1.5 Fyzikální degradace materiálů Dalibor Vojtěch, Pavel Novák ml., Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství 1.5.1. Plastická deformace Při zatěžování materiálu mechanickou silou dojde k jeho deformaci, tzn. změně tvaru. Deformace závisí na velikosti i na druhu namáhání. Velikost působící síly pak rozhoduje o tom, zda bude deformace elastická (vratná) nebo plastická (nevratná). V praxi existuje mnoho druhů namáhání a deformace, např. v tahu, tlaku, ohybu, krutu, smyku. Často se různé druhy namáhání vzájemně kombinují. Pro vysvětlení deformačního chování kovů se využívá nejčastěji tzv. tahového diagramu. Tento diagram získáme tak, že zkušební vzorek materiálu např. ve tvaru tyčky upevníme do čelistí zkušebního trhacího stroje a natahujeme ho stále se zvyšující silou. Při tom zaznamenáváme závislost smluvního napětí v tahu σ působícího na materiál na relativní deformaci materiálu ε. Obě veličiny jsou definovány následujícími vztahy: F σ = [MPa], So L L = 0 100 [%] L ε, 0 ve kterých F je zatěžující síla, S 0 počáteční průřez zkušební tyče, L délka zkušební tyče a L 0 počáteční délka zkušební tyče. Díky tomu, že počáteční průřez zkušební tyče S 0 je pro danou tahovou zkoušku konstanta, je smluvní napětí přímo úměrné zatěžující síle. Je třeba si uvědomit, že smluvní napětí neodpovídá skutečnému napětí ve vzorku, neboť jeho průřez se během zkoušky mění. Tahový diagram (obrázek 1.5.1) končí v okamžiku přetržení zkušebního vzorku. Obdobně lze zaznamenat rovněž deformaci při namáhání v tlaku, ohybu atd. Tahová zkouška však bývá v praxi nejčastější. V tahovém diagramu (obrázek 1.5.1) rozlišujeme dvě oblasti deformací. První oblast označená I odpovídá pružné (elastické) deformaci a druhá oblast označená II deformaci trvalé (plastické). V úzké oblasti I se materiál deformuje pružně (elasticky), tzn., že po odlehčení se vrací do původního tvaru (chová se jako pružina). Na atomární úrovni je tato deformace spojena pouze s malým vychýlením atomů z rovnovážných poloh. V této oblasti je závislost napětí na relativní deformaci lineární a popisuje ji Hookův zákon: σ = E ε, 1 Koroze a degradace kovových materiálů 73
kde E [GPa] je modul pružnosti v tahu. V závislosti na typu namáhání existují rovněž moduly pružnosti v tlaku, ohybu atd. Modul pružnosti v tahu je důležitá materiálová vlastnost. Obrázek 1.5.1 Tahový diagram s vyznačením oblasti pružné (I) a plastické (II) deformace V oblasti II (obrázek 1.5.1) se materiál deformuje trvale (plasticky), tzn., že po odlehčení se již do původního tvaru nevrátí. Plastická deformace vyžaduje nižší nárůst napětí (zatížení) než deformace elastická, o čemž svědčí nižší směrnice křivky v oblasti II v porovnání s oblastí I (malému nárůstu napětí odpovídá velká deformace materiálu). Její mechanizmus tedy není možno hledat v hromadném přeskupování velkého počtu atomů najednou, neboť takový mechanizmus by vyžadoval obrovské napětí. Plastická deformace kovů probíhá mechanismem, který se nazývá skluz. Schematicky je skluz krystalu ukázán na obrázku 1.5.2. Tento mechanizmus si představujeme jako vzájemné posunutí dvou částí krystalu podél tzv. skluzové roviny (roviny skluzu). Ke skluzu nedochází porušením a následným obnovením všech vazeb podél skluzové roviny najednou, nýbrž pohybem mřížkových poruch dislokací, viz obrázek 1.5.2b. Tento pohyb dislokací se nazývá rovněž skluz. Dislokace přítomné uvnitř krystalu (vznikají již během tuhnutí roztaveného kovu) jsou vlivem vnějšího napětí uvedeny do skluzového pohybu a dosáhnou-li povrchu krystalu, projeví se to jako stupínek. Makroskopická deformace je spojena s výstupem velkého počtu dislokací na povrch krystalu. Posunutí částí krystalu průchodem dislokací je energeticky mnohem méně náročné než hromadné porušování všech vazeb podél skluzové roviny. Při skluzu dislokace totiž dochází k porušování vazeb jen mezi atomy v těsném okolí dislokace a vazby ve větší vzdálenosti zůstávají nezměněny (obrázek 1.5.2b). Stejným způsobem probíhá i skluz uvnitř jednotlivých zrn v polykrystalickém kovu, přičemž hranice zrn působí jako 1 Koroze a degradace kovových materiálů 74
překážky pro pohyb dislokací. Přítomnost hranic zrn tedy vede ke zpevnění materiálu. Čím je velikost zrn v materiálu menší, tím více hranic zrn se v něm nachází a tím vyšší je odolnost materiálu vůči plastické deformaci. Obr.1.5.2. Vzájemné posunutí (skluz) dvou částí krystalu (a), ke kterému dochází pohybem dislokací ve skluzových rovinách a jejich výstupem na povrch krystalu (b) Z tahového diagramu lze odečíst několik základních mechanických vlastností kovových materiálů (viz obrázek 1.5.3): modul pružnosti v tahu, mez kluzu, mez pevnosti v tahu a tažnost. Modul pružnosti v tahu E určuje odpor materiálu proti pružné deformaci tuhost, viz obrázek 1.5.3a. Důležitým parametrem odpovídajícím maximálnímu smluvnímu napětí, které může být na daný materiál v tahu aplikováno, je mez pevnosti v tahu R m, viz obrázek1.5.3a. Mezi pevnosti tedy nemusí odpovídat poslední bod tahového diagramu. Pokles tahové křivky v poslední části, který nastává u některých materiálů, je způsoben lokálním zaškrcením zkušebního vzorku, při kterém klesá síla a tudíž smluvní napětí nutné k deformaci. Mez kluzu je smluvní napětí, při kterém začíná trvalá (plastická) deformace zkušební tyče. Je to důležitý údaj, který omezuje velikost provozního namáhání dané součásti, aby nedošlo k jejím nevratným deformacím. U řady materiálů je přechod mezi lineární (elastickou) oblastí I a nelineární (plastickou) oblastí II v tahovém diagramu plynulý a neostrý. Začátek plastické deformace nelze zcela přesně určit a v takových případech je proto definována tzv. smluvní mez kluzu, což je smluvní napětí, při kterém plastická deformace dosáhne předepsané hodnoty, nejčastěji 0,2 %. Smluvní mez kluzu se pak označuje R P 0,2. Odečtení této veličiny z tahového diagramu se provádí tak, viz obrázek 1.5.3b, že hodnotou 1 Koroze a degradace kovových materiálů 75
0,2 % na horizontální ose vedeme rovnoběžku s lineární částí křivky a průsečík této rovnoběžky s tahovou křivkou definuje hodnotu R P 0,2. Obr.1.5.3. Odečtení základních mechanických vlastností materiálů z tahového diagramu: a) modul pružnosti v tahu E a mez pevnosti v tahu R m, b) smluvní mez kluzu R P 0,2. Plastické vlastnosti materiálu charakterizuje tzv. tažnost A, což je trvalá relativní deformace po přetržení zkušební tyče. Její výpočet se provádí dle rovnice: L L max. 0 A, = L 0 100 [%] ve které veličina L max. znamená maximální délku zkušební tyče po přetržení. Vedle tažnosti se k vyjádření plastických vlastností používá ještě tzv. kontrakce Z. Vztahuje se k průřezu zkušební tyče S a je definována jako: Z = S S S 0 min. 0 100 [%] kde S 0 je počáteční průřez tyče a S min. nejmenší průřez po přetržení. Plastickou deformaci materiálu za provozu lze považovat za degradaci, neboť při ní dojde k trvalé změně tvaru. Zdeformovaná součást již obvykle nemůže plnit účel, pro který byla zkonstruována. Znamená to, že konstrukční části musejí být navrhovány tak, aby při provozním zatížení nebyly přetěžovány a aby nebyla překročena mez kluzu materiálu. 1.5.2. Vznik trhlin, lomy V předchozí kapitole je ukázán tahový diagram, který popisuje deformační chování materiálů. Tahový diagram končí v okamžiku lomu (přetržení) zkušebního vzorku. Lom materiálu lze definovat jako oddělení jeho jednotlivých částí působením mechanické síly. Je třeba si však uvědomit, že tahové diagramy nám poskytují pouze informativní hodnoty napětí, při kterých k lomu v tahu dochází, neboť jsou konstruovány pro poměrně malé 1 Koroze a degradace kovových materiálů 76
zkušební vzorky normovaných tvarů. U konstrukčních součástí může dojít k lomu při napětích nižších než odpovídá mezi pevnosti daného materiálu a dokonce i mezi kluzu a to vlivem přítomnosti defektů nebo například v případě únavového poškození (kapitola1.5.3). Kromě zatěžování v tahu bývají kovové součásti v provozu zatěžovány i jinými způsoby (tlak, ohyb, krut atd.). Hlavní příčiny lomů kovových konstrukčních součástí jsou: nadměrné provozní zatížení nadměrné množství defektů v materiálu, viz dále. Při lomu dochází k porušování chemických vazeb v materiálu. Mohlo by se tedy zdát, že síla potřebná k lomu odpovídá pevnosti chemických vazeb. Ve skutečnosti však k lomu dochází při výrazně nižší síle působící na materiál. Příčinou tohoto chování, tzn. příčinou vzniku lomů v materiálech, jsou defekty (vady) v jejich mikrostruktuře. Vady vznikají již během výroby a zpracování kovových materiálů, a mohou to být např.: mikrotrhliny (vznikají např. v důsledku tepelných pnutí) dutiny (vznikají např. v důsledku smršťování materiálů při jejich tuhnutí a chladnutí, v důsledku přítomnosti plynů nebo díky hromadění dislokací u hranice zrn při plastické deformaci) nečistoty (cizorodé částice, vměstky) Defekty jsou v mikrostruktuře materiálů přítomny vždy, je však třeba se snažit technologickou kázní při výrobě materiálů jejich výskyt omezit na minimum. Nebezpečí lomů je větší u rozměrných součástí, neboť u nich je pravděpodobnost výskytu defektů vyšší. Škodlivý vliv defektů je výsledkem výrazné koncentrace napětí v jejich blízkosti. I když je celkové napětí (síla) působící na materiál nízké, může napětí v blízkosti defektu překročit mez nutnou k porušení chemických vazeb. Za těchto podmínek defekt začne růst a dojde k lomu materiálu. Zvlášť negativně v tomto směru působí ostré defekty. Defekty zaoblených tvarů koncentrují napětí méně. Podle průběhu rozlišujeme u kovových materiálů dva druhy lomů lomy houževnaté a lomy křehké. Houževnaté lomy nastávají u tvárných materiálů. Tyto lomy jsou doprovázeny plastickou deformací. V tahovém diagramu na obrázku 1.5.1 je energie spotřebovaná pro deformaci materiálu úměrná ploše pod tahovou křivkou. U plastických materiálů je tedy tato energie mnohem větší v porovnání s materiály křehkými (u křehkých materiálů chybí v tahovém diagramu oblast II). Proto je rovněž tvárný lom procesem spotřebovávajícím značnou energii. Z tohoto důvodu jsou materiály, u kterých tvárný lom 1 Koroze a degradace kovových materiálů 77
nastává, proti lomu poměrně odolné. Naproti tomu křehké lomy nastávají u křehkých materiálů. Jsou tedy typické pro sklo, keramiku, avšak mohou nastat i u některých kovů např. za nízkých teplot, viz dále. Vzhledem k tomu, že šíření křehkého lomu spotřebovává málo energie, probíhá tento lom náhle a velmi rychle. Proto jsou křehké lomy u nosných kovových konstrukčních součástí velmi nebezpečné a je třeba pečlivě sledovat odolnost materiálů proti křehkému lomu. Odolnost materiálu proti křehkému porušení je obecně nazývána houževnatost. Veličiny, které houževnatost materiálů popisují, jsou např. vrubová houževnatost a lomová houževnatost. Vrubová houževnatost KCV (KCU) [J cm -2 ] charakterizuje energii nutnou k přeražení zkušebního vzorku s uměle vytvořeným vrubem vztaženou na jeho průřez. Při měření lomové houževnatosti se zatěžuje normovaný vzorek s uměle vytvořenou trhlinou o velikosti a. Při zatížení napětím σ je součinitel intenzity napětí K I [MPa m 1/2 ] roven: K I = Y σ π a kde faktor Y zahrnuje tvar a velikost trhliny a geometrii vzorku. Římská číslice I v označení K I představuje způsob namáhání, v tomto případě jednoosé namáhání kolmé ke směru šíření trhliny. Lomová houževnatost K IC [MPa m 1/2 ] je pak definována jako kritická hodnota součinitele intenzity napětí K I, při které nastane růst trhliny. Vysokou houževnatostí se vyznačují plastické kovy a slitiny porušující se převážně houževnatým lomem. Naopak kovové materiály s vysokou pevností, mezí kluzu a s nízkou tažností mají vrubovou houževnatost nízkou. Nízkou vrubovou houževnatost mají v porovnání s kovovými materiály i materiály polymerní, viz tabulka 1.5.1. Tab.1.5.1. Ilustrativní hodnoty vrubové houževnatosti KCV různých materiálů (20 C) Materiál KCV [J cm -2 ] Materiál KCV [J cm -2 ] epoxid. pryskyřice 9 nízkouhlíkové oceli 100 polystyren 1 hliníkové slitiny 30 Na houževnatost má výrazný vliv teplota s klesající teplotou obecně houževnatost klesá. Lomu lze předcházet vhodnou konstrukcí zařízení tak, aby součást nebyla přetěžována, a vhodnou volbou materiálu a technologie jeho zpracování, aby se omezila přítomnost defektů, které by mohly působit jako koncentrátory napětí a vést tak k iniciaci lomu (především mikrotrhliny, mikrodutiny a vměstky). Důvodem pro vyřazení součásti není až dolomení, ale již šíření trhlin. Šířením trhlin dochází ke snížení plochy, na které působí síla 1 Koroze a degradace kovových materiálů 78
a tak vzrůstá napětí. Na čele trhliny rovněž dochází ke koncentraci napětí. To vede k lomovému porušení. 1.5.3. Únava Pojmem únava jsou označovány změny vlastností materiálů vedoucí až k jejich porušení vlivem cyklického (obecně proměnného) namáhání. Je důležité si uvědomit, že při proměnném zatěžování může po určitém počtu zatěžovacích cyklů dojít k únavovému lomu materiálu, i když velikost zatěžovacího napětí je nižší než je mez pevnosti a mez kluzu. Únavové poškození materiálů lépe odráží jejich skutečné provozní namáhání, neboť většina konozní namáhání,částí je v provozu vystavena spíše proměnlivému zatížení než zatížení statickému. Testování únavového chování materiálů lze provádět mnoha způsoby zatěžování (tahtlak, pulzující tah, pulzující tlak, ohyb, krut atd.). Materiál je cyklicky zatěžován napětím σ s amplitudou σ a (viz obrázek 1.5.4a) tak dlouho, než dojde k únavovému lomu. Závislost amplitudy napětí σ a na počtu zatěžovacích cyklů N (v logaritmických souřadnicích) do lomu materiálu se nazývá Wöhlerova (únavová) křivka. Dva možné průběhy této křivky jsou ukázány na obr.1.5.4.b. Křivky mají klesající charakter, což znamená, že čím nižší amplitudou napětí materiál zatěžujeme, tím vyšší počet cyklů vydrží. Z Wöhlerovy křivky lze stanovit maximální počet cyklů (životnost) materiálu při daném zatížení nebo naopak maximální zatížení při daném počtu cyklů (životnosti). Z obrázku 1.5.4b vidíme, že pokles Wöhlerovy křivky typu A, která je charakteristická např. pro ocel, se po určitém počtu cyklů zastaví. To znamená, že lze stanovit amplitudu napětí, při které materiál teoreticky vydrží neomezený počet zatěžovacích cyklů. Taková veličina se nazývá mez únavy σ c. U jiných materiálů (např. slitiny hliníku) Wöhlerova křivka neustále klesá (typ B), což znamená, že je třeba definovat tzv. časovanou (smluvní) mez únavy σ N, která odpovídá předem zvolenému počtu cyklů do lomu (např. 5 10 8 cyklů). Obrázek 1.5.4 a) Průběh napětí σ při cyklickém namáhání (σ a -amplituda napětí), b) Wöhlerovy křivky (A-oceli, B-hliníkové slitiny, N-počet zatěžovacích cyklů do lomu, σ c -mez únavy, σ N -časová mez únavy) 1 Koroze a degradace kovových materiálů 79
Příčinou únavového poškození materiálů jsou nevratné změny způsobené cyklickou plastickou deformací. I když je materiál cyklicky zatěžován celkově v elastické oblasti, dochází v okolí přítomných defektů ke koncentraci napětí a k mikroplastické deformaci. Cyklická plastická deformace je proces neustále pohlcující energii, což se nakonec projeví v únavovém lomu materiálu. Únavový proces má několik stádií: Nejprve dochází k určitým změnám mechanických vlastností materiálu. Následuje vznik únavové trhliny, k čemuž dochází často na povrchu součásti. Únavová trhlina se postupně šíří a tento proces může trvat i řadu let. Jestliže se sníží nosný průřez součásti pod určitou mez, dojde nakonec k rychlému dolomení součásti. Jednotlivá stádia únavového procesu lze sledovat na výsledné lomové ploše materiálu. Šíření únavové trhliny odpovídá charakteristický žlábkovitý reliéf lomové plochy, tzv. únavové striace. Únavovou životnost kovových materiálů ovlivňuje zejména: kvalita povrchu velikost zrna přítomnost korozního prostředí teplota Kvalita povrchu materiálu má na únavové chování výrazný vliv, neboť na povrchu obvykle vznikají únavové trhliny. Pokud chceme zvýšit únavovou životnost, je třeba maximálně omezit přítomnost míst na povrchu, kde by takové trhliny mohly vzniknout. Takovými místy jsou např. ostré vruby, závity, nedokonalé svary, vměstky. Výrazného zvýšení meze únavy lze rovněž dosáhnout vnesením tlakového pnutí do povrchové vrstvy, což lze realizovat např. zvláštním způsobem tryskání (zpracovávání povrchu proudem tvrdých částic), tzv. kuličkováním nebo u uhlíkových ocelí povrchovým kalením. Povrchové kalení spočívá v ohřevu pouze povrchové vrstvy materiálu. Za tímto účelem se využívá indukčního ohřevu, ohřevu plamenem nebo laserem. Materiál je následně zakalen např. vodní sprchou. Pro zvýšení meze únavy (únavové životnosti) je rovněž žádoucí jemnozrnná struktura, neboť hranice zrn jsou překážkou pro šíření únavové trhliny. Vzrůst teploty většinou způsobuje pokles únavové životnosti, neboť se snižuje mez kluzu materiálu, a tudíž se zvyšuje velikost cyklické plastické deformace. Výjimkou jsou materiály, u nichž dochází při určitých teplotách ke zkřehnutí (oceli). U těchto materiálů naopak přechod z křehkého do houževnatého stavu při překročení tranzitní teploty vede ke zvýšení meze únavy. 1 Koroze a degradace kovových materiálů 80
1.5.4. Opotřebení Opotřebení materiálu znamená souhrn obvykle nežádoucích změn jeho povrchu a jeho rozměrů vlivem kontaktu s jiným materiálem nebo médiem. Podle povahy materiálu nebo média, které opotřebení způsobuje, rozlišujeme několik druhů opotřebení, z nichž podrobněji zmíníme opotřebení: - abrazní - adhezní - erozní - kavitační - vibrační - kontaktní únavové Abrazní opotřebení je poškozování povrchu materiálu tvrdými částicemi nebo tvrdým drsným povrchem jiného materiálu, přičemž dochází k tvorbě rýh. Tvrdé částice při tomto procesu mohou vnikat do povrchu materiálu. Velikost opotřebení abrazí roste s rostoucí tvrdostí abrazních částic a naopak klesá s rostoucí tvrdostí opotřebovávaného materiálu. Proto jsou proti abrazi odolné takové materiály jako např. kalené, cementované nebo nitridované oceli. K adheznímu opotřebení dochází na styku dvou nerovných povrchů materiálů (např. kluzná ložiska). V místech styku vznikají značné meziatomové síly (adheze), čímž dochází při vzájemném pohybu k vytrhávání částic z povrchu materiálu a k jejich přenášení. Adhezní opotřebení se snižuje, pokud se třecí dvojice skládá ze dvou tvrdých materiálů (kalené oceli, slinuté karbidy atd.). Výhodné je rovněž, pokud je jeden materiál tvrdý a druhý měkký (např. ocel-polyethylen, ocel-olovo). V tomto případě je však nutné zajistit dostatečné mazání styčné plochy a dostatečné čištění cirkulujícího oleje od abrazních částic. Rovněž je třeba počítat s určitou deformací měkčího materiálu. K eroznímu opotřebení dochází pokud je povrch materiálu poškozován intenzivně proudící kapalinou, plynem nebo pevnými částicemi nesenými proudem kapaliny nebo plynu. Částice, které mohou být i měkčí než je samotný materiál, způsobují poškození zejména svojí vysokou kinetickou energií. Kavitační opotřebení vzniká v proudících kapalinách (potrubí, oběžná kola čerpadel atd.). V místech, kde dochází k náhlému vzrůstu rychlosti proudění, klesá tlak kapaliny a pokud poklesne pod tenzi nasycených par, vznikají parní bubliny. V oblastech s vyšším 1 Koroze a degradace kovových materiálů 81
tlakem tyto bubliny zanikají, což je doprovázeno velkými hydrodynamickými rázy, které poškozují povrch materiálu. Vibrační opotřebení se projevuje oddělováním částic materiálu v místech vzájemných kmitavých posuvů kontaktních ploch, které jsou rovněž zatěžovány kolmo působící silou. K tomuto mechanismu opotřebení dochází především v případě, že je amplituda pohybu větší, než lze vyrovnat elastickou deformací povrchů. S rostoucí amplitudou pohybu vzrůstá intenzita vibračního opotřebení. Odolnost materiálů proti vibračnímu opotřebení roste s tvrdostí povrchu a rovněž výrazně závisí na schopnosti materiálu tvořit oxidy, zabraňující kontaktu kovových povrchů. Kontaktní únavové opotřebení vzniká při cyklicky opakovaném styku dvou součástí, při němž se vykytují vysoké lokální tlaky. Obvykle k němu dochází při kontaktu dvou těles se zakřivenými styčnými plochami, například na boční straně zubů ozubených kol. Únavové trhliny vznikají nejprve v povrchové vrstvě, poté se spojují, až dojde k vylamování povrchu. Typickým projevem je tvoření důlků nebo odprýskávání povrchové vrstvy materiálu. Odolnost proti poškození materiálu kontaktní únavou vzrůstá s tvrdostí materiálu a naopak klesá s množstvím vměstků v materiálu a s drsností povrchu. Literatura ke kapitole 1.5 Pluhař J., Koritta J.: Strojírenské materiály. SNTL Praha 1981 Vojtěch D.: Kovové materiály, Skriptum, Vydavatelství VŠCHT Praha 2006. Macek K. a kol.: Strojírenské materiály. Skriptum, Vydavatelství ČVUT Praha 2003. 1 Koroze a degradace kovových materiálů 82