Tažnost

Rozbalit box

Obsah boxu

Tažnost (také duktilita) je klíčová mechanická vlastnost materiálů, která popisuje jejich schopnost deformovat se pod tahovým zatížením. Vyjadřuje míru plastické (trvalé) deformace, kterou je materiál schopen snést, než dojde k jeho porušení (přetržení). Materiály s vysokou tažností se označují jako houževnaté nebo tažné, zatímco materiály s nízkou tažností se nazývají křehké.

Typickými příklady tažných materiálů jsou mnohé kovy jako měď, hliník, zlato nebo nízkouhlíková ocel. Tyto materiály lze snadno vytahovat do podoby drátů, válcovat na tenké plechy nebo kovat do složitých tvarů. Naopak keramika, sklo nebo litina jsou příklady křehkých materiálů, které se při dosažení meze pevnosti poruší náhle, bez předchozí viditelné deformace.

Tažnost je zásadní vlastností v inženýrství a stavebnictví, protože tažné materiály poskytují před selháním konstrukce varování ve formě viditelné deformace. Křehké porušení je naopak náhlé a často katastrofické. Měření tažnosti se provádí standardizovanou tahovou zkouškou.

⚙️ Definice a měření

Tažnost není absolutní hodnota, ale kvantifikuje se pomocí dvou hlavních parametrů získávaných z tahové zkoušky, při které je zkušební těleso definovaných rozměrů nataženo až do přetržení.

Tažnost (prodloužení)

Tažnost, označovaná jako A (nebo řeckým písmenem delta, δ), vyjadřuje trvalé prodloužení zkušební tyče po přetržení vztažené k její původní délce. Udává se v procentech a vypočítá se podle vzorce:

$A = \frac{L_{u} - L_{0}}{L_{0}} \cdot 100 [%]$

kde:

L_u je délka zkušební tyče po přetržení (měřená po složení obou částí k sobě).
L₀ je původní měřená délka tyče.

Vyšší procentuální hodnota znamená vyšší tažnost materiálu.

Kontrakce (zúžení)

Kontrakce, označovaná jako Z (nebo řeckým písmenem psí, ψ), popisuje zúžení průřezu zkušebního tělesa v místě přetržení. Tento jev se nazývá tvorba "krčku". Kontrakce se rovněž udává v procentech a je definována vztahem:

$Z = \frac{S_{0} - S_{u}}{S_{0}} \cdot 100 [%]$

kde:

S₀ je původní plocha průřezu zkušební tyče.
S_u je nejmenší plocha průřezu po přetržení (v místě krčku).

Kontrakce je často považována za přesnější měřítko tažnosti, protože není závislá na původní délce zkušebního tělesa. U vysoce tažných materiálů může kontrakce dosahovat i přes 80 %.

Obě hodnoty, tažnost i kontrakce, se odečítají z pracovního diagramu (křivky napětí-deformace), který je výstupem tahové zkoušky. Oblast za mezí kluzu až po bod přetržení reprezentuje plastickou deformaci, jejíž rozsah přímo souvisí s tažností.

🔬 Fyzikální podstata

Tažnost kovových materiálů je úzce spjata s jejich krystalovou strukturou a chováním defektů v této struktuře, především dislokací.

Plastická deformace v kovech probíhá primárně pohybem dislokací podél specifických krystalografických rovin, tzv. skluzových systémů. Materiály s krystalovou mřížkou, která má mnoho dostupných skluzových systémů, jsou typicky velmi tažné. To platí zejména pro kovy s kubickou plošně centrovanou mřížkou (FCC), jako jsou hliník, měď, zlato, stříbro a nikl.

Naopak materiály s menším počtem skluzových systémů nebo s mřížkou, která klade pohybu dislokací větší odpor, bývají méně tažné. To se týká například kovů s hexagonální těsně uspořádanou mřížkou (HCP), jako jsou zinek nebo hořčík.

Ocel, která má obvykle kubickou prostorově centrovanou mřížku (BCC), má svou tažnost silně závislou na teplotě. Pohyb dislokací v mřížce je základem pro procesy jako tváření za studena, kde je materiál permanentně deformován bez porušení.

🌡️ Faktory ovlivňující tažnost

Tažnost není konstantní vlastností daného materiálu, ale je ovlivněna řadou vnějších i vnitřních faktorů.

Teplota

Teplota má na tažnost zásadní vliv. Obecně platí, že se zvyšující se teplotou tažnost roste. Atomy v krystalové mřížce mají více tepelné energie, což usnadňuje pohyb dislokací.

U některých materiálů, zejména ocelí s BCC mřížkou, existuje tzv. tranzitní teplota (také teplota křehkého lomu). Pod touto teplotou se materiál chová křehce a lomí se bez výrazné plastické deformace. Nad touto teplotou se chová houževnatě (tažně). Tento jev byl příčinou katastrof, jako bylo například potopení lodi RMS Titanic, jejíž ocelové pláty při nízké teplotě vody zkřehly.

Rychlost deformace

Vyšší rychlost zatěžování (deformace) obecně snižuje tažnost. Materiál má méně času na to, aby se dislokace v jeho struktuře stačily přeskupit, a proto dojde k porušení dříve. Při velmi vysokých rychlostech zatížení (např. při nárazu) se i houževnatý materiál může chovat křehce.

Stav napjatosti

Víceosá napjatost, kdy na těleso působí napětí ve více směrech, může omezit plastickou deformaci a snížit tak zdánlivou tažnost. Naopak vysoký hydrostatický tlak může tažnost materiálu zvýšit.

Mikrostruktura a chemické složení

Velikost zrna: Jemnozrnné materiály mají obvykle lepší kombinaci pevnosti a tažnosti než hrubozrnné.
Chemické složení: Přítomnost legujících prvků nebo nečistot může tažnost dramaticky změnit. Například uhlík v oceli zvyšuje její pevnost, ale snižuje tažnost. Síra nebo fosfor mohou způsobit tzv. křehkost za tepla nebo za studena.
Tepelné zpracování: Procesy jako žíhání zvyšují tažnost tím, že odstraňují vnitřní pnutí a obnovují krystalovou strukturu. Naopak kalení vede ke vzniku velmi tvrdých, ale křehkých struktur (např. martenzit), čímž se tažnost výrazně snižuje.

🌍 Praktický význam a příklady

Tažnost je jednou z nejdůležitějších vlastností pro výběr konstrukčních materiálů.

Tváření kovů: Technologie jako válcování, kování, lisování nebo tažení drátu jsou zcela závislé na schopnosti materiálu plasticky se deformovat. Bez dostatečné tažnosti by tyto procesy nebyly možné.
Konstrukční bezpečnost: V aplikacích, jako jsou mosty, tlakové nádoby, karoserie automobilů nebo nosné prvky budov, je vysoká tažnost klíčová. Tažný materiál se v případě přetížení nejprve viditelně zdeformuje (např. prohne), což poskytuje varování a čas na nápravu. Křehký materiál by selhal náhle a bez varování.
Odolnost proti rázům: Houževnaté (tažné) materiály jsou schopny pohltit velké množství energie před porušením, což je činí vhodnými pro součásti vystavené nárazům.

Příklady materiálů

Vysoká tažnost:
- Zlato (Au): Nejtažnější ze všech kovů. Z jedné unce (cca 31 gramů) lze vytáhnout drát dlouhý přes 80 km.
- Platina (Pt): Velmi tažná a kujná.
- Měď (Cu): Vynikající tažnost, široce používaná pro výrobu elektrických vodičů.
- Hliník (Al): Používá se na výrobu plechů a fólií (alobal).
- Nízkouhlíkové oceli: Základní konstrukční materiál s dobrou houževnatostí.

Nízká tažnost (křehké materiály):
- Litina: Vysoký obsah uhlíku činí tento materiál pevným v tlaku, ale velmi křehkým v tahu.
- Keramika: (např. porcelán, oxid hlinitý) Má silné iontové/kovalentní vazby, které brání pohybu dislokací.
- Sklo: Amorfní struktura bez skluzových rovin.
- Vysokouhlíkové oceli (po zakalení): Velmi tvrdé, ale křehké. Používají se na řezné nástroje.

💡 Pro laiky

Představte si tažnost na jednoduchém příkladu: porovnání žvýkačky a suché špagety.

Žvýkačka je jako tažný materiál. Když ji začnete natahovat, bude se prodlužovat a ztenčovat. Než se přetrhne, můžete ji natáhnout na mnohonásobek její původní délky. Tato schopnost hodně se protáhnout před přetržením je přesně to, co nazýváme tažností. V technice je to skvělá vlastnost například pro plech na autě – při nárazu se promáčkne (zdeformuje), ale hned se nerozletí na kusy.

Suchá špageta je jako křehký materiál. Když ji zkusíte ohnout nebo natáhnout, téměř se nezdeformuje. Místo toho se při dosažení určité síly náhle a bez varování zlomí. Nemá téměř žádnou tažnost. To je důvod, proč se materiály jako sklo nebo keramika snadno rozbijí, když upadnou.

V inženýrství jsou tedy pro většinu konstrukcí (mosty, budovy, vozidla) preferovány materiály s vysokou tažností, protože jejich případné selhání není náhlé, ale je mu předcházena viditelná deformace, která slouží jako varování.

Šablona:Aktualizováno