Téma práce: Zjišťování rázové pevnosti, konstrukce a výroba demonstračního Charpyho kladiva SVOČ FST 2014 Jakub Ježdík, Jaroslav Šroubek Střední průmyslová škola, Tachov, Světce 1 Česká republika Anotace: V této práci jde o rozšíření základních fyzikálních znalostí v oblasti dynamických zkoušek, konfrontaci teoretických znalostí s praktickými pokusy a konstrukci demonstrační pomůcky včetně demonstrace v praktickém použití. Součástí této práce jsou matematické výpočty a jejich srovnání s praktickými pokusy, které byly vykonány na pomůckách vyrobených v rámci odborné praxe. Klíčová slova: Mechanické zkoušky, Charpy kladivo, vrubová houževnatost. Úvod: Předmětem naší práce je vývoj zkoušek materiálů zaměřený na zjišťování rázové pevnosti, konstrukce a výroba demonstračního Charpyho kladiva a srovnání rázové pevnosti u různých druhů materiálů zkoušených na našem přístroji. V předmětu Strojírenská technologie jsme se dozvěděli, že pro potřeby výroby a konstrukce se konají různé druhy zkoušek - technologické, mechanické, statické a dynamické. V úvodu předmětu KAM nám byl nastíněn vývoj měrných jednotek a způsobů měření různých veličin. Odtud už byl jenom krok k otázce, jak se vyvíjelo normování a zkoušení technických materiálů. V začátku pátrání po odpovědi na položenou otázku jsme si najednou uvědomili, jak málo víme o vývoji věcí, které považujeme za samozřejmé. Napadla nás jistá paralela se zaváděním metrického systému po Francouzské revoluci, kdy jejich zavádění si vyžádal a současně umožnil rozvoj přírodních věd. A začali jsme předpokládat, že za jistou obdobu i ve vědách technických. Zcela nepochybně v dobách řemeslné výroby každý kovář konal technologické zkoušky. Jejich výsledky byly vyhodnocovány zcela subjektivními měřítky. Tyto způsoby přestaly vyhovovat již v dobách manufaktur a zcela nevhodné byly při průmyslové výrobě, kdy se zaváděla rozměrová normalizace a následně vznikaly pokusy na exaktní hodnocení materiálů. Požadavky na znalost vlastností materiálů kromě výroby také plynuly z nároků na bezpečnost nových odvážných konstrukcí a zvyšujících se výkonostních parametrů strojů. V souhrnu lze konstatovat, že různé metody mechanických zkoušek se objevují na přelomu 19. a 20. století a téměř vždy v několika variantách - byla to doba hledání.
Téma práce: Zjišťování rázové pevnosti, konstrukce a výroba demonstračního Charpyho kladiva Při stanovování cíle naší odborné činnosti jsme měli představu, že výstupem naší činnosti by měl být demonstrační zkušební přístroj. Ve vybavení naší školy chybí Charpy kladivo, proto jsme naše zkoumání zaměřili na zkoušku rázové pevnosti. Pevným vodítkem nám byl název zkušebního přístroje podle Francouze G. Charpyho, který o svých zkouškách přednášel již v roce 1901. Podobně jako u zkoušek tvrdosti, kdy se ve stejné době objevilo více metod Brynel, Rockwel, Vickers- se i na rázovou pevnost ve stejné době zaměřil Angličan Izod a navrhl obdobnou zkoušku. Charpy ukládal zkušební těleso na dvě podpory a silou působil uprostřed, Izod silově působil na konec letmo upnutého zkušebního tělesa. Obr č.1 Charpyho metoda Obr č.2 Izodova metoda Pro kontinentální Evropu byla na V. kongresu mezinárodního svazu pro technické zkušebnictví v Kodani v roce 1909 doporučena Charpyho zkouška. Anglie a částečně USA setrvali u zkoušky dle Izoda. Záhy se zjistilo, že zkoušky nejsou srovnatelné. Pro upřesnění popisu vývoje zkoušek je nutné uvést, že původní Charpyho zkušební tělísko byl pěkný kus materiálu, podstatně větší než dnešní. Obr č.3.schéma původní zkušební tyč
Pro praktické zkoušky mnohých polotovarů byla tato velikost nadměrná a nepoužitelná. Proto byl záhy zmenšen průřez na 20x 20 mm, také byla rozmanitost ve tvarech vrubů. Po roce 1931 se sjednocoval názor, že nejlépe by vyhovovala tyč o průřezu 10x10mm a délce 55mm, nebylo však dosaženo jednotného stanoviska o tvaru vrubu. Tyto tvary se již objevily v tehdejší normě ČSN. Po druhé světové válce byla vedena další jednání o tvaru tyčí a vrubu. Tato jednání probíhala v ISO (Mezinárodní standardizační organizaci). Ne všechny národní organizace vydávaná doporučení akceptovaly. Tehdejší Československo se k doporučení ISO připojilo až v roce 1962 (normou ŠN42 0381), dílčí změny proběhly v roce 1972. K zásadní změně došlo v roce 1998, kdy Česká republika přejala evropskou normu EN 10045-1, která nahradila normu ČSN 42 0381 z roku 1962. Základním tvarem je zkušební tyč o průřezu 10x10mm s V vrubem o hloubce 2 mm nebo U vrubem o hloubce 5 mm. Kromě toho tato norma připouští i zkoušky na tyčích menších průřezů než je klasický průřez 10x10 mm. Zkouška vrubové houževnatosti na Charpyho kladivu je používaná i při zkouškách plastů a je oblíbená při hodnocení kvality recyklátu - obvykle se používají lisovaná zkušební tělíska menších průřezů. Jistým překvapením bylo zjištění, že Charpyho kladivo se uplatňuje i při zkouškách mechanických vlastností dřeva. Po úvodním seznámení se s vývojem zkoušek a rozmanitostí zkušebních těles jsme začali zvažovat jaký demonstrační přístroj konstruovat. Zde nám byli vodítkem téměř nekonečná nabídka výrobců, kladiva všech velikostí a provedení. Rychle jsme opustili myšlenky na zhotovení většího kladiva pro přerážení standardních tělísek o průřezu 10x10 mm, protože u těchto kladiv se musí při jejich velké energii vzít v potaz bezpečnost práce. Záhy jsme určili, že energie našeho kladiva bude mezi 10 až 15 J. Z počátku jsme předpokládali zkonstruovat klasické dvoustojanové kladivo, ale na podzimním školním vědeckém dnu jsme shlédli demonstrativní Charpyho kladivo, které předváděli pracovníci COMTES FHT a.s. Dobřany. Jejich kladivo bylo konstruováno jako jednostojanové s letmým uložením kyvadla. Usoudili jsme, že pro demonstrační účely letmé uložení umožňuje lepší pohled na probíhající zkoušku. Po ujasnění co chceme zhotovit, jsme přistoupili k vlastní konstrukci Charpyho kladiva. Pro začátek nám vyučující SPS připomenul, že při konstrukci se musí vycházet z možností výrobce a že pro konstrukci se mají používat osvědčené konstrukční vzory. Za základ stroje jsme zvolili U profil, stojan jsme navrhli jako svařenec, po konzultaci s učitelem praktické výuky jsme od svařence ustoupili. Pro uložení kyvadla jsme si vzpomněli na podobnost s uložením kola automobilu a celé toto uložení zakomponovali do naší konstrukce. Obr č.4 Obr č.5
Při stanovení rozměrových parametrů vlastního kladiva ( kyvadla) nás nemile překvapilo, jaký je rozdíl mezi teorií a praxí. V učebnicích je u kladiva schématický označeno těžiště, ke kterému se vztahuje energie kladiva. Nic se nepíše o tom, že kladivo je také na něčem zavěšeno a že tvar kladiva nemá těžiště tak jednoduše. Pro řešení jsme museli obnovit znalosti mechaniky. Při řešení velikosti a tvaru vlastního kladiva je nutno vzít současně v potaz i délku ramena. Délka ramena souvisí s nárazovou rychlostí, velká kladiva mají rychlost až 8 m/s, u malých kladiv se připouští rychlost i pod 5 m/s. Délka ramene spolu s hmotností určuje rázovou energii, její velikost chceme mít 10-15 J. Tvar kladiva je pak nutné upravit s ohledem na správnou polohu těžiště, které by mělo být v místě nárazu kladiva na zkušební těleso. Ilustrační nákres kladiva: Xt1= 34,6mm Xt2= 30mm Xt3= 23,3mm Obr č.6
Výpočty pro konstrukci Charpyho kladiva - Učebnicové schéma principu měření nárazové práce: Obr č.7 H výchozí výška kladiva ke zkušební tyči h konečná výška kladiva ke zkušební tyči α - výchozí úhel kladiva β konečný úhel kladiva r poloměr kyvu břitu G tíha kladiva Vyzvednutím kladiva do výšky H (úhel α) mu dodáme energii Wp. Padáním dolů se potenciální energie mění na kinetickou. Část z této energie se spotřebuje na přeražení vzorku, zbytek energie je využit na překmitnutí kladiva do výšky h (úhel β). Práce K spotřebována na přeražení vzorku (nárazová práce) je dána rozdílem potenciálních energií. Wp1= m.g.h [1] Wp2= m.g.h [2] K= Wp1- Wp2= m.g.(h-h) [3] Rychlost kyvadla: v= 2gH = 2g. 0,8195 = 4,01m/s [4] Hmotnost kyvadla + závěs: a) hmotnost kyvadla Jak jsme již uvedli, nechali jsme se inspirovat kladivem z Comtesu F.H.T. v Dobřanech, a volili jsme spíše menší energetické parametry s ohledem na bezpečnost. Kladivo jsme navrhovali tak, aby jeho těžiště bylo na narážející hraně ( viz. obr č.6) Vypočtená hmotnost dle rozměrů: mk= 1,28 kg b) hmotnost závěsu Vypočtená hmotnost dle rozměrů: mz= 0,575 kg c) energie kyvadla a závěsu E= mk.g.h + mz.g.h = 1,28. 9,81. 0,8195 + 0,575. 9,81. 0,63 = 10,29 + 3,55 = 13,84 J [5]
Po pečlivém zvážení všech souvislostí jsme zpracovali dokumentaci pro výrobu ve školních dílnách. Během výroby jsme upřesňovali dokumentaci a prováděli změny podle výrobních možností. Ze školních dílen: K dokončení ještě mnoho zbývá při výrobě se střetávají představy s realitou. Obr č.8 Dobu výroby kladiva jsme využili k vymýšlení programu zkoušek na našem zařízení, v odborné literatuře jsou jako zajímavé popisovány zkoušky vrubové houževnatosti, jak se její hodnoty mění s teplotou, hlavně její snížení při nízkých teplotách. Program zkoušek za snížených teplot jsme při nedostupnosti chladících prostředků rychle opustili a jako náhradu jsme si stanovili provedení zkoušek vrubové houževnatosti různých materiálů.
Pro různorodost výsledků jsme si vybrali různé materiály- polotovary, ale i hotové výrobky, zde je jejich přehled: Obr č. 9 Obr č.10 Litinový blok spalovacího motoru Litinová roštnice domácího kotle Obr č.11 Obr č. 12 Litinový odlitek kanalizační roury Hliníkový odlitek pístu spal. motoru Obr č.13 Obr č.14 Obr č.15 Mosazný odlitek šestihranu Elektrovodná měď válcovaná Elektrovodný hliník - tažený Z uvedených materiálů jsme odebrali vzorky a z nich zhotovili zkušební tělíska- hranolky 3x4x27 mm. Na zhotovení vrubu jsme však neměli nástroj. Využili jsme nabídku fy. Comtes FHT na poskytnutí konzultace a domluvili jsme si zhotovení vrubů a provedení několika zkoušek u našich vzorků na jejich profesionálním zařízení.
Konečně bylo naše zařízení dokončeno a podle skutečnosti jsme stanovili energii našeho kladiva. Z hmotnosti kladiva, závěsu a jejich rozměrů je jeho energie 14,87 [J]. Esk= mk.g.h + mz.g.h = 1,35. 9,81. 0,8195 + 0,65. 9,81. 0,63 = 14,87 J Nyní také přišla chvíle na vlastnoruční odzkoušení materiálů. Naše zkoušky jsou provedeny s menší přesností, na přístroji jsme zjistili KV2 a následně spočítali KVC. Pro každý materiál jsme vykonali dvě zkoušky. Výsledky vrubové houževnatosti na ilustračním Charpyho kladivu materiál šířka výška vrub S průřez Práce KV 2 KCV litina motor(2) 2,95 3,95 1/2,95 0,087 0,3 3,4 litina motor(3) 2,99 3,96 0,91/3,05 0,0914 0,3 3,28 litina kanál.(2) 3 3,91 0,91/3 0,09 0,25 2,7 litina kanál.(3) 3,1 3,95 1/2,95 0,0914 0,3 3,2 litina rošt(2) 2,99 3,99 1/2,99 0,089 0,25 2,8 litina rošt(3) 2,98 4 1/3 0,0894 0,3 3,3 litý hliník(2) 3 3,95 0,95/3 0,09 0,25 2,7 litý hliník(3) 2,9 3,99 1/2,99 0,086 0,3 3,4 litá mosaz(2) 2,99 3,95 1/2,95 0,0855 1,8 21 litá mosaz(3) 3 3,95 1/2,95 0,088 2 22,67 tažený Al(2) 2,99 4 1/3 0,089 2,7 30 tažený Al(3) 2,98 2,99 1/2,99 0,083 3 36,1 válcovaná Cu(2) 2,99 3,96 0,91/3,05 0,0914 5,2 56 válcovaná Cu(3) 2,99 3,99 1/2,99 0,089 4,9 55 tažený bronz(2) 2,99 4 1/3 0,089 6,1 68 tažený bronz(3) 2,98 3,99 1/2,99 0,083 5,8 69 KCV = KV2/S [5] Na provádění zkoušek na vlastním kladivu jsme se těšili, rázem jsme si ale uvědomili, jaký je rozdíl mezi demonstrativním zařízením a profesionální aparaturou, která koná veškeré úkony sama a vydává výsledky. My jsme si museli vzorky pečlivě proměřovat, odečíst spotřebovanou energii a následně provést výpočet. Jako každému novému zařízení se ani nám nevyhnuly dětské nemoci, ještě si budeme muset pohrát s aretací vlečené ručičky. Také jsme v časové tísni podcenili tvarovou a rozměrovou přesnost zhotovovaných vzorků. Byli jsme potěšeni poměrnou shodou našich výsledků s výsledky prováděnými ve firmě Comtes FHT.
Závěr: Prováděné zkoušky obohatily naše znalosti ze strojírenské technologie. Začali jsme lépe chápat souvislost mezi mechanickými vlastnostmi materiálu a metalografií, jak krystalická stavba materiálu ovlivňuje jeho vlastnosti a také jaký má vliv tváření na krystaly. Zaujalo nás, jak velké jsou rozdíly mezi materiály odlévanými a tvářenými, i když se nejednalo zcela o shodné materiály. Kromě poučení ze zkoušek, byli jsme i překvapeni. Že jsou litiny křehké, patří k základním znalostem strojaře. Přesto jsme měli představu, že ve spalovacích motorech by měla být lepší litina než na odpadním potrubí. Také jsme měli představu, že píst spalovacího motoru je namáhanou součástkou, která musí hodně vydržet. Zkoušky ukázaly, že se jedná o materiál s malou vrubovou houževnatostí. Oznámení o spolufinancování povinné neměnné sdělení. Investice do rozvoje vzdělávání. Tento příspěvek je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.3.00/35.0048 Popularizace výzkumu a vývoje ve strojním inženýrství a jeho výsledků (POPULÁR) Investment to the education development. The presented work has been undertaken within framework of the Project No. CZ.1.07/2.3.00/35.0048 Popularization of research and development in mechanical engineering and its results (Popular) and co-financed by European Social Fund and a state budget of the Czech Republic. Literatura : Knižní publikace: [1] Hluchý,Kolouch- Strojírenská technologie 1, Scientia 2007 [2] Mičkal Technická mechanika, Informatorium 1997 [3] Jareš Základní zkoušky kovů a jejich teorie, Praha 1966 [4] ČSN ISO 14556 Ocel Zkouška rázem v ohybu na kyvadlovém kladivu tyčí Charpy s V-vrubem, Instrumentovaná zkušební metoda 2001