Tvárnost (tažnost a kujnost): definice, příklady a význam u kovů
Tvárnost kovů: jasná definice, rozdíl mezi tažností a kujností, praktické příklady, vliv teploty a tlaku a význam pro průmysl
O tvárnosti hovoříme tehdy, když se pevný materiál při namáhání tahem roztáhne. Pokud je materiál tvárný, může být natažen do drátu. Kujnost, podobná vlastnost, je schopnost materiálu deformovat se pod tlakem (tlakovým namáháním). Pokud je materiál kujný, lze jej zploštit úderem kladiva nebo válcováním.
Obě tyto vlastnosti jsou aspekty plasticity. Plasticita je míra, do jaké lze pevný materiál deformovat, aniž by došlo k jeho porušení. Tyto vlastnosti jsou u kovů běžné a závisí na teplotě a tlaku. Tuto problematiku zkoumal Percy Williams Bridgman v rámci své práce o vysokých tlacích, za kterou získal v roce 1946 Nobelovu cenu.
Tažnost a poddajnost nejdou vždy dohromady. Zlato má vysokou tažnost a kujnost, ale olovo má nízkou tažnost a vysokou kujnost. Slovo tvárnost se někdy používá pro oba typy plasticity.
Zlato, měď, hliník a ocel mají vysokou tažnost.
Jak se tvárnost měří a jaké jsou ukazatele
Nejčastěji se tažnost kvantifikuje v protahovacím zkoušce (tensile test). Z výsledků se uvádějí např.:
- Procentuální prodloužení (% elongation) – poměr mezi konečnou a počáteční délkou zkušebního tělesa po přetržení.
- Snížení průřezu (reduction of area) – udává, o kolik se zmenšil průřez v místě přetržení.
Kujnost se méně často uvádí jedním univerzálním číslem; hodnotí se praktickými zkouškami tváření za studena nebo za tepla (válcování, kování, lisování). Pro návrh technologických procesů se používají také zkoušky tlačením nebo zkušební tvářecí dílce.
Co ovlivňuje tažnost a kujnost
- Krystalová struktura: Kovové mřížky s velkým počtem skluzových systémů (např. fcc – tvárné kovy jako Zlato, měď, hliník) bývají obecně duktilnější než kovy s méně skluzovými systémy (např. některé bcc kovy při nízkých teplotách).
- Čistota a přísady: Legování zvyšuje pevnost, často však za cenu snížení tvárnosti. Nečistoty a druhé fáze (vměstky, inkluze) působí jako koncentrátory napětí a zhoršují tažnost.
- Teplota: Vyšší teplota obvykle zlepšuje tvárnost (tavení a tváření za tepla), zatímco nízké teploty mohou způsobit křehkost.
- Deformační rychlost a stav materiálu: Tvrdnutí za studena (work hardening) snižuje tvárnost; žíhání obnoví tvárnost snížením vnitřního pnutí a zvýšením pohyblivosti dislokací.
- Velikost zrn: Jemnozrnné mikrostruktury obvykle zvyšují pevnost; vliv na tažnost závisí na konkrétním materiálu a mechanismech plastické deformace.
- Specifické formy degradace: Vodíkové či jiné typy křehnutí (hydrogen embrittlement, intergranularní koroze) mohou dramaticky snížit tažnost.
Mikrostrukturální příčina plasticity
Tvárnost je v jádru spojena s pohybem dislokací v krystalické mřížce. Pokud se dislokace mohou snadno pohybovat, materiál se plasticky deformuje; překážky pohybu (srážky, faze, pevná roztoková tuhnutí) zvyšují pevnost, ale omezují plastickou deformaci a tím snižují tažnost/kujnost.
Praktické významy a příklady použití
- Tváření za studena: Vysoká tažnost je klíčová pro procesy jako tažení drátu, lisování dílů nebo hluboké tažení plechů.
- Kování a válcování: Kujnost umožňuje tvarovat materiál silným tlakem bez praskání; proto se kovy často podrobují kování nebo válcování při zvýšené teplotě.
- Bezpečnost a návrh: Materiály s dostatečnou tvárností zpravidla předcházejí náhlému křehkému porušení — místo zlomu se vytváří varování (plastická deformace), což je důležité pro konstrukční návrh.
- Příklady: Zlato lze velmi snadno natahovat do velmi tenkého drátu a rozklepávat do velmi tenkých plátků; některé slitiny olova se dobře tvarují tlakovým tvářením, ale při tahu často praskají.
Tipy pro inženýry a výrobce
- Pro tváření složitých tvarů volit materiály s vyšší tažností nebo používat tváření za tepla.
- Při práci za studena plánovat mezioperační žíhání pro obnovení tvárnosti.
- U citlivých aplikací zvažovat riziko křehnutí (např. vodíkem) a volit vhodné postupy povrchové úpravy a sušení.
Závěr
Tvárnost zahrnuje schopnost materiálu plasticky se deformovat za tahu (tahem) i za tlaku (tlakovým namáháním – kujnost). Je to klíčová vlastnost pro tvarovací technologie a bezpečný návrh konstrukcí. U kovů ji ovlivňují mikrostruktura, teplota, legování a výrobní postupy; proto je při volbě materiálu i při technologickém návrhu třeba zvážit kompromis mezi pevností a tvárností.
Tahová zkouška slitiny hliníku. Místní hrdla a lomové plochy v podobě kalichu a kužele jsou typické pro tvárné kovy.
Tato tahová zkouška litiny vykazuje nízkou tažnost.
Související stránky
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to tvárnost?
Odpověď: O tvárnosti mluvíme tehdy, když se pevný materiál při namáhání v tahu roztahuje.
Otázka: Co je to kujnost?
A: Kujnost je schopnost materiálu deformovat se pod tlakem (tlakovým namáháním).
Otázka: Lze tvárný materiál natáhnout do drátu?
Odpověď: Ano, tvárný materiál lze natáhnout na drát.
Otázka: Může být tvárný materiál zploštěn kladivem nebo válcováním?
Odpověď: Ano, kujný materiál lze zploštit kladivem nebo válcováním.
Otázka: Co je to tvárnost?
Odpověď: Plasticita je míra, do jaké lze pevný materiál deformovat, aniž by došlo k jeho zlomení.
Otázka: Jdou tvárnost a kujnost vždy dohromady?
Odpověď: Ne, tvárnost a kujnost nejdou vždy dohromady. Zlato má vysokou tažnost a kujnost, ale olovo má nízkou tažnost a vysokou kujnost.
Otázka: Které kovy mají vysokou tažnost?
Odpověď: Zlato, měď, hliník a ocel mají vysokou tažnost.
Vyhledávání