Informač nípodpora pro zkušebny
12 Stanovení nejistot při mechanických zkouškách kovových materiálů
Sdruž ení českých zkušeben a laboratoří Czech Testing Laboratories Association
1
Stanovení nejistot při mechanických zkouškách kovových materiálů Zpracoval: Ing. Přemysl BerounskýČ eskýnormalizační institut 1. Ú VOD Je dobrou praxí při jakémkoliv měření vyhodnocovat a uvádět nejistoty spojené se zkušebními výsledky. Prohlášení o nejistotě mů ž e být vyž adováno zákazníkem, který chce znát meze, o kterých lze předpokládat, ž e uváděný výsledek lež í nebo samotná zkušební laboratoř chce lépe porozumět tomu, které aspekty zkušebního postupu mají největší vliv na výsledky tak, aby tyto aspekty mohly být přesněji řízeny. Tyto praktické zásady (CoP) byly připraveny ve skupině UNCERT v projektu financovaném Evropskou komisí v programu Normy, měření a zkoušení pod číslem SMT4-CT97-2165 pro zjednodušení způ sobu vyhodnocování nejistot. Cílem bylo vyloučit dvojsmyslnost a poskytnout společnou formu, která je snadno srozumitelná a přístupná zákazníků m, zkušebním laboratořím a akreditačním orgánů m. V rámci tohoto projektu bylo vypracováno 17 dílčích zpráv týkajících se jednotlivých oblastí zkoušení kovů : 1. Stanovení nejistot při zkoušce vysokocyklovou únavou (tyče bez vrubu a tyče s vrubem) 2. Stanovení nejistot při zkoušce nízkocyklovou únavou 3. Stanovení nejistot při zkoušce lomové houž evnatosti při rovinné deformaci 4. Stanovení nejistot při zkoušce kritického rozevření trhliny 5. Stanovení nejistot při měření rů stu únavové trhliny 6. Stanovení nejistot při zkoušce rázem v ohybu podle Charpyho 7. Stanovení nejistot při zkoušce tahem 8. Stanovení nejistot při zkoušce tlakem 9. Stanovení nejistot při zkoušce lámavosti 10. Stanovení nejistot při zkoušce tečením podle prEN 10291 11. Stanovení nejistot při zkoušce tečení na vrubové tyči (podle ASTM E292-83 ) 12. Stanovení nejistot při zkoušce dvojitým střihem 13. Stanovení nejistot při určování dynamického Youngova modulu 14. Stanovení nejistot při zkouškách tvrdosti 15. Stanovení nejistot při měření zbytkových pnutí (pomocí metody vrtání otvoru) 16. Stanovení nejistot Poissonova poměru (ze zkoušky tahem) 17. Stanovení nejistot Ramberg-Osgoodových parametrů (ze zkoušky tahem) Tyto praktické zásady pro zkoušku tahem jsou jedny ze sedmnácti vypracovaných konsorciem UNCERT pro odhad nejistot spojených s mechanickými zkouškami kovových materiálů . Praktické zásady byly shrnuty do jedné příručky, která má tyto oddíly. 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Ú vod do vyhodnocování nejistoty Slovník definicí a symbolů Typické zdroje nejistoty při zkoušení materiálů Pokyny pro odhad nejistoty pro sérii zkoušek Pokyny pro uvádění nejistoty Jednotlivé souhrny zásad pro odhad nejistot v mechanických zkouškách kovových materiálů .
2
Tyto praktické zásady mohou být použ ity jako samostatný dokument. Další základní informace o měření nejistot a hodnotách směrodatných nejistot zařízení a přístrojů použ ívaných obvykle při zkoušení materiálů lze nalézt v oddíle 3 Příručky 1). Jednotlivé praktické zásady jsou zachovávány co nejjednodušší následující stejnou strukturou: • Hlavní postup • Podrobnosti výpočtu nejistot pro určitýdruh zkoušky • Zpracovanýpříklad Tyto praktické zásady vedou už ivatele rů znými kroky, které mají být provedeny pro odhad nejistoty při zkoušce tahem. 2. ZDROJE NEJISTOT Mož né zdroje nejistot zahrnují: a) neúplná definice měřené veličiny nebo zkušebního postupu; b) nedokonalá realizace zkušebního postupu, i když zkušební podmínky jsou jasně definovány není mož né dodrž et pož adované podmínky; c) nereprezentativní odběr vzorků (pro kvantifikaci správnosti a vlivů připisovaných proměnlivosti materiálu; d) nedostatečná znalost vlivů prostředí na proces měření nebo nedokonalé měření podmínek prostředí; e) osobní systematická chyba při čtení analogových přístrojů , posuzování barvy nebo reagování v čase; f) rozlišovací schopnost přístroje nebo práh citlivosti nebo chyby v dělení stupnice; g) hodnoty přiřazené k etalonů m měření (jak referenčním, tak i pracovním) a referenční materiály; h) změny v charakteristikách nebo funkci měřícího přístroje od poslední kalibrace; i) hodnoty konstant a jiné para,metry použ ívané při vyhodnocování údaj§ ů . j) Aproximace a předpoklady zahrnuté do měřicí metody a postupu; k) Změny při opakovaných pozorováních prováděných za zřejmě identických podmínek – náhodné vlivy např. krátkodobé fluktuace teploty atd.
3. OBECNÝ POSTUP PRO ODHAD NEJISTOTY PŘ I MECHANICKÝ CH ZKOUŠKÁ CH Celková nejistota měření je určena vhodnou sumarizací všech přispívajících slož ek. Všechny příspěvky je zapotřebí kvantifikovat a v předběž ném oceňovacím stádiu rozhodnout, zda jsou některé příspěvky zanedbatelné a proto i bezcenné k zahrnutí do následujících výpočtů . U většiny praktických měření v oblasti materiálů mů ž e být definice „zanedbatelného“chápána jako slož ka menší než jedna pětina slož ky největší. GUM2) kategorizuje dva způ soby hodnocení nejistot, A a B. Stanovení typu A vychází z opakovaných pozorování a předpokládá dostupnost dostatečného počtu odečtených údajů , např. většího než 9, pak ke stanovení standardní odchylky S mů ž e být použ ita konvenční statistická analýza. Způ sob hodnocení typu B je jiný než u typu A a využ ívá například mezní úchylky specifikované v normách, měřená data, výrobní specifikace, kalibrační osvědčení a ve většině případů znalost jednoduchého modelu vztahu mezi rů znými slož kami a modelu pravděpodobné distribuce slož ek. Jestliž e je například mezní úchylka specifikovaná v normě ±a, pak při absenci jakýchkoliv jiných znalostí mů ž e být vhodné přijmout model rovnoměrné distribuce a v tomto případě nabývá nejistota tvaru U s =
3
a 3
.
Jestliž e jsou k dispozici obsáhlejší znalosti, mů ž e být vhodnější nerovnoměrná distribuce a pak U s =
a 2
, (viz GUM), kde Us označuje standardní nejistotu získanou násobením U
vhodným faktorem. Další krok má stanovit kombinovanou standardní nejistotu, Uc sumarizací standardních nejistot, zpravidla s využ itím metody odmocniny sumy druhých mocnin. Rozšířená nejistota UE se pak získá násobením Uc faktorem, k, kde k = 2 pro 95 % konfidenční hladinu, tedy UE = 2Uc; tento postup je schématicky znázorněn na obrá zku 1.
Obr. 1 Podrobnýpostup stanovení nejistoty podle GUM2)
4
Postup odhadu nejistot lze rozdělit do sedmi kroků : Krok 1 Identifikace parametrů , pro které se má určit nejistota Krok 2 Identifikace všech zdrojů nejistot ve zkoušce Krok 3 Klasifikování nejistot podle druhu A nebo B Krok 4 Stanovení standardní nejistoty pro každýzdroj nejistoty Krok 5 Výpočet kombinované nejistoty uc Krok 6 Výpočet rozšířené nejistoty U Krok 7 Uvádění výsledků
Krok 1 Identifikace parametrů , pro které se má určit nejistota Prvním krokem je vypracovat seznam veličin (měřených hodnot), pro které musí být nejistoty vypočteny. V tomto kroku je třeba rozhodnout jaká skutečná měření a výpočty jsou zapotřebí k získání konečného výsledku. Krok 2 Identifikace všech zdrojů nejistot ve zkoušce V kroku 2 už ivatel musí identifikovat všechny mož né zdroje nejistot, které mohou mít vliv (buď přímo nebo nepřímo) na zkoušku. Tento seznam nemů ž e být identifikován vyčerpávajícím způ sobem předem, jelikož je spojen s jednotlivým zkušebním postupem a použ itým přístrojem. To znamená, ž e nový seznam by měl být připraven pokaž dé, když se mění daný zkušební parametr. (např. když souřadnicový zapisovač je nahrazen počítačem). Abychom pomohli už ivateli uvést všechny zdroje, byly definovány čtyři kategorie(1= hlavní podíl, 2= menší podíl, 0= ž ádnýpodíl, ?= účinek není znám) Je dů lež ité poznamenat, ž e relativní příspěvky k nejistotám se mohou měnit podle zkoušeného materiálu a zkušebních podmínek a podle toho lze přizpů sobit i příslušnou tabulku. Jednotlivým laboratořím doporučujeme, aby vypracovaly svů j vlastní seznam, který by odpovídal jejich vlastnímu zařízení a posoudily s tím spojenývýznam příspěvků . Krok 3 Klasifikování nejistot podle druhu A nebo B V tomto třetím kroku, který je v souladu s GUM2) (Vyjadřování nejistot při měření), zdroje nejistot jsou klasifikovány jako druh A nebo B v závislosti na způ sobu kvantifikace jejich vlivu. Jestliž e nejistota je vyhodnocena statistickými prostředky (z řady opakovaných pozorování) je klasifikována jako typ A. Jestliž e je vyhodnocena jinými prostředky měla by být klasifikována jako druh B. Hodnoty spojené s nejistotami druhu B mohou být získány z řady zdrojů včetně certifikátu o kalibraci, informace výrobce nebo odhadu odborníka. U nejistoty druhu B je zapotřebí, aby už ivatel stanovil u kaž dého zdroje nejvhodnější rozdělení pravděpodobnosti. Je nutné poznamenat, ž e v některých případech nejistota mů ž e být klasifikována buď jako druh A nebo druhu B v závislosti na tom jak je stanovena.
5
Rozvaha při hodnocení nejistot typu B
Krok 4 Stanovení standardní nejistoty pro každýzdroj nejistoty V tomto kroku je stanovena standardní nejistota u u kaž dého vstupního zdroje identifikovaného v předem vypracované tabulce. Standardní nejistota je definována jako 6
směrodatná odchylka a je odvozena z nejistoty vstupní veličiny dělené parametrem dv spojeným s předpokládaným pravděpodobnostním rozdělením. Standardní nejistota vyž aduje stanovení sdruž eného koeficientu citlivosti c, který se obvykle stanoví z parciální derivace funkčního vztahu mezi výstupní veličinou (měřenou veličinou) a vstupními veličinami. Výpočty pož adované k získání koeficientů citlivosti parciální derivací mohou být zdlouhavým procesem zejména když existuje mnoho jednotlivých příspěvků (vlivů ) a stanovení nejistoty jsou zapotřebí pro celou řadu hodnot. Jestliž e funkční vztah pro dané měření není znám, mohou být koeficienty citlivosti získány experimentálně. V mnoha případech měření vstupní veličiny nemusí být ve stejných jednotkách jako výstupní veličina. Na příklad příspěvek k Rp0,2 je zkušební teplota. V tomto případě je vstupní veličinou teplota, ale výstupní veličina je napětí v MPa. V takovém případě koeficient citlivosti cT (odpovídající parciální derivaci vztahu smluvní mez kluzu/zkušební teplota) se použ ije pro konverzi z teploty na MPa . Krok 5. Výpočet kombinované nejistoty uc Za předpokladu, ž e zdroje jednotlivých nejistot vzájemně spolu nesouvisejí, kombinovaná nejistota měřené veličiny uc (y) mů ž e být vypočtena jako druhá odmocnina ze součtu čtverců :
N
uc (y)= ∑ [c u ( x )]2 i
(9)
i
i =1
kde ci je koeficient citlivosti spojený s xi . Tato nejistota odpovídá plusové nebo minusové směrodatné odchylce na základě zákona normálního rozdělení reprezentujícího studovanou veličinu. Kombinovaná nejistota má sdruž enou konfidenční úroveň 68,27%.
Krok 6 Výpočet rozšířené nejistoty U Rozšířená nejistota U je definovaná v odkazu 2 jako "interval hodnot okolo výsledku měření, které je mož né odů vodněně přiřadit k hodnotě měřené veličiny.." Obdrž í se násobením kombinované nejistoty uc faktorem pokrytí k, který je vybrán na základě pož adované konfidenční úrovně. Pro normální pravděpodobnostní rozdělení nejobecněji použ ívanýfaktor pokrytí je 2, což odpovídá konfidenčnímu intervalu 95,4% (vhodněji 95% z praktických dů vodů ). Rozšířená nejistota U je proto širší než kombinovaná nejistota uc. Tam, kde zákazník pož aduje vyšší konfidenční úroveň (jako pro letectví a elektroniku) použ ívá se faktor pokrytí 3 tak, aby odpovídající konfidenční úroveň se zvedla na 99,73%. V případech, kde rozdělení pravděpodobnosti uc není normální (nebo kde počet bodů s údaji použ itých při analýze druhu A je malý) hodnota by měla být vypočtena ze stupňů volnosti daných Welsh-Satterthwaitovou metodou (viz odkaz 1, oddíl 4).
7
Krok 7 Uvádění výsledků Jakmile byla stanovena rozšířená nejistota výsledky by měly být uváděny následujícím způ sobem: V=y± U
(10)
Kde V je stanovená hodnota měřené veličiny, y je střední výsledek zkoušky (nebo měření), U je rozšířená nejistota spojená s y. Měla by být připojena vysvětlující poznámka taková jaká je uvedena v následujícím příkladu (pozměňte podle vhodnosti): Uváděná rozšířená nejistota je založ ená na standardní nejistotě násobené faktorem pokrytí k=2, kterýpro normální rozdělení odpovídá pravděpodobnosti pokrytí p přibliž ně 95%. 4. SPECIFICKÉCHARAKTERISTIKY PLATNÉPRO JEDNOTLIVÉDRUHY ZKOUŠEK 4.1 Zkoušky při vysokocyklové únavě (na vzorcích bez vrubu a s vrubem) Metodika provádění zkoušky je popsána např. v těchto normách. Č SN 42 0363 Zkoušky únavy kovů Metodika zkoušení ASTM E 466-96 "Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials" (Provádění axiálních zkoušek únavy kovových materiálů s řízenou sílou při konstantní amplitudě) UNI 3964-85 " Prove Meccaniche dei Materiali Metallici – Prove di Fativca a Temperatura Ambiente" ( Mechanické zkoušky kovů - Zkouška únavy při okolní teplotě). Nejistoty jsou určovány obvykle u těchto parametrů : a) nejistota meze únavy (u vzorku bez vrubu a se vrubem); b) nejistota počtu cyklů ; c) nejistota faktoru koncentrace napětí; d) nejistota součinitele vrubu při únavě; e) nejistota citlivosti na vrub. Příklady zdrojů nejistot jsou uvedeny v následující tabulce
8
Tabulka 4.1.1 Zdroje nejistot a jejich vliv na stanovované hodnoty Nejistota Ovlivněná Pravd. Dělitel hodnota rozdělení
Zdroj nejistoty
Typ
1. Zkušební těleso Pů vodní prů měr
A,B
Jmenovitýprů měr
A, B
Prů měr s vrubem
A,B
pravoúhlé 1/ 3 pravoúhlé 1/ 3 pravoúhlé 1/ 3
Poloměr vrubu
A,B
pravoúhlé 1/ 3
2. Zkušební systé m Souosost nástrojů
B
F
Kalibrace siloměru
B
F
Citlivost siloměru
B
F
Dynamické řízení zatěž ování
B
F
Odchylka statického zatíž ení Č etnost zkoušek
B
F
3. Prostředí Teplota 4. Zkušební postup Kritéria lomu tělesa 5. Obsluha Výběr výsledků pro výpočet
pravoúhlé 1/ 3 pravoúhlé 1/ 3 pravoúhlé 1/ 3 pravoúhlé 1/ 3 pravoúhlé
Nemá vliv Nemá vliv Nepouž í vá se Nepouž í vá se
4.2 Zkoušky při nízkokocyklové únavě Nejistoty určovány u: únavové ž ivotnosti, modulu pruž nosti E0, maximálního napětí σ max , minimálního napětí σ min, Tabulka 4.2.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Jednotky Symbol Ú navová ž ivotnost cykly Nf Modul pruž nosti GPa E0, E1 , E2 Maximální napětí MPa σ max, Minimální napětí MPa σ min Rozmezí plastické deformace Bezrozměrná veličina Δ εp Měření Prů měr vzorku mm d Ohyb vzorku Bezrozměrná veličina ψ Měřená délka mm lg Síla kN F Prodlouž ení mm e Teplota °C T Počet cyklů Počet cyklů N 9
Pro tuto zkoušku platí následující normy: ASTM E 606-92 "Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing" (Zkouška únavy za řízené deformace) BS 7270:1990 "Method for Constant Amplitude Strain Controlled Fatigue Testing" (Metoda zkoušky únavy za řízené deformace o konstantní amplitudě) ISO/DIS 12106 "Metallic Materials – Fatugue Testing – Axial Strain – Controlled Method" (Kovové materiály – Zkouška únavy – Metoda řízené deformace v ose)
Tabulka 4.2.2 – Zdroje nejistot a jejich pravděpodobný příspěvek k nejistotám měřených veličin při nízkocyklové únavě s řízenou deformací (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, 0= ž ádnýpodíl, ?= účinek není znám)
Zdroj nejistoty 1. Zkušební těleso Prů měr Ohyb Jakost povrchu Zbytková pnutí 2. Zkušební systé m Souosost Nejistota měření síly Odchylka v systému měření síly Nejistota při měření deformace Odchylka v systému měření deformace Měřená délka (vzhledem k nastavení nulové hodnoty) Nejistota při řízení mezí deformace Ú daje termočlánku Odchylka termočlánku Nehomogenita teploty vzorku Fluktuace teploty 3. Prostředí Teplota okolí a vlhkost 4. Zkušební postup Doba ohřevu Rychlost deformace (frekvence cyklů ) Metoda stanovení Nf Správnost Nf
Typ
Měřená veličina Nf 2 1 2 ?
E0, E1, E2 1 2
σ max, σ min 1 2
Δ εp 2 2
?
?
?
B B B B B
1
2 1
2 1 2
1 2
2 1 1 1 2
2 2 2 2 2
B
1
1
B B B B B
2 1 2 1 1
2 2 2 2
2 2 2 2 1
2 2 2 2 2
B
2
2
2
2
B B
2 2
2 2
2 2
2 2
B A
1 1
2
2
B B B B
kde Nf je únavová ž ivotnost, E0, E1, E2 je modul pruž nosti (počáteční hodnota a uprostřed ž ivota),
10
2
σ max, σ min je maximální a minimální napětí, Δ εp je oblast plastické deformace (uprostřed ž ivota), Pro zjednodušení výpočtů je vhodné seskupit významné zdroje nejistot do těchto kategorií: 1 Nejistoty v únavové ž ivotnosti způ sobené ohybem vzorku (kterývyplývá z nesouososti zkušebního systému a/nebo rozměrové nerovnoměrnosti zkušebního tělesa). 2 Nejistota při měření a řízení deformací (což kombinuje kalibraci prů tahoměru a chyby v měřené délce způ sobené vynulováním prů tahoměru). 3 Nejistota při měření a regulaci teploty (což kombinuje chyby ukazatele, nehomogenitu teploty vzorku v měřené délce a fluktuace teploty během zkoušky). 4 Nejistoty v únavové ž ivotnosti způ sobené metodou stanovení Nf (což závisí na tom, zda Nf se stanoví ručně diagramů nebo za použ ití počítače.). 5 Nejistota střední hodnoty Nf (tj. správnost měření). 6 Nejistoty hodnot napětí. 7 Nejistoty Youngova modulu pruž nosti. 8 Nejistoty plastické slož ky deformace. 4.3 Zkouška lomové houževnatosti při rovinné deformaci (KIC) Metodika zkoušky je popsána v Č SN EN ISO 12737 "Kovové materiály – Určení lomové houž evnatosti při rovinné deformaci". a dále v těchto normách BS 7448 Part 1:1991 + Amd 1:August 1999 "Fracture Mechanics Thoughness Tests. Part 1 Method for Determination of KIC Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials" (Zkoušky mechaniky lomu. Č ást 1 Metoda stanovení kritické hodnoty CTOD a kritického Jintegrálu kovových materiálů ) ASTM E 399 "Plane-Strain Fracture Thoughness of Metallic Materials" (Lomová houž evnatost kovových materiálů při rovinné deformaci) Pro výpočet lomové houž evnatosti při rovinné deformaci KIC platí následující vzorec: KIC =
PQ a f B W W
kde PQ je použ itá síla a je délka trhliny W je šířka vzorku B je tloušťka vzorku Z tohoto vzorce pak jasně vyplývá jaké veličiny přispívají k nejistotě stanovení lomové houž evnatosti při rovinné deformaci.
11
Tabulka 4.3.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Lomová houž evnatost deformaci Měření Tloušťka vzorku Šířka vzorku Délka trhliny Použ itá síla
při
rovinné
Jednotky MPa m
Symbol KIC
mm mm mm kN
B W a PQ
Tabulka 4.3.2 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobnýpříspěvek k nejistotám měření. (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, 0= ž ádnýpodíl, ?= účinek není znám)
Zdroj nejistoty
1. Zkušební těleso Tloušťka vzorku Šířka vzorku 2. Zkušební systé m Siloměr Prů tahoměr Souřadnicovýzapisovač X Souřadnicovýzapisovač Y Posuvné měřítko Tloušťka hran nož e 3. Metoda Souosost Rychlost Vzdálenost mezi hranami nož ů 4. Prostředí Teplota okolí a vlhkost 5. Obsluha Interpretace diagramu Měření rozměrů vzorku Měření délky trhliny
Typ
Měřená veličina KIC
B
W
a
PQ
B B
2 2
1
B B B B B B
1 2 2 2 2 2
B B B
2 2 2
2 2 2
B
2
2
A A A
1 1 1
1
2 2
1
1 2 2 2 1
1
1 2
1
1 1
4.4 Zkouška kritické ho rozevření trhliny u vrcholu (CTOD) Při této metodě se použ ívají vzorky s předem vytvořenou trhlinou. Zkoušky se provádějí řízenou deformací s monotónním zatěž ováním při konstantní rychlosti rů stu činitele intensity
12
napětí v rozmezí 0,5 –3 MPa m s-1 během počáteční elastické deformace. Vzorky jsou zatěž ovány na maximální sílu spojenou s plastickým lomem. Metoda je vhodná zvláště pro materiály , které vykazují změnu tvárného chování na křehké s klesající teplotou. Vzorec pro výpočet lomové houž evnatosti při kritickém rozevření trhliny u vrcholu za použ ití vzorku SE (B) ( vzorek pro tříbodovýohyb)je: δ =
(
)
K 2 1− g 2 0,4(W − A)Vp + 2 SyE 0,4W + 0,6a + z
kde K je součinitel intensity napětí vypočtenýz rovnice: K=
Fs f BW 1,5
kde f je matematickou funkcí a/W Sy je mez 0,2% při teplotě lomové zkoušky Nejistota stanovení kritického rozevření trhliny při vrcholu δje ovlivněna těmito veličinami: tloušťkou vzorku – B, šířkou vzorku – W délkou trhliny – a použ itou silou – F plastickou slož kou rozevření vrubu – Vp roztečí mezi vnějšími zatěž ovacími body při zkoušce tříbodovým ohybem – s vzdáleností místa rozevření vrubu nad povrchem vzorku s vrubem – z Zkoušku lze provádět podle těchto norem BS 7448 Part 1:1991 + Amd 1:August 1999 "Fracture Mechanics Thoughness Tests. Part 1 Method for Determination of KIC Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials" (Zkoušky mechaniky lomu. Č ást 1 Metoda stanovení kritické hodnoty CTOD a kritického Jintegrálu kovových materiálů ) ASTM E 1290-93 "Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Thoughness Measurement" (Stanovení lomové houž evnatosti při rozevření trhliny u vrcholu)
13
Tabulka 4.4.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Rozevření trhliny při vrcholu Měření Tloušťka vzorku Šířka vzorku Délka trhliny Použ itá síla Plastická slož ka rozevření trhliny pod vrubem Rozteč mezi vnějšími body zatíž ení při zkoušce tříbodovým ohybem Vzdálenost umístění prů tahoměru na měření rozevření vrubu nad povrchem vzorku s vrubem
Jednotky mm
Symbol δ
mm mm mm N mm
B W a F Vp
mm
s
mm
z
Tabulka 4.4.2 Zdroje nejistot při zkoušce kritického rozevření trhliny u vrcholu (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, 0= ž ádnýpodíl, ?= účinek není znám)
Zdroj nejistoty
Typ
Měřená veličina δ
1. Zkušební těleso Tloušťka vzorku Šířka vzorku 2. Zkušební systé m Siloměr Prů tahoměr Souřadnicovýzapisovač X Souřadnicovýzapisovač Y Posuvné měřítko Tloušťka hran nož e 3. Metoda Rozteč Souosost Kolmost Rychlost 4. Prostředí Teplota okolí a vlhkost 5. Obsluha Interpretace diagramu Vzdálenost mezi hranami nož ů Měření rozměrů vzorku Měření délky trhliny
B
W
a
F
Vp
B B
2 1
B B B B B B
2 2 2 2 2 2
B B B B
2 2 2 2
2 2 2 2
2 2 2 2
B
2
2
2
A A A A
1 2 2 1 14
s
z
1 1 1 1 1
1
1 1
1 2 1
1
4.5 Zkouška rů stu únavové trhliny Stanovení spočívá v měření délky trhliny a rychlosti šíření trhliny při trhlinách o délce 0,25 – 2,5 mm na tyči pravoúhlého prů řezu (10x4,3 mm) s vrubem 0,075 mm pomocí poklesu potenciálu stejnosměrného proudu. Zkouška se provádí podle ASTM E 647 Standard Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates ( Metoda měření rychlosti rů stu únavové trhliny)
Tabulka 4.5.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Jednotky Rychlost šíření trhliny m/cyklus Rozmezí intensity napětí MPa. m Rozmezí napětí Mpa Hodnota poklesu potenciálu (PDm/PDref) Bezrozměrná veličina Kalibrovaná délka trhliny vzorku m
Symbol da/dN ΔK Δσ PD a
Tabulka 4.5.2 Zdroje nejistot při měření rů stu únavové trhliny (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, 0= ž ádnýpodíl, ?= účinek není znám)
Zdroj nejistoty 1. Zkušební těleso Rozměry vzorku Vzdálenost mezi měřícími dráty Vzdálenost mezi referenčními dráty 2. Zkušební systé m Souosost Nejistota měření síly Odchylka v měření síly Změna signálu poklesu potenciálu způ sobená hlukem, zesílením, zdrojem poklesu potenciálu atd. 3. Prostředí Okolní teplota a vlhkost 4. Zkušební postup Měření kalibrované délky trhliny vzorku Kalibrační křivka Správnost měření
Typ
a
ΔK
da/dN
A, B A A
0 1 2
2 2 2
0 0 0
B B B A
1 1 2 1
1 1 2 1
0 0 0 1
B
2
2
0
A,B A A
2 1 1
2 1 1
0 0 0
4.6 Zkouška rázem v ohybu Zkoušku lze provádět podle normy Č SN EN 10045-1 Kovové materiály – Zkouška rázem v ohybu podle Charpyho – Č ást 1 Zkušební metoda (U a V vruby) nebo podle normy ASTM E 23-96 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic
15
Materials (Standardní zkušební metody pro nárazové zkoušení vrubových tyčí z kovových materiálů ). Tabulka 4.6.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly podle Č SN EN 10045-1 Stanovovaná veličina Jednotka Symbol Absorbovaná energie J KV nebo KU Ostatní veličiny Výška zkoušeného tělesa mm h Šířka zkoušeného tělesa mm w Délka zkoušeného tělesa mm l Geometrie vrubu: mm - Výška pod vrubem mm - Ú hel zakřivení mm - Ú hel vrubu Teplota zkoušky ºC T Poznámky. Absorbovaná energie je odečítána přímo zkuš ebním zařízením. Zkuš ební přístroj má bý t kalibrován podle EN 10045 - 2. Rozměry vzorků mají bý t v souladu s EN 10045 - 2.
Tabulka 4.6.2 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobnýpříspěvek k nejistotám veličin (1 = velkýpříspěvek, 2 = malýpříspěvek, *- způ sobeny nepřímo) Zdroj nejistoty 1. Zkušební těleso Chyby při měření mikrometrem (obsluhou) rozměrů zkušebních těles Tvarová tolerance, hranové efekty Tvarová tolerance vrubu, hloubka vrubu 2. Zkušební systé m Tuhost stroje, upevnění na podklad Přesnost měření kalibrační energie Chyba zkušebního systému Ustavení břitů a podpěr tělesa, horizontální poloha tělesa s ohledem na střed rázu Teplota měření, kalibrace 3. Prostředí Chybná registrace okolní teploty Dlouhá doba změny teploty tělesa v prů běhu zkoušení Chybná registrace teploty tělesa 4. Zkušební metoda ( postup ) Nesprávné ulož ení tělesa Nesprávné odečtení energie
Typ **)
KV nebo KU
h
w
l
A nebo B B B
*2
2
2
2
*2 *1
2
2
2
B A A B
*1 *2 1 *1
B
16
T
1-2
B B
*2 *1-2
1-2
B
*1-2
1-2
B B
*1 *2
**) viz krok 3 Doporučení. Pro zjednoduš ení vý počtů je vhodné seřazení vý znamný ch zdrojů nejistot v tabulce 2 v následujících kategoriích: 1.Nejistota rozdě leníCharpyho vstupníenergie do zkoušené č ásti a vrubu geometrie; 2.Nejistota zkušebního systé mu 3.Nejistota prostředí; 4. Nejistota zkušebního postupu.
Je dů lež ité poznamenat, ž e tabulka 2 není vyčerpávající a slouž í jen jako instrukce. Vzájemné příspěvky se mohou měnit podle zkoušeného materiálu a podmínek zkoušky. Jednotlivé laboratoře jsou nabádány k vyhotovení svého vlastního postupu, který odpovídá jejich vlastním mož nostem a hodnotí přidruž ené významy příspěvků .
4.7 Zkouška tahem Pro provádění zkoušky tahem platí např. tyto normy: EN 10002- 1:1990 „Zkouška tahem – Metoda zkoušení při teplotě okolí“ EN 10002- 5:1990 „Zkouška tahem _ Metoda zkoušení za zvýšené teploty“ ASTM E 8:1998 „Standardní zkušební metoda pro zkoušku kovových materiálů tahem“ ASTM111:1997 „Standardní zkušební metoda pro Youngů v modul , tangenciální modul a modul pruž nosti určenýjako sečna křivky napětí-deformace“
Tabulka 4.7.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Pů vodní plocha prů řezu Modul pruž nosti Mez 0,2, neproporcionální prodlouž ení Horní mez kluzu Spodní mez kluzu Pevnost v tahu Procentuální prodlouž ení po lomu Procentuální zúž ení
Jednotky mm2 GPa MPa MPa MPa MPa % %
17
Symbol S0 E Rp0,2% ReH ReL Rm A Z
Tabulka 4.7.2 Hlavní zdroje nejistot při zkoušce tahem (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, 0= ž ádnýpodíl, ?= účinek není znám)
Zdroj nejistoty 1. Zkušební těleso Rozměrová shoda Jakost povrchu Zbytková pnutí Tvar a velikost tělesa Tvar lomu Místo lomu 2. Zkušební systé m Zařízení na měření prů řezu Pů vodní měřená délka Ú hlové umístění prů tahoměru Souosost Tuhost trhacího stroje Nejistota při měření síly Nejistota při měření prodlouž ení 3. Prostředí Okolní teplota a vlhkost 4. Zkušební postup Vynulování Rychlost zatěž ování Rychlost deformace Digitalizace Frekvence odběru vzorků Nejistota v měření lomové plochy Software
Typ
E
Rp0,2%
ReH
ReL
Rm
A
Z
B B B B B B
2 2 ? 1-2 0 0
2 2 ? 1-2 0 0
2 2 ? 1-2 0 0
2 2 ? 1-2 0 0
2 2 ? 1-2 0 0
2 2 ? 1-2 1 1
2 2 ? 1-2 1 1-2
B B B B B B B
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 0
1 0 0 1 1 1 0
1 0 0 2 2 1 0
2 1 2 2 2 0 2
2 0 0 0 2 0 0
B
2
2
2
2
2
2
2
B B B B B B
2 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 0
2 1 1 2 2 0
2 2 1 2 2 0
2 2 1 0 0 1
B
1
1
1
1
2
1
0
4.8 Zkouška tlakem Zkouška se provádí podle ASTM E 9-89 "Compression Testing on Metallic Materials at Room Temperature" (Zkouška kovových materiálů tlakem při normální teplotě) Při zkoušce tlakem hlavními veličinami, které jsou stanovovány je Youngů v modul a mez 0,2.
18
Tabulka 4.8.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly
Měřená veličina Modul pruž nosti Mez 0,2, neproporcionální prodlouž ení Měření Pů vodní prů měr vzorku Pů vodní měřená délka vzorku Zatíž ení použ ité při zkoušce Deformace
Jednotky GPa MPa
Symbol E Rp0,2
mm mm kN
d0 l0 P ε
Tabulka 4.8.2 Zdroje nejistot při zkoušce tlakem Zdroj nejistoty 1. Zkušební těleso Pů vodní měřená délka Tolerance tvaru Rovnoběž nost Válcovitost Jakost povrchu 2. Zkušební systé m Siloměr Prů tahoměr Posuvné měřítko Souosost nástrojů 3. Prostředí Okolní teplota 4. Zkušební postup Vzorec Rychlost odběru vzorků ??? Rychlost příčníku 5. Obsluha Volba mezí na diagramu Ú hlové umístění prů tahoměru. Stanovovaná veličina E
Typ
E
Rp0,2%
A A, B B B B
1 2 2 2 2
vliv přes E 2 2 2 2
B B B
1 1 1 2
1 1 vliv přes E vliv přes E
B
2
2
B B B
2 2 2
2 2 2
A A
1 1
vliv přes E vliv přes E
-
1
4.9 Stanovení modulu pružnosti v ohybu Zkouška se provádí podle ASTM E 855-90 "Bend test of metallic flat materials for spring applications involving static loading" (Zkouška kovových plochých materiálů pro pruž iny ohybem při statickém zatěž ování) Pro stanovení modulu pruž nosti v ohybu existují dvě metody: zkouška A – tříbodové zatěž ování 19
zkouška B - čtyřbodové zatěž ování. Parametry ovlivňující stanovení Tabulka 4.9.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Modul pruž nosti v ohybu Měření Šířka vzorku Tloušťka vzorku Přírů stek ohybu Vzdálenost od podpěr Rozpětí mezi podpěrami Přírů stek zatíž ení
Jednotky MPa
Symbol E
m m m m m N
B H δ a L P
Tabulka 4.9.2 Zdroje nejistot při stanovení modulu pruž nosti v ohybu (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, 0= ž ádnýpodíl, ?= účinek není znám)
Zdroj nejistoty Zkušební těleso Tloušťka Šířka Zkušební systé m Kalibrace siloměru Citlivost siloměru Souosost nástrojů Prů tahoměr Tvar a rozměry podpěry Měření rozpětí Přírů stek ohybu Metoda Rychlost příčníku Rychlost digitalizace Prostředí Teplota Obsluha Volba mezí na grafu pro regresi Umístění vzorku
Typ
Vliv na Youngů v modul
A,B A, B
1 1
B B B B A, B A, B B
1 1 1 1 0 1 1
Nemá vliv Má vliv
0 1
Nemá vliv
0
Nepouž ívá se
1
Nemá vliv
0
4.10 Zkouška tečením Zkouška se provádí podle Č SN EN 10291 "Kovové materiály – Zkouška tečení jednoosým tahem – Zkušební metoda"
20
V normě ASTM E 193-95 " Standard Practice for Conducting Creep, Creep Rupture and Stress Rupture Tests of Metallic Materials" (Metoda provádění zkoušek tečení, zkoušek tečení do lomu, zkoušek napětí do lomu). Při zkoušce tečením zjišťujeme: • prodlouž ení po lomu, • minimální deformaci při sekundárním tečení, • dobu do lomu, • dobu do dosaž ení x% deformace, • kontrakci. Tabulka 4.10.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Jednotka Mezivý sledky počáteční napětí MPa počáteční prů řez vzorku mm2 minimální prů řez vzorku po lomu mm2 Zkouš ené veličiny kontrakce prů řezu % prodlouž ení po lomu % doba do lomu hod doba do dosaž ení x%deformace hod min.rychlost sekundárního tečení h-1
Symbol σo So Su Zu Au tu tfx ε& min
Tabulka 4.10.2 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobnýpodíl na nejistotách měřených veličin při zkoušce tečením (1 = hlavní příspěvek, 2 = vedlejší příspěvek, 0 = nevýznamnýpříspěvek) Zdroj nejistoty Ovlivněné měřené veličiny S0 Su Zu Au tu tfx σ0 εmin Zkušební vzorek počáteční rozměry vzorku 1 0 1 1 1 1 1 1 min.prů měr vzorku po lomu 0 0 1 0 1 0 0 0 délka po lomu měřená prů tah. 0 0 0 0 1 0 0 0 Zkušební systé m zatěž ovací zařízení 0 0 1 2 2 1 1 1 teplota vzorku 0 0 0 2 2 1 1 1 ohybová napětí 0 0 0 2 2 2 2 2 prů tahoměr 0 0 0 0 0 0 1 2 Prostředí teplota okolí 0 0 0 0 0 2 2 2 Zkušební metoda časovýúsek mezi odečty dat 0 0 0 0 0 2 2 2 stanovení tfx 0 0 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 0 0 2 stanovení ε& min (graf./statist.) základní délka s respektováním 0 0 0 0 2 0 0 0 přechodových radiusů 0 0 0 0 0 0 0 0 Odbornýpersonál
21
V případě většiny kovových materiálů mů ž e být minimální rychlost tečení, ε&min , v celé vymezené napěťové oblasti vztaž ena k aplikovanému napětí, σ, a teplotě T, dle rovnice ve tvaru ε&min = A σ n exp(− Q / RT )
(C.1)
kde n je napěťový index v Nortonově zákonu tečení, Q je aktivační energie a R je plynová konstanta. Jelikož u většiny materiálů je v prvním přiblíž ení doba do lomu tu přímo úměrná převrácené hodnotě minimální rychlosti tečení, mů ž e být ukázáno, ž e chyby tu a ε&min jsou vyvolány chybami σ a T ve dvou separátních slož kách rovnice (C.1). Mezní úchylky σ a T jsou specifikovány v normách pro zkoušení, avšak parametry n a Q jsou materiálově závislé a tedy není mož né stanovit hodnotu celkové nejistoty použ itelnou pro všechny materiály, které jsou zkoušeny podle normy. Je třeba upozornit, ž e existují ještě jiné faktory které mohou ovlivnit měření vlastností tečení, jako ohyb zkušební tyče, metody uchycení zkušební tyče do čelistí, atd. Jelikož však o těchto efektech není v současné době dostatek dostupných kvantitativních údajů , nelze jejich vliv zahrnout do polož ek nejistot. Doporučuje se rovněž uváž it, ž e toto pojetí výčtu nejistot poskytuje pouze odhad nejistoty spojené s měřicí technikou a nečiní si nárok na přirozený rozptyl experimentálních výsledků , kterýje přisuzován materiálové nehomogenitě. Referenč nímateriál pro zkouš ky teč ení
V prů běhu posledních let byly v oblasti mechanického zkoušení zaznamenány výhody použ ití certifikovaných referenčních materiálů . Referenční materiály pro zkoušky tečení byly vyvinuty pod patronátem Community Bureau of Reference (BCR), (Gould a Loveday [x]; .
- Tabulka 4.10.3 Certifikované
a
hodnoty referenčního materiálu pro tečení NIMONIC 75, CRM 425
Vlastnost a
Certifikovaná hodnota b
Nejistota c
Rychlost tečení při 400 h
71,8 × 10-6 h-1
5 × 10-6 h-1
tp2
278 h
16 h
tp4
557 h
30 h
Podmínky zkoušení: T = 600 °C, σo = 160 MPa.
b
Tato hodnota je neváž enýprů měr prů měrů výsledků z 9 laboratoří, přičemž kaž dá z nich provedla 5 samostatných stanovení certifikované vlastnosti. c
Nejistota je vyjádřena jako polovina 95% konfidenčního intervalu prů měru definovaného v b).
22
CRM 425 je dostupný v BCR Reference Materials, (Community Bureau of Reference), Management of Reference Materials (MRM) Unit, Joint Research Centre, Institute for Reference Materials and Measurement (IRMM), Retieseweg, B-2440, Geel, Belgie. Využití CRM 425 k odhadu nejistoty U slitiny Nimonic 75 CRM má zkouška vykonaná při 600 °C podle tohoto návrhu evropské normy přípustnou mezní úchylku teploty ±3 °C a povolenou mezní úchylku měření napětí (±1 %), očekávaná celková nejistota, vypočítaná podle GUM, je ∼ ±20,2 % (viz C.2). Jestliž e mezní úchylka způ sobena zkoušením je přičtena k nejistotě certifikované hodnoty, pak s využ itím metody odmocniny sumy druhých mocnin, je mož né vypočítat celkové pásmo chyb, ve kterém lze očekávat výskyt dat jednotlivých zkoušek, jak je ukázáno v tabulce C.3. Tabulka 4.10.4 — Použitelné rozmezí dat pro zkoušky tečení využívající referenční materiál tečení, CRM 425 Parametr
Certifikova- Nejistota 95% ná hodnota konfidenční hladiny
Zkušební a mezní úchylka (±20,2 %)
Rychlost tečení při
Celková nejistota ∼ ±21 % Hodnota
Rozmezí
72
±5
±14,5
±15,3
56,7 až 87,3
400 h (10-6 h-1) tp2
(h)
278
±16
±56,2
±58,4
219,6 až 336,4
tp4
(h)
557
±30
±112,5
±116,4
440,6 až 673,4
Přijata ∆T = ±3 °C, ∆σ = 1 %, napěťovýindex n = 6 a aktivační energie tečení Q = 345 kJ·mol-1. a
4.11 Zkouška tečení na tyči s vrubem Zkouška se provádí podle ASTM E 292-83 Conducting Time for Rupture Notch Tension Tests of Materials – Provádění zkoušky tečením na tyči s vrubem
23
Tabulka 4.11.1 Měřené velič iny, jejich jednotky a symboly
Měřená veličina Mezivý sledky účinné napětí zatíž ení zkušební tyče reprezentativní napětí počáteční prů řez vzorku v rovině vrubu konečný prů řez vzorku v rovině vrubu Zkouš ené veličiny zúž ení prů řezu v rovině vrubu doba do lomu (na tyči s vrubem) doba do lomu (na tyči bez vrubu) poměr pevnosti vrubu poměr ž ivotnosti do lomu
Jednotka
Symbol
MPa N MPa mm2
σnet P σrep Sno
mm2
Snu
% h h
Znu tnu tpu RS RL
Ú činné napětí σnet je definováno: σnet = P / Sn 0
Poměr pevnosti vrubu je definován: Rs = σnet / σrep kde σrep je reprezentativní napětí , které na tyči bez vrubu dává stejnou dobu do lomu jako na tyči s vrubem při σnet . Poměr ž ivotnosti do lomu RL je dán rovnicí RL = tnu / tpu kde tpu je doba do lomu na tyči bez vrubu při napětí σ0 = σnet .
24
Tabulka 4.11.2 – Zdroje nejistot a jejich pravděpodobnýpříspěvek k nejistotám měřených veličin (1 = hlavní příspěvek, 2 = vedlejší příspěvek, 0 = nevýznamnýpříspěvek) Zdroj Sno Zkušební tyč Počáteční prů měr u kořenu vrubu Prů měr u kořenu vrubu po lomu Tolerance tvaru, geometrie vrubu Přístroj Siloměr nebo páka/závaž í Teplota vzorku Ohybová pnutí Prostředí Teplota laboratoře Metoda Č asovýinterval vynášení údajů Hodnota σrep Hodnota tnu
Snu
1
Ovlivněná veličina Znu tnu σnet 1
1 2 1
RS
RL
1
1
1 1 2
2
2
2
1 1 2
1 1 2
1 1 2
1 1 2
2
2
2
2
1
1 1 1
4.12 Zkouška střihem Zkouška střihem se provádí podle ASTM B 769-87 Standard Method for Shear Testing of Aluminium Alloys – Standardní metoda zkoušení slitin hliníku střihem Parametry, pro které je nutné stanovit nejistotu jsou uvedeny v následující tabulce. Tabulka 4.12.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Jednotka Pevnost ve střihu MPa Konečné zatíž ení N Měření Použ ité zatíž ení N Počáteční prů měr tyče mm
25
Symbol S Pmax P d0
Tabulka 4.12.2 – Zdroje nejistot a jejich pravděpodobnýpříspěvek k nejistotám měřených veličin při zkoušce střihem (1 = hlavní příspěvek, 2 = vedlejší příspěvek, 0 = nevýznamnýpříspěvek) Zdroj
Ovlivněná veličina Pevnost ve střihu S Konečné zatížení Pmax
Zkušební prostředky Siloměr Mikrometr Tuhost nástrojů Geometrie středu zápustky Vnější geometrie zápustky Zkušební metoda Vzorec Rychlost odběru vzorků Předběž né zatíž ení Rychlost zatěž ování Rychlost deformace Prostředí Teplota Vzorek Válcovitost
1 1 2 2 2
1 1 2 2 2
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2
2
2
2
2
4.13 Stanovení dynamické ho Youngova modulu Zkouška se provádí podle ASTM E 1876-97 "Dynamic Young´s Modulus, Shear Modulus and Poisson´s Ratio by Impulse Excitation of Vibration" – (DynamickýYoungů v modul, modul ve střihu a Poissonů v poměr pulzačně vzbuzenými vibracemi) Tato norma popisuje vzbuzování rezonančních frekvencí elastických materiálů úderem na pravoúhlou nebo válcovou tyč, která volně vibruje. Snímač a s ním spojené zařízení měří frekvenci, kterou lze vztáhnout ze znalosti rozměrů a hmotnosti tyče a Poissonova poměru k dynamickému Youngovu modulu. V případě pravoúhlé tyče lze vzbudit základní frekvenci při ohybu a podobně použ ít pro výpočet dynamického modulu ve střihu. Znalost jak dynamického Youngova mudulu tak i modulu ve střihu lze použ ít ke stanovení Poissonova poměru tam, kde není jinak znám.
26
Tabulka 4.13.1 – Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly. Měřená veličina DynamickýYoungů v modul Dynamickýmodul ve střihu Poissonů v poměr Měření Hmotnost tyče Šířka tyče Délka tyče Tloušťka tyče Základní rezonanční frekvence pravoúhlé tyče nebo kruhové tyče při ohybu Základní rezonanční frekvence čtvercové tyče v krutu Prů měr tyče Zkušební teplota
Jednotka Pa Pa Bezroměrná veličina
Symbol E G μ
kg m m m Hz
m b L t ff
Hz
ft
m °C
D T
Tabulka 4.13.2 – Zdroje nejistot a jejich pravděpodobnýpříspěvek k nejistotám měřených veličin při stanovení dynamického Youngova modulu (1 = hlavní příspěvek, 2 = vedlejší příspěvek, prázdné místo = nevýznamnýpříspěvek) Zdroj nejistoty Zkušební těleso Chyby mikrometru/ posuvného měřítka/obsluhy při měření rozměrů tyče Tolerance tvaru, hranové účinky Přesnost váhy Neizotropní materiál 2. Přístroj Ú tlum z podpěr Ú tlum ze snímače Přesnost snímače/elektroniky 3. Prostředí Nedostatečná regulace okolní teploty Vlhkost –vliv na obsah vlhkosti zkušebního tělesa 4. Metoda Nesprávnývýpočet T11) Vynechání A1) Neúplné iterativní řešení Poissonova poměru. 1)
Typ
E
μ
G
A nebo B
1
1
1
B A nebo B B
2 2
2 2 2
2 2
B B B
2 2 1
2 2 1
2 2 1
B B
2 2
2 2
2 2
B B B
1
2 2 2
1
T – korekční faktor pro dynamickýYoungů v modul pro základní prů hyb pravoúhlé tyče A – empirickýkorekční faktor dynamického modulu ve střihu závisející na poměru šířky k prů řezu pravoúhlé tyče
27
4.14 Zkoušky tvrdosti Zkoušky tvrdosti se na mezinárodní úrovni podařilo sjednotit a jsou tyto zkoušky obsaž eny v následujících normách Č SN EN ISO 6506-1: 1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Brinella – Č ást 1 Zkušební metoda Č SN EN ISO 6506-2:1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Brinella – Č ást 2 Ověřování a kalibrace tvrdoměrů Č SN EN ISO 6506-3:1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Brinella – Č ást 3 Kalibrace tvrdoměrných destiček Č SN EN ISO 6506-1: 1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Vickerse – Č ást 1 Zkušební metoda Č SN EN ISO 6506-2:1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Vickerse – Č ást 2 Ověřování a kalibrace tvrdoměrů Č SN EN ISO 6506-3:1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Vickerse – Č ást 3 Kalibrace tvrdoměrných destiček Č SN EN ISO 6506-1: 1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Rockwella (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) – Č ást 1 Zkušební metoda Č SN EN ISO 6506-2:1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Rockwella (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) – Č ást 2 Ověřování a kalibrace tvrdoměrů Č SN EN ISO 6506-3:1999 Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Rockwella (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) – Č ást 3 Kalibrace tvrdoměrných destiček
Tabulka 4.14. 1 Měřené veličiny, jejich jednotky a značky Měřená veličina Tvrdost podle Rockwella Tvrdost podle Brinella Tvrdostr podle Vickerse
Jednotky a značky HR HBS(HBW) HV
Tabulka 4.14.2 Měření, jejich jednotky a značky Měření Jednotky Trvalý vzrů st hloubky proniknutí pod 0,002 mm (obvyklá předběž ným zatíž ením zkušební silou stupnice) po odstranění přídavného zatříž ení 0,001 mm (povrchová stupnice) Jednotlivýprů měr vtisku mm Jednotlivá úhlopříčka vtisku mm
28
Symbol h
d1(HB) , d2(HB) d1(HV) , d2(HV) ,
Tabulka 4.14.3 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobný příspěvek k nejistotám při měření tvrdosti (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, prázdné místo = ž ádnýpodíl) Rockwell Způsoby zkouš ení Zatíž ení Přídavné zatíž ení Měření rozdílu hloubky Ú hel (HRA, HRC, HRD, HRN) Poloměr (HRA, HRC, HRD, HRN) Prů měr Rychlost vnikání Doba pů sobení předběž ného zatíž ení Doba pů sobení celkového zatíž ení Zkušební metoda Vynulování Kalibrace Digitalizace Software Podlož ka Zkušební prostředí Teplota Prach, nečistota, mazivo a okuje Obsluha Znalosti a zkušenosti Vzorek Příprava zpracování za tepla nebo za studena) Tvar, velikost a tloušťka Rovnoběž nost Jakost povrchu
29
Symbol
Typ
h
F0 F1 hM α R D c TF0 TFt
B B B B B B B B B
2 1 1 1 1 1 1 1-2 1
B B B B B
1 1 2 2 1
B B
2 1-2
B
1-2
B B B B
1 1-2 1-2 1-2
Tabulka 4.14.4 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobný příspěvek k nejistotám při měření tvrdosti (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, prázdné místo = ž ádnýpodíl) Brinell a Vickers Způsoby zkouš ení Zatíž ení Měření prů měru/úhlopříčky Ú hel (HV) Prů měr (HBS/HBW) Rychlost vnikání Doba pů sobení celkového zatíž ení Zkušební metoda Vynulování Kalibrace Digitalizace Software Podlož ka Zkušební prostředí Teplota Prach, nečistota, mazivo a okuje Obsluha Znalosti a zkušenosti Vzorek Příprava zpracování za tepla nebo za studena) Tvar, velikost a tloušťka Rovnoběž nost Jakost povrchu Jakost vtisku
Symbol
Typ
h
F dM α D c T
B B B B B B
1 1 2 1-2 1-2 1-2
B B B B B
1 1 2 1-2 1-2
B B
2 1-2
B
1-2
B B B B B
1 1-2 1-2 1-2 1
4.15 Stanovení zbytkových pnutí Postup se provádí podle ASTM E 837-95 "Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain – Gauge Method " (Standardní zkušební metoda pro stanovení zbytkových pnutí měřením deformací při vrtání otvoru) Metoda se použ ívá pro stanovení zbytkových pnutí velkých konstrukcí. Deformace jsou kontinuálně měřeny prů tahoměry rozmístěnými na zkoušeném povrchu ve tvaru rů ž ice do kterého je vyvrtáván otvor. Protož e vzdálenost mezi vyvrtávaným otvorem a prů tahoměry je malá, vrtání musí být provedeno bez značných plastických deformací a ohřevu. Proto se použ ívá vysokorychlostní vrtačky s 300 000 otáčkami za minutu nebo abrazivní částice tryskané tlakovým vzduchem. V principu tato metoda platí pouze pro homogenní a izotropní materiály. Metoda vrtání otvoru nedává deformace z příslušných zbytkových pnutí úplně. Proto pnutí nemohou být vypočtena z měřených deformací a jsou zapotřebí koeficienty , které se získávají výpočty nebo experimentálně.
30
Tabulka 4.15.1 – Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly
Měřená veličina Modul pruž nosti Poissonů v poměr Maximální základní pnutí Minimální základní pnutí Směr základního pnutí Měření Deformace z prů tahoměru 1 Deformace z prů tahoměru 2 Deformace z prů tahoměru 3 Hloubka otvoru Prů měr otvoru Prů měr kruhu, na kterém jsou rozmístěny prů tahoměry Kalibrační konstanta Kalibrační konstanta Koeficient Koeficient
Jednotka MPa Bezrozměrná veličina MPa MPa Deg (°)
Symbol E μ σ max σ min β
µm µm µm µm µm µm
ε1 ε2 ε3 z D0 D
Mpa-1 Mpa-1 Bezrozměrná veličina Bezrozměrná veličina
A B a b
31
Tabulka 4.15.2 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobný příspěvek k nejistotám při měření zbytkových pnutí metodou vrtání otvoru (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, prázdné místo = ž ádnýpodíl) Zdroj nejistoty 1. Zkušební těleso
Typ
Jakost povrchu B Materiálové B charakteristiky 2. Zkušební systé m Souosost Měření rozměrů A nebo vrtaného otvoru B Rozměry kruhu pro B prů tahoměry Nejistota v měření B deformací Posun v systému B měření deformací Pnutí a vzrů st teploty B z vrtání 3. Prostředí Teplota a vlhkost B 4. Zkušební postup B Výpočet A B Výpočet B B a (převzato z ASTM E 837-95 Tab. 2) B b (převzato z ASTM E 837-95 Tab. 2)
Měřené veličiny μ E σ max σ min 2 1 1 1
β
ε1,2,3 2 1
2 1
1
Měření D0 D 2
1 1
2
1
1 1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
ab
1
1
1
AB
2
1
2
1 1 1
1 1 1
1
1 1 1
1
1
1
1
4.16 Stanovení Poissonova poměru ze zkoušky tahem Stanovení bylo prováděno podle ASTM E 132-97 Standardní zkušební metoda pro Poissonů v poměr při normální teplotě. Princip zkoušky je následující: Když je jednoosé zatíž ení je aplikováno na tyč, tato tyč se deformuje nejen ve směru zatíž ení, ale i v příčném směru se rozšiřuje nebo zuž uje podle toho zda zatíž ení je v tahu nebo tlaku . Jestliž e materiál je homogenní a izotropní a materiál zů stává pod účinkem použ itého zatíž ení má příčná deformace konstantní vztah k osové deformaci. Tato konstanta se nazývá Poissonů v poměr. Poissonů v poměr se použ ívá pro navrhování konstrukcí, kde všechny rozměrové změny vzniklé z použ ití zatíž ení je nutné vzít do úvahy a při aplikaci všeobecné teorie pruž nosti na analýzu konstrukcí. Přesnost stanovení Poissonova poměru je obvykle omezena přesností měření příčných deformací protož e procentuální chyby v těchto měřeních jsou obvykle větší než při měřeních osové deformace.Jelikož se měří spíše poměr než absolutní hodnota, je zapotřebí znát přesně 32
relativní hodnotu kalibračních faktorů prů tahoměrů . Obecně hodnotu použ itých zatíž ení nemusí být přesně známy. Je často vhodné kombinovat stanovení Poissonova poměru se stanovením Youngova modulu a meze 0,2. Tabulka 4.16.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Poissonů v poměr Měření Použ ité zatíž ení Osová deformace Příčná deformace Počáteční měřená délka Příčná měřená délka
Jednotka Bezrozměrná veličina
Symbol μ
N mm mm mm mm
F eL eT L0 B0
Tabulka 4.16.2 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobnýpříspěvek k nejistotám při stanovení Poissonova poměru ze zkoušky tahem (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, ? =není znám)
Zdroj nejistoty 1. Zkušební tyč Shoda rozměrů Jakost povrchu Zbytková pnutí 2. Zkušební systé m Počáteční měřená délka Ú hlová poloha prů tahoměru Souosost Tuhost zkušebního stroje Nejistota při měření síly Nejistota při měření deformace 3. Prostředí Okolní teplota a vlhkost 4. Zkušební postup Vynulování Nejistota při tečení Nejistota v rychlosti deformace Frekvence odběru vzorků Závaž í nebo nepřerušované zatěž ování Módus ovládání (regulace síly nebo deformace) Volba mezí 0,2
Typ
μ
B B B
2 2 ?
B B B B B B
1 1 2 2 2 1
B
2
B A B B B
1 1 1 1 1-2
B
?
B
1
33
4.17 Stanovení Ramberg-Osgoodových parametrů ze zkoušky tahem Postup použ ívá matematický model lineární regrese pro stanovení Youngova modulu a Ramberg-Osgoodových parametrů . V obou případech vyhodnocování končí při minimální změně sklonu (horní meze). Výpočet parametrů vychází z těchto rovnic: σ σ εt = + E CRO
kde εt je celková deformace εp je trvalá deformace
σ εp = CRO
mRO
mRO
Tabulka 4.17.1 Měřené veličiny, jejich jednotky a symboly Měřená veličina Exponent - parametr Dělitel - parametr Měření Použ ité zatíž ení Posun od osy Rozměr vzorku Měřená délka
Jednotka Bezrozměrná veličina MPa
Symbol mRO CRO
N mm mm mm
F e a0, b0, nebo d0 L0
34
Tabulka 4.17.2 Zdroje nejistot a jejich pravděpodobný příspěvek k nejistotám při stanovení Poissonova poměru ze zkoušky tahem (1= hlavní podíl, 2= menší podíl, ? =není znám)
Zdroj nejistoty 1. Zkušební tyč Shoda rozměrů Jakost povrchu Zbytková pnutí 2. Zkušební systé m Počáteční měřená délka Ú hlová poloha prů tahoměru Souosost Tuhost nástrojů Nejistota při měření síly Nejistota při měření prodlouž ení 3. Prostředí Okolní teplota a vlhkost 4. Zkušební postup Vynulování Nejistota při čtení Nejistota v rychlosti deformace Frekvence odběru vzorků Meze 0,2
Typ
mRO , CRO
B B B
2 2 ?
B B B B B B
1 1 2 2 2 1
B
2
B B B B B
1 1 1 1 1
LITERATURA Nejistoty měření obecně 1. Manual of codes of practice for the determination of uncertainties in mechanical tests on metallic materials. Project UNCERT, EU Contract SMT4-CT97-2165, Standards Measurement & Testing Programme, ISBN 0-946754-41-1, Issue 1, September 2000. 2. BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, OIML „Guide to the expression of uncertainty in measurement“(Pokyn pro vyjadřování nejistoty měření) . International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland ISBN 92-67-10188-9, první vydání, 1993. (Tento pokyn je zmiňován pod označením GUM podle zkráceného názvu "Guide to uncertainty measurement") BSI (identical) Vocabulary of metrology, Part 3. Guide to the expression of uncertainty in measurement, PD 6461:Part 3:1995, BSI 3. ISO 5725 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results. Part 1:1994 (E)) General principles and definitions Part 2:1994 (E) Basic method for the determination of repeatability and reproducibility of standard measurement method
35
Part 3:1994 (E) Intermediate measures of the precision of a standard measurement method Part 4:1994 (E) Basic methods for the determination of the trueness of a standard measurement method Part 5:1998 (E) Alternative methods for the determination of the precision of a standard measurement method Part 6:1994 (E) Use in practice of accuracy values 4. ISO 3534 Part 3:1999 (E/F) Statistics – Vocabulary and symbols – design of experiments 5. ISO Guide 33:1989 (E) Uses of certified reference materials 6. ISO Guide 35:1989 (E) Certification of reference materials – General and statistical principles 7. Thomas H. Courtney, „Mechanical Behavior of Materials“McGraw-Hill series in material science and engineering (ISBN 0-07-013265-8) 8. Wilfried J. Bartz, Herausgeber, „Mechanische Werkstoffprüfung – Grundlagen, Prümethoden, Anwendungen“Expert Verlag (ISBN 3-8169-1035-1) 9. Horst Blumauer, Herausgeber, „Werkstoffprüfung“ Dt. Vlg für Grundstoffindustrie, Leipzig, Stuttgart (ISBN 3-342-00547-5) 10. Friedhelm Richter, „Physikalische Eigenschaften von Stählen und ihre Temperaturabhängigkeit – Polynome und graphische Darstellungen,“STAHLEISEN – SONDERBERICHTE HEFT 10, Verlag STAHLEISEN M.B.H..; Düsseldorf 1983 (ISBN 3-514-00294-0) 11. Franz Adunka „Messunsicherheiten – Theorie und Praxis“Vulkan Vlg Essen (ISBN 38027-2186-1) 12. John Mandel, „The Statistical Analysis of Experimental Data“Dover Publications (ISBN 0-486-64666-1) 13. Eberhard Scheffer, „Statistische Versuchsplannung und –auswertung: eine Einführung für den Praktiker“Dt. Vlg. Für Grundstoffindustrie, Leipzig, Stuttgart (ISBN 3-342-00366-9) 14. B.N. TAYLOR and C.E. KUYATT. “Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results”. NIST Technical Note 1297, 1993 15. NIS 80. “Guide to the expression of uncertainty in testing”. Pub. NAMAS, 1994 16. NIS 3003. “The Expression of Uncertainty and Confidence in Measurement”. Pub. NAMAS, 1995 17. BMTA. “Estimating Uncertainties in Testing”. Pub. British Measurement and Testing Association, PO Box 101, Teddington, Middlesex, TW11 0NQ, 1994. 18. M. Jakob – P. BerounskýProblémy s vyhodnocováním nejistot při zkoušení fyzikálněmechanických vlastností materiálů - příspěvek na semináři"Novýpřístup k nejistotám měření – Kopšická Belá 5-8 listopadu 2001. Zkouška nízkocyklovou únavou 19. F.A. Kandil "Potential ambiguity in the determination of the plastic strain range component in LFC testing" , Int J.Fatigue 21(1999, 1013-18 20. F.A. Kandil "Code of practice for the measurement of bending in uniaxial low cycle fatigue testing" : Best practice in measurements series NPL MMS 001:1995, ISBN 0946754-16-0, National Physical Laboratory, UK
36
Zkouška rázem v ohybu 21. M. Jakob, S. Domesová Hodnocení nejistot při zkouškách rázem v ohybu - Magazín Č SN 9/2002
Zkouška tahem 22. Malcom S. Loveday, „Room Teperature Tensile Testing: A Method for Estimating Uncertainty of Measurement“, Measurement Note CMMT (MN) 048, July 1999, Centre for Materials Measurement and Technology, National Physical Laboratory, Teddington, TW 11 0LW 23. Thomas G.F.Gray and James Sharp, „Infuence of Machine Type and Strain Rate Interaction in Tension Testing“, Factors That Affect the Precision of Mechanical Tests, ASTM STP 1025, R. Papirno and H.C.Weiss, Eds., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1989 pp 187-205. 24. Bruce W. Christ, Fracture and Deformation Division, Center for Materials Science, National Bureau of Standards, „Effect of Specimen Preparation, Setup and Test procedures on Test Results 25. Günther Robiller, „Problems of the computer controlled tensile test“ Materialprüfung 31 (1989) 11-12, Carl Hanser Verlag, München 26. Bodo Hesse, Hans-Martin Sonne and Günther Robiller „Reliable proof stress determination with computerized tensile test“Materialprüfung 33 (1991) 7-8, Carl Hanser Verlag, München 27. Hans-Martin Sonne and Alois Wehrstedt, Computer –aided Tension Test – Problems of Performance on the Basis of the Standard“Materialprüfung 37 (1995) 4, Carl Hanser Verlag, München 28. P.Berounský, Stanovení nejistot při zkoušce tahem – Magazín Č SN 11/2001, str. 301-304 Zkouš ka teč ením
29. J. Granacher, M. Oehl and T. Preussler: “Comparison of interrupted and uninterrupted creep rupture tests”Steel research Vol. 63, 39-45, January 1992. 30. A.Jakobová, Hodnocení nejistot při zkouškách tečení podle prEN 10291- Magazín Č SN 5/2002, str. 152-155 31. European Creep Collaborative Committee, Data Validation Assessment Procedures Edition 2, ECCC-WG1 Recommendation Volume 3 (Issue 3), Acceptability Criteria for Creep, Creep Rupture, Stress Rupture and Stress Relaxation Data, Publ. ERA Technology, Ltd, Leatherhead, Surrey, England (1996). 32. J. GRANACHER and S.R. HOLDSWORTH (Eds). “Acceptability Criteria for Creep, Creep Rupture, Stress Rupture and Stress Relaxation Data”. European Collaboration Creep Committee - Working Group 1, Volume 3, 1994. Pub. ERA Technology. 33. D. GOULD and M.S. LOVEDAY. “A Reference Material for Creep Testing”. Chapter 6, Harmonisation of Testing Practice for High Temperature Materials, M.S. Loveday and T.B. Gibbons eds, Chapman and Hall, London (formerly pub. by Elsevier Applied Science), 85-109, 1992.
37
Zkoušky tvrdosti 34. P.Berounský, Hodnocení nejistot při stanovení tvdosti – Magazín Č SN 7-8/2002, str. 214216 35. Hans-Rudolf Wilde, Alois Wehrstedt Martensova tvrdost HM, mezinárodně přijeté označení pro "tvrdost pod zatíž ením"- Magazín Č SN 11/2000, str. 318-320
Poděkování Za cenné příspěvky a rady děkuji:Doc. Ing. Miloslavu Jakobovi CSc., presidentovi SČ ZL
38
