Materiály
Výroba železa
DRUHY NAMÁHÁNÍ
Každá součástka, či výrobek je nějakým způsobem namáhána. Abychom se naučili spolu domluvit musíme se naučit obecně užívané pojmy a aby nám to k něčemu v praktickém životě bylo musíme vše dobře pochopit. Nejlépa na příkladech. V úvodu se nebudeme specializovat na nějaký materiál, spíše si vytvvoříme názor. Za součástky si vybereme ton co kolem sebe vidíme, čemu rozumíme, tudíž známe. Tak co se vlastně chceme naučit. Budeme pracovat s gumicukem, lanem, stéblem obilí, prknem, betonem, stromem, gumovým blokem a psím extrementem. Pokud si v případech, které na těchto materiálech znáš ze života představíš ocel nebo litinu jsi vlastně tak říkajíc za vodou. Deformace jsou plastické a elastické. Je to jako když šlápneš na gumový blok a psí extrement. Známe a jedeme dál. Když taháme za gumicuk jednotlivá vlákna se natahují. Po odlehčení se opět smrští na svoji původní délku. Když sílu přeženeme, natahují se, natahují se až prasknou. Stejně tak se chová ocel ale to mi ovšem na první pohled nevidíme. Zatím tomu musíme věřit, naučit se to, a posléze ve svých rozvahách použít. Když vezmeme prkno. Potom na plocho může sloužit jako pružné skokanské prkno a dámeli jej tak říkajíc na štorc můžeme jej použít jako trámky na střechu chlívka pro kozi, nebo psí boudu. Vezmeme svazek proutků před pletením pomlázky, zkroutíme jej a pozorujeme jak se změnilo jejich uspořádání. Vezmeme gumicuk a zkroutíme jej do kruhu. Představa silného lana by byla možná lepší. Je jasné, že venkovní vlákna budou delší než ty vnitřní. Je-li něco delší potom se to může prodloužit jedině tahem. Je-li něco kratší pak jedině, že na to budeme tlačit. Každý z nás přesekával strom i štípal dříví, stejně tak jako řezal dříví napříč i málokdo na podél vláken. Betonový blok snese namáhání tlakem, ale dá se rozbít údery kladiva pokud v něm není ocelová výztuž. Na litinu se budeme dívat jako na beton a na válcované materiály jako složené z vláken, které vidíme na gumicuku, či na stromě. Co jsou válcované materiály? Trubky, válcované profily jako I, U, T, L atdd. Dále pak kulatina, plechy atd. Víme a teď k tomu abychom se jako strojaři domluvili a nejen to. Tak tedy známe namáhání:
- tahem
- tlakem
- střihem
- ohybem
- krutem
- na vzpěr
- a samozřejmě kombinované tj. např. ohybem a tahem současně
Začneme tahem:
Co udělá gumicuk, když jej natahujeme? Natahuje se a zmenšuje se jeho průřez. Zůžení se odborně říká kontraktace. Když gumicuk odlehčíme potom se vrátí do své původní délky. Deformace by se mohla napsat jako pružná neboli elastická, stejně jako si děvčata natahují elasťáky. Když to se zuatížením, tedy silou přeženeme potom nám gumicuk praskne a mluvíme o jeho pevnosti. Tyto ověřitelné vlastnosti na gumicuku můžeme aplikovat na ocel a tahovou zkoušku oceli. A stáváme se odborníky co by dupl. Jak taková tahová zkouška vypadá a jak se dají její výsledky aplikovat v naší odborné praxi.Ve strojírenské praxi to vypadá tak, že se vezme vzorek oceli předepsaných rozměrů, dá se do trhacího stroje a
My si to převedeme do něčeho co si můžeme vyzkoušet. Vezmeme si drát o průřezu 1 mm2, připevníme jej na hák přidělaný ke stropu a věšíme na něj závaží. Pozorujeme co se s ním děje a dávám to do grafu. A výsledek bude jako u tahové zkoušky vzorku ze stejného materiálu. Přidáváme závaží a po té odlehčujeme. Do určité hmotnosti se drát protáhne a po odlehčení vrátí do své původní délky. Když se závažím překročíme určitou hmotnost začne se prodlužovat aniž zvětšujeme závaží. Pokud odlehčíme vrátí se zpět, ale ne donulové polohy, ale kousek zůstane.
Když pokračujeme ve zvětšování závaží počne v jeden okamžik znatelně zmenšovat svůj průřez až praskne.
Zbytek druhů namáhání, včetně toho na tah, si vysvětlíme na vetknutém nosníku.
My se musíme naučit i trochu počítat, protože to je důležité pro navrhování jednoduchých součástí.
Od stropu si zavěsíme několik lan různých průměrů z různých materiálů a zatěžovat je budeme závažími o různé hmotnosti. A nyní se můžeme na celý pokus z různých pohledů a hledat nějaký vztah, který dokážeme napsat do tvaru nějaké rovnice. V souladu s jinými příklady opět vidíme tři veličiny a různé způsoby nastavení příkladu. Za konstantní můžeme např. Zamýšlet se nad vztahem kdy potřebujeme zvednout konstantní hmotnost, nebo máme k dispozici lana jednoho materiálu, nebo lze použít jenom lano konstantního průměru ( průřezu ). Zkusme si položit řadu otázek a zformulovat na ně odpovědi.
A pokusme se zformulovat nějakou rovnici. První co nás napadne. Čím bude mít lano větší průřez a čím pevnější bude jeho materiál, tím větší sílu lano přenese. Vzpomeňme na říkanku okolo přímé a nepřímé úměrnosti. Tedy „čím více, tím více“ u přímé a „čím více, tím méně“ u nepřímé úměrnosti. Ještě dva vjemy i dvě pojmenování musíme pochopit i pojmenovat. K tomu patří i další pojem a to jest bezpečnost. Tou začneme. Když totiž přidáváme na lano závaží dojdeme až k momentu kdy za té maximální síly lano praskne. Kolikrát menší silou lano namáháme než je ta při které lano praskne je bezpečnost. Zatím jen slovně:
SÍLA = PRŮŘEZ násobeno NĚCO CO BUDE CHARAKTERISOVAT MATERIÁL LANA
Nyní si podle zásad matematiky zkusíme přepsat onu slovní rovnici na vztah tak abychom zjistili co to NĚCO JE a jak se s ním počítá a jak se jmenuje.
ONO NĚCO = SÍLA lomená PLOCHOU ( PRŮŘEZEM )
Nebo také ono něco je síla na jednotku plochy. A máme dvě možnosti.
- ono něco když s lanem pracujeme Tomu říkáme napětí
- ono něco když lano praskne Tomu říkáme pevnost
Nyní musíme krok po kroku: vysvětlit, pojmenovat a posléze napsat v matematické podobě to čemu bychom měli již rozumět. A opět můžeme jen slovní formou popsat vztahy. Čím bude mít lano konstatního průměru ( průřezu ) větší pevnost tím bude moci být větší síla, kterou lano přenese. Čím bude mít lano konstatní pevnosti větší ( menší ) průřez tím větší ( menší ) sílu přenese. V strojařské praxi se napětí i pevnost značí písmenem sigma
K.E.
Abychom získali potřebné údaje o materiálu provádíme jeho zkoušení
Zkoušky - destruktivní
- nedestruktivní
- mechanické
- technologické
Z hlediska působení síly - statické
- dynamické
Z pohledu teploty - normální
- nízké teploty
- vysoké teploty
Mechanickými zkouškami sledujeme hlavně vlastnosti - pevnost
- houževnatost
Základem mechanických zkoušek je zkouška pevnosti v: - tahu
- tlaku
- ohybu
- krutu
- střihu ( nebo také smyku )
- vzpěru
Vidíme, že zkoušky odpovídají druhům namáhání!
Nejdříve si celý problém přiblížíme a poté se budeme věnovat tomu co můžeme potřebovat.
Zkoušky bez porušení materiálu.
Defektoskopické zkoušky umožňují zjišťovat vady povrchové i vnitřní, které porušují celistvost materiálu.Nejdůležitější defektoskopické zkoušky: - prozařování
- ultrazvuk
- magnetické a indukční
- kapilární
Dynamické zkoušky.
Používají se protože v praxi nejsou součástky zatěžovány staticky.
Zatěžující síly působí: - buď skokem
- nebo periodicky
Těmto druhům namáhání se říká
- dynamické namáhání rázové
- cyklické
Proto byly vyvinuty zkoušky:
- rázová zkouška v ohybu, kterou se zkouší houževnatost, křehkost
- únavová zkouška opětovným namáháním ohybem za rotace
Zkoušky trubek:
- rozháněním
- lemováním
- smáčknutím - ocelových trubek
- trubek z neželezných trubek
Zkoušky tvárnosti za tepla.
Jimi se ověřuje vhodnost materiálu pro různé způsoby tváření za tepla.
Zkouška děrováním a rozštěpením
Zkouška rozkováním
Můžeme použít druhý konec zkušební tyče z předchozí zkoušky. Konec se při kovací teplotě rozkovou nosem kladiva na dvojnásobnou šířku u tyčí do 5mm nebo trojnásobnou šířku u tyčí tlustých 1O mm. U dobře kovatelné oceli se nesmějí na hranách ani plochách objevit trhliny.
Zkouška lámavosti za tepla
Zkušební tyč při teplotě 8OO až 1OOO°C se ohýbá o 18O° až obě ramena dolehnou na sebe. Zkouška může být zpřísněna vytvořením příčných nebo podélných vrubů.
Zkouška pěchováním za tepla
Zkušební vzorek se pěchuje kováním až na třetinu původní délky.
Zkouška krutem za tepla.
Dává dobrý obraz o chování materiálu při plastické deformaci smykovým napětím.
Zkušební tyč kruhového průřezu udržovaná na svářecí teplotě se zkrucuje až do porušení přičemž se měří počet zkroucení a průběh krouticího momentu
Zkoušky tvárnosti za studena
Zkouška lámavosti za studena.
Až do předepsaného úhlu ohybu nesmí dojít ke vzniku trhlin na tažné straně nebo ke zlomení
Zkouška pěchováním za studena.
Zkouška hloubením podle Erichsena.
Ta je pro hlubokotažné plechy např. v karosárnách.
Zkouška drátů střídavým pohybem
Zkoušky technologické.
Jako příklad si probereme svařování.
Zkouška svařitelnosti:
- ohybová návarová zkouška
- zkouška lámavosti svaru
- nárazová návarová zkouška
Zkoušky tvrdosti.
- vrypové
- vnikací
- odrazové
Vrypová zkouška tvrdosti podle Martense HMa
Vnikací zkoušky
- Brinell kulička Hb
- Rockwell kulička, kužel HRc HRb Hra
- Vickers čtyřboký jehlan HV
Odrazová Shořeno metoda
Přístroj se nazývá skleroskop
Obecně lze říci že zkušební stroje mohou být
- jednoúčelové
- univerzální
Za nejdůležitější z pohledu porozumění vlastnostem oceli i dalších materiálů považuji
Statická zkouška tahem ( trhací zkouška )
Použijeme pomůcku a znalosti základů matematiky
Důležité pojmy:
- pevnost v tahu
- napětí
- kontraktace - tažnost je poměrné trvalé prodloužení vyjádřené v procentech původní
délky
- zúžení je poměrné trvalé zmenšení plochy zkušebního vzorku vyjádřené
v procentech původní plochy
Z příkladů pracovních diagramů různých kovů a slitin můžeme poznat vlastnosti zkoušeného materiálu.
Str134 Tech II
ŽELEZO, OCEL, LITINA, ŽELEZO, OCEL, LITINA.
Nejlépe opět na příhodě, kterou si každý může představit, pokud ji možná neprožil sám. Automobil narazil do litinové mříže. V hovorové řeči je obé ze železa. Co se stalo? Automobil je zmuchlaný, mříž potom rozlámána a i lajk vidí rozdíl na kterém si můžeme zase něco objasnit v nauce o materiálu. My si vzpomeneme že nejdůležitějším prvkem v železe je uhlík ( C ). Litina má v sobě uhlíku okolo 4%, ocelový plech, karoserie auta naopak okolo 0,2 %. Po kolikáté už se zabýváme pojmy jako surové železo, ocel, železo jako prvek Fe, železo hovorově, kujné železo, litina, tvárná litina atd. Hovorově „železo“ není čisté železo ( Fe ). To je jako čisté obtížně vyrobitelné, ale hlavně v technické praxi nepoužitelné vzhledem ke svým vlastnostem. Další pojem je „surové železo“ vyráběné ve vysokých pecích. Má větší procento uhlíku mezi 2 až 7 % C. Uhlík je nejdůležitějším prvkem v železo a jeho procento význačným způsobem ovlivňuje vlastnosti slitiny želeta s uhlíkem ( Fe s C ). Popíšeme si tedy obrázek. Začneme se zlomkem procenta uhlíku a zjistíme co z které slitiny vyrobíme. Se stoupajícím procentem uhlíku stoupá tvrdost a pevnost. Jsme tedy v naší povídce u auta. Když se dostaneme s obsahem uhlíku nad 1% až k oněm zmíněným 2% pevost a tvedost oceli sice stoupá, ale výrazně se snižuje houževnatost. Když je uhlíku nad 2% nemluvíme již o oceli, ale o surovém železe nebo litině. Surové železo se vyrábí ve vysokých pecích a zhlíku je tam asi 7%. V oceli jej potřebujeme méně. Především spalováním se jej zbavujeme v konverotech, či Siemens -Martinových pecích atd. Když rozlomíme kus surového železa zjistíme, že může mít lom šedý, šedá litina. Lom šedý, šedé surové železo. Ta má kromě 3,5 a 4 % uhlíku i další prvky, 2,5 % křemíku, fosfor, síra a manganu méně než 0,2 %. Pokud změníme procenta ostatních prvků v surovém železe vznikne opět litina, ale ta má lom stříbrný. Je to bílé surové železo, bílá litina. Ta má méně křemíku ( do 0,5 % ) a více manganu ( více než 4 % ). Ještě k pojmům Šedé nebo bílé surové železo a šedá a bílá litina. Surové šedé železo z vysoké pece se nehodí k přímé výrobě. Je nečisté, bublinaté a málo pevné. Když se znovu přetaví v kuplovnách, kam se ještě přidá stará litina z vyřazených litinových výrobků surové šedé železo se zlepší v šedou litinu, která se pak používá k výrobě odlitků ze šedé litiny. Obdobné je to i s bílým surovým železem. Z bílého surového železa, které se mnohdy v tekutém stavu odveze do oceláren a vyrábí se z něj ocel. Odlitky z bílého surového železa se dají temperovat. Odlitky se vloží do litinových krabic spolu se směsí krevelu ( železné rudy ). Zalepí se jílem a v ohřívací peci se po dobu asi 2 hodin zahřívají na teplotu okolo 920°C. Tím se uhlík z litiny částečně spálí a zčásti vyloučí jako grafit. Křehkost se ztrácí. Odlitky se dají částečně ohýbat nebo i kovat. A máme tu další pojem. Temperovaná nebo kujná litina. To všchno dokáže uhlík. Uhlík může mít ve sloučenině se železem dvě podoby. Je to jako samostatná složka ve formě grafitu. Uhlík se může, ač nekov, sloučit se železem na karbid železa ( Fe3 C ), který obsahuje 6,67 % uhlíku.
