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 ČSN 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) Statické zkoušky
Zkouška tahem. 1
Jedna ze základních statických zkoušek (za stálé síly neb pomalu spojitě se měnící síly) ČSN 42 0310. Zkušební těleso je jednoduchého tvaru a zatěžuje se do porušení – pracovní diagram - registruje se zátěžná síla a deformace (mění se délka zkušební tyče z Lo na Lu a průřez So na Su) Síla F se vztahuje na jednotku plochy S napětí normálové – R=
smluvní napětí
F S0
/MPa/
absolutní prodloužení ∆ L = L 0 − L u /mm/ obvykle se vyjadřuje v % jako poměrné ∆L ε = .100 prodloužení /%/ L0 Pracovní smluvní diagram (závislost F-L odpovídá R-ε) Obr. 1.1: Pracovní diagram zkoušky tahem měkké uhlíkové oceli
/obr.
1.1/
- počátek odpovídá Hookeovu zákonu R = E.ε (mez úměrnosti Ru
- E modul pružnosti) - mez pružnosti RE - fyzikální hodnota - smluvní mez pružnosti trvalé deformace 0,005% - dále deformace pružné a plastické, zpevňování - výrazná mez kluzu Re (definice, náznak teorie - zrna, mřížka, roviny, dislokace) - smluvní mez kluzu (průtažnosti) Rp 0,2 - mez pevnosti tažnost
A=
Rm =
Fm - zaškrcování - skutečné napětí S0
Lu − L0 .100 L0
kontrakce Z =
/%/
S0 − Su .100 S0
/%/
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 (10 a 5 do ev. nekruhové 11,3 a 5,65.√So) vlivem zaškrcování nerovnoměrné prodloužení po délce
Měření deformací - průtahoměry - optické, mechanické, elektrické (odporové, induktivní ap.) Zkouška tlakem /obr. 1.2/ Především u křehkých materiálů - obvykle válečky průměru 20 až 30 mm stejné výšky - nenormována - pevnost při porušení tělesa, jinak zkouška technologická. Obr. 1.2: Příklady pracovních diagramů zkoušky tlakem /1-šedá litina, 2-měkká ocel, 3-zinek, 4-olovo/ -
Hodnocení analogické tahu ev. poměrné zkrácení
rozdíl pevností u šedé litiny
2
R mt =
Fmt /MPa/ S0
ε t a rozšíření ψ
t
/%/
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/ Litiny ČSN - průměr dle tloušťky stěny odlitku - nastojato, neobrobené – pevnost v ohybu napětí krajního vlákna M o max /MPa/ R mo = Wo M 0 max =
Obr. 1.3: Rozdělení napětí v průřezu tyče na mezí úměrnosti pro materiál nestejných vlastností v tahu a tlaku
Fmax .L /N.mm/ 4
–
Wo - modul průřezu
–
pro kruhový
π d3 b.h 2 (obdélníkový ) 32 6
Zkouška střihem. Rovnoměrné smykové napětí ležící v průřezu - není běžná - pomocí přípravků, obvykle přídavná napětí v ohybu Rms bývá 0,8 až 1,0 Rm
Zkouška krutem /obr. 1.4/ Nenormovaná - experimentální náročnost, bez tahového napětí, jednoúčelová - pevnost v krutu Rmk, modul pružnosti ve smyku G analogie tahu, rozložení napětí - kroutící moment
Obr. 1.4: Schéma uspořádání při zkoušce krutem - poměrné zkroucení
ϑ =
M k = F.d
- pevnost v krutu
R mk =
- modul průřezu v krutu
Wk =
- průřez se natočí o úhel
ϕ
/N.mm/ M k max Wk π d3 16
/MPa/ /mm3/
ϕ L
- poměrné posunutí povrchového vlákna – skos
γ =
ϕ .r L
modul pružnosti ve smyku
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 5,0 až 8,5 - Martensova - diamantový kužel 90o - zatížení nebo šířka vrypu) Vnikací (HB, HV, HR)
3
Zkouška dle Brinella. Identor kalená ocelová kulička - D 10 až 2,5 mm - (ocelová do 350 HB, SK do 450 HB) HB =
0,102.F A
F /N/
resp.
F A
F /kp/
- A plocha vtisku (kulový vrchlík) /mm2/ R mHB = k .HB
pro ocel k = 3,1 až 4,1
- závislost tvrdosti na velikosti zatěžovací síly /obr. 1.5/ - vtisk 0,2 až 0,6 D - zatěžovací stupně v závislosti na D2 - ocel 30, litina, barevné kovy 10, hliník 5, ložiskové kovy 2,5 - srovnávat možno pouze v zatěžovacím stupni
Obr. 1.5: Závislost tvrdosti HB na velikosti zátěžné síly
- 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 o vrcholovém úhlu 1360 HV =
0,189.F u2
F/N/
resp. HV =
jehlan 1,854.F u2
a) b) Obr. 1.7: Deformace vtisku podle Vickerse /a-nezpevněný materiál, b-zpevněný materiál F/kp/
(F - síla vztažená na plochu vtisku, u - úhlopříčka vtisku /mm2/) - libovolné zatížení, vtisky geometricky podobné - vztah mezi Brinellem a Vickersem výhody – přesnější /obr. 1.7/, široké použití, menší vtisk i nižší hloubka nevýhody - delší doba vyhodnocování, příprava povrchu, menší vtisk Mikrotvrdost - Hanemannův mikrotvrdoměr (0,5 až 200 p) Zkouška dle Rockwella. Dva druhy indentorů - diamantový kužel 120o ocelová kulička 1/16" - měří se hloubka vtisku /obr. 1.8/ - postup měření, předtížení, vlastní zatížení, odtížení celá stupnice 0,2 mm stupnice (kužel) C 150 kp, (kulička) B 100 kp, A 60 kp (kužel – tenké vrstvy) výhody - rychlá Obr. 1.8: Postup měření tvrdosti podle Rockwella /nahoře – postup zatěžování; dole–detail průniku indentoru a jeho měření/ 4
nevýhody - menší přesnost (identor, pružnost), menší rozsah
Dynamické zkoušky tvrdosti. •
Obdoba statických : volný pád, stlačená pružina (Baumannovo kladivo), porovnávací (Poldi kladívko)
•
Odrazové - Shoreho skleroskop - odraz závaží s kulovým diamantovým hrotem (max. 140 dílků, kalená ocel 100) HSh 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: •
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 / S0
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/
- uspořádání dle Izoda (vetknutý nosník) nebo Charpy /obr. 1.9/ (nosník na dvou podporách) ČSN - tyče U vrub (5, 3, 2 mm) /obr. 1.10/ nebo V vrub (2 mm), bez vrubu - kladivo ztráty, nárazová práce,
podmínky vlivy na hodnotu vrubové houževnatosti:
Obr. 1.10: Rozměry zkušební tyče k vrubové zkoušce rázem předepsané normou ČSN 42 0381
•
tvar vrubu
•
hloubka vrubu
•
šířka zkušební tyče
•
orientace vláken
- hodnota vrubové houževnatosti velice strukturně citlivá (velikost zrna, čistota ocelí, segregace na
hranicích, radiační poškození, stárnutí, tepelné zpracování ap.) -
významný vliv teplota /obr. 1.11/ - s hodnotou souvisí vzhled lomových ploch - závislost se někdy nazývá Vidalova křivka -- houževnatý stav 100 - 200 J.cm-2, křehký stav 10 J.cm-2 charakteristika materiálu (provozní teploty) - způsoby určování
- význam zkoušky - ukazatel plastických vlastností - ne hodnota k výpočtu
5
- přechodová teplota -
Obr. 1.11: Teplotní závislost vrubové houževnatosti /a) schéma průběhu a oblast lomů: I-houževnatých, II-smíšených, III-křehkých; b) způsoby stanovení přechodové teploty tp, a-jako inflexního bodu, b-z rovnosti ploch 1 a 2, c-podle zadané KCmin/
1.3 Technologické zkoušky 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 Slévatelnost posouzení vhodností materiálu k výrobě odlitků, tedy schopnost kovů vytvořit odlitky odpovídající rozměry a tvarem bez makro a mikro vad - především závisí na :
Obr. 1.12: Curyho zkouška zabíhavosti pro šedou litinu
•
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 %)
Svařitelnost charakteristika materiálu určující vhodnost vytvoření spoje předepsané jakosti - zaručená, podmíněně zaručená, dobrá, obtížná
- zkoušky: •
odolnost proti vzniku trhlin
•
odolnost proti zkřehnutí
•
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. 1.14: Zkouška plechů hloubením podle Erichsena /1-zkušební plech, 2-razník, 3-raznice, 4-přidržovač/
Obr. 1.13: Zkouška zkřehnutí svarového spoje
Tváření za studena. 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 10 %), lemování (přítlačná deska), smáčknutí /obr. 1.15/ Zkouška lámavosti (nosník na podporách, za studena i za tepla)
dvou
Tváření za tepla. Zkoušky pěchovací, krutem, kovací Obr. 1.15: Technologické zkoušky trubek /a-rozháněním, brozšiřováním, c-lemováním, d-smáčknutím/
Zkoušky obrobitelnosti, závislost mimo materiálu na nástrojích a podmínkách Další
povrchové
úpravy,
koroze,
opotřebení atd. 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) 5-50 keV (rtg)
•
krátkovlnné 50-400 keV (rtg)
•
velmi krátkovlnné (tvrdé) 0,5-30 MeV (betatron) 7
zdroje umělé (rtg lampy, lineární urychlovače a betatrony), radioizotopy (Co60 - záření gama) - zeslabení I = I 0 .e − µ x µ - součinitel zeslabení (atomové číslo, vlnová délka), x - tloušťka registrace 1.16/ :
Obr. 1.16: Prozařovací metody – registrace a-fotografická, b-fluorescenční, cionizační /1-zářič, 2-clona, 3-prozařovaný materiál, 4-film v kazetě, 5fluorescenční deska, 6-stínící deska, 7-ionizační komora, 8-registrační přístroj/
(zviditelnění)
/obr.
•
fotoregistrace (film radiogram) měrky, zesilovací fólie
•
fluorescenční (stínítka) –
•
ionizační (detektory ionizace plynu) -
-
ocel rtg. do 80 mm, betatron 500 mm - hodnocení - tvar,
velikost, poloha několik snímků – Zvukem a ultrazvukem. Zvukem - běžná kontrola necelistvosti Ultrazvuk - frekvence 1-10 MHz - odraz na rozhraní dvou prostředí - podélné (všechny látky - vzduch 330 m.s-1, ocel 5800 m.s-1) - příčné poloviční
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, VS-vysílací sonda, PS-přijímací sonda/
(tuhé, cca rychlost – c vlnová délka λ = ) f vstup, blízké pole (oblast interferencí) – vnitřní vady (kolmé na průchod) –
metody: •
průchodová - měření ultrazvukové energie - vysilač a přijímač (velikost ne poloha) –
•
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 – Magnetické a indukční metody.
Obr. 1.18: Princip magneto-elektrické metody a) podélná magnetizace, b) příčná magnetizace /P-předmět, V-vada/ 8
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
/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 ? Použití metod.
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/
9
žádná univerzální výběr dle zkoušeného materiálu, tvaru, rozměrech a složitosti výrobku, přístupu kontrolovaného místa, hospodárnosti i předpokládaného druhu a velikosti vady příklady
