IMPACT TESTER - KONTAKTNÍ CYKLICKÉ TESTOVÁNÍ IMPACT TESTER CONTACT CYCLIC TESTING. Antonín Kříž Petr Beneš Jiří Šimeček

Transkript

1 IMPACT TESTER - KONTAKTNÍ CYKLICKÉ TESTOVÁNÍ IMPACT TESTER CONTACT CYCLIC TESTING Antonín Kříž Petr Beneš Jiří Šimeček Department of Material Engineering and Engineering Metallurgy, ZČU-Plzeň, Univerzitní 22, Plzeň , Czech Republic Abstrakt This paper deals with several application options of materials testing using an impact tester. An impact tester is a piece of testing equipment for investigation of response of materials to repeated impact loads. There are several types of this equipment with different designs and effects, which they produce in materials. Impact testers offer the benefit of examination of impact fatigue properties not only in bulk materials but also in layers and coatings. Impact testing is most widely used for testing fatigue properties of those components, which are subjected to repeated impacts and concurrent strong impact shocks. These include machining tools, railway wheels, piston rings and others. 1. ÚVOD Tento článek pojednává o progresivní metodě studia vlastností povrchů pomocí nekonvenční metody impact test. Při zkoušení touto metodou se jedná o cyklické rázové zatížení povrchu definovanou energií úderu. Cílem testu je přiblížit se praktickým a provozním podmínkám s využitím předností laboratorních zkoušek. Těmito přednostmi je definované prostředí a zatížení. Lze tak získat velmi přesné hodnoty korelace mezi chováním materiálu při kontaktním namáhání a podmínkách testu. Tyto výsledky lze s požadovanou přesností přenášet do průmyslové aplikace. Následující kapitoly mají za cíl zachytit vývoj této kontaktní zkoušky, vlastní konstrukční řešení přístroje, metodiku testování i získané výsledky. 2. STAV POVRCHU Povrch materiálu má z hlediska fyzikálních i chemických vlastností svoje specifika, která jsou zcela odlišná od objemových materiálů. Tyto specifika mají zásadní vliv na užitné vlastnosti celého výrobku. Bohužel i přes tento obecný poznatek je stavu povrchu v praxi věnována velmi slabá pozornost. Při řezných operacích se vyhodnocuje především produktivita a trvanlivost nástroje. Stav obrobeného povrchu se nesleduje, popř. se vyhodnocuje pouze prostřednictvím několika vybraných hodnot drsnosti. Přitom nejen reliéf povrchu, který je těmito hodnotami drsnosti často nepřesně popsán, ale také další povrchové stavy mají rozhodující vliv na užitné vlastnosti. V praxi se začínají využívat poznatky vyplývající z americké normy ANSI B , kde je povrch popsán jako komplexní soubor vlastností, které jsou shrnuty pod názvem integrita povrchu. Lze očekávat, že v blízké budoucnosti se tato norma rozšíří i do Evropy. Díky tomu se začnou klást na povrch větší nároky, než tomu bylo doposud. U obrobeného popř. tvářeného výrobku se bude sledovat nejen rozměrová a geometrická přesnost, ale také jeho stav povrchu vyjádřený komplexními charakteristikami. Je důležité, aby se k využití 1

2 možností vyplývající ze zavedení této normy přistupovalo prakticky. U některých součástí i přes nezanedbatelný vliv povrchu není zapotřebí věnovat jeho stavu žádnou pozornost. Na druhou stranu u celé řady výrobků i nepatrná změna stavu povrchu vyvolá podstatné zlepšení užitných vlastností a životností. Jako příklad lze uvést mikroúpravu břitu nástroje. Po této operaci, která trvá pouze několik desítek sekund, je stav břitu nástroje zcela pozměněn. Defektní lokality jsou zaobleny. Tato úprava břitu se projeví nejen na větší trvanlivosti nástroje, ale také na lepším stavu obrobené plochy. Získané poznatky z oblasti vlivu změny stavu povrchu na užitné vlastnosti výrobku je nutné okamžitě přenášet do praxe. Z těchto praktických aplikací byla získána cenná zpětná vazba, která ukázala na nutnost rychlého zachycení sledovaných změn užitných vlastností v souvislosti charakteristikami popisující integritu povrchu. 3. IMPACT TEST V současné době existuje velké množství metod, které analyzují nejen povrchové tenké vrstvy, ale i povrch obecně. S ohledem na požadovanou přesnost výsledku nemůže žádná metoda splnit požadavky komplexního zkoumání a to zejména ve srovnání s praktickým zatěžováním. Autoři tohoto článku věnovali poslední léta pozornost vývoji takové metodice, která by se více přiblížila praktickým aplikacím. Tím byly vytvořeny podmínky pro studium nové metody, která se v zahraničních pramenech označuje jako impact test. Tato metoda není ještě příliš rozšířena. Počet přístrojů ve světě se momentálně pohybuje okolo 5 exemplářů. Vzhledem k výhodám této metodiky se očekává její znatelné rozšíření. 3.1 Historie a základní myšlenka impact testu Impact test pochází z Velké Británie z Univerzity v Hull, kde byl v roce 2000 publikován. V současné době se této metodě věnují také na univerzitě v Řecku (Polytechnic Schoul and Research Committee of Aristoteles University of Thessaloniki). Princip metody spočívá v cyklickém rázovém zatěžování povrchu materiálu indentorem, který většinou tvoří karbidová kulička. Toto zatěžování je prováděno v rychlém sledu definovanou energií. Na povrchu dochází ke vzniku plastické deformace a posléze ke zpevnění povrchových vrstev. Obr.1 a) uspořádání impact testu Fig. 1. a) impact test arrangement b) příklad vytvořeného impact kráteru b) the resulting impact crater 2

3 3.2 Impact kráter Tímto kontaktním zatěžováním vzniká na povrchu poškození, který se označuje jako impact kráter. Po vyčerpání plastických vlastností dochází ke tvorbě různých degradačních jevů, jako jsou trhliny, nebo vrstevnaté odlupy zpevněného materiálu. Předmětem zkoumání je zejména morfologie vzniklé v kráteru, jakož je možné z charakteru zjistit chování materiálu při skutečném provozním zatížení. Postup tvoření impact kráteru je možno rozdělit zhruba na 3 fáze, kdy při prvních úderech dochází k masivní plastické deformaci, při níž se energie díky charakteru indentoru, který tvoří karbidová kulička může působit na relativně malou plochu a velikost kráteru roste vysokou rychlostí. Při druhé fázi se rychlost zvětšování kráteru zastaví zejména z důvodu vyšší stykové plochy mezi kráterem a kuličkou. V této fázi dochází zejména v nejbližším okolí stěn vzniklého kráteru k vyčerpávání plasticity. Ve třetí fázi se iniciuje tvorba trhlin a vylamování zpevněných částí. Další rozšiřování kráteru je realizováno tímto mechanismem. V laboratorních podmínkách se materiály zkouší pouze ve stavu jednoosé napjatosti. V praxi se obvykle nejčastěji vyskytuje víceosá napjatost, proto může impactový kráter poměrně věrně simulovat skutečné provozní zatížení. V kráteru vzniká jak oblast tahová, tak i tlaková. 3.3 Přístrojové vybavení V současné době jsou na pracovišti autorů k dispozici 2 přístroje. Oba tyto přístroje byly zkonstruovány dle vlastního konstrukčního řešení. Každý přístroj má svoje charakteristické vlastnosti, které jsou s výhodou využívány pro různá měření dle podmínek v praxi Mechanický impact tester První původní impact tester má mechanický pohon, který je vytvářen rotací 2 trnů umístěných na unašeči. Indentor je upevněn na rameni, kde je také závaží. Hmotností závaží lze měnit sílu úderu. Vzorek je upevněn objímkou na pohyblivém bloku. Počet úderů je zaznamenán mechanickým počítadlem. Uvolněné částečky jsou odstraňovány průběžně stlačeným vzduchem Elektronicky řízený impact tester Ke konstrukci tohoto přístroje bylo přikročeno zejména z důvodu požadavku na vyšší frekvenci úderů a kvůli přímé regulaci parametrů. Tento přístroj byl zhotovován v několika etapách, při nichž bylo řešeno mnoho různých problémů. Indentor je upevněn na otočném rameni, které je z jedné strany přitahováno pomocí indukční cívky. Na druhé straně ramene jsou pružiny, které při přerušení proudu a ztráty magnetického pole cívky vrátí rameno zpět do horní úvrati. Regulace je provedena pomocí omezení proudu u průmyslového spínaného elektronického zdroje. Spínání je zabezpečeno polovodičovým SSR relátkem. Řízení počtu a prodlevy mezi jednotlivými údery je vyvedeno přímo z počítače přes COM port. Pro tento účel byl napsán speciální softwarový ovladač v jazyce C. Další vylepšení spočívalo ve zprovoznění pohonu pomocí většího elektrického napětí (230V). V tomto případě je regulace založena na použití frekvenčního měniče. V tomto uspořádání je přístroj schopen zajistit pracovní sílu 1200 N s pracovní frekvencí až 50Hz. Pro zajištění průběžného měření zátěžné síly a odezvy materiálu z hlediska zpevnění a útlumu rázu je v současné době odlaďován piezzoelektrický tenzometr. Jeho osazení si vyžádalo další konstrukční úpravy přístroje. 3

4 METAL 2009 Další rozšíření možností bylo provedeno ve spolupráci s firmou Preditest Praha. Touto firmou byl zapůjčen přístroj na měření akustické emise. Cílem osazení přístroje touto měřící aparaturou je zachycení akustických událostí. Ta jsou generována vznikajícími poškozeními. Přístroj je propojen s PC, kde probíhá zpracování dat a v vyhodnocení výsledků. Impact tester dle vlastního konstrukčního řešení. Úder je vyvozen Obr. 2 elektroindukční cívkou, která může zajistit sílu až 1000N při frekvenci 50Hz. Fig. 2 Impact tester built according to own design. The blow is produced by an induction coil, which generates the force of up to 1,000 N at 50 Hz. 3.4 Měření rozměrů impactových kráterů Jedním z nejdůležitějších výsledků získatelných z impact testu je hloubka a také plocha kráteru. Pokud je provedeno na jednom vzorku několik testů s různým počtem úderů při stejné síle, lze takto získat představu chování materiálu při kontaktním namáhání. Každý materiál se vyznačuje různými vlastnostmi jako např. tvrdostí a houževnatostí, a následkem toho při uvedeném zatěžování povrchu vznikají odlišné mechanismy poškození. Hloubka impact kráterů se pohybuje v řádu několika mikrometrů, proto je nutné provést měření hloubky na laserovém konfokálním mikroskopu. Přesnost měření je ovlivňována zejména zvýšenou deformací na okraji kráterů, kde se vytlačený materiál vyhrnuje směrem ven z kráteru (obr. 3). Obr. 3 Vytlačený materiál na okraji kráteru Fig. 3 Material forced towards the crater edges. 4

5 4. SLEDOVÁNÍ VLASTNOSTÍ TENKÝCH VRSTEV PŘI KONTAKTNÍM DYNAMICKÉM NAMÁHÁNÍ Následující příklad byl zařazen, Vrstva Tloušťka z kalotestu aby demonstroval měření (µm) povrchových poškození TiN I. 1,1 iniciovaných na vzorcích opatřených TiN II. 6 různými druhy tenkých vrstev. CrN I. 0,8 Pro test bylo zvoleno 8 vzorků CrN II. 6,9 z nástrojové rychlořezné oceli 19 TiAlCrN I. 2, Ocelové vzorky byly TiAlCrN II. 3,2 deponovány PVD vrstvou jejichž TiAlN multivrstva 1,4 přehled a tloušťka je zachycena v tabulce 1. DLC 1,7 Na těchto systémech byly Tab. 1 Použité vzorky při testu provedeny dvě série testů. První Table 1 Specimens used for the test série experimentů byla provedena na indukčním vysokofrekvenčním impact testeru s energií úderu 0,02 J. Jedním z cílů bylo ověření funkčnosti nového přístroje a zhotovení metodiky měření. S ohledem na pochopení destrukčních mechanismů a dokumentace postupného opotřebování povrchu povlaků bylo použito různého počtu úderů impactů: , , a Některé vzorky, které ani po impactech nevykazovaly žádné známky opotřebení, byly dodatečně podrobeny impactů. Druhá série testů byla provedena na mechanickém přístroji, kterým lze vyvodit větší rázové energie. Byla zvolena dopadová energie rázu 0,17 J. Při tomto testu byly vzorky zatíženy 1000, 2500, 5000, impacty. U všech experimentů byl stav exploatovaného povrchu zdokumentován pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu a proměřen na laserovém scanovacím konfokálním mikroskopu. V tomto příspěvku nelze bohužel uvést všechny výsledky, které jsou zveřejněny ve zprávě[1]. 4.1 Diskuse výsledků Největší odolnost proti rázovému opotřebení měly vrstvy na bázi Cr, tj. vrstvy CrN a AlTiCrN. U těchto vrstev byly hloubky vytvořených kráterů při síle úderů 0,02 J prakticky pod hranicí měřitelnosti. K poškození většího rozsahu došlo až při testování vrstev větší rázovou energií (0,17J), kdy došlo při větším počtu úderů k jejich totální destrukci. Tyto výsledky jsou zřejmě potvrzením platnosti F-N křivky, kdy je pro porušení vrstev více rozhodující intenzita úderu, než vysoký počet cyklů. Dále bylo zjištěno, že zvýšení tloušťky PVD vrstvy nevede ke zvýšení odolnosti vůči rázovému kontaktnímu opotřebení. Po aplikaci vyššího počtu cyklů a při použití větší dopadové energie 0,17 J došlo u všech vrstev v místě dopadu zkušebního tělíska k lokální destrukci vrstvy a k odhalení substrátu. U vrstev, které lze charakterizovat jako měkké, např. TiN docházelo velmi brzy k tvorbě kráteru. Při rozšiřování kráteru docházelo na okrajích impactového kráteru k tvorbě únavových striací, což vedlo v mnoha případech až k tvorbě trhlin. K tomuto jevu docházelo zejména v přechodu mezi okrajem kráteru a volným povrchem, neboť v této oblasti je iniciováno značné tahové napětí. I přes průběžné odstraňování uvolněných částeček porušeného materiálu pomocí trvale přiváděného stlačeného vzduchu došlo v impactovém kráteru k tvorbě 5

6 lokálních mikrosvarů, které se nejvíce koncentrovaly v oblasti uprostřed kráterů. Částečky byly plastickou deformací zapěchovány do dna kráteru, čímž částečně zakryly vzniklá poškození, zejména adhezní poškození vrstvy a mikrotrhliny vznikající uprostřed kráteru. Navíc zapěchované částice mohou i v určité míře ovlivnit skutečné výsledky testů, jelikož vytváří další složitý systém s odlišnými mechanickými vlastnostmi. Autoři proto v současné době věnují pozornost vlivu těchto produktů na výsledné vlastnosti a zároveň realizují konstrukční a metodické změny, které by vedly jejich úplnému odstranění z kontaktní lokality. 5. SLEDOVÁNÍ VLASTNOSTÍ OBJEMOVÝCH MATERIÁLŮ PŘI KONTAKTNÍM DYNAMICKÉM NAMÁHÁNÍ Pro tento experiment byl záměrně vybrán materiál z použitého železničního kola. Cílem experimentu je vytvořit metodiku testování objemových materiálů, které jsou v provozu vystaveny souvislému kontaktnímu namáhání. Po několika světových železničních neštěstích, kdy příčinou bylo poškození železničního kola je těmto testům věnována zvýšená pozornost. Při vyhodnocení příčin destrukce železničních kol bylo jako nejrizikovější místo vytipován stav povrchu. Zde dochází ke kumulaci napětí a tvorba trhlin. Tyto trhliny byly sledovány také na povrchu dodaného použitého železničního kola. Proto také dalším cílem bylo zjistit, za jakých podmínek dochází při definovaném namáhání k dalšímu rozvoji těchto trhlin. Tomu byla přizpůsobena navržená metodika testování. Z opotřebovaného kola bylo z kontaktní plochy odebráno 5 vzorků. Všechny byly podrobeny impact testu s následujícími počty tisíců úderů: Poté byly vzorky zkoumány pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu. Z analýzy kráterů vyplynulo, že při počtu úderů menším, než 500 tis úderů docházelo pouze k tvorbě a odlamování zpevněných blán materiálu. Tvorba trhlin byla iniciována až u kráterů vytvořených 500 tis. údery (obr. 4). a) b) Obr. 4 a) odlupující se blány materiálu ze dna kráteru průměrná tloušťka 4 µm b) detail odtrhující se blány [2] Fig. 4 a) peeling films of the material from the crater bottom; average thickness of 4 µm b) close-up view of the separating film [2] 6

7 Obr. 5 Fig. 5 a) b) a) impact kráter 500 tis úderů b) detail impact kráteru, rozvíjející se trhlina na okraji [2] a) an impact crater upon 500 thousand blows b) close-up view of the impact crater; a crack opening near its edge [2] Impact test dokázal zachytit okamžik, kdy se začíná v materiálu iniciovat nová trhlina. V současné době je těmto lokalitám věnována zvýšená pozornost. Cílem bude jednak popsat stav vnitřního napětí a strukturní změny, které jsou exploatací vyvolány. Tyto výsledky budou dány do souvislostí s výchozím strukturním stavem a výstupem budou technologické i materiálové změny, které by měly snížit riziko vzniku povrchových defektů. Z hlediska přístrojového vybavení budou provedeny další změny. V současné době jsou již využity k popisu vlastností a iniciovaných procesů charakteristiky snímané akustické emise. Tyto výstupy dovolují zachytit iniciaci a rozvoj trhlin v průběhu zatěžování. Pro poskytnutí podrobnějších informací byla zařazena následující kapitola. Rovněž je do metodiky zapracováno využití informací získaných dynamometru, který je umístěn pod vzorkem a udává poznatky nejen o rázové síle a jejím průběhu, ale také o zpěvňovacích a odpevňovacích procesech.. Sledování objemových materiálů si vyžádá další konstrukční změny impact testeru. Tyto změny by měly vést k vytvoření definovaných víceosých napěťových stavů v materiálu. 5. SLEDOVÁNÍ VLASTNOSTÍ PÍSTNÍCH KROUŽKŮ PŘI KONTAKTNÍM DYNAMICKÉM NAMÁHÁNÍ K analýze bylo dodáno 8 vzorků pístních kroužků od různých výrobců[3]. Všechny tyto pístní kroužky byly opatřeny galvanickou vrstvou chrómu. Rozdíl byl jak v tloušťce, tak i skladbě povlaku. Cílem impact testu bylo zjistit, který pístní kroužek má z hlediska dynamického kontaktního cyklického namáhání nejlepší vlastnosti. V běžném provozu se nepředpokládá tento typ namáhání. Avšak při studeném motoru popř. při jeho poruše, kdy je nepravidelný chod, jsou tato namáhání přítomna. Proto byla dopadová energie indentoru volena E = 0,078 J (F = 10N). Na povrchu každého vzorku bylo provedeno 5000 úderů s frekvencí zatěžování 12Hz. Pomocí konfokálního mikroskopu byla zjištěna hloubka vytvořeného Impact kráteru a při 7

8 následné dokumentaci pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu byl zaznamenán charakter poškození. Zkouškou bylo zjištěno, že v případě přítomnosti pórů dochází ke zvýšení odolnosti povrchu kroužku vůči kontaktní únavě. Výrazně se tato odolnost zvýšila snížením drsnosti povrchu následkem jeho přeleštění. Na základě toho bylo doporučeno výrobci, aby zařadil takové operace, které povedou k úpravě povrchu. V současné době jsou tyto pístní kroužky testovány ve zkušebním provozu. 6. ZÁVĚR Autoři očekávají, že v blízké budoucnosti dojde k výraznému prosazovaní sledování stavu povrchu a posuzování jeho přímého dopadu na užitné vlastnosti. Tyto užitné vlastnosti budou hodnoceny také z hlediska kontaktní únavy. K tomuto účelu lze s výhodou využít impact tester a zdokonalenou metodiku testování. Další využití této metody spočívá v oblasti predikování vlastností již provozovaných součástí a zařízení. Pro impact test lze využít velmi malých vzorků (velikost mince), které lze odebrat z provozovaného zařízení, aniž by muselo být odstaveno z provozu. Zjištěné výsledky mohou za určitých podmínek nahradit náročné únavové testy. LITERATURA [1] ŠIMEČEK J. Projevy povrchových vlastností při rázovém zatěžování. diplomová práce, Západočeská Univerzita v Plzni, [2] KŘÍŽ A., BENEŠ P., ŠIMEČEK J,. URBAN J. Sledování kontaktního dynamického namáhání materiálu určeného k výrobě železničních kol. Experimentální zpráva k internímu grantu ZČU v Plzni, [3] KŘÍŽ A., BENEŠ P. Laboratorní analýzy pístních kroužků. Technická zpráva Vypracováno v rámci objednávky č , ZČU v Plzni, Tento příspěvek vznikl na základě řešení interního grantu ZČU v roce 2008 a projektu MŠMF 1M0519 Výzkumného centra kolejových vozidel. 8