Kontaktní cyklické testování materiálů pomocí IMPACT testeru Antonín Kříž; Petr Beneš
V mnoha průmyslových aplikacích jsou součásti vystaveny intenzivním účinkům kontaktního namáhání Při kontaktním namáhání dvou povrchů nastává vlivem jejich vzájemnému působení degradace Degradace limitující faktor životnosti Z tohoto důvodu se hledají možnosti, jak tuto degradaci potlačit popř. alespoň eliminovat na přijatelnou mez Impact test 2/25
IMPACT TESTER umožňuje stanovit odezvu materiálu na dynamické rázové kontaktní zatížení lze určit odolnost vůči rázovému zatěžování nejen objemových materiálů, ale vrstev a povlaků zjišťování rázové kontaktní únavy Dynamické kontaktní periodické opotřebení nepatří mezi základní druhy opotřebení, neboť je kombinací základních druhů opotřebení, jako je adhezivní opotřebení, abrazivní opotřebení, únavové opotřebení a vibrační opotřebení. 3/25
Proč impact test? zkoušky založené na scratch testu (postupném vnikání hrotu do povlaku při zvětšujícím se zatížení) či na tribologických experimentech mohou být nedostatečné pro simulaci podmínek, kdy je povrch materiálu vystaven zároveň únavovému a erozivnímu opotřebení. Impact test věrněji simuluje reálné situace během životnosti materiálu (např. dopady povlakovaného obráběcího nástroje na různá místa obrobku v důsledku chvění). nízkofrekvenční impact tester dva typy impact testerů vysokofrekvenční impact tester 4/25
U impactových kráterů se vyhodnocuje nejen jejich povrchová morfologie, ale i materiálové informace získané z příčných výbrusů provedených impactovým kráterem, jako je průběh zpevnění pod kráterem, či strukturní změny vyvolané v materiálu v důsledku lokální deformace. V ideálním případě lze u impactových kráterů vytvořených ve vrstvách rozeznat 3 oblasti lišící se mechanismem porušení. 5/25 Impactový kráter u TiAlN multivrstvy 25 000 úderů, zatížení 30N.
Morfologický vývoj impactního kráteru u Cr-DLC vrstvy v závislosti na počtu úderů d5000=1,6 µm, d10000=1,8 µm, d13000=3,2 µm, d14000=10,2µm [Ing. Šimeček] 6/25
Nízkofrekvenční impact tester nízká frekvence rázů okolo 0,8 Hz rázová energie může být měněna výškou dopadu indentoru < 10 N max. 65 Weight Pin holder přesné nastavení kolmosti dopadu indentoru v závislosti na výšce zkoumaného vzorku závaží až 1 000g Pin Coating 4 6 mm indentory 4 6 mm kuličky snadné stanovení energie impactu ( příslušná dopadová energie je rovna potenciální energii dopadajícího zkušebního tělíska) Substrate 7/25
Vysokofrekveční impact tester indentor je přitahován elektromagnetickou cívkou frekvence úderů až 50 Hz tenzometrická měření a měření akustické emise vratný pohyb indentoru do základní polohy pomocí pružiny vzorek je umístěn na otočném a výsuvném stolku 8/25
PRAKTICKÉ APLIKACE Impact test použitý pro testování materiálu kol kolejových vozidel - feriticko-perlitická struktura s občasným výskytem Widmannstättenovy struktury - impact testem nebylo zjištěno, že by Widmannstättenova struktura byla iniciačním centrem trhlin indentor 6 mm kulička z karbidu wolframu rázová energie - E = 0,078 J S ohledem na pochopení destrukčních mechanismů a dokumentace postupného opotřebování povrchu vzorku a vznik kráterů, byl proveden různý počet úderů 500, 1000, 2500, 5000, 10000 a 100 000 impactů. 9/25
500 impactů po aplikaci 500 úderů byl v okrajových oblastech impactového kráteru zjištěn výskyt značného množství defektů soustředění největšího počtu defektů do oblasti okraje impactového kráteru 1000 impactů v okrajových oblastech impactového kráteru výskyt síťoví jemných trhlinek Se zvyšujícím se počtem úderů došlo v okrajových oblastech impactového kráteru ke snižování počtu defektů, ale v oblastistředu impactového kráteru došlo ke zvyšování počtu defektů 10/25
Soustředění největšího počtu defektů do oblasti okraje impactového kráteru souvisí s rozložením tahového napětí v impactovém kráteru, které v okrajových oblastech impactového kráteru dosahuje nejvyšších hodnot ve středu impactového kráteru převažují tlaková pnutí 100 000 impactů došlo k rychlému rozvoji trhliny, která byla odhalena v průběhu obrobení vzorku Tato trhlina se nacházela mimo oblast impactového kráteru detail okraje kráteru: shluky defektních míst (zakroužkováno) vlásečnicové trhliny (označeny šipkou) 11/25
Impactový kráter Trhliny mimo impactový kráter, které se v průběhu impact testu dále zvětšovaly (byly pod přírubou, jenž zajišťovala upevnění vzorku ve zkušebním zařízení) rozvoj trhlin nastal pravděpodobně v důsledku přenosu rázového zatížení prostřednictvím celého objemu materiálu rázové vlny se šíří do celého objemu materiálu energie z rázové vlny snižuje potřebnou energii nutnou k rozvoji trhlin 12/25
Rázová odolnost tenkých otěruvzdorných vrstev použitých na obrábění těžkoobrobitelných ocelí další oblast, kde je kontaktní rázové opotřebení hlavní příčinou poškození součásti impact test představuje pro obráběcí nástroje velice důležitý test - lze simulovat rázy vznikající na povrchu nástroje v důsledku přerušovaného řezu (např.frézování) určení okamžiku kdy dojde vlivem dynamicky opakovaných k poškození vrstvy a k odhalení substrátu je pro reálný řezný nástroj velice důležité po delaminaci vrstvy není odhalený substrát nástroje fyzikálně schopen odolávat nepříznivým podmínkám přítomných v místě řezu a dochází k okamžité destrukci řezné hrany 13/25
Cílem provedených experimentů bylo zjistit odolnosti PVD vrstev vůči impactovému zatěžování Testovány byly nejčastěji používané PVD vrstvy: TiN, TiAlN, TiAlSiN deponované na substrátu ze slinutého karbidu ISO K20 V rámci výzkumného úkolu byly provedeny další laboratorní testy, které poskytly další doplňující údaje o vytvořených systémech. Byly provedeny následující testy, jejichž výsledky jsou presentovány v článku Vlastnosti tenkých vrstev při vyšších teplotách konference METAL 2008 nanoindentační měření fretting test tribologická měření Přesnost laboratorních testů byla dána do souvislosti s výsledky technologických obráběcích zkoušek. Bylo provedeno soustružení a frézování těžkoobrobitelného materiálu nástrojové oceli X210Cr12 (AISI D3), který byl tepelně zpracován na vysokou tvrdost (55-56HRC). 14/25
je známo, že vlivem ohřevu se u některých typů vrstev vytvoří oxidické filmy, které mohou zvyšovat odolnost vrstev vůči opotřebení vrstvy byly podrobeny ohřevu všechny vrstvy na teplotu 400 C a vrstva TiAlN navíc na 800 C Nanoindentační měření: TiN nejpříznivější poměr plastické ku elastické složce deformace ze zkoumaných vrstev, teplotním zatížením se docílilo určitého nepatrného změknutí vrstvy TiN TiAlSiN vysoká tvrdost, ale křehčí než TiN TiAlN ohřev na 400 C zvýšení mikrotvrdosti a křehkosti 15/25 ohřev na 800 C pokles mikrotvrdosti a zvýšení houževnatosti
F= 2 N (E= 0,044 J) and F= 5 N (E= 0,074 J) 1000; 2500 a 5000 impactů TiAlSiN, E= 0.044 J; 5000 impactů TiN, E= 0.044 J; 5000 impactů TiAlN, E= 0.044 J; 5000 impactů TiAlN zahřáto na 400 C, E= 0.044 J; 5000 impactů 16/25
TiN ani po 5000 úderech nebylo zjištěno žádné poškození vrstvy dobré tlumící schopnosti 400 C zvýšení odolnosti vůči rázovému namáhání velmi dobré vlastnosti tenké vrstvy TiN vyplývají jednak z její poměrně malé tloušťky a příznivých elasticko-plastických vlastností potvrzeno nanoindentačními měřeními (vysoký poměr plastické složky deformace vůči elastické složce deformace) TiN, E= 0,074 J; 5,000 impactů, vrstva ohřáta na 400 C 17/25
TiAlN první známky opotřebení již po 1000 úderech (E = 0,044 J), toto poškození nastává ve stopách drsnosti tyto nerovnosti přenášejí veškerou dopadovou energii rychlejší zahlazování po 2500 úderech (E = 0,074J) rozsáhlé poškození vrstvy a odhalení substrátu v celém objemu impactového kráteru ohřevem na teplotu 400 C se zvýšila odolnost vrstvy vůči rázovému únavovému porušení ohřevem na teplotu 800 C další prokazatelné zlepšení odolnosti vzorku vůči rázovému únavovému porušení 400 C 18/25 800 C
Poškození vrstvy v impactovém kráteru u vrstvy TiAlN po 1000 impactech, E= 0,044 J Detail mechanismu poškozování vrstvy TiAlN v impactovém kráteru předcházející odhalení substrátu 19/25
TiAlSiN nejnižší odolnost vůči rázovému kontaktnímu zatížení při aplikaci malé zátěžné síly a malého počtu impactů došlo ke značnému poškození svrchní vrstvy TiAlSiN; adhezní vrstva TiN účinně zabraňovala celkovému opotřebení vrstvy nanoindentační měření: vysoká mikrotvrdost a nižší houževnatost makročástice - jsou obklopeny napěťovým polem 5. zintenzivnění procesu opotřebení vrstvy 6. může docházet k vytrhávání makročástic obsažených ve vrstvě oslabení kohezivní soudržnosti vrstvy 20/25
Úpravy zkonstruovaného přístroje a další měření Impact test je v současné době rozšířen o následující měřící zařízení: akcelerometrické měření měření akustické emise - okamžik vzniku a růst rázově indukovaných trhlin v závislosti na velikosti a frekvenci vložené deformační energie vysokofrekvenční impact tester umožňuje zkonstruovat Woehlerovy křivky 21/25 Záznam průběhu sil během zatěžování
S využitím akustické emise bude možné sledovat nejen změnu vlastností materiálu následkem dopadu kuličky, ale také iniciaci a rozvoj trhlin a to nejen v oblasti impactového kráteru, ale i v jeho bezprostředním okolí. Měření zbytkových napětí pomocí magnetického pole V současné době spolupracujeme s firmou Preditest, s kterou vytváříme metodiku pro zjišťování zbytkových napětí v impactovém kráteru a v jeho blízkosti. 22/25
Využití konfokálního scanovacího laserového mikroskopu Konfokální mikroskop Olympus LEXT OLS3000 23/25
Dopad kuličky na vzorek pod definovaným úhlem Sklon úhlu, který svírá vzorek se směrem dopadající kuličky umožňuje vyvodit dva druhy sil normálovou a tečnou. Impact tester umožňující naklopení vzorku může napodobovat zatížení řezného nástroje např. frézy, která zajíždí pod určitým úhlem do obráběného materiálu. 24/25
Závěr Impact tester představuje jednu z nejnovějších a perspektivních metod pro zjišťování chování materiálů vystavených účinkům rázového dynamického kontaktního namáhání. Umožňuje zkoumat chování nejen objemového materiálu, ale taktéž povrchové vrstvy a povlaky. Jeho další předností je, že lze na základě provedeného testu na malém vzorku odebraném z reálného výrobku predikovat jeho zbytkovou životnost. Po odladění správné metodiky a osazení přístroje dalšími snímači dovoluje popsat procesy, které jsou iniciovány dynamickým účinkem a přibližují se reálnému prostředí. 25/25