Vlastnosti kovových materiálů a jejich zkoušení

Při návrhu strojírenských výrobků rozhoduje konstruktér o materiálech, ze kterých mají být tyto výrobky zhotoveny. Přitom bere v úvahu

-          požadavky na funkci součástí

-          technologii součásti

-          vliv prostředí, ve kterém budou součásti umístěny

-          ekonomická hlediska výroby součásti.

Ke správné volbě materiálů součástí proto potřebuje znát jejich fyzikální, chemické, mechanické a technologické vlastnosti.

Z fyzikálních vlastností sleduje například hustotu materiálu, teplota tání a tuhnutí, jeho magnetické vlastnosti, elektrickou a tepelnou vodivost, tepelnou roztažnost a další.

Z chemických vlastností sleduje například odolnost materiálů vůči působení různých chemikálií, schopnost žádoucích chemických úprav a další.

Objektivní posouzení vlastností materiálů se provádí pomocí zkoušek. Podmínky, za kterých jsou materiály zkoušeny, jsou mezinárodně sjednoceny, aby výsledky zkoušek poskytly možnost objektivního posouzení materiálů.

Tento text bude zaměřen na popis zkoušení mechanických a technologických vlastností. Zvláštní kapitolou je popis zkoušek prováděných za účelem zjišťování vad materiálu, defektoskopie.

Zkoušky mechanických vlastností

Při zkouškách mechanických vlastností, jinak také mechanických zkouškách, se posuzuje chování materiálu při jeho zatížení vnějšími silami. Posuzovanými vlastnostmi jsou zejména

-          pevnost, čímž se rozumí odolnost materiálu proti porušení soudržnosti při jeho zatížení vnějšími silami

-          tvrdost, čímž se rozumí odolnost materiálu proti deformaci jeho povrchových vrstev působením vnějších sil

-          houževnatost, čímž se rozumí odolnost materiálu proti porušení při jeho deformování vnějšími silami

-          pružnost, čímž se rozumí schopnost materiálu vracet se do původního tvaru a rozměrů po ukončení působení vnějších sil.

Zkoušky mechanických vlastností jsou podle průběhu zkušebního zatížení označovány jako

-          statické, při kterých se zatížení zvětšuje pozvolně

-          dynamické, při kterých zatížení působí náhle nebo proměnlivě.

Při zkouškách tvrdosti může být užito statického i dynamického zatížení a proto jsou zpravidla popisovány jako zvláštní druh zkoušek.

Protože strojírenské součásti mohou být při provozu vystaveny různým teplotám, provádějí se mechanické zkoušky materiálu

-          za normálních teplot, tj. při teplotě 20 °C

-          za zvýšených teplot

-          za nízkých teplot.

Mechanické zkoušky statické

Při statických mechanických zkouškách je sledována zejména pevnost materiálu. Protože strojírenské součásti mohou být při provozu namáhány různě orientovaným zatížením, provádějí se statické mechanické zkoušky tahem, tlakem, ohybem, střihem a  krutem. Pro každý druh zkoušky norma předepisuje tvar, rozměry, jakost povrchu a způsob zhotovení zkušebního vzorku, aby bylo dosaženo objektivity a jednoznačnosti výsledku zkoušek.

Zkouška pevnosti v tahu

Tato zkouška má ze všech statických mechanických zkoušek největší význam a je pokládána za základní zkoušku každého materiálu.

Zkušebním vzorkem je válcová (na obrázku vlevo) nebo plochá (na obrázku vpravo) tyč, jejíž konce jsou většinou zesíleny a vhodným způsobem upraveny pro uchycení v čelistech zkušebního stroje. Válcové tyče jsou používány přednostně, ploché tyče se zhotovují pouze při zkoušení materiálu ve tvaru tenkých plechů a pásů, ze kterých není možno zhotovit válcovou zkušební tyč.

Tyče se upínají mezi čelisti zkušebního, tak zvaného trhacího, stroje. Zkušební vzorky jsou zatíženy dvěma stejně velkými silami (F), působícími tahem v podélné ose vzorku. Zatěžující síla se vyvozuje většinou hydraulicky, u menších strojů také mechanicky (například pomocí šroubu a matice). Stroj je vybaven ukazatelem zatěžující síly a zařízením pro grafický záznam síly a deformace.

Průměr válcové tyče se volí podle velikosti síly, kterou je schopen trhací stroj vyvodit. Nejčastěji bývá průměr vzorků 20 nebo 10 mm.

Na tyči je ryskami vyznačena měřená délka l0. U válcových tyčí se volí se jako desetinásobek (tzv. dlouhé tyče) nebo pětinásobek (tzv. krátké tyče) průměru:

.

U plochých tyčí je měřená délka odvozena z válcové tyče stejného průřezu a vypočte se podle vzorce

 u dlouhých tyčí

u krátkých tyčí

kde S0 je průřez tyče.

Pro přesnější postižení rozložení deformace v jednotlivých místech zkušební tyče je možno měřenou délku rozdělit ryskami s menší roztečí, například po deseti milimetrech.

Záznamové zařízení trhacího stroje vytvoří diagram závislosti prostého prodloužení Dl zkušební tyče, vyjádřené vztahem

,

kde l je délka měřené části tyče v daném okamžiku zkoušky, na zatěžující síle F.

Protože síla F a prosté prodloužení Dl jsou závislé na rozměrech zkušebního vzorku, je vhodnější posuzovat změřené výsledky pomocí poměrných hodnot, to jest napětí (poměru zatěžující síly k zatěžované ploše průřezu) a poměrného prodloužení (prodloužení délkové jednotky měřené délky).

Textové pole: sUTextové pole: sKTextové pole: sTextové pole: sPTextové pole: sEPro určení skutečného napětí v libovolném okamžiku zkoušky by bylo třeba znát skutečnou plochu průřezu v tomto okamžiku. Tyč se totiž se zatěžováním nejen prodlužuje, ale také zužuje, její průřez se z původní hodnoty S0 zmenšuje. Zpočátku probíhá zúžení rovnoměrně v celé délce tyče. Později se v některém místě začne tyč zužovat výrazněji, než jinde. Tvoří se tak zvaná šíje, ve které později dojde k prasknutí tyče.

Označíme-li velikost plochy průřezu v daném okamžiku S, je skutečné napětí dáno vztahem

.

Běžné zkušební stroje však změnu příčných rozměrů a tedy ani plochy průřezu nejsou schopny zaznamenat.

Z uvedených důvodů je zavedena veličina označená „smluvní napětí“, vyjádřená vzorcem

.

Protože je vždy S < S0, je vždy ssk > s.

Poměrné prodloužení je dáno vztahem

.

Je zřejmé, že smluvní napětí s i poměrné prodloužení e jsou přímo úměrné zatěžující síle F a prostému prodloužení Dl. Proto je možno v příslušném měřítku z diagramu zakresleného trhacím strojem odečítat i poměrné hodnoty. Protože diagram neurčuje průběh skutečného napětí, ale pouze napětí smluvního, nazývá se diagramem smluvním.

Srovnání průběhu skutečného a smluvního napětí během zkoušky je naznačeno na obrázku. Tím je také vysvětlena skutečnost, proč zdánlivě zkoušený vzorek praská při menším napětí než je napětí příslušející vrcholu smluvního diagramu s-e.

Obrázky znázorňují záznam zkoušky houževnaté oceli. Na záznamové čáře je několik charakteristických bodů. Od počátku zkoušky až do bodu U je závislost mezi zatížením a deformací lineární, za tímto bodem se čára zakřivuje. Do bodu E vznikají v materiálu pouze pružné deformace. Pokud bychom v průběhu zkoušky snižovali zatěžovací sílu, zapisovací pero by se vracelo po již zakreslené čáře zpět. Při dosažení bodu K dojde ke zvláštnímu jevu. Až dosud bylo pro zvětšení deformace nutno zvětšit zatížení. Zde je zřejmé, že za bodem K bude po určitou dobu probíhat deformace, i když se zatížení bude snižovat. Později však opět čára začíná stoupat. Bod P odpovídá vrcholu záznamové čáry. V tomto okamžiku se začíná v některém místě tyč prudce zužovat, vzniká šíje. V bodě L dochází k prasknutí vzorku, lomu.

Zmíněným bodům odpovídají charakteristická (smluvní) napětí, nazvaná mezemi:

-          mez úměrnosti v tahu sUt je největší smluvní napětí, při kterém je deformace úměrná napětí (platí Hookův zákon s = E.e)

-          mez pružnosti (elasticity) v tahu sEt je smluvní napětí, do kterého vznikají pouze pružné (elastické) deformace

-          mez kluzu (průtažnosti) v tahu sKt je smluvní napětí, při jehož dosažení probíhají po určitou dobu deformace, aniž je nutno zvyšovat zatížení; z hodnoty meze kluzu se u ocelí zpravidla určuje dovolené napětí v tahu

-          mez pevnosti v tahu sPt je největší smluvní napětí, kterého je při tahové zkoušce dosaženo.

V obrázku je naznačeno rozdělení deformace v určitém okamžiku zkoušky. Jestliže například v bodě A bude vzorek odlehčen, zapíše záznamové zařízení úsečku směřující z tohoto bodu šikmo dolů. Celkové poměrné prodloužení před odlehčením bylo e, po odlehčení zůstane v materiálu poměrné prodloužení eP (plastická složka celkového prodloužení). Úsek označený eE tedy představuje pružnou (elastickou) složku celkového prodloužení.

Na rozdíl od meze úměrnosti, meze kluzu a meze pevnosti není mez pružnosti v diagramu tahové zkoušky vyznačena žádným zřetelným bodem. Její experimentální zjišťování hledáním napětí odpovídajícího definici meze pružnosti je velmi zdlouhavé. Proto je podle dohody za mez pružnosti považováno smluvní napětí, které vyvodí trvalé prodloužení zkušební tyče rovné 0,005 % měřené délky l0 (obrázek). Takto určená mez pružnosti se označuje s0,005.

Trvalá složka poměrného prodloužení v okamžiku přetržení se nazývá tažností materiálu. Je označována d, udávána v procentech původní měřené délky a platí pro ni vztah

kde lK je měřená délka po přetržení. Zjišťuje se po vyjmutí a složení obou částí vzorku.

Další udávanou hodnotou je kontrakce neboli poměrné zúžení. Stejně jako tažnost se zjišťuje po vyjmutí a složení obou částí vzorku a určuje ze vztahu

.

Tvrdší oceli nemají zřetelnou ani mez kluzu. Proto se u nich udává smluvní mez kluzu. Je definována (podobně jako smluvní mez pružnosti) jako napětí, které vyvodí trvalé prodloužení zkušební tyče rovné 0,2 % měřené délky l0 (obrázek). Je označována s0,2.

Tvrdé a křehké kovy, jako například pevné druhy ocelí nebo litina, vykazují při tahové zkoušce velmi malé celkové prodloužení.

Zkouška pevnosti v tlaku

Zkouška pevnosti v tlaku je obdobou tahové zkoušky. Zkušební vzorky jsou zatíženy dvěma stejně velkými silami (F), působícími tlakem v podélné ose vzorku.

Zkušební vzorek z kovových materiálů má tvar válečku o průměru 10 až 30 mm. Jeho výška h je při hrubém měření h = d, při přesném měření h = (2,5 až 3).d.

Zkušební vzorky ze dřeva, kamene či betonu mají z důvodu snadnějšího zhotovení tvar krychle.

Zjišťovanými hodnotami, které se pro odlišení od hodnot zjištěných při zkoušce tahové označují indexem d, jsou:

prosté zkrácení

,

poměrné zkrácení

,

poměrné zkrácení v procentech

poměrné rozšíření

.

U měkčích a houževnatějších materiálů je diagram zkoušky tlakem přibližně souměrný podle počátku k diagramu tahové zkoušky, nedochází zde ovšem ke vzniku „šíje“ a tudíž poklesu smluvního napětí. Zkouška u těchto materiálů nemá ukončení, protože vzorky se stále stlačují, aniž dojde k jejich porušení. Protože mezní napětí v tlaku jsou u těchto materiálů prakticky shodná s mezními napětími v tahu, tlakovou zkoušku není třeba provádět.

Křehké materiály, jako například litina, vykazují pevnost v tlaku výrazně vyšší než pevnost v tahu (u litina je sPd = 3 až 5sPt). Pak je ovšem nutno provádět obě zkoušky. Při dosažení meze pevnosti dojde u křehkých materiálů k rozdrcení vzorku.

Zkouška ohybem

Zkušebním vzorkem je tyč zpravidla válcového tvaru (kruhového průřezu). Při zkoušce je položena na dvou podpěrách a uprostřed zatěžována. Zjišťuje se pevnost v ohybu a poměrný průhyb v okamžiku porušení vzorku.

Pevnost v ohybu se vypočte pomocí vzorce

kde Mo max je maximální ohybový moment, pro který platí

Fmax je zatěžující síla v okamžiku porušení vzorku

Wo je modul průřezu v ohybu, který se pro kruhový průřez určí ze vztahu

.

Poměrný průhyb j se určí z celkového průhybu y podle vztahu

.

Zkouška ohybem se zpravidla provádí pouze u křehkých materiálů, u kterých dojde k porušení. Houževnaté materiály se při sebevětší deformaci neporuší, takže zkouška by neměla ukončení. V případech, kdy se přesto zkouška provádí, je nutno stanovit limitní deformaci a pro ni určit napětí a poměrný průhyb. 

Zkouška střihem

Zkouška střihem se provádí pouze výjimečně, zpravidla jen u materiálů určených pro výrobu šroubů, nýtů, kolíků, klínů a jiných strojních součástí, které jsou během provozu namáhány tangenciálním napětím. Vzorek je vložen do zkušebního zařízení tak, aby se jeho namáhání v maximální možné míře blížilo namáhání prostým smykem. Ve skutečnosti však vždy dochází k přídavnému ohybovému namáhání, takže vzniká střih. Při způsobu zkoušení naznačenému v obrázku působí síla F na dva kruhové průřezy vzorku (vyznačeny čárkovaně), takže pro mez pevnosti ve smyku platí výraz

kde FPs je zatěžující síla v okamžiku porušení zkušebního vzorku a d je průměr válcového vzorku.

Zkouška krutem

Účelem této zkoušky je zjištění pevnosti materiálu při jeho namáhání kroucením, což je velmi častý případ u součástí přenášejících rotační pohyb (hřídelů). Vzorkem je tyč kruhového průřezu jedním koncem nehybně upnutá a na druhém konci zatížená zvětšujícím se kroutícím momentem. Pro mez pevnosti v krutu platí výraz

kde Mk max je kroutící moment v okamžiku porušení pevnosti vzorku

Wk je modul průřezu v krutu, který se pro kruhový průřez určí ze vztahu

.

Kromě meze pevnosti se při zkoušce může zjišťovat také dosažitelná deformace. Určuje se jako tak zvané poměrné zkroucení podle vzorce

kde j je úhel, o který byl působením kroutícího momentu pootočen koncový průřez zkušebního vzorku oproti průřezu protilehlému.

Mechanické zkoušky dynamické

Strojní součásti jsou během svého provozu velmi často zatěžovány náhle nebo proměnlivě působícími silami. V takových případech dochází k porušení materiálu při napětích výrazně nižších, než odpovídá mezím pevnosti zjištěným při zatížení statickém. Proto je nutno provádět zkoušky, jejichž průběh se přibližuje průběhu takových skutečných namáhání.

Jestliže je působení sil náhlé, označuje se namáhání jako rázové. Je-li působení sil proměnlivé, označuje se namáhání jako cyklické. Přirozeně může existovat i namáhání kombinované z obou jmenovaných. Všechny popisované případy jsou nazývány dynamickým namáháním.

Zkoušky rázem

Textové pole: 3Textové pole: 10Těmito zkouškami je zjišťována houževnatost materiálu při náhlém zatížení. V zásadě je možno provádět rázové zkoušky tahem, tlakem, smykem či krutem, nejvhodnější a proto nejčastější jsou rázové zkoušky ohybem. Používají se dvě metody: podle Charpyho, kdy je vzorek při zkoušce položen na dvě podpěry, a podle Izoda, kdy je vzorek uchycen ze jeden konec (letmo). Častější je první metoda, která bude v dalším textu popsána.

Zkušebním zařízením je tzv. Charpyho kladivo, kyvadlo se zúženou funkční hranou - břitem. Zkušebním vzorkem je tyč normalizovaných rozměrů. Pro křehké materiály se užívá jednoduchých tyčí. Vzorky z houževnatých materiálů (oceli), které by při jednoduchém tvaru nepraskly, se opatřují vrubem (naznačeno v obrázku). Vzdálenost podpěr je 40 mm.

Na začátku zkoušky je kladivo umístěno do jeho horní polohy (A). Na podpěry se položí zkušební vzorek a kladivo se uvolní. Polohová energie kladiva se mění v kinetickou. V nejnižším místě své dráhy kladivo udeří do vzorku. Část kinetické energie se spotřebuje na deformaci vzorku. Kladivo překývne do polohy B. Rozdíl polohových energií kladiva v místech A a B představuje práci potřebnou na přeražení vzorku.

Měřítkem houževnatosti materiálu je deformační práce přepočtená na jednotku plochy průřezu v místě nárazu kladiva. U houževnatých materiálů zkoušených pomocí vzorků opatřených vrubem platí pro tzv. vrubovou houževnatost

kde R (J.m-2) je vrubová houževnatost, S0 (m2) je plocha průřezu vzorku v místě vrubu, A (J) je deformační práce, která se určí ze vztahu

kde G (N) je tíha kladiva a h (m) je výškový rozdíl počáteční a konečné polohy kladiva.

U křehkých materiálů probíhá zkouška obdobně. Vzorek však nemá vrub a proto se do vzorce pro výpočet tzv. rázové houževnatosti dosazuje plocha plného průřezu tyče.

Zkoušky opakovaným namáháním (zkoušky únavové)

Z praxe je známo, že při opakovaném namáhání kovových materiálů často dochází k  porušení jejich soudržnosti, přestože napětí v nich vyvozené nedosáhlo statické meze pevnosti (například oddělení části drátu od většího celku jeho opakovaným lámáním v ruce). Tento jev je nazýván únavou materiálu. Proto je nutno zkoušet materiály určené pro součásti vystavené proměnlivému zatížení také z hlediska jejich odolnosti proti únavě.

Proměnlivé namáhání, kterému jsou vystaveny součásti v praxi, nemusí mít pravidelný průběh (například namáhání pružin podvozku automobilu se mění v závislosti na nerovnostech vozovky). Při zkoušce je však modelování skutečného proměnlivého zatížení obtížné a proto se užívá průběhu pravidelného - cyklického.

Podle charakteru vznikajícího napětí může být cyklické namáhání (naznačeno v obrázku)

- pulzující

- míjivé

- střídavé - souměrné

                   - nesouměrné.

Časový průběh namáhání může být ovšem různý.

Podle působení namáhání mohou zkoušky probíhat cyklickým tahem - tlakem, ohybem a krutem. Nejobvyklejší je zkouška souměrným střídavým ohybem. Důvodů je několik, zejména

-          tento způsob zatížení je pro materiál nejnebezpečnější

-         

tímto způsobem jsou namáhána vlákna materiálu důležitých a často užívaných strojních součástí přenášejících rotační pohyb - hřídelů

-          realizace zkoušky cyklickým ohybem je snadnější a rychlejší než realizace zkoušky jiným způsobem.

Vzorkem je tyč kruhového průřezu a normalizovaných rozměrů. Při zkoušce se vzorek, uložený svými konci v ložiskách, otáčí. Uprostřed je zatížen nastavitelnou silou (F). Je-li sledované vlákno tyče právě v místě 1, vzniká v něm maximální tahové napětí (st max). Při průchodu místem 2 se nalézá v neutrální vrstvě vláken a tudíž není vůbec zatíženo (s  = 0). Je-li právě v místě 3, vzniká v něm maximální tlakové napětí (sd max). Při průchodu místem 4 se opět nalézá v neutrální vrstvě vláken (s  = 0). Průběh namáhání každého vlákna je střídavý souměrný, v grafu je znázorněn sinusoidou.

Zkouška se provádí s velkým počtem vzorků, každý z nich je zatížen jinou silou. Zaznamenává se, kolika zatěžovacím cyklům byl který vzorek vystaven do prasknutí. Závislost počtu dokončených zatěžovacích cyklů (N) na zatěžovacím napětí (s) se graficky znázorňuje v tzv. Wöhlerově diagramu. Na obrázku jsou dva způsoby jeho zakreslení. V levém diagramu je počet cyklů uveden v lineární stupnici, v pravém diagramu ve stupnici logaritmické.

Z diagramů je zřejmé, že při zatížení, které ve vzorku vyvolá napětí na mezi pevnosti v ohybu, dojde k porušení soudržnosti hned při první otáčce tyče. Se snižováním zatížení se počet cyklů do porušení soudržnosti materiálu zvyšuje. Při určitém napětí přechází křivka v levém diagramu do vodorovné přímky, šikmá úsečka v pravém diagramu se lomí. Toto největší napětí, při kterém by vzorek teoreticky vydržel nekonečně mnoho cyklů, se nazývá mez únavy. Označuje se sC. Oceli se zkouší do asi 107 cyklů, některé neželezné kovy (například hliník a jeho slitiny) je nutno zkoušet déle (108 cyklů i více).

Velikost meze únavy závisí na vlastnostech materiálu, ale také na tvaru a jakosti jeho povrchu. Každá povrchová nerovnost mez únavy podstatně snižuje.

Mechanické zkoušky za teplot odlišných od okolí

Součásti strojních zařízení jsou při svém provozu často vystaveny teplotám odlišným od teploty okolí (tak zvané běžné nebo normální teploty). Proto je nutno ověřit, do jaké míry teplota ovlivňuje mechanické vlastnosti. Za tímto účelem jsou prováděny zkoušky mechanických vlastností za vyšších teplot a zkoušky mechanických vlastností za nízkých teplot.

Textové pole: sPt, sKt, dZkoušky mechanických vlastností za vyšších teplot

Pro konstrukci i technologii je třeba znát, jaké vlastnosti má materiál za vyšších než obvyklých teplot. Zkoušky mechanických vlastností za zvýšených teplot jsou dvojího druhu:

-          krátkodobé, při kterých se zpravidla zjišťují vlastnosti materiálu za účelem posouzení jeho vhodnosti k technologickým operacím, zejména ke tváření

-          dlouhodobé, při kterých se zjišťují vlastnosti materiálu za účelem posouzení jeho vhodnosti k použití do zařízení pracujících při zvýšených teplotách.

Krátkodobé zkoušky za vyšších teplot

Provedení krátkodobých zkoušek za vyšších teplot je v podstatě shodné s metodami užívanými při zkouškách za teplot běžných. Nejčastěji se provádí zkouška tahem, někdy zkouška vrubové houževnatosti a zkouška tvrdosti. Na obrázku je naznačena závislost meze pevnosti (sPt), maze kluzu (sKt) a tažnosti (d) uhlíkové oceli na teplotě. Z diagramu je zřejmé, že uhlíková ocel dosahuje své největší pevnosti mezi 200 a 300 °C. Při téže teplotě má nejmenší tažnost, tedy i vhodnost pro tváření. Mez kluzu se s teplotou snižuje plynule.

Dlouhodobé zkoušky za vyšších teplot

Textové pole: celkové prodlouženíZ popisu tahové zkoušky za běžných teplot je zřejmé, že k dosažení větší deformace (e) vzorku (s výjimkou krátké oblasti těsně za mezí kluzu a oblasti za smluvní mezí pevnosti) je nutno zvýšit napětí (s). Pokud během zkoušky přestaneme zatížení zvětšovat, nebude deformace pokračovat a vzorek si udrží své aktuální rozměry.

Při dlouhodobém zatížení za vyšších teplot je chování kovů jiné. Deformace se s časem zvětšuje i při neměnném zatížení. Tento jev se nazývá tečení materiálu (anglicky creep). Průběh tečení materiálu potřebuje znát konstruktér, navrhující zařízení, které během provozu bude vystaveno vyšším teplotám. Návrh konstrukce musí vycházet z požadavku, aby za předpokládanou dobu provozu deformace součástí nezpůsobila nefunkčnost nebo dokonce havárii zařízení.

Dlouhodobými zkouškami za vyšších teplot je zjišťována závislost rychlosti deformace vzorku na jeho zatížení. Zpravidla je prováděna zkouška tahem, obdobná tahové zkoušce za běžných teplot. Zkušební vzorek (tyč) je však při zkoušce natahován uvnitř zvláštní elektrické odporové pece, vybavené zařízením pro přesnou regulaci teploty. Zatěžující síla se zvyšuje stejně jako u zkoušky za běžných teplot až na předem určenou velikost, pak zůstává stálá. V pravidelných časových intervalech se zaznamenává celkové prodloužení vzorku až do porušení jeho soudržnosti. Ze záznamu se pak vytvoří diagram závislosti celkového prodloužení na čase (v obrázku).

Diagram je možno rozdělit do čtyř charakteristických částí. První část diagramu od počátku záznamu O do bodu A odpovídá počátečnímu protažení jako při zkoušce za běžných teplot. Ve druhé části zkoušky od A do B se rychlost deformace (tj. prodloužení za jednotku času) zmenšuje, probíhá tzv. primární tečení. Nejdelší je třetí část od B do C, tzv. sekundární tečení, ve které je rychlost tečení konstantní, deformace roste s časem lineárně. Po dosažení bodu C se začne rychlost tečení prudce zvyšovat, probíhá terciární tečení. V bodě D dochází k lomu (porušení soudržnosti vzorku).

Ze zkoušky se vyhodnocuje mez tečení v tahu, označovaná sTt. Je definována jako napětí, které při dané teplotě vyvodí za určenou dobu stanovenou deformaci. Tato přípustná deformace závisí na povaze konstruovaného zařízení a jeho žádané životnosti. Například předpokládaná životnost žárových trubek parních kotlů je 2.105 hodin, životnost součástí letecké spalovací turbiny pouze 103 hodin. Konstruktér určí, k jak velké celkové deformaci dané součásti smí za tuto dobu dojít bez nebezpečí provozní závady. Součást dimenzuje podle meze tečení příslušející dané provozní teplotě a celkové přípustné deformaci.

Zkoušky mechanických vlastností za nízkých teplot

Při snižování teploty pod teploty běžné se u ocelí zvyšuje mez pevnosti a mez kluzu, ale snižuje se tažnost a vrubová houževnatost. Proto je nutno pro dimenzování součástí pracujících při snížených teplotách (například součásti chladicích zařízení, kompresorů, letadel, pláště raket) zjistit mechanické vlastnosti materiálů těmto teplotám příslušející.

Zpravidla se při nízkých teplotách provádí tahová zkouška a zkouška vrubové houževnatosti. Metodika zkoušek je shodná s postupy prováděnými za běžných teplot. Zkušební přístroj je doplněn o chladicí zařízení, které musí umožnit rovnoměrné ochlazení zkušebního vzorku na předepsanou teplotu a udržení této teploty během zkoušky. Obvyklými chladicími prostředími jsou směs tuhého kysličníku uhličitého a metylalkoholu (do - 70 °C), směs kapalného dusíku a petrolétheru  (do - 150 °C), kapalný dusík (do - 190 °C) a kapalné helium (pod - 190 °C).

Zkoušky tvrdosti

Tvrdost je definována jako odpor, který klade materiál proti vnikání cizího tělesa. Ve smyslu této definice jsou také základní zkoušky tvrdosti prováděny. Do povrchu zkoušeného materiálu se zatlačuje zkušební tělísko vhodného tvaru (kulička, kužel, jehlan) zhotovené z dostatečně tvrdého materiálu (kalená ocel, slinutý karbid, diamant), nazývané indentor, a podle velikosti vtisku zanechaného zkušebním tělískem v materiálu se posuzuje jeho tvrdost.

Zkoušky tvrdosti jsou velmi časté, protože jejich užití má řadu výhod. Zejména je to

-          jednoduchost a rychlost provedení

-          možnost posoudit z výsledku zkoušky tvrdosti další vlastnosti materiálu, například jeho pevnost, tvárnost či obrobitelnost

-          možnost provedení zkoušky na hotovém výrobku bez jeho znehodnocení.

Zkoušky tvrdosti se podle způsobu zatížení rozdělují na statické a dynamické. Při statických zkouškách je zatížení klidné, při dynamických rázové.

Tvrdost zjištěná zkouškami se označuje písmenem H (od německého hart nebo anglického hard - tvrdý) a zkratkou metody, podle které byla tvrdost zkoušena (například HB = tvrdost podle Brinella, HV = tvrdost podle Vickerse atd.), případně uvedením bližších podmínek provedení zkoušky. Protože by u jednotlivých tvrdostí podle principu jejich metody vycházely různé jednotky, uvádí se tvrdost jako veličina bezrozměrná.

Statické zkoušky tvrdosti

Podle působení zkušebního tělíska (indentoru) na zkoušený materiál jsou statické zkoušky rozdělovány na vrypové a vtlačovací.

Vrypové statické zkoušky tvrdosti

Vrypové zkoušky tvrdosti mají ve strojírenství malý význam. Zpravidla se užívají pro tvrdé a křehké materiály jako jsou slinuté karbidy, technické sklo, technický porcelán, kalené a jinak tvrzené vrstvy a galvanické povlaky.

Zkouška podle Mohse

Nejznámější vrypovou zkouškou vůbec je posuzování tvrdosti podle Mohsovy stupnice, užívané v mineralogii (mastek, sůl kamenná, vápenec, kazivec, apatit, živec, křemen, topas, korund, diamant). Princip zkoušky spočívá ve srovnávání tvrdosti zkoušeného materiálu s tvrdostí jmenovaných minerálů, kterými se postupně provádí pokus o vryp do materiálu zkoušeného.

Tato zkouška je pro svoji nepřesnost u kovů užívána jen výjimečně. V technických oborech se uplatňuje při posuzování tvrdých a křehkých izolantů.

Tvrdost zjištěná podle Mohse se označuje HMo.

Zkouška podle Martense

Vryp se v povrchu zkoušeného materiálu vytváří diamantovým kuželovým hrotem o vrcholovém úhlu 90°, zatíženým zvyšující se silou při stanovené rychlosti pohybu. Měřítkem tvrdosti je velikost zatížení potřebného k dosažení šířky vrypu 0,01 mm.

Tvrdost zjištěná podle Martense se označuje HMa.

Zkouška podle Stocka

Zkouška je obdobou Martensovy zkoušky. Zatížení je však stálé a měřítkem tvrdosti je převrácená hodnota šířky vrypu udané v mm. Převrácené hodnoty naměřeného výsledku je užito proto, aby větší tvrdosti odpovídalo větší číslo. Kdyby byla jako míra tvrdosti uvedena přímo šířka vrypu, příslušelo by tvrdším materiálům menší číselné vyjádření než materiálům měkčím.

Tvrdost zjištěná podle Stocka se označuje HSt.

Vtlačovací statické zkoušky tvrdosti

Tento způsob zkoušení tvrdosti je ve strojírenství užívanější, než zkoušky vrypem. Do zkoušeného materiálu se kolmo k jeho povrchu pozvolna vtlačuje zkušební tělísko předepsaného tvaru a velikosti. Tvrdost materiálu se posuzuje podle velikosti nebo hloubky vtisku, který indentor zanechá. Nejčastěji se provádí zkoušky podle Brinella, Rockwella a Vickerse.

Zkouška podle Brinella

Tvrdost zjišťovaná podle Brinella má základní označení HB.

Zkušebním tělískem je u měkčích materiálů ocelová kalená kulička, u tvrdších materiálů (nad HB = 400) kulička ze slinutých karbidů.

Průměr kuličky (D) je nejčastěji 10 mm, používají se i kuličky o průměru 5 mm, 2,5 mm, 1,25 mm a 0,625 mm.

Zatěžovací síla (F) se volí jako násobek druhé mocniny průměru kuličky. Pro zkoušení oceli je nejčastěji F (N) =300.D2, pro neželezné kovy a jejich slitiny F (N) =100.D2, pro velmi měkké slitiny slitiny F (N) =25.D2.

Norma určuje také dobu zatížení podle charakteru zkoušeného materiálu.

Měří se průměr vtisku, a to ve dvou vzájemně kolmých směrech. Vtisk totiž v důsledku deformace materiálu (naznačeno v obrázku) nemusí mít zcela pravidelně kruhový průmět.

Měřítkem tvrdosti je poměr velikosti zatěžovací síly k ploše vtisku (jako kulového vrchlíku) podle vzorce

.

Poznámka: přepočtový součinitel 0,102 v uvedeném vzorci převádí velikost síly F udanou v N na původní jednotky síly - kilopondy (1 kp = 9,81 N, 1 N = 0,102 kp).

Jestliže byla zkouška provedena při základních podmínkách, to je kuličkou o průměru 10 mm, silou 30.000 N po dobu 10 sekund, zapisuje se její výsledek základní označením bez bližších údajů (například HB = 220). Jiné užité podmínky je nutno u výsledku zkoušky zapsat. Tak například označení HB5/7500/30 = 135 znamená, že ke zkoušce byla užita kulička průměru 5 mm, zatěžovací síla byla 7500 N a doba zatížení byla 30 sekund.

U uhlíkových ocelí platí mezi pevností v tahu a tvrdostí zjištěnou podle Brinella vztah

.

Zkouška podle Rockwella

Tvrdost zjišťovaná podle Rockwella má základní označení HR.

Zkušebním tělískem je u tvrdých materiálů diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120°, u měkkých materiálů kulička z kalené oceli o průměru 1/16“ (palce), to jest 1,587 mm. Při použití kužele je výsledek zkoušky označen HRC (C - anglicky cone = kužel), při použití kuličky HRB (B - anglicky ball = koule). Měřeným údajem je hloubka vtisku.

Textové pole: HRCTextové pole: 0,2Průběh základní zkoušky provedené diamantovým kuželem je naznačen na obrázku. Kužel se přiblíží k povrchu zkoušeného materiálu. Po dotyku se zatíží předběžným zatížením 100 N a pomalu se vtlačí do povrchu. Cílem tohoto kroku je prolomení povrchové vrstvy zkoušeného materiálu, která může mít jiné vlastnosti než materiál uvnitř. Pak se zatížení zvětší na 1500 N. Po uklidnění ukazatele hloubky vtisku na měřicím přístroji (asi 10 sekund) se kužel opět odlehčí na 100 N.

Tvrdost je určena z rozdílu hloubky 0,2 mm, ve které se nachází základní (pomyslná) úroveň měření a hloubky, ve které se nachází vrchol kužele po odlehčení. Tento rozdíl je v obrázku označen HRC. Údaj tvrdosti se vypočte vydělením zmíněného rozdílu jednotkou tvrdosti podle Rockwella, kterou je 0,002 mm. Jestliže například zůstane po odlehčení vrchol měřícího kužele v hloubce 0,08 mm, je rozdíl hloubky základní úrovně měření a hloubky vrcholu kužele 0,2 - 0,08 = 0,12 mm. Vydělením jednotkou Rockwellovy tvrdosti (0,002 mm) zjistíme tvrdost

.

Měřící přístroj je pro zjišťování hloubkových údajů vybaven převodním zařízením a tyto údaje se odečítají na stupnici s podrobným dělením.

Při zjišťování tvrdosti tenkých povrchových vrstev nebo křehkých materiálů se užívá celkového zatížení pouze 600 N. Takto zjištěná tvrdost se označuje HRA.

Princip zkoušky kuličkou je shodný s výše popsaným postupem, celkové zatížení je však jen 1000 N.

Rockwellova zkouška má široké uplatnění. Je rychlá, vhodná i pro velmi tvrdé materiály. Zanechává nepatrné stopy, takže je použitelná také pro tenké součásti a vrstvy.

Zkouška podle Vickerse

Tvrdost zjišťovaná podle Vickerse má základní označení HV.

Zkušebním tělískem je diamantový hrot ve tvaru pravidelného čtyřbokého jehlanu o vrcholovém úhlu 136°. Tento úhel byl zvolen na základě experimentů proto, že při něm zjištěná tvrdost prakticky nezávisí na zatěžující síle a u běžných materiálů se jen málo liší od tvrdosti zjištěné podle Brinella.

Zatěžující síla se volí 10, 30, 50, 100, 300, 500 a 1000 N, doba zatížení 10, 30, 60 a 180 sekund.

Měří se délky obou úhlopříček d1 a d2, ze kterých se vypočte střední hodnota d. Vzhledem k velmi malým rozměrům vtisku se měření délky úhlopříček provádí pomocí optického zvětšení.

Měřítkem tvrdosti je poměr zatěžující síly k ploše vtisku (povrchu jehlanovitého důlku)

.

Jestliže bylo užito základní zatížení 300 N, zapisuje se tvrdost bez udání upřesňujících údajů - například HV = 180. Při užití jiného zatížení je nutno toto v označení tvrdosti poznamenat. Tak například označení HV100 = 200 přísluší tvrdosti zjištěné při zatížení 100 N.

Vickersova zkouška má nejširší použití. Jejími výhodami jsou vysoká přesnost, nezávislost výsledku měření na zatěžující síle a velmi malé rozměry vtisku, tedy i malé poškození povrchu kontrolované součásti.

Princip Vickersovy zkoušky je použit i při měření tak zvané mikrotvrdosti, to jest tvrdosti jednotlivých strukturálních součástí kovů (krystalických zrn, nečistot) nebo velmi tenkých materiálů a vrstev. Zatížení je zde jen 0,005 až 1 N. Rozměry vtisku se měří speciálním mikroskopem. Takto zjištěná tvrdost se označuje HVm.

Dynamické zkoušky tvrdosti

Při dynamických zkouškách působí zkušební těleso (indentor) na zkoušený materiál rázem. Tvrdost se hodnotí buď velikostí deformace zkoušeného materiálu (zkoušky vtiskové) nebo z velikosti odskoku indertoru (zkoušky odrazové).


Dynamické zkoušky vtiskové

Jsou dvojího typu: přímé a srovnávací (komparační). Přímá zkouška se provádí pomocí tzv. Baumannova kladívka (na levém obrázku). Úder je vyvozen pružinou, která se před  zkouškou stlačí a ve stlačeném stavu zajistí. Kulička přístroje se přiloží na zkoušený materiál. Po uvolnění pružiny její energie vyvodí ráz na kuličku, která způsobí důlek ve zkoušeném materiálu. Tvrdost materiálu se určí z rozměrů důlku pomocí k tomu účelu sestavených tabulek.

Známým přístrojem pracujícím srovnávací (komparační) metodou je tzv. kladívko Poldiny huti, zkráceně kladívko Poldi (na pravém obrázku). Do rukojeti přístroje se nad zkušební kuličku vloží porovnávací tyč známé tvrdosti (etalon), přístroj se kuličkou přiloží ke zkoušenému materiálu a shora se vede obyčejným kladivem na vyznačené místo úder. Kulička vytvoří vtisk do zkoušeného materiálu i do materiálu etalonového. Tvrdost zkoušeného materiálu se určí z poměru velikosti obou vtisků pomocí k tomu účelu sestavených tabulek.

Měření popsanými metodami a přístroji mají menší přesnost než měření statickými zkouškami tvrdosti. Jejich výhodou je, že těmito malými přenosnými přístroji je možno zjišťovat tvrdost materiálu u rozměrných předmětů, které není možno dopravit do laboratoře k sice přesnějším, ale stabilně instalovaným tvrdoměrům.

Dynamické zkoušky odrazové

Textové pole: trubiceTvrdost zkoušeného materiálu je posuzována podle výšky odrazu zkušebního tělíska při jeho pádu na zkoušený povrch. Podle autora této metody se zkouška nazývá Shoreho, takto zjištěná tvrdost se označuje HSh.

Původní Shoreho tvrdoměr čili skleroskop užíval zkušebního tělíska o hmotnosti 2,6 gramů. Padal ve skleněné trubici opatřené stupnicí z výšky 10“ (palců čili coulů; 1“ = 25,4 mm). Stupnice byla dělena na 140 dílků, přičemž dílek s označením 100 odpovídal výšce odrazu tělíska od tvrdé kalené oceli. Později byly vyvinuty přístroje s jinými parametry.

Poznámka: význam termínu skleroskop je stejný jako význam termínu tvrdoměr; je však zvykem užívat označení skleroskop pouze pro přístroj Shoreův.

Měření tvrdosti odrazovou metodou je málo přesné, protože výsledek zkoušky závisí kromě tvrdosti zkoušeného materiálu také na jeho modulu pružnosti. Protože je přístroj malý a snadno přenosný, užívá se ho v podobných případech jako Baumannova kladívka nebo kladívka Poldi. Použití přístroje je podmíněno dobrou kvalitou opracování povrchu zkoušené součásti, zpravidla jeho broušením.

Zkoušky technologických vlastností

Technologickými vlastnostmi se rozumí soubor fyzikálních a mechanických vlastností, které za určitých podmínek umožňují určitý způsob zpracování materiálů na polotovary a hotové výrobky. Tyto vlastnosti na rozdíl od vlastností fyzikálních nebo mechanických nelze vyjádřit pomocí přesně definovaných veličin a jejich posuzování je proto poznamenáno subjektivním názorem odborníka provádějícího zkoušku.

Nejdůležitějšími technologickými vlastnostmi je tvárnost, slévatelnost, svařitelnost, kalitelnost a obrobitelnost.

Vzhledem ke sledovanému  účelu jsou postupy technologických zkoušek voleny tak, aby se podmínky, při kterých jsou prováděny, v maximální možné míře přibližovaly podmínkám výrobním. Při těchto zkouškách je zpravidla sledováno více ukazatelů. Výsledky zkoušek jsou popisovány kvantitativně (vyčíslením míry splnění daných požadavků) i kvalitativně (slovním vyjádřením splnění těchto požadavků).

Zkoušky tvárnosti

Tvárností se rozumí schopnost materiálu měnit vlivem působení vnějších sil tvar a změněný tvar si zachovat i po ukončení působení těchto sil. tvárnost se zkouší zejména u materiálů určených ke zpracování kováním, válcováním, lisováním. Zkoušky tvárnosti se provádějí za studena nebo tepla.

Zkouška lámavosti

Vzorek zkoušeného materiálu ve tvaru ploché tyče je položen na válcovité podpěry a uprostřed zatížen trnem. Rozměry vzorku, trnu a podpěr jsou dány normou. Měřítkem tvárnosti je úhel (a), o který je možno tyč ohnout, než se na její vnější straně objeví trhliny.

Zkouška se provádí za studena i za tepla.

Zkouška pěchováním

Vzorek má tvar válečku s výškou rovnou dvojnásobku průměru. Stlačuje se osovou silou, až se jeho výška zmenší při zkoušce za studena na polovinu, při zkoušce za tepla na třetinu. Materiál vyhovuje, jestliže se po tomto stlačení na obvodu vzorku neobjeví trhliny.

Zkouška plechů hloubením

Touto zkouškou, která je podle svého autora nazývána zkouškou Erichsenovou, se sleduje vhodnost plechů k tažení, to jest vytváření dutých tenkostěnných těles. Zkoušený plech se položí na tažnici nástroje a přitiskne přidržovačem. Tažníkem, jehož funkční část má tvar koule o průměru 20 mm, se plech vtlačuje do tažnice. Měřítkem tažnosti je hloubka prohloubení (h). Kromě toho se sleduje také vzhled povrchu plechu na vnější straně vzniklého kalíšku. Hrubý povrch svědčí o hrubé krystalizaci materiálu plechu a jeho nevhodnosti k tažení.

Zkoušky drátů

Materiál určený pro výrobu drátů se zkouší více způsoby. Zde budou uvedeny pouze nejčastěji prováděné zkoušky.

Důležitou zkouškou prováděnou u drátů určených na výrobu lan je zkouška střídavým ohybem. Drát je upnut mezi čelisti a střídavě na obě strany ohýbán o 180°. Měřítkem tvárnosti je počet ohybů do porušení soudržnosti drátu.

Při zkoušce kroucením je jeden konec drátu pevně uchycen, druhým koncem kroutí klika. Měřítkem tvárnosti je počet otáček kliky do porušení soudržnosti drátu.

Zkoušky trubek

Zkoušky trubek jsou voleny podle nejčastějších způsobů jejich úprav při výrobě: rozháněním, lemováním a smáčknutím.

Při zkoušce rozháněním se do trubky vtlačuje trn předepsaných rozměrů. Materiál trubky vyhovuje, jestliže se na okraji rozšířené části neobjeví trhliny.

Při zkoušce lemováním se nejdříve trnem kuželovým konec trubky rozevře, pak se rovinnou deskou vytvoří lem ležící v rovině kolmé na osu trubky. Jako u předchozí zkoušky se nesmí na okraji lemu vytvořit trhliny.

Při zkoušce smáčknutím se odřezek trubky stlačí radiálně působící silou. Sledují se dva stupně tvárnosti: při menší deformaci, kdy stěny trubky dolehnou na vloženou destičku předepsané tloušťky (naznačeno v obrázku), a při větší deformaci, kdy se vložky neužívá a stěny dolehnou na sebe. V obou případech se tvárnost posuzuje podle vzniku trhlin v místě ohybu.

Zkouška kovatelnosti

Při zkoušce kovatelnosti se posuzuje tvárnost materiálu prováděním typických kovacích operací - děrováním, rozšiřováním a rozkováním. Vzorkem je plochá tyč o šířce asi 25 mm, tloušťce 5 až 10 mm a délce 200 až 300 mm. Po zahřátí na kovací teplotu se ostrým hrotem v tyči položené na kovadlině prorazí otvor průměru 10 mm. Ve druhé fázi zkoušky se tento otvor kuželovým trnem zvětší na průměr 15 mm. Pak se konec tyče rozkove na tloušťku asi 2 mm. Tvárnost materiálu se posuzuje podle velikosti deformací, které je možno vyvolat, než se na hranách otvoru nebo okraji rozkované části objeví trhliny.

Zkoušky slévatelnosti

Zkouška slévatelnosti se provádí u kovů určených ke zhotovení odlitků. Nejčastějšími vadami odlitků jsou jejich neúplnost, způsobená špatnou zabíhavostí litého kovu do dutiny formy, a bublinatost, existence drobných dutin uvnitř ztuhlého kovu způsobených uvolňováním plynů z tekutého kovu během jeho chladnutí.

Zkouška zabíhavosti se provádí litím kovu do formy ve tvaru drážky o předepsaném průřezu. Podle délky vyplněné části drážky se posuzuje zabíhavost.

Bublinatost se zkoumá na řezu zkušebního odlitku nebo některou z metod nedestruktivních zkoušek.

Ke zkouškám slévatelnosti patří také zjišťování smrštivosti kovu, to jest zmenšení rozměrů odlitku oproti rozměrům dutiny formy. Zkouška se provádí proměřením odlitku po jeho vychladnutí a srovnáním rozměrů chladného odlitku s rozměry formy.

Zkoušky svařitelnosti

Svařitelností se rozumí schopnost kovu vytvářet svařováním pevné spoje. Podle normy se svařitelnost posuzuje čtyřmi stupni: zaručená, zaručená - podmíněná, dobrá a obtížná.

Vzhledem k tomu, že je mnoho metod svařování, je i mnoho zkoušek svařitelnosti. Nejčastějšími jsou zkouška ohybem destičky s naneseným svarem a zkouška rázová. Při rázové zkoušce je posuzována houževnatost samotného svarového kovu, ale také houževnatost kovu v okolí svaru, ovlivněném působením tepla při svařování. 

Zkoušky kalitelnosti

Do této skupiny zkoušek patří zkouška kalitelnosti, při které se zjišťuje nejvyšší tvrdost materiálu dosažitelná kalením, a zkouška prokalitelnosti, při které se zjišťuje hloubka zakalené vrstvy dosažitelná určitým kalicím postupem.

Zkoušky obrobitelnosti

Obrobitelností se rozumí působení obráběného materiálu na obráběcí nástroj. Při zkouškách obrobitelnosti se posuzuje velikost řezného odporu, to jest odporu materiálu proti vnikání břitu nástroje, a nežádoucí působení vzniklé třísky na břit nástroje, to jest tendence třísky ulpívat na nástroji.

Jiskrová zkouška

Jiskrová zkouška slouží k určení neznámé oceli před jejím zpracováním. Vlastnosti oceli se posuzují podle tvaru a zabarvení jisker vznikajících při broušení posuzovaného vzorku. Jiskry se porovnávají s jiskrami vznikajícími při broušení vzorků ocelí se známým složením, vybraných ze speciální sady dodávané hutnickými závody.

Zkoušky ke zjišťování vad materiálu (defektoskopie)

Při zpracování kovových materiálů může dojít k porušení jejich homogenity a soudržnosti. Při lití vznikají v kovech bubliny, uvnitř kovu může být zalita struska, formovací písek nebo jiná nežádoucí složka. Při tváření kovů a při tepelném zpracování mohou v důsledku pnutí vzniknout v materiálu praskliny.

Popisované vady mohou být zjevné nebo skryté. Polotovary a výrobky se zjevnými vadami je možno snadno odstranit, případně opravit. Skryté vady však mohou způsobit poškození výrobků. Vady v polotovarech zjištěné až během jejich zpracování jsou příčinou zbytečně vynaložené práce.

Zjišťováním skrytých vad (defektů) polotovarů a výrobků se zabývá speciální oblast zkušebnictví, defektoskopie.

Skryté vady se mohou vyskytovat na povrchu nebo uvnitř materiálu. Podle povahy vady, jejího rozsahu a umístění existuje více způsobů jejich zjišťování. Zde budou popsány pouze nejčastější z nich.

Zjišťování povrchových vad

Povrchovými vadami se rozumí takové, které vycházejí z povrchu materiálu. Nejčastěji to jsou pouhým okem neviditelné trhliny, vzniklé při tepelném zpracování nebo tváření.

Zkoušky kapilární

Nejjednodušší metodou zjišťování povrchových vad materiálu jsou zkoušky kapilární. Jsou založeny na vzlínavosti kapalin do úzkých štěrbin, kapilár.

Indikační (zjišťovací) kapalinou může být například petrolej, případně obarvený anilinovou červení, nebo kapaliny obsahující fluoreskující příměsi. Menší součásti se do indikační kapaliny ponoří, větší se kapalinou potírají nebo polévají. Když kapalina pronikne do trhlin, odstraní se její přebytek z povrchu zkoušeného předmětu otřením nebo omytím. Povrch je také možno osušit, nejčastěji proudem horkého vzduchu. Po očistění a osušení povrchu začne indikační kapalina svou vzlínavostí opět vystupovat z trhlin na povrch předmětu. U větších vad jsou tato místa zřetelná pouhým okem.

Při použití petroleje se pro snadnější zjištění menších vad na povrch zkoušeného předmětu nanese vhodný prášek (oxid hořečnatý, uhličitan vápenatý, uhličitan hořečnatý), který ze štěrbin nasává indikační kapalinu. Barevné skvrny na vrstvě prášku jsou dobře viditelné. Na povrch tvarově složitějších předmětů se místo suchého prášku rozprašuje jeho suspenze v rychle odpařitelné kapalině (acetonu).

Při použití fluoreskující indikační kapaliny se otřené a osušené předměty prohlížejí ve tmě pod ultrafialovým světlem. V trhlinách kapalina zřetelně světélkuje.

Kapilární zkoušky jsou použitelné pro všechny kovy, používají se však také u nekovových materiálů.

Magnetické zkoušky

 Magnetické zkoušky jsou založeny na vychýlení magnetických siločar v místech, kde je jim do cesty postavena překážka, například trhlina v povrchu nebo dutina uvnitř matriálu.

Homogenním matriálem procházejí siločáry přímo. V místě překážky se vychylují, zhušťují a překážku obcházejí. Na horním obrázku je naznačeno vychýlení siločar v místě trhliny vycházející z povrchu předmětu, na dolním obrázku jejich vychýlení v blízkosti dutiny nalézající se pod povrchem předmětu. V místech, kde siločáry vystoupí nad povrch předmětu, se vytvoří elementární magnetické póly. Jestliže je na povrch předmětu nanesen feromagnetický prášek (jemné železné piliny, práškový oxid železa), zachytí se na magnetických pólech. Předměty je také možno polévat suspenzí feromagnetického prášku v oleji.

Z obrázků je zřejmé, že touto metodou je možno zjistit povrchové vady a vady ležící uvnitř materiálu blízko jeho povrchu. Hlouběji položené vady tato metoda nezaznamená.

Magnetizace se provádí různými způsoby. Vždy tak, aby tok siločar byl kolmý nebo šikmý vůči směru vady. Úzké trhliny ležící ve směru toku siločar jejich vychýlení nezpůsobí.

Nejjednodušším způsobem aplikace této metody je vložení zkoušeného předmětu mezi póly permanentního magnetu. Oproti zde uvedenému schematickému náčrtu je ovšem nutno konstruovat magnet tak, aby bylo možno vzdálenost pólů uzpůsobovat rozměrům zkoušeného předmětu. Pro zjištění vad s různou orientací je nutno předmět vkládat v několika vhodných polohách. Stejný princip má magnetizace pomocí stejnosměrného elektromagnetu. V obou popsaných případech dochází k podélné magnetizaci.

U předmětů rotačních tvarů se používá také kruhová (cirkulární, příčná) magnetizace, při které je zkoušený předmět zapojen přímo do elektrického obvodu jako jeho součást. Kruhové magnetické siločáry leží v rovinách kolmých na osu předmětu. V místě podélné trhliny nebo trhliny šikmo položené vůči ose předmětu kruhové siločáry vystoupí nad povrch předmětu. Trhliny ležící v rovinách kolmých na osu předmětu není možno touto metodou zjistit.

Z podstaty magnetických zkoušek je zřejmé, že jsou použitelné pouze pro magnetické materiály.

 

Zjišťování vnitřních vad

Nejčastějšími způsoby zjišťování vnitřních vad materiálu je prozařování elektromagnetickým vlněním s velmi krátkými vlnovými délkami a průchod ultrazvukového vlnění.

Zkoušky prozařováním

Metoda je založena na rozdílné průchodnosti elektromagnetického záření s velmi malou vlnovou délkou (10-9 až 10-12 m), to jest rentgnenova záření a záření gama, materiály různé hustoty.

Zdrojem rentgenova záření je zvláštní elektronka (rentgenka) nebo kruhový urychlovač – betatron. Zdrojem záření gama jsou přirozené radioaktivní prvky (radium, radon) nebo umělé radioaktivní zářiče, radioizotopy (kobalt Co 60, cesium Cs 137, iridium Ir 192, thulium Tm 170).

Intenzita záření se při průchodu materiálem zeslabuje v závislosti na hustotě materiálu - materiály s vyšší hustotou záření zeslabují více než materiály s hustotou menší. Intenzita záření, které prošlo zkoušeným materiálem, se zjišťuje vizuálně na fluorescenčním štítu nebo fotochemicky, to jest působením záření na citlivou vrstvu fotografického filmu (existují i složitější způsoby zjišťování intenzity procházejícího záření).

Princip zkoušky s použitím fotografického záznamu (radiogramu) je naznačen v obrázku. Jestliže hustota látky tvořící vadu materiálu je menší než hustota vlastního zkoušeného materiálu, budou paprsky procházející vadou méně zeslabeny než paprsky procházející jejím okolím. To se projeví tmavším obrazem vady na citlivé vrstvě filmu. Rozdíl ztmavnutí filmu pod vadou a mimo ni ukazuje na rozměr vady ve směru průchodu záření.

Čím menší je vlnová délka záření, tím snáze prochází záření materiálem. Proto je možno u ocelových předmětů použít rentgenova záření do tloušťky asi 75 mm, záření gama do tloušťky asi 200 mm a velmi krátkovlnného záření betatronu do tloušťky asi 350 mm. Kontrolovatelné tloušťky jiných materiálů je možno přibližně určit vynásobením hodnot uvedených pro ocel poměrem hustoty oceli a daného materiálu.

Z principu zkoušky je zřejmé, že prozařováním není možno zjišťovat vady, jejichž rozměr ve směru průchodu záření je malý – rozdíl ztmavnutí citlivé vrstvy filmu pod vadou a mimo ni je nezjistitelný. Vada bývá rozeznatelná, jestliže její rozměr ve směru průchodu záření činí alespoň 3 %,  v nejpříznivějších případech 1 %, celkové tloušťky zkoušeného předmětu. Proto zkoušky prozařováním nejsou použitelné například u materiálů tvářených, u nichž byly větší dutiny vzniklé při lití následným válcováním nebo kováním stlačeny, aniž došlo v důsledku existence separujících zoxidovaných povlaků k dokonalému spojení jejich stěn.

Přístroje pracující s rentgenovým zářením jsou stabilní, přístroje pracující se zářením gama jsou poměrně malé a přenosné.

Při použití popisovaných metod je nutno dodržovat velmi přísné bezpečnostní předpisy.

Zkoušky ultrazvukem

Ultrazvukem je obecně nazýváno akustické vlnění s frekvencí vyšší než je kmitočet slyšitelný lidským uchem, to jest nad 20 kHz. V defektoskopii se však užívá ultrazvukového vlnění o kmitočtu od 1 do 15 MHz.

Zkouška je založena na skutečnosti, že ultrazvukové vlnění se při dopadu na rozhraní dvou látek zčásti odráží, zčásti lomí a zčásti rozhraním prochází. Poměr těchto složek závisí na druhu stýkajících se látek. Čím více se liší jejich hustoty, tím větší část vlnění se odráží.

Zdrojem ultrazvukového vlnění je zpravidla destička zhotovená z piezoelektrického krystalu. Při zapojení do elektrického obvodu se destička rozkmitá jeho kmitočtem a předává (vysílá) vlnění do okolního prostředí. Naopak při dopadu ultrazvukových vln na piezoelektrickou destičku vzniká na jejích stěnách střídavé napětí. Proto mohou destičky sloužit jako vysílač i jako přijímač vlnění.

Základními způsoby zkoušení materiálů ultrazvukem je metoda odrazová a metoda průchodová.

Na obrázku je naznačen princip odrazové metody prováděné přístrojem se dvěma sondami. Generátor kmitání vyšle krátký impuls do vysílače. Současně je impuls vyslán přes zesilovač do osciloskopu, na jehož stínítku se objeví výkmit – tak zvané základní echo. Z vysílače vystoupí svazek ultrazvukového
vlnění do vnějšího prostředí. Protože na rozhraní kovu a vzduchu nastává skoro stoprocentní odraz vln a vlnění by do předmětu vůbec nevstoupilo, je nutno mezi vnější plochou vysílače a povrchem zkoušeného materiálu vytvořit přechodovou vrstvu z vody, oleje, glycerinu nebo vazelíny. Není-li v cestě vlnění žádná vada, projdou vlny celou tloušťkou materiálu, od rozhraní kovu a vzduchu na spodní straně předmětu se odrazí a projdou kovem do přijímací sondy. Dopadem vlnění na piezoelektrickou destičku vznikne střídavý proud, který po zesílení vytvoří na stínítku výkmit nazývaný koncové echo.

Je-li v cestě vlnění vada (dutina, částice strusky, trhlina a pod.), dojde na jejím povrchu k  odrazu části vlnového svazku k přijímači. Tím vznikne na stínítku osciloskopu mezi základním echem a koncovým echem další vý­kmit, tak zvané poruchové echo. Podle vzdálenosti poruchového echa od echa základního je možno posoudit hloubku, ve které se vada nachází.

Obdobou popsaného způsobu je odrazová metoda s užitím jedné sondy, která střídavě funguje jako vysílač a jako přijímač.

Při průchodové metodě jsou obě sondy umístěny na opačných stranách zkoušeného předmětu. Intenzita ultrazvukového toku, který prochází materiálem, může být na straně přijímače měřena ručičkovým indikátorem.

Z principu zkoušky ultrazvukem je zřejmé, že jsou takto zjistitelné všechny vady, které přetínají svazek ultrazvukových vln. Protože ultrazvuk je materiálem jen málo tlumen, je jím možno kontrolovat i předměty o velké tloušťce (u oceli asi do 5 m). Odrazovou metodu je možno použít i tam, kde je přístupný pouze jeden povrch zkoušeného předmětu. Zařízení je poměrně malé, a proto je přenosné. Nehrozí zde nebezpečí poškození zdraví, jako u metod prozařovacích.

Zkouška není vhodná pro hrubozrné heterogenní struktury kovů. Například v odlitcích ze šedé litiny s hrubšími částicemi grafitu pronikne ultrazvuk jen do hloubky několika desítek milimetrů.

Nevýhodou této zkoušky je skutečnost, že neexistuje záznam jejího výsledku, jakým je u zkoušek prozařováním radiogram.