teorie/kovy - tahová zkouška

Zkouška tahem kovů podle EN ISO 6892

Tahová zkouška

Dále se tahová zkouška kovových materiálů dělí:

ČSN EN ISO 6892-1 Kovové materiály - Zkoušení tahem - Část 1: Zkušební metoda za pokojové teploty

ČSN EN ISO 6892-2 Kovové materiály - Zkoušení tahem - Část 2: Zkušební metoda za zvýšené teploty.

ČSN EN ISO 6892-3 Kovové materiály - Zkoušení tahem - Část 3: Zkušební metoda za nízké teploty.

ČSN EN ISO 6892-4 Kovové materiály - Zkouška tahem - Část 4 : Metoda zkoušky v kapalném heliu

Tahová zkouška podle EN ISO 6892 je základem pro další zkoušky, které mají stejný/podobný princip: např. EN ISO 898 (tahová zkouška šroubů), DIN 488 (betonářská ocel, výztuže pro betonové díly) a další normy.

Principiálně je tahová zkouška shodná se zkouškami na dílech, výrobcích, sestavách, součástech, s tahovou zkouškou plastů, tahovou zkouškou elastomerů / gumy, které zde však nejsou popsány.

Uvedený článek se týká pouze EN ISO 6892-1, což je nejčastěji používaná norma pro tahové zkoušky kovových materiálů.

Průběh tahové zkoušky kovových materiálů

Tahová zkouška kovových materiálů podle EN ISO 6892 uvažuje vždy jako výchozí situaci homogenní průřez. Při tahové zkoušce se upnutý vzorek zatěžuje (natahuje) velmi pomalu hlavně na počátku zatěžování ve velmi citlivé, elastické oblasti (vratná deformace - elastické prodloužení). Jedna z nejdůležitějších oblastí tahové zkoušky je právě oblast přechodu mezi elastickou a plastickou deformací, a proto je důležité, aby zkušební rychlost právě v této oblasti byla konstantní. Později v plastické oblasti (trvalá, nevratná deformace) se zkušební rychlost může zvýšit. Tahová zkouška končí lomem materiálu - přetržením vzorku na dva kusy nebo při dosažení jiného nastavené kritéria pro ukončení testu.

Dosažení správných a spolehlivých výsledků však nezačíná při samotném provádění tahové zkoušky, ale již samotnou výrobou vzorku pro tahovou zkoušku. Výroba musí být přesná a v souladu s normou.

Náležitosti pro tahovou zkoušku podle EN ISO 6892

Trhací zkušební stroj třídy 1 podle ISO 7500
upínací přípravky, čelisti odpovídající materiálu a velikosti vzorku
podle rozpočtu pak extensometer (průtahoměr)

ruční nasazovací průtahoměr - většinou s malým zdvihem pro stanovení Rp 0,2 a E-modulu

automatický průtahoměr - pro stanovení Rp 0,2, E-modulu a také tažnosti při max. napětí jakož i

tažnosti při lomu

bezkontaktní video-extensometr - pro stanovení Rp 0,2, E-modulu a také tažnosti při max. napětí jakož i tažnosti při lomu

Postup tahové zkoušky

EN ISO 6892 - metoda A

Norma EN ISO 6892 doporučuje provádění tahové zkoušky kovů podle metody A. Při tomto zkoušení se vzorek definovaně prodlužuje. V elastické oblasti (počátek grafu, kde je přímá, rovná vzestupná linie) se musí vzorek natahovat pomalu, aby se přesně zachytily veškeré změny, protože v této citlivé oblasti může vyšší zkušební rychlost zkreslit (zvýšit) měřené hodnoty. Podle EN ISO 6892 se má použít zkušební rychlost 0, 000 25 mm/mm/s. Výsledná zkušební rychlost však závisí i na počáteční měřené délce.

V elastické oblasti tahové zkoušky je řídící veličinou získanou průtahoměrem (změna velikosti vzdálenosti břitů průtahoměru za sekundu) prodloužení vzorku (tzv. uzavřený regulační okruh). Např. u válcového vzorku průměru 10 mm s počáteční měřenou délkou 50 mm se tak zkušební rychlost přepočítá na výslednou rychlost: 0,00025 mm x 50 mm = 0,0125 mm/s (0,75 mm/min).

Pokud je vzorek z materiálu s výraznou mezí kluzu ReH mohl by se průtahoměr na mezi kluzu dostat do velmi nestabilní situace (střídavé povolování a zpevňování materiálu na mezi kluzu). Na základě tohoto kolísání by mohl průtahoměr velmi těžko řídit zatěžovací rychlost, pokud by se stále jeho datový kanál používal k řízení stroje. Norma s touto situací uvažuje, a proto v další části zkoušky není řídící veličinou přírůstek prodloužení, ale rychlost příčníku zkušebního stroje. Zkušební rychlost na mezi kluzu (ReH, ReL) je ponechána na 0,00025 mm/mm/s. Protože extensometr jako řídící prvek ztrácí význam, zatěžovací rychlost se již nepočítá na základě L0, ale na základě Lc (vzdálenost mezi zaoblením na vzorku). V našem případě jsme použili válcový vzorek průměru 10 mm a tak výsledná zkušební rychlost je (v otevřeném regulačním okruhu: 0,000 25 mm x 60 mm = 0,015 mm/s (0,9 mm/min). Jakmile se nárůst napětí ustálí (za výraznou mezí kluzu), přepne se stroj na zvýšenou zkušební rychlost.

Je-li testován materiál bez výrazné meze kluzu nebo po překonání tažnosti na mezi kluzu, pak se při tomto přechodu do plastické oblasti zvýší po překročení hodnoty Rp1,0 např. při 1,2% prodloužení co nejplynuleji rychlost na 0,0067 mm/mm/s. Protože v další části zkoušky může dojít k částečnému zúžení nebo zúžení při lomu (tvoření krčku při překročení Fmax) i mimo břity průtahoměru (průtahoměr neregistruje žádný přírůstek, protože vzorek se prodlužuje mimo měřenou vzdálenost), nepoužívá se v této části pro řízení stroje průtahoměr, ale řízení stroje probíhá na základě posunu příčníku (otevřený regulační okruh). A proto zkušební software nepracuje při výpočtu zkušební rychlosti s hodnotou L0 průtahoměru (tj. v našem případě 50 mm), ale s hodnotou 60 mm, což je hodnota mezi zaobleními na vzorku: 0,0067 mm/mm/s x 60 mm = 0,402 mm/s (24,12 mm/min).

EN ISO 6892 - metoda B

Tato metoda je možná v případě, že stroj neumožňuje přímé řízení pomocí uzavřeného regulačního okruhu a více odpovídá původní normě EN ISO 10002. Jde o to, že vzorek není zatěžován konstantní rychlostí založenou na deformaci vzorku, ale na nárustu napětí tzn. metoda uvažuje dvě zkušební rychlosti podle předpokládaného E-modulu vzorku. Pro materiály s E-modulem pod 150 GPa je doporučená zkušební rychlost 2 - 20MPa/s, pro materiály s E-modulem vyšším než 150GPa je doporučená zkušební rychlost v rozmezí 6 - 60 MPa/s.

Prakticky to znamená, že zkušební rychlost oproti metodě A je pomalejší neboť přepočteno na rychlost zatěžování přírůstkem deformace se jedná o rychlost 0,0000167 mm/mm/s až 0,000083 mm/mm/s v případě E-modulu pod 150GPa. V případě vyššího E-modulu nad 150 GPa je zatěžovací rychlost mezi 0,00033 mm/mm/s až 0,0033 mm/mm/s.

Obrázek z aplikační zprávy Tahová zkouška podle ISO 6892-1

STÁHNOUT Tahov...92-1.pdf

Výstup tahové zkoušky EN ISO 6892

Výstupem tahové zkoušky je graf a sada výsledků popisující důležité události při tahové zkoušce.

Půjdeme-li po jednotlivých výsledcích od počátku testu, tak: při zatěžování na počátku testu je krátký náběh (dosednutí čelistí, vyrovnání vzorku...) a následuje lineární část zkoušky, která je víceméně nezajímavá z hlediska výsledků - jediné zajímavé je právě její linearita. Pokud se vzorek zatěžuje, tak se v něm v této fázi vyrovnávají vnitřní vady a skluzy na úrovni zrn materiálu (zjednodušeně se přetrhávají vlákna v materiálu) a to až do bodu, kde dojde k prvnímu poklesu síly (případně napětí).

ReH - horní mez kluzu - tento nejvyšší bod na konci přímky se označuje jako horní mez kluzu ReH. Po tomto prvním poklesu síly se vzorek začíná prodlužovat nevratně (přešel z elastické do plastické deformace). Technici a výpočtáři mohou naplánovat zatěžování materiálu až do hodnoty ReH zcela bez starostí, protože se vyrobený díl namáháním nepoškodí. Kvůli bezpečnosti samozřejmě konstruktér zůstává vzdálen tomuto bodu při práci s materiálem.

ReL - dolní mez kluzu - bod na křivce po prvním poklesu z horní meze kluzu ReH, bez zahrnutí překmitu. Překmit je viditelný (významný) pokles síly a je způsoben návratem (smrštěním) materiálu směrem dolu a je větší než následné kmitání síly. Tento pokles nemá vliv na hodnotu ReL. V další části následuje tzv. Lüdersova oblast, kdy síla kmitá. V této oblasti se hledá nejnižší síla a to je náš hledaný bod - dolní mez kluzu ReL Jedná se tedy o největší pokles napětí v Lüdersově oblasti, dříve než začne síla opět stoupat.

E - modul pružnosti; E-modul; Youngův modul - všechny tyto významy jsou synonymy. Jedná se o hodnotu, která je vypočítaná pomocí různých metod - tečna, sečna, tětiva... tedy teoretická hodnota, která vyjadřuje v důsledku sklon přímky. Všechny metody na výpočet modulu pružnosti E pracují s poměrným prodloužením (epsilon) a napětím (sigma). Jedna z možností výpočtu modulu pružnosti probíhá pomocí poměru dvou bodů hodnoty napětí získaných při 0,005% a 0,025% prodloužení. Modul pružnosti je tedy vypočítaná - ne měřená - hodnota, kterou zase ocení hlavně konstruktéři a technici pro výpočty.

Rp 0,2 - smluvní mez kluzu; u materiálů bez výrazné meze kluzu není mez kluzu ReH viditelná, ale přechod lineární části se začíná plynule zaoblovat. Smluvní mez kluzu Rp 0,2 (může být i Rp 0,1 nebo Rp 1,0 či další) vyjadřuje hodnotu napětí při prodloužení 0,2%.

Rm - mez pevnosti - v další fázi tahové zkoušky dochází ke zpevňování materiálu (všechny vnitřní poruchy materiálu se vyčerpali) a tedy nárůstu pevnosti (po ukončení Lüdersovy oblasti). Vysvětlení pro zpevňování materiálu je jednoduché: všechny problematické, vnitřní vady se vyčerpaly a vnitřní struktura vzorku se vyrovnala tak, že všechny struktury ve vzorku kladou společný odpor proti zatěžování.

Při tahové zkoušce dochází proto v tomto okamžiku k dalšímu nárůstu napětí až do bodu, kde tahový vzorek nevyžaduje při prodlužování žádný další nárůst síly, ale začne se prodlužovat bez nárůstu síly potažmo napětí. Materiál vzorku se tedy prodlužuje rovnoměrně dál až do okamžiku, kdy se na jednom místě začne vytvářet krček (zpočátku malý). Mez pevnosti tahového napětí je právě toto maximální napětí, po jehož překročení prodloužení dále narůstá, ale síla resp. napětí začíná pozvolně klesat. Napětí na mezi pevnosti je vyjádřeno v N/mm2 (podíl max. síly na průřez vzorku) = Mpa.

V tento okamžik se začíná vytvářet krček, jehož tvorba postupně zrychluje až dojde k úplnému lomu.

Ag - prodloužení na mezi pevnosti; Agt - jako Ag, ale včetně elastického podílu

V dalším průběhu za maximálním napětím síla klesá až do okamžiku lomu. V tento okamžik je k dispozici poslední důležitý výsledek a to:

A - poměrné prodloužení při lomu resp. At - poměrné prodloužení při lomu včetně elastického podílu. Tuto hodnotu je možné získat i bez průtahoměru za použití známého vzorce a to díky vytvořeným ryskám na vzorku před testem a následnému přeměření složeného vzorku po testu.

graf tahové zkoušky EN ISO 6892-1

POPTÁVKA