Návod pro cvičení z předmětu Deformační chování materiálů Sestavení prostorové mapy tvařitelnosti na základě zkoušek tahem při různých teplotách a Vypracováno v roce 2017 za podpory projektu RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu na Katedře tváření materiálu na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství na VŠB-TU Ostrava. Řešitelé projektu: Ing. Petr Kawulok, Ph.D., Ing. Rostislav Kawulok, Ph.D., Ing. Stanislav Rusz, Ph.D.
1. TEORETICKÝ ÚVOD DO ZKOUMANÉ PROBLEMATIKY 1.1 Definice základních pojmů Při každém tváření jde zejména o to, udělit příslušnému tělesu trvalou změnu tvaru. Jedná se tedy o plastickou deformaci, k jejímuž vyvolání je třeba překonat jisté mezní napětí (v nejjednodušším případě tzv. mez kluzu). Není-li této podmínky dosaženo, dojde jen k pružné deformaci, po jejímž ukončení se těleso vrátí do svého původního tvaru (viz např. ohýbání pružného nože). Viditelným cílem tváření je tedy dát tělesu požadovaný tvar a rozměry (tím se zabývají technologické předměty typu Válcování, Kování apod). Plastičnost je schopnost materiálu se plasticky deformovat v rozsahu deformací od počátečních po mezní. Počáteční plastičnost vyjadřuje přechod od pružného do plastického stavu. Mezní plastičnost odpovídá podmínkám vzniku prvních trhlin. Jedná se o čistě materiálovou vlastnost, jejíž zkoumání by nemělo být ovlivněno tak přízemními faktory, jako je třeba tvar deformovaného tělesa. Tvařitelnost je schopnost tělesa plasticky se deformovat za určitých podmínek tváření až do porušení soudržnosti (do vzniku kritických trhlin, resp. do lomu). Tvařitelnost závisí na plastičnosti, geometrii tvářeného tělesa a podmínkách tváření. Lze ji kvantifikovat např. po provedení různých laboratorních zkoušek (například tahová zkouška). Metalurgická tvařitelnost vyjadřuje vliv metalurgických činitelů na tvařitelnost za daných termomechanických podmínek (teploty, rychlosti deformace aj.). Deformační odpor [MPa] materiálu je vnitřní napětí, vznikající v tělese jako reakce na působení vnějších tvářecích sil. Toto vnitřní napětí musí být dostatečně veliké, aby došlo k vyvolání plastické deformace. Přirozený deformační odpor [MPa] je určován za specifických podmínek tzv. jednoosého stavu napjatosti (viz počáteční fáze zkoušky tlakem nebo tahem). 1.2 Zkouška tahem za tepla Komplexní výzkum deformačního chování materiálů vyžaduje řadu testů, analýz a simulací mezi které se řadí především chemické rozbory a metalografické analýzy zkoumaných materiálů, plastometrické zkoušky (tahové, tlakové, krutové) materiálů, ověřovací a optimalizační fyzikální nebo počítačové simulace realizované na laboratorních zařízeních (válcovny, lisy, kovací stroje, drátotahy) nebo matematické simulace prováděné ve specializovaných počítačových programech. Základní informace týkající se tvařitelnosti materiálů lze získat z mechanických zkoušek (tahová, tlaková, krutová). Technologickými zkouškami lze posoudit chování materiálu v podmínkách blízkých výrobnímu procesu (ohybová zkouška, pěchovací zkouška, děrovací nebo válcovací zkouška). Zkouška tahem za tepla je analogií běžné tahové zkoušky za pokojové teploty. V průběhu tahové zkoušky dochází k postupnému zatěžování zkušební tyče tahovým napětím až do přetržení. Vzhledem k nutnosti dodržet předepsaný teplotní režim je zkušební tyč obklopena odporovou píckou, indukční spirálou a nebo je vzorek odporově ohříván v inertní atmosféře či ve vakuu. Jedná se o jednoduchou zkoušku vyznačující se absencí vnějšího tření na zkoušené části vzorku. Z hlediska citlivého posuzování tvařitelnosti je v tomto případě výhodná jindy nepříznivá tahová napjatost. Tahová napjatost je na počátku tváření jednoosá, postupující nerovnoměrná deformace však vede většinou ke vzniku krčku s obtížně predikovatelnou geometrií a komplikovanou napjatostí. Příklad takového lokálního zúžení atypického vzorku, taženého na plastometru Gleeble 3800, uvádí obr. 1.
Obr. 1: Vzorek s krčkem vzniklým při tažení za tepla Měřenými parametry při zkoušce tahem je především síla a prodloužení do lomu. Při vyhodnocení těchto zkoušek se smluvně určuje tažnost A [%] nebo kontrakce Z [%] z délek l [mm], resp. plošných obsahů příčného průřezu S [mm 2 ] před, resp. po deformaci (indexy 0, resp. 1): (1) Smluvní napětí se počítá jako podíl zatěžující síly a plochy výchozího příčného průřezu. Skutečné napětí se musí vztahovat k průběžně se měnícímu příčnému průřezu, což je velmi obtížné (je např. nutno snímat profil vzorku rychlokamerou). Smluvní pevnost za tepla R mt [MPa] se tedy počítá jako podíl maximální zatěžující síly F max [kn] a plochy výchozího příčného průřezu S 0 [mm 2 ]: Z ucelené sady tahových zkoušek za tepla pak lze získat prostorové 3D mapy, které vyjadřují závislost smluvní pevnosti a tažnosti zkoumaného materiálu na teplotě deformace a na deformační rychlosti. Příklad takovýchto prostorových map pro ocel P92 je uveden na obr. 2. Mimochodem víte pro jaké aplikace se tato ocel používá? (2) (3) a) smluvní pevnost za tepla b) tažnost za tepla Obr. 2: Pevnostní a plastické vlastnosti oceli P92 za tepla určené zkouškou tahem Podrobné informace týkající se problematiky zkoumání tvařitelnosti kovových materiálů získáte na přednáškách z předmětu Deformační chování materiálů.
1.3 Doporučená literatura pro získání více informací [1] SCHINDLER, I., KAWULOK, P. Deformační chování materiálů (elektronická studijní opora). Ostrava: VŠB TU Ostrava, 2013. 94 s. [2] KAWULOK, P., et al. Plastometric study of hot formability of hypereutectoid C - Mn Cr V steel. Metalurgija, 2016, roč. 55, č. 3, s. 365-368. [3] MENDROK, R. Deformační chování za tepla oceli se zvýšeným obsahem mědi. Ostrava, 2014. Diplomová práce. VŠB Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Katedra tváření materiálu. [4] KAWULOK, P., et al. Mapa tvařitelnosti nadeutektouidní C-Mn-Cr-V oceli za tepla. Hutnické listy, 2013, roč. 66, č. 4, s. 18-21. [5] KAWULOK, P., et al. Komplexní výzkum deformačního chování oceli 30MnTiB za tepla. Kovárenství, 2017, č. 61, s. 16-20.
2. ZADÁNÍ A CÍLE PRÁCE Hlavním cílem bude vyhodnotit tvařitelnost nadeutektoidní C-Mn-Cr-V oceli na základě výsledků zkoušek tahem za tepla. Aby bylo možné tento cíl splnit, rozdělíme jej do několika částí: zkonstruujte tahové diagramy, určete maximální sílu a velikost prodloužení do lomu pro všechny zkoušené vzorky, stanovte smluvní pevnost a tažnost za tepla zkoumané oceli, v závislosti na parametrech deformace stanovte střední deformační rychlost při jednotlivých zkouškách tahem, sestrojte prostorové mapy závislosti smluvní meze pevnosti, resp. tažnosti za tepla na teplotě deformace a deformační rychlosti, vyhodnoťte jaké teploty a deformační rychlosti jsou z hlediska tvařitelnosti zkoumané oceli optimální, vypracujte protokol a nezapomeňte získané poznatky shrnout v závěru.
3. POPIS ZKOUŠEK TAHEM ZA TEPLA Zkoušky tahem za tepla byly provedeny na univerzálním plastometru Gleeble 3800, který je instalován v rámci Regionálního materiálově technologického výzkumného centra na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství. Pro tahové zkoušky za tepla byly připraveny tyče o průměru 10 mm a délce 116,5 mm viz obr. 3. Připravené tyče byly odporově ohřáty rychlostí 10 C s -1 na zvolenou teplotu deformace s následnou 30 sekundovou výdrží na této teplotě. Poté byly jednotlivé tyče deformovány tahem až do lomu při zkoumaných teplotách a rychlostech tažení. Obr. 3: Foto použité zkušební tyče Zkoušky tahem za tepla byly provedeny v rozsahu deformačních teplot 1050, 950, 900 a 850 C a při rychlostech tažení 1000, 20, 0,4 a 0,01 mm s -1 s použitím čelistí z korozivzdorné oceli. Kompletní charakteristika jednotlivých zkoušek tahem za tepla (i s názvy souborů s naměřenými daty) je uvedena v tab. 1. Tab. 1: Parametry zkoušek tahem za tepla označení testu teplota ohřevu ohřev rychlost ohřevu výdrž teplota deformace deformace rychlost ochlaz. rychlost tažení název výsledku (datového souboru) [-] [ C] [ C s -1 ] [s] [ C] [ C s -1 ] [mm s -1 ] C1 1050 10 30 1050 --- 1000 C1.d01 C2 1050 10 30 1050 --- 20 C2.d01 C3 1050 10 30 1050 --- 0,4 C3.d02 C4 1050 10 30 1050 --- 0,01 C4.d01 C5 950 10 30 950 --- 1000 C5.d01 C6 950 10 30 950 --- 20 C6.d01 C7 950 10 30 950 --- 0,4 C7.d01 C8 950 10 30 950 --- 0,01 C8.d01 C9 900 10 30 900 --- 1000 C9.d01 C10 900 10 30 900 --- 20 C10.d01 C11 900 10 30 900 --- 0,4 C11.d01 C12 900 10 30 900 --- 0,01 C12.d01 C13 850 10 30 850 --- 1000 C13.d02 C14 850 10 30 850 --- 20 C14.d01 C15 850 10 30 850 --- 0,4 C15.d01 C16 850 10 30 850 --- 0,01 C16.d01
Čelisti vyrobené z korozivzdorné oceli AISI304 (viz obr. 4), jejichž kontaktní délka se zkušební tyčí je pouze 4,25 mm, se díky své konstrukci a tepelným vlastnostem vyznačují délkou rovnoměrně ohřívané zóny zkušební tyče l 0 = 20 mm. Teplota byla během testu měřena termočlánky, které byly povrchově přivařeny ve středu délky zkušební tyče. Příklad uložení zkušební tyče (s navařenými termočlánky pro měření teploty) v čelistech plastometru dokumentuje obr. 5. Příklad fotodokumentace roztržené zkušební tyče je uveden na obr. 1. Obr. 4: Uložení zkušební tyče v čelistech z korozivzdorné oceli Obr. 5: Vzorek s navařenými termočlánky ukotvený v čelistech plastometru Gleeble 3800 Videoklip s příkladem zkoušky tahem za tepla nadeutektoidní oceli lze nalézt na https://youtu.be/zcrs45oza1m.
4. VYHODNOCENÍ EXPERIMENTU 4.1 Zpracování naměřených dat Pro samotné vyhodnocení zkoušek tahem za tepla je zapotřebí otevřít si příslušné soubory s daty naměřenými během jednotlivých testů (soubory typu.d01), které jsou umístěny na https://www.fmmi.vsb.cz/633/cs/studium/navody-k-cviceni/deformacni-chovanimaterialu/cviceni-8/. První (a zároveň jednodušší) způsob je využití vyhodnocovacího software ORIGIN, který umožňuje přímé načtení těchto souborů a jejich následnou analýzu. Tento software však není volně dostupný (je nainstalován na ovládacím PC plastometru Gleeble). Aby jste mohli data analyzovat kdykoliv každý na svém vlastním PC nabízí se možnost využití druhého způsobu zpracování naměřených dat, pro který lze využít Vám již známý Excel. Soubory s příponou.d01, tj. data naměřená v průběhu testů na plastometru Gleeble, nelze v Excelu otevřít přímo, ale musí se do něj importovat. Jak se data do Excelu importují si vysvětlíme na příkladu testu označeného jako C7 (teplota deformace 950 C, rychlost tažení 0,4 mm s -1 ). Po otevření Excelu je potřeba přepnout se nahoře v liště do karty Data, čímž se nám zobrazí nabídka s možnostmi načtení externích dat. Pro načtení datových souborů z plastometru Gleeble využijeme nabídku Z textu viz obr. 6. Pak je potřeba najít v příslušném PC složku s danými daty a poté vybrané data otevřít. V průvodci importu dat nezapomeňte změnit oddělovač desetinných míst (tj. zaměnit čárku za tečku). Plastometr Gleeble vyrábí a dodává společnost Dynamic Systems Inc. z USA a jak jistě víte v anglicky mluvících zemích se místo desetinné čárky používá tečka viz obr. 7. Pokud by jste záměnu desetinného oddělovače neprovedli, načtená data by neměla správný formát a následné analýzy by nevedly ke správným Obr. 6: Import naměřených dat do Excelu výsledkům. Obr. 7: Změna oddělovače desetinných míst při importu dat
Následně se Vám do sešitu Excelu načtou data z daného plastometrického testu viz obr. 8. V závislosti na čase tedy dostanete naměřenou sílu (Force), nastavený posuv příčníku (Pram), nastavenou teplotu (PTemp), měřený posuv příčníku resp. prodloužení zkušební tyče (Stroke) a měřenou teplotu na povrchu vzorku (TC1). Obr. 8: Naměřená data importovaná do Excelu Po načtení dat ze všech testů je potřeba zkonstruovat tahové diagramy, resp. závislosti síly na měřeném posuvu příčníku pro jednotlivé testy. Příklad tahového diagramu je uveden na obr. 9. Z těchto diagramů je potřeba odečíst hodnotu maximální síly v tahu F max [kn] a celkového prodloužení do lomu l [mm], které odpovídá velikosti naměřeného prodloužení zkušební tyče v místě dosažení nejnižší, resp. nulové hodnoty naměřené síly viz obr. 9. Stejným způsobem je potřeba zpracovat naměřená data ze všech testů. Obr. 9: Závislost síly na prodloužení zkušební tyče při teplotě deformace 950 C a rychlosti tažení 0,4 mm s -1
4.2 Výpočet smluvní pevnosti za tepla, tažnosti za tepla a deformační rychlosti, tvorba prostorových map Určené hodnoty maximální síly F max a celkového prodloužení do lomu l následně využijete pro výpočet smluvní pevnosti R mt a tažnosti A zkoumané oceli za tepla pomocí rovnice (3), resp. pomocí rovnice (1). K úspěšnému sestrojení prostorové mapy závislosti smluvní pevnosti a tažnosti za tepla na teplotě deformace a deformační rychlosti budete potřebovat stanovit střední deformační rychlost. Střední deformační rychlost ė stř. [s -1 ] lze stanovit z intenzity deformace a rychlosti tažení v t [mm s -1 ] pouze pro podmínky rovnoměrné deformace, tzn. do okamžiku vzniku krčku při tažení: ( ) (4) ( ) Teď už bude pro Vás jistě hračka sestrojit v Excelu (případně v jiném programu Surfer, Origin, Matlab, MathCad) požadované 3D mapy závislosti smluvní pevnosti, resp. tažnosti za tepla na teplotě deformace a střední deformační rychlosti (viz obr. 10 a obr. 11). Obr. 10: 3D mapa smluvní pevnosti zkoumané oceli za tepla Obr. 11: 3D mapa tažnosti zkoumané oceli za tepla
Na základě těchto prostorových map budete moci jasně zformulovat, jaké kombinace teploty a deformační rychlosti lze z hlediska tvařitelnosti doporučit pro tváření zkoumané oceli. Pracujte pečlivě a trpělivě při tvorbě protokolu nezapomeňte v závěru stručně shrnout získané poznatky! Určitě vás napadá otázka, k čemu tyto testy a výsledky slouží? Prostorové mapy tvařitelnosti využívají především technologové při optimalizaci podmínek deformace zkoumaných materiálů na stávajících tvářecích strojích. V případě výsledků tahových zkoušek lze tvařitelnost daného materiálu posuzovat podle jeho tažnosti, oproti tomu podle smluvní pevnosti za tepla lze posoudit silové zatížení tvářecího stroje (válcovací stolice, lisu, bucharu, apod.) při vlastním tváření. Jako příklad využití těchto výsledků v praxi si uvedeme kovárnu ve které se v zápustkách kovou díly pro automobilový průmysl. Při daných parametrech deformace v jednotlivých úběrech (T, e, ė) se v materiálu tvoří nežádoucí trhliny. Technolog tedy potřebuje zjistit, jakou tvařitelnost vykazuje tvářený materiál při stávajících parametrech deformace a následně bude jistě chtít vědět, zdali lze tyto parametry deformace optimalizovat. Pomineme-li možnost upravit velikosti deformací v jednotlivých úběrech (což by vyžadovalo nákladnou výrobu nových zápustek) a s tím souvisejících deformačních rychlostí, nabízí se možnost úpravy dosavadních teplot deformací, případně deformačních rychlostí. Technolog tedy na základě zjištěných prostorových map, které se většinou konstruují přímo na míru danému tvářecímu procesu, vyhodnotí při jakých podmínkách deformace vykazuje zkoumaný materiál nejlepší tvařitelnost a podle toho upraví vlastní reálný proces jeho zpracování (pokud mu to jeho stávající technologie umožňuje). Velice zajímavé výsledky lze získat provedením zkoušek tahem za tepla v širším rozsahu deformačních teplot, které reflektují účinek přehřátí oceli nebo naopak její deformace v nízkoteplotní dvoufázové oblasti.