Úvod do materialového inžinierstva - web.tuke.skweb.tuke.sk/hf-knom/content/studenti/predmety/nom_sjf/uvod_do... · téma 1 Kryštalická stavba kovov 6 obmedzenému po čtu sklzných

.

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH

ÚVOD DO MATERIÁLOVÉHO

INŽINIERSTVA

Doc. Ing. Mária Mihaliková, PhD.

Košice 2013

ISBN 978-80-553-1479-2

.

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH

ÚVOD DO MATERIÁLOVÉHO

INŽINIERSTVA

Doc. Ing. Mária Mihaliková, PhD.

Košice 2013

Vydanie I

ISBN 978-80-553-1479-2

OBSAH

Strana

Úvod 4

TÉMA 1 Kryštalická stavba kovov 5

TÉMA 2 Štúdium makroštruktúry kovov 10

TÉMA 3 Štúdium mikroštruktúry kovov 14

TÉMA 4 Štúdium subštruktúry a vnútornej stavby kovov 20

TÉMA 5 Termická analýza konštrukcie rovnovážnych diagramov zliatin 23

TÉMA 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav 28

TÉMA 7 Skúšky tvrdosti materiálov 34

TÉMA 8 Statická skúška v ťahu 42

TÉMA 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti 50

TÉMA 10 Skúška rázom v ohybe 56

TÉMA 11 Skúška únavy materiálov 61

TÉMA 12 Skúšky tečenia pri vyšších teplotách 67

Literatúra 72

Zoznam vybraných noriem 75

Úvod

Obsah predmetu Náuka o materiáli je veľmi široký, lebo tento vedný odbor je poznačený prudkým vývojom. Návody na cvičenie si kladú za cieľ, aby študent bakalárskeho štúdia sa vo veľmi koncentrovanej forme oboznámil s teoretickými poznatkami a postupmi určovania materiálových charakteristík preberanej časti z náuky o materiáloch.

Cieľom predmetu Náuka o materiáli je, aby študent získal základné poznatky

o vnútornej stavbe materiálu, jeho vlastnostiach a možnostiach získania požadovaných vlastností materiálu. Poznanie podstaty týchto poznatkov umožňuje konštrukciu vzťahov medzi štruktúrou a vlastnosťami materiálov, medzi štruktúrou a technológiou spracovania materiálov. Bez poznania týchto súvislostí v súčasnosti nie je možné vyrábať konkurencie schopné materiály, prvovýrobky a výrobky.

Nemenej závažnou problematikou je aj osvojenie si metodiky a metód, pomocou

ktorých môžeme analyzovať vnútornú stavbu a vlastnosti materiálov, stanoviť požadované materiálové charakteristiky. Tieto materiálové charakteristiky sú nepostrádateľné pre konštrukciu už uvádzaných súvislostí a pre pevnostný výpočet častí a konštrukčných celkov.

Návody k predmetu Náuka o materiáli boli v predchádzajúcich rokoch niekoľko krát vydané kolektívom viacerých autorov: prof.Ing.Ján Micheľ CSc., prof.Ing.Július Hidvéghy CSc., prof.Ing.Marián Buršák PhD., doc.Ing.Jozef Čech,CSc., doc.Ing.Mária Mihaliková PhD., doc.Ing.Rudolf Mišičko CSc,.

Nakoľko žijeme v stále sa meniacej dobe došlo k znovu prepracovaniu návodov a ich

doplneniu. Nové vydanie je prispôsobené osnovám bakalárskeho štúdia a obohatené o otázky za každou kapitolou tak, aby si študent sám mohol otestovať svoje vedomosti a zistiť či je dostatočne pripravení na cvičenie. Návody majú experimentálne laboratórny charakter a sú prispôsobené vybaveniu Katedry náuky o materiáloch Hutníckej fakulty TU v Košiciach. Väčšina prezentovaných skúšok a skúšobných postupov je predpísaná technickými normami STN, EU, ISO, ČSN a prípadne inými predpismi. Boli rešpektované skúšobné postupy, ktoré sú opísané v súčasnosti v dostupných normách.

Návody na cvičenie sú písané tak, aby študent zvládol problematiku na cvičení, nie sú však postačujúce na to aby študent uspel na skúške. Preto sa odporúča študentom aby podrobne študovali doplnkovú literatúru s ktorou boli oboznámení na začiatku štúdia a navštevovali prednášky. Košice, september 2013

4

téma 1 Kryštalická stavba kovov

5

TÉMA 1

KRYŠTALICKÁ STAVBA KOVOV

1.1 Cieľ:

Poznať charakteristiky typických kryštálových mriežok kovov a ich poruchy.

1.2 Základné teoretické poznatky

Z celkového počtu viac ako 100 prvkov, ktoré sa nachádzajú v prírode má 77 charakter kovov. Spoločnými znakmi kovov sú vysoká elektrická vodivosť, kovový lesk, tepelná vodivosť, dobrá pevnosť a tvárnosť. Kovy majú kryštalickú stavbu, pričom majú atómy usporiadané pravidelne podľa geometrických zákonitosti. Základnou časticou sú atómy - ióny, ktoré vytvárajú pravidelné geometrické útvary kryštálové mriežky .Technicky významné kovy kryštalizujú najčastejšie v sústave kubickej, tetragonálnej a hexagonálnej a sú to konkrétne tieto kryštalické mriežky:

K 8 - kubická objemovo centrovaná (stereocentrická) mriežka má koordinačné číslo K 8 (obr. 1.1). Kovy kryštalizujúce v tejto sústave majú horšiu tvárniteľnosť za studena. Základnú mriežku tvorí 9 atómov.

Obr.1.1 Uloženie atómov v kubickej priestorovo centrovanej mriežke (K 8)

Obr.1.2 Uloženie atómov v kubickej plošne centrovanej mriežke (K 12)

K12 - kubická plošne centrovaná (planimetrická) mriežka má koordinačné číslo K12.

Základnú mriežku tvorí 14 atómov (pozri obr.1.2). Kovy kryštalizujúce v tejto sústave sú veľmi dobre tvárne za tepla i za studena.

Obr.1.3 Uloženie atómov v tetragonálnej mriežke

T8 - tetragonálna objemovo centrovaná mriežka má koordinačné číslo T8 a základná mriežka je tvorená 9 atómami (obr. 1.3). Tetragonálna mriežka môže vzniknúť i deformáciou kubickej mriežky. Pomer c/a je stupeň tetragonality

H12 - hexagonálna mriežka s tesným usporiadaním má koordinačné číslo H12 a základnú mriežku tvorí 17 atómov (obr.1.4). Kovy s jednoduchou hexagonálnou mriežkou majú základnú mriežku tvorenú 14 atómami. Chýbajú tri atómy v strede výšky c.

Ideálny pomer c : a v hexagonálnej mriežke H12 je 1,633, ale môže byť aj väčší alebo menší, napr. Be (1,56), Zr (1,85). Najvyššia hodnota c : a bola zistená u Cd (1,8859). Vzhľadom k


6

obmedzenému počtu sklzných systémov, kovy s hexagonálnou mriežkou majú tiež zníženú tvárnosť za studena. Obr.1.4 Uloženie atómov v hexagonálnej mriežke s tesným usporiadaním

Kryštálové mriežky sú charakterizované: a) Parametrom mriežky ao (bo co) -

vzdialenosť medzi stredmi atómov v mriežke.

b) Koordinačným číslom (K, T, H) - počet atómov rovnakej a pritom najmenšej

vzdialenosti od určitého atómu. c) Elementárnou bunkou - počet atómov,

ktorý pri svojom opakovanom ukladaní v priestore vytvorí daný typ mriežky.

(počet atómov v mriežke)x(objem atómu) d) Faktorom plnenia = –––––––––––––––––––––––––––––––––– objem mriežky Pri popise kryštalickej mriežky je potrebné poznať roviny a smery usporiadania atómov. Tieto sú dôležité pre určovanie orientácie kryštálu. V rôznych smeroch elementárnej kryštalickej bunky nie je rovnaká hustota uloženia jednotlivých atómov. Z toho vyplývajú aj dôsledky z hľadiska fyzikálnych a mechanických vlastností. Monokryštál, ktorý je vytvorený spravidla rovnako orientovanými elementárnymi kryštalickými bunkami má v rôznych smeroch i rôzne vlastnosti. Teda je z hľadiska vlastností anizitrópny. Polykryštalický materiál, ktorý sa skladá z viacerých rôzne orientovaných kryštálov (zŕn), má v konečnom dôsledku vďaka rôznej orientácii skoro rovnaké vlastnosti v rôznych smeroch. Takto sa nám javí polykryštalický materiál izotrópny. Hovoríme, že polykraštalický materiál je kváziizotrópny (kvázi z lat. približne). K označovaniu rovín a smerov používame Millerove indexy. Pri určovaní tej - ktorej roviny je potrebné vedieť úseky, ktoré rovina vytína na osových súradniciach (a = 1, b = 1, c = 1, pozri obr.1.5). Millerove indexy roviny kubických mriežok (h, k, l) a pri hexagonálnych mriežkach (h, k, i, l), pričom i = -(h + k), sú recipročné hodnoty dĺžok úsekov prevedených na najmenšie celé čísla (obr. 1.5 (111)). Indexy dávame do okrúhlych zátvoriek, kým indexy v

zloženej zátvorke {h, k, l} znamenajú systém rovín a jedná sa o roviny navzájom ekvivalentné. Napr. v kubickej sústave systém rovín {100} zahrňuje roviny (100) + (001) + (010) + (100) + ( 001) + ( 010). Kryštalografické smery označujú indexy v hranatých zátvorkách [u v w] pre kubickú sústavu mriežok a [u v z w], pričom z = -(u + v) pre hexagonálnu mriežku. Indexy

Obr.1.5 Millerove indexy


7

smerov sú vlastne súradnicami bodu P (obr.1.5), ktorý leží na spojnici s počiatkom súradnicového systému. Kryštalografický smer je získaná spojnica.Na rozdiel od indexov rovín sa nejedná o recipročné hodnoty úsekov. V kubickej sústave platí, že kryštalografický smer je kolmý na kryštalografickú rovinu s rovnakým indexom, napr. smer [111] je kolmý na rovinu (111). Smery <110> tvoria súhrn ekvivalentných smerov podobne ako to bolo pri rovinách. Ideálny kryštál je možné získať veľmi obtiažne a to len v podobe fúz. Reálne kryštály kovov majú poruchy z ktorých sú najvýznamnejšie štrukturálne poruchy. Štrukturálne poruchy kryštalickej stavby kovov delíme na

bodové (obr.1.6), čiarové (obr.1.7), plošné (obr.1.8) a priestorové (obr.1.9).

Obr.1.6 Bodové poruchy a - vakancie, b - interstície, c - Frenkelova porucha

Obr.1.7 Čiarové poruchy - dislokácie v mriežke K12. a - hranová, b - skrutková

Obr.1.8 Plošné poruchy, a - chyba vrstvenia v mriežke K8, b - hranica subzŕn, c - hranica zrna


8

Obr.1.9 Priestorové poruchy - fázové rozhranie, a - koherentné, b - semikoherentné, c -

nekoherentné

Na obr.1.10 je znázornená hranová dislokácia o dĺžke dislokačnej čiary L. Veľkosť a smer Burgersovho vektora b stanovíme pomocou Burgersovej slučky, ktorá začína v bode Z a končí v bode K. Burgersov vektor uzatvára slučku a je orientovaný od bodu K do bodu Z.

Obr.1.10 Hranová dislokácia

Otázky:

1. Čo je Burgersov vektor ? 2. Aké bodové poruchy poznáte ? 3. Ako delíme štrukturálne poruchy kryštalickej stavby kovov ? 4. Aké koordinačné číslo má kubická objemovo centrovaná - stereocentrická mriežka ? 5. V akej podobe môžeme získať ideálny kryštál ? 6. Čo je koordinačným číslo ? 7. Čím je charakteristický monokryštál ? 8. Kovy ktorej mriežky sú veľmi dobre tvárne ? 9. Vymenujte spoločné znaky kovov. 10. Nakreslite vakanciu v mriežke.


9

KRYŠTALICKÁ STAVBA KOVOV

Referát č.1

Ročník: Študijná skupina:

Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov:

Dátum:

Zadanie: 1.Nakreslite schematický kubicky priestorovo centrovanú mriežku. V mriežke znázornite nasledovné kryštalografické roviny: (102), ( ), ( ) a smery [102], [ ], [ ]. Napíšte K....mriežky. 2. Nakreslite schematický kubicky plošne centrovanú mriežku. V mriežke znázornite nasledovné kryštalografické roviny: (102), ( ), ( ) a smery [102], [ ], [ ]. Napíšte K....mriežky.

téma 2 Štúdium makroštruktúry kovov

TÉMA 2

ŠTÚDIUM MAKROŠTRUKTÚRY KOVOV

2.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je získať základné poznatky o makroštruktúre kovových materiálov a metódach jej hodnotenia. 2.2 Základné teoretické poznatky Makroskopické štúdium štruktúry sa realizuje voľným okom, lupou alebo makroskopom pri zväčšení do 50x. Makroskopickým štúdiom môžeme zisťovať: - makroskopické chyby polotovarov a výrobkov (necelistvosti materiálu), - chemickú nerovnorodosť polotovarov a výrobkov, - makroštruktúru ingotov, polotovarov a výrobkov, - charakter porušenia strojných častí a pod.

Chyba je odchýlka polotovaru alebo výrobku od ich predpísaných vlastností. Z hľadiska materiálu sú to hlavne necelistvosti – porušenie súvislosti výrobku (trhliny, vločky, stiahnutiny a pod.). Trhliny vznikajú v dôsledku pnutí vyvolaných zmenou objemu kovu, zmenou teploty, deformáciou, nízkou plasticitou kovu, prekryštalizáciou a pod. Vločky sú plošné trhliny zapríčinené vnútornými pnutiami a vodíkom. Stiahnutina vzniká v dôsledku zmenšenia objemu kovu pri tuhnutí.

Príčinou vzniku chemickej nerovnorodosti polotovarov a výrobkov je makrosegregácia. Pri kryštalizácii vznikajú v polovýrobku oblasti so zvýšeným obsahom niektorých prvkov (P, S, C, ale aj iných prvkov). Pri valcovaní sa usmerňujú v smere valcovania a vzniká riadková (vláknitá) štruktúra. Niektoré polovýrobky a výrobky (odliatky, zvárence, povrchovo upravené výrobky a pod.) majú v určitých oblastiach (povrch, stred a pod.) odlišnú štruktúru čo do veľkosti zrna, orientácie, rozdielnosti fáz, chemického zloženia a pod.). Tieto rozdielnosti tvoria makroštruktúru polovýrobku alebo výrobku.

Fraktografia je náuka o štruktúre lomových plôch a pozorovaním okom alebo lupou (cca 10x zv.) zisťujeme makromorfológiu lomovej plochy. Pre makroskopické pozorovanie (okrem pozorovania lomov) sa urobí výbrus celej časti alebo z nej odobranej vzorky. Niekedy postačuje len hrubé opracovanie, ale najčastejšie sa vzorky brúsia. Pre štúdium chemickej nestejnorodosti a makroštruktúry sa vzorky ešte leštia a leptajú. Pri posudzovaní charakteru porušenia stanovíme typ lomu a pod. Podrobnejšie táto problematika bude preberaná v kapitole skúšania kovov.

Necelistvosti môžeme zisťovať na brúsenom, resp. leštenom povrchu. Niekedy sa necelistvosti zanesú splodinami brúsenia (leštenia) a nie sú voľným okom viditeľné, a preto sa povrch leptá. Vzorku vybrúsime a naleptáme (napr. roztokom HCl). Na obr.2.1 je makrosnímka prierezu rúrky, s trhlinou po celej hrúbke steny rúrky. Trhlina vznikla v mieste privarenia rúrky k výstuhe.

10


Obr.2.2 Baumannov odtlačok prierezu koľajnice Obr.2.1 Trhlina vo zvarovom spoji

Chemickú nerovnorodosť môžeme zistiť leptaním (roztok HNO3) alebo Baumanovým odtlačkom. V oceliach je síra výrazne škodlivým prvkom. Preto ako príklad opíšeme stanovenie rozloženia síry v priereze koľajnice (obr.2.2). Príprava Baumannovho odtlačku je založená na chemickej reakcii medzi sírou prítomnou v materiáli na ploche výbrusu a medzi citlivou vrstvou fotografického papiera. Postup prípravy Baumanovho odtlačku je nasledujúci: - Povrch, z ktorého chceme získať odtlačok, brúsime najprv na hrubších potom na

jemnejších brusných papieroch, až kým nedosiahneme požadovanú kvalitu povrchu. - Takto pripravený povrch očistíme od nečistôt vatou namočenou v alkohole a osušíme. - Fotografický papier namočíme do 5 %-ného roztoku H2SO4 (pri dennom svetle) po dobu

5-10 minút. Po tejto dobe fotografický papier vyberieme z roztoku a nadbytočnú vlhkosť odsajeme priložením filtračného papiera.

- Na fotocitlivú stranu takto pripraveného papiera pritlačíme vzorku na dobu 1-2 min. - Po tejto dobe papier vyperieme v prúde vody a necháme v ustaľovači cca 10 min. Po

vypláchnutí vo vode (cca 30 min.) papier osušíme. Na papieri môžeme po tomto postupe sledovať tmavé škvrny, ktorých rozloženie dokumentuje rozloženie síry na povrchu vzorky. Tieto tmavé škvrny vznikajú reakciou sírnikov FeS a MnS (v ktorých je viazaná síra v oceli) a kyselinou sírovou:

FeS + H2SO4 = FeS04 + HSS MnS + H2SO4 = MnS04 + H2S

H2S pôsobí na emulziu fotografického papiera: 2 AgBr + H2S = 2 HBr + Ag2S a Ag2S na fotografickom papieri sa prejavuje vo forme tmavých škvŕn – pásov (obr.2.2).

Pri pozorovaní makroštruktúry vzorky, resp. súčiastky volíme najčastejšie tento postup: - Vzorku brúsime na hrubších, potom na jemnejších brúsnych papieroch. - Povrch vzorky očistíme opláchnutím vo vode, v metylalkohole a osušíme.

11


- Povrch vzorky namočíme do leptadla na dobu cca 5-10 minút. Ako leptadlo môžeme použiť zriedenú HCl, nital (2 %-ný roztok HNO3 v metylalkohole), 10-15 % vodný roztok persíranu amónneho.

- Po vybratí z leptadla povrch vzorky dôkladne opláchneme destilovanou vodou a metylalkoholom, nakoniec osušíme fénom.

Na obr.2.3 je makro snímka priečneho rezu zvarového spoja. Z makroštruktúry zvarového spoja vyplýva, že má tri oblasti: a - oblasť zvarového kovu, b - tepelne ovplyvnenú oblasť, c -základný materiál. Ďalej môžeme zmerať šírku tepelne ovplyvnenej zóny (cca 3 mm), ako aj posúdiť kresbu zvarového spoja. Okrem koreňa (1) bol zvar zhotovený dvoma húsenicami (2, 3). Vo zvare je trhlina (4) a základný materiál vykazuje v strede silnú segregáciu (5).

Obr.2.3 Makroštruktúra zvarového spoja

Otázky:

1. Ako sa realizuje makroskopické pozorovanie ? 2. Čo môžeme zistiť makroskopickým pozorovaním ? 3. Čo je chyba ? 4. Čo je príčinou vzniku chemickej nerovnorodosti polotovarov a výrobkov ? 5. Čo je fraktografia ? 6. Ako môžeme zistiť chemickú nerovnorodosť výrobkov ? 7. Aké oblasti môžeme pozorovať na makroštruktúre zvarového spoja ? 8. Napíšte skrátený postup prípravy Baumannovho odtlačku. 9. Aký postup volíme pri pozorovaní makroštruktúry vzorky ? 10. Na akej chemickej reakcii je založená príprava Baumannovho odtlačku ?

12

2

1

4 5

a b c 3


ŠTÚDIUM MAKROŠTRUKTÚRY KOVOV

Referát č.2 Ročník: Študijná

skupina: Meno študenta: Hodnotil:

Počet bodov:

Dátum:

Zadanie: 1. Stanovte makroskopické rozloženie síry v oceľovej vzorke pomocou Baumannovho odtlačku. 2. Metódou hlbokého leptania pripravte zvarový spoj, nakreslite ho, popíšte jednotlivé oblasti zvarového spoja.

Úloha 1

Úloha 2

Opis zvaru:

1. Zvar tupý, kútový. 2. Úprava hrán, X, V, Y, U. 3. Zváral automat, človek ? 4. Z koľkých strán bolo zvárané...... 5. Koľko je húseniek ? 6. Šírka TOO .............mm 7. Chyby vo zvare.................................................

13

téma 3 Mikroskopické štúdium štruktúry kovov

14

TÉMA 3

ŠTÚDIUM MIKROŠTRUKTÚRY KOVOV 3.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je pozorovať základné typy mikroštruktúr, tieto definovať a osvojiť si metodiku mikroskopickej analýzy. 3.2 Základné teoretické poznatky

Štruktúrnu stavbu kovov pozorujeme na vzorkách, resp. replikách pomocou svetelného alebo elektrónového mikroskopu. Vzorku pre pozorovanie štruktúry svetelným mikroskopom nazývame výbrusom, ktorého príprava vyžaduje nasledujúce operácie: − Odoberanie vzorky – treba urobiť tak, aby vzorka reprezentovala ten objem, tú časť

materiálu alebo výrobku, ktorú chceme skúmať. − Úprava vzorky – odobratú vzorku pre lepšiu manipuláciu spravidla zalejeme alebo

zalisujeme do umelej hmoty (dentakryl). − Brúsenie – zaliatu vzorku brúsime starostlivo na brúsnych papieroch rôznej zrnitosti

postupne od hrubšieho k jemnejšiemu zrnu. Pri prechode na jemnejšie zrno vzorku opláchneme a otočíme o 90°.

− Leštenie – robíme na odstránenie rýh po brúsení, spravidla na tkaninou potiahnutých kotúčoch za prídavku suspenzie leštiaceho prášku (suspenzia Al2O3, Cr2O3, MgO atď.).

− Vyvolanie štruktúry – robíme leptaním. Najčastejšie používame chemické leptanie. Najbežnejším používaným leptadlom pre ocele a liatiny je nital (2 % roztok HNO3 v etylalkohole).

Obr.3.1 Rôzne naleptanie jednotlivých štruktu -rálnych zložiek, šípky

Obr.3.2 Naleptanie hraníc zŕn kovu

Obr.3.3 Plošné leptanie

– smer dopadu svetla

Leptanie je vyvolanie štruktúry materiálu pôsobením vhodného chemického činidla. Chemické leptanie spočíva v pôsobení chemických roztokov na vhodne pripravený povrch vzorky. Ich pôsobením na povrchu vzorky dochádza buď k vzniku reliéfu vplyvom rôznej rozpustnosti jednotlivých štrukturálnych zložiek (obr.3.1), buď k intenzívnejšiemu rozpúšťaniu kovu v oblasti hraníc zŕn (obr.3.2), alebo k rôznemu sfarbeniu plôch tzv. plošným leptaním (obr.3.3). Týmto postupom pripravujeme aj vzorku pre pozorovanie štruktúry riadkovacím elektrónovým mikroskopom. Štruktúrnu stavbu materiálu pomocou transmisného


15

elektrónového mikroskopu pozorujeme na veľmi tenkých fóliách, ktorých príprava pozostáva z vyrezania čo najtenšieho plátku zo vzorky, nasleduje jej mechanické a elektro - chemické stenčovanie na hrúbku rádovo stovky nm, alebo na uhlíkových replikách (odtlačkoch) stiahnutých z povrchu vzorky. Pripravené vzorky (preparáty) pozorujeme mikroskopmi, a to buď metalografickým, alebo elektrónovým. Metalografický mikroskop je svetelný mikroskop, ktorého konštrukcia je založená na zákonoch svetelnej optiky. Zobrazenie sa realizuje sústavou šošoviek. Na obr. 3.4 je uvedená zjednodušená schéma zobrazenia na metalografickom mikroskope.

Pozorovaný predmet AB sa umiestni medzi dvojnásobnú ohniskovú vzdialenosť a ohnisko objektívu. Objektív vytvorí obraz zväčšený, skutočný, prevrátený A´B´. Tento obraz je umiestnený medzi ohniskom a hlavnou rovinou okuláru. Okulár má funkciu lupy, to znamená, že vytvorí jeho zväčšený neskutočný priamy obraz A´´B´´, ktorý pozorujeme naším okom. Číselné zväčšenie metalografického mikroskopu vypočítame ako súčin zväčšenia objektívu a okulára:

Z = Zobj . Zokul

Obr.3.4 Schéma zobrazenia na metalografickom mikroskope Vo všeobecnosti svetelným mikroskopom môžeme dosiahnuť skutočné zväčšenie maximálne 2000x. Na obr.3.5 až obr.3.6 sú dokumentované mikrosnímky štruktúry vzoriek získaných na optickom mikroskope.

Obr.3.5 Mikroštruktúra – metalografický mikroskop, zv. 500x

Obr.3.6 Mikroštruktúra – metalografický mikroskop zv. 300x


16

Mikroštruktúru kovových materiálov z hľadiska ich vzniku môžeme zatriediť do dvoch skupín: 1. primárne štruktúry, 2. sekundárne štruktúry Primárna štruktúra vzniká ako výsledok kryštalizačného procesu pri tuhnutí kovu alebo zliatiny z tekutej fázy. Charakteristickým znakom primárnej štruktúry sú stromčekové útvary v mikroštruktúre – tzv. dendrity (obr.3.7).

Obr.3.7 Primárna dendritická štruktúra, zv. 300x

Obr.3.8 Homogénna polyedrická štruktúra, zv. 100x

Sekundárna štruktúra sa vytvára pri ďalšom technologickom procese spracovania kovov, a to najmä po tvárnení, tepelnom spracovaní a pod., kde dochádza ku prekryštalizácii a rekryštalizácii. Sekundárne štruktúry môžu byť homogénne – t. j. obsahujú len jednu štrukturálnu zložku tvorenú jednou fázou (obr.3.8) alebo heterogénne – vyznačujú sa dvoma alebo viacerými štrukturálnymi zložkami a fázami. Hlavné typy heterogénnych štruktúr sú:1. zmiešaná štruktúra (obr.3.9) 2. ostrovková štruktúra (obr.3.10) 3. sieťová štruktúra (obr.3.11)

4. ihlicovitá štruktúra (obr.3.12) 5. riadkovitá štruktúra (obr.3.13) 6. globulárna štruktúra (obr.3.14)

Postup prác pri metalografickom pozorovaní vzoriek: Analyzovanú vzorku uložíme do držiaka metalografického mikroskopu, tento zapneme a nastavíme zväčšenie a zaostríme, aby sme zreteľne v okulári videli mikroštruktúru. Obvyklý postup je dobrý, že začíname od malého zväčšenia (napr. 50x), aby sme pozorovali väčšiu plochu vzorky a potom zväčšenia zvyšujeme, podľa typu štruktúry, aby sme mohli analyzovať požadované charakteristiky štruktúry. V okulári mikroskopu vidíme napr. štruktúru znázornenú na obr.3.9. Túto schematicky nakreslime (v skutočnosti sa fotografuje) s udaním zväčšenia (zv. 200x). Mikroštruktúru na obr.3.9 môžeme takto charakterizovať. Štruktúra je polyedrická (mnohosten), čiže ide o štruktúru sekundárnu. Štruktúra je tvorená dvoma štruktúrnymi zložkami (zrnami) ohraničenými hranicami. Svetlé zrná sú homogénne – čiže sú tvorené jednou fázou. Tmavé zrná nie sú homogénne – majú svetlejšie a tmavšie útvary, a preto treba predpokladať, že môžu byť tvorené dvoma alebo viacerými fázami – čiže môžu byť mechanickou zmesou. Pre presnejšiu analýzu by bolo potrebné tmavé zrná pozorovať pri väčšom zväčšení alebo na elektrónových mikroskopoch, ktoré majú vyššiu rozlišovaciu schopnosť.


17

3.4 Pomôcky Fotografie rôznych typov mikroštruktúr

Obr.3.9 Zmiešaná štruktúra, lamelárna zv. 200x

Obr.3.11 Sieťová štruktúra, zv. 200x

Obr.3.13 Riadkovitá štruktúra, zv. 200x

Obr.3.10 Ostrovková štruktúra, zv. 100x

Obr.3.12 Ihlicovitá štruktúra, zv. 500x Obr.3.14 Globulárna štruktúra, zv. 500x


18

Otázky:

1. Definujte leptanie. 2. Ako vzniká primárna štruktúra ? 3. Ako sa vytvára sekundárna štruktúra ? 4. Vymenujte hlavné typy heterogénnych štruktúr. 5. Nakreslite homogénnu polyedrickú štruktúru. 6. Aké maximálne zväčšenie môžeme dosiahnuť svetelným mikroskopom ? 7. Definujte dendrit. 8. Aký je rozdiel medzi homogénnou a heterogénnou štruktúrou ? 9. Ako delíme mikroštruktúry kovových materiálov z hľadiska ich vzniku ? 10. Ako vypočítame číselné zväčšenie metalografického mikroskopu ?

MIKROSKOPICKÉ ŠTÚDIUM ŠTRUKTÚTY KOVOV Referát č.3

Ročník: Študijná


Počet bodov:

Dátum:

Zadanie: 1. Na základe pozorovania na metalografickom mikroskope, určite typ štruktúry. Štruktúru nakreslite.

Vypočítajte zväčšenie optického mikroskopu pri pozorovaní.

Typ štruktúry: ............................................................................................................... ...............................................................................................................

Zv = Zvobj. x Zvokul.

Leptadlo:............. Zv:............


2. Nakreslite mikroštruktúru na fotografii a určite jej typ.

19

Leptadlo:...................... Zv:................

Typ štruktúry: ........................................................................................................................................................................................................................................

téma 4 Štúdium subštruktúry a vnútornej stavby kovov

TÉMA 4

ŠTÚDIUM SUBŠTRUKTÚRY A VNÚTORNEJ STAVBY KOVOV

4.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je zoznámiť sa s možnosťou štúdia subštruktúr pomocou elektrónových mikroskopov.


K pozorovaniu štruktúry materiálu elektrónovým mikroskopom pristupujeme vedy, ak svetelný mikroskop nie je schopný splniť naše nároky pri skúmaní detailov. Tento prípad nastáva vtedy, ak nám nepostačuje rozlišovacia schopnosť a hĺbka ostrosti svetelného mikroskopu. Pod pojmom subštruktúry rozumieme také útvary vnútornej stavby tuhých látok, teda aj kovov, ktoré nemožno rozlíšiť svetelným mikroskopom. Ide predovšetkým o mriežkové poruchy, najmä dislokácie, jemné častice sekundárnych fáz, detaily v štruktúre vnútorných povrchov a pod. Subštrukrúra rozhodujúcim spôsobom ovplyvňuje mechanické vlastnosti kovových materiálov .

V elektrónových mikroskopoch sa využívajú vlnové a korpuskulárne vlastnosti elektrónového zväzku, ktoré umožňujú získať u týchto mikroskopov vysokú rozlišovaciu schopnosť a hĺbku ostrosti.

Hĺbkou ostrosti rozumieme tú vzdialenosť krajných polôh umiestnenia predmetu pred objektívom, kde je predmet zobrazený s daným stupňom neostrosti.

Rozdelenie elektrónových mikroskopov:

1. transmisný

2. odrazový

3. emisný (rastrovací, [riadkovací] elektrónový mikroskop)

TRANSMISNÝ ELEKTÓNOVÝ MIKROSKOP Optická sústava transmisného

elektrónového mikroskopu sa skladá z osvetľovacej a zobrazovanej časti. Zväzok elektrónov, koncentrovaný osvetľovacou časťou mikroskopu do roviny vzorky prechádza ňou a v zobrazovanom systéme vytvára silne zväčšený obraz. V elektrónovom mikroskope úlohu šošoviek, t.j. zmenu elektrónových zväzkov vykonávajú cievky, ktoré vytvárajú rotačné symetrické magnetické pole. Napr.

a b Obr.4.1 a, Schéma funkcie transmisného elektrónového mikroskopu, b, transmisný elektrónový mikroskop.

20


zmenou budiaceho prúdu projektorových šošoviek môžeme dosiahnuť rôzny stupeň zväčšenia, u objektívu zaostrenia. Pri optimálnom urýchľovacom napätí 100 - 200kV je zaručená rozlišovacia schopnosť 0,1 - 0,3 nm. Priame maximálne zväčšenie je 300 000x. RASTROVACI ELEKTÓNOVÝ MIKROSKOP

Rastrovaci elektrónový mikroskop (obr. 4.2) využíva sekundárne emitované elektróny pri dopade elektrónového zväzku na vzorku. Elektrónový zväzok v tomto mikroskope sa pohybuje v riadku na povrchu vzorky ako pri vytvorení obrazu v televíznej technike. Možno pritom dosiahnuť zväčšenie 10x - 10 000x. Rastrovaci mikroskop sa hodí na pozorovanie členitých povrchov napr. lomových plôch.

Obr.4.2 Rastrovací elektrónový mikroskop Preparáty používané v transmisnej elektrónovej mikroskopii: preparáty- 1. na priame pozorovanie a, ultratenké rezy b, tenké fólie 2. na nepriame pozorovanie a, repliky Základné požiadavky kladené na preparáty:

- musí v potrebnej miere prepúšťať elektrónový zväzok - optimálna hrúbka preparátov je 5 – 30 nm - musí mať dostatočnú mechanickú pevnosť - musí byť dostatočne chemicky a štrukturálne stály, odolný voči vákuu, voči účinkom

ionizácii elektrónového zväzku

Obr.4.4 Fotografia z rastrovacieho mikroskopu, lomová plocha, 1600x

Obr.4.3 Fotografia z rastrovacieho mikroskopu, lomová plocha, 400x

21


Otázky:

1. Definujte pojem subštruktúry. 2. Aké jerozdelenie elektrónových mikroskopov ? 3. Definujte hĺbku ostrosti. 4. Optická sústava transmisného elektrónového mikroskopu sa skladá z ? 5. Vymenujte preparáty používané v transmisnej elektrónovej mikroskopii. 6. Základné požiadavky kladené na preparáty. 7. V elektrónovom mikroskope úlohu šošoviek vykonávajú. 8. Aké maximálne zväčšenie môžeme dosiahnuť rastrovacím elektrónovým

mikroskopom ? 9. Čo je výhodné pozorovať rastrovacím elektrónovým mikroskopom ? 10. Aké je priame maximálne zväčšenie transmisného elektónového mikroskopu ?

ŠTÚDIUM SUBŠTRUKTÚRY A VNÚTORNEJ STAVBY KOVOV

Referát č.4



Počet bodov:

Dátum:

Zadanie:

1. Rozhodnite, ktorá z fotografii je fotografiou:

- makroštruktúry

- mikroštruktúry

- subštruktúry – uhlíková replika

- subštruktúry - tenká fólia

- snímka z rastrovacieho elektrónového mikroskopu

Obr.4.5 Fotografia z transmisného elektrónového mikroskopu, dislokácie

Obr.4.6 Fotografia z transmisného elektrónového mikroskopu, precipitáty

22

téma 5 Termická analýza, konštrukcia rovnovážnych diagramov zliatin

23

TÉMA 5

TERMICKÁ ANALÝZA, KONŠTRUKCIA ROVNOVÁŽNYCH DIAGRAMOV ZLIATIN

5.1 Cieľ

Vysvetliť a prakticky overiť princípy kryštalizácie zliatin, rovnováhu koexistencie fáz, zostrojovanie rovnovážnych diagramov a ich využitie v praxi. 5.2 Základné teoretické poznatky

Kryštalizácia taveniny čistého kovu sa uskutoční vtedy, keď teplota taveniny klesne pod teplotu Tt . Ak budeme sledovať zmenu teploty v závislosti od času pri konštantnom odvode množstva tepla z objemu kovu, získame krivku ochladzovania (tuhnutia) znázornenú na obr. 5.1. Z krivky ochladzovania vyplýva, že čistý kov kryštalizuje pri konštantnej teplote

(úsečka 1 3 , obr.5.1), čiže na krivke ochladzovania máme zadržanú čiaru. Je to spôsobené tým, že pri kryštalizácii sa uvoľňuje latentné teplo tuhnutia, ktoré kryje odvádzané množstvo

tepla. Kryštalizáciu zliatin študujeme pomocou rovnovážnych diagramov. Zobrazujeme ich v súradniciach teplota - zloženie (koncentrácia prvkov), najčastejšie pomocou termickej analýzy. Pomocou nej urobíme dostatočné množstvo kriviek ochladzovania vhodne volených zliatin. Z polohy zlomov alebo zadrží na čiarach kriviek ochladzovania je možné odčítať teploty začiatku a konca premien prebiehajúcich v zliatinách (obr.5.2a). Vynesením a spojením teplôt začiatku kryštalizácie do diagramu v súradniciach teplota –

Obr.5.1 Krivka tuhnutia taveniny a schematické znázornenie postupu tuhnutia objemu taveniny.

a b Obr.5.2 Rovnovážny diagram dvoch zložiek A,B dokonale rozpustných : a- krivky ochladzovania, b – rovnovážny diagram kovov A + B

téma 5 Termická analýza, konštrukcia rovnovážnych diagramov zliatin

24

zloženie, získame čiaru likvidus, nad ktorou je tavenina. Spojením bodov, pri ktorých sa skončilo tuhnutie (kryštalizácia), dostaneme čiaru solidus, pod ktorou je len tuhá látka. Medzi čiarami solidus a likvidus vedľa seba existuje tekutá aj tuhá látka (obr.5.2b). A, B sú zložky (komponenty), z ktorých sa zliatina skladá, v sústave na obr.5.2 sú to čisté kovy. Pri opise rovnovážnych diagramov treba poznať základné pojmy: Zložka (komponenta) - je to chemicky stála látka, ktorá sa v procese kryštalizácie nemení.

Môže to byť čistý kov, alebo chemická zlúčenina. V diagrame na obr.5.2 je to kov A a kov B.

Fáza - je to homogénna časť sústavy oddelená rozhraním, na ktorom sa vlastnosti skokovite menia. Fáza môže v priebehu kryštalizácie vznikať a zanikať a meniť svoje zloženie. V diagrame na obr.5.2 je to tavenina, tuhý roztok α (atómy kovu B sa rozpúšťajú v mriežke kovu A) a čistý kov B.

Štruktúrna zložka - je to útvar (kryštál) ohraničený hranicami. V diagrame na obr.5.2 štruktúrne zložky tvoria α, B a E. E je eutektikum, mechanická zmes (α + B).

Rovnovážne diagramy binárnych kovových sústav je možné rozdeliť do niekoľkých základných typov a to z hľadiska rozpustnosti zložiek v tekutom a tuhom stave: 1. s úplnou rozpustnosťou zložiek v tekutom a tuhom stave (obr.5.3a), 2. s úplnou rozpustnosťou zložiek v tekutom stave a s obmedzenou rozpustnosťou v tuhom

stave (obr.5.3b), 3. s úplnou, alebo obmedzenou rozpustnosťou zložiek v tekutom stave (obr.5.3c), 4. s rôznymi intermediárnymi fázami (obr.5.3d)

Jednotlivé typy rovnovážnych diagramov v obecnom ponímaní sú nakreslené na obr.5.3. Technické zliatiny majú často zložité rovnovážne diagramy, ktoré je však možno odvodiť zo základných typov diagramov. Z diagramov na obr.5.3 vyplýva jedno mechanické pravidlo, ktoré môžeme využiť ako pomôcku pri popise diagramov. Ak sú zložky dokonale nerozpustné v tekutom, alebo v tuhom stave, tak čiary likvidus alebo solidus sú priamky

Obr.5.3 Rovnovážne diagramy dvoch zložiek: a - dokonale rozpustných v tekutom aj v tuhom stave, b - dokonale rozpustné v tekutom a obmedzene rozpustné v tuhom stave, c - dokonale nerozpustné v tekutom aj v tuhom stave, d - dokonale rozpustné v tekutom a nerozpustné v tuhom stave so vznikom intermediárnej fázy A B

téma 5 Termická analýza, konštrukcie rovnovážnych diagramov zliatin

25

rovnobežné s osou koncentrácie, ak sú dokonale rozpustné, tak sú to krivky, ak obmedzene rozpustné, tak kombinácia krivky a priamky. Otázky:

1. Definujte čiaru solidus. 2. Definujte čiaru likvidus. 3. Kryštalizáciu zliatin študujeme pomocou. 4. Čo je fáza ? 5. Čo je zložka (komponenta) ?. 6. Nakreslite krivku ochladzovania čistého kovu. 7. Ak sú zložky dokonale nerozpustné v tekutom, aj v tuhom stave, tak čiary likvidus a

solidus sú. 8. Ak sú zložky dokonale rozpustné v tekutom, aj v tuhom stave, tak čiary likvidus a

solidus sú. 9. Nakreslite tvar diagramu ak sú komponenty dokonale rozpustné v tekutom aj tuhom

stave. 10. Nakreslite tvar diagramu ak sú komponenty dokonale nerozpustné v tekutom aj tuhom

stave.

TERMICKÁ ANALÝZA, KONŠTRUKCIA ROVNOVÁŽNYCH DIAGRAMOV ZLIATIN

Referát č.5

Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov:

Dátum:

Zadanie: 1. Na základe údajov z termickej analýzy na sústave Zn – Sn, nakreslite a popíšte krivku ochladzovania

zadanej zliatiny v súradniciach T [°C] – t [s]. 2. Z kriviek ochladzovania odčítajte teploty začiatku T1 [°C] a konca T2 [ °C] kryštalizácie. Dĺžku

eutektickej kryštalizácie ∆tE. Hodnoty zapíšte do tabuľky. 3. Z údajov v tabuľke zostrojte BRD Zn – Sn aj s Tamannovým trojuholníkom a opíšte ho. 4. Nakreslite a popíšte štruktúry uvedených typov zliatin pri teplote okolia.

Tabuľka

zliatina 100 [%] Zn 75 [%]Zn 25 [%]Sn

50 [%]Zn 50 [%]Sn

25 [%]Zn 75 [%]Sn

8 [%]Zn 92 [%]Sn

100 [%]Sn

T1 [°C]

T2 [°C]

∆tE [min] ––––––––––– –––––––––––


26

Úloha 1


27

Úloha 3

Úloha 4 100 % Zn 75 % Zn 50 % Zn 25 % Zn 8 % Zn 100 % Sn 25 % Sn 50 % Sn 75 % Sn 92 % Sn

téma 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav

28

TÉMA 6

ŠTÚDIUM ROVNOVÁŽNYCH DIAGRAMOV KOVOVÝCH SÚSTAV

6.1 Cieľ:

Rozborom rovnovážnych diagramov získať vedomosti o vnútornej stavbe zliatin a tým

aj očakávaných vlastnostiach zliatin a o využití týchto diagramov v technológii výroby strojných častí. 6.2 Základné teoretické poznatky

Táto téma si vyžaduje hlbšie štúdium problematiky, ktoré je možné získať na prednáške a štúdiom predpísanej literatúry. Základ štúdia rovnovážnych diagramov bol prebraný v téme 5 a preto uvedieme len základné zákony kryštalizácie. Gibbsov zákon fáz pri konštantnom tlaku v sústave, nám udáva počet stupňov voľnosti sústavy

v k f= + −1 kde: v - je stupeň voľnosti, k - počet zložiek (komponent), f - počet fáz.

Obr.6.1 Rovnovážny diagram kovov A a B v tekutom stave dokonale rozpustných a v tuhom stave jednostranne obmedzene rozpustných, pričom táto rozpustnosť sa s teplotou mení

BII BII

α→BII II

a, b,


29

Pákové pravidlo nám udáva kvantitatívne pomery pri kryštalizácii a aj pri fázových premenách v tuhom stave a) Pomer množstva jednej a druhej fázy pri určitej teplote

QT

Q

XC

XEα=

(viď. obr.6.1); QT - množstvo taveniny; Qα - množstvo tuhého roztoku α. b) Chemické zloženie fáz (viď obr.6.1); bod E´ -udáva chemické zloženie taveniny; bod C´ - tuhého roztoku α. Úloha

1. Popísať rovnovážne diagramy znázornené na obr.6.2 a definovať ich. 2. Definovať zložky (komponenty), fázy a štruktúrne zložky, ktoré sa vyskytujú v

rovnovážnych diagramoch na obr.6.2. 3. Popísať procesy pri kryštalizácii zliatin Z1 až Z16 vyznačených v rovnovážnych

diagramoch na obr.6.2. 4. Stanoviť očakávané pevnostné vlastnosti a teploty odlievania zliatiny Z4

Postup prác Postup riešenia uvedieme na zliatine dvoch kovov (A, B), ktorých rovnovážny diagram je znázornený na obr.6.1. - V tekutom stave sa kovy A a B dokonale rozpúšťajú a vytvárajú taveninu, v ktorej sú

zmiešané atómy kovov A a B. - V tuhom stave sa atómy kovu B rozpúšťajú v mriežke kovu A a vytvárajú tuhý roztok α.

Rozpustnosť atómov kovu B v mriežke kovu A je závislá od teploty a je daná čiarou ACF (obr.6.1a). Maximálne rozpustnosť je pri teplote bodu C. Preto sa môže s taveniny vylučovať len tuhý roztok α a nemôže sa vylúčiť prvok A. Atómy kovu A sa nerozpúšťajú v mriežke kovu B a preto sa môžu z taveniny vylučovať len kryštály čistého kovu B.

- Pri koncentrácii danej bodom E - eutektický bod sa s taveniny budú striedavo vylučovať kryštály α a B, vzniká mechanická zmes - eutektikum (E).

- Rozpustnosť atómov kovu B v mriežke kovu A v tuhom stave sa s klesajúcou teplotou znižuje. Preto sa u zliatin s koncentráciou nižšou ako udáva bod F z tuhého roztoku pri ochladzovaní musia vylučovať kryštály kovu B (segregát, precipitát).

Na základe uvedeného rozboru môžeme charakterizovať tento diagram ako „Rovnovážny diagram dvoch zložiek (komponent) dokonale rozpustných v tekutom stave a jednostranne obmedzene rozpustných v tuhom stave (atómy kovu B sa rozpúšťajú v mriežke kovu A), pričom atómy kovu A sa nerozpúšťajú v kove B“. Pre názornosť sú na obr.6.1 znázornené a popísané krivky ochladzovania niektorých zliatin. Pre úplnosť treba uviesť, že sústava je tvorená zložkami (komponentmi) k = 2 (kov A a kov B) a fázami (f): Tavenina, tuhý roztok α, kov B. Ich počet je rôzny pri rôznych teplotách. Štrukturálne zložky môžu tvoriť: kov B, tuhý roztok α a eutektikum E. Pomerný obsah jednotlivých štrukturálnych zložiek, pri danom chemickom zložení vyplýva z obr.6.1a (Saueursov diagram).


30

Krivku ochladzovania III opíšeme podrobne s aplikáciou zákonov a pravidiel. Do bodu 1 je voľné ochladzovanie taveniny. Stupeň voľnosti sústavy v je:

v k f= − + = − + =1 2 1 1 2 kde k =2 (kov A a B) a f = 1 (len čistá tavenina). Sústava má 2 stupne voľnosti a bez porušenia rovnováhy sústavy môžeme meniť teplotu aj koncentráciu (dôležité pri legovaní zliatiny). Od bodu 1 začína kryštalizácia. Z taveniny sa vylučujú kryštály tuhého roztoku α až do bodu X. Stupeň voľnosti sústavy v intervale teplôt bodov 1 a X bude:

v = − + =2 2 1 1 kde f = 2 (tavenina + tuhý roztok). Sústava má len jeden stupeň voľnosti a teda pri zachovaní rovnováhy sústavy môžeme meniť len teplotu alebo koncentráciu. Množstvo koexistujúcich fáz Q v bode X udáva pákové pravidlo:

QT

Q

CX

XEα=

Chemické zloženie taveniny v bode X je dané bodom E´ a tuhého roztoku α bodom C´. Zvyšná tavenina pri teplote danej bodom X (eutektickej) nadobudla eutektické zloženie dané bodom E a prebehne eutektická reakcia. To znamená, že z jednofázovej tekutej látky sa striedavo vylučuje dvojfázová tuhá látka a to podľa schémy:

( ) ( ) EBTav =+→ α

pričom α má chemické zloženie dané bodom C a kryštály B dané bodom D (čistý kov B). Stupeň voľnosti sústavy v bude:

v = − + =2 3 1 0 lebo f = 3 (tavenina, tuhý roztok α a kryštály kovu B v eutektiku). Pri zachovaní rovnovážneho stavu sústavy nesmie sa meniť ani teplota ani koncentrácia a teda proces kryštalizácie zvyšnej taveniny na eutektikum sa deje pri konštantnej teplote po dobu danú

úsekom XX' (obr.6.1b). Ak sa premení všetka zvyšná tavenina na eutektikum, zanikne jedna fáza (tavenina), môže nastať ochladzovanie tuhej látky tvorenej zrnami α a E (lebo v = 1). Podľa čiary CF v intervale teplôt (X´,2) prebieha vylučovanie fázy B z tuhého roztoku α. Výsledná struktúra bude dvojzložková (α + E). Tuhý roztok α má vždy medzu pevnosti > ako čistý kov. Pevnosť eutektickej zliatiny RmE bude

( )x1.RmBX.RmRmE −+= α

kde: Rmα, RmB je pevnosť tuhého roztoku α, resp. kovu B a x je podiel tuhého roztoku v štruktúre. Ak predpokladáme, že kov A má pevnosť 200 MPa a kov B má pevnosť tiež 200 MPa, tak ich zliatiny budú mať pevnosť > 200 MPa. Príklad pre technológiu Ak chceme zo zliatiny III odliať súčiastku, musíme ju ohriať na teplotu danú bodom 1+ 100°C (obr.6.1a, zliatina III). Ak hotovú súčiastku vyrobenú zo zliatiny II chceme tepelne spracovať (vytvrdiť), musíme ju ohriať nad teplotu danú bodom 3 a rýchlo ochladiť.


31

Obr.6.2 Rovnovážne diagramy zliatin

Z1 Z2 Z3 Z4

Z8 Z91

Z10 Z5 Z6 Z7

Z11 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16

°C °C

A % B A % B

A % B A % B

°C °C

A % B A AmBn % B

°C °C


32

Otázky:

1. Nakreslite BRD dvoch komponent dokonale rozpustných v tekutom aj tuhom stave. 2. Napíšte všeobecný tvar Gibssovho zákona fáz. 3. Nakreslite BRD dvoch komponent dokonale nerozpustných v tekutom aj tuhom stave. 4. V diagrame si zvoľte zliatinu Z1 a nakreslite jej krivku ochladzovania. 5. Nakreslite štruktúru zliatiny Z1 pri teplote okolia. 6. V intervale 1-2 vypočítajte stupne voľnosti. 7. Vyznačte v diagrame krivky solidus a likvidus. 8. Na Z1 si zvoĺte bod X a aplikujte pákové pravidlo. 9. Čo udáva pákové pravidlo ? 10. Vypíšte zložky (komponenty) diagramu.

ŠTÚDIUM ROVNOVÁŽNYCH DIAGRAMOV KOVOVÝCH SÚSTAV

Referát č.6



Dátum:

Zadanie: 1. Nakreslite diagram, určte jeho typ – slovne ho popíšte. 2. Vyznačte v diagrame komponenty, fázy, štruktúrne zložky. 3. Nakreslite krivku ochladzovania zliatiny Z.., opíšte jednotlivé oblasti na krivke ochladzovania. 4. V intervale ................... aplikujte fázové pravidlo a určte stupne voľnosti. 5. Vyznačte v diagrame čiary solidus a likvidus. 6. V bode X aplikujte pákové pravidlo a schematický znázornite štruktúru zliatiny pri teplote okolia. 7. Ak má diagram Tamannov (é) trojuholník(ky), vyznačte ho (ich) v diagrame.


33

téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov

34

TÉMA 7

SKÚŠKY TVRDOSTI MATERIÁLOV 7.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je oboznámiť študentov s metodikou merania tvrdosti materiálov a s prístrojovou technikou. Na pripravených vzorkách z rôznych materiálov podľa vhodnosti metódy určiť tvrdosť. 7.2 Základné teoretické poznatky

Veľmi často v praxi sa tvrdosť materiálu považuje za rozhodujúcu vlastnosť z hľadiska jeho použitia. Vysoká tvrdosť sa vyžaduje najmä u nástrojov pre trieskové obrábanie, pre tvárniace a meracie nástroje. Tvrdosť materiálu úzko súvisí s odolnosťou proti opotrebeniu, preto vysoká tvrdosť napr. zubov ozubených kôl, hriadeľov, čapov a iných súčastí spravidla zabezpečuje ich dlhodobú životnosť. Skúšky tvrdosti sú v praxi veľmi rozšírené z hľadiska ich jednoduchosti, rýchleho vykonania, ale aj možnosti ich použitia v tom prípade, kde sa iné mechanické skúšky použiť nedajú (hotové výrobky, veľmi ťažké kusy a pod.). Tvrdosť je mechanická vlastnosť materiálu vyjadrená odporom proti deformácii jeho povrchu vyvolanej pôsobením geometricky definovaného telesa. Tvrdosť možno všeobecne vyjadriť:

H = f(e. P, F, T, t, v) kde : e sú pružné vlastnosti skúšaného kovu, najmä moduly E, G, a K;

P – plastické vlastnosti skúšaného kovu, vrátane schopnosti deformačného spevňovania, F – veľkosť sily pôsobiacej na vtláčacie teliesko, T – tvar, rozmery a tvrdosť vtláčacieho telieska, t – trenie medzi vtláčacím telieskom a skúšaným kovom, v – rýchlosť pohybu vtláčacieho telieska.

Na meranie tvrdosti sa vyvinulo mnoho skúšobných metôd, ktoré podľa princípu možno rozdeliť na metódy vtláčacie, vrypové, odrazové a kyvadlové. Podľa rýchlosti zaťaženia možno skúšky tvrdosti rozdeliť na statické a dynamické. V ďalšom budú uvedené len najdôležitejšie a najpoužívanejšie metódy vtláčacie, ktoré sú aj normalizované. 7.2.1 Skúška tvrdosti podľa Brinella (STN EN ISO 10003-1)

Princíp skúšky spočíva vo vtláčaní kalenej oceľovej guľôčky priemeru D do povrchu skúšaného materiálu pôsobením sily F. Po odľahčení sa zmeria priemer otlačku d, ako je to znázornené na obr.7.1. Tvrdosť podľa Brinella je daná podielom zaťažujúcej sily F a povrchu vtlačku A. Keď sila F je vyjadrená v N a povrch vtlačku A priemermi D a d v mm, pre výpočet tvrdosti platí vzťah

A

FHB =

Brinellov tvrdomer


35

Hodnoty tvrdosti možno vypočítať podľa uvedeného vzťahu, ale prakticky sa určujú z tabuliek. Pre správne vykonanie skúšky Brinellovej tvrdosti musia byť splnené podmienky, a to; - priemer guľôčky D - veľkosť zaťažujúcej sily F - čas pôsobenia zaťaženia Priemer guľôčky D môže byť 10; 5; 2,5; 2 a 1 mm, pričom jeho hodnota sa volí podľa rozmerov skúšobného telesa. Platí zásada, že hrúbka telesa s musí byť väčšia ako 10 násobok hĺbky vtlačku h. Podobne platí, že vzdialenosť stredu vtlačku od okraja skúšobného telesa musí byť najmenej 2,5.d a medzi jednotlivými vtlačkami 4.d. Pokiaľ to rozmery skúšaného telesa dovoľujú, prednostne sa volí guľôčka o priemere 10 mm. Zaťažujúca sila F sa určuje podľa priemeru guľôčky a podľa tvrdosti skúšaného materiálu, pričom platí vzťah:

F = 9,81K.D2 [N]

Kde K je konštanta závislá od druhu a tvrdosti materiálu, ako je to uvedené v tab.7.1. Tabuľka 7.1

Materiál K Tvrdosť HBS(W) Železo, oceľ, liatina, vysoko pevné zliatiny 30 od 96 do 450 Meď, nikel, a ich zliatiny 10 od 32 do 200 Hliník, horčík, zinok a ich zliatiny 5 od 16 do 100 Ložiskové kovy 2,5 od 8 do 50 Cín, olovo 1 od 2 do 20 Veľkosť zaťažujúcej sily F pre rôzne priemery guľôčok pre zvolené konštanty udáva tab.7.2. Tabuľka 7.2

Sila F v N (kp), pre K D mm 30 10 5 2,5 1 10 29430 (3000) 9800 (1000) 4900 (500) 2450 (250) 980 (100) 5 7355 (750) 2450 (250) 1225 (125) 513 (62,5) 245 (25)

2,5 1840 (187,5) 613 (62,5) 306,5 (31,2) 153,2 (15,6) 61,5 (6,2) 2 1176 (120) 392 (40) 196 (20) 98 (10) 39,2 (4) 1 294 (30) 98 (10) 49 (5) 24,5 (2,5) 9,8 (1)

Zaťaženie je treba voliť tak, aby priemer vtlačku d sa nachádzal v rozmedzí od 0,25D do

0,6D. Čas pôsobenia zaťaženia pre zliatiny železa sa volí v rozmedzí od 10 do 15 s a pre neželezné kovy od 10 do 180 s, v závislosti od druhu materiálu a jeho tvrdosti. Keď čas pôsobenia je iný ako 10 až 15 s je treba uviesť do protokolu o skúške. Označenie tvrdosti podľa Brinella. príklad 1

22(

2102,0

dDDD

FHB

−−

⋅=

π[Nmm-2]


36

350 HBW 5/750 je označenie pre Brinellovu tvrdosť s hodnotou 350 stanovenou guľôčkou zo spekaného karbidu s priemerom 5mm pri skúšobnom zaťažení 7,355 kN a s časom zaťaženia od 10s do 15s. príklad 2 600 HBS 1/30/20 je označenie pre Brinellovu tvrdosť s hodnotou 600 stanovenou guľôčkou z ocele s priemerom 1 mm pri skúšobnom zaťažení 294,2 N a s časom zaťaženia 20 s. 7.2.2 Skúška tvrdosti podľa Vickersa (STN EN ISO 6507-1)

Princíp skúšky spočíva v vtlačovaní štvorbokého ihlana z diamantu do povrchu skúšaného materiálu zaťažujúcou silou F, pozri obr.7.2. Po odľahčení sa zmerajú uhlopriečky d1 a d2 a

vypočíta sa stredná hodnota d. Tvrdosť podľa Vickersa je daná podielom zaťažujúcej sily F a povrchu otlačku A.

Keď zaťažujúca sila je vyjadrená v N a uhlopriečka v mm, pre výpočet platí

vzťah: Tvrdosť sa spravidla určuje z tabuliek. Pri určovaní tvrdosti sa používajú tieto zaťažujúce sily: 9,8 (1), 19,6 (2), 24,5

(2,5), 29,5 (3), 49 (5), 98 (10), 196 (20), 294 (30), 490 (50) a 980 (100) N. Základné zaťaženie je 294 N. Vzdialenosť stredu vtlačku od okraja skúšobného telesa, alebo

ku okraju susedného vtlačku musí byť najmenej 2,5d. Hrúbka skúšobného telesa musí byť najmenej 1,5d. Uhlopriečky sa merajú s presnosťou na ± 0,001 mm. Čas trvalého zaťaženia sa určuje podobne, ako pri Brinellovej skúške. Označenie tvrdosti podľa Vickersa. príklad 1 185 HV30 je označenie pre Vickersovu tvrdosť s hodnotou 185, stanovenou skúšobným zaťažením 294,2 N a s časom zaťaženia od 10 s do 15 s. príklad 2 640 HV30/20 je označenie pre Vickersovu tvrdosť s hodnotou 640, stanovenou skúšobným zaťažením 294,2 N a s časom zaťaženia 20 s. 7.2.3 Skúška tvrdosti podľa Rockwella (STN EN 10109-1,2,3)

Princíp skúšky spočíva vo vtlačovaní diamantového kužeľa, alebo oceľovej guľôčky do

skúšaného materiálu a tvrdosť je vyjadrená rozdielom medzi zmluvnou hĺbkou a hĺbkou trvalého vtlačku. Pri Rockwellovej skúške možno použiť stupnice A, B, a C, pričom pre stupnice A a C sa používa diamantový kužeľ s vrcholovým uhlom 120° a pre stupnicu B kalená oceľová guľôčka s priemerom D = 1,587 mm.

F

136°

d2 d1

Obr.7.2 Princíp Vickersovej skúšky tvrdosti, tvrdomer

A

FHV =

2189,0

d

FHV = [Nmm-2]


37

Určenie tvrdosti HRC a HRA

Postup pri určovaní tvrdosti podľa Rockwella stupnicou C a A je na obr.7.3. Po dotyku hrotu k povrchu skúšobného telesa sa hrot zaťaží predbežným zaťažením F0 a vnikne do hĺbky a. Tým sa odstráni vplyv povrchovej vrstvy a hĺbkomer na stupnici prístroja sa nastaví do východiskovej polohy. V ďalšom sa hrot prístroja zaťaží prídavným zaťažením F1, takže celkové

zaťaženie bude F = F0 + F1 a hrot vnikne do hĺbky E1. Zaťaženie má byť plynulé a prídavné zaťaženie sa má dosiahnuť za 2 až 8 s. Po ustálení hĺbkomeru odľahčí sa hrot o zaťaženie F1 a nechá sa pôsobiť len predbežné zaťaženie F0. Tým sa hĺbka E1 zmenší o pružnú deformáciu a hrot ostane v plasticky deformovanom vtlačku o hĺbke e, zaťažený predbežným zaťažením F0. Tvrdosť HRC alebo HRA bude daná rozdielom základnej hĺbky (0,2 mm) a hĺbky trvalého vtlačku po odľahčení na počiatočnú silu. Základná hĺbka 0,2 mm je rozdelená na 100 dielikov a tvrdosť sa odčíta priamo zo stupnice prístroja, ako to schematicky znázorňuje spodná časť obr.7.3. Hodnotu tvrdosti možno vyjadriť: HRC alebo HRA = 100 – e, pričom e je vyjadrená v dielikoch d. Jeden dielik má hodnotu 0,2/100, teda 0,002 mm. Určenie tvrdosti HRB Postup pri určovaní tvrdosti podľa Rockwella stupnicou B je uvedený na obr.7.4. Postup skúšky je podobný ako pri určovaní HRC a HRA. Rozdiel je len vo veľkosti prídavnej zaťažujúcej sily a v hĺbke základnej stupnice. Základná stupnica je 0,26 mm a má 130 dielikov. Hodnota tvrdosti sa dá potom vyjadriť:

HRB = 130 – e. Hodnoty zaťažujúcej sily pre jednotlivé stupnice tvrdosti udáva tab.7.3.

Obr.7.3 Princíp Rockwellovej skúšky tvrdosti podľa stupnice HRC a HRA

0,2

mm

POVRCH SK. TELESA

HRC, HRA

e

a E

1

0

100

ST

UP

NIC

A

TV

RD

OS

TI

0,2

mm

HR

C, H

RA

e E1

F1

F0 F0

a

F

120°

F0

30

0,26

m

m

Obr.7.4 Princíp Rockwellovej skúšky tvrdosti podľa stupnice HRB

POVRCH SK. TELESA

HRB

e

a E

1

0

130

ST

UP

NIC

A

TV

RD

OS

TI

0,2

mm

HR

B

e E1

F1

F0 F0

a

F F


38

Pri Rockwellovej skúške je veľmi dôležité, aby skúšobné teleso bolo uložené na tuhú podložku a styčné plochy medzi podložkou prístroja a skúšobným telesom musia byť čisté. Hrúbka skúšobného telesa musí byť najmenej 8 krát väčšia ako hĺbka vtlačku e. Označenie tvrdosti podľa Rockwella. Tvrdosť podľa Rockwella sa označuje hodnotou tvrdosti a písmenami udávajúcimi označenie metódy a stupnice, napr. 28 HRC. Tabuľka 7.3

Zaťažujúca sila v N (kp) pre stupnicu Zaťaženie HRC HRA HRB

Predbežné F0 98 (10) 98 (10) 98 (10) Prídavné F1 1373 (140) 490 (50) 883 (90) Celkové F 1471 (150) 588 (60) 980 (100)

Dynamické skúšky tvrdosti:

� Plastické, keď nárazová sila vyvodzuje určitý trvalý vtlačok a tvrdosť sa určí jeho veľkosťou, alebo

� Elastické, keď sa na hodnotenie tvrdosti využívajú pružné vlastnosti materiálu Plastické metódy

1. nárazová metóda voľným pádom 2. nárazová metóda stlačenou pružinou

3. komparačná metóda 22

22

M

T

dDD

dDD

TM HBHB−−

−−= kde dM-priemer vtlačku

v meranom materiáli, dT v porovnávacej tyči, D - priemer guľôčky (Poldiho kladivko).

4. Obr. 7.5 Prehľad dynamických skúšok tvrdosti


39

Elastické metódy 1. odrazová metóda voľným pádom (Shorova metóda, HSh) – pre veľmi tvrdé

materiály, 2. kyvadlová odrazová metóda; úder padajúcim kyvadlom, 3. porovnávacie metódy – pre guľôčky do ložísk.

7.2.4 Skúška tvrdosti komparačnou metódou Komparačná (porovnávacia) metóda pomocou Poldi kladivka patrí k dynamickým skúškam tvrdosti. Pracuje na princípe porovnávania tvrdosti skúšaného materiálu s tvrdosťou materiálu známeho (etalonu). Princíp skúšky je uvedený na obr.7.6. Postup pri skúške je nasledujúci. Na

nárazník prístroja udrieme kladivom, čím sa kalená oceľová guľôčka priemeru 10 mm vtlačí do skúšaného materiálu a do etalonu. Lupou odmeriame priemer vtlačku v skúšanom materiále dM a v porovnávacej tyči (etalone) dT. Na základe týchto hodnôt určíme tvrdosť z tabuliek, ktoré sú rôzne pre jednotlivé materiály. Hodnotu vyhľadanej tvrdosti vynásobíme koeficientom k, ktorý je vyznačený na konci porovnávacej tyče. Táto korekcia je nutná preto, lebo tabuľky sú spracované pre tyč s pevnosťou 700 MPa, kým skutočné pevnosti spravidla sa líšia v rámci predpísanej tolerancie. Približne je možné určiť tvrdosť skúšaného materiálu HBM na základe známej tvrdosti etalonu HBT podľa vzťahu: Tvrdosť určená Poldi kladivkom je udávaná

v Brinellovej stupnici. Postup prác

Pri správnej voľbe metódy vychádzame z predpokladanej tvrdosti skúšaného materiálu a jeho homogenity. Možnosť použitia ktorejkoľvek metódy je ovplyvňovaná aj vlastnosťami materiálu vnikacieho telesa. Všeobecne platí, že čím je pri skúške zasiahnutý väčší objem, tým dosiahnuté výsledky presnejšie budú vyjadrovať priemerné vlastnosti skúšaného materiálu. Iné pravidlá platia pri meraní tvrdosti tenkých materiálov a

tenkých povrchových vrstiev, kde treba voliť malé zaťažujúce sily, aby nedošlo k prerazeniu povrchovej vrstvy. Voľba metódy a podmienok skúšky (priemer

guľôčky, zaťažujúca sila) závisia aj od veľkosti skúšanej vzorky. Číselné hodnoty vyjadrujúce tvrdosť materiálu budú závisieť od príslušnej metódy a tými metódami budú dané aj rozsahy tvrdosti. Prehľad používaných rozsahov ako aj vhodnosť voľby jednotlivých metód udáva tabuľka 7.4.

Obr.7.6 Princíp Poldi kladivka

MATERIÁL

ETALON

ÚDER KLADIVA

dM

dT

22

22

M

TM

dDD

dDDHB

−−

−−=

Obr.7.7 Poldi kladivko


40

7.2.5 Meranie tvrdosti prenosnými prístrojmi Používané skúšobné metódy

Vo všeobecnosti možno konštatovať, že pri meraní tvrdosti materiálov prenosnými prístrojmi sa vo veľkej miere používa odrazová (dynamická) metóda. Vyplýva to hlavne zo skutočnosti, že prístroje na túto metódu sú lacnejšie ako pre statickú metódu. V súčasnosti sa

začína používať metóda merania pomocou inštrumentovanej tvrdosti UCI (Ultrasonic Contact Impedance), pre merania sa používajú často malé zaťažujúce sily od 0,2 mN do 2 N. Pri malej hĺbke vpichu (<6 µm) môže však vzniknúť veľká chyba v dôsledku odchýlky reálneho tvaru indentora od jeho ideálneho tvaru a sú potrebné špeciálne korekcie na jej elimináciu. Malá hĺbka vpichu vzniká u tvrdých materiálov ako je keramika, alebo pri použití

malých síl u tenkých vrstiev. Metóda je ale perspektívna a nádejná, experimentálne však náročná. Pri nerešpektovaní korekcií môžu

vzniknúť veľké chyby a nereálne výsledky. Výsledkom merania je odľahčujúca krivka závislosti "zaťažujúca sila - hĺbka vpichu". Použitie predovšetkým tenké vrstvy, keramika, jednotlivé oblasti zvarového spoja, ťažko prístupné miesta, meranie tvrdosti častíc a pod.

Otázky:

1. Definujte tvrdosť. 2. Aký musí byť pomer hrúbky skúšaného predmetu a hĺbky vtlačku ? 3. Ako rozdeľujeme skúšobné metódy na meranie tvrdosti ? 4. Vymenujte elastické metódy merania tvrdosti. 5. Vymenujte plastické metódy merania tvrdosti. 6. Ako môžeme všeobecne vyjadriť tvrdosť ? 7. Čo meriame pri Vickersovej skúške ? 8. Aké zaťažujúce telesá sa používajú pri Rockwellovej metóde ? 9. Čo je indentor pri Brinellovej metóde ? 10. Aký veľký uhol má diamantový kužeľ používaný pri Rockwellovej skúške a pre aké

materiáli sa hodí? Tabuľka 7.4

Metóda Použitý rozsah

Vhodnosť použitia

HBS(W) do 400 Pre mäkké materiály. Pri použití väčšieho priemeru guľôčky vhodná na heterogénne materiály

HV do 2000 Univerzálna metóda vhodná pre mäkké aj tvrdé materiály. Nehodí sa na meranie tvrdosti heterogénnych materiálov (sivá liatina).

HRC HRA

20 - 67 Pre meranie tvrdých materiálov, najmä ako kontrolná metóda pri tepelnom spracovaní. Nevyžaduje zvlášť dôkladnú prípravu povrchu.

HRB 25 - 100 Pre meranie tvrdosti mäkkých materiálov. Výhody ako pri meraní HRC.

Poldi kladivko

do 400 Pre mäkké materiály. Veľká výhoda metódy je možnosť použitia pri meraní veľkých súčiastok a priamo v teréne.

Obr. 7.8. Prístroj UCI


41

SKÚŠKY TVRDOSTI MATERIÁLOV

Referát č.7



Dátum:

Zadanie: 1. Zmerajte tvrdosť zadanej vzorky metódami, HBS, HV, HRB, a Poldi kladivkom –komparačnou

metódou. 2. Namerané hodnoty zapíšte do tabuľky. 3. Zvoľte vhodné metódy pre meranie tvrdosti zadanej vzorky a zdôvodnite voľbu.

MATERIÁL

VZORKY

METÓDA

PODMIENKY

NAMERANÉ HODNOTY

TVRDOSŤ

HBS

F = D = t =

d1 = d2 =

HV

F = t =

d1 = d2 =

HRB

Fo = F1 =

POLDI KLADIVKO

D = tyč =

dM = dT =

VHODNOSŤ METÓD:

téma 8 Statická skúška ťahom

42

Obr.8.1 Konvenčný ťahový diagram (0 – E – M – F) a skutočný ťahový diagram (0 – E – M´- F´)

R R´ (F) Re

R´=f (εεεε)

R =f (εεεε)

Nap

ätie

N

apät

ie

Predĺženie

skutočný

konvenčný

lom

R´m

TÉMA 8

STATICKÁ SKÚŠKA ŤAHOM 8.1 Cieľ:

Cieľom cvičenia je určiť základné mechanické vlastnosti materiálu pri ťahovom namáhaní. Zo skúšaného materiálu bola vyrobená skúšobná tyč, ktorá v skúšobnom stroji sa postupne zaťažuje až do roztrhnutia. Z údajov silomeru stroja a rozmerov tyče sa určujú, medza klzu, pevnosť materiálu, ťažnosť a kontrakcia. 8.2 Základné teoretické poznatky

Pre pevnostné výpočty súčiastok strojov a konštrukcií majú rozhodujúci význam pevnostné vlastnosti materiálov, ktoré sa najčastejšie určujú statickou skúškou v ťahu. Mechanické vlastnosti sú veľmi dôležité aj pri posudzovaní vhodnosti materiálov k rôznym technologickým, najmä tvárniacim procesom. Postup skúšky je upresnený normou STN EN 10002-1 a STN 42 0310 Skúška ťahom

Skúšobná tyč pri ťahovej skúške sa upne do čeľustí skúšobného stroja a postupne zaťažuje. Pod účinkom sily sa tyč predlžuje najprv pružne a po prekročení medze sklzu sa začína výrazne plasticky predlžovať. Priebeh zaťažujúcej sily od predĺženia tyče, tzv. ťahový


43

diagram je registrovaný skúšobným strojom a je veľmi dôležitým dokumentom skúšky. Tvar ťahového diagramu pre uhlíkovú oceľ s medzou klzu je na obr.8.1. Do sily na medzi sklzu Fe je lineárny priebeh medzi silou a predĺžením a predĺženie je prakticky len pružné. Po prekročení medze klzu bod E sa začína trvalé predĺženie a deformácia sa rovnomerne rozkladá na celej dĺžke tyče. Pri ďalšom predlžovaní tyče v dôsledku spevňovania materiálu sa sila zvyšuje do maximálnej hodnoty Fm bod M a po jej prekročení sa na tyči objaví miestne zúženie (krčok). Sila na ďalšiu deformáciu začína klesať v dôsledku neustáleho zužovania prierezu, až sa skúšobná tyč v bode F roztrhne. Tvar skúšobnej tyče pred skúškou a po skúške je na obr.8.2

Pri skúške sa merajú a vyhodnocujú tieto veličiny: Rozmer V prípade tyčí s kruhovým prierezom: d0 počiatočný priemer skúšobnej tyče mm dU najmenší, konečný priemer skúšobnej tyče mm V prípade plochých tyčí: a0 počiatočná hrúbka mm b0 počiatočná šírka tyče mm aU najmenšia, konečná hrúbka tyče po roztrhnutí mm bU najmenšia, konečná šírka tyče po roztrhnutí mm S0 počiatočná plocha prierezu skúšobnej tyče mm2

SU najmenšia, konečná plocha prierezu skúšobnej tyče mm2

L0 počiatočná, meraná dĺžka skúšobnej tyče mm LU konečná dĺžka skúšobnej tyče po roztrhnutí mm Vypočítané hodnoty: Re medza klzu (výrazná), je napätie, pri ktorom sa materiál MPa trvalo deformuje bez výrazného zväčšenia zaťaženia

Rp0,2 medza klzu zmluvná, je napätie, pri ktorom trvalá MPa deformácia dosiahne 0,2 % dĺžky tyče L0

0S

FR e

e =

Obr.8.2 Tvar skúšobnej tyče pred skúškou a po skúške

d 0

LU

d U

L0


44

Rm pevnosť v ťahu, je zmluvné napätie, zodpovedajúce podielu MPa najväčšieho zaťaženia Fm a počiatočného prierezu S0

A ťažnosť, je pomerné trvalé predĺženie po roztrhnutí tyče %

Z kontrakcia, je pomerné trvalé zúženie prierezu tyče po pretrhnutí %

8.2.1 Skúšobné tyče

Skúšobné tyče sa vyhotovujú zo skúšaného materiálu tak, aby neboli ovplyvňované jeho vlastnosti v procese výroby tyčí. Postup pri odoberaní, opracovaní a umiestnení skúšobných tyčí je upresnený normou STN EN ISO 377. Výrobok, vybraný pre skúšku z určitej dodávky sa nazýva skúšobný kus. Zo skúšobného kusu sa odoberie skúšobná vzorka, čo je časť skúšobného kusu, určená na výrobu skúšobných tyčí. Pri výrobe skúšobnej tyče treba dávať pozor na to, aby materiál nebol ovplyvnený ohrevom, alebo deformáciou za studena. Pri strihaní a rezaní kyslíkom j e nutné počítať s dostatočným prídavkom, aby sa ovplyvnená vrstva mohla odstrániť. Z plechov, pásov a profilových materiálov I, U, L, T sa vyhotovujú tyče ploché. Z tyčí kruhového prierezu a výrobkov väčších rozmerov sa vyhotovujú skúšobné tyče kruhového prierezu.

Mechanické vlastnosti jednosmerne tvárnených materiálov sú ovplyvnené nerovnomernou deformáciou v jednotlivých smeroch, čo sa prejaví anizotrópiou (smerovosťou) vlastností. V týchto prípadoch pri označovaní tyčí teba uviesť smer odberu tyče voči smeru valcovania. Smer rovnobežný so smerom valcovania sa označí písmenom L, smer tyče kolmý na smer valcovania písmenom T. Tvar a rozmery skúšobných tyčí kruhového prierezu s rôznym upínaním v skúšobnom stroji upresňuje norma STN EN 10002-1. Tvar a rozmery skúšobných tyčí pre bežné skúšky materiálov do pevnosti 900 MPa, s upínaním do klínových čeľustí sú uvedené v tabuľke 8.1. Tabuľka 8.1

Úchylky d0 D min.

h min.

L0 = 5.d0

LC min.

Lt

min. 1. 2. (3) 5 17,5 15 16,5 60 0,06 0,1 (4) 6 20 20 22 71 0,06 0,1 5 7 22,5 25 27,5 81 0,06 0,1 6 8 25 30 33 92 0,075 0,1 8 10 30 40 44 111 0,075 0,1

10 12 35 50 55 135 0,09 0,2 12 15 40 60 66 154 0,09 0,2 16 20 50 80 88 197 0,09 0,2 20 24 60 100 110 240 0,105 0,25

SKÚŠOBNÉ TYČE VALCOVÉ S HLADKÝMI VALCOVÝMI HLAVAMI STN EN 10002-1

25 30 80 125 147,5 306 0,105 0,25

0

2,02,0

S

FR p

p =

0S

FR m

m =

1000

0 ⋅−

=L

LLA U

1000

0 ⋅−

=S

SSZ U

OZNAČENIE: TYČ 16x80 STN 42 0315

0,8 12,5

Lt

d 0

D

h LC LC

L0

R4

h


45

Pre dlhú tyč (L0 = 10 x d0) je L0 a Lt väčšia o L0 Tyče s priemerom d0 3 a 4 mm sa používajú len vo zvláštnych prípadoch 1. Úchylka ± platí pre prípad keď prierez S0 je určený z menovitého priemeru 2. Úchylka ± platí pre prípad keď prierez S0 je určený zo skutočného priemeru

Pre rýchle upínanie sa používajú tyče s valcovými a osadenými hlavami a pre presné meranie deformácie tyče so závitovými hlavami. Polotovary menších prierezov sa skúšajú celé a neopracované (napr. drôty, rúrky a iné). Tvary a rozmery plochých skúšobných tyčí do hrúbky 4 mm sú uvedené v tab. 8.2. Tabuľka 8.2

Tyč b0 B min.

h min.

L0 LC Lt min.

Hrúbky a0

1 12,5 18 50 75 165 0,1 až 2 2 20 28

35 80 120 220 2 až 3

Tyče ploché hrúbky od 0,1 do 4 mm

Rozmery v mm Norma: STN EN 10002-1 Označenie tyče: Tyč 2 - 2,5 x 80 STN 42 0321 Pre hrúbku a0 väčšiu ako 3 mm sa L0 určuje: L0 = 5,65.S0, alebo L0 = 11,3.S0

8.2.2. Skúšobné stroje

Pre ťahovú skúšku sa používajú tzv. trhacie stroje. Podľa spôsobu vyvodenia zaťaženia možno ich rozdeliť na mechanické a hydraulické. Pre zaťaženie pod 200 kN sa vyrábajú trhacie stroje mechanické a pre vyššie zaťaženie hydraulické. K hlavným častiam trhacích strojov patria: a. Rám stroja (stojan), ktorý prenáša zaťažujúcu silu zo zaťažovacieho zariadenia na skúšobnú tyč. Veľmi dôležitou vlastnosťou je tuhosť trhacieho stroja a je tým väčšia, čím menšia je pružná deformácia rámu a zaťažovacieho mechanizmu trhacieho stroja. b. Zaťažovacie zariadenie, ktorým sa vyvodzuje zaťažujúca sila pri skúške a môžu byť mechanické a hydraulické. Mechanické zaťažovacie zariadenie pozostáva z jedného, alebo dvoch vretien, pričom posuv pracovnej čeľuste môže byť zabezpečený otáčaním vretena, alebo matice. Výhodou mechanického zaťažovacieho zariadenia sú vyššia tuhosť a samosvornosť.

Hydraulické zaťažovacie zariadenie pozostáva z hydraulického valca, v ktorom sa pohybuje piest účinkom tlaku oleja, privádzaného z čerpadla. Výhodou hydraulického zariadenia je hladký chod a možnosť dosahovania väčších síl. c. Zariadenie na meranie sily – silomer.

Lt

R 2

5

25 1,6

B

b 0 a0

h h LC

L0

Obr.8.3 Trhací stroj


46

Staršie stroje majú mechanický silomer pákový, pracujúce na systéme sklonných váh. Vychýlenie sklonnej váhy zo zvislej polohy, vyvolané zaťažujúcou silou sa cez ozubenú tyč a ozubené koleso prenáša na ručičku silomeru a registráciu sily. Moderné trhacie stroje majú elektrické silomerné zariadenie. Snímačom sily je tu málo poddajný pružný element, ktorý od zaťažujúcej sily sa pružne deformuje a veľkosť deformácie sa meria elektricky vysoko citlivými odporovými, indukčnými, alebo kapacitnými snímačmi. Výstupný signál možno ďalej spracovať na pohyb ručičky silomeru a registračného zariadenia, alebo digitálne. Elektrický signál sily umožňuje napojenie trhacieho stroja na počítač, ktorým môže byť stroj priamo riadený. d. Zariadenie na meranie a záznam deformácie. Staršie stroje majú deformáciu skúšobnej tyče odvodenú od pohybu traverzy a pracovnej čeľuste stroja a umožňujú zväčšenie 2:1, 5:1 až 10:1. Pri novších trhacích strojoch sa pohyb traverzy sníma elektricky. Nedostatkom snímania deformácie priamo z pohybu traverzy je, že do celkovej deformácie sa započítava aj deformácia rámu, meracieho zariadenia a posuvy v čeľustiach stroja. 8.3. Priebeh statickej skúšky v ťahu Priebeh statickej skúšky v ťahu možno rozdeliť na tri po sebe nasledujúce úkony. Na prípravu skúšobnej tyče na skúšku, na trhanie tyče v skúšobnom stroji a na vyhodnotenie výsledkov skúšky. a. Príprava skúšobnej tyče. Na skúšobnej tyči kruhového prierezu sa odmeria počiatočný priemer d0 na troch miestach meranej dĺžky (v strede a na dvoch koncoch) mikrometrom s presnosťou na 0,01 mm. Hrúbka plochej tyče a0 sa meria s presnosťou na 0,01 mm a šírka b0 s presnosťou na 0,1 mm. Počiatočná dĺžka L0 sa označí ryskami s presnosťou na 0,1 mm a má byť umiestnená v strede skúšanej dĺžky LC. Hĺbka rysiek sa má voliť tak, aby vrubovým účinkom sa neovplyvnil výsledok skúšky. b. Trhanie tyče v skúšobnom stroji. Pred skúškou sa zvolí silový rozsah stroja na základe prierezu skúšobnej tyče S0 a predpokladanej pevnosti Rm skúšaného materiálu ( F = Rm . S0 ). Podľa rozsahu sily sa zvolí typ stroja. Po nastavení rozsahu a prekontrolovaní funkcie registračného zariadenia sa upne tyč do čeľustí trhacieho stroja. Po upnutí tyč sa pozvoľne zaťažuje, pričom rýchlosť zaťažovania do medze sklzu má byť v rozmedzí od 3 do 30 MPa.s-1. V priebehu skúšky sa sleduje nárast sily a odčíta sa sila na medzi sklzu Fe a maximálna sila Fm. c. Vyhodnotenie výsledkov skúšky. Po roztrhnutí skúšobnej tyče sa vykoná výpočet mechanických vlastností podľa vzťahov, uvedených v kapitole 8.2. Medza klzu Re a medza pevnosti Rm pri hodnotách do 1000 MPa sa zaokrúhľujú na 1 MPa a nad 1000 MPa na 10 MPa. Ťažnosť A a kontrakcia Z sa zaokrúhľujú na 0,1 %. V prípade, že na diagrame nie je výrazná medza klzu, určuje sa zmluvná medza klzu Rp0,2. Pri jej určovaní sa vedie priamka rovnobežná s úsekom pružných deformácií vo vzdialenosti 0,2 % L0. Z takto určenej sily Fp0,2, ako priesečníka priamky s diagramom sa vypočíta Rp0,2. Tento postup možno použiť len vtedy, keď prevod deformácie je min. 10 : 1. V prípade, že prevod deformácie je menší, možno určiť približnú hodnotu medze klzu zo sily, pri ktorej sa začína odklon od priamkovej závislosti. Pre výpočet ťažnosti sa meria konečná meraná dĺžka LU tak, že sa pretrhnuté časti priložia tesne k sebe a odmeria sa vzdialenosť značiek, ktoré ohraničovali dĺžku L0. Tento postup


47

možno použiť len vtedy, keď vzdialenosť miesta lomu od najbližšej koncovej značky je najmenej 1/3 L0. V prípade, že táto podmienka nie je splnená, hodnota ťažnosti je neplatná pre nerovnomerné rozloženie deformácie po dĺžke tyče. Hodnota ťažnosti je ovplyvňovaná dĺžkou L0, a preto v označení ťažnosti sa to musí uviesť. Ťažnosť, určená na krátkej tyči (L0=5d0) sa označí A5 a na dlhej tyči (L0=10d0) ako A10. Pri určovaní ťažnosti tenkých plechov, drôtov a tenkých profilov sa volí väčšia dĺžka napr. 50, 80, 100 alebo 200 mm. Táto dĺžka L0 sa musí uviesť pri označení ťažnosti. 8.4. Použité experimentálne zariadenie K experimentom sú potrebné pomôcky: posuvné merítka, mikrometre a značkovacie prístroje.

Obr.8.4 Prístroj na značkovanie skúšobných vzoriek Otázky:

1. Napíšte vzťah pre výpočet Re a definujte aj jednotlivé činitele. 2. Napíšte vzťah pre vypočet Rm a definujte aj jednotlivé činitele. 3. Definujte ťažnosť. 4. Definujte kontrakciu. 5. Napíšte čo je anizotrópia vlastnosti. 6. Vymenujte hlavné časti trhacieho stroja. 7. Pre dlhú valcovú týč sa L0 vypočíta. 8. Pre valcovú tyč S0 vypočítate podľa vzťahu. 9. Nakreslite ťahový diagram a vyznačte v ňom Fe, Fm a označte súradnice. 10. Podľa spôsobu zaťaženia môžeme trhacie stroje rozdeliť na.


48

STATICKÁ SKÚŠKA V ŤAHU

Referát č.8



Počet bodov:

Dátum:

Zadanie: 1. Zmerajte rozmery skúšobnej tyče pred statickou skúškou v ťahu, určte meranú dĺžku L0 a vyznačte ju na

pracovnej dĺžke tyče. 2. Zvoľte silový rozsah stroja, nastavte registračné zariadenie a vykonajte ťahovú skúšku. 3. Pri skúške zaregistrujte ťahový diagram, od kreslite si ho do zošita. 4. Z údajov sily Fe (Fp0,2), Fm, dĺžky tyče po roztrhnutí LU a dU, vypočítajte mechanické vlastnosti Re, (Rp0,2),

Rm, A a Z. 5. Namerané a vypočítané hodnoty zapíšte do tabuľky. Tabuľka

Rozmery skúšobnej tyče Pred skúškou Po skúške

Číslo skúš. tyče d0

a0xb0

[mm]

S0

[mm2

]

L0

[mm]

dU aUxbU

[mm]

SU

[mm2

]

LU

[mm]

Fe (Fp0,2)

[N]

Fm

[N]

Re

(Rp0,2)

[MPa]

Rm

[MPa]

A(...)

[%]

Z

[%]


49

téma 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti

50

TÉMA 9

MERANIE MODULU PRUŽNOSTI A MEDZE PRUŽNOSTI

9.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je určiť charakteristiky pružnosti materiálov pri ťahovej skúške. Presným meraním malých deformácií vhodnými snímačmi a meraním závislosti napätie – deformácia určiť modul pružnosti v ťahu a medzu pružnosti. 9.2 Základné teoretické poznatky

Pružnosť materiálu je základnou mechanickou charakteristikou materiálu a vyjadruje jeho schopnosť pružne sa deformovať pod účinkom mechanického namáhania. Má veľký praktický význam najmä pri dimenzovaní strojov a konštrukcií. Vysoká pružnosť sa vyžaduje u pružín a konštrukcií, ktoré majú mať vysokú tuhosť. Charakteristiky pružnosti materiálu je možné určovať z ťahového diagramu na obr.9.1, kde je uvedená jeho počiatočná časť. Ťahový diagram je znázornený v súradniciach, napätie R=F/S0 a pomerná celková deformácia

ε=∆L/L0. Pri zvyšovaní napätia od O do bodu E je deformácia len pružná a pri napätí RE sa začína materiál plasticky (trvalo) deformovať. Napätie RE je medza pružnosti, ktorú teoreticky definujeme ako maximálne napätie, ktoré po odľahčení nezanechá trvalú deformáciu. V reálnych kovových materiáloch sa nevyskytuje ostrý prechod medzi elastickou a elasto - plastickou oblasťou a preto RE sa ťažko určuje. Medza pružnosti pre technické účely sa definuje ako napätie, ktoré spôsobí určitú malú pomernú deformáciu εpl. Technická medza pružnosti Rp0,005 podľa STN je zmluvné napätie, ktoré spôsobí pomernú trvalú deformáciu o veľkosti 0,005 %. Modul pružnosti v ťahu E v ťahovom diagrame reprezentuje smernicu

priamky v oblasti pružných deformácií a udáva vzťah medzi napätím R a odpovedajúcim relatívnym pružným predĺžením εel.

Modul pružnosti a medzu pružnosti je možné určovať priamo z ťahového diagramu, keď deformácia je snímaná priamo z meranej dĺžky L0 a je zabezpečené zväčšenie prevodu deformácie minimálne 500 : 1. V prípade, že nie je možné snímať ťahový diagram s uvedenou citlivosťou, na meranie malých deformácií je možné použiť prieťahomery.

el

RE

ε=

NA

PÄ

TI

E

R

εpl

E E

O DEFORMÁCIA ε

RE

E

Obr.9.1 Charakteristiky pružnosti materiálu v ťahovom diagrame

[MPa]


51

F

F

d0

∆L

L

0

L K

1

2

3

9.2.1 Skúšobné tyče a skúšobné zariadenie

K určovaniu medze pružnosti a modulu pružnosti sa majú používať tyče s kruhovým prierezom so závitovými hlavami, STN 42 0316. Pri použití iných tyčí je treba dbať na dokonalé upnutie prieťahomerov. Meraná dĺžka nemusí odpovedať podmienke L0 = 5.d0, alebo L0 = 10.d0, ale volí sa čo najväčšia, aby sa tým dosiahla väčšia presnosť merania deformácie. Ku skúške sa používajú trhacie stroje, podobne ako pri statickej skúške v ťahu a vhodné prieťahomery. Prieťahomery sú prístroje na jemné meranie malých deformácií, ktoré vznikajú pri zaťažení skúšobnej tyče. Podľa princípu merania sa rozdeľujú na: mechanické opticko-mechanické elektrické Mechanický prieťahomer sa zakladá na princípe mechanického prevodu absolútnej

deformácie ∆L. Na obr.9.2 je znázornený mechanický prieťahomer s ručičkovým indikátorom. Na skúšobnú tyč 1 sa pripevní pevné rameno 2 a dvojramenná páka 3 tak, aby ich vzdialenosť bola zvolená počiatočná dĺžka L0. Pri zaťažení silou F sa tyč predĺži o hodnotu ∆L, pričom dvojramenná páka 3 na náprotivnom konci sa vychýli o hodnotu ∆L´. Vychýlenie ∆L´ sa registruje ručičkovým indikátorom 4, ktorý je pripevnený na pevnom ramene. Veľkosť absolútnej deformácie skúšobnej tyče ∆L sa určí z údaja ∆L´ odčítaného na indikátore a z pomeru

ramien K a L. Často sa používajú prieťahomery s pomerom ramien L/K = 1, alebo prieťahomery bez dvojramennej páky a

indikátor sníma priamo deformáciu ∆L. Citlivosť týchto prieťahomerov je spravidla 10-2 mm, čo pri kovoch nestačí na presné meranie Rp0,005 a E, možno však použiť na určenie Rp0,2 a na určenie E plastov. Opticko-mechanický priťahomer Martenzov pracuje na princípe mechanického natáčania zrkadla, pohyb ktorého sa mnohonásobne zväčšuje vychyľovaním odrazeného lúča na pravítko. Citlivosť týchto prieťahomerov je 0,001 mm a umožňujú s dostatočnou presnosťou určovať E a Rp0,005. Elektrické priťahomery odporové pracujú na princípe zmeny elektrického odporu citlivého elementu (tenzometrického snímača) vplyvom zmeny jeho rozmeru. Tenzometrický snímač pozostáva z tenkého odporového drôtu priemeru 0,02 mm, ktorý má aktívnu dĺžku v smere deformácie zväčšenú mnohonásobným vinutím a je uložený na tenkom pružnom podklade.

Obr.9.2 Schéma mechanického prieťahomeru

´LK

LL ∆=∆

∆L

´

4


52

Na priame meranie absolútnej deformácie sa používajú prieťahomery podľa obr.9.2. Prieťahomer sa skladá z dvoch pružných planžiet 2, ktoré sú upevnené na telese snímača 3. Na pružných planžetách sú nalepené tenzometrické drôtené snímače R1, R2, R3 a R4. Zmenou odporu vzniká napätie na môstiku, ktoré po zosilnení dáva výchylku, úmernú veľkosti predĺženia ∆L. Zosilnený napäťový signál sa môže prenášať na bubienok registračného zariadenia a vyvolá posuv registračného papiera na osi predĺženia.

Elektrické priťahomery indukčné merajú predĺženie tyče na základe posuvu magnetického jadra, vyvolaného predĺžením tyče. Pohyb jadra v cievke vyvolá zmenu magnetického toku a v cievke sa indukuje napätie, ktoré je úmerné výchylke jadra. Indukované napätie sa prenáša na registračné zariadenie ťahového diagramu. Elektrické priťahomery umožňujú zväčšiť predĺženie až 2000 : 1 a možno ich použiť na meranie E a Rp0,005.

a. Meranie technickej medze pružnosti Technickú medzu pružnosti možno zisťovať z celkovej deformácie z ťahového diagramu Rp0,005, alebo z trvalej deformácie postupným zaťažovaním a odľahčovaním Rr0,005. Meranie Rp0,005. Na skúšobnú tyč upnutú v trhacom stroji sa upevní elektrický prieťahomer, ktorý umožňuje registrovať deformáciu tyče na ťahovom diagrame s citlivosťou min. 10-3 mm. Po nastavení silového rozsahu trhacieho stroja a citlivosti prieťahomeru sa vykoná ťahová skúška tak, aby trvalá

∆L

F

R4

R2

R3

R1

L

L0

R2

R1

R4

R3

2

F

F

1

Merací môstik

Zosilovač

Obr.9.3 Meranie absolútnej deformácie tenzometrickým elektrickým prieťahomerom

3

F [N]

0,005 % L0

Fp0,005

∆L [mm]

Obr.9.4 Určenie Fp0,005 z ťahového diagramu


53

deformácia tyče bola väčšia ako 0,005 % meranej dĺžky L0. Na ťahový diagram na osi predĺženia sa nanesie vzdialenosť 0,005 % L0 a odčíta sa sila Fp0,005, pri ktorej rovnobežka s úsekom pružných deformácií pretína diagram, ako je to znázornené na obr.9.3. Zo sily Fp0,05 sa určí Rp0,005 podľa vzťahu,

kde> S0 je počiatočný prierez. Meranie Rr0,005. Pri tejto skúške sa skúšobná tyč postupne zaťažuje a odľahčuje a po každom odľahčení sa odčíta trvalé predĺženie. Z údajov sily a trvalého predĺženia zostrojuje diagram F – predĺženie [%] a hodnota FP0,005 sa určí grafickou, alebo matematickou interpoláciou. Postup merania je upresnený normou STN 42 0345. Medza pružnosti sa udáva v MPa. b. Meranie modulu pružnosti v ťahu E Modul pružnosti v ťahu sa najčastejšie určuje z lineárnej časti ťahového diagramu, pričom sa sníma predĺženie priamo zo skúšobnej tyče s dostatočnou citlivosťou (prevod min. 500 : 1). Možno ho určovať aj stupňovitým zaťažovaním skúšobnej tyče v oblasti pružných deformáciách, pričom sa sleduje predĺženie s dostatočnou citlivosťou. Modul pružnosti sa

určuje zo závislosti F - ∆L postupom, ktorý je znázornený na obr.9.4. Najprv sa zvolí počiatočné zaťaženie F0, ktoré vyvolá napätie približne 10 MPa. Potom sa zvolia dva až tri zaťažovacie stupne pod medzou pružnosti RE. Pre každý zaťažovací stupeň sa určí hodnota modulu pružnosti, napr.

Modul pružnosti materiálu sa vypočíta ako priemerná hodnota;

Kde n je počet zaťažovacích stupňov.

Otázky: 1. Definujte pružnosť materiálu. 2. Nakreslite Charakteristiky pružnosti materiálu v ťahovom diagrame. 3. Čo je prieťahomer ? 4. Ako sa rozdeľujú prieťahomer podľa princípu ? 5. Definujte modul pružnosti materiálu. 6. Definujte technickú medzu pružnosti Rp0,005. 7. Aké veľké predĺženie umožňujú zväčšiť elektrické prieťahomery 8. Akú citlivosť majú elektrické prieťahomery ? 9. Medza pružnosti pre technické účely sa definuje ako ? 10. Medza pružnosti sa udáva ako ?

0

005,0005,0

S

FR p

p =

Obr.9.5 Postup určovania modulu pružnosti

∆L [mm] ∆L 0 ∆L3 ∆L2 ∆L1

F0

F1

F2

F3

RE

F [N]

0

01

0

01

1

L

LLS

FF

E∆−∆

−

=

n

EEEE n+⋅⋅⋅++

= 21


55

MERANIE MODULU PRUŽNOSTI A MEDZE PRUŽNOSTI

Referát č.9



Dátum:

Zadanie: 1. Na zvolenom materiále určite technickú medzu pružnosti Rp0,005 (Rr0,005) a modul pružnosti E

v ťahu. 2. Zvoľte vhodný postup merania, vhodný prieťahomer a trhací stroj. 3. Pripravte skúšobnú tyč ku skúške. 4. Zo získaného ťahového diagramu, alebo priamym meraním deformácie určite požadované

charakteristiky. 5. Namerané a vypočítané údaje zapíšte do tabuľky.

Tabuľka d0 = [mm] S0 = [mm2] L0 = [mm]

Deformácia Zaťažov. stupeň

F

[N]

R

[MPa] ∆∆∆∆Lc

[mm] ∆∆∆∆Lpl

[mm] ∆∆∆∆Lel

[mm] εεεεpl εεεεel

E

[MPa]

0 1 2 3

Hodnoty modulu pružnosti niektorých materiálov sú: železo – oceľ 2,05.105 MPa

meď 1,2.105 MPa hliník 0,7.105 MPa

54


55

Úloha č.4

téma 10 Skúška húževnatosti materiálov

56

TÉMA 10

SKÚŠKA RÁZOM V OHYBE

10.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je určiť húževnatosť materiálu pri rázovej ohybovej skúške. Zo skúšaného materiálu boli vyrobené skúšobné tyče s vrubom, ktoré na rázovom kladive budú prelomené. Zo spotrebovanej energie na porušenie sa určí rázova húževnatosť a vyhodnotí sa povrch lomu. Vykonaním skúšok pri záporných teplotách sa zistí náchylnosť na krehnutie materiálu. 10.2 Základné teoretické poznatky

Konštrukčné materiály okrem pevnostných vlastností mali by vykazovať dostatočnú húževnatosť, ako záruku proti krehkému porušeniu. Húževnatosť materiálu je mechanická vlastnosť, ktorá je integrálnou veličinou pevnosti a plastickosti. Predstavuje mechanickú energiu, ktorá sa spotrebuje na plastickú deformáciu materiálu. Pri ťahovej skúške je húževnatosť vyjadrená kombináciou pevnosti a tvárnosti a je daná plochou ťahového diagramu Wpl. Húževnatosť v tomto prípade je vyjadrená ako merná

spotrebovaná energia, kde: V0 je deformovaný objem skúšobnej tyče. Húževnatosť materiálov je veľmi závislá od podmienok namáhania, najmä od teploty, stavu napätosti a rýchlosti deformácie. V praxi na zistenie húževnatosti sa používa skúška rázom v ohybe, pri ktorej sa určuje spotrebovaná energia na porušenie tyče s vrubom. Pri skúške sa určuje rázová húževnatosť KC, ktorá je daná podielom nárazovej práce K a plochy priečneho prierezu tyče pod vrubom S0.

[J.cm-2]

Postup skúšky je predpísaný normou STN EN 10045-1. Vhodným doplnením výsledku skúšky rázovej v ohybe je vyhodnotenie lomovej plochy tyče po skúške. Spravidla sa vyhodnocuje podiel húževnatej časti lomu na celkovej lomovej ploche PHL v %-tách. Rázová húževnatosť ako kritérium odolnosti proti krehkému lomu má praktický význam v podobe prechodovej (tranzitnej) krivky, ktorá vyjadruje závislosť vrubovej húževnatosti od teploty. Znižovaním skúšobnej teploty v určitom teplotnom intervale poklesne húževnatosť z maximálnej hodnoty KCmax na minimálnu hodnotu. Tento interval sa nazýva prechodová oblasť a krivka, pri ktorej je tento pokles výrazný, prechodovou alebo tranzitnou krivkou. Na obr.10.1 je znázornená prechodová krivka nízkouhlíkovej ocele. Pri nízkych teplotách vzniká lom krehký s veľmi malou húževnatosťou KCmin a pri vyšších teplotách lom húževnatý s veľkou húževnatosťou. Strmá časť krivky v prechodovej oblasti tvorí rozmedzie medzi teplotami, pri ktorých dochádza k húževnatému, alebo krehkému porušeniu.

Prechodová teplota TT sa stanoví ako teplota, pri ktorej;

0V

Ww pl

pl =

0S

KKC =

2minmax KCKC

KCstr

+=


57

a.) hodnota rázovej húževnatosti zodpovedá jej strednej hodnote b.) KC má stanovenú absolútnu hodnotu, napr. KC = 35 J.cm-2

c.) lomová plocha má stanovený podiel húževnatého lomu, napr. PHL = 50 % Postup skúšky rázom v ohybe pri znížených teplotách upresňuje norma STN EN 10045-2.

.10.2 Skúšobné tyče a skúšobné prístroje

Tvar a rozmery skúšobných tyčí upresňuje norma STN EN 10045-1 a ich údaje, ako aj usporiadanie tyče pri skúške sú uvedené na obr.10.2. Rozmery, označenie skúšobných tyčí a označenie vrubovej húževnatosti podľa tvaru tyče sú uvedené v tab.10.1. Skúšky rázom v ohybe sa robia na kyvadlových kladivách (obr.10.3) s maximálnou nárazovou energiou 300 J a rýchlosti kladiva v okamžiku úderu od 5 m.s-1 do 5,5 m.s-1 . Na obr.10.3 je schéma kyvadlového kladiva Charpy. Kladivo K o hmotnosti G je v najvyššej polohe H zachytené západkou. Na podpory kladiva sa uloží skúšobná tyč T. Po uvoľnení západky kladivo padá, jeho potenciálna energia Wp = G.H sa mení

KC [J.cm-

2]

0

50

100

0

50

100

150

0 20 -20 -40 -60

KCmin

KCmax

KC

PHL

T [°C]

PHL [%]

KCstr

TTKC

TTPHL

Obr.10.1 Prechodová krivka nízkouhlíkovej ocele

VRUB U

R 1

VRUB V

R 0,25

45°

h

10

b

30°

55±0,6

1:5

40±0,5

Obr.10.2 Tvar a rozmery skúšobných tyčí


58

na energiu kinetickú Wk = 1/2 m.v2 . Kladivo prelomí tyč a prebytočnou energiou prekyvne na druhú stranu do výšky h. Spotrebovaná energia bude LK = G (H – h). Na stupnici S nám ručička ukáže veľkosť nárazovej práce LK, potrebnej na prelomenie skúšobnej tyče. Pre brzdenie spätného pohybu sa používa brzda. Novšie kyvadlové kladivá majú digitálny záznam nárazovej práce. Kyvadlové kladivá pre náročnejšie, najmä výskumnícke práce majú zariadenie na snímanie zaťažovacieho diagramu. Tabuľka 10.2

Označenie tyče

Tvar vrubu

Označenie vrubovej

húževnatosti

Šírka tyče b [mm]

Hĺbka vrubu h [mm]

STN EN 10045-1 KCU 2 10 ± 0,10 2 STN EN 10045-1 KCU 3 10 ± 0,10 3 STN EN 10045-1 KCU 10 ± 0,10 5 STN EN 10045-1

U

KCU 2/5 5 ± 0,05 2 STN EN 10045-1 V KCV 10 ± 0,10 2

Postup prác Na skúšobných tyčiach sa odmeria šírka b a výška pod vrubom a s presnosťou na 0,01 mm a vypočíta prierez S0. Skúšobné tyče, určené na skúšky pri zvolených teplotách sa vytemperujú v chladiacom zariadení, v ktorom je ochladzovacie médium. Väčšinou sa používa alkohol s nízkou teplotou tuhnutia, ktorý je ochladzovaný tuhým oxidom uhličitým CO2 (do teploty – 78°C), alebo tekutým dusíkom (do teploty – 196°C). Pri teplotách od 0 do –60°C oproti zvolenej teplote treba podchladiť o hodnotu 3 až 4°C a pod –60°C o hodnotu 4 až 6°C. Čas výdrže na teplote má byť najmenej 15 minút. Prenesenie tyče z chladiaceho zariadenia na podpery kladiva a prerazenie má byť čo najrýchlejšie (do 10 s). Skúšobná tyč sa položí na podpery tak, aby rovina súmernosti kladiva prechádzala osou vrubu s medznou úchylkou ± 0,2 mm. Po prelomení skúšobnej tyče sa odčíta na stupnici stroja veľkosť spotrebovanej energie a vypočíta rázová húževnatosť. Podľa normy STN EN 10045-1 pri jednej teplote sa musia oskúšať 3 tyče.

Otázky:

1. Definujte húževnatosť materiálov. 2. Napíšte vzťah pre výpočet rázovej húževnatosti. 3. Ako sa stanoví prechodová teplota ? 4. Skúšky rázom v ohybe sa robia na. 5. Napíšte vzťah pre výpočet potenciálnej energie. 6. Ak je tvar vrubu U, potom sa vrubová húževnatosť označuje. 7. Aká je s maximálnou nárazovou energiou kladiva ? 8. Ak chceme tyče ochladiť na teploty do –190°C použijeme ako chladiace médium. 9. Podľa normy sa musia pri jednej teplote skúšať minimálne. 10. Ak je tvar vrubu V, potom sa vrubová húževnatosť označuje.

T

S

K

Obr.10.3 Kyvadlové kladivo Charpy


59

SKÚŠKA RÁZOM V OHYBE

Referát č.10


Dátum:

Zadanie: 1. Zmerajte rozmery skúšobných tyčí. 2. Pripravte potrebné temperovacie zariadenie a kyvadlové kladivo. 3. Na pripravených skúšobných tyčiach určite rázovú húževnatosť materiálu a zistite vplyv teploty na húževnatosť. 4. Výsledky zapíšte do tabuľky. 5. Zostrojte tranzitnú krivku a určite prechodové teploty. Tabuľka

Rozmer [mm] KV [J]

KCV [J.cm-2]

PHL [%]

Poznámka Číslo tyče

ao[mm] bo[mm]

S0 [cm2]

Teplota [°C]


60

téma 11 Skúšky únavy materiálov

61

T É M A 11

SKÚŠKY ÚNAVY MATERIÁLOV

11.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je získať základné poznatky o odolnosti skúšaného kovu proti únave pri stanovenom spôsobe cyklického zaťaženia a informácie o metodike stanovenia medze únavy a časovej medze únavy. Skúšobný postup je normalizovaný podľa STN 42 0363.


Únava materiálu je jav, pri ktorom sa materiál namáhaný cyklickým zaťažením, alebo aj nepravidelne opakovaným zaťažením, porušuje už pri napätiach menších, ako sú napätia jeho pevnosti získané statickými skúškami. Cyklické zaťaženie je také, ktoré sa periodicky mení od hornej hodnoty po dolnú hodnotu

obr.11.1. Doba kmitu je najmenší časový úsek, počas ktorého sa opakuje rovnaký priebeh napätosti. Kmitočet (frekvencia) cyklického zaťaženia je daná počtom cyklov N za jednotku času. Každý pravidelný zaťažovací cyklus je určený týmito charakteristickými napätiami. Horné napätie σh, je algebraicky najväčšia hodnota cyklického napätia. Dolné napätie σn, je algebraicky najmenšia hodnota cyklického napätia. Stredné napätie σm, je priemerná hodnota algebraického súčtu horného a dolného

napätia: 2

nhm

σσσ

+=

Amplitúda (výkmit) napätia σa, je priemerná

hodnota algebraického rozdielu horného a dolného napätia:

2nh

a

σσσ

−±=

Súčiniteľ nesúmernosti cyklu r vyjadruje pomer dolného a horného napätia cyklu: R = h

n

σ

σ

Podľa veľkosti a znamienka stredného napätia σm a súčiniteľa nesúmernosti kmitu R je cyklické namáhanie obecne rozdelené do skupín, ktoré sú znázornené na obr.11.2.

Medza únavy je najvyššia amplitúda napätia pri určitom strednom napätí (σm

), ktoré materiál

teoreticky vydrží nekonečný počet cyklov. V praktickom poňatí medza únavy predstavuje medzné (najväčšie podľa absolútnej hodnoty) napätie, ktoré skúšobná tyč znesie bez porušenia počas určitého základného počtu cyklov Nc. Matematicky je to vyjadrené:

amc σσσσ +== max

Obr.11.1 Charakteristiky pravidelného striedavého kmitavého namáhania


62

Druh namáhania. Medza únavy sa skúša najčastejšie pri týchto spôsoboch namáhania:

a, V plochom ohybe, pri ktorom je skúšobná tyč namáhaná cyklicky premenlivým momentom, pôsobiacim v stále rovnakej rovine. Povrchové vrstvy skúšobnej tyče sú pri tom namáhané zaťažením striedavým ťah - tlak, pulzačným, alebo miznúcim.

b/ V ohybe za rotácie, pri ktorom rovina ohybového momentu rotuje vzhľadom ku skúšobnej tyči. Povrchové vrstvy tyče sú namáhané napätím striedavým súmerným v ťahu - tlaku.

c/ V krútení. pritom môže byť zaťaženie striedavé, súmerné, pulzačné, alebo miznúce.

d/ Kombinovaným namáhaním, napr. ohyb – krútenie a pod.

Skúšobné vzorky sa zo skúšaného materiálu odoberajú obdobným spôsobom ako pre ostatné mechanické skúšky (pozri STN 42 0305 a 42 0306).

Pre bežné laboratórne skúšky únavy sa používajú skúšobné tyče hladké a to buď s prierezom kruhovým, alebo nekruhovým (ploché skúšobné tyče).

Priemer skúšanej časti tyče s kru-hovým prierezom je v rozsahu 5 - 15 mm.

Vzhľadom na veľkú citlivosť medze únavy na mecha-nické a tepelné účinky pri obrábaní skúšobných tyčí, je treba pri výrobe tyčí zabrániť vzniku

spevnených povrchových vrstiev

Obr.11.2 Prehľad základných druhov cyklického namáhania

Obr. 11.3 Skúšobné stroje pre únavové skúšky


63

a vnútorných napätí. Obrábanie má byť trieskovým spôsobom neotupenými nástrojmi a s pomerne malými odbermi. Po brúsení má byť brúsená plocha dokonale hladká. Konečná úprava povrchu skúšobných tyčí sa robí leštením až na drsnosť povrchu Ra = 0,1 - 0,2 µm,

pričom na povrchu nesmú byť znateľné stopy po predchádzajúcom trieskovom opracovaní.

Pre skúšanie únavy sa používajú špeciálne stroje Obr.11.3, ktoré v skúšobnej tyči vyvodzujú periodicky premenlivé napätie s približne sínusovým priebehom, ktorého tvar možno naprogramovať.

Postup prác pre zistenie medze únavy

Pre zistenie jednej hodnoty medze únavy sa obvykle použije 14 skúšobných tyčí, ktoré sú rovnaké, čo do materiálu, akosti opracovania a rozmerov. U týchto tyčí sa zistí počet cyklov do porušenia pri odstupňovanom namáhaní a medza únavy sa určí zo zostrojenej Wöhlerovej krivky. Hodnota medze únavy sa u rôznych druhov ocele pohybuje od 150 - 800 MPa.

Pre mnohé ocele platí pritom vzťah: σoC = (0,4 - 0,5) Rm.

Pre približný odhad medze únavy je možno použiť empirický vzťah:

σoC = 0,3 R

m + 70 MPa - pre uhlíkové ocele,

σoC = 0,35 Rm

+ 70 MPa - pre legované ocele.

Namáhanie σ1 prvej skúšobnej tyče sa volí tak, aby došlo k lomu. Pritom sa vychádza z

uvedených približných pomerov očakávanej hodnoty medze únavy k medzi pevnosti v ťahu:

pre ocele možno použiť: σ1 = 0,6 Rm

pre zliatiny ľahkých kovov: σ1 = 0,4 Rm

U ďalších skúšobných tyčí sa napätie postupne znižuje (obvykle o 10 - 40 MPa) až sa zistí napätie, pri ktorom skúšobný tyč už vydrží základný počet cyklov N

C , ktorý je pre:

Ocele, liatiny, meď a jej zliatiny: NC = 1 . 107 cyklov.

Ľahké kovy a ich zliatiny: NC = 1 . 108 cyklov. Z nameraných údajov σ a N sa zostrojí Wöhlerova krivka (obr.11.4), z ktorej sa odčíta medza únavy σ

C. Presnosť zistenej hodnoty σ

C je zaručená

podmienkou, aby rozdiel medzi napätím tyče porušenej pri najmenšom napätí (bod 4 na obr.11.3) a napätím tyče, ktorá sa neporušila pri základnom počte cyklov NC (bod 5) nebol väčší, než sú nasledujúce hodnoty:

3 MPa, ak je medza únavy menšia ako 100 MPa,

5 MPa, ak je medza únavy od 100 do 200 MPa,

10 MPa, ak je medza únavy od 200 do 400 MPa,

15 MPa, ak je medza únavy nad 400 MPa.

Obr.11.4. Postup pri zostrojení únavovej krivky


64

Zistená medza únavy sa overí overovacou skúškou na jednej tyči pri napätí σ = σC - 10 MPa

(bod 6). Pri tejto skúške nesmie dôjsť k porušeniu tyče pri menšom počte cyklov než NC. Skúšobné tyče, u ktorých došlo k porušeniu v prechode pracovnej časti do upínacích hláv, alebo v mieste upnutia, sa neuvažujú. Krivka únavy sa obvykle znázorňuje v semilogaritmických súradniciach σ - log N (obr.11.5).

V tom prípade sa medza únavy posudzuje podľa zmeny únavovej krivky, ktorá nastáva pri nižšom počte cyklov než je NC a pre mnohé kovy má krivka únavy po takom zlome horizontálny smer. Hodnotu medze únavy, zistenú pri určitom spôsobe cyklického zaťaženia možno použiť aj pre iný spôsob cyklického zaťaženia v rámci vzťahov určených Smithovým diagramom, alebo približne podľa týchto údajov: Pre ocele približne platí:

σC = ( 0,7 - 0,8 ) σ oC a

σC = ( 0,5 - 0,6 ) σ oC

Pre liatiny: σC = ( 0,75 - 0,8 ) σ oC

V niektorých prípadoch napr. u leteckých motorov, sa nedimenzuje podľa medze únavy σC,

ale podľa časovej medze únavy. Časová medza únavy je definovaná ako napätie, ktoré materiál vydrží predpísaný počet cyklov.

Schéma únavového lomu a jeho štádií [4]

Na obr.11.6 je dokumentovaný únavový lom. Miesto A na obr.11.6b. je ohnisko vzniku lomu a oblasť označená písmenom D je oblasť samotného únavového lomu. Oblasť zvyškového lomu je označená písmenom G. Podľa charakteru lomu môžeme usudzovať, že lom vznikol pri namáhaní súčiastky ťahom, alebo jednostranným ohybom.

Obr.11.5 Únavové krivky v logaritmických súradniciach

G A D

G

b,

Obr.11.6 Únavový lom, a - makroskopický vzhľad, b - fotografia únavového lomu


65

Otázky: 1. Čo je časová medza únavy ? 2. Vymenujte faktory, ktoré vplývajú na medzu únavy. 3. Definujte medzu únavy. 4. Nakreslite charakteristiky pravidelného striedavého kmitavého namáhania. 5. Aké druhy namáhania poznáte ? 6. Súčiniteľ nesúmernosti cyklu r sa vypočíta ? 7. Definujte cyklické zaťaženie. 8. Nakreslite Wöhlerovú krivku. 9. Definujte kmitočet. 10. Definujte horné napätie.

SKÚŠKY ÚNAVY MATERIÁLOV

Referát č.11


Dátum:

Zadanie:

1. Pri únavových skúškach za týchto podmienok: symetrické zaťažovanie v ťahu – tlaku, materiál oceľ 12 010 veľkosť zrna d = 0,011 mm sme získali výsledky uvedené v tabuľke. Stanovte medzu únavy materiálu a nakreslite Wöhlerovú krivku daného materiálu.

Tabuľka

σσσσa [MPa] 258 260 265 270 280 300 300 300 300 300

N [105] 123 126 124 135 148 152 153 153 153 153


66

2. Definujte ako vplýva skúšobná teplota, veľkosť zrna, súčiniteľ nesúmernosti cyklu, prítomnosť vrubu, stav

povrchu, tepelné spracovanie, chemicko – tepelné spracovanie, plastická deformácia a druh materiálu na hodnoty medze únavy.

ÚLOHA

MATERIÁL

PODMIENKY

SKÚŠANIA

MEDZA ÚNAVY

SLEDOVANÝ

FAKTOR

VLYV

701 T = 20°C 306 702 oceľ EI 395 T = +500°C 297 teplota do + 703 po TS T = +600°C 269 704 dZ = 0,011 mm 212 veľkosť 705 oceľ 12 010 dZ = 0,02 mm 196 zrna 706 dZ = 0,073 mm 180 707 Ti oceľ T = +20°C 565 teplota do - 708 T = -196°C 1036 709 R = 0,5 341 súčiniteľ 710 oceľ R = 0 525 nesúmernosti 711 R = -1 701 cyklu 712 oceľ Ø = 7 mm 446 prítomnosť 713 X22

CrMoV12.1 Ø = 10 mm + vrub 128 vrubu

714 nitridovaný + zušľachtený

880 stav povrchu +

715 zušľachtená oceľ

guličkovaný + zušľachtený

640 tepelne spracovanie

716 zušľachtený 545 717 pružinová oceľ zušľachtený na

39~42 HRC + guličkovaný

207

718 50MnSi7 zušľachtený na 39~42 HRC

148 stav povrchu

719 εpl = 0% 570 plastická 720 oceľ 40Ch εpl = 2,4% 540 deformácia 721 εpl = 2,8% 460 722 Molybdén K 8 321 723 Tantal K 8 271 724 Niob K 8 226 druh materiálu 725 Cobalt K 12 163

téma 12 Skúšky tečenia pri vyšších teplotách

67

TÉMA 12

SKÚŠKY TEČENIA PRI VYŠŠÍCH TEPLOTÁCH

12.1 Cieľ

Cieľom cvičenia je na základe výsledkov dlhodobých skúšok získať základné poznatky o chovaní sa kovu namáhaného dlhodobým statickým zaťažením pri vyšších teplotách a precvičiť metodiku určenia medze tečenia a medze pevnosti pri tečení. 12.2 Základné teoretické poznatky

Pri prevádzke strojných súčiastok a zariadení sa nevyhneme vplyvu namáhania pri vyšších teplotách. Je to prevažne energetická, letecká, raketová, chemická ale aj iná technika. Materiály používané za vyšších teplôt sa nazývajú žiarupevné materiály a sú to hlavne vysokolegované žiarupevné ocele a žiarupevné zliatiny iných kovov. Ide o materiály, ktoré sú niekoľkonásobne drahšie ako ocele obvyklých akostí.

Tečenie je pomalá plastická deformácia materiálu, vyvolaná dlhodobým pôsobením konštantného napätia a stálej teploty. Priebeh tečenia je znázornený na obr. 12.1. Úsek 01 odpovedá okamžitej deformácii pri zaťažení, úsek I primárnemu tečeniu, úsek II sekundárnemu a úsek III terciálnemu tečeniu ktoré končí lomom. Pri stanovení životnosti konštrukcii je potrebné získať údaje o medzi tečenia a medzi pevnosti pri tečení. 12.3. Skúška medze tečenia

Medza tečenia RT je napätie, ktoré počas danej

doby a pri danej teplote spôsobí určitú veľkosť pomerného trvalého predĺženia skúšobnej tyče. Najčastejšie je to 1% trvalá deformácia za 104 hod.

Pre skúšky tečenia sa používajú hladké skúšobné tyče, obvykle kruhového prierezu s priemerom do ≥ 4 mm. Najmenšia meraná dĺžka tyče má byť: - u tyčí s kruhovým prierezom 00 .5,2 dL =

- u tyčí s nekruhovým prierezom 00 8,2 SL =

Hlavy kruhových skúšobných tyčí sú najčastejšie závitové. Medzi hlavami a skúšanou časťou tyče musí byť plynulý prechod. Drsnosť povrchu má byť: Ra = 0,8 µm. O rozmerových toleranciách tyčí platí ustanovenie normy STN 42 0311. Pre určenie RT sú potrebné minimálne 3 skúšobné tyče. Medza tečenia sa skúša najčastejšie pri jednoosovom zaťažení. Pre tento účel sa používajú zvláštne skúšobné stroje (tzv. creepové stroje), u ktorých sa zaťaženie vyvodzuje závažím cez mechanický (pákový) prevod. Pre skúšku medze tečenia musia byť známe tieto hlavné podmienky skúšky: a, skúšobná teplota b, kritérium pre meranie deformácie skúšobnej tyče, to znamená, že rýchlosť tečenia, meraná

v určitom časovom úseku trvania skúšky, alebo veľkosť pomernej trvalej deformácie po skončení skúšky, trvajúcej určitú, vopred stanovenú dobu,

c, celková skúšobná doba.

Obr.12.1 Krivka tečenia


68

Skúšobné napätie sa volí s ohľadom na druh skúšaného materiálu, jeho štruktúru a podmienky skúšky. Pre približné stanovenie predpokladanej hodnoty medze tečenia skúšaných ocelí možno použiť známe hodnoty RT iných ocelí s približne rovnakým, alebo podobným chemickým zložením. Ohrev skúšobnej tyče na skúšobnú teplotu sa uskutočňuje v nezaťaženom stave. Ohrev má byť pozvoľný a má trvať najmenej 1 hodinu. Skúšobná tyč nesmie byť pritom ohriata nad skúšobnú teplotu. Po ohreve má pred zaťažením tyče prebiehať vyrovnávacia doba na vyregulovanie teploty. Dĺžka tejto doby nezávisí od druhu materiálu a býva obvykle od 16 do 24 hod. Počas skúšobnej doby musí byť skúšobná tyč udržiavaná na skúšobnej teplote rovnomerne po celej meranej dĺžke. Rozdiely teploty po dĺžke tyče a počas skúšobnej doby nesmú byť väčšie než: ± 3°C pri teplotách do 600°C , ± 4°C pri teplotách od 600 do 800°C ± 6°C pri teplotách na 800°C V priebehu skúšky musí byť výška teploty priebežne zaznamenávaná, alebo sa zisťuje dostatočným počtom meraní. Za skúšobnú teplotu sa považuje priemerná hodnota všetkých meraní. Zaťažovanie skúšobnej tyče s upnutým prieťahomerom má byť plynulé, bez rázov. Aby sa overila funkcia prieťahomeru, má sa skúšobná tyč pred plným skúšobným zaťažením zaťažiť na niekoľko minút predpätím, rovnajúcim sa najviac 10 % skúšobného napätia a potom úplne, alebo čiastočne odľahčiť. Meranie deformácie má byť s presnosťou na 1% celkovej deformácie pri tečení. Plastická deformácia, ktorá vznikla už behom zaťažovania skúšobnej tyče, musí byť pripočítaná k celkovému tečeniu, nameranému počas trvania skúšky. Veľkosť tejto plastickej deformácie εpl možno zistiť dvoma spôsobmi: a, výpočtom pružnej deformácie (εe) a jej odčítaním od celkovej deformácie (εc) pri

skúšobnom napätí: Ecpl

1σεε −=

kde: σ1 - skúšobné napätie E - modul pružnosti skúšaného materiálu pri skúšobnej teplote. Hodnota modulu pružnosti ocele klesá so stúpajúcou teplotou, preto sa jeho hodnota musí pre danú teplotu zvlášť stanoviť. b, veľkosť plastickej deformácie, ktorá vzniká pri zaťažovaní možno zistiť tiež stupňovitým zaťažením, pričom sa pri každom stupni odčíta údaj prieťahomeru a merané hodnoty sa vynesú do diagramu, obr. 12.2. Hodnota plastickej deformácie (εpl) sa odčíta z tohto grafu.

Obr.12.2 Určenia plastickej deformácie Obr.12.3 Hodnoty t1% stanovené z kriviek tečenia pre rôzne skúšobné napätia Výsledkom skúšky je krivka tečenia z ktorej určíme pri danom napätí 1% deformáciu (t1%). Na obr.12.3 sú schematicky znázornené krivky tečenia pri napätiach σ1, σ2 a σ3. Zo

Nap

ätie

R1 T = konšt.

R1< R2< R3 R3

R2

R1

ε pl

[%

] ε

pl =

1%


69

získaných hodnôt rôznym spôsobom môžeme určiť medzu tečenia. Na obr.12.4 je graficky znázornená závislosť σ – t1% . Z tejto závislosti môžeme pre danú teplotu odčítať RT.

Medza tečenia sa označuje: Značkou Pri namáhaní v RTt ťahu RTd tlaku RTo ohybe τT krútení

Obr.12.4 Závislosť napätie - čas do 1% deformácie Táto značka sa doplňuje u skúšok dlhodobých: časom trvania skúšky v hodinách, pomerným trvalým predĺžením v % L0 a skúšobnou teplotou v °C. Čísla značiek sa udávajú bez rozmerov. Napr. medza tečenia v ťahu určená po desaťtisíc hodinách pri 1 % trvalého predĺženia pri teplote 600°C sa označí: RTt 10000/1/600 - [MPa], alebo RTt104/1/600 - [MPa]. 12.4. Skúška medze pevnosti pri tečení Medza pevnosti pri tečení RmT je napätie, ktoré keď trvalo pôsobí na skúšobnú tyč pri danej teplote spôsobí porušenie tyče po určitom čase, obvykle 104 hod. Skúša sa najčastejšie pri jednoosom ťahovom namáhaní. Postup pri skúške je stanovený normou STN 42 0351. Pri skúške sa skúšobná tyč ohreje na skúšobnú teplotu, pri tejto teplote sa zaťaží stálou silou a meria sa doba do pretrhnutia (lomu) skúšobnej tyče.

Napätie na medzi pevnosti pri tečení má dohovorený charakter a vyjadruje sa:

0S

FR mT = [MPa]

kde: F - skúšobné zaťaženie tyče v N, ktoré spôsobí porušenie tyče pri predpísanom čase napr. 104 hod. So - pôvodný prierez skúšobnej tyče v mm2. Okrem toho sa po pretrhnutí skúšobnej tyče meria ťažnosť a kontrakcia. Skúšobné tyče pre skúšku medze pevnosti pri tečení sú obvykle s kruhovým prierezom so závitovými upínacími hlavami. Meraná dĺžka tyče má byť : L0 = 2,5d0 kde: d0 – pôvodný prierez skúšobnej tyče. a,

R3 R2 R1 RTt104/1/T log R [MPa]


70

b,

Obr.12.5 Tvar a spôsob spájania skúšobných tyčí

Pre urýchlenie skúšky sa s výhodou používa tzv. viacnásobných skúšobných tyčí, pozostávajúcich z niekoľkých pracovných častí o rôznych prierezoch (obr.12.5). Jednotlivé pracovné časti sú buď v jednom celku (obr.12.5a), alebo sú to samostatné skúšobné tyče o rôznych pracovných priemeroch (d1 < d2 < d3 atď.) navzájom pospájané závitovými spojkami (obr.12.5b). Tým sa získa jedným zaťažením viac skúšobných napätí (R1> R2 > R3). Po roztrhnutí pracovnej časti tyče o najväčšom napätí sa zvyšná časť viacnásobnej tyče zachytí o ďalšiu upinaciu hlavu a skúška pokračuje ďalej. Nutné prerušenie zaťaženia pri roztrhnutí každej skúšobnej tyče v podstate neovplyvňuje výsledok skúšky.

Keď sa použije viacnásobná tyč, musí byť zabezpečená rovnaká teplota po celej dĺžke a teplota musí byť meraná na koncoch a v prostriedku ohrievacej pece. Skúšobné zariadenie ako aj postup pri ohreve a zaťažovaní skúšobnej tyče so v podstate

rovnaké ako pri skúškach medze tečenia. Skúšobné zaťaženie sa volí podľa druhu skúšaného materiálu, podľa výšky skúšobnej teploty a predpokladanej teploty do lomu. Výsledkom skúšky sú zistené doby do lomu (napr. tf

1, tf2, tf

3) pri skúšobných napätiach R1, R2 a R3. Zvolenou metodikou vyhodnotíme medzu pevnosti pri tečení RmT. Na obr.12.6 je schematický extrapoláciou vyhodnotená RmT. Zistená medza pevnosti pri tečení sa označí značkou RmT, ktorá sa ešte doplní: a, spôsobom namáhania: v ťahu RTPt v tlaku RTPd

v ohybe RTPo

v krútení τTP b, dobou trvania skúšky v hodinách c, skúšobnou teplotou v °C.

Hodnoty týchto údajov sa uvádzajú bez rozmerov, napr.: medza pevnosti pri tečení v ťahu, určená po 10 000 hod. pri skúšobnej teplote 750 °C sa označí: RmT10 000/750 - [ MPa], alebo RmT104/750 - [ MPa ].

Obr.12.6 Spôsob určenia medze pevnosti v tečení

R3 R2 R1 RTt104/T log R [MPa]


71

Pre stanovenie životnosti daného materiálu pri rôznych teplotách a napätiach sa zostrojuje diagram životnosti z výsledkov skúšok RmT pre viaceré teploty a napätia. Príklad takéhoto diagramu ocele STN 15 225 je na obr.12.7. Obdĺžniková oblasť diagramu, ohraničená silnými čiarami predstavuje doporučený rozsah teplôt a napätí v prevádzke daného materiálu.

Otázky:

1. Definujte tečenie. 2. Definujte medzu pevnosti pri tečení. 3. Nakreslite krivku tečenia a vyznačte jednotlivé úseky. 4. Definujte medzu tečenia. 5. Napätie na medzi pevnosti pri tečení má dohovorený charakter a vyjadruje sa. 6. Ktoré hlavné podmienky skúšky pre skúšku medze tečenia musia byť známe ? 7. Aká má byť najmenšia meraná dĺžka tyče u tyčí s kruhovým prierezom pri medzi

tečenia ? 8. Z akých hodnôt je zostrojený diagram životnosti oceli ? 9. Vysvetlite značku RmT5 000/650. 10. Vysvetlite značku RTt8000/2/500.

Obr.12.7 Diagram životnosti žiarupevných ocelí

Obr.12.8 Creepové pece


72

SKÚŠKY TEČENIA PRI VYŠŠÍCH TEPLOTÁCH

Referát č.12


Dátum:

Zadanie: 1. Zmerajte príslušné rozmery na roztrhnutej vzorke. Pomocou ťahových diagramov vyhodnoťte Rp0,2, Rm, A5,

Z, ocele KODUR 70 pri danej teplote. Vypočítané hodnoty zapíšte do tabuľky. 2. Nakreslite teplotné závislosti základných mechanických charakteristík pri zvýšených teplotách

a zdôvodnite ich priebeh.

Úloha 1

Tabuľka

Rozmery skúšobných tyčí

Pred skúškou Po skúške

Číslo skúš. tyče

d0 a0xb0

[mm]

S0

[mm2]

L0

[mm]

dU aUxbU

[mm]

SU

[mm2]

LU

[mm]

Fe Fp0,2

[N]

Fm

[N]

Re

Rp0,2

[MPa]

Rm

[MPa]

A(...)

[%]

Z

[%]

Úloha 2 OZNAČENIE

VZORKY TEPLOTA

[°C] Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] Z [%]

2 - 13 20 2 - 14 100 2 - 11 2 - 12 200 2 - 1 2 - 2 250 2 - 3 2 - 4 300 2 - 5 2 - 6 350 2 - 7 2 - 8 400 2 - 9


73

74

Literatúra 1. BURŠÁK,M.-MICHEĽ,J.: Náuka o materiáli II, ALFA Bratislava, 1982 2. HIDVÉGHY,J.-DUSZA,J.: Nekovové konštrukčné materiály, Technická univerzita

v Košiciach, OTA, a.s., 1998 3. MARTINEC,Ľ.-ŠIMKOVIČ,M.: Náuka o materiáloch, STU v Bratislave 1997 4. MICHEĽ,J.-HIDVÉGHY,J.-SINKA,V.: Náuka o materiáli, Návody na cvičenia, ALFA

Bratislava, 1989 5. MICHEĽ,J.: Náuka o materiáli II, ALFA Bratislava, 1981 6. PULC,V.-HRNČIAR,V.-GONDÁR,E.: Náuka o materiáli I, STU v Bratislave, 1999 7. PUŠKÁR,A.-MICHEĽ,J.-PULC,V.: Náuka o materiáli, ALFA Bratislava, 1980 8. RODZIŇÁKOVÁ,O.-GRUTKOVÁ,J.-MIŠIČKO,R.: Náuka o kovoch, Návody na

cvičenia, ALFA Bratislava, 1987 9. SKOČOVSKÝ,P.-BOKŮVKA,O.-PALČEK,P.: Náuka o materiáli, Edičné stredisko

VŠDS Žilina, 1986 10. VARKOLY,L.-KOVÁČ,P.-BELKO,D.-TAINOVÁ,Š.: Technické plasty, výroba,

spracovanie a skúšanie, VŠDS v Žiline, 1995 11. VELES,P.: Mechanické vlastnosti a skúšanie kovov, ALFA Bratislava, 1985 12. ZÁBAVNIK,V.: Tepelné spracovanie kovov, Edičné stredisko VŠT Košice, 1974 13. BRANDES, E.A.-BROOK,G.B.: Smithells Metals References Book, seven edition,

Oxford 1992, ISBN 0750610204 14. SKOČOVSKÝ,P.-BOKŮVKA,O.-KONEČNÁ,R.-TILLOVÁ,E.: Náuka o materiáli pre

odbory strojnícke, EDIS Žilina, 2001 15. VARKOLY.L.: Náuka o materiáli I, Žilina, 1997 16. SKOČOVSKÝ,P.-BOKŮVKA,O.-KONEČNÁ,R.-TILLOVÁ,E.: Náuka o materiáli pre

odbory strojnícke, EDIS Žilina, 2006

75

Zoznam vybraných noriem I. Základné pojmy, veličiny a jednotky pri mechanickom skúšaní kovov STN 01 1302 Veličiny a jednotky v mechanike tuhých a poddajných telies STN 42 0305 Odber a spracovanie skúšobných vzoriek pre mechanické skúšanie kovov II. Skúšobné tyče na mechanické skúšky kovov STN 42 0311 Skúšobné tyče pre skúšku ťahom. Základné ustanovenie STN 42 0312 Skúška ťahom za vyšších teplôt STN 42 0313 Skúška ťahom za znížených teplôt STN 42 0314 Skúšobné tyče kruhové k upínaniu krúžkami na skúšku ťahom STN 42 0315 Skúšobné tyče kruhové s hladkými valcovými hlavami na skúšky ťahom STN 42 0316 Skúšobné tyče kruhové so závitovými hlavami na skúšku ťahom STN 42 0317 Skúšobné tyče kruhové s osadenými hlavami na skúšku ťahom STN 43 0319 Skúšobné tyče ploché hrúbky od 4 do 50 mm na skúšku ťahom STN 42 0320 Skúšobné tyče ploché hrúbky od 0,10 pod 4 mm na skúšky ťahom STN 42 0321 Skúšobná tyč plochá so stálou meranou dĺžkou na skúšku ťahom III. Základné mechanické skúšky kovov STN EN ISO 6892-1 (42 0310) Skúška ťahom časť1. skúška ťahom pri teplote okolia STN 42 0342 Skúška pevnosti v strihu STN 42 0343 Skúška pružnosti v ohybe zistením trvalej deformácie STN 42 0345 Skúška medze pružnosti v ťahu IV. Skúška na únavu STN 42 0362 Základné pojmy a značky STN 42 0363 Metodika skúšania STN 42 0368 Štatistické vyhodnocovanie výsledkov skúšok únavy kovov V. Skúšky húževnatosti STN 42 0381 Skúška rázom v ohybe pri normálnej teplote STN 42 1382 Skúška rázom v ohybe pri znížených teplotách STN 42 0383 Skúška rázom v ohyhe pri zvýšených teplotách STN 42 0385 Skúška náchylnosti ocele k starnutiu po plastickej deformácii za studena VI. Skúšky odolnosti proti krehkému porušeniu STN 42 0346 Stanovenie prechodovej teploty konštrukčných ocelí skúškou rázom v ohybe veľkých telies pôvodnej hrúbky STN 42 0347 Skúška lomovej húževnatosti KIc kovov pri rovinnej deformácii STN 42 034A Stanovenie kritického rozovretia v koreni trhliny δc pri statickom namáhaní STN 42 0349 Stanovenie teploty nulovej húževnatosti konštrukčných ocelí VIII. Skúšky tvrdosti STN 25 0256 Tvrdomery pre skúšky podľa Brinella STN 25 0257 Tvrdomery pre skúšky podla Rockwella STN 25 0258 Tvrdomery pre skúšky podľa Vickersa STN 25 0259 Tvrdomerné doštičky Brinell. Všeobecné požiadavky STN 25 0260 Tvrdomerné doštičky Rockwell. Všeobecné požiadavky STN 25 0261 Tvrdomerné doštičky Vickers. Všeobecné požiadavky STN 25 0263 Vnikacie telesá Rockwell "C" STN 25 0264 Vnikacie telesá Vickers STN 25 0270 Tvrdomery pre skúšky metódou Rockwell - N, T. Všeobecné požiadavky STN 25 0271 Tvrdomerné doštičky Rockwell - N, T. Všeobecné požiadavky STN 2130 Porovnanie čísel tvrdosti podľa Brinella, Vickersa, Rockwella (stredné hodnoty) s pevnosťou ocelí

76

ISO 6506, ISO 410 Skúška tvrdosti podľa Brinella STN 10003 – 1 až 3 Skúška tvrdosti podľa Brinella STN 42 0358 Skúška tvrdosti podľa Brinella pri teplotách do 400°C STN 42 0371 Skúška tvrdosti podľa Brinella STN 42 0372 Skúška tvrdosti podľa Rockwella. Stupnica N a T STN 42 0373 Skúška tvrdosti podľa Rockwella. Stupnica A, B a C STN ISO 6507-1 a 2 Skúška tvrdosti podla Vickersa STN 42 0374 Skúška tvrdosti podla Vickersa STN 42 0375 Skúška mikrotvrdosti podľa Vickersa STN 42 0379 Porovnávacie tabuľky tvrdosti pre oceľ IX. Zariadenie na mechanické skúšanie kovov STN 25 0251 Trhacie stroje a lisy STN 25 0252 Stroje pre skúšky tečenia v ťahu. Overovanie STN 25 0254 Meracie zariadenie a prístroje pre skúšanie materiálu. Kyvadlové kladivá. Overovanie STN 25 0255 Etalónové silomery X. Skúšky zvarových spojov STN 05 0043 Skúšanie mechanických vlastností natvrdo spájkovaných spojov. Skúšanie pev-nosti v ťahu STN 05 0044 Skúšanie mechanických vlastností spájkovaných spojov. Skúšanie pevnosti v šmyku STN 05 1120 Mechanické skúšanie zvarových spojov. Základné ustanovenia STN 05 1121 Skúška ťahom tupých zvarových spojov STN 05 1122 Skúška ťahom bodových a prievarkových zvarových spojov STN 05 1123 Skúška ťahom švových zvarových spojov STN 05 1124 Skúška lámavosti tupých zvarových spojov STN 05 1125 Skúška rázom v ohybe zvarových spojov ocelí STN 05 1130 Mechanické skúšky zvarových spojov tyčí pre výstuž do betónu STN 05 1131 Skúška ťahom tyčí na výstuž so zvarovými spojmi STN 05 1132 Skúška lámavosti tyčí na výstuž so zvarovými spojmi STN 05 11 33 Skúška pevnosti v šmyku bodových zvarov tyčí na výstuž STN 05 1134 Skúška tvrdosti podľa Vickersa tyčí na výstuž vo zvarovom spoji STN 05 1173 Klasifikácia akosti zvarových spojov skúšaných ultrazvukom podľa STN 05 1172 STN 05 1305 Klasifikácia zvarov podľa rádiogramov STN EN 10002-1 Skúška ťahom pri teplote okolia STN EN 10002-5 Skúška ťahom pri zvýšenej teplote STN EN 10045-1 Skúška rázom v ohybe STN EN ISO 6506-1 Skúška tvrdosti podľa Brinella STN EN ISO 6508-1 Skúška tvrdosti podľa Rockwella STN EN ISO 6507-1 Skúška tvrdosti podľa Vickersa STN EN ISO 377 Umiestnenie a príprava vzoriek a skúš. telies ma mechanické skúšky STN ISO 7438 Skúška lámavosti STN EN ISO 527-1 Stanovenie ťahových vlastností STN EN ISO 178 Stanovenie ohybových vlastností STN EN 10232 (42 0410) Skúška rúr ohybom STN EN 10233 (42 0411) Skúška rúr stáčaním STN EN 10234 (42 0412) Skúška rúr rozširovaním

77

STN EN ISO 377 (42 0329) Oceľ a výrobky z ocele. Umiestnenie a príprava vzoriek a skúšobných telies na mechanické skúšky ( ISO 377: 1997 + TC1: 1997) STN EN 10002 – 5 (42 0312) Kovové materiály, Skúška ťahom, 5. časť: Skúška ťahom pri zvýšenej teplote. STN EN 876 (05 1136) Deštruktívne skúšky zvarov kovových materiálov, Skúška ťahom zvarového kovu tavných zvarových spojov v pozdĺžnom smere. STN EN 895 ( 05 1121) Deštruktívne skúšky zvarov kovových materiálov, Skúška ťahom zvarového spoja v priečnom smere. STN EN 10109 – 3 (42 0376) Kovové materiály – Skúška tvrdosti, Časť 3: kalibrácia normalizovaných telies používaných v Rockwellových tvrdomeroch (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) STN EN 10109 – 2 (42 0373) Kovové materiály – Skúška tvrdosti, Časť 2: Overovanie Rockwellových tvrdomerov (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) STN EN 10109 – 1 (42 0372) Kovové materiály – Skúška tvrdosti, Časť 1: Rockwellová skúška pri malom zaťažení (stupnice 15N, 30N, 45N, 15T, 30T, 45T) STN ISO 6507 – 1 (42 0374) Kovové materiály - Skúška tvrdosti podľa Vickersa, Časť 1: HV5 až HV100 STN ISO 409 – 2 (42 0374) Kovové materiály – Tabuľky tvrdosti podľa Vickersa, Časť 2: HV 0,2 až HV menej ako 5. STN ISO 7438 ( 42 0401) Kovové materiály – Skúška lámavosti STN ISO 4964 (42 0379) Oceľ – Porovnávacie diagramy tvrdosti STN EN 10045 – 1 (42 0381) Kovové materiály – Skúška rázom v ohybe, 1.časť: metóda skúšania. STN EN 875 (05 1125) Deštruktívne skúšky zvarov kovových materiálov. Skúška rázom v ohybe, umiestnenie skúšobných tyčí, orientácia vrubu a skúšanie

Documents

Úvod do materialového inžinierstva - web.tuke.skweb.tuke.sk/hf-knom/content/studenti/predmety/nom_sjf/uvod_do... · téma 1 Kryštalická stavba kovov 6 obmedzenému po čtu sklzných