INTEGRITA POVRCHU V OBLASTI TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ Antonín Kříž ZČU-Plzeň - KMM, Univerzitní 22, e-mail: kriz@kmm.zcu.cz
Úvod Finální vlastnosti výrobků jsou do značné míry ovlivňovány vlastnostmi povrchových a podpovrchových vrstev. Objem provozních lomů v současnosti tvoří více než z 90% únavových poškození. Toto poškození má nejčastěji svoje iniciační místo na povrchu součásti. Výjimkou bývají některé významné strukturní, metalografické i konstrukční chyby (vměstky, trhliny, povrchově překalená vrstva materiálu, zápichy aj.), které mohou přesunout iniciaci dále od povrchu. Z tohoto důvodu je nutné vlastnostem povrchu věnovat značnou pozornost. Tato pozornost je o to důležitější, jestliže je součást tepelně zpracovávána, za účelem získání vyšších tvrdostí. Při cementování a kalení jsou sice v povrchových oblastech iniciována tlaková napětí, která přechází poměrně náhle v tahová. Je třeba také počítat s tím, že po tepelném zpracování často následuje broušení, které iniciuje další zbytková napětí.
Hloubkové rozložení zbytkového napětí iniciovaného vneseným teplem od broušení Rozložení zbytkových napětí dle charakteru vzniku Křivka 1 velikost zbytkového napětí od plastické deformace po brusném kotouči na povrchu i v podpovrchových partiích. Toto napětí má tlakový charakter a je závislé na stavu povrchu na jeho drsnosti, ale také profilu výstupků. Křivka 2 - zbytkové napětí vznikající při ohřevu a následném ochlazení povrchu. Jeho charakter je tahový. Křivka 3 - strukturní martenzitická transformace iniciovaná teplotními změnami při broušení. Na povrchu tlaková, pod povrchem přechází v tahovou složku. Největší nebezpečí vzniku trhlinek je předepisováno právě tomuto zbytkovému napětí.
Zbytková napětí vznikají také při depozici tenkých vrstev [1] V minulosti se nevěnovala pozornost zbytkovým napětím iniciovaným v systému tenká vrstva-substrát, přestože je jejich přítomnost velmi důležitá z hlediska iniciovaných procesů a následně i trvanlivosti nástroje. Charakter a velikost zbytkových napětí ovlivňuje: volba vrstvy, tvorba vrstvy a procesy během depozice, struktura jednotlivých vrstev, nebo multi vrstvy. Zbytková napětí v povrchu i v povrchové vrstvě substrátu deponovaného nástroje určují odolnost vůči mechanickému zatížení, zvláště je-li toto zatížení proměnlivé. CVD vrstvy vykazují tahová napětí. Napětí při PVD vrstev, kdy jsou menší tloušťky (2 5 µm), bývají tlaková. Ke vlivu procesu depozice na zbytková napětí ve vrstvě a substrátu je nutné zahrnout vlivy broušení substrátu. Napětí v substrátu mohou být ovlivněna také mikro zpevňováním před depozicí. [1] Prof. Ing. Bohumil Bumbálek, CSc - Integrita povrchu a její význam pro posouzení vhodnosti dané plochy pro její funkci
Složky integrity povrchu, které komplexně popisují stav povrchu Na povrch součásti v procesu výroby, montáže a používání působí mnoho vlivů, které mohou vést k rozvoji poškození. Tyto vlivy lze rozdělit na vnější a vnitřní vlivy. Vnější vlivy: Mechanické (provozní napětí) Chemické (koroze) Fyzikální (záření, bludné proudy apod.) Kombinace více vlivů (koroze pod napětím, elektrochemická koroze, ale také technologické procesy např. obrábění, tepelné zpracování, tváření) Vnitřní vlivy: Zbytková napětí Morfologie povrchu (drsnost) Materiálové a mechanické vlastnosti povrchu (tvrdost, zpevnění, strukturní stav, povrchová úprava např. vrstvy, povlaky) Přítomnost povrchových a podpovrchových vad a heterogenní struktura (uhlík v litině, vměstky, řediny)
Zbytková napětí Jestliže i po odstranění vnějšího impulsu část vnitřních pnutí ve výrobku přetrvává, hovoří se o zbytkových napětích či pnutích. Zbytkové napětí je jedním z mnoha druhů, vznikajících v důsledku nehomogenní deformace a lze je obecně definovat jako víceosé napětí, působící ve výrobku po velmi dlouhou dobu přesto, že všechny jeho části mají stejnou teplotu a na výrobek již nepůsobí žádné vnější síly. Zbytková napětí jsou klasifikována podle příčin vzniku: deformační zbytková napětí - např. obráběním jsou povrchové vrstvy deformovány intenzivněji než vnitřní části výrobku. strukturální zbytková napětí - nehomogenní strukturální transformace je doprovázena objemovými změnami (např. transformace austenitu na ferit nebo objemově rozdílnější transformace austenitu na martenzit) Úroveň napětí je určována velikostí elastické deformace vyvolané objemovými změnami ve výrobku. Pojem vnitřního napětí tedy plně odpovídá pojmu vnitřní elastické deformace, neboť ta tento jev zcela kontroluje. Dále je pak napětí funkcí modulu pružnosti E.
Přiblížení tohoto procesu lze provést na třech rozdílných materiálech. Velikost vnitřních napětí je jednoznačně určena hodnotami E1, E2, a E3 (Youngova modulu). Při stejné hodnotě vyvolané pružné deformaci ε1 je vnitřní napětí v litině σ2 přibližně poloviční a u velmi plastického hliníku σ3 je dokonce asi třetinové při porovnání s ocelí - σ1. Z diagramu je patrný vliv plasticity materiálu na jeho odolnost proti vzniku trhlin. Deformační závislosti 1-ocel; 2-šedá litina; 3-hliník -Deformace ε2 - u materiálu s vyšší pevností (ocel) vyvolá vnitřní napětí lom - Hliník s podstatně nižší pevností se neporuší. Tyto souvislosti jsou patrny i u stejného materiálu, který díky tepelnému zpracování dosahuje různých modulů pružnosti. Změnou modulu pružnosti a v této souvislosti se změnou vnitřního napětí dochází také ke změně kritického rozměru trhliny. Kritický rozměr trhliny se snižuje. U materiálu ve vyžíhaném stavu nedochází k rozvoji poškození - po zakalení dochází k iniciaci poškození.
Při zvyšující se tvrdosti, která způsobuje navíc i nárůst křehkosti, vzrůstá neúměrně i vnitřní napětí v souvislosti s různými procesy, které by odezněly plastickou deformací. Tato napětí pak mají za následek rozvoje trhlin. Vnitřní napětí je v materiálu snižováno plastickou deformací. Čím má materiál větší mez pružnosti, tím je napětí větší. Jestliže může materiál vykonat plastickou deformaci, pak v případě, že má na deformaci čas i prostor, jejím rozvojem snižuje vnitřní napětí. Jestliže tento čas není k dispozici např. při rychlých popř. velkých přísunech namáhání, nebo při zablokování dislokací po hranicích zrn a jiných překážkách, pak dochází k eliminaci napětí rozvojem nového povrchu tj. vznikem mikrotrhlin a trhlin. Jejich rozvoj se realizuje rychlostí zvuku v kovech tj. až 5000m/s. Při prvotním uvolnění napětí jde trhlina nejkratší cestou až po částečném vyčerpání dochází k tomu, že jde cestou nejmenšího odporu tj. sleduje více strukturní slabost materiálu. Oblast, kde se trhlina šířila po hranicích původních austenitických zrn.
INTEGRITA POVRCHU - norma ANSI B211.1 1986 Symbol integrity povrchu
Srovnání hloubek jednotlivých efektů integrity povrchu
Příklad profilů zbytkových napětí
Průběh časované meze únavy vzorků dokončených různými metodami obrábění [1] Prof. Ing. Bohumil Bumbálek, CSc.; INTEGRITA POVRCHU A JEJÍ VÝZNAM PRO POSOUZENÍ VHODNOSTI DANÉ PLOCHY PRO JEJÍ FUNKCI
Měření zbytkových napětí V současné době se pozornost odborné veřejnosti při popisu integrity povrchu orientuje na měření zbytkových napětí. V pozadí jsou další analýzy sledující: - topografii povrchu; - povrchové a podpovrchové trhlinky; - chemickou aktivitu povrchu; -změny mechanických vlastností; - strukturní změny... Pro zjištění zbytkových napětí se používají metody přímého a nepřímého zjištění: - mechanické (odleptávání, odvrtávání) založené zejména na měření deformací po odstranění části vzorku - optické - magnetické (pomocí Barkhausenova šumu) - ultrazvukové (princip: vztah mezi napětím a rychlostí ultrazvukových vln v materiálu -difrakce (využívající rozptyl buď rentgenového záření, nebo toku neutronů)
Měření pomocí magnetického pole Barkhausenův šum je jev poprvé popsaný v roce 1919. Původní název práce ve volném překladu zní Dvě pozoruhodnosti objevené pomocí nového zesilovače. Při přiblížení či oddálení magnetu k jádru je slyšet v reproduktoru hlasité praskání. Souvisí to s nespojitostmi při magnetování feromagnetických materiálů. Heinrich Georg Barkhausen
Hysterezní křivka materiálu B amplituda H tvrdost amplituda tah tlak Proměřuje se hysterezní křivka materiálu - v materiálu tlak z její deformace se stanoví velikost napětí Vlivem napětí v materiálu se tvar smyčky mění, amplituda šumu je závislá i na tvrdosti materiálu Výhody: nedestruktivní, rychlá, operativní velmi přesná Nevýhody: složitá kalibrace, použití pouze pro feromagnetické materiály tah
Při vyšším stupni magnetizace lze použít měření pomocí vířivých proudů, kterými se měřízměny v elektrické vodivosti, nebo magnetické permeability, která má souvislost se strukturními nehomogenitami v materiálech. V materiálu dochází k rozptylu magnetického pole. Rozptyl způsoben stavem napjatosti, strukturou apod. Umožňuje změřit lokální změny napětí, určit polohu např: nehomogenit. Výhody: Velká citlivost na strukturu, ale nemožnost použití na určení směru napětí Možnost použít na neferomagnetické materiály Nevýhody: nákladná aparatura, ne vždy jednoznačné výsledky Budící cívka Snímač Hallova sonda Střídavé magnetické pole Vzorek
Rentgenová difrakce - Princip využití: rozptyl rentgenových paprsků na krystalech materiálů - Zjišťuje se mezirovinná vzdálenost d, kterou je porovnávána s mezirovinnou vzdáleností nedeformované mřížky Vychází se přitom z vztahů z teorie elasticity. Při ozáření mřížky dojde při dosažení příznivého směru paprsků k mřížce k rozptylu (difrakci) a ke vzniku interferenčního maxima ve směru θ.
Výhody: - nedestruktivní - možnost měřit distorzi z několika směrů - možnost stanovit napětí na jednotlivých fázích -měříme napětí I. II. i III druhu -proměření velmi nehomogenních napěťových polí -lze měřit z plošného obsahu v řádech mm 2 Nevýhody: -měříme pouze ve velice tenkých vrstvách - mnohé materiály dávají velmi neostrá difrakční maxima - nelze použít pro měření amorfních materiálů -přesnost měření klesá se zvětšujícími se zrny materiálu -měření pouze elastických deformací 10 2 10 3 mm
V současné době ve spolupráci s FJFI ČVUT Katedrou inženýrství pevných látek probíhá měření zbytkových napětí u následujících materiálů: konstrukční ocel 12 050 nástrojová ocel 19 436 šedá litina 42 2415 niklová superslitina: Innconel 718 hliníková slitina: AA 6082 Prozatím zjištěno: ocel 12 050, 19436 a litina 42 2415 velmi ostrá a kvalitní difrakční maxima hliníková slitina Al6082 přesnost uspokojivá Inconel 718 prakticky neměřitelné
Měření zbytkových napětí RTG difrakční analýzou u otvorů z oceli 12050 Rozložení tlakových zbytkových napětí po obvodě vyvrtaného otvoru Rozložení zbytkových napětí u odlišně zhotovených otvorů soustružení, vrtání
Mechanické metody měření zbytkových napětí Princip: měření deformace zkušebního tělesa při postupném odleptávání povrchových vrstev, měřený vzorek počítáme podle teorie pružnosti jako křivý prut Při odleptávání se postupně odstraňují povrchové vrstvy materiálu a tím se uvolňuje i napětí v této vrstvě obsažené Výhody: nízká cena odleptaná vrstva Připevnění dostupnost Zkoušený vzorek Nevýhody: nízká přesnost měřená výchylka
Nepřímé metody měření zbytkových napětí Metoda křehkého nátěru Princip: zkoumaný povrch je potřen křehkým pryskyřičným nátěrem v poslední době i fólie s křehkou vrstvou Po zaschnutí působením deformací se iniciují trhlinky ve směru kolmém na maximální dilataci Možnost zkoumání povrchových mikrotrhlin vodivým nátěrem po popraskání změna vodivosti nátěru, nebo folie Výhody: rychlá, operativní metoda Nevýhody: malá přesnost velké ovlivnění okolními vlivy (teplota, vlhkost) náročné na zkušenosti pracovníka
Metoda odvrtávání Princip: do tělesa se zbytkovým napětím jsou vyvrtány otvory Odvrtáním části tělesa dojde k uvolnění části napětí, těleso reaguje změnou deformace, kterou měříme tenzometricky. Podle směru deformace se určí směr a přibližně i velikost napětí Umožňuje měření povrchových i objemových napětí v oblasti dané velikostí tenzometru Použití je limitováno teplotou, při které je schopen pracovat tenzometr
Akustická emise Princip: sleduje se jev, který vzniká v materiálu v důsledku nevratných změn ve struktuře zkoumaného tělesa a šíří se materiálem v podobě tzv. napěťových vln. K jejich vybuzení se musí dodat tělesu určitá energie (napjatost tělesa) Energie se uvolňuje skokově např. při tvorbě mikrotrhliny. Tyto změny jsou detekovány v podobě akustických vln. Iniciátory akustické emise: - mikrodefekty - fázové přeměny materiálu - plastická deformace spolu s vznikem skluzových pásů - u kompozitů přetrhávání vyztužujících vláken, odtrhávání od matrice apod.
Závěr Prosazení integrity povrchu do praxe je velkým problémem nejen z důvodů přenositelnosti metodiky, ale také z hlediska zjištěných hodnot a jejich dopadu na kvalitu výrobku. Nelze předpokládat, že budou, zejména za nynějších ekonomických podmínek, vyřazovány jako zmetky jinak bezvadné výrobky jen na základě zjištění, že není dosažena požadovaná hodnota stavu povrchu. Dalším předpokladem obtíží je absence jednotící teorie, která by umožnila jednotlivé vlivy mezi sebou porovnat a kvantifikovat. Vyřešení problémů s integritou povrchu bude dávat nepochybně výrobcům, kteří se budou touto problematikou zabývat, nezanedbatelnou konkurenční výhodu. Jestliže bude u výrobku kladen také důraz na povrchovou integritu a tím zvýšení užitných vlastností, pak tento výrobek bude v konkurenční výhodě. Určitou nevýhodou je, že se tyto vlastnosti projeví až po poslední operaci, nejčastěji tepelném zpracování popř. černění. V takovém případě se zpětně velmi obtížně určuje viník. Nevýhodou je, že právě vpřípadě zbytkových napětí se může jednat o více technologií, které v součtu přináší tyto sledované problémy.
Vývoj i aplikace jednotlivých technologií by měl směřovat tak, aby byly vytvářeny z hlediska komplexního stavu povrchu kvalitnější výrobky při zachování současných cen. Tímto obtížným a zpočátku i nejasným a v praxi zavrhovaným směrem se vydala průmyslová firma HOFMEISTER s.r.o., v jejíž nabídce jsou speciální vrtáky pro vytváření až 3D dlouhých otvorů. Vrtáky jsou koncipovány tak, aby vedle vytvořeného přesného otvoru v toleranci IT7 byl také zároveň modifikován povrch tak, aby došlo ke komplexnímu zvýšení kvality. Této kvality je dosaženo vnesením definované plastické deformace, která iniciuje změnu strukturu a vznik příznivých zbytkových napětí, aniž by bylo potřeba těchto vlastností dosahovat tepelným zpracováním. S ohledem na poznatky ve vazbě na povrchový stav lze předpokládat, že povrchové změny materiálu povedou ke zvýšení odolnosti proti nepříznivému rozvoji únavových poškození popř. náhlého rozvoje trhlin.
Stav obrobeného povrchu ocel ČSN 12 050.1 Povrch otvor vyvrtán nástrojem Hofmeister č. 91. V povrchové vrstvě je øhv0,005 = 445 Povrch otvor vyvrtán nástrojem konkurence G
Stav obrobeného povrchu ocel 19436 Povrch otvor vyvrtán nástrojem Hofmeister val. č. 10 povrch zakalen øhv0,01 =1 107. Povrch otvor vyvrtán nástrojem konkurence povrch má nižší tvrdost øhv0,01 =828.
Text tohoto příspěvku a prezentaci celé přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: www.ateam.zcu.cz Tento příspěvek vznikl na základě spolupráce s průmyslovou společností HOFMEISTER s.r.o. a řešení průmyslového projektu FI-IM4/226, který je částečně hrazen z rozpočtu MPO a spolufinancován z prostředků firmy.