1. ZKOUŠENÍ MATERIÁLŮ 1.1 Vlastnosti materiálů Materiály mají nejrozmanitější vlastnosti, které jsou dány především jejich chemickým složením a strukturou. Pro použitelnost v technické praxi se dělí na vlastnosti: fyzikální (souvisí hlavně s krystalickou stavbou - hustota, elektrická a tepelná vodivost, magnet. vlastnosti ap.) chemické (elektrochemické, korozní ap.) mechanické (pružnost, pevnost, houževnatost, tvrdost, tečení, únava ap.) technologické ( tvárnost, slévatelnost, obrobitelnost, svařitelnost ap.) Dle vlivu struktury: vlastnosti strukturně citlivé (závislé na dokonalosti krystalové mřížky, způsobu tepelného a mechanického zpracování - většina mechanických vlastností, elektrické ap.) vlastnosti strukturně necitlivé (hmotnost, měrné teplo, teplota tání ap.) 1.2 Mechanické zkoušky Mechanické vlastnosti umožňují kvantitativně hodnotit chování materiálů za působení vnějších sil, př. i dalších vlivů. Některé hodnoty mají fyzikální význam - lze je tedy přepočítávat pro jiný tvar a rozměr, jiné vystihují chování za určitých podmínek (nelze převádět) pro posouzení vlastností a zpracování materiálů (vrubová houževnatost). Celkové zkoušení je nezbytné pro kontrolu jakosti výrobků, jako důležitý poznatek výzkumných prací i k hodnocení úrovně technologie výroby. Mechanické zkoušky můžeme dělit dle: charakteru zatěžování (statické, dynamické) zjišťovaných vlastností (pevnostní, tvrdostní, únavy ap.) druhu namáhání (tah, tlak, ohyb, krut ap.) teploty a prostředí Pro zabezpečení reprodukovatelnosti a porovnatelnosti je nutnost jejich normování. Způsob odebírání vzorků může podstatně ovlivnit obdržené výsledky (materiál není homogenní a izotropní) - zkušební kus - zkušební vzorek místo odebírání - volba průměrných vlastností - nejvíce exponované místo ČN udává počet zkušebních vzorků dle množství a druhu výroby, potřeby bezpečnosti ap. Obecné zásady pro odběr jsou: reprezentace určité dávky, výroby, tavby ap. vyhnout se místům s předpokládanými vadami vzorek musí prodělat celý výrobní proces odběrem se nesmí ovlivnit vlastnosti brát ohled na anizotropii značení (nepoškozovat zkušební část, zůstat zachováno) tatické zkoušky Zkouška tahem. 1
Jedna ze základních statických zkoušek (za stálé síly neb pomalu spojitě se měnící síly) ČN 42 31. Zkušební těleso je jednoduchého tvaru a zatěžuje se do porušení pracovní diagram - registruje se zátěžná síla a deformace (mění se délka zkušební tyče z L o na L u a průřez o na u) íla F se vztahuje na jednotku plochy - napětí normálové smluvní napětí R = F /MPa/ absolutní prodloužení L = L L /mm/ u Obr. 1.1: Pracovní diagram zkoušky tahem měkké uhlíkové oceli - E modul pružnosti) - mez pružnosti R E - fyzikální hodnota - smluvní mez pružnosti trvalé deformace,5% obvykle se vyjadřuje v % jako poměrné L prodloužení ε =. 1 /%/ L Pracovní smluvní diagram /obr. 1.1/ (závislost F-L odpovídá R-ε) - počátek odpovídá Hookeovu zákonu R = E.ε (mez úměrnosti R u - dále deformace pružné a plastické, zpevňování - výrazná mez kluzu R e (definice, náznak teorie - zrna, mřížka, roviny, dislokace) - smluvní mez kluzu (průtažnosti) R p,2 - mez pevnosti F m R m = - zaškrcování - skutečné napětí L L tažnost A u u =. 1 /%/ kontrakce Z =. 1 /%/ L houževnatost - měřítko energie k deformaci a porušení tělesa - plocha pod křivkou Lomy charakterizují vlastnosti materiálu (bodový, smykový, křehký, smíšený (dutinový). Zkušební tyče: dle upnutí dle materiálu dle délky (1 a 5 d o ev. nekruhové 11,3 a 5,65. o) vlivem zaškrcování nerovnoměrné prodloužení po délce Měření deformací - průtahoměry - optické, mechanické, elektrické (odporové, induktivní ap.) Obr. 1.2: Příklady pracovních diagramů zkoušky tlakem /1-šedá litina, 2-měkká ocel, 3-zinek, 4-olovo/ - rozdíl pevností u šedé litiny Zkouška tlakem /obr. 1.2/ Především u křehkých materiálů - obvykle válečky průměru 2 až 3 mm stejné výšky - nenormována - pevnost při porušení tělesa, jinak zkouška technologická. Hodnocení analogické tahu ev. poměrné zkrácení F mt R mt = /MPa/ ε t a rozšíření ψ t /%/ 2
Zkouška ohybem. Pro křehké materiály, svarové a pájené spoje - nosník na dvou podporách - z průhybu se určuje deformační schopnost - napětí normálové nerovnoměrně rozložené po průřezu - posun neutrální osy u litiny /obr. 1.3/ Obr. 1.3: Rozdělení napětí v průřezu tyče na mezí úměrnosti pro materiál nestejných vlastností v tahu a tlaku Zkouška střihem. Litiny ČN - průměr dle tloušťky stěny odlitku - nastojato, neobrobené pevnost v ohybu napětí krajního vlákna M o max R mo = /MPa/ - W o Fmax.L M max = /N.mm/ 4 W o - modul průřezu pro kruhový π d 3 32 (obdélníkový b.h 2 ) 6 Rovnoměrné smykové napětí ležící v průřezu - není běžná - pomocí přípravků, obvykle přídavná napětí v ohybu - R ms bývá,8 až 1, R m Zkouška krutem /obr. 1.4/ Nenormovaná - experimentální náročnost, bez tahového napětí, jednoúčelová - pevnost v krutu R mk, modul pružnosti ve smyku G - analogie tahu, rozložení napětí - kroutící moment M k = F. d /N.mm/ - pevnost v krutu M k max R mk = /MPa/ Wk Obr. 1.4: chéma uspořádání při zkoušce krutem - poměrné zkroucení - poměrné posunutí povrchového vlákna skos ϑ = ϕ L - modul průřezu v krutu - průřez se natočí o úhel ϕ W ϕ.r γ = modul pružnosti ve smyku L k 3 π d = /mm 3 / 16 G = τ γ Zkoušky tvrdosti. Tvrdost bývá definována jako odpor proti vnikání cizího tělesa do zkoušeného povrchu - vlivů více (různé pružné a plastické vlastnosti materiálů i identoru, jeho geometrie, použitá síla, tření, umístění vtisku ap.) - nejednotnost měření - rychlé, jednoduché, většinou bez výrazného poškození Dělení dle: rychlosti zatěžování (statické, dynamické) principu zkoušky Vrypové: (Mohsova stupnice tvrdosti, ocel 5, až 8,5 - Martensova - diamantový kužel 9 o - zatížení nebo šířka vrypu) Vnikací (HB, HV, HR) 3
Zkouška dle Brinella. Identor kalená ocelová kulička - D 1 až 2,5 mm - (ocelová do 35 HB, K do 45 HB),12.F F HB = F /N/ resp. A A - A plocha vtisku (kulový vrchlík) /mm 2 / R mhb = k.hb pro ocel k = 3,1 až 4,1 F /kp/ Obr. 1.5: Závislost tvrdosti HB na velikosti zátěžné síly - závislost tvrdosti na velikosti zatěžovací síly /obr. 1.5/ - vtisk,2 až,6 D - zatěžovací stupně v závislosti na D 2 - ocel 3, litina, barevné kovy 1, hliník 5, ložiskové kovy 2,5 - srovnávat možno pouze v zatěžovacím stupni - metodika, vzdálenosti od hrany, od sebe, tloušťka /obr. 1.6/, doba zátěže výhody - jednoduchá, heterogenní struktury, necitlivá, levná nevýhody - odečítání, přesnost, omezenost, poškození výrobku Obr. 1.6: Fotoelasticimetrické zjišťování průběhu smykového namáhání pod vtlačovanou kuličkou Zkouška dle Vickerse. Identor čtyřboký diamantový jehlan o vrcholovém úhlu 136,189.F HV = F/N/ resp. HV = 2 2 u 1,854.F u F/kp/ (F - síla vztažená na plochu vtisku, u - úhlopříčka vtisku /mm 2 /) - libovolné zatížení, vtisky geometricky podobné - vztah mezi Brinellem a Vickersem - výhody přesnější /obr. 1.7/, široké použití, menší vtisk i nižší hloubka a) b) Obr. 1.7: Deformace vtisku podle Vickerse /a-nezpevněný materiál, b-zpevněný materiál nevýhody - delší doba vyhodnocování, příprava povrchu, menší vtisk Mikrotvrdost - Hanemannův mikrotvrdoměr (,5 až 2 p) Obr. 1.8: Postup měření tvrdosti podle Rockwella /nahoře postup zatěžování; dole detail průniku indentoru a jeho měření/ Zkouška dle Rockwella. Dva druhy indentorů - diamantový kužel 12 o - ocelová kulička 1/16" - měří se hloubka vtisku /obr. 1.8/ - postup měření, předtížení, vlastní zatížení, odtížení - celá stupnice,2 mm - stupnice (kužel) C 15 kp, (kulička) B 1 kp, A 6 kp (kužel tenké vrstvy) výhody - rychlá nevýhody - menší přesnost (identor, pružnost), menší rozsah 4
Dynamické zkoušky tvrdosti. Obdoba statických : volný pád, stlačená pružina (Baumannovo kladivo), porovnávací (Poldi kladívko) Odrazové - horeho skleroskop - odraz závaží s kulovým diamantovým hrotem (max. 14 dílků, kalená ocel 1) Hh bez poškození povrchu, malá přesnost - Duroskop - princip kyvadla Kyvadlové - princip útlumu Dynamické zkoušky. Zjišťují odolnost proti křehkému porušení, používají se zkoušky analogické statickým - význam zkouška rázem v ohybu. Týž materiál se může porušit houževnatě nebo křehce dle podmínek. Vznik náhlých křehkých lomů bez předchozí varující deformace za nižších napětí může být příčinou havárií. Vznik křehkého lomu podporují: Obr. 1.9: Poměry při rázové zkoušce v ohybu na kyvadlovém kladivu /a) schéma Charpyho kladiva: 1-rám, 2-zkušební tyč, 3-kladivo, 3a-tvar břitu, 4-vlečná ručička, 5-stupnice, b) výpočet nárazové práce: G-kývající hmota, r-poloměr dráhy břitu/ Obr. 1.1: Rozměry zkušební tyče k vrubové zkoušce rázem předepsané normou ČN 42 381 hranicích, radiační poškození, stárnutí, tepelné zpracování ap.) podmínky nízká teplota složitý stav napjatosti rychlost deformace Zkouška vrubové houževnatosti spočívá v přeražení zkušební tyče na kladivu a určení nárazové práce spotřebované na toto přeražení - houževnatost je spotřebovaná práce vztažená na plochu pod vrubem K KC = / J.cm -2 / - uspořádání dle Izoda (vetknutý nosník) nebo Charpy /obr. 1.9/ (nosník na dvou podporách) ČN - tyče U vrub (5, 3, 2 mm) /obr. 1.1/ nebo V vrub (2 mm), bez vrubu - kladivo ztráty, nárazová práce, vlivy na hodnotu vrubové houževnatosti: tvar vrubu hloubka vrubu šířka zkušební tyče orientace vláken - hodnota vrubové houževnatosti velice strukturně citlivá (velikost zrna, čistota ocelí, segregace na - významný vliv teplota /obr. 1.11/ - s hodnotou souvisí vzhled lomových ploch - závislost se někdy nazývá Vidalova křivka -- houževnatý stav 1-2 J.cm -2, křehký stav 1 J.cm -2 - přechodová teplota - charakteristika materiálu (provozní teploty) - způsoby určování - význam zkoušky - ukazatel plastických vlastností - ne hodnota k výpočtu 5
Obr. 1.11: Teplotní závislost vrubové houževnatosti /a) schéma průběhu a oblast lomů: I-houževnatých, II-smíšených, III-křehkých; b) způsoby stanovení přechodové teploty t p, a-jako inflexního bodu, b-z rovnosti ploch 1 a 2, c-podle zadané KC min/ 1.3 Technologické zkoušky Obr. 1.12: Curyho zkouška zabíhavosti pro šedou litinu - zkoušky: odolnost proti vzniku trhlin odolnost proti zkřehnutí Technologické vlastnosti umožňují za definovatelných podmínek určitý způsob zpracování materiálu - nelze vyjádřit ve fyzikálních veličinách - jedná se o posouzení vlastností pro určité zpracování - nutno ovšem definovat podmínky pro reprodukovatelnost a srovnatelnost výsledků - lévatelnost posouzení vhodností materiálu k výrobě odlitků, tedy schopnost kovů vytvořit odlitky odpovídající rozměry a tvarem bez makro a mikro vad - především závisí na : zabíhavost - schopnost zaplnit formu, obvykle dráha až kam zaběhne tekutý kov, Curyho zkouška, závisí především na složení (eutektické, likvidus-solidus), plyny, vměstky, teplotě lití, stavu formy apod. smrštění - zmenšení objemu vůči tavenině v % (ocel až 2,5 %, litina 1 %) vařitelnost charakteristika materiálu určující vhodnost vytvoření spoje předepsané jakosti - zaručená, podmíněně zaručená, dobrá, obtížná krystalizační a likvační trhliny - ohybová zkouška při teplotách u solidu - natavování povrchu v ochranné atmosféře imitace teplotních cyklů Thermorestor studené trhliny - zkouška Tekken žíhací a lamelární trhliny častá návarová zkouška - tuhost brání tepelné dilataci zkoušky zkřehnutí /obr. 1.13/ - vrubová houževnatost nebo ohyb 6
Obr. 1.13: Zkouška zkřehnutí svarového spoje Obr. 1.14: Zkouška plechů hloubením podle Erichsena /1-zkušební plech, 2-razník, 3-raznice, 4-přidržovač/ Tváření za studena. Obr. 1.15: Technologické zkoušky trubek /a-rozháněním, b- rozšiřováním, c-lemováním, d-smáčknutím/ opotřebení atd. Plechy - hlubokotažnost Erichsen, kulový vrchlík /obr. 1.14/ - Engelhart, válcový razník kalíšek - střídavý ohyb, dvojitý přehyb Dráty - střídavý ohyb, kroucení, navíjení Trubky - vnitřní přetlak, rozhánění (kužel 1:5), rozšiřování (vnitřní průměr o 1 %), lemování (přítlačná deska), smáčknutí /obr. 1.15/ Zkouška lámavosti (nosník na dvou podporách, za studena i za tepla) Tváření za tepla. Zkoušky pěchovací, krutem, kovací Zkoušky obrobitelnosti, závislost mimo materiálu na nástrojích a podmínkách Další povrchové úpravy, koroze, 1.4 Zkoušky nedestruktivní. Defektoskopie Vnitřní a povrchové vady (necelistvosti) vlivem výroby, technologie a provozu - ohrožení bezpečnosti, životnosti zařízení (zeslabení, vrubové účinky) - vady skryté - třídění ev. opravy Zkoušky prozařováním. Vnitřní vady, jejich orientace, použití - elektromagnetické vlnění: dlouhovlnné (měkké) 5-5 kev (rtg) krátkovlnné 5-4 kev (rtg) velmi krátkovlnné (tvrdé),5-3 MeV (betatron) 7
zdroje umělé (rtg lampy, lineární urychlovače a betatrony), radioizotopy (Co 6 - záření gama) - zeslabení I I. µ x = e Obr. 1.16: Prozařovací metody registrace a-fotografická, b-fluorescenční, c- ionizační /1-zářič, 2-clona, 3-prozařovaný materiál, 4-film v kazetě, 5- fluorescenční deska, 6-stínící deska, 7-ionizační komora, 8-registrační přístroj/ velikost, poloha několik snímků µ - součinitel zeslabení (atomové číslo, vlnová délka), x - tloušťka registrace (zviditelnění) /obr. 1.16/ : fotoregistrace (film - radiogram) - měrky, zesilovací fólie fluorescenční (stínítka) ionizační (detektory - ionizace plynu) - ocel rtg. do 8 mm, betatron 5 mm - hodnocení - tvar, Zvukem a ultrazvukem. Obr. 1.17: Princip odrazové ultrazvukové metody a,b s jednou sondou, c,d s dvěma sondami /1-vysílací i přijímací sonda, 2-počáteční echo, 3-koncové echo, 4-poruchové echo, V-vysílací sonda, P-přijímací sonda/ metody: průchodová - měření ultrazvukové energie - vysilač a přijímač (velikost ne poloha) Zvukem - běžná kontrola necelistvosti - Ultrazvuk - frekvence 1-1 MHz - odraz na rozhraní dvou prostředí - podélné (všechny látky - vzduch 33 m.s -1, ocel 58 m.s -1 ) - příčné (tuhé, cca poloviční rychlost c vlnová délka λ = ) - f vstup, blízké pole (oblast interferencí) vnitřní vady (kolmé na průchod) odrazem - (dvě sondy neb jedna) /obr. 1.17/ - krátké ultrazvukové impulzy - odražení, el. signál přes časovou základnu na obrazovce - vada, poruchové echo (poloha určuje hloubku vady, výška a tvar její velikost) - desítky metrů, zajištění vstupu, vliv struktury Obr. 1.18: Princip magneto-elektrické metody a) podélná magnetizace, b) příčná magnetizace /P-předmět, V-vada/ Magnetické a indukční metody. Feromagnetické materiály (Inkar) - vada změna magnetického toku (povrch ev. těsně pod) - indikace feromagnetický prášek (za sucha nebo suspenze) - vada orientovaná kolmo ke směru magnetického toku 8
/obr. 1.18/ - magnetizace permanentním magnetem, průchodem proudu (nejčastější - vysoké proudy), pomocným vodičem indukční metoda - zjišťování rozptylového pole ve zmagnetovaném předmětu elektromagnetickým snímačem (obdoba Inkaru) vířivými proudy - pro nemagnetické i magnetické - vady místně zhoršují vodivost (indukce střídavým magnetickým polem do výrobku) Kapilární zkoušky. Využití vzlínavosti kapalin /obr. 1.19/ - vady souvisící s povrchem, od feromagnetických po nevodivé - postup (plnění, odstranění zbytku, nanesení detekční látky, vzlínání indikační kapaliny) - zvýšení kontrastu - rozložení vad, velikost? - Obr. 1.19: Princip kapilární metody: a) povrch před nanesením kapaliny, b) po nanesení kapaliny, c) po natření, d) po nanesení detekční látky /1-trhlina, 2-indikační kapalina, 3-detekční látka/ Použití metod. žádná univerzální - výběr dle zkoušeného materiálu, tvaru, rozměrech a složitosti výrobku, přístupu kontrolovaného místa, hospodárnosti i předpokládaného druhu a velikosti vady - příklady 9