, že po odstranění napětí zaujme svou původní délku , jedná se o elastické avšak nelineární chování - mezi body A a B se vzorek chová jako nelineárně elastická látka (srov. stať 2.1.3 ). Napětí označujeme jako mez pružnosti nebo též mez elasticity. Po překročení meze pružnosti začne materiál plasticky téct, po odtížení zůstane trvale deformován (srov. čl.2.4 ).

 

U některých materiálů, např. u měkkých uhlíkatých ocelí se plastický tok projeví zřetelným poklesem napětí (obr.40). Lokální maximální napětí pak jednoznačně určí napětí, při kterém začíná plastický tok. Takové napětí se označuje jako mez kluzu {yield point}. U materiálů, jejichž tahová křivka odpovídá obr.39, je stanovení meze kluzu obtížnější. Stanovuje se jako napětí, pro které trvalá deformace po odtížení dosahuje dohodnuté hodnoty, zpravidla se volí hodnota 0,2% a odpovídající napětí se označuje jako mez 0,2.

 

Pevnost, též mez pevnosti, látky se určuje jako maximální smluvní napětí dosažené na tahové křivce

Bod maxima křivky je označen C na obou obrázcích (obr.39 a 40). Síla F_max je maximální síla, kterou je vzorek podrobený tahové zkoušce schopen přenést, S₀ je plocha průřezu vzorku před deformací. Po překročení meze pevnosti příčný průřez v některém místě začne prudce klesat, až nakonec se vzorek přetrhne v bodě označeném D.

 

Z tahové křivky lze odvodit řadu dalších charakteristik vzorku, např. jeho tažnost d zavedenou jako poměr

kde je délka vzorku při přetržení a jeho původní délka. Při stanovení pevnostních charakteristik materiálu se neomezujeme jen na tahovou zkoušku. Materiály se zkouší i v tlaku, smyku (střihu), torzi (krutu) a ohybu. Získané meze se pak označují i druhem namáhání, při kterém byly získány. Všechny shora uvedené meze by takto měly atribut "v tahu", např. veličina stanovená rovnicí (2,73) se nazývá mez pevnosti v tahu.

 

Získané výsledky pevnostních zkoušek, např. získaná hodnota meze pevnosti v tahu zkoušeného materiálu, se při jejich aplikaci násobí činitelem bezpečnosti. Při uvažované tahové zkoušce to znamená, že navrhujeme-li ze zkoušeného materiálu nějakou součástku, hodnota tahového napětí v ní nikde nesmí překročit n-tý díl meze pevnosti. Normou určené číslo n je právě zmíněný činitel bezpečnosti. Jeho velikost určená normou je řádu jednotek až desítek.

 

2.6.2 Lomová mechanika

Studiem případů destrukce konstrukcí se zjistilo, že někdy ani dodržení pevnostních mezí s bezpečnostními součiniteli destrukci nezabrání. Lom začíná na místě porušení materiálu, na trhlině, v jejímž čele lokální napětí vysoko překračuje průměrné napětí a snadno překročí i hodnotu meze pevnosti materiálu. Zda se trhlina bude šířit celou konstrukcí a dojde k destrukčnímu lomu nebo zda, jak je obvyklé, během šíření trhliny napětí v jejím čele klesne pod kritickou hodnotu a šíření se zastaví, je stěžejní otázkou moderní teorie odolnosti materiálu proti destrukci, která se nazývá lomová mechanika.

Lomová mechanika vychází z předpokladu, že lokální napětí na ose trhliny v okolí jejího čela lze popsat výrazem

, (2,75)

kde A je konstantní veličina úměrná lineárnímu rozměru trhliny závislá na tvaru trhliny a způsobu jejího namáhání, s je průměrné napětí v místech dostatečně vzdálených od trhliny a r je vzdálenost měřená od čela trhliny ve směru dosud neporušeného vzorku. Pro trhlinu délky a v tahově deformovaném vzorku je uvažovaná situace znázorněná na obr.41.

 

Rovnice (2,75) se přepíše na tvar

kterým je definována veličina K nazývaná součinitel intenzity napětí. Zřejmě platí

. (2,77)

Hodnota součinitele intenzity napětí a ne hodnota lokálního napětí , které pro r (R) 0 neomezeně roste, je v lomové mechanice užívána jako kriterium pro šíření trhliny.

 

 

Blíže se s postupy lomové mechaniky lze seznámit např. v [48] nebo [49]. Obecně o problémech zkoumání vlastností materiálů je pojednáno zábavnější formou v knize [50].