Materiály (18MTY) Zimní semestr 2019/2020 přednášky: Ing. Jaroslav Valach, Ph.D. cvičení: Ing. Marcel Adorna, Ing. Jan Falta, Ing. Václav Rada, Ing. Jan Šleichrt http://mech.fd.cvut.cz/education/bachelor/18mty/download/18mty_sylabus_2019.pdf 1 Náplň předmětu Mechanické vlastnosti materiálů, základní zkoušky mechanických vlastností materiálů, hlavní třídy materiálů, vliv zpracování na užitné vlastnosti materiálu, degradační mechanismy v materiálech, defektoskopie. 2 Cíle Absolvent získá základní přehled o technicky významných materiálech (kovy, polymery, keramika a kompozity) založený na konzistentním výkladu od atomárních vazeb po praktické postupy při technickém zpracování a výrobě materiálů v rozsahu základního kurzu nauky o materiálu. Porozumí hlavním mechanickým vlastnostem materiálů důležitým pro inženýrskou praxi a bude seznámen se způsobem jejich měření prostřednictvím hlavních zkoušek mechanických vlastností, s nimiž se též prakticky seznámí. 3 Literatura V. Machek: Struktury kovových materiálů. 1. část. Vydavatelství ČVUT 2013 V. Machek: Vlastnosti a zkoušení kovových materiálů. 2. část. Vydavatelství ČVUT 2014 V. Machek: Speciální kovové materiály. 3. část. Vydavatelství ČVUT 2014 V. Machek: Výroba a zpracování ocelí a litin. 4. část. Vydavatelství ČVUT 2014 J. Pluhař: Nauka o materiálu: laboratorní cvičení. Vydavatelství CVUT 1988 W.D. Callister, Jr.: Materials science and engineering: an introduction. John Wiley & Sons 2000 Ptáček L. a kol.: Nauka o materiálu I., CERM, ISBN 80-7204-283-1 4 Plán přednášek 1. Mechanické vlastnosti materiálů, mechanické zkoušky, vliv materiálů na společnost, epochy lidstva určené převládajícím materiálem, pokročilé materiály chytré, samoléčivé materiály. 1
2. Struktura materiálu atomy a valenční elektronové orbity, Mendělejevova periodická soustava prvků, elektronegativita, vazebné síly (kovové, kovalentní, iontové a molekulové). 3. Rekapitulace základních skupenství, krystalická a amorfní struktura, poruchy mřížky, elastická a plastická deformace, křehký a tvárný lom. 4. Tuhé roztoky, difúze, termodynamika, binární fázové diagramy, homogenní a heterogenní krystalizace, velikost zrn, dosahování maximální pevnosti materiálů řízením jejich struktury, precipitace, segregace. 5. Ocel a litina, jejich struktury a fáze, tepelné zpracování kalení a popouštění, žíhání, tepelně mechanické zpracování ocelí. 6. Významné fáze a body v Fe-C diagramu, normy pro oceli. Speciální kovové materiály pro automobilový a letecký průmysl. 7. Neželezné kovy, kovové pěny, kovová skla, prášková metalurgie, slitiny s tvarovou pamětí. 8. Polymery struktura: polymerace, tvar makromolekul zesítění, kopolymery; krystalinita, typy polymerů, hlavní zástupci. 9. Polymery mechanické a tepelné vlastnosti, viskoelastické chování, přechodová teplota, příměsi, technické zpracování polymerů. 10. Keramika a sklo příčiny pevnosti a křehkosti, technicky významné příklady keramiky: především technická k., beton, žáruvzdorné m., abraziva,... 11. Kompozity mechanické vlastnosti, rozhraní složek, efektivní vlastnosti, synergie odpor proti šíření trhlin. 12. Kompozity struktura, dlouho/krátko vláknové k., kritická délka vlákna, materiály matric a vláken, pravidlo směsí, lamináty. 13. Degradační mechanismy: tečení, únava, koroze, stárnutí, radiační poškození. Defektoskopie a NDT. 5 Plán cvičení 1. Seznámení s podmínkami udělení zápočtu, seznámení s pravidly BOZP pro Laboratoř experimentální mechaniky ČVUT FD, úvod do mechanických zkoušek pro určování vlastností materiálů, struktura a formální úprava laboratorního protokolu. 2 4. Mechanické zkoušky materiálů zkouška tahem, zkouška tvrdosti, rázová zkouška ohybem. 5. Struktury kovových materiálů početní příklady na složení slitin, procvičení úloh na rozpady tuhých roztoků. 6. Rezerva, konzultace laboratorních protokolů. 2
6 Organizace cvičení v Laboratoři experimentální mechaniky Změna termínu cvičení není možná, studenti mohou navštěvovat cvičení pouze podle svého rozvrhu. Studenti opakující předmět 18MTY si mohou svobodně zvolit termín cvičení, který jim vyhovuje. Pro měření se studenti rovnoměrně rozřadí do nejvýše šesti laboratorních skupin, rozdělení oznámí vyučujícímu na konci prvního cvičení. V případě rozpadnutí laboratorní skupiny (ve skupině zůstane pouze jeden student) student neprodleně tuto situaci oznámí svému cvičícímu, který záležitost individálně vyřeší. Laboratorní skupina zpracuje před cvičením písemnou přípravu, která bude obsahovat stručný (nejvýše 75 slov) popis principu měření, seznam přímo měřených veličin (vč. jednotek), seznam nepřímo měřených veličin (uvedeno v zadání laboratorní úlohy) a vztahy nutné pro výpočet. Na začátku cvičení bude laboratorní skupina po kontrole písemné přípravy uvedena k měřícímu pracovišti a začne podle návodu k úloze s přípravou měření. Během měření je třeba dbát pokynů vyučujícího, aby byla zajištěna bezpečnost práce a zároveň aby se předešlo poškození vybavení laboratoře. Kroky, k jejichž provedení je potřeba výslovný souhlas vyučujícího, jsou v každém návodu zvlášt zdůrazněny. Na konci měření předloží laboratorní skupina list s naměřenými hodnotami vyučujícímu k potvrzení. Studenti opakující předmět 18MTY, kteří při prvním zápisu předmětu získali zápočet, nemusí znovu absolvovat laboratorní měření, ale vypracují místo nich další dvě samostatné úlohy. Zadání těchto úloh si studenti vyžádají od svého cvičícího. 6.1 Náležitosti laboratorního protokolu Laboratorní protokol musí splňovat náležitosti popsané ve vzorovém protokolu, který naleznete na adrese: http://mech.fd.cvut.cz/education/bachelor/18mty/download/mty1-laboratorni-uloha-1-tahova-zk 18MTY_laboratorni_uloha_vzor.pdf Na stránce http://mech.fd.cvut.cz/education/bachelor/18mty/download/mty1-laboratorni-uloha-1- naleznete také vzorové vyhodnocovací skripty pro výpočetní prostředí MatLab a Octave, které můžete použít při zpracování laboratorních protokolů. 6.2 Harmonogram laboratorních cvičení Každá studijní skupina bude rozdělena na šest laboratorních skupin, od jejichž čísla se bude odvíjet, v jakém pořadí budou měřit jednotlivé laboratorní úlohy. Harmonogram je uveden v tabulce 1. Laboratorní skupiny 1, 2, a 3 začínají měření v čas začátku cvičení podle rozvrhu, laboratorní skupiny 4, 5 a 6 začínají měření o 45 min později. 3
Laboratorní skupiny 17. 10./24. 10. 31. 10./7. 11. 14. 11./21. 11. 1 + 4 tahová zkouška zkouška tvrdosti rázová zkouška 2 + 5 rázová zkouška tahová zkouška zkouška tvrdosti 3 + 6 zkouška tvrdosti rázová zkouška tahová zkouška Tabulka 1: Harmonogram měření podle laboratorních skupin 7 Podmínky udělení zápočtu 1. Aktivní účast na cvičeních dle požadavků cvičícího (nejvýše dvě absence). 2. Odevzdání všech zadaných laboratorních úloh a samostatných úloh v podobě, kterou vyučující schválí jako úplnou a správnou. Zadání úloh spolu s návody a pokyny k jejich vypracování jsou uvedeny v příloze A. 3. Splnění všech podmínek zápočtu nejpozději do 17. 1. 2020. 4
8 Zkouška 8.1 Organizace zkoušky 1. Získání zápočtu je nutnou podmíkou pro možnost přihlášení se na zkoušku (bez uděleného zápočtu systém KOS přihlášení na zkoušku neumožní). 2. Zkouška se skládá z písemné a ústní části. Pro postup k ústní části je potřebné splnit podmínky písemné části. V případě prokázání základních neznalostí v průběhu ústní části zkoušky je výsledek zkoušky hodnocen jako F - nedostatečný bez ohledu na bodový zisk v písemné části. 3. Vzhledem k velkému počtu studentů předmětu 18MTY je zkouška časově náročná. Je proto nutné vyhradit si na zkoušku celý den - není možné splnit jakékoli konkrétní časové požadavky na konání ústní části zkoušky. 4. Omluvu ze zkoušky ze zvlášt závažných důvodů (po uplynutí doby odhlašování v systému KOS) řeší pouze manažer pro pedagogickou činnost, Ing. Jitka Řezníčková, CSc. (reznickova@fd.cvut.cz). 5. Přednášející si vyhrazuje právo na změnu organizace zkoušky. Informace o případných změnách budou studentům poskytnuty před začátkem zkouškového období. 8.2 Písemná část Písemná část zkoušky se bude skládat ze 3 příkladů a 8 teoretických otázek. Příklady student zpracuje včetně všech použitých postupů a uvede výsledky. U příkladu je hodnocena správnost výsledku i postup řešení. Maximální bodový zisk z příkladu 1 je 6 bodů, další příklady jsou ohodnoceny vždy maximálně 3 body. Na každou z teoretických otázek student odpoví stručně a vystihne hlavní informace k dotazovanému tématu. Maximální bodový zisk z 1 teoretické otázky je 1 bod. Maximální bodový zisk z písemné části zkoušky je tedy: 6 + 2 3 + 8 1 = 20 bodů. Na vypracování písemné části zkoušky bude mít student čas 90 minut. Tematické okruhy pro písemnou a ústní část zkoušky jsou uvedeny v příloze B 8.2.1 Orientační hodnocení písemné části Písemná část zkoušky bude hodnocena dle Tabulky 2. Klasifikace Body A 18, 20 B 16, 18) C 14, 16) D 12, 14) E 10, 12) F < 10 Tabulka 2: Tabulka orientační klasifikace písemné části zkoušky 5
A Zadání laboratorních a samostatných úloh A.1 Laboratorní úloha 1 Proved te statickou zkoušku tahem a vyhodnot te naměřená data. Určete mez pevnosti, mez kluzu, tažnost a Youngův modul pružnosti. Pro zkoušku použijte poměrovou dlouhou zkušební tyč. A.1.1 Měřicí zařízení a pomůcky Zatěžovací stolice Instron 6300 (ovládací software Series IX) Posuvné měřidlo Lihový popisovač (a) Elektromechanická zatěžovací stolice (b) Vzorek Obrázek 1: Tahová zkouška A.1.2 Postup měření Změřte průřezovou plochu vzorku. 6
Obrázek 2: Vickersův tvrdoměr Na vzorku vyznačte počáteční délku, která odpovídá dlouhé tyči. Upevněte vzorek do čelistí zatěžovací stolice. Požádejte vyučujícího o spuštění testu. Uložte záznam z měření. Změřte délku vzorku po přetržení. A.2 Laboratorní úloha 2 Proved te zkoušku tvrdosti podle Vickerse, vyhodnot te Vickersovu tvrdost a správně ji zapište. Na zadaném vzoku proved te 10 měření, z obdržených výsledků stanovte průměr a směrodatnou odchylku. A.2.1 Postup měření Zapněte osvětlení mikroskopu tvrdoměru. Vložte zadaný vzorek na stolek tvrdoměru. Otáčením ručního kola nastavte výšku stolku tak, aby byl na matnici vidět zaostřený obraz. Po pokynu vyučujícího stlačte páku 1. Po předepsané době výdrže stlačte páku 2. Na matnici pomocí pohyblivých měřidel odečtěte délky úhlopříček čtvercového vtisku. 7
(a) Matnice s pohyblivými měřidly (b) Detail otisku indentačního hrotu (pořízeno elektronovým mikroskopem) A.3 Laboratorní úloha 3 Obrázek 3: Zkouška tvrdosti podle Vickerse Proved te a vyhodnot te rázovou zkoušku v ohybu. Test proved te na vzorku o pokojové teplotě a na vzorku zchlazeném mrazicím sprejem. Pro oba vzorky určete nárazovou práci a vypočtěte vrubovou houževnatost. Výsledky správně zapište. A.3.1 Měřicí zařízení a pomůcky Charpyho kladivo Posuvné měřítko Mrazicí sprej A.3.2 Postup měření Změřte rozměry vzorku potřebné k vyhodnocení zkoušky a zakótujte je do náčrtku v domácí přípravě. Umístěte zkoušený vzorek na podpory Charpyho kladiva. Nastavte ručku číselníku do nulové polohy. Na pokyn vyučujícího vyzdvihněte kladivo a zajistěte západku. Požádejte vyučujícího o uvolnění západky kladiva. Na číselníku odečtěte energii kladiva. Proved te kyv kladiva naprázdno pro zjištění vnitřních odporů stroje. Západku kladiva uvolní vyučující! A.4 Samostatná úloha 4 Určete teoretickou hustotu materiálu zadaného v tabulce 3. Potřebné vlastnosti daného prvku získejte z důvěryhodného zdroje (uved te citaci). Vlastnosti krystalické mřížky, na kterých teoretická hustota závisí, se mění s teplotou. Uved te proto, pro jakou teplotu Vámi nalezené hodnoty platí. 8
(a) v klidu (b) pr ed spus te nı m Obra zek 4: Charpyho kladivo (a) Intaktnı vzorek (b) Porus eny vzorek Obra zek 5: Zkus ebnı vzorek pro ra zovou zkous ku me sı c narozenı leden u nor br ezen duben prvek Ni Au Ir Pd me sı c narozenı kve ten c erven c ervenec srpen prvek Al Cr Pb W me sı c narozenı za r ı r ı jen listopad prosinec prvek V Mo Ag Li Tabulka 3: Prvky pro u lohu 4 A.5 Samostatna u loha 5 Napis te, ktere fa ze jsou pr ı tomne ve slitine z diagramu na obra zku 6 o chemicke m sloz enı zadane m vzorcem 1 a teplote zadane vzorcem 2. Da le urc ete vza jemny pome r te chto fa zı v tuhe m roztoku pr i dane m chemicke m sloz enı a teplote (pouz ijte pa kove pravidlo). Rovne z urc ete pru me rnou hustotu tuhe ho roztoku s dany m chemicky m sloz enı m pr i norma lnı teplote. Uvaz ujte, z e rozloz enı fa zı a prvku v nich je v cele m uvaz ovane m objemu homogennı. Hustoty dı lc ı ch prvku Sn a Pb nalezne te v du veryhodne m zdroji a uved te na ne j citaci. Obra zek k dals ı mu zpracova nı naleznete ke staz enı na: http://mech.fd.cvut.cz/education/bachelor/18mty/ download/mty-samostatna-uloha-5/. 9
Obrázek 6: Binární diagram s eutektickou přeměnou X = 10 + T = 80 + den narozeni < 1; 31 > 0.45 mesic narozeni < 1; 12 > 0.12 [hm.%pb] (1) [ o C] (2) 10
B Tematické okruhy pro písemnou a ústní část zkoušky B.1 Okruhy příkladů 1. Vyhodnocení tahové zkoušky - výpočet základních charakteristik (počáteční průřez, počáteční měřená délka, mez kluzu, mez pevnosti, tažnost, kontrakce, Youngův modul pružnosti), práce s pracovním diagramem 2. Vyhodnocení vnikací zkoušky - určení tvrdosti na základě známého obrazu vtisku a zatížení, správný zápis 3. Vyhodnocení rázové zkoušky - vrubová houževnatost 4. Únavová životnost (dle Wöhlerovy křivky) - statická pevnost, mez únavy 5. Vlastnosti krystalické mřížky - teoretická hustota, koeficient směstnanosti 6. Millerovy indexy 7. Rovnovážné binární diagramy - popis, práce s diagramem, složení slitiny, fáze ve slitině, chemické složení fází 8. Ochlazovací křivky - čistý kov, směs fází, eutektická slitina 9. Převody hmotnostních, objemových a atomových podílů 10. Diagramy rozpadu austenitu - práce s diagramem 11. Difraktometrie - Braggův zákon 12. Výpočet efektivních vlastností kompozitů B.2 Okruhy teoretických otázek 1. Stavba atomu kvantování elektronů 2. Vazby mezi atomy 3. Stavba atomů, atomová hmotnost, gramatom 4. Krystalická struktura v pevných látkách 5. Krystalická stavba kovů 6. Modifikace železa 7. Krystalografické pojmy určování bodu, směru a roviny 8. Poruchy krystalové struktury 9. Elastická deformace 10. Plastická deformace 11. Termodynamická rovnováha, Gibbsův zákon fází 12. Základní druhy transformací, druhy fázových přeměn 11
13. Krystalické buňky tuhých roztoků v oceli 14. Krystalizace kovů a slitin, průběh krystalizace u kovů a slitin 15. Soustava s neomezenou rozpustností v tekutém a tuhém stavu 16. Soustava s úplnou rozpustností v tekutém a částečnou rozpustností v tuhém stavu 17. Terminální a intermediální fáze 18. Eutektická přeměna 19. Eutektoidní přeměna 20. Peritektická přeměna 21. Krystalizace eutektické slitiny 22. Krystalizace podeuteklické slitiny 23. Krystalizace nadeutektické slitiny 24. Uhlík ve slitinách železa 25. Transformace v ocelích 26. Fáze v diagramu Fe-Fe 3 C 27. Ocel a litina. Rozdíly 28. IRA diagram 29. ARA diagram 30. Martenzitická přeměna 31. Bainitická přeměna 32. Vytvrzování 33. Tepelné zpracování ocelí 34. Druhy tepelného zpracování 35. Žíhání ocelí 36. Kritická rychlost ochlazování při kalení na martenzit 37. Zakalitelnost 38. Prokalitelnost 39. Povrchové kalení 40. Termální kalení 41. Chemicko tepelné zpracování ocelí 42. Cementování a nitridování 12
43. Mechanické zkoušky kovových materiálů 44. Mechanické charakteristiky získané při zkoušce tahem 45. Hookův zákon 46. Zkouška tahem 47. Zkoušky tvrdosti 48. Tečení materiálu 49. Relaxace napětí 50. Houževnatost a zkouška vrubové houževnatosti 51. Únava materiálu 52. RTG difrakční metody 53. Světelná a elektronová mikroskopie 54. Důležité vazby v polymerech 55. Nejznámější a nejvíce vyráběné polymery a jejich mery 56. Co rozumíme pod pojmem konfigurace. Je konfigurace z chemického hlediska trvalá? 57. Vysvětlete pojem krystalinita 58. Přísady v polymerech 59. Rozdíl mezi termoplasty a reaktoplasty 60. Vysvětlete pojem teplota skelného přechodu 61. Hlavní mechanismy zpevňování polymerů 62. Rozdělení kompozitních materiálů 63. Materiály pro polymerní matrice kompozitů, vlastnosti 64. Vlákna pro dlouhovláknové kompozity, druhy, vlastnosti 65. Co je lamina a laminát, jak se značí orientace jeho lamin a jaká je jeho odolnost proti jednotlivým druhům namáhání 66. Prepregy (vysvětlit význam základní vlastnosti prepregů) a způsoby výroby dlouhovláknových kompozitů 67. Mechanismy podmiňující vysokou vrbovou houževnatost vláknových kompozitů 68. Krátkovláknové kompozity: jejich výhody a nevýhody, použití 69. Krátkovláknové kompozity: vliv konců krátkých vláken, kritická délka vlákna 70. Co je podstatou betonu, jaká je jeho struktura a z jakých skupenství se vytvrzený beton skládá? 71. Jaký je vliv cementu na pevnost betonu? Jaké druhy cementu se nejčastěji používají (vyjmenujte alespoň dva)? 13