Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Atributy vrstvených ocelových materiálů Diplomová práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Michal Černý, CSc.
Vypracoval: Bc. Stanislav Čechlovský
Brno 2011
Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy
Agronomická fakulta 2011/2012
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Název tématu: Rozsah práce:
Stanislav Čechlovský Zemědělská specializace Automobilová doprava
Atributy vrstvených ocelových materiálů cca 50 stran
Zásady pro vypracování: 1. 2. 3. 4. 5.
Kompilační přehled měření mechanických vlastností vrstevnatých materiálů Rešerše poznatků ze současné technologie výroby ocelových sendvičů Experimentální verifikace základních mechanických vlastností Posouzení získaných hodnot z pohledu klasických ocelových materiálů Popis využití vícevrstvých materiálů v technické praxi a ekonomické zhodnocení
Seznam odborné literatury: 1. JECH, J. Tepelné zpracování oceli. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1983. 392 s. 2. RUDOLF, T. Damašková ocel. Bakalářská práce. MENDELU Brno, 2010. 3. ČERNÝ, M. Materiály pro výrobu nožů. [online]. 2007. URL: http://www.noze-nuz.com. 4. ČERNÝ, M. -- ČECHLOVSKÝ, S. Povídání o damaškové a vrstvené oceli I. a II. [online]. 2010. URL: http://www.noze-nuz.com. Datum zadání diplomové práce:
listopad 2010
Termín odevzdání diplomové práce: duben 2012 Stanislav Čechlovský Autor práce doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí ústavu
doc. Ing. Michal Černý, CSc. Vedoucí práce prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci na téma ATRIBUTY VRSTVENÝCH OCELOVÝCH MATERIÁLŮ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne……………………………………. podpis studenta……………….............
Poděkování: Mé díky si zaslouží nespočetné množství přátel, kteří při mně stáli během celého mého studia a mohl jsem vždy počítat s jejich podporou. Především bych chtěl poděkovat panu doc. Ing. Michalu Černému, CSc., bez jehož cenných rad, připomínek, pomoci a řádné dávky trpělivosti bych jen s těží vytvořil tuto diplomovou práci. Velké díky patří panu Jiřímu Zouharovi za poskytnutí kvalitních vzorků pro účely zkoušek. Bez jeho pomoci a ochoty by praktická část nebyla vůbec uskutečnitelná. Také by jsem chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za nemalou pomoc během mechanických zkoušek, za cenné rady a připomínky během zpracovávání výsledků. Nemohu také opomenout na poděkování pracovníkům ústavů FSI a UMVI Vysokého učení technického v Brně za pomoc a rady během mechanických zkoušek a jejich vyhodnocení.
Anotace: Jak již lze z názvu diplomové práce usuzovat, zabývá se určením atributů vrstvených ocelových materiálů za pomoci mechanických zkoušek. Rešeršně pojednává o současných trendech v technologii výroby ocelových sendvičů. Experimentálně verifikuje základní mechanické vlastnosti vrstvených ocelí a následně je vyhodnotí v porovnání s hodnotami získanými u klasických ocelových materiálů. Závěrem uvádí možnosti využití vícevrstvých ocelových materiálů v technické praxi v závislosti na jejich ekonomičnosti výroby. klíčová slova: damašková ocel, sendvičový ocelový materiál, mechanické vlastnosti, mechanické zkoušky, akustická emise
Anotation: How can be the name of the thesis concluded, it deals with identifying attributes of layered steel materials with the help of mechanical tests. It discusses the current trends in product technology of steel sandwiches. Experimentally verify basic mechanical properties of layered steel and subsequently assessed it in comparison with the values obtained for the classic steel materials. In the end, there are lists of the possible use of multi-layer steel materials in the technical practice, depending on the long-term role of the production. keywords: damask steel, sandwich steel material, mechanical properties, mechanical tests, acoustic emission
OBSAH ÚVOD ............................................................................................................................... 7 1 CÍL PRÁCE ................................................................................................................... 7 2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ A JEJICH ZKOUŠENÍ .................... 7 2.1 Deformace materiálů............................................................................................... 8 2.1.1 Pružná deformace ............................................................................................ 8 2.1.2 Trvalá deformace ............................................................................................. 9 2.2 Zkoušky mechanických vlastností a jejich rozdělení ........................................... 10 2.2.1 Zkouška tahem ČSN EN 10002 - 1 ............................................................... 11 2.2.2 Zkouška rázem v ohybu ČSN EN 10045 - 1 ................................................. 14 2.2.3 Zkoušky tvrdosti ............................................................................................ 17 2.2.4 Zkoušky únavové pevnosti ............................................................................ 21 2.2.5 Metalografická pozorování ............................................................................ 24 3.2.6 Speciální zkoušky .......................................................................................... 25 3 HISTORIE VÝROBY VRSTVENÝCH OCELOVÝCH MATERIÁLŮ – DAMAŠSKÉ A DAMASCÉNKÉ OCELI ..................................................................... 28 3.1 Damascénká ocel .................................................................................................. 28 3.2 Svářkový damašek ................................................................................................ 31 3.3 Japonský meč ........................................................................................................ 35 4 SOUČASNÁ VÝROBA A VYUŽITÍ VRSTVENÝCH OCELOVÝCH MATERIÁLŮ ........................................................................................................................................ 36 4.1 Nerezové damašky – Damasteel AB .................................................................... 37 4.2 Sendvičové oceli ................................................................................................... 37 5 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ...................................................................................... 40 5.1 Metodika výroby svářkového damašku a jeho zkoušení ...................................... 40 5.2 Zhotovení damaškové oceli .................................................................................. 40 5.1.1 Volba vstupních materiálů ............................................................................. 41 5.2 Výroba zkušebních vzorků a jejich tepelné zpracování ........................................ 44 5.2.1 Zkušební tělesa pro zkoušku rázem v ohybu ................................................. 45 5.2.2 Zkušební tělesa pro tahovou zkoušku ............................................................ 46 5.2.3 Zkušební tělesa pro zkoušku únavové pevnosti ............................................. 49 5.3 Popis zkušebních metod........................................................................................ 50 5.3.1 Charpyho zkouška rázem v ohybu ................................................................. 50 5.3.2 Zkouška tahem ............................................................................................... 52 5.3.3 Zkouška únavové pevnosti............................................................................. 54 5.3.4 Měření tvrdosti ............................................................................................... 57 5.3.5 Metalografická pozorování ............................................................................ 59 5.3.6 Měření mikrotvrdosti ..................................................................................... 60 5.4 Diskuze získaných výsledků ................................................................................. 62 5.4.1 Výsledky rázových zkoušek .......................................................................... 62 5.4.2 Výsledky tahových zkoušek .......................................................................... 67 5.4.3 Výsledky vysokocyklové únavy .................................................................... 69 5.4.4 Výsledky měření tvrdosti ............................................................................... 79 5.4.5 Výsledky měření mikrotvrdosti ..................................................................... 82 5.4.6 Porovnání a ověření mechanických vlastností ............................................... 82 ZÁVĚR ........................................................................................................................... 88 POUŽITÁ LITERATURA: ............................................................................................ 91 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK ............................................................................ 92
6
ÚVOD Materiál lze charakterizovat mnoha způsoby, které se od sebe liší zaměřením pro danou zkoumanou oblast využití. Lze tedy o materiálu říct, že má pro danou oblast určité vlastnosti (atributy). Ty lze zjišťovat za pomoci speciálních zkoušek. Za jedny z nejdůležitějších
zkoušek
pro
technickou
oblast
jsou
považovány
zkoušky
mechanických vlastností materiálů, díky nimž lze o zkoušeném materiálu zjistit potřebné informace o jeho chování za specifických podmínek. Pro běžně využívané kovové materiály jsou stanoveny hodnoty právě za pomocí těchto zkoušek v normách, tedy není nutné před každým použitím materiál opětovně zkoušet. Pokud však je zamýšleno použít nenormalizované materiály, jimiž bezpochyby vícevrstvé ocelové sendviče jsou, je nutné zjistit jejich mechanické vlastnosti. Damaškovými ocelemi rozumíme kovové vícevrstvé materiály s nehomogenní pravidelnou strukturou, kterou lze ovlivnit v průběhu tepelného tváření.
1 CÍL PRÁCE Jako cíl diplomové práce „Atributy vrstvených ocelových materiálů“ bylo zadáno seznámení s metodami měření mechanických vlastností ocelových sendvičů, doplněné o poznatky ze současné technologie výroby vrstvených ocelových materiálů. Dále bylo úkolem provést experimentální verifikaci základních mechanických vlastností vrstvených ocelí a získané hodnoty následně porovnat s vlastnostmi běžně používaných ocelí. Závěrem uvést možnosti využití vícevrstvých materiálů v technické praxi v závislosti na jejich ekonomickém zhodnocení ve srovnání s běžnými materiály.
2
MECHANICKÉ
VLASTNOSTI
MATERIÁLŮ
A
JEJICH
ZKOUŠENÍ Mechanické vlastnosti zkoušených materiálů jsou verifikací jejich reakce při působící mechanické síle. Pokud na materiál působíme silou, jeho reakcí je deformace, tedy postupná změna jeho tvaru. Při malém zatížení se materiál dokáže deformovat vratně, tedy po odstranění působící síly je schopen návratu do původního stavu. Tato deformace je nazývána pružnou nebo elastickou. Při použití větší síly přechází deformace v tzv. trvalou (plastickou), při níž není schopen materiál ani při odstranění
7
veškeré působící síly návratu do původního stavu. Pokud budeme v zatěžování pokračovat navýšením síly, bude deformace pokračovat a u většiny kovových materiálů je zakončena porušením struktury materiálu, tedy lomem. [5]
2.1 Deformace materiálů Deformací materiálu rozumíme změnu jeho tvaru pomocí silového působení, jehož dosahujeme mechanickým namáháním. Výslednou deformaci nám ovlivní jak velikost, tak i druh namáhání. Z praxe můžeme uvést mnoho druhů namáhání, např. tahu, tlaku, ohybu, krutu či smyku. Velmi častá je i kombinace jednotlivých druhů namáhání za účelem navození reálné situace, ve které daný materiál bude později použit. [5]
Obr. 1 Nejčastější způsoby namáhání – tak, tlak, ohyb, krut, smyk [5]
2.1.1 Pružná deformace Uvažuje-li se oblast pružné deformace, je její závislost napětí σ na relativním prodloužení ε lineární. Pružnou deformaci popisuje Hookův zákon. σ=E·ε kde
[N/mm2]
(2.1)
E [N/mm2] je Youngův modul pružnosti v tahu
8
V závislosti na druhu namáhání lze použít také modul pružnosti v tlaku, ohybu atd. Modul pružnosti udává tuhost materiálu, materiálovou vlastnost. Charakterizuje tedy chování zkoušeného materiálu vůči působící síle a s tím spojenou „ochotu“ se deformovat. Materiály s vysokým modulem pružnosti se velmi neochotně deformují i při působení značně velkých sil. U materiálů s nízkým modulem naopak stačí k deformaci jen nízká síla (jako příklad lze uvést eleastomery) Při pohledu na pružnou deformaci na atomární úrovni lze konstatovat, že je u většiny materiálů spojena s jen malým vychýlením atomů či molekul z rovnovážné polohy, a to ve směru síly působící na těleso. Procentuální vyjádření velikosti pružné deformace je tedy logicky poměrně malé (výjimkou jsou již zmiňované eleastomery). Po odstranění síly dojde k návratu materiálu do původního tvaru vlivem snahy atomů o zaujetí energeticky výhodnějšího stavu. [5]
Obr. 2 Skluz dvou částí krystalu vlivem pohybu dislokací ve skluzových rovinách [5]
2.1.2 Trvalá deformace Trvalé deformace lze dosáhnout u kovových materiálů (vlivem skluzu) a u termoplastů (vlivem změny orientace makromolekul ve směru namáhání). Pro účelovost diplomové práce se dále budeme věnovat pouze skluzu u kovových materiálů. Skluzem rozumíme vzájemné posunutí dvou částí krystalu podél skluzové roviny, jak jej lze spatřit na Obr.2, a pohybem dislokací (mřížkových poruch). Tyto
9
dislokace, vzniklé již např. během tuhnutí roztaveného kovu, se skluzově pohybují vlivem vnějšího napětí. Pokud dosáhnou povrchu krystalu, projeví se jako stupínek. Jelikož k porušení vazeb dochází jen mezi atomy v těsném okolí pohybující se dislokace, je posouvání části krystalu průchodem dislokací energeticky poměrně nenáročné. Skluzu je nejsnáze dosahováno v rovinách hustě obsazené atomy. Snadnost skluzu je v kovech podporována také nesměrovým charakterem kovové vazby. Tím nejsou kladeny žádné prostorové nebo nábojové nároky vůči vzájemným polohám atomů. Proto jsou kovy schopné plastické deformace. [5]
2.2 Zkoušky mechanických vlastností a jejich rozdělení Poznatky o mechanických vlastnostech železných i neželezných materiálů lze získat především pomocí mechanických zkoušek. Ty lze rozdělit podle několika kritérií, např. dle působení síly, dle teploty, za níž se zkouška provádí a dle způsobu a rychlosti zatížení. Výsledné hodnoty napomáhají určit chování zkoušených materiálů v různých provozních podmínkách, tedy zda jsou materiály vhodné pro použití. Mezi významné materiálové zkoušky patří zkoušky destruktivní, které napomáhají zjišťovat technickou bezpečnost konstrukcí a zařízení, mimo jiné i u svarových kovů a svarových spojů (tedy uplatnitelné i pro svářkový damašek). Požadavky na destruktivní zkoušení najdeme např. v příslušných směrnicích EU, ČSN, evropských zkušebních normách, amerických či ruských zkušebních normách, v materiálových specifikacích a v příslušných výrobkových normách. Tím je dosažena určitá standardizace zkoušek a reprodukovatelnost výsledků za daných podmínek. V České republice a zemích Evropského společenství jsou nejčastěji používány přístupy evropských a národních norem. Destruktivními zkouškami se ověřuje komplex užitných vlastností testovaných materiálů, jež garantují odolnost vůči vnějším vlivům (zatížení s ohledem na jeho charakter, okolní prostředí a teplota). Dále jimi lze zjišťovat jejich vlastní strukturní stav, četnost a výskyt defektů atd. [6] Mezi základní destruktivní zkoušky řadíme: - zkouška tahem, tlakem - zkouška rázem v ohybu, ohybu za rotace - zkouška tvrdosti (makro, mikro) - zkouška únavové pevnosti
10
- makroskopická a mikroskopická kontrola struktury - speciální zkoušky – zkoušky za snížených a zvýšených teplot, zkoušky tečení (creep), zkoušky mezikrystalové koroze a technologické zkoušky
2.2.1 Zkouška tahem ČSN EN 10002 - 1 Při zkoušce je deformována tyč vlivem tahového zatížení, nejčastěji až do přetržení. Stanovují se mechanické vlastnosti, vyjádřené veličinami jako - pevnost v tahu Rm – napětí rovnající se největšímu zatížení, po jehož dosažení nastává pokles zatížení a výrazná kontrakce v místě přetržení zkušebního vzorku - mez kluzu Re – napětí odpovídající počátku trvalé deformace materiálu - smluvní mez kluzu Rp – odpovídá hodnotě napětí, kdy plastická deformace dosáhne předepsané hodnoty, vyjádřené v procentech počáteční měřené délky - tažnost A v % - vlastnost kovových materiálů, odpovídá trvalému relativnímu prodloužení po přetržení zkoušeného materiálu. Tažnost je mírou plasticity materiálu - kontrakce Z v % - poměrné zúžení průřezu v místě přetržení Princip tahové zkoušky se zakládá na vyhotovení normalizované tyče kruhového nebo obdélníkového průřezu, opatřené hlavou pro uchycení do čelistí trhacího stroje. Zkušební tyč je v trhacím stroji natahována za definovaných podmínek (rychlost zatěžování, teplota atd.) od nulového zatížení až po její přetržení. K zaznamenání závislosti prodloužení materiálu na zatížení slouží tahový diagram. [6]
11
Obr. 3 Z hora:Zkušební tyč pro tahovou zkoušku, tyč po zkoušce [6] a – tloušťka ploché zkušební tyče b – šířka zkoušené délky ploché tyče d – průměr zkoušené délky válcové zkušební tyče nebo průměr válcového drátu Lo – počáteční měřená délka Lc – zkoušená délka Lt – celková délka zkušební tyče Lu – měřená délka zkušební tyče po přetržení So – počáteční plocha příčného průřezu zkušební tyče Su – nejmenší plocha příčného průřezu zkušební tyče po přetržení
12
Obr. 4 Tahový a tlakový diagram oceli s výraznou mezí kluzu [9] F – zatížení
[N]
ReH – horní mez kluzu
[N/mm2]
ReL – dolní mez kluzu [N/mm2] Rm – pevnost v tahu
[N/mm2]
L – prodloužení
[mm]
Po úspěšně provedené zkoušce lze ze vzniklého tahového diagramu, korespondující závislost deformace na napětí, stanoviti následující údaje: - mez úměrnosti, tedy nejvyšší možné napětí, po jehož uvolnění nedojde k trvalé deformaci zkušební tyče. Pro tuto mez platí Hookův zákon, vyjádřený vzorcem (2.1). - horní mez kluzu ReH, která odpovídá prvnímu poklesu zatížení, ovlivněna vzájemným působením příměsí (C, N) a dislokací - dolní mez kluzu ReL, zobrazující nejnižší napětí v průběhu plastického kluzu kovu
13
Re = Fe/So
[N/mm2]
kde
Fe [N] je zatížení na mezi kluzu,
(2.2)
So [mm2] je výchozí průřez tyče - smluvní mez kluzu, hodnota napětí, při kterém plastická deformace dosahuje předepsané hodnoty (v %) počáteční měřené délky průtahoměru. Označuje se písmenem R doplněným indexem označující danou hodnotu plastické deformace v procentech (např. Rp0,2). Využívá se především pro tvrdé a křehké materiály. - pevnost v tahu Rm, hodnota označující největší možné zatížení, po jehož překročení dochází k poklesu zatížení a výrazné kontrakci z důvodu deformace (přetržení) zkušební tyče. Často je označována zjednodušeně jako pevnost. Rm = Fmax/So [N/mm2] kde
(2.3)
Fmax [N] je maximální zatížení
- tažnost A odpovídá trvalému relativnímu prodloužení po přetržení materiálu A = ((Lu – Lo)/Lo) · 100 kde
[%]
(2.4)
Lu [mm] je změřený délkový rozměr tyče po přetržení Lo [mm] je počáteční délka tyče
- kontrakce Z představuje další plastickou vlastnost materiálu Z = ((So – Su)/So) · 100 kde
[%]
(2.5)
Su [mm2] je průřez krčku tyče po jejím přetržení
2.2.2 Zkouška rázem v ohybu ČSN EN 10045 - 1 Pro stanovení užitných vlastností materiálů při rázovém namáhání slouží zkouška rázem v ohybu. Získané výsledky korespondují s chováním zkoušeného materiálu z hlediska odolnosti vůči křehkému porušení. I přes relativní jednoduchost této zkoušky byla zjištěna závislost mezi jejími výsledky a výsledky zkoušek lomové
14
mechaniky. Ty umožňují stanovit exaktně podmínky iniciace křehkého porušení a odpovídající přípustnou velikost defektů. U
rázové
zkoušky
v ohybu
je
principem
přelomení
zkušební
tyče
normalizovaného rozměru (10 x 10 x 55 mm) pomocí jednoho nárazu Charpyho kyvadlového kladiva. Zkušební tyč může být hladká (bez vrubu) nebo uprostřed opatřena vrubem ve tvaru V nebo U různých rozměrů a je položena na dvou podporách. Vrub je umístěn na odvrácené straně zkušební tyče vůči straně úderu kladiva. Výsledkem zkoušky je nárazová práce [J]. Pokud se jednalo o hladkou zkušební tyč, zjišťovala se rázová houževnatost. Pří použití zkušební tyče s vrubem je zjišťována vrubová houževnatost. Pokud byl pro zkoušku použit V vrub, používá se často i procento houževnatého lomu v % nebo boční rozšíření v mm. Při nemožnosti vyrobit zkušební tyč normalizovaných rozměrů, je možné při dodržení přesně stanovených podmínek vyrobit tzv. podrozměrovou zkušební tyč.
Obr. 5 Zkušební tyč pro zkoušku rázem v ohybu, tvar vrubu [6] Ke zkoušce je zpravidla použita sada složená ze tří zkušebních tyčí, pomocí nichž vyhodnocujeme průměrnou a minimální hodnotu nárazové práce. To se provádí především z důvodu statického charakteru v přechodové oblasti zkušebních teplot.
15
Obr. 6 Zkušební zařízení – Charpyho kladivo [7] Přechodovou oblast teplot materiálů lze stanovit pomocí přechodové křivky nárazové práce (Obr. 7) nebo vrubové houževnatosti [J/cm2]. Vrubovou houževnatost lze určit podělením hodnoty nárazové práce ku výchozímu průřezu tyče pod vrubem. Pro nakreslení přechodové křivky závislosti nárazové práce na teplotě je nutné provést potřebné množství zkoušek rázem v ohybu při různých hodnotách teploty. [6]
16
Obr. 7 Tranzitní křivka závislosti nárazové práce na teplotě [6]
2.2.3 Zkoušky tvrdosti Tvrdost materiálu je mechanická vlastnost, která představuje jeho odpor proti vnikání cizího. Základní stupnicí tvrdosti představuje stupnice Mohsova, která pochází z mineralogie a má 10 stupňů tvrdosti.
17
Obr. 8 Mohsova stupnice tvrdosti a tvrdost vybraných látek dle stupnice [5] V technické praxi však není tato stupnice dostatečně přesná. Proto se vyvinuly mnohem citlivější metody měření tvrdosti, které lze rozdělit na zkoušky statické a dynamické. Principem metod statických je vtlačování vhodného tělíska (indentoru) do materiálu za pomoci síly o předepsané hodnotě (dle druhu zkoušky). Následně je vzniklý vtisk velikostně změřen (jeho šířka nebo hloubka) a přepočten na hodnotu tvrdosti. Pro kovové materiály se nejčastěji používají metody dle Brinella a Rockwella. Metoda Vickersova a Knoopova lze využít i pro velmi tvrdé a křehké materiály a díky poměrně nízkým zatížením se rovněž využívají pro měření tvrdosti malých oblastí materiálů (jednotlivá zrna, fáze, povrchové vrstvy, povlaky atd.). Za předpokladu použití nižšího zatížení než je 200g se měření označuje jako mikrotvrdost. Hodnota tvrdosti se číselně vyjadřuje bez jednotek, pouze je u číslice uvedeno označení metody měření (např. 56 HRC dle Rockwellovy metody za použití diamantového kužele při zatížení 150 kg). Pro dynamické zkoušky tvrdosti se nejčastěji používají měření za pomoci Poldino kladívka a Shoreho odrazové zkoušky. [5, 6]
18
Brinellova zkouška EN ISO 6506-1 Vtlačovaným tělískem je kulička z kalené oceli nebo karbidu wolframu, nejčastěji o průměru 10 mm. Na kuličku působí zatížení 500 – 3000 kg. Trvalý vtisk od indentoru je opticky změřen a slouží pro výpočet plochy vtisku. Tvrdost je poté vypočtena ze vzorce (2.6). HB = 0,102 · 2F/ πD(D – (D2 – d2)-1) kde
(2.6)
D je průměr kuličky F je zkušební zatížení d je střední průměr vtisku d1, d2 jsou průměry vtisku ve dvou vzájemně kolmých rovinách h je hloubka vtisku
Obr. 9 Schéma zkoušky dle Brinella [5]
Vickersova zkouška EN ISO 6507-1 U této metody je do zkoušeného materiálu vtlačován diamantový jehlan ve tvaru pravidelného čtyřbokého jehlanu se čtvercovou základnou a vrcholovým úhlem 136º pod zatížením 0,001 – 1 kg. Měřeným rozměrem vtisku je jeho úhlopříčka. Výsledná hodnota tvrdosti se vypočítá ze vzorce (2.7)
19
HV = 0,1891 · (F / d2) (2.7) kde
α je vrcholový úhel jehlanu vnikajícího tělesa F je zatížení d je aritmetický průměr dvou délek úhlopříček d1 a d2
Obr. 10 Schéma zkoušky dle Vickerse [15]
Rockwellova zkouška EN ISO 6508-1 (ČSN EN ISO 18265) Vnikajícím indentorem je diamantový kužel
s vrcholovým úhlem 120º a
poloměrem zaoblení 0,2 mm, ocelová nebo tvrdokovová kulička o průměru 1,5875 mm nebo 3,175 mm. Označení zkoušky je závislé na druhu indentoru a velikosti zkušebního zatížení. Hloubka vniklého vtisku je na tvrdoměru automaticky převedena na hodnotu tvrdosti. Hodnota tvrdosti je zjištěna na základě rozdílu hloubky vtisku vnikajícího indentoru mezi předběžným a celkovým stupněm zatížení. Předběžné zatížení slouží k vyloučení nerovností měřeného povrchu. Zkušební vzorek se nejprve zatíží předběžnou silou 100 N, po té se během 3 až 6 sekund zvětšuje síla až na předepsanou
20
hodnotu zatížení 1500 N (100 N + 1400 N). Následuje opětovné zmenšení zatěžující síly na 100 N a v tomto stavu je zjištěn přírůstek hloubky vtisku. Tab. 1 Označení zkoušky dle Rockwella Označení
Materiál indentoru Zatížení [kg]
HRA HRC
60 diamantový kužel
HRD
100
HRB HRF
150 100
ocelová kulička
HRG
60 150
Obr. 11 Schéma zkoušky dle Rockwella [7]
2.2.4 Zkoušky únavové pevnosti Působení proměnlivého nebo rázového zatěžování vede ke vzniku únavy materiálu, jež se projeví porušením součásti i při nižších napětích než odpovídá jeho pevnostní charakteristice. Důvodem je vznik plastické deformace vlivem zatěžování proměnlivým namáháním, byť se pohybuje v elastické oblasti, čímž dochází ke koncentraci v okolí přítomných defektů napětí. Jelikož cyklická plastická deformace energii neustále pohlcuje, dojde k únavovému lomu materiálu. Únavový proces se skládá ze tří základních stádií. První stadium zahrnuje změnu mechanických vlastností materiálu, následuje stádium iniciace únavové trhliny, za kterým nastává pomalý růst únavové trhliny a následné rychlé dolomení. Únava se rozděluje dle počtu únavových cyklů do porušení na nízkocyklovou 3
(do 10 cyklů) a vysokocyklovou (nad 106 cyklů). Při nízkocyklové únavě se namáhá zkušební těleso nad mezí kluzu, při vysokocyklové jde o namáhání pod mezí kluzu. Zkoušky únavové pevnosti lze provádět na tzv. únavových strojích. Zatížení může
být
řešeno
mechanicky
nebo
21
hydraulicky,
případně
se
využívá
elektromagnetických vysokofrekvenčních pulsátorů. Pomocí těchto strojů lze aplikovat na zkušební těleso tlakové, tahové , ohybové, nebo smykové namáhání v různých kombinacích a časových režimech. Závislost amplitudy napětí σa na počtu zatěžovacích cyklů N (v log) do lomu zkoušeného materiálů je označována jako Wöhlerova únavová křivka. Z křivky lze stanovit maximální počet cyklů materiálu, tedy jeho životnost (počet cyklů) při daném druhu zatížení nebo naopak. Mezi faktory ovlivňující mez únavy patří především způsob zatěžování, jakost povrchu, velikost zkušebního tělesa, tepelné zpracování a v jeho důsledku vzniklé vnitřní pnutí v materiálu. Významně také ovlivňuje mez únavy vyhotovení vrubu, ať již konstrukčního (úmyslný ostrý zářez), technologického (stopy po obrábění, okujený povrch) nebo strukturní (vměstky, především u vrstvených ocelí). Právě z důvodů velkého množství faktorů je velmi obtížné porovnání výsledků z různých zdrojů a je nutné zachovávat porovnávání údajů, které se týkají nejen stejného materiálu (typ výrobku, stejné tepelné zpracování), ale i stejných zkušebních podmínek (frekvence, povrchová úprava, typ zatěžujících cyklů, laboratorní podmínky). [17]
Obr. 12 Popis Wöhlerovy křivky [6] Wöhlerova křivka se skládá z úseku časové meze únavy, lineárně klesající s počtem cyklů a z úseku náležícímu mezi únavy Rc, kde již nedochází ke změně únavového napětí. Mez únavy je vnímána jako významná materiálová charakteristika a
22
lze ji definovat jako maximální rozkmit, který zkušební vzorek vydrží po „neomezený“ počet zatěžovacích cyklů. [5, 6]
Obr. 13 Wöhlerova křivka vybraných materiálů [5] Jelikož během zkoušení materiálu probíhá v jeho struktuře mnoho změn, které v daný okamžik jen s těží můžeme vizuálně zachytit, využívá se s úspěchem pro detekci těchto strukturních změn nedestruktivní metody měření akustické emise, patřící mezi akustické technické diagnostiky. Ta se mimo jiné stále více využívá v průmyslu pro její jedinečnou vlastnost podat včasné varovné signály při vzniku náhlé poruchy. Mezi tyto náhlé poruchy lze v největší míře řadit právě únavové poškození. Akustické (elastické) vlny, které nazýváme jako akustickou emisi, jsou generovány dynamickým uvolňováním mechanického napětí uvnitř materiálu tělesa. Ty jsou následně zachyceny snímačem AE a převedeny na elektrický signál, který je
23
vyhodnocen měřícím přístrojem. Celý proces vzniku a detekce akustické emise lze shrnout do několika fází: - událost zdroje akustické emise - šíření napěťových vln od zdroje ke snímači - detekce napěťových vln snímačem - převod na elektrický signál - vyhodnocení výsledného elektrického signálu AE měřícím přístrojem [17, 18]
Obr. 14 Princip detekce vzniku a detekce AE a její znázornění na měřícím přístroji [18]
2.2.5 Metalografická pozorování Mezi metalografická šetření lze zařadit makroskopickou a mikroskopickou kontrolu, které jsou obvykle užívány jako doplněk mechanických zkoušek pro ověřování stavu struktury materiálu a jeho čistoty. Makroskopická kontrola spočívá ve vizuálním pozorování s případným zvětšením (maximálně 30 násobné zvětšení) nenaleptaného nebo naleptaného vzorku. Mezi makroskopické kontrolní zkoušky patří baumanův otisk a makrolept. Pomocí baumanova otisku se stanovují vyloučené sulfidické vměstky manganu a železa v oceli, které udávají její metalurgickou čistotu. Makrolept pro změnu umožňuje sledovat u oceli její primární krystalizaci, důvody porušení celistvosti, rozložení různých prvků a nečistot nebo hloubku nauhličení oceli. Podrobnější kontrolou, zaměřenou na posuzování základních strukturních fází, lze získat za pomoci mikroskopické kontroly. Je možné ji provést za pomoci optického mikroskopu při zvětšení 30 až 1000 násobném, nebo za použití výkonnějších 24
elektronových mikroskopů, které umožňují 1000 až 20 000 násobné zvětšení. Při tomto zvětšení již lze hodnotit kvalitativní a kvantitativní strukturní složky, jako jsou např. karbidické a nitridické částice.
3.2.6 Speciální zkoušky Jedná se o zkoušky, které nemusí být předmětem přejímky u základních materiálů. Patří sem především: - zkoušky za snížených a zvýšených teplot - zkoušky tečení (creepové zkoušky) - zkoušky mezikrystalové koroze - technologické zkoušky Zkoušky za snížených a zvýšených teplot Pro běžné destruktivní zkoušky se využívá laboratorních teplot, tedy okolo 20ºC. Se změnou teploty, ať již k minusovým nebo plusovým teplotám, se některé vlastnosti materiálů mění. U materiálů, které budou ve svém použití vytaveny nestandardním teplotám, je tedy nutné provést zkoušky tahem a rázem v ohybu za snížených nebo zvýšených teplot. U tahové zkoušky ČSN EN 10002-5 dochází se vzrůstající teplotou k poklesu hodnoty meze kluzu a meze pevnosti. Pokud se zvýší teplota cca nad 0,4 · Tm (kde Tm – teplota tavení materiálu), změní se zásadně mechanismus porušování. Následně dochází k tečení materiálu a porušení přichází při dosažení hodnoty meze pevnosti při tečení. Pokud naopak je teplota během zkoušek snížena, nastává u materiálů k mírnému zvýšení pevnostních charakteristik až o 20% (při kryogenních teplotách pod -100ºC) U zkoušky rázem v ohybu se naopak plastické vlastnosti materiálů s poklesem teplot snižují. U nízkolegovaných a nelegovaných ocelí má závislost hodnot nárazové práce v J, v případě vypočtené vrubové houževnatosti v J/cm2, a procenta tvárného lomu na teplotě charakter podle Obr. 7. Pro oceli s austenitickou mikrostrukturou byl při nízkých zkušebních teplotách zjištěn plynulý pokles nárazové práce (vrubové houževnatosti a procenta tvárného lomu, a to až do hlubokých minusových teplot. Pokud je zkouška rázem v ohybu prováděna za zvýšených zkušebních teplot, nárazová práce narůstá až do určité teploty, kdy je dosaženo 100% tvárného lomu.
25
Uvedené zkoušky vyžadují logicky použití dodatečných zařízení, pomocí nichž lze zkušebních teplot dosáhnout. Nízké zkušební teploty lze dosáhnout použitím kryogenních komůrek nebo chladících nádob. Pro zkoušky za zvýšených teplot se využívají regulované pícky různých konstrukcí a nádob na ohřev. [5, 6] Zkouška tečení U materiálu dlouhodobě vystavenému stálému mechanickému napětí v elastické oblasti může dojít postupem času k pomalé trvalé deformaci. Tato deformace je označována jako tečení – creep. K tečení kovových materiálů dochází za zvýšených teplot, cca nad 0,3*Tm. Proto je nutné v praxi dosáhnout u zkoušené součásti takové kombinace teploty a namáhání, aby proces creepu neohrozil její funkci. Průběh tečení je zaznamenáván v tzv. křivce tečení, která znázorňuje závislost relativní deformace na čase při konstantním zatížení a teplotě. Za nízkých teplot a nízkého zatížení se deformace zvětšuje velmi pomalu až do doby, kdy se zastaví. Za vyšších teplot a zvýšeném zatížení proběhne deformace rychleji a je zakončena lomem zkoušeného materiálu.
Obr. 15 Křivka tečení žáropevné oceli [6] Záznam křivky tečení se používá především pro zjištění rychlosti ustáleného sekundárního tečení έ v II. oblasti, nazývané sekundární tečení a je základním kritériem pro stanovení žáropevnosti. Při RT zkouškách tečení je důležitou získanou hodnotou čas
26
do lomu, pomocí něhož lze vypočítat dlouhodobou mez pevnosti v tečení za 105 a více hodin v provozu. έ = K · σn · exp (-(Q/kT)) kde
(2.8)
Q je aktivační energie k je Boltmanova konstanta K je materiálová konstanta n je koeficient, jehož hodnoty se pohybují v širokém rozmezí 1 až 20 Hlavními příčinami tečení jsou pohyb dislokací, difuze vakancí, prokluz po
hranici zrn a usměrněné přeskupování strukturních jednotek. Pro materiály s krystalickou strukturou platí první tři děje. Schématicky jsou popsány na Obr. 16. Pohyb dislokací se projevuje za zvýšených teplot, kdy se dislokace pohybují skluzem a šplháním, tedy pohybem dislokační čáry kolmé ke skluzové rovině. Difuze vakancí, nebo-li tok, vzniká za dostatečně vysokých teplot jednak v jednotlivých zrnech, tak i po jejich hranicích. V materiálu pod zatížením se tvoří gradient koncentrace vakancí, následkem něhož vakance difundují z míst s vyšší koncentrací do míst s koncentrací nižší. Jelikož jsou vakance prázdná místa mřížce, je s jejich pohybem jedním směrem spjat opačný pohyb atomů. To se projeví na prodloužení materiálu ve směru působící síly. Třetím dějem, probíhajícím u kovových materiálů, je pokluz po hranici zrn. Vzniká u materiálů se zrny, jejichž hranice je zakřivená nebo pokud jsou na ní přítomny tvrdé částice. Díky tomu může dojít ke vzniku dutin, které ve výsledku vedou ke zeslabení nosného průřezu materiálu a následně ke vzrůstu rychlosti tečení, jež v konečném stadiu vede k lomu materiálu. [5, 6]
27
Obr. 16 Schématické znázornění mechanizmů tečení u kovů. [5]
3
HISTORIE
VÝROBY
VRSTVENÝCH
OCELOVÝCH
MATERIÁLŮ – DAMAŠSKÉ A DAMASCÉNKÉ OCELI Historie výroby vrstvených ocelí se datuje již do dávných dob, kdy se člověk pokoušel získat materiál pro zhotovení zbraní, které by spojovali vlastnosti tvrdých vysokouhlíkových ocelí s ocelemi obsahující velmi malé množství uhlíku, někdy nesprávně nazývané jako železo. Postupným zkoušením byly vytvořeny precizní techniky zhotovování výkovků, kladoucí důraz na výběr vhodných vstupních materiálů, průběhu kování a následné finální zpracování polotovaru. K dokonalosti byla tato technologie výroby zbraní dovedena japonskými mečíři. [4]
3.1 Damascénká ocel Je nutné hned na začátku objasnit rozdíl mezi pojmy damascénská a damašská ocel. Mnohdy jsou těmito názvy označovány nejpočetněji se vyrábějící svářkové damašky, tedy damaškové oceli. Tyto damašky však s původní damascenskou ocelí, nazývanou také indická ocel, bulat či wootz, mají pramálo společného. Tehdy používaná železná ruda se dovážela nejčastěji z východní Indie, kde se nacházela velká
28
ložiska výjimečně kvalitní rudy. Postupem času však byla většina vytěžena a dnes již v podstatě neexistuje. Největším centrem výroby chladných zbraní a jejich samotného prodeje se stal Damašek, jak již napovídá nejčastěji používaný název oceli. Původní pravý damašek se vyráběl za použití složitých technologií, při nichž byla železná ruda roztavena do malých hliněných kelímků. Do kelímků se také přidávaly různé přísady, nejčastěji pro správné nauhličení oceli. Složení bylo vždy spojené s tradiční recepturou daného kováře a uchováváno v největší tajnosti. Z toho důvodu se zachovalo jen velmi málo poznatků z původních postupů výroby. Nemalou roli hrálo ono zmiňované nauhličení oceli a pozdější kalící proces. Dle Achima Wirtze vzniká damascénská ocel následovně: „Během extrémně pomalého ochlazování roztavené oceli se vytváří dendritická struktura austenitu. Čím pomalejší je ochlazování, tím větší budou dendrity (austenitické krystaly). Mezi těmito dendrity, v interdendritické fázi, zůstávají volné karbidy poněkud déle v tekutém stavu, protože mají nižší bod tuhnutí. Další ochlazení způsobí ztuhnutí také těchto karbidů. Během tuhnutí mají karbidy vanadu, díky své struktuře, tendenci zůstat (plavat) na čele postupující vlny tuhnutí, nemísí se do vznikající struktury. Poslední ztuhlou složkou oceli jsou tedy pásy karbidů vanadu, které se nacházejí ve středu interdendritické fáze. Tyto vyloučeniny karbidů vanadu vytvářejí jakési negativní obrazy primárních, sekundárních a terciárních dendritů odlišné koncentrace.“ [8] Z uvedeného textu vyplývá, že výsledná kresba damašku je ovlivněna již při ochlazování roztavené oceli v kelímku a jejímu zvýraznění dopomůže následné speciální kování. Proto je tento damašek označován jako strukturní a má typickou kresbu, kterou za použití kovářského svařování nelze dosáhnout. [2, 4]
29
Obr. 17 Kelímek pro tavbu indické oceli, ztuhlá vytavená ocel [4]
Obr. 18 Příklad čepeli vyrobené ze strukturního (krystalizačního) damašku [4]
30
3.2 Svářkový damašek Jsou známi dvě teorie jeho možného vzniku. Jedna hovoří o vzniku svářkového damašku ve snaze napodobit pravý damašek, jak po stránce estetické, tak mechanické. Druhá teorie opřená o archeologické vykopávky hovoří o využívání této oceli již v 1. polovině 1. tisíciletí před Kristem Kelty. Ti ve snaze získat čepel s vysokou tvrdostí vkládali mezi dva pláty vysokouhlíkové oceli jádro z oceli o nízkém obsahu uhlíku, které mělo sloužit jako tlumící prvek a bránilo rozlomení čepele při silných úderech. Pokud je druhá teorie pravdivá, lze hovořit o vývoji svářkového damašku nezávisle na indické oceli. Pro výrobu svářkového damašku se využívá kovářského svařování, nejstaršího způsobu svařovaní ocelí. Jeho vznik je datován do období objevení železa a snahy o jeho užitné zpracování. Železo bylo, stejně jako i dnes, získáváno redukcí železné rudy nebo železitého písku. Do příchodu nových moderních technologií svařování bylo kovářské svařování jediným technologickým postupem, jak spojit dva kovové materiály kovovou vazbou. Kovová vazba vzniká u kovových materiálů v důsledku atomární struktury, kde atomy kovových prvků mají jeden, dva, maximálně tři valenční elektrony. Tyto elektrony, nevázané s žádným určitým atomem, se pohybují volně v chaotickém pohybu mezi kladnými ionty kovových atomů. Následkem jejich pohybu jsou odstiňovány elektrostatické odpudivé síly kladných iontů. Zároveň elektrony složí jako „lepidlo“, které tyto ionty váže k sobě. Tím kovy získávají své typické vlastnosti, jako je velká tepelná a elektrická vodivost, kovový lesk, neprůhlednost, nízkou elektronegativitu, pravidelnou krystalickou mřížkou a další.
31
Obr. 19 Schéma kovové vazby [16] Základem dosažení vrstvené oceli je spojení dvou ocelových materiálu, z nichž jeden obsahuje vysoké množství uhlíku a naopak v druhém je uhlík zastoupen v malém množství. Následným překládáním a opětovným svařováním paketu, vzniklým naskládáním dvou vlastnostmi odlišných ocelí v podobě plátů na sebe, dosáhneme materiálu, který disponuje vlastnostmi obou použitých ocelí. Bude tedy tvrdý a odolný vůči opotřebení jako vysokouhlíková ocel, ale převezme také vlastnosti nízkouhlíkové oceli, především odolnost vůči fragmentaci. Paradoxně lze u damaškových ocelí dosáhnout vlastností, která předčí původně použité oceli.
32
Obr. 20 Způsob překládání paketu Důležitým faktorem ovlivňujícím úspěšnost svaření je vhodná volba materiálů. Jelikož ocel se zvyšujícím se obsahem legur ztrácí svou svařitelnost, nelze svařovat oceli nerezové. Jako vhodné vysokouhlíkové materiály pro svaření se ukázaly nástrojové oceli (třídy 19, nejčastěji 19191 a 19314), patřící do ocelí uhlíkových, vanadových, křemíkových a manganových. Pro měkkou složku se využívají oceli třídy 11, 12, výjimečně i oceli jiných tříd. Neméně důležitá je také správná svařovací teplota, která by se měla pohybovat okolo 1300ºC a použití tavidel, napomáhající rozpuštění okují. Pokud by nedošlo k dokonalému rozpuštění, přítomné okuje by zabránili řádnému svaření a tím zapříčinili vznik vad s negativním dopadem na výsledné vlastnosti, ať již estetické, tak mechanické. Postupným překládáním je dosaženo nehomogenního, avšak strukturně pravidelného materiálu. Počet vrstev se při každém přeložení zvyšuje geometrickou řadou. Je nutné však použít co nejmenšího počtu překládání, jelikož se při každém ohřátí, nutném pro svaření, materiál okysličuje a oduhličuje, což vede k postupné homogenizaci damašku a ztrátě jeho vynikajících vlastností. Dosáhnout toho lze použitím velkého množství plátů v paketu nebo naseknutím již svařeného paketu na tří části a následným přeložením. Překládání je zpravidla ukončeno při dosažení 100 až 500 vrstev. Existují však i tzv. mikrodamašky, které disponují množstvím vrstev v řádu tisíců.
33
Obr. 21 Příklad damašku použitého pro čepel nože – 200 vrstev [10] Výsledná kresba damašku je ovlivněna velkým množstvím faktorů, jako je např. počet přeložení, směr překládání, způsobem zpracování výsledné tyčoviny (tordování, vrtání, vybrušování atd.) nebo také použitím různých polotovarů či součástek běžně používaných nástrojů (řetěz, ocelové lano aj.). Kresba je jasně pozorovatelná po vybroušení a naleptání. Také dobou leptání lze ovlivnit výslednou výraznost kresby.
Obr. 22 Tordování (torzírování) damaškového prutu [4] Kromě chladných zbraní se damašek využíval také k výrobě palných zbraní, především pro výrobu hlavní. Nástupem bezdýmého střelného prachu, které tradičně zhotovené damaškové hlavně nevydržely, byl damašek využíván pouze jako okrasný prvek pro ozdobu opakovacích kulovnic a zlamovacích brokovnic navíjením torzírovaných prutů na hlaveň z moderní hlavňové oceli. [4, 16]
34
Obr. 23 Navíjení damaškových prutů na hlaveň z moderní hlavňové oceli [4]
3.3 Japonský meč Japonský meč se díky své složité výrobě, dovedené prakticky do dokonalosti, považuje za vrchol v technologii výroby svářkového damašku. Ani dnes vyrobené čepele nemohou mnohdy konkurovat čepelím samurajských mečů, které byly zhotoveny dle přísně střežených postupů před stovkami let. Základní surovinou pro získávání oceli byl křemičitý písek - satecu (oxid železitý), jelikož v Japonsku se ložiska železné rudy nenacházejí. Vytavením v peci nazývané tatara se získal ocelový blok - tamahagane. Jako palivo se používalo dřevěné borové uhlí odpovídající jakosti a velikosti, které zároveň sloužilo jako zdroj uhlíku. To zapříčinilo vzniku oblastí s různým obsahem uhlíku. Ocelový blok byl rozbit a jednotlivé kousky roztříděny dle barvy a struktury s přibližně stejným obsahem uhlíku. Kousky byly použity k sestavení paketu a kovářsky svařeny. I zde byly střídány vrstvy oceli s nízkým a vysokým obsahem uhlíku s následně různými způsoby překládány, což ovlivnilo výslednou strukturu vrstvení - hada. Dle konstrukce čepele se následně vyhotovovali pakety s různými vlastnostmi, avšak pro všechny konstrukce bylo společné použití vnitřního měkkého jádra z nízkouhlíkové oceli, které propůjčilo čepeli odolnost vůči fragmentaci při šermířských soubojích. Japonský meč je proslavený také díky své výjimečné ostrosti. Té bylo dosahováno pomocí speciálního kalení za použití kalící pasty. Lokálním nanesením tenké vrstvy v místě ostří a naopak silnější vrstvy na zbytek čepele docházelo při kalení k rychlejšímu ochlazování ostří a tím i většímu zakalení. Vlivem rozdílné rychlosti ochlazování získal meč také svůj typický zahnutý tvar, čímž se spojila vlastnost sečné zbraně se zbraní řeznou, tedy ve výsledku byl mnohem účinnější při zásahu protivníka.
35
Mezi další výrazné rysy bylo vytváření složitých obrazců v kalící pastě na hranici linie kalení - hamon. [4, 13]
Obr. 24 Čepel japonského meče s detailem linie kaleni - hamon [11]
4
SOUČASNÁ
VÝROBA
A
VYUŽITÍ
VRSTVENÝCH
OCELOVÝCH MATERIÁLŮ Z pohledu technologického postupu došlo ve výrobě damašku k jen menším změnám. Pro svářkový damašek se využívají i dnes kombinace nízkouhlíkových a vysokouhlíkových ocelí. Ocel se však získává mnohem snáze za využití technologicky dokonalejších tavných pecích, standardní je automatizace výroby. Namísto tradičního ručního kování přišlo ke slovu strojní tváření, především při výrobě ocelových sendvičů velkých rozměrů. Pro svou nákladnou výrobu však zůstávají ocelová sendviče spíše
36
v oblasti nožířství a umělecké výroby, i přes pokusy využít předností těchto materiálů např. v zemědělství (výroba odhrnovacích desek). [4]
4.1 Nerezové damašky – Damasteel AB Velký pokrok nastal příchodem práškové metalurgie, která nabízí spojení tradičním způsobem nespojitelných vysoce legovaných ocelí, používaných v nožířství pro nerezové čepele. Nejvýznamnější firmou na poli výroby nerezových damašků je švédská firma Damasteel AB, která produkuje velké množství polotovarů nejen pro výrobu čepelí, ale také různých šperků nebo netradičních dárkových předmětů. Damaškové struktury je dosahováno vrstvením prášku ocelí, tudíž kreativnosti nejsou kladeny žádné meze a zákazník si tak může vymyslet v podstatě jakoukoliv kresbu. Mimo to, automatizací celého procesu a výroby velkého množství produktů dokáže firma nabídnout své produkty za velmi přijatelnou cenu. Proto je také damasteel mezi nožíři rozšířen ve velké míře. [4]
Obr. 25 Nůž s čepelí damasteel [12]
4.2 Sendvičové oceli Do velké obliby se dostávají také jednoduché sendvičové damašky, nejčastěji složené ze tří vrstev. Tyto byly využívány, alespoň archeologické vykopávky o tom vypovídají, již v 1. polovině 1. tisíciletí před Kristem starými Kelty. Skládaly se ze dvou tvrdých obalových plátu, mezi něž se vložilo měkké jádro z nízkouhlíkové oceli. Stejně jak u japonského meče i zde plnilo jádro úlohu pohlcovače nárazu a zvyšovalo 37
odolnost vůči přelomení čepele. Dříve se tato konstrukce využívala také v zemědělství, kde díky zušlechtitelnému tvrdému plášti získala odhrnovací deska dvojnásobnou až trojnásobnou životnost. Avšak kvůli velké nákladnosti výroby byly časem sendvičové oceli nahrazeny ocelemi s obsahem bóru 0,002 – 0,005 %, nikoliv pro lepší mechanické vlastnosti, ale právě pro jednoduchou a levnou výrobu. Hlavní oblastí využívání ocelových sendvičů je opět nožířství, kde se prosazují nože inspirované jednoduššími konstrukcemi japonských mečů, která se zhotoví vložením vysokouhlíkové oceli mezi dva pláty houževnaté oceli s nízkým obsahem C. Za jednu z nejlepších je považována nožířská konstrukce San Mai, využívající středně až nízkouhlíkatého ocelového pláště jako arrestora, nebo-li zastavovače mikrotrhlinek vznikajících ve vysokouhlíkatém jádru. Pro plášť je využita nejčastěji ocel 420 HC nebo 420J2 (na Obr. 26 znázorněna jako Lower Carbon Sices), pro tvrdé zušlechtitelné jádro VG-1, VG-10 nebo jiné (na Obr. 26 znázorněna jako Hard, High Carbon Center). [3, 4]
Obr. 26 Sendvičová čepel konstrukce San Mai [4]
38
Obr. 27 Nůž japonského typu s čepelí konstrukce San Maiv kombinaci s damaškovou ocelí [14]
39
5 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
5.1 Metodika výroby svářkového damašku a jeho zkoušení Pro dosažení kvality zkušebních vzorků z damašku byla výroba svěřena zkušenému kováři, který se již mnoho let zabývá kromě umělecké kovářské zakázkové výroby i kováním damaškových ocelí. Poskytnuté vzorky byly podrobeny vybraným mechanickým zkouškám a metalografickému rozboru. Byla porovnána změna mechanických vlastností a složení struktury v závislosti na tepelném zpracování a mediu použitém pro zušlechtění ocelí. Následně byly hodnoty porovnány s hodnotami známými pro vstupní oceli a zhodnocen přínos vrstvené struktury oceli pro mechanické vlastnosti, tedy zda došlo k jejich zlepšení. Jelikož hlavní oblastí použití je nožířství, eventuálně puškařství (zde však již pouze pro ozdobné účely), byly vzorky a jejich úprava prováděna se zaměřením na možný způsob namáhání.
5.2 Zhotovení damaškové oceli Výroba damaškové oceli byla provedena kovářským svařováním. Vstupní paket byl složen ze 17 vrstev, z toho 9 vrstev tvořila nástrojová ocel 19 133 o tloušťce 6 mm a 8 vrstev oceli 80NiCr11 (ekvivalent 19 615) v podobě nařezaných kmenových pilových pásů (katrů) o tloušťce 1,2 mm. Paket byl následně naseknut na 8 dílů a 3x přeložen a skován, čímž vznikl ve výsledku damašek o 136 vrstvách. Z takto vzniklé damaškové tyčoviny byly zhotovený polotovary v hrubých rozměrech zkušebních vzorků pro vrubovou houževnatost, tahovou zkoušku a únavovou zkoušku.
40
Obr. 28 Ohřev paketu na kovací teplotu v kovářské peci
5.1.1 Volba vstupních materiálů Pro výrobu damaškové oceli byly zvoleny oceli 19 133 a 80NiCr11. Ocel 19 133 plní roli tvrdé dobře zušlechtitelné oceli a propůjčuje damašku tvrdost a odolnost vůči opotřebení. Pro „měkkou“ složku byla zvolena ocel 80NiCr11, ekvivalentní pro ocel 19 615, která zaručí damašku jeho houževnatost a odolnost vůči fragmentaci. Ocel 19 133, je ocelí uhlíkovou, manganovou a křemíkovou a patří do ocelí nástrojových (podle ČSN 42 0075), vhodných pro výrobu nástrojů na opracování měkkých až středně tvrdých kamenů, pro kovářské, zámečnické a montážní nářadí, kované zahradnické nůžky nebo kosy. Používá se jak v nezušlechtěném, tak v zušlechtěném stavu jako pomocné součásti forem pro tlakové lití. Tyto oceli mají zpravidla malou prokalitelnost, kalí se povětšinou do vody. Drobné a tenké nástroje lze kalit do oleje. Pro popouštění se používá teplot v rozmezí 100ºC až 320 ºC, což zaručuje zvýšení houževnatosti a nízkou ztrátu tvrdosti. Výsledná tvrdost dosahuje 52 až 63 HRC. Odolnost vůči korozi je malá, odolnost vůči křehkému lomu relativně dobrá. Odolnost proti opotřebení dosahuje v poměrné otěruvzdornosti obrazí 175%. Dodávají se obvykle vyžíhané na měkko. Do paketu byla použita ve formě válcovaného pásu za tepla. Jelikož je méně odolná vůči leptání, ve výsledné kresbě damašku bude viditelná jako tmavá složka. 41
Tab. 2 Chemické složení oceli 19 133 Chemické složení [%] C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
0,65 - 0,75
0,20 - 0,45
0,15 - 0,35
max 0,035
max 0,035
max0,25
max 0,25
Tab. 3 Tepelné zpracování oceli 19 133 Teplota ohřevu [ºC] žíhání normalizační ke žíhání snížení pnutí 810 - 830
600 650
pro kalení žíhání na měkko
680 - 710
do vody
do oleje
770 810
800 830
Zakalená část po kalení Tvrdost [mm] po do vody kalení ve do oleje vodě v celém u min. v celém průřezu větších HRC průřezu průměrů 61
Obr. 29 Tvrdost v závislosti na popouštěcí teplotě [1]
42
14
2,5 - 4,5
3
Tab. 4 Mechanické vlastnosti oceli 19 133 Mechanické vlastnosti Polotvar
tyče válcované nebo kované za tepla
tyče broušené nebo broušené a leštěné
Rozměr d [mm]
20
Stav
kalený a popuštěný
Vrubová houževnatost -2 KCU 2 [J.cm ]
8 - 35 (při HRC 63 - 52)
Tvrdost HRC
52 až 63 ( 790ºC/voda, 300 - 100ºC/2h)
80NiCr11, pro niž je ekvivalentem dle ČSN ocel 19 615 (stupeň ekvivalence 5 – neshoda u jednoho nebo více prvků), bude díky odolnosti vůči leptání ve výsledné struktuře vynikat jako světlá složka. Jedná se o ocel legovanou s velkou prokalitelností, využitelnou pro otěruvzdorné pružné nástroje. 80NiCr11, která se vyrábí v Německu nejčastěji v podobě plechů pro výrobu kmenových pilových pásů – katrů, byla použita v podobě nařezaných plechů s tloušťkou 1,2 mm (vis. Obr. 30)
Obr. 30 80NiCr11 v podobě plechů (vstupní polotovar použitý do paketu) Tab. 5 Chemické složení oceli 80NiCr11 Chemické složení [%] C
Mn
Si
Cr
Ni
S
0,74 - 0,8
0,25 - 0,6
méně nebo rovno 0,4
0,2 - 0,5
2,4 - 2,9
0,025
Kalení je prováděno z teploty 850 – 880ºC do oleje. Ocel po zakalení dosahuje tvrdosti 44 HRC (+/- 1 HRC) a pevnosti v tahu přibližně 1400 MPa. 43
5.2 Výroba zkušebních vzorků a jejich tepelné zpracování Po ukování damaškové oceli byl paket protažen na tyčovinu a rozřezán na vetší počet kusů. Ty byly postupně zpracovány tepelným tvářením na výkovky s hrubými rozměry budoucích normalizovaných zkušebních těles s přídavkem na obrobení.
Obr. 31 Sada výkovků pro zhotovení zkušebních těles Následovalo obrobení těles a jejich zakalení a popuštění v laboratorní peci. Jako ochrana proti oduhličení byl použit nánosový přípravek TINDEREX K-12124. Dle návodu do něj byly vzorky po dobu 5 sekund ponořeny. Po zaschnutí povlaku byla po 10 minutách nanesena druhá vrstva.
44
Obr. 32 Nanášení ochranného povlaku TINDEREX
Obr. 33 Zleva: Laboratorní pec, kalení zkušebních vzorků
5.2.1 Zkušební tělesa pro zkoušku rázem v ohybu Zkušební tělesa pro Charpyho rázovou zkoušku ohybem, byla vyrobena z výkovků damaškové tyčoviny o rozměrech 13 x 13 mm. Následným nařezáním v délce 60 mm, obroušením na pásové brusce na normalizovanou míru 10 x 10 x 55 mm
45
a nanesením ochranného povlaku byly vzorky připraveny k tepelné úpravě. Pro dosažení co největší míry autentičnosti chování čepele nože nebyl na vzorcích vyhotoven vrub. Vzorky také posloužily pro zkoušku měření tvrdosti dle Rockwella, jak v surovém, tedy nezakaleném stavu, tak v průběhu tepelného zpracování. Pro kalení čepelí se nejvíce používá kalícího oleje, ale není výjimkou také používání vody. Proto bylo vyzkoušeno zakalení do olejové i vodní lázně. Po konzultaci bylo zvoleno následující tepelné zpracování (viz. Tab. 6). Po každé tepelné úpravě následovalo měření tvrdosti. Pro objektivnost výsledků bylo zhotoveno 8 sad vzorků, vždy po 5 kusech. Čtyři sady se kalily do oleje a popouštěly na dvě různé popouštěcí teploty, 4 ve vodě opět s použitím dvou popouštěcích teplot. Vždy jeden vzorek ze sady byl zhotoven v délce 65 mm pro účely odřezání a stanovení mikrotvrdosti. Tab. 6 Tepelné zpracování zkušebních těles pro Charpyho zkoušku Kalící médium
Teplota kalení
Popouštěcí teplota
Výdrž
Výdrž
voda
870 ºC
30 min.
150 ºC
350 ºC
15 min.
olej
900 ºC
30 min.
150 ºC
350 ºC
15 min.
Obr. 34 Sada nahrubo obroušených vzorků pro Charpyho zkoušku po zkoušce tvrdosti v přírodním nezušlechtěném stavu
5.2.2 Zkušební tělesa pro tahovou zkoušku Pro účely tahové zkoušky byla vykována plochá damašková pásovina, opět s přídavkem na obrobení. Nerovný struskovitý povrch po kování měl být původně obroben na frézce, ale komplikace s obráběním vše přesměrovaly na sice zdlouhavější, ale za to ve výsledku kvalitnější broušení na magnetické brusce PBH. 46
Pozn.: Fréza (nožová hlava) vlivem vysoké houževnatosti oceli a nízkého profilu obrobku nebyla schopna obrobit damašek, střídání vrstev způsobovalo rázy, které se projevily jako rýhy v obráběném materiálu a mimo jiné zásadně ohrozily životnost sady řezných břitů ze slinutého karbidu.
Obr. 35 Detail povrchu damaškové oceli po nezdařeném pokusu o frézování Z damaškové oceli obroušené do roviny na PBH byly za pomoci laseru vyříznuty zkušební tělesa pro zkoušku v tahu v délce 120 mm (s měřenou délkou 60mm) a šířce 10mm. Šířka upínací části byla volena 14 mm pro zajištění upnutí v samosvorných čelistech.
Obr. 36 Rozměry zkušebního tělesa pro tahovou zkoušku
Obr. 37 Vyříznutí zkušebních těles laserem Tepelná úprava byla zvolena v hodnotách nejčastěji používaných v nožířství, aby bylo dosaženo velké míry podobnosti s tepelně upravenou čepelí nože. Jako kalící
47
médium byl zvolen kalící olej, do něhož byly zkušební tělesa ponořeny po dosažení kalící teploty 900 ºC (při výdrži 30 minut). Po té následovalo popuštění na 150 ºC s výdrží 15 minut. Jelikož byl zvolen plochý pravoúhlý typ zkušebního tělesa, bylo za potřebí zajistit dobré uchycení oceli v čelistech trhacího stroje i po zakalení oceli. Pokud by se zakalily i úchytné plochy, čelisti by se nedokázaly „zakousnout“ do materiálu a s největší pravděpodobností by došlo k vysmeknutí oceli z čelistí. Pro zachování nízké tvrdosti úchytných ploch byla zvolena metoda jílového nánosu inspirovaná metodami kalení japonských mečů. Pro tento účel byl vybrán vhodný jílovitý písek, který byl následně smíchán s ochranným nátěrem TINDEREX. Tím vznikla jílovitá kaše, do níž se konce zkušebního tělesa ponořily. Po zakalení a popuštění nepřesáhli hodnoty tvrdosti úchytných ploch 23 HRC, při čemž tvrdost měřené části tělesa dosahovala průměrných hodnot 37 HRC. Po zakalení bylo provedeno poslední broušení, díky němuž získal povrch zkušebního vzorku požadovanou hodnotu drsnosti (Ra = 0,4)
Obr. 38 Příprava zkušebního tělesa pro tahovou zkoušku – a) vyříznutí laserem z obroušeného pásu damaškové oceli, b) nanesena povrchová úprava a na úchytné plochy nanesena jílovitá kaše, c) zakaleno z 900 ºC do oleje, d) popuštění na 150 ºC, e) vybroušený konečný stav před zkouškou tahem 48
5.2.3 Zkušební tělesa pro zkoušku únavové pevnosti Zkušební tělesa pro zkoušku únavové pevnosti byla vyrobena z prutového výkovku s přídavkem na obrobení. Bylo zhotoveno 5 zkušebních těles s délkou 80mm, tloušťkou 5mm a šířkou 12mm. Ve středu délky vzorků byly za pomoci frézky o průměru 40mm zhotovena únavová oblast, která v nejtenčím místě dosahuje rozměru 8mm.
Obr. 39 Rozměry zkušebního tělesa pro zkoušku únavové pevnosti Kalící a popouštěcí postup byl zvolen totožně jako u těles pro tahovou zkoušku, samozřejmě bez použití jílovité pasty (zde není zapotřebí). Zvláštní důraz byl věnován přípravě ideálně rovného povrchu, protože každá nerovnost (především hrubě opracovaný povrh) by se mohla stát iniciátorem únavové trhlinky a tím by bylo celé měření a z něj získané výsledky „zkresleny“.
49
Obr. 40 Příprava zkušebního tělesa pro zkoušku únavové pevnosti – a) obrobení frézou, b) nanesení ochranného povlaku proti oduhličení povrchu, c) zakaleno z 900 ºC do oleje, d) popuštěno na 150 ºC, e) vybroušeno do konečného stavu před zkouškou
5.3 Popis zkušebních metod Jak již kapitola 5.3 napovídá, byla pro získání hodnot mechanických vlastností damaškové oceli zvolena skupina destruktivních zkoušek: - zkouška rázem v ohybu (kap. 5.3.1) - zkouška tahem (kap. 5.3.2) - zkouška únavové pevnosti střídavým ohybem (kap. 5.3.3) - měření tvrdosti (kap. 5.3.4) - metalografická pozorování (kap. 5.3.5) - měření mikrotvrdosti (kap. 5.3.6)
5.3.1 Charpyho zkouška rázem v ohybu Pro účel zkoušky bylo použito kyvadlové kladivo WBR 230. Je možné jej osadit dvěma variantami kyvadlových kladiv dle potřebné dopadové energie, kterou lze odečíst ze dvou stupnic (dle použitého kladiva). Zkušební těleso je uloženo na opěrné
50
plochy, které jsou pevně přišroubovány k litému tělu stojanu. Vzorek je nutné uložit vrubem přesně v ose dráhy břitu kladiva. Po té je možné zajistit západkou kladivo v pracovní poloze, která zaručí náraz kladiva do tělesa s nejvyšší kinetickou energií. Následně se vlečná ručka stupnice umístí na její začátek a je možné zahájit zkoušku. Zkouška je úspěšná jen tehdy, pokud dojde k přelomení vzorku a jen tehdy je možné ze stupnice odečíst potřebnou lomovou sílu. Pokud je vzorek do té míry houževnatý, že zastaví beran kladiva, není možné hodnotu odečíst. Po přeražení je nutné vzorek odebrat s opatrností, aby nedošlo ke znečištění plochy lomu.
Obr. 41 Charpyho kladivo Pro dosažení autentičnosti byly zvoleny vzorky bez vrubu, aby byla zjišťována rázová houževnatost materiálu. Pouze vzorky zakalené do oleje a popuštěné na 150ºC a 350ºC byly zhotoveny s U vrubem, protože se nepodařilo přerazit nepopuštěné zkušební vzorky zakalené do oleje. Z toho se dalo usuzovat, že ani po popuštění nebude možné vzorek bez vrubu díky velké houževnatosti možné přerazit.
51
5.3.2 Zkouška tahem Zkouška tahem byla provedena na trhacím stroji Zwick 1089 s maximální silou v tahu 200 kN. Vzorek byl upnut do samosvorných čelistí, které se s nárůstem tažné síly (rychlost zatěžování 2 mm·min.-1) samosvorností do materiálu zkušebního tělesa „zakusují“ a zamezují tak vysmeknutí. Jelikož se zkoušel netradiční materiál, nebylo možné předem stanovit potřebnou tažnou sílu a tím i použití velikosti upínací hlavy. Nejdřív byl vzorek upnut do malé hlavy (Obr. 42). Ta však i přes úpravu vzorku (popsanou v kapitole 5.2.2) neměla dostatečnou svírací sílu a zkušební těleso se opakovaně vytahovalo z čelistí.
Obr. 42 Upínací hlavy do 50 kN Následně bylo těleso upnuto do větší hlavy (Obr. 43), která se již byla schopná do materiálu s dostatečnou sílou zaseknout.
52
Obr. 43 Větší upínací hlavy(do 200 kN) - disponující vyšší svěrnou sílou Průběh zkoušky byl předčasně ukončen vlivem působení geometrického a strukturního vrubu v místě styku měrné části vzorku a plochy pro upnutí, které se stalo iniciačním místem lomu vzorku. I přes to však damašek dosáhl, s tímto neplánovaně vytvořeným „vrubem“, průměrné meze pevnosti 1232,36 MPa. Na Obr. 44 je vyobrazen okamžik přetržení zkušební tyče právě v přechodové oblasti.
53
Obr. 44 Přetržení zkušební tyče
5.3.3 Zkouška únavové pevnosti Každá k činnosti využívaná čepel je zatěžována během její životnosti nejen velkými a spíše ojedinělými mechanickými zatíženími (páčení, sekání atd.), ale také u ní dochází k velkému počtu zatížení o nízkých hodnotách působícího silového zatížení. Toto namáhání může za nějaký čas (vysoký počet cyklů) vyvolat lom materiálu i přes to, že nebyla překročena pevnostní charakteristika materiálu Rm. Lze tak říci, že pevnost materiálu podlehla vysokocyklové únavě. Jelikož má čepel tvar plochého pravoúhlého profilu, bylo zvoleno namáhání ve střídavém ohybu, které se vyskytuje u čepelí v největší míře. Pro zkoušku byl použit elektrorezonanční pulsátor RUMUL Cracktronic (typ 8204) od firmy Russemberger Prüfmaschinen AG, který umožňuje zatěžovat zkušební těleso střídavým ohybovým namáháním. Informace a hodnoty probíhající zkoušky jsou zobrazovány za pomoci softwarových aplikací na monitoru připojeného počítače.
54
Obr. 45 Elektrorezonanční pulsátor
Obr. 46 Snímek zkušebního tělesa v upínacích čelistích se snímačem AE Na Obr. 47 je zobrazen monitor PC se snímanými hodnotami. V levém dolním rohu obrazovky lze pozorovat vznik trhliny s následkem poklesu frekvenci vlastních kmitů vzorku (nastává iniciace únavového lomu a zkouška bude ukončena).
55
Obr. 47 Vyobrazení snímaných hodnot v softwarové aplikaci Na zkušební těleso v oblasti mělkého vrubu a na upínací čelisti byly připojeny snímače akustické emise DAKEL MIDI s předzesilovačem(Obr. 48). Ten měl za úkol snímat hodnoty AE v průběhu únavových zkoušek. Ke zpracování AE sloužily měřící analyzátor DAKEL Xedo propojen kabely se snímačem a softwarová aplikace Xedo Deamon (Obr. 47 - na pravé polovině monitoru).
Obr. 48 Zkušební těleso s upnutým snímačem AE DAKEL MIDI
56
5.3.4 Měření tvrdosti Měření tvrdosti probíhalo na zkušebních tělesech pro Charpyho zkoušku z důvodu velkého množství zkušebních těles a jejich různorodosti tepelného zpracování. Měření proběhlo na tvrdoměru Lucznik Ph 116 metodou HRC ( vstupní síla 98,1 N, zatěžující síla 1471,5 = 150 kp), vždy na pěti místech plochy zkušebních těles a to jak ve směru kolmo na plochu, tak ve směru linie vrstev.
Obr. 49 Tvrdoměr, detail měření tvrdosti zkušebního tělesa Snímky použité pro Obr. 51 a Obr. 52 byly pořízeny za pomoci mikroskopu osazeného fotoaparátem. Tato sestava je znázorněna na Obr. 50.
57
Obr. 50 Mikroskop s fotoaparátem a dálkovým ovládáním spouště
Obr. 51 Otisk po indentoru po měření tvrdosti ve směru linie vrstev
58
Obr. 52 Otisky po indentoru po měření tvrdosti na plochu vrstvení vrstev
5.3.5 Metalografická pozorování Mikrovrdost byla zjišťována z kousků zkušebních těles pro Charpyho zkoušku, oddělených pomocí metalografické bimetalové řezačce MIKRON 700. Následovalo zalití vzorku do metalografické pryskyřice. Po vytvrdnutí byl vzorek vybroušen na metalografické brusce, do které byly postupně vkládány brusné papíry o zrnitosti 220, 400, 600, 1000 a 2500. Následovalo leštění za mokra na metalografické leštičce, opatřené semišovým leštícím kotoučem, za použití emulze OP-S SUSPENSION a mikronového spreje s částicemi syntetického diamantu o velikosti 1 μ. Posledním úkonem před samotným měřením bylo naleptání vzorku Nitalem (4%-ní roztok kyseliny dusičné v alkoholu). Měření mikrotvrdosti předcházela metalografická pozorování na mikroskopu NEOPHOT 21 ve zvětšení 350x a 650x.
Obr. 53 Vyleštěný vzorek zalitý do metalografické pryskyřice pro zkoušku mikrotvrdosti
59
5.3.6 Měření mikrotvrdosti Pro měření mikrotvrdosti byl použit Hannemanův mikrotvrdoměr, který měří mikrotvrdost metodou HV (dle Vickerse). Mohlo tak být provedeno měření tvrdosti jednotlivých vrstev a získat tvrdosti jednotlivých vstupních ocelí po tepelném zpracování. Jako indentor je využíván diamantový jehlan, jehož otisk (Obr. 55 a Obr. 56) je odečten pomocí měřícího okuláru. Zjištěná rozměrová hodnota otisku je následně vyhledána v tabulce a tím je zjištěna mikrotvrdost.
Obr. 54 Mikroskop NEOPHOT 21 s Hannemanovým mikrotvrdoměrem a měřícím okulárem
60
Obr. 55 Otisky indentorů po zkoušce mikrotvrdosti ve dvou vrstvách damašku (zvětšené 350x)
Obr. 56 Otisk indentoru po zkoušce mikrotvrdosti (zvětšeno 650x)
61
5.4 Diskuze získaných výsledků
5.4.1 Výsledky rázových zkoušek Pro rázovou zkoušku bylo použito celkem 40 vzorků damašku (8 sad po 5 vzorcích). Cílem bylo zjistit vliv kalící lázně a následného popuštění na výslednou houževnatost, dále vliv vrstvení materiálu a jeho odolnost při impaktu kolmo na linii a plochu vrstev. U vzorků kalených do vody (Tab. 7) byla zkoušena rázová houževnatost, jelikož dosahovaly velké tvrdosti a nižší houževnatosti a nebylo tedy potřeba zhotovení vrubu. U vzorků kalených do oleje musel být vytvořen U-vrub, jelikož se nepopuštěný testovací vzorek přerazit nepodařilo. Lze tedy tvrdit, že kalením do oleje sice nedosáhneme velké tvrdosti, ale zato získáme vysokou houževnatost. Tab. 7 Zkušební tělesa kalená do vody Číslo vzorku Poloha vrstev
1.
2.
Popouštěcí teplota [ºC] 150 350 150 350
3.
4.
5.
Průměr Rozptyl
Odchylka
-2
Práce potřebná pro přeražení [J · cm ] 2,80 3,10 4,30 6,40 2,90 —
—
—
—
—
7,00 5,40 4,30 4,50 5,10 —
—
—
—
—
3,90
1,85
1,36
—
—
—
5,26
0,91
0,96
—
—
—
Vzorky kalené do vody a popuštěné na 350ºC se nepodařilo přerazit. Vlivem vysoké houževnatosti, která vznikla popuštěním damašku na vyšší teplotě, zkušební tělesa odolala za vzniku menší delaminace vrstev (Obr. 57)
62
Obr. 57 Detail delaminace damašku po nezdaření zkoušce rázové houževnatosti Tab. 8 Zkušební tělesa kalená do oleje Číslo vzorku Poloha vrstev
Popouštěcí teplota [ºC]
1.
2.
3.
4.
5.
Průměr Rozptyl Odchylka -2
Práce potřebná pro přeražení [J · cm ]
150
2,30 3,00 2,50 2,10 2,50
2,48
0,09
0,30
350
1,70 3,20 2,60 3,10 2,90
2,70
0,29
0,54
150
5,10 4,20 3,90 4,60 4,30
4,42
0,17
0,41
350
4,50 6,70 5,10 6,40 6,40
5,82
0,74
0,86
Z výsledků jasně vyplývá vliv vrstvení materiálu na výslednou houževnatost zkušebního tělesa jak pro tělesa kalená do vody, tak do oleje. Pokud přerážejí síla působila kolmo na linii vrstev, materiál dosahoval citelně nižší houževnatosti, než když síla působila na plochu vrstev. Tento jen lze vysvětlit postupným přelamováním vrstev, kdy proti síle beranu působí svou vysokou odolností vrstvy oceli 80CrNi11. V opačném případě, kdy síla působí kolmo na linii vrstev, jsou ve stejný okamžik porušeny všechny vrstvy, nedochází ke „kaskádovému“ přelamování. Velký vliv má také volba popouštěcí teploty, která ovlivňuje výslednou houževnatost (blíže vysvětleno v kapitole věnované metalografickému pozorování). Výrazně nižší hodnota přerážející práce je zapříčiněna
63
defekty ve struktuře, především nedokonalým svařením některé z vrstev, což způsobuje delaminaci struktury a sníženou soudržnost vrstev (viz. obr. dtto). Přelomené vzorky byly podrobeny fraktografickému zkoumání (Obr. 58 až 63).
Obr. 58 Formování lomové plochy vlivem vrstev (kaleno do vody, p.t. 150ºC, síla kolmo na linii vrstev)
Obr. 59 Delaminace vrstev zapříčinila rozlomí vzorku v místě špatného svaru (kaleno do vody/popuštěno150ºC, síla kolmo na plochu vrstev)
64
Obr. 60 Detail lomové kresby, vzniklé vlivem nízké popouštěcí teploty – delaminace po vrstvách
Obr. 61 Typický říčkový štepný lom iniciovaný z vrubu s kontrakcí působící kolmo na směr šíření trhliny vlivem vrstvení materiálu (kaleno do oleje/popuštěno 150ºC, vrub kolmo na linii vrstev)
65
Obr. 62 Směs transkrystalického a interkrystalického lomu při směru kolmém na roviny vrstev damašku (kaleno do oleje/popuštěno 350ºC, vrub kolmo na linii vrstev)
Obr. 63 Změna mechanizmu lomu po přechodu mezi vrstvami (kaleno do oleje/popuštěno 350ºC, vrub kolmo na vrstvení damašku)
66
5.4.2 Výsledky tahových zkoušek Pro tahovou zkoušku byly použity tři zkušební tělesa z damaškové oceli. Výsledky jsou zaznamenány v Tab. 9, průběhy zkoušek jsou pro jednotlivé zkušební vzorky znázorněný na Obr. 64, 65 a 66. Tab. 9 Výsledky tahové zkoušky Číslo vzorku
Rp0,2
Rm
Rfr
A
[MPa]
B [mm]
t
v
[sec]
[mm]
1
876,56
1264,75
1215,48
3,84
9,98
612
2
2
876,45
1169,52
1134,57
3,77
10,28
365
2
3
880,08
1262,8
1193,02
3,77
10,08
395
2
Obr. 64 Průběh tahové zkoušky vzorku č. 1 (s prokluzy v čelistech během zatěžování)
67
Obr. 65 Průběh tahové zkoušky vzorku č. 2 (prokluz v úvodu)
Obr. 66 Průběh tahové zkoušky vzorku č. 3 (prokluz v úvodu zkoušky)
68
Na Obr. 64 až 65 lze pozorovat postupné zasekávání a vysmekávání zkušebního tělesa v čelistech. Výslednou „skutečnou“ mez pevnosti Rm se však zjistit nepovedlo, jelikož k fragmentaci zkušebního tělesa došlo ve všech případech v důsledku zvolení nedostatečného poloměru zaoblení a změny struktury v oblasti měrné délky tyče a upínacích ploch. Z Obr.67 lze jasně pozorovat vliv vrubů jako iniciátoru přetržení tělesa mimo měřený úsek.
Obr. 67 Přetržené zkušební tyče
5.4.3 Výsledky vysokocyklové únavy Pro zkoušku vysokocyklové únavy bylo použito pěti vzorků, z nichž každý byl podroben zkoušce pod jinému zatížení a tím i počtu cyklů do okamžiku iniciace únavových trhlin (z obou stran). Výsledky jsou zaznamenány v Tab. 10. Tab. 10 Výsledky vysokocyklové únavy Číslo vzorku
Zatížení
Počáteční ferekvence
Počet cyklů
±[Nm]
±[MPa]
[Hz]
[—]
1
22
660
72,4
40200
2
20
600
72,1
55189
3
16
480
72,39
81900
4
12
360
72,21
199900
5
9
270
72,14
234800
69
Průběh zkoušky je graficky znázorněn v Graf 1 v podobě Wöhlerovy (S-N) křivky.
Damašková ocel (19 133(19 615)
40200; 660 600
55189; 600
500
(MPa)
aplituda ohyb. napětí blabla
700
81900; 480
400 199900; 360 300
234800; 270
200 100 0 0
50000
100000
150000
200000
250000
počet cyklů do lomu Nf (-)
Graf 1 Wöhlerova křivka damaškové oceli Vzorky byly dolomeny v tekutém dusíku a podrobeny fraktografickému zkoumání za použití SEM (elektronový rastrovací mikroskop). Výsledky jsou níže znázorněny obrázky spolu s popisky.
Obr. 68 Zkušební těleso po zkoušce vysokocyklové únavy
70
Obr. 69 Makro pohled na lomovou plochu po dolomení, s iniciací vpravo nahoře
Obr. 70 Detail iniciačního místa s výrazně jemnou kresbou vrstev
71
Obr. 71 Iniciace únavové trhliny na smykové rovině s prostorovou nehomogenitou vměstkem (vpravo nahoře
Obr. 72 Kavitační vzhled lomu v místě zastavení únavové trhliny po ukončení zkoušky
72
Obr. 73 Vliv nesvařených vrstev na charakter šíření trhliny (větvení trhliny - kinking)
Obr. 74 Únavová plocha s viditelnými iniciačními místy (vpravo nahoře, resp. vlevo dole) a disturbancí lomu vlivem napěťové distorze (uprostřed)
73
Obr. 75 Detail iniciačního místa a rozvoje mikrotrhliny vlivem přeložky vzniklé broušením vzorku; přeložka představuje významnou nehomogenitu s kovovou vazbou na reliéf povrchu vzorku
Obr. 76 Detail rozvětvení magistrální trhliny z Obr. 72
74
Obr. 77 Detail schodu na lomové plochy vlivem přechodu trhliny do jiných rovin způsobené nehomogenitou(nesvařením) v oceli
Obr. 78 Kresba lomové plochy při zvětšení 20x – jasně viditelné stopy klouzajících vrstev damašku
75
Obr. 79 Sekundární iniciační místo s jemnou kresbou únavového interkrystalického lomu
Obr. 80 Místa zastavení únavové trhliny v jemnozrnném martenzitickém materiálu s viditelnými místy delaminace mezi nesvařenými vrstvami
76
Obr. 81 Detail plastických můstků v oblasti tvárnější části struktury (perlit + bainit) Pro získání podrobnějších informaci o dějích, probíhajících ve struktuře materiálu během zkoušení byl zkušební vzorek a čelisti zkušebního přístroje osazení snímačem AE. Průběhy AE signálu u jednotlivých zkušebních těles jsou znázorněny na Obr. 82 až 86. cnt log
RMS mV
amplituda 660 MPa (vzorek 1)
6
75 70
4
65 60
2
55 50
0
45 0
1
2
3
4
5
6
7
min
Obr. 82 Průběh signálu u vzorku č.1 při vysoké hodnotě ohybového napětí – akustická odezva mikropohybu vrstev
77
cnt log
RMS mV
amplituda 600 MPa (vzorek 2)
6 70 4
65 60
2 55 0
50 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
min
Obr. 83 Průběh signálu u vzorku č.2- nižší odezva mikroposuvů při nižším ohybovém napětí během únavové zkoušky
cnt log
RMS mV
amplituda 480 MPa (vzorek 3)
6 65 4
60 55
2 50 0
45 0
2
4
6
8
10
12
14
16
min
Obr. 84 Průběh signálu u vzorku č.3 – vzorek se chová téměř jako homogenní materiál cnt log
RMS mV
amplituda 360 MPa (vzorek 4)
6
65
4
60
2
55
0
50 0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
min
Obr. 85 Průběh signálu u vzorku č.4 – mikroposuvy při nekvalitním kovářském svaření
78
cnt log
RMS mV
amplituda 270 MPa (vzorek 5)
6 65 4 60 2
0
55 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
min
Obr. 86 Průběh signálu u vzorku č.5 - počátečné zpevnění a iniciace mikrotrhliny v závěru záznamu (RMS i počet událostí) Z průběhu signálu AE jasně vyplývá, že damašková ocel se chová jako homogenní materiál až při nižších hodnotách napětí. V průběhu lze pozorovat akustickou aktivitu v počátečním stádiu zpevňování, který po dosažení zpevnění materiálu ustává. Další nárůst jak RMS tak i počtu akustických událostí nastává při vzniku lomu. Je-li materiál zatěžován vyššími amplitudami napětí reaguje jako vrstvený a prokluzy vrstev se projeví jako vysoká akustická aktivita (Obr. 82).
5.4.4 Výsledky měření tvrdosti Tvrdost damaškové oceli se měřila ve všech stádiích tepelné úpravy. Tab. 11 Tvrdost v nezušlechtěném stavu Měření Poloha Číslo vrstev vzorku 1
1
2
3
4
5
[HRC] [HRC] [HRC] [HRC] [HRC]
Průměr Odchylka Rozptyl [HRC]
[HRC]
[HRC]
22
23
22
25
24
23,2
1,17
1,36
2
24
22
26
22
23
23,4
1,5
2,24
3
21
25
22
19
21
21,6
1,96
3,84
4
23
23
19
24
23
22,4
1,74
3,04
5
19
20
17
22
19
19,4
1,62
2,64
1
19
17
19
19
18
18,4
0,8
0,64
2
16
19
16
14
19
16,8
1,94
3,76
3
16
19
16
16
16
16,6
1,2
1,44
4
15
16
20
18
18
17,4
1,74
3,04
5
19
16
14
22
21
18,4
3,01
9,04
79
Tab. 12 Tvrdost po zakalení do vody Měření Poloha Číslo vrstev vzorku 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
1
2
3
4
5
[HRC] [HRC] [HRC] [HRC] [HRC] 55 52 58 55 54 48 50 48 53 47
50 50 56 52 54 50 51 48 52 47
52 58 56 55 53 48 51 47 53 49
53 54 54 55 55 52 53 50 53 50
50 57 55 56 54 52 50 49 53 54
Průměr Odchylka Rozptyl [HRC]
[HRC]
[HRC]
52 54,2 55,8 54,6 54 50 51 48,4 52,8 49,4
1,9 2,99 1,33 1,36 0,63 1,79 1,1 1,02 0,4 2,58
3,6 8,96 1,76 1,84 0,4 3,2 1,2 1,04 0,16 6,64
Tab. 13 Tvrdost po zakalení do vody a popuštění na 150ºC Měření Poloha Číslo vrstev vzorku 1
1
2
3
4
Průměr Odchylka Rozptyl
5
[HRC] [HRC] [HRC] [HRC] [HRC]
[HRC]
[HRC]
[HRC]
54
50
50
49
47
50
2,28
5,2
2
47
57
55
45
48
50,4
4,72
22,24
3
52
53
53
49
48
51
2,1
4,4
4
49
50
52
53
50
50,8
1,47
2,16
5
50
52
52
50
51
51
0,89
0,8
1
55
53
54
55
54
54,2
0,75
0,56
2
55
59
49
53
56
54,4
3,32
11,04
3
53
56
48
50
55
52,4
3,01
9,04
4
49
53
55
49
52
51,6
2,33
5,44
5
53
53
55
54
55
54
0,89
0,8
Tab. 14 Tvrdost po zakalení do vody a popuštění na 350ºC Měření Poloha Číslo vrstev vzorku 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
1
2
3
4
5
[HRC] [HRC] [HRC] [HRC] [HRC] 42 54 45 52 46 44 45 42 46 45
48 41 45 48 45 41 47 42 45 48
45 48 52 45 46 49 48 44 49 47
80
44 53 50 48 44 48 47 43 41 45
44 45 50 47 46 46 46 44 41 45
Průměr Odchylka Rozptyl [HRC]
[HRC]
[HRC]
44,6 48,2 48,4 48 45,4 45,6 46,6 43 44,4 46
1,96 4,87 2,87 2,28 0,8 2,87 1,02 0,89 3,07 1,26
3,84 23,76 8,24 5,2 0,64 8,24 1,04 0,8 9,44 1,6
Tab. 15 Tvrdost po zakalení do oleje Měření Poloha Číslo vrstev vzorku 1
1
2
3
4
5
[HRC] [HRC] [HRC] [HRC] [HRC]
Průměr Odchylka Rozptyl [HRC]
[HRC]
[HRC]
42
40
38
39
40
39,8
1,33
1,76
2
39
40
39
38
39
39
0,63
0,4
3
35
38
37
38
39
37,4
1,36
1,84
4
39
42
41
36
36
38,4
2,48
6,16
5
40
40
37
36
38
38
1,6
2,56
1
38
42
41
42
39
40,4
1,62
2,64
2
42
42
41
43
42
42
0,63
0,4
3
43
39
38
42
41
40,6
1,85
3,44
4
37
41
40
39
39
39,2
1,33
1,76
5
43
43
37
40
39
40,4
2,33
5,44
Tab. 16 Tvrdost po zakalení do oleje a popuštění na 150ºC Měření Poloha Číslo vrstev vzorku 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
1
2
3
4
5
[HRC] [HRC] [HRC] [HRC] [HRC]
Průměr Odchylka Rozptyl [HRC]
[HRC]
[HRC]
36 34 35 33 36 41 38 33 40
34 36 39 35 34 37 37 37 38
35 36 38 35 35 37 36 39 40
35 34 33 33 35 40 34 39 35
34 36 36 35 35 39 35 40 36
34,8 35,2 36,2 34,2 35 38,8 36 37,6 37,8
0,75 0,98 2,14 0,98 0,63 1,6 1,41 2,5 2,04
0,56 0,96 4,56 0,96 0,4 2,56 2 6,24 4,16
39
38
38
36
37
37,6
1,02
1,04
Tab. 17 Tvrdost po zakalení do oleje a popuštění na 350ºC Měření Poloha Číslo vrstev vzorku 1
1
2
3
4
5
[HRC] [HRC] [HRC] [HRC] [HRC]
Průměr Odchylka Rozptyl [HRC]
[HRC]
[HRC]
34
33
32
33
32
32,8
0,75
0,56
2
30
34
34
33
32
32,6
1,5
2,24
3
31
31
32
32
31
31,4
0,49
0,24
4
32
32
33
32
31
32
0,63
0,4
5
30
31
30
32
31
30,8
0,75
0,56
1
34
36
35
34
36
35
0,89
0,8
2
34
35
33
34
33
33,8
0,75
0,56
3
33
33
33
35
36
34
1,26
1,6
4
32
34
34
32
32
32,8
0,98
0,96
5
32
33
32
34
33
32,8
0,75
0,56
81
5.4.5 Výsledky měření mikrotvrdosti Měření mikrotvrdosti byly podrobeny vzorky
damašku ve všech tepelných
úpravách. Tab.18 Výsledky mikrotvrdosti damašku Měření
k.t. 900ºC/olej
k.t. 870ºC/voda
Tepelná úprava
1
2
3
4
5
Vrstva oceli
[HV] [HV] [HV] [HV] [HV]
19 133 80CrNi11
Průměr Odchylka Rozptyl Průměr [HV]
[HV]
[HV]
[HRC]
1062 1034 1034 1091 1062 1056,6
21,28
452,64
68
908
932
932
956
908
927,2
17,96
322,56
66
19 133 1007 981 p.t. 150ºC 80CrNi11 865 844
956
932
956
966,4
25,54
652,24
67
824
886
805
844,8
28,72
824,56
64
19 133 p.t. 350ºC 80CrNi11
702
718
734
751
734
727,8
16,59
275,36
60
644
658
672
658
644
655,2
10,48
109,76
56
19 133
644
631
618
631
618
628,4
9,73
94,64
55
80CrNi11
908
932
956
956
932
936,8
17,96
322,56
67
19 133 p.t. 150ºC 80CrNi11
581
559
570
581
559
570
9,84
96,8
52
805
768
768
786
805
786,4
16,55
273,84
62
19 133 p.t. 350ºC 80CrNi11
344
339
344
334
349
342
5,1
26
35
581
570
559
570
581
572,2
8,23
67,76
52
5.4.6 Porovnání a ověření mechanických vlastností Z výsledků měření lze usuzovat, že damašková ocel je velmi neobvyklým materiálem se zcela specifickými mechanickými vlastnostmi. Spojením ocelí 19 133 a 80CrNi11 vznikl ocelový sendvičový materiál, spojující zdánlivě nesourodé vlastnosti. Kombinace těchto ocelí má tedy mimo estetického i praktický přínos, který poskytuje velkou houževnatost, tvrdost a pevnost, jež dosahují obecně jen velmi kvalitní a ekonomicky náročné materiály. Ze zkoušek rázem v ohybu vyplývá, že požití oleje jako kalícího média je vyhovují jen tehdy, pokud není nutno dosáhnout velmi vysoké tvrdosti, ale naopak, vysoké houževnatosti a odolnosti vůči fragmentaci. Během měření mikrotvrdosti vyšlo najevo, že pokud je damašek kalen do oleje, dosahuje ocel 80CrNi11 paradoxně vyšší mikrotvrdosti než ocel 19 133, i když měla ocel 80CrNi11 sloužit jako houževnatá měkká složka. Je to dáno technologií – vysokým stupněm přetváření a zušlechťováním, při kterém je 80CrNi11 kalena výhradně do oleje, na rozdíl od 19 133, jež je kalitelná lépe do vody. Proto při použití vodní lázně dosahovala tentokrát vyšší tvrdosti ocel 82
19 133 a ocel 80CrNi11 plnila úlohu houževnaté složky. Při kalení do vody byla prokázána vysoká houževnatost při současném zachování tvrdosti až po popuštění na 350ºC. Pokud budeme porovnávat výslednou tvrdost se vstupními ocelemi, damašek dokázal dosáhnout vyšší tvrdosti nežli ocel 80CrNi11, ale ani v jednom případě nedokázal damaškový materiál dosáhnout tvrdosti oceli 19 133 kalené do vody. Při tahové zkoušce nebylo možné dosáhnout srovnatelných výsledků vlivem špatně zvoleného poloměru zaoblení a strukturního vrubu v místě měrné délky a upínací části zkušební tyče. Sice byla naměřena průměrná hodnota meze pevnosti až 1232,36 MPa, ale ta platila jen do okamžiku působení součtu nominálního a vrubového napětí. Tedy tyto hodnoty nelze zcela jednoznačně využít k porovnání mechanických vlastností damaškové oceli a vstupních ocelí. Při zkoušce vysokocyklové únavy prokázaly záznamy ze snímače AE, že se chování damašku dá srovnat s homogennímu materiály (nevrstvenými) jen při nízkém zatěžujícím ohybovém napětí. Stejně jako jiné materiály i tento prošel fází zpevňování, kdy záznamy AE ukazují velký ruch ve struktuře. Následovala fáze ustálení. Ta trvala až do vzniku iniciace lomu, kdy snímač AE zaznamenal zvyšující se emisní aktivitu již při porušení prvních svarů mezi vrstvami, v kovových vazbách mezi liniemi struktur a při vzniku mikrotrhliny. U všech vzorků proběhla zkouška dle uvedeného modelu, pouze u zkušebního tělesa č.5 (Obr. 87) vlivem špatného kovářského svaření došlo k delaminaci vrstev. Vznik delaminace opět zaznamenal snímač AE (Obr. 86). Nejen u tohoto vzorku však vznikla únavová trhlina z obou povrchů zkušebního tělesa, což není u únavové zkoušky homogenních ocelí zcela obvyklé.
Obr. 87 Zkušební těleso č. 5 po zkoušce vysokocyklové únavy Jelikož je zkouška únavové životnosti damaškové oceli velmi specifická a ovlivněná mnoha faktory, je obtížné porovnávat výsledky získané ze zkoušek
83
klasických ocelových materiálů – nástrojové oceli. Bylo by nutné provést vysokocyklovou zkoušku únavy na vzorcích s totožnými rozměry, tepelným zpracováním a na stejném zkušebním zařízení. Metalografická verifikace Metalografickému zkoumání byly podrobeny vzorky, určené ke zkoušce mikrotvrdosti. Ze snímků struktur damašku lze vyvodit spojitost s výsledky měření mikrotvrdosti a chování damašku v dané tepelné úpravě během zkoušek. Na Obr. 88 lze pozorovat sorbitickou strukturu se zbytkovým austenitem, ocel 80CrNi11 obsahuje martenzit a karbidy. Uprostřed se nachází nehomogenity na hranici pásů jednotlivých vrstev.
Obr. 88 Struktura damašku zakaleného do vody Obr. 89 znázorňuje změnu struktury po popuštění na 150ºC. V rámci kvality snímku je zřejmé, že změny jsou minimální.
84
Obr. 89 Struktura po popuštění na 150ºC Vzorek damašku popuštěný na 350ºC (Obr. 90) již vykazuje změny struktury martenzitu původního na přechodovou sorbiticko-martenzitickou strukturu. Vyšší popouštěcí teplota zapříčinila prokreslení hranic paketu martenzitu v oceli 19 133 se vznikem sekundárních karbidů. V oceli 80CrNi11, díky vysokému obsahu niklu, je vznik karbidů potlačen, zároveň však je tento obsah příčinou rozšíření obsahu zbytkových austenitických zrn.
Obr. 90 Struktura po popuštění na 350ºC Po zakalení do oleje vykazoval damašek zcela jiné vlastnosti, především makro a mikrotvrdost nabývala nižších hodnot než po zakalení do vody. Dle snímku struktury (Obr. 91) po zakalení do oleje došlo odlišným strukturním změnám jako po zakalení do 85
vody. Pás oceli 19 133 je tvořen perlitem, bainitem a sekundárním cementitem. V oceli 80CrNi11 je zbytkový austenit uzavřen do vysokouhlíkového martenzitu, což vysvětluje vyšší mikrotvrdost než u vrstvy oceli 19 133 při stejném tepelném zpracování.
Obr. 91 Struktura po zakalení do oleje Po popuštění na 150ºC nedochází k téměř žádným změnám, jen k rozsáhlé redistribuci a rozpuštění zbytkového austenitu (Obr. 92)
Obr. 92 Struktura po popuštění na 150ºC Pokud je aplikována vyšší teplota pro popuštění, dochází ve struktuře k rozpuštění austenitu v oceli 80CrNi11 a ke vzniku popuštěného martenzitu a síťových sekundárních karbidů (Obr. 93)
86
Obr. 93 Struktura po popuštění na 350ºC
87
ZÁVĚR Diplomová práce Stanislava Čechlovského s názvem Atributy vrstvených ocelových materiálů je rozdělena na dvě části. První část představuje rešeršní pojednání o zkouškách mechanických vlastností materiálů se zaměřením na materiály kovové. Další teoretická část je věnována stručnému popisu historie i současné problematiky výroby damaškových (vrstvených) ocelí, jejich využívání v historii lidstva a jejich uplatnění v soudobé technické praxi. Z poznatků vyplývá, že poslední masové využívání „damašku“ bylo soustředěno k výrobě palných zbraní, avšak pouze do příchodu bezdýmého prachu. V následujících staletích nacházely vrstvené materiály aplikaci pouze v rozsáhlé výrobě chladných zbraní, a to jak sběratelského charakteru, tak i pro čepele nožů praktického, každodenního života. Tyto nože disponují vlastnostmi daleko přesahujícími možnosti v oblasti například trvanlivosti u jiných v nožířství převážně používaných ocelových materiálů. Velké omezení je ale ve výrobní technologii zpracování svářkového damašku, která nejde uplatnit pro výrobu ve větším měřítku. Ocelové sendviče (tři až pětivrstvé) našly uplatnění v technické praxi pouze v zemědělském sektoru, kde sloužily pro výrobu odhrnovacích desek orných těles. Pro velký počet defektů, způsobených nedokonalým plošným svařením ocelí (i při aplikaci výbuchového svařování!) a velkou neekonomičnost výroby na jejich místo nastoupily oceli bórové. Přes příchod nových technologií, jako je např. pseudoprášková metalurgie (RSPS), stále zůstává damašková ocel uplatnitelná především pro sběratelské předměty, šperky atd. Její hodnota spočívá ve vysoké životnosti nástroje a především v originalitě každého vytvořeného kusu, který je nenapodobitelným unikátem. Druhá část diplomové práce zahrnuje experimentální zkoušky mechanických vlastností damaškové oceli, která je zhotovena z ocelí 19 133 a 80CrNi11. Damašková ocel spojuje vlastnosti vysokouhlíkové oceli s dobrou prokalitelností a vysoko dosažitelnou tvrdostí s ocelí velmi houževnatou, odolávající dynamickému impaktu. Tato vrstvená ocel byla podrobena destruktivním zkouškám a metalografické kontrole v různých strukturních stavech dle tepelné úpravy. Z výsledků rázových zkoušek je zřejmé, že výsledné vlastnosti damaškové oceli jsou závislé nejen na kalící a popouštěcí teplotě, ale především na volbě kalící lázně, která rozhoduje o výsledné struktuře a z nich vyplývající tvrdosti, resp. mikrotvrdosti. Při kalení do vody vzniká materiál vysoce tvrdý, který však nepřesahuje tvrdost
88
dosažitelnou u vstupního polotvaru (oceli 19133). To lze vysvětlit promísením vstupních ocelí. Ocel 80CrNi11 nedokáže dospět k vyšší tvrdosti než 44 HRC. Dosaženou tvrdost si však vzorek bez velké ztráty dokázal uchovat i po popuštění na 350ºC, kdy už nebylo možno zjistit rázovou houževnatost z důvodu nepřeražení vzorku. Z toho vyplývá, že ideální popouštěcí teplotou po zakalení do vody z teploty 870ºC je právě uvedená teplota cca 350ºC. U takto tepelně zpracovaného vzorku by bylo pro úspěšné provedení Charpyho zkoušky nutno vyhotovit zkušební vrub a zjistit tak vrubovou houževnatost. U damašku, kde k tepelné úpravě byl použit kalící olej, bylo zapotřebí vyhotovení normalizovaného U-vrubu, aby bylo vůbec možné vzorek přerazit. I zde se ukázal vliv popouštěcí teploty na potřebnou práci pro přeražení vzorku. Použitím příliš vysoké popouštěcí teploty však přichází damašek mírně o tvrdost. Jelikož již po popuštění na 150ºC dosahuje vysoké hodnoty rázové práce, bylo by vhodné volit po kalení do oleje popouštěcí teplotu právě kolem 150ºC. Volba kalící lázně tedy souvisí s požadovanými mechanickými vlastnostmi, které jsou od materiálu očekávány pro dané použití a minimální životnost. Pro tahovou zkoušku byly použity zkušební tyče pravoúhlého profilu, které však byly opatřeny malým poloměrem zaoblení mezi měrnou délkou a upínacími plochami zkušební tyče. Pro úspěšný průběh zkoušky by bylo zapotřebí použití většího poloměru zaoblení, který by se u vysokopevnostního materiálu nechoval jako geometrický vrub. Pozornost je nutné věnovat i pozvolnějšímu strukturnímu přechodu a tím eliminaci materiálového vrubu. Při zkoušce vysokocyklové únavy ve střídavém ohybu se damašek částečně projevil jako homogenní materiál. Toto tvrzení platí především pro nízké hladiny napětí. Zde se projevovala saturace materiálu, klasické zpevňování. U vzorků s vyšší amplitudou zatěžovacího ohybového napětí je zpevňovací akustická odezva převážně překryta odezvou mikrotření mezi vrstvami damaškového materiálu. Pro zkoušky by bylo zapotřebí použití více vzorků, jež by statisticky upřesnily naznačený průběh Wöhlerovy (SN) křivky pro sledovanou damaškovou ocel. Při měření tvrdosti se jako vhodnější ukázala tepelné zpracování za použití vodní kalící lázně, při níž dosahoval damašek nejvyšších hodnot tvrdosti. Paradoxně, ač byla vstupní ocel 80CrNi11 použita jako houževnatá vrstva s nižší prokalitelností, dosahovala po zakalení do oleje vyšších hodnot mikrotvrdosti než ocel 19 133. Navzdory této skutečnosti si damašek zachoval vysokou houževnatost.
89
Z důvodu použití specifických vstupních ocelí bylo v případě hlavně německé oceli 80CrNi11 téměř nemožné získat hodnoty základních mechanických vlastností pro porovnání s hodnotami získanými ze zkušebních testů. Ze získaných hodnot je zřejmé, že je nevyhnutelné u této kombinace ocelí brát velký aspekt na aplikované tepelné zpracování. Následně pak zvolit to, které přinese největší přínos pro účely plánovaného využití. „Promísení“ vlastností vstupních ocelí bylo shledáno přínosným. Závažným poznáním je skutečnost, že i když nelze většinou dosáhnout vyšších hodnot jednotlivých základních mechanických vlastností v porovnáním se vstupními ocelovými materiály, je predikce životnosti u tohoto strukturovaného materiálu viditelně mnohem vyšší, pokud není zatěžování provedeno v rámci cyklické únavy napětím blížícím se až mezi kluzu Re. Toto zatěžování však není v praktickém využití nástrojů z damaškové ocel obvyklé a tudíž při nízkých ohybových napětích (vysokocyklová únava) je velká životnost materiálu zřejmá. Přínos damaškové oceli není tedy v případě využití u čepelí nožů jen estetický, ale rovněž významným v oblasti trvanlivosti. Je nutno však zvážit, že případná jiná kombinace vstupních ocelí a při aplikaci rozmanitého tepelného zpracování, může vést k odlišným výsledkům materiálových vlastností než jsou uvedeny v projektu. Ty jsou okrajově popisovány v odborné literatuře a jsou ovlivněny především jen volbou použitých vstupních materiálů. V diplomové práci použité vstupní oceli jsou všeobecně mezi profesionály velmi frekventované a proto lze říct že získané poznatky lze s dobrými výsledky využít v stávající technické praxi.
90
POUŽITÁ LITERATURA: [1]
JECH J., 1983: Tepelné zpracování oceli. SNTL – Nakladatelství technické literatury, Praha 1, 392 s.
[2]
RUDOLF, T. Damašková ocel. Bakalářská práce. MENDELU Brno, 2010.
[3]
ČERNÝ, M. Materiály pro výrobu nožů. [online]. [citace 2011-11-05]. URL:
[4]
ČERNÝ, M. -- ČECHLOVSKÝ, S. Povídání o damaškové a vrstvené oceli I. a II. [online]. [citace 2011-11-06]. URL:
[5]
VOJTĚCH, D., 2010: Materiály a jejich mezní stavy. VŠCHT, Praha, 212 s
[6]
POHODA, J., 2005: Destruktivní zkoušení základních materiálů a svarových spojů. TDS Brno – SMS, Brno, 97 s.
[7]
VĚCHET, S., Mechanické vlastnosti a charakteristiky materiálů I. [online]. [citace 2012-01-01]. URL:
[8]
DOHNAL P., KOUDELKA J., Wootz/Bulat…[online]. [citace 2012-01-15]. URL:
[9]
Vlastnosti materiálů – pružnost, pevnost. [online]. [citace 2012-02-08]. URL:
[10]
Bolf P., Detail nůž (11 – 19). [online]. [citace 2012-02-12]. URL:
[11]
Bolf P. Detail katana (10 – 11). [online]. [citace 2012-02-12]. URL:
[12]
Candart
knifes.
[online].
[citace
2012-02-18].
URL:
[13]
Hurník Z., 1995: Samurajský meč. Naše vojsko, Praha, 160 s.
[14]
Johnson J., Cord-wrapped San Mai. [online]. [citace 2012-02-25]. URL:
[15]
Zkouška tvrdosti podle Vickerse. [online]. [citace 2012-03-16]. URL:
91
[16]
Fyzikální základy vědy o materiálu. [online]. [citace 2012-04-1]. URL:
[17]
Vlašic F., Hodnocení cyklického poškození slitin na bázi hliníku a hořčíku s využitím metody akustické emise. Disertační práce. VUT Brno, 2011.
[18]
Dostál P., Korozní a napěťová degradace Al-Mg slitin. Disertační práce. MENDELU Brno, 2011.
SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK Seznam obrázků: Obr. 1 Nejčastější způsoby namáhání – tak, tlak, ohyb, krut, smyk [5] ............................ 8 Obr. 2 Skluz dvou částí krystalu vlivem pohybu dislokací ve skluzových rovinách [5] .... 9 Obr. 3 Z hora:Zkušební tyč pro tahovou zkoušku, tyč po zkoušce [6] ........................... 12 Obr. 4 Tahový a tlakový diagram oceli s výraznou mezí kluzu [9] ................................ 13 Obr. 5 Zkušební tyč pro zkoušku rázem v ohybu, tvar vrubu [6] .................................... 15 Obr. 6 Zkušební zařízení – Charpyho kladivo [7] .......................................................... 16 Obr. 7 Tranzitní křivka závislosti nárazové práce na teplotě [6] ................................... 17 Obr. 8 Mohsova stupnice tvrdosti a tvrdost vybraných látek dle stupnice [5] ............... 18 Obr. 9 Schéma zkoušky dle Brinella [5] ......................................................................... 19 Obr. 10 Schéma zkoušky dle Vickerse [15] ..................................................................... 20 Obr. 11 Schéma zkoušky dle Rockwella [7] .................................................................... 21 Obr. 12 Popis Wöhlerovy křivky [6] ............................................................................... 22 Obr. 13 Wöhlerova křivka vybraných materiálů [5] ...................................................... 23 Obr. 14 Princip detekce vzniku a detekce AE a její znázornění na měřícím přístroji [18] ........................................................................................................................................ 24 Obr. 15 Křivka tečení žáropevné oceli [6] ..................................................................... 26 Obr. 16 Schématické znázornění mechanizmů tečení u kovů. [5] .................................. 28 Obr. 17 Kelímek pro tavbu indické oceli, ztuhlá vytavená ocel [4] ................................ 30 Obr. 18 Příklad čepeli vyrobené ze strukturního (krystalizačního) damašku [4] .......... 30 Obr. 19 Schéma kovové vazby [16] ................................................................................ 32 Obr. 20 Způsob překládání paketu ................................................................................. 33 Obr. 21 Příklad damašku použitého pro čepel nože – 200 vrstev [10] ........................... 34 Obr. 22 Tordování (torzírování) damaškového prutu [4]............................................... 34 Obr. 23 Navíjení damaškových prutů na hlaveň z moderní hlavňové oceli [4] .............. 35 Obr. 24 Čepel japonského meče s detailem linie kaleni - hamon [11] ........................... 36 Obr. 25 Nůž s čepelí damasteel [12] ............................................................................... 37 Obr. 26 Sendvičová čepel konstrukce San Mai [4] ......................................................... 38 Obr. 27 Nůž japonského typu s čepelí konstrukce San Maiv kombinaci s damaškovou ocelí [14] ......................................................................................................................... 39 Obr. 28 Ohřev paketu na kovací teplotu v kovářské peci ............................................... 41 Obr. 29 Tvrdost v závislosti na popouštěcí teplotě [1] .................................................. 42 Obr. 30 80NiCr11 v podobě plechů (vstupní polotovar použitý do paketu) ................... 43 Obr. 31 Sada výkovků pro zhotovení zkušebních těles.................................................... 44 Obr. 32 Nanášení ochranného povlaku TINDEREX ...................................................... 45
92
Obr. 33 Zleva: Laboratorní pec, kalení zkušebních vzorků ............................................ 45 Obr. 34 Sada nahrubo obroušených vzorků pro Charpyho zkoušku po zkoušce tvrdosti v přírodním nezušlechtěném stavu .................................................................................. 46 Obr. 35 Detail povrchu damaškové oceli po nezdařeném pokusu o frézování ............... 47 Obr. 36 Rozměry zkušebního tělesa pro tahovou zkoušku .............................................. 47 Obr. 37 Vyříznutí zkušebních těles laserem .................................................................... 47 Obr. 38 Příprava zkušebního tělesa pro tahovou zkoušku – a) vyříznutí laserem z obroušeného pásu damaškové oceli, b) nanesena povrchová úprava a na úchytné plochy nanesena jílovitá kaše, c) zakaleno z 900 ºC do oleje, d) popuštění na 150 ºC, e) vybroušený konečný stav před zkouškou tahem .............................................................. 48 Obr. 39 Rozměry zkušebního tělesa pro zkoušku únavové pevnosti ............................... 49 Obr. 40 Příprava zkušebního tělesa pro zkoušku únavové pevnosti – a) obrobení frézou, b) nanesení ochranného povlaku proti oduhličení povrchu, c) zakaleno z 900 ºC do oleje, d) popuštěno na 150 ºC, e) vybroušeno do konečného stavu před zkouškou ........ 50 Obr. 41 Charpyho kladivo .............................................................................................. 51 Obr. 42 Upínací hlavy do 50 kN ..................................................................................... 52 Obr. 43 Větší upínací hlavy(do 200 kN) - disponující vyšší svěrnou sílou .................... 53 Obr. 44 Přetržení zkušební tyče ...................................................................................... 54 Obr. 45 Elektrorezonanční pulsátor ............................................................................... 55 Obr. 46 Snímek zkušebního tělesa v upínacích čelistích se snímačem AE ..................... 55 Obr. 47 Vyobrazení snímaných hodnot v softwarové aplikaci........................................ 56 Obr. 48 Zkušební těleso s upnutým snímačem AE DAKEL MIDI ................................... 56 Obr. 49 Tvrdoměr, detail měření tvrdosti zkušebního tělesa .......................................... 57 Obr. 50 Mikroskop s fotoaparátem a dálkovým ovládáním spouště ............................. 58 Obr. 51 Otisk po indentoru po měření tvrdosti ve směru linie vrstev ........................... 58 Obr. 52 Otisky po indentoru po měření tvrdosti na plochu vrstvení vrstev.................... 59 Obr. 53 Vyleštěný vzorek zalitý do metalografické pryskyřice pro zkoušku mikrotvrdosti ........................................................................................................................................ 59 Obr. 54 Mikroskop NEOPHOT 21 s Hannemanovým mikrotvrdoměrem a měřícím okulárem ......................................................................................................................... 60 Obr. 55 Otisky indentorů po zkoušce mikrotvrdosti ve dvou vrstvách damašku (zvětšené 350x) ............................................................................................................................... 61 Obr. 56 Otisk indentoru po zkoušce mikrotvrdosti (zvětšeno 650x) ............................... 61 Obr. 57 Detail delaminace damašku po nezdaření zkoušce rázové houževnatosti ......... 63 Obr. 58 Formování lomové plochy vlivem vrstev (kaleno do vody, p.t. 150ºC, síla kolmo na linii vrstev) ................................................................................................................. 64 Obr. 59 Delaminace vrstev zapříčinila rozlomí vzorku v místě špatného svaru (kaleno do vody/popuštěno150ºC, síla kolmo na plochu vrstev) ................................................. 64 Obr. 60 Detail lomové kresby, vzniklé vlivem nízké popouštěcí teploty – delaminace po vrstvách ........................................................................................................................... 65 Obr. 61 Typický říčkový štepný lom iniciovaný z vrubu s kontrakcí působící kolmo na směr šíření trhliny vlivem vrstvení materiálu (kaleno do oleje/popuštěno 150ºC, vrub kolmo na linii vrstev) ...................................................................................................... 65 Obr. 62 Směs transkrystalického a interkrystalického lomu při směru kolmém na roviny vrstev damašku (kaleno do oleje/popuštěno 350ºC, vrub kolmo na linii vrstev) ............ 66 Obr. 63 Změna mechanizmu lomu po přechodu mezi vrstvami (kaleno do oleje/popuštěno 350ºC, vrub kolmo na vrstvení damašku) ............................................. 66 Obr. 64 Průběh tahové zkoušky vzorku č. 1 (s prokluzy v čelistech během zatěžování) . 67 Obr. 65 Průběh tahové zkoušky vzorku č. 2 (prokluz v úvodu) ....................................... 68 Obr. 66 Průběh tahové zkoušky vzorku č. 3 (prokluz v úvodu zkoušky) ......................... 68
93
Obr. 67 Přetržené zkušební tyče ..................................................................................... 69 Obr. 68 Zkušební těleso po zkoušce vysokocyklové únavy.............................................. 70 Obr. 69 Makro pohled na lomovou plochu po dolomení, s iniciací vpravo nahoře ....... 71 Obr. 70 Detail iniciačního místa s výrazně jemnou kresbou vrstev................................ 71 Obr. 71 Iniciace únavové trhliny na smykové rovině s prostorovou nehomogenitou vměstkem (vpravo nahoře .............................................................................................. 72 Obr. 72 Kavitační vzhled lomu v místě zastavení únavové trhliny po ukončení zkoušky 72 Obr. 73 Vliv nesvařených vrstev na charakter šíření trhliny (větvení trhliny - kinking) 73 Obr. 74 Únavová plocha s viditelnými iniciačními místy (vpravo nahoře, resp. vlevo dole) a disturbancí lomu vlivem napěťové distorze (uprostřed) ..................................... 73 Obr. 75 Detail iniciačního místa a rozvoje mikrotrhliny vlivem přeložky vzniklé broušením vzorku; přeložka představuje významnou nehomogenitu s kovovou vazbou na reliéf povrchu vzorku ................................................................................................ 74 Obr. 76 Detail rozvětvení magistrální trhliny z Obr. 72................................................ 74 Obr. 77 Detail schodu na lomové plochy vlivem přechodu trhliny do jiných rovin způsobené nehomogenitou(nesvařením) v oceli ............................................................. 75 Obr. 78 Kresba lomové plochy při zvětšení 20x – jasně viditelné stopy klouzajících vrstev damašku ................................................................................................................ 75 Obr. 79 Sekundární iniciační místo s jemnou kresbou únavového interkrystalického lomu ................................................................................................................................ 76 Obr. 80 Místa zastavení únavové trhliny v jemnozrnném martenzitickém materiálu s viditelnými místy delaminace mezi nesvařenými vrstvami ........................................... 76 Obr. 81 Detail plastických můstků v oblasti tvárnější části struktury (perlit + bainit) .. 77 Obr. 82 Průběh signálu u vzorku č.1 při vysoké hodnotě ohybového napětí – akustická odezva mikropohybu vrstev ............................................................................................. 77 Obr. 83 Průběh signálu u vzorku č.2- nižší odezva mikroposuvů při nižším ohybovém napětí během únavové zkoušky ....................................................................................... 78 Obr. 84 Průběh signálu u vzorku č.3 – vzorek se chová téměř jako homogenní materiál ........................................................................................................................................ 78 Obr. 85 Průběh signálu u vzorku č.4 – mikroposuvy při nekvalitním kovářském svaření ........................................................................................................................................ 78 Obr. 86 Průběh signálu u vzorku č.5 - počátečné zpevnění a iniciace mikrotrhliny v závěru záznamu (RMS i počet událostí) ....................................................................... 79 Obr. 87 Zkušební těleso č. 5 po zkoušce vysokocyklové únavy ....................................... 83 Obr. 88 Struktura damašku zakaleného do vody ............................................................ 84 Obr. 89 Struktura po popuštění na 150ºC ....................................................................... 85 Obr. 90 Struktura po popuštění na 350ºC ....................................................................... 85 Obr. 91 Struktura po zakalení do oleje ........................................................................... 86 Obr. 92 Struktura po popuštění na 150ºC ....................................................................... 86 Obr. 93 Struktura po popuštění na 350ºC ....................................................................... 87 Seznam tabulek: Tab. 1 Označení zkoušky dle Rockwella ......................................................................... 21 Tab. 2 Chemické složení oceli 19 133............................................................................. 42 Tab. 3 Tepelné zpracování oceli 19 133 ......................................................................... 42 Tab. 4 Mechanické vlastnosti oceli 19 133 .................................................................... 43 Tab. 5 Chemické složení oceli 80NiCr11........................................................................ 43 Tab. 6 Tepelné zpracování zkušebních těles pro Charpyho zkoušku .............................. 46 Tab. 7 Zkušební tělesa kalená do vody ........................................................................... 62
94
Tab. 8 Zkušební tělesa kalená do oleje ........................................................................... 63 Tab. 9 Výsledky tahové zkoušky ...................................................................................... 67 Tab. 10 Výsledky vysokocyklové únavy........................................................................... 69 Tab. 11 Tvrdost v nezušlechtěném stavu ......................................................................... 79 Tab. 12 Tvrdost po zakalení do vody .............................................................................. 80 Tab. 13 Tvrdost po zakalení do vody a popuštění na 150ºC ........................................... 80 Tab. 14 Tvrdost po zakalení do vody a popuštění na 350ºC ........................................... 80 Tab. 15 Tvrdost po zakalení do oleje .............................................................................. 81 Tab. 16 Tvrdost po zakalení do oleje a popuštění na 150ºC .......................................... 81 Tab. 17 Tvrdost po zakalení do oleje a popuštění na 350ºC .......................................... 81 Tab.18 Výsledky mikrotvrdosti damašku ........................................................................ 82
95
