ÚVOD DO MATERIÁLOVÉHO INŽINIERSTVA

Transcript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH. ÚVOD DO MATERIÁLOVÉHO INŽINIERSTVA Doc. Ing. Mária Mihaliková, PhD. Košice 2013

2 ISBN

3 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH. ÚVOD DO MATERIÁLOVÉHO INŽINIERSTVA Doc. Ing. Mária Mihaliková, PhD. Košice 2013

4 Vydanie I ISBN

5 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

6 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

7 téma 1 Kryštalická stavba kovov TÉMA Cieľ: KRYŠTALICKÁ STAVBA KOVOV 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. 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 Obr.1.3 Uloženie atómov v tvorenú 14 atómami. Chýbajú tri atómy v strede tetragonálnej mriežke 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 5

8 téma 1 Kryštalická stavba kovov 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 a o (b o c o ) - 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 6

9 téma 1 Kryštalická stavba kovov 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 7

10 téma 1 Kryštalická stavba kovov 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. 8

11 téma 1 Kryštalická stavba kovov 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. 9

12 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

13 téma 2 Štúdium makroštruktúry kovov Obr.2.2 Baumannov odtlačok prierezu koľajnice Obr.2.1 Trhlina vo zvarovom spoji Chemickú nerovnorodosť môžeme zistiť leptaním (roztok HNO 3 ) 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 H 2 SO 4 (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 + H 2 SO 4 = FeS0 4 + H S S MnS + H 2 SO 4 = MnS0 4 + H 2 S H 2 S pôsobí na emulziu fotografického papiera: 2 AgBr + H 2 S = 2 HBr + Ag 2 S a Ag 2 S 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

14 téma 2 Štúdium makroštruktúry kovov - Povrch vzorky namočíme do leptadla na dobu cca 5-10 minút. Ako leptadlo môžeme použiť zriedenú HCl, nital (2 %-ný roztok HNO 3 v metylalkohole), % 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). 3 2 a b c 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

15 téma 2 Štúdium makroštruktúry kovov 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. Úloha 1 2. Metódou hlbokého leptania pripravte zvarový spoj, nakreslite ho, popíšte jednotlivé oblasti zvarového spoja. 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 Koľko je húseniek? 6. Šírka TOO...mm 7. Chyby vo zvare... 13

16 téma 3 Mikroskopické štúdium štruktúry kovov 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 Al 2 O 3, Cr 2 O 3, MgO atď.). Vyvolanie štruktúry robíme leptaním. Najčastejšie používame chemické leptanie. Najbežnejším používaným leptadlom pre ocele a liatiny je nital (2 % roztok HNO 3 v etylalkohole). Obr.3.1 Rôzne naleptanie jednotlivých štruktu - rálnych zložiek, šípky smer dopadu svetla Obr.3.2 Naleptanie hraníc zŕn kovu Obr.3.3 Plošné leptanie 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 14

17 téma 3 Mikroskopické štúdium štruktúry kovov 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 = Z obj. Z okul 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 15

18 téma 3 Mikroskopické štúdium štruktúry kovov 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) 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.

19 téma 3 Mikroskopické štúdium štruktúry kovov 3.4 Pomôcky Fotografie rôznych typov mikroštruktúr Obr.3.9 Zmiešaná štruktúra, lamelárna zv. 200x Obr.3.10 Ostrovková štruktúra, zv. 100x Obr.3.11 Sieťová štruktúra, zv. 200x Obr.3.12 Ihlicovitá štruktúra, zv. 500x Obr.3.13 Riadkovitá štruktúra, zv. 200x Obr.3.14 Globulárna štruktúra, zv. 500x 17

20 téma 3 Mikroskopické štúdium štruktúry kovov 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? Referát č.3 MIKROSKOPICKÉ ŠTÚDIUM ŠTRUKTÚTY KOVOV Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov: Dátum: Zadanie: 1. Na základe pozorovania na metalografickom mikroskope, určite typ štruktúry. Štruktúru nakreslite. Vypočítajte zväčšenie optického mikroskopu pri pozorovaní. Zv = Zv obj. x Zv okul. Typ štruktúry: Leptadlo:... Zv:... 18

21 téma 2 Štúdium makroštruktúry kovov 2. Nakreslite mikroštruktúru na fotografii a určite jej typ. Typ štruktúry: Leptadlo:... Zv:... 19

22 téma 4 Štúdium subštruktúry a vnútornej stavby kovov 4.1 Cieľ TÉMA 4 ŠTÚDIUM SUBŠTRUKTÚRY A VNÚTORNEJ STAVBY KOVOV Cieľom cvičenia je zoznámiť sa s možnosťou štúdia subštruktúr pomocou elektrónových mikroskopov. 4.2 Základné teoretické poznatky 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 a b Obr.4.1 a, Schéma funkcie transmisného elektrónového mikroskopu, b, transmisný elektrónový mikroskop. 20 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.

23 téma 4 Štúdium subštruktúry a vnútornej stavby kovov zmenou budiaceho prúdu projektorových šošoviek môžeme dosiahnuť rôzny stupeň zväčšenia, u objektívu zaostrenia. Pri optimálnom urýchľovacom napätí kV je zaručená rozlišovacia schopnosť 0,1-0,3 nm. Priame maximálne zväčšenie je x. 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 x. 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.4.3 Fotografia z rastrovacieho mikroskopu, lomová plocha, 400x Obr.4.4 Fotografia z rastrovacieho mikroskopu, lomová plocha, 1600x 21

24 téma 4 Štúdium subštruktúry a vnútornej stavby kovov Obr.4.5 Fotografia z transmisného elektrónového mikroskopu, dislokácie Obr.4.6 Fotografia z transmisného elektrónového mikroskopu, precipitáty 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? Referát č.4 ŠTÚDIUM SUBŠTRUKTÚRY A VNÚTORNEJ STAVBY KOVOV Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov: Dátum: Zadanie: 1. Rozhodnite, ktorá z fotografii je fotografiou: - makroštruktúry - mikroštruktúry - subštruktúry uhlíková replika - subštruktúry - tenká fólia - snímka z rastrovacieho elektrónového mikroskopu 22

25 téma 5 Termická analýza, konštrukcia rovnovážnych diagramov zliatin 5.1 Cieľ TÉMA 5 TERMICKÁ ANALÝZA, KONŠTRUKCIA ROVNOVÁŽNYCH DIAGRAMOV ZLIATIN 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 T t. Ak budeme sledovať zmenu teploty v závislosti od času pri konštantnom odvode množstva tepla z objemu kovu, získame krivku ochladzovania (tuhnutia) znázornenú na obr 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 23

26 téma 5 Termická analýza, konštrukcia rovnovážnych diagramov zliatin 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). 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 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 24

27 téma 5 Termická analýza, konštrukcie rovnovážnych diagramov zliatin 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: Dátum: Počet bodov: 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 T 1 [ C] a konca T 2 [ C] kryštalizácie. Dĺžku eutektickej kryštalizácie t E. 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 T 1 [ C] T 2 [ C] t E [min] 25

28 téma 5 Termická analýza, konštrukcie rovnovážnych diagramov zliatin Úloha 1 26

29 téma 5 Termická analýza, konštrukcie rovnovážnych diagramov zliatin Úloha 3 Úloha % Zn 75 % Zn 50 % Zn 25 % Zn 8 % Zn 100 % Sn 25 % Sn 50 % Sn 75 % Sn 92 % Sn 27

30 téma 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav 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 + 1 f kde: v - je stupeň voľnosti, k - počet zložiek (komponent), f - počet fáz. II α B II a, b, B II B II 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 28

31 téma 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav 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 XC Qα = XE (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 Popísať procesy pri kryštalizácii zliatin Z1 až Z16 vyznačených v rovnovážnych diagramoch na obr 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 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). 29

32 téma 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav 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 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 = = 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 CX Qα = XE 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: ( Tav ) ( α + B) = E pričom α má chemické zloženie dané bodom C a kryštály B dané bodom D (čistý kov B). Stupeň voľnosti sústavy v bude: v = = 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 RmE = Rmα.X + RmB. ( 1 x) 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 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. 30

33 téma 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav C C Z1 Z2 Z3 Z4 A % B A % B C C Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 1 Z10 A % B A % B C C Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 A % B A AmBn % B Obr.6.2 Rovnovážne diagramy zliatin 31

34 téma 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav 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 Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov: 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. 32

35 téma 6 Štúdium rovnovážnych diagramov kovových sústav 33

36 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov TÉMA Cieľ SKÚŠKY TVRDOSTI MATERIÁLOV 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 Skúška tvrdosti podľa Brinella (STN EN ISO ) Brinellov tvrdomer 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. F HB = A Keď sila F je vyjadrená v N a povrch vtlačku A priemermi D a d v mm, pre výpočet tvrdosti platí vzťah 34

37 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov 0,102 2F HB = [Nmm -2 ] π 2 2 D( D D d 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.D 2 [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 D Sila F v N (kp), pre K mm , (3000) 9800 (1000) 4900 (500) 2450 (250) 980 (100) (750) 2450 (250) 1225 (125) 513 (62,5) 245 (25) 2, (187,5) 613 (62,5) 306,5 (31,2) 153,2 (15,6) 61,5 (6,2) (120) 392 (40) 196 (20) 98 (10) 39,2 (4) (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 35

38 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov 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 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 Skúška tvrdosti podľa Vickersa (STN EN ISO ) 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 d 1 a d 2 a vypočíta sa stredná hodnota d. F Tvrdosť podľa Vickersa je daná podielom zaťažujúcej sily F a povrchu otlačku A. 136 F HV = A Keď zaťažujúca sila je vyjadrená v N a uhlopriečka v mm, pre výpočet platí d 2 d 1 Obr.7.2 Princíp Vickersovej skúšky tvrdosti, tvrdomer 2 d 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 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 HV30/20 je označenie pre Vickersovu tvrdosť s hodnotou 640, stanovenou skúšobným zaťažením 294,2 N a s časom zaťaženia 20 s Skúška tvrdosti podľa Rockwella (STN EN ,2,3) F HV = 0,189 [Nmm -2 ] 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. 36

39 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov 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 F 0 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 F 1, takže celkové F 1 zaťaženie bude F = F 0 + F 1 a hrot F 0 vnikne do hĺbky E 1. Zaťaženie má F byť plynulé a prídavné zaťaženie F 0 F 0 sa má dosiahnuť za 2 až 8 s. Po ustálení hĺbkomeru odľahčí sa 120 hrot o zaťaženie F 1 a nechá sa pôsobiť len predbežné zaťaženie F 0. Tým sa hĺbka E 1 zmenší o pružnú deformáciu a hrot ostane v plasticky deformovanom vtlačku POVRCH SK. TELESA o hĺbke e, zaťažený predbežným 100 zaťažením F 0. Tvrdosť HRC alebo HRA bude daná rozdielom HRC, základnej hĺbky (0,2 mm) a hĺbky trvalého vtlačku po odľahčení na 0 HRA počiatočnú silu. Základná hĺbka 0,2 mm je rozdelená na 100 Obr.7.3 Princíp Rockwellovej skúšky tvrdosti dielikov a tvrdosť sa odčíta priamo F podľa stupnice HRC a HRA 1 zo stupnice prístroja, ako to F schematicky znázorňuje spodná F F 0 F 0 časť obr.7.3. Hodnotu tvrdosti možno vyjadriť: HRC alebo HRA = 100 e, pričom e je vyjadrená 0,2 mm 0,2 mm 0,26 mm a a STUPNICA TVRDOSTI E1 E1 a E1 e e e HRC, HRA HRB v dielikoch d. Jeden dielik má hodnotu 0,2/100, teda 0,002 mm. POVRCH SK. TELESA 130 0,2 mm 30 0 STUPNICA TVRDOST I a e HRB Obr.7.4 Princíp Rockwellovej skúšky tvrdosti podľa stupnice HRB E1 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

40 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov 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 Zaťaženie Zaťažujúca sila v N (kp) pre stupnicu HRC HRA HRB Predbežné F 0 98 (10) 98 (10) 98 (10) Prídavné F (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 T 3. komparačná metóda HB M = HB T 2 2 kde d M -priemer vtlačku D D D 2 d 2 D d v meranom materiáli, d T v porovnávacej tyči, D - priemer guľôčky (Poldiho kladivko). Obr. 7.5 Prehľad dynamických skúšok tvrdosti M 4. 38

41 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov Elastické metódy 1. odrazová metóda voľným pádom (Shorova metóda, H Sh ) pre veľmi tvrdé materiály, 2. kyvadlová odrazová metóda; úder padajúcim kyvadlom, 3. porovnávacie metódy pre guľôčky do ložísk 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 ÚDER KLADIVA d T d M ETALON MATERIÁL oceľová guľôčka priemeru 10 mm vtlačí do skúšaného materiálu a do etalonu. Lupou odmeriame priemer vtlačku v skúšanom materiále d M a v porovnávacej tyči (etalone) d T. 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 HB M na základe známej tvrdosti etalonu HB T podľa vzťahu: Tvrdosť určená Poldi kladivkom je udávaná Obr.7.6 Princíp Poldi kladivka HB M D = D 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 D D 2 2 d d 2 T 2 M Obr.7.7 Poldi kladivko 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

42 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov 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 Obr Prístroj UCI 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 40 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 Pre meranie tvrdých materiálov, najmä ako kontrolná metóda pri tepelnom spracovaní. Nevyžaduje zvlášť dôkladnú prípravu povrchu. HRB Pre meranie tvrdosti mäkkých materiálov. Výhody ako pri meraní Poldi kladivko do 400 HRC. Pre mäkké materiály. Veľká výhoda metódy je možnosť použitia pri meraní veľkých súčiastok a priamo v teréne.

43 téma 7 Skúšky tvrdosti materiálov Referát č.7 SKÚŠKY TVRDOSTI MATERIÁLOV Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov: 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 HBS F = D = t = d 1 = d 2 = TVRDOSŤ VHODNOSŤ METÓD: HV HRB POLDI KLADIVKO F = t = F o = F 1 = D = tyč = d 1 = d 2 = d M = d T = 41

44 téma 8 Statická skúška ťahom 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 a STN Skúška ťahom Napätie R R (F) R =f (ε) skutočný R e R =f (ε) konvenčný R m Napätie lom Predĺženie Obr.8.1 Konvenčný ťahový diagram (0 E M F) a skutočný ťahový diagram (0 E M - F ) 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 42

45 téma 8 Statická skúška ťahom 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 F e 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 F m 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 d 0 L 0 du L U Obr.8.2 Tvar skúšobnej tyče pred skúškou a po skúške Pri skúške sa merajú a vyhodnocujú tieto veličiny: Rozmer V prípade tyčí s kruhovým prierezom: d 0 počiatočný priemer skúšobnej tyče mm d U najmenší, konečný priemer skúšobnej tyče mm V prípade plochých tyčí: a 0 počiatočná hrúbka mm b 0 počiatočná šírka tyče mm a U najmenšia, konečná hrúbka tyče po roztrhnutí mm b U najmenšia, konečná šírka tyče po roztrhnutí mm S 0 počiatočná plocha prierezu skúšobnej tyče mm 2 S U najmenšia, konečná plocha prierezu skúšobnej tyče mm 2 L 0 počiatočná, meraná dĺžka skúšobnej tyče mm L U konečná dĺžka skúšobnej tyče po roztrhnutí mm Vypočítané hodnoty: R e medza klzu (výrazná), je napätie, pri ktorom sa materiál MPa trvalo deformuje bez výrazného zväčšenia zaťaženia R Fe e = S 0 R p 0,2 medza klzu zmluvná, je napätie, pri ktorom trvalá deformácia dosiahne 0,2 % dĺžky tyče L 0 MPa 43

46 téma 8 Statická skúška ťahom Fp 0,2 R p 0,2 = S0 R m pevnosť v ťahu, je zmluvné napätie, zodpovedajúce podielu MPa najväčšieho zaťaženia F m a počiatočného prierezu S 0 R Fm A ťažnosť, je pomerné trvalé predĺženie po roztrhnutí tyče % LU L A = L0 Z kontrakcia, je pomerné trvalé zúženie prierezu tyče po pretrhnutí % Skúšobné tyče S Z = m = 0 0 S 0 S S U 100 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 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 SKÚŠOBNÉ TYČE VALCOVÉ S HLADKÝMI VALCOVÝMI HLAVAMI STN EN ,8 12,5 R4 h d0 L 0 L C OZNAČENIE: TYČ 16x80 STN L t h D L d 0 D h L 0 = L t Úchylky min. min. 5.d 0 C min. min (3) 5 17, ,5 60 0,06 0,1 (4) ,06 0, , ,5 81 0,06 0, ,075 0, ,075 0, ,09 0, ,09 0, ,09 0, ,105 0, , ,105 0,25 44

47 téma 8 Statická skúška ťahom Pre dlhú tyč (L 0 = 10 x d 0 ) je L 0 a L t väčšia o L 0 Tyče s priemerom d 0 3 a 4 mm sa používajú len vo zvláštnych prípadoch 1. Úchylka ± platí pre prípad keď prierez S 0 je určený z menovitého priemeru 2. Úchylka ± platí pre prípad keď prierez S 0 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 Tabuľka 8.2 Tyče ploché hrúbky od 0,1 do 4 mm h R 25 a 0 L 0 L C L t b0 1,6 25 h B Tyč b 0 B h L 0 L C L t Hrúbky min. min. min. a , ,1 až až 3 Rozmery v mm Norma: STN EN Označenie tyče: Tyč 2-2,5 x 80 STN Pre hrúbku a 0 väčšiu ako 3 mm sa L 0 určuje: L 0 = 5,65.S 0, alebo L 0 = 11,3.S 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 Obr.8.3 Trhací stroj 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. 45

48 téma 8 Statická skúška ťahom 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 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 d 0 na troch miestach meranej dĺžky (v strede a na dvoch koncoch) mikrometrom s presnosťou na 0,01 mm. Hrúbka plochej tyče a 0 sa meria s presnosťou na 0,01 mm a šírka b 0 s presnosťou na 0,1 mm. Počiatočná dĺžka L 0 sa označí ryskami s presnosťou na 0,1 mm a má byť umiestnená v strede skúšanej dĺžky L C. 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 S 0 a predpokladanej pevnosti R m skúšaného materiálu ( F = R m. S 0 ). 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 F e a maximálna sila F m. c. Vyhodnotenie výsledkov skúšky. Po roztrhnutí skúšobnej tyče sa vykoná výpočet mechanických vlastností podľa vzťahov, uvedených v kapitole 8.2. Medza klzu R e a medza pevnosti R m 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 R p 0,2. Pri jej určovaní sa vedie priamka rovnobežná s úsekom pružných deformácií vo vzdialenosti 0,2 % L 0. Z takto určenej sily F p 0,2, ako priesečníka priamky s diagramom sa vypočíta R p 0,2. 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 L U tak, že sa pretrhnuté časti priložia tesne k sebe a odmeria sa vzdialenosť značiek, ktoré ohraničovali dĺžku L 0. Tento postup 46

49 téma 8 Statická skúška ťahom možno použiť len vtedy, keď vzdialenosť miesta lomu od najbližšej koncovej značky je najmenej 1/3 L 0. V prípade, že táto podmienka nie je splnená, hodnota ťažnosti je neplatná pre nerovnomerné rozloženie deformácie po dĺžke tyče. Hodnota ťažnosti je ovplyvňovaná dĺžkou L 0, a preto v označení ťažnosti sa to musí uviesť. Ťažnosť, určená na krátkej tyči (L 0 =5d 0 ) sa označí A 5 a na dlhej tyči (L 0 =10d 0 ) ako A 10. Pri určovaní ťažnosti tenkých plechov, drôtov a tenkých profilov sa volí väčšia dĺžka napr. 50, 80, 100 alebo 200 mm. Táto dĺžka L 0 sa musí uviesť pri označení ťažnosti 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 R e a definujte aj jednotlivé činitele. 2. Napíšte vzťah pre vypočet R m 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 L 0 vypočíta. 8. Pre valcovú tyč S 0 vypočítate podľa vzťahu. 9. Nakreslite ťahový diagram a vyznačte v ňom F e, F m a označte súradnice. 10. Podľa spôsobu zaťaženia môžeme trhacie stroje rozdeliť na. 47

50 téma 8 Statická skúška ťahom Referát č.8 STATICKÁ SKÚŠKA V ŤAHU Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov: Dátum: Zadanie: 1. Zmerajte rozmery skúšobnej tyče pred statickou skúškou v ťahu, určte meranú dĺžku L 0 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 F e (F p 0,2), F m, dĺžky tyče po roztrhnutí L U a d U, vypočítajte mechanické vlastnosti R e, (R p 0,2), R m, A a Z. 5. Namerané a vypočítané hodnoty zapíšte do tabuľky. Tabuľka Číslo skúš. Rozmery skúšobnej tyče Pred skúškou Po skúške F e (F p 0,2) F m R e (R p 0,2) R m A (...) Z tyče d 0 a 0 xb 0 S 0 L 0 d U a U xb U S U L U [N] [N] [MPa] [MPa] [%] [%] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm] 48

51 téma 8 Statická skúška ťahom 49

52 téma 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti 9.1 Cieľ TÉMA 9 MERANIE MODULU PRUŽNOSTI A MEDZE PRUŽNOSTI 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/S 0 a pomerná celková deformácia ε= L/L 0. Pri zvyšovaní napätia od O do bodu E je deformácia len pružná a pri napätí R E sa začína materiál plasticky (trvalo) deformovať. Napätie R E je medza pružnosti, ktorú NAPÄTI E R R E O E E ε pl E DEFORMÁCIA ε Obr.9.1 Charakteristiky pružnosti materiálu v ťahovom diagrame 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 R E sa ťažko určuje. Medza pružnosti pre technické účely sa definuje ako napätie, ktoré spôsobí určitú malú pomernú deformáciu ε pl. Technická medza pružnosti R p 0,005 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 ε el. R E = [MPa] ε el Modul pružnosti a medzu pružnosti je možné určovať priamo z ťahového diagramu, keď deformácia je snímaná priamo z meranej dĺžky L 0 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. 50

53 téma 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti 4 L Skúšobné tyče a skúšobné zariadenie K určovaniu medze pružnosti a modulu pružnosti sa majú používať tyče s kruhovým prierezom so závitovými hlavami, STN Pri použití iných tyčí je treba dbať na dokonalé upnutie prieťahomerov. Meraná dĺžka nemusí odpovedať podmienke L 0 = 5.d 0, alebo L 0 = 10.d 0, 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 F pripevní pevné rameno 2 a dvojramenná 1 páka 3 tak, aby ich vzdialenosť bola 2 zvolená počiatočná dĺžka L 0. Pri zaťažení silou F sa tyč predĺži o hodnotu L, pričom dvojramenná páka 3 na náprotivnom konci sa vychýli o hodnotu d 0 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 L L0 L L = L K L K 3 F ramien K a L. Často sa používajú prieťahomery Obr.9.2 Schéma mechanického prieťahomeru 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 R p 0,005 a E, možno však použiť na určenie R p 0,2 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 R p 0,005. 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. 51

54 téma 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti 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 R 1, R 2, R 3 a R 4. 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. F F R 2 1 L 3 R 1 2 L0 L R 1 R 2 Merací môstik R 4 R 3 R 4 Zosilovač R 3 F Obr.9.3 Meranie absolútnej deformácie tenzometrickým elektrickým prieťahomerom 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 R p 0,005. a. Meranie technickej medze pružnosti F [N] F p 0,005 Technickú medzu pružnosti možno zisťovať z celkovej deformácie z ťahového diagramu R p 0,005, alebo z trvalej deformácie postupným zaťažovaním a odľahčovaním R r 0,005. L [mm] 0,005 % L 0 Obr.9.4 Určenie F p 0,005 z ťahového diagramu 52 Meranie R p 0,005. Na skúšobnú tyč upnutú v trhacom stroji sa upevní elektrický prieťahomer, ktorý umožňuje registrovať deformáciu tyče na ťahovom diagrame s citlivosťou min mm. Po nastavení silového rozsahu trhacieho stroja a citlivosti prieťahomeru sa vykoná ťahová skúška tak, aby trvalá

55 téma 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti F [N] deformácia tyče bola väčšia ako 0,005 % meranej dĺžky L 0. Na ťahový diagram na osi predĺženia sa nanesie vzdialenosť 0,005 % L 0 a odčíta sa sila F p 0,005, pri ktorej rovnobežka s úsekom pružných deformácií pretína diagram, ako je to znázornené na obr.9.3. Zo sily F p 0,05 sa určí R p 0,005 podľa vzťahu, Fp 0,005 Rp 0,005 = S0 kde> S 0 je počiatočný prierez. Meranie R r 0,005. 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 F P 0,005 sa určí grafickou, alebo matematickou interpoláciou. Postup merania je upresnený normou STN 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 F 0, ktoré vyvolá napätie F 3 F 2 F 1 F 0 R E L 0 L 1 L 2 L 3 L [mm] Obr.9.5 Postup určovania modulu pružnosti približne 10 MPa. Potom sa zvolia dva až tri zaťažovacie stupne pod medzou pružnosti R E. Pre každý zaťažovací stupeň sa určí hodnota modulu pružnosti, napr. Modul pružnosti materiálu sa vypočíta ako priemerná hodnota; E1 + E2 + + En E = n 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 R p 0, 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? 53 E 1 F F 1 1 L 0 0 S0 = L L 0

56 téma 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti MERANIE MODULU PRUŽNOSTI A MEDZE PRUŽNOSTI Referát č.9 Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Počet bodov: Dátum: Zadanie: 1. Na zvolenom materiále určite technickú medzu pružnosti R p 0,005 (R r 0,005) 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 d 0 = [mm] S 0 = [mm 2 ] L 0 = [mm] Zaťažov. stupeň F R Deformácia [N] [MPa] L c [mm] L pl [mm] L el [mm] ε pl ε el E [MPa] Hodnoty modulu pružnosti niektorých materiálov sú: železo oceľ 2, MPa meď 1, MPa hliník 0, MPa 54 55

57 téma 9 Meranie modulu pružnosti a medze pružnosti Úloha č.4 55

58 téma 10 Skúška húževnatosti materiálov 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 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 W pl. Húževnatosť v tomto prípade je vyjadrená ako merná W pl w pl = V 0 spotrebovaná energia, kde: V 0 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 S 0. KC = K S 0 [J.cm -2 ] Postup skúšky je predpísaný normou STN EN 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 KC max 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 KC min 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. KC max + KC KC min str = 2 Prechodová teplota T T sa stanoví ako teplota, pri ktorej; 56

59 téma 10 Skúška húževnatosti materiálov a.) hodnota rázovej húževnatosti zodpovedá jej strednej hodnote b.) KC má stanovenú absolútnu hodnotu, napr. KC = 35 J.cm KC [J.cm - 2 ] PHL KC max PHL [%] 100 KC KC min KC str T T KC T T PHL T [ C] c.) lomová plocha má stanovený podiel húževnatého lomu, napr. PHL = 50 % Postup skúšky rázom v ohybe pri znížených teplotách upresňuje norma STN EN Skúšobné tyče a skúšobné prístroje Obr.10.1 Prechodová krivka nízkouhlíkovej ocele 1: ±0,6 b 40±0,5 VRUB V VRUB U R 0,25 R 1 45 Obr.10.2 Tvar a rozmery skúšobných tyčí h Tvar a rozmery skúšobných tyčí upresňuje norma STN EN a ich údaje, ako aj usporiadanie tyče pri skúške sú uvedené na obr Rozmery, označenie skúšobných tyčí a označenie vrubovej húževnatosti podľa tvaru tyče sú uvedené v tab 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 W p = G.H sa mení

60 téma 10 Skúška húževnatosti materiálov na energiu kinetickú W k = 1/2 m.v 2. Kladivo prelomí tyč a prebytočnou energiou prekyvne na druhú stranu do výšky h. Spotrebovaná energia bude L K = G (H h). Na stupnici S nám ručička ukáže veľkosť nárazovej práce L K, 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 KCU 2 10 ± 0,10 2 STN EN U KCU 3 10 ± 0,10 3 STN EN KCU 10 ± 0,10 5 STN EN KCU 2/5 5 ± 0,05 2 STN EN V KCV 10 ± 0,10 2 S T K Obr.10.3 Kyvadlové kladivo Charpy Postup prác Na skúšobných tyčiach sa odmeria šírka b a výška pod vrubom a s presnosťou na 0,01 mm a vypočíta prierez S 0. 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 CO 2 (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 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. 58

61 téma 10 Skúška húževnatosti materiálov SKÚŠKA RÁZOM V OHYBE Referát č.10 Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Dátum: Počet bodov: 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 Číslo tyče Rozmer [mm] S 0 [cm 2 ] Teplota [ C] KV [J] a o [mm] b o [mm] KCV [J.cm -2 ] PHL [%] Poznámka 59

62 téma 10 Skúška húževnatosti materiálov 60

63 téma 11 Skúšky únavy materiálov 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 Základné teoretické poznatky 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 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 σ h, je algebraicky najväčšia hodnota cyklického napätia. Dolné napätie σ n, je algebraicky najmenšia hodnota cyklického napätia. Stredné napätie σ m, je priemerná hodnota algebraického súčtu horného a dolného napätia: σ m σ h + σ n = 2 Amplitúda (výkmit) napätia σ, je priemerná a hodnota algebraického rozdielu horného a dolného napätia: σ h σ n σ a = ± 2 σ n Súčiniteľ nesúmernosti cyklu r vyjadruje pomer dolného a horného napätia cyklu: R = σ Podľa veľkosti a znamienka stredného napätia σ m a súčiniteľa nesúmernosti kmitu R je cyklické namáhanie obecne rozdelené do skupín, ktoré sú znázornené na obr Medza únavy je najvyššia amplitúda napätia pri určitom strednom napätí (σ m ), 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 N c. Matematicky je to vyjadrené: σ σ = σ + σ c Obr.11.1 Charakteristiky pravidelného striedavého kmitavého namáhania = max m a h 61

64 téma 11 Skúšky únavy materiálov Obr.11.2 Prehľad základných druhov cyklického namáhania 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 a ). Pre bežné laboratórne skúšky únavy sa používajú skúšobné tyče hladké a to buď s prierezom kruhovým, alebo nekruhovým (ploché skúšobné tyče). Obr Skúšobné stroje pre únavové skúšky 62 Priemer skúšanej časti tyče s kruhovým prierezom je v rozsahu 5-15 mm. Vzhľadom na veľkú citlivosť medze únavy na mechanické a tepelné účinky pri obrábaní skúšobných tyčí, je treba pri výrobe tyčí zabrániť vzniku spevnených povrchových vrstiev

65 téma 11 Skúšky únavy materiálov 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 MPa. Pre mnohé ocele platí pritom vzťah: σ oc = (0,4-0,5) R m. Pre približný odhad medze únavy je možno použiť empirický vzťah: σ oc = 0,3 R m + 70 MPa - pre uhlíkové ocele, σ oc = 0,35 R m + 70 MPa - pre legované ocele. Namáhanie σ 1 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: σ 1 = 0,6 R m pre zliatiny ľahkých kovov: σ 1 = 0,4 R m U ďalších skúšobných tyčí sa napätie postupne znižuje (obvykle o 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: N C = cyklov. Ľahké kovy a ich zliatiny: N C = 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 N C (bod 5) nebol väčší, než sú nasledujúce hodnoty: Obr Postup pri zostrojení únavovej krivky 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. 63

66 téma 11 Skúšky únavy materiálov Zistená medza únavy sa overí overovacou skúškou na jednej tyči pri napätí σ = σ C - 10 MPa (bod 6). Pri tejto skúške nesmie dôjsť k porušeniu tyče pri menšom počte cyklov než N C. 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 N C 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: Obr.11.5 Únavové krivky σ = ( 0,7-0,8 ) σ C oc a v logaritmických súradniciach σ C = ( 0,5-0,6 ) σ oc Pre liatiny: σ C = ( 0,75-0,8 ) σ oc V niektorých prípadoch napr. u leteckých motorov, sa nedimenzuje podľa medze únavy σ C, ale podľa časovej medze únavy. Časová medza únavy je definovaná ako napätie, ktoré materiál vydrží predpísaný počet cyklov. G A D Schéma únavového lomu a jeho štádií [4] b, Obr.11.6 Únavový lom, a - makroskopický vzhľad, b - fotografia únavového lomu 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. G 64

67 téma 11 Skúšky únavy materiálov 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 Ročník: Študijná skupina: Meno študenta: Hodnotil: Dátum: Zadanie: Počet bodov: 1. Pri únavových skúškach za týchto podmienok: symetrické zaťažovanie v ťahu tlaku, materiál oceľ veľkosť zrna d = 0,011 mm sme získali výsledky uvedené v tabuľke. Stanovte medzu únavy materiálu a nakreslite Wöhlerovú krivku daného materiálu. Tabuľka σ a [MPa] N [10 5 ]

68 téma 11 Skúšky únavy materiálov 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 oceľ EI 395 T = +500 C 297 teplota do po TS T = +600 C d Z = 0,011 mm 212 veľkosť 705 oceľ d Z = 0,02 mm 196 zrna 706 d Z = 0,073 mm Ti oceľ T = +20 C 565 teplota do T = -196 C R = 0,5 341 súčiniteľ 710 oceľ R = nesúmernosti 711 R = cyklu 712 oceľ Ø = 7 mm 446 prítomnosť 713 X22 Ø = 10 mm + vrub 128 vrubu CrMoV nitridovaný zušľachtený 715 zušľachtená guličkovaný + oceľ zušľachtený 716 zušľachtený pružinová oceľ zušľachtený na ~42 HRC + guličkovaný stav povrchu tepelne spracovanie MnSi7 zušľachtený na 148 stav povrchu 39~42 HRC 719 ε pl = 0% 570 plastická 720 oceľ 40Ch ε pl = 2,4% 540 deformácia 721 ε pl = 2,8% Molybdén K Tantal K Niob K druh materiálu 725 Cobalt K

69 téma 12 Skúšky tečenia pri vyšších teplotách 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 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 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 Skúška medze tečenia Obr.12.1 Krivka tečenia Medza tečenia R T 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 10 4 hod. Pre skúšky tečenia sa používajú hladké skúšobné tyče, obvykle kruhového prierezu s priemerom d o 4 mm. Najmenšia meraná dĺžka tyče má byť: - u tyčí s kruhovým prierezom L 0 = 2,5. d0 - u tyčí s nekruhovým prierezom L 0 = 2, 8 S0 Hlavy kruhových skúšobných tyčí sú najčastejšie závitové. Medzi hlavami a skúšanou časťou tyče musí byť plynulý prechod. Drsnosť povrchu má byť: R a = 0,8 µm. O rozmerových toleranciách tyčí platí ustanovenie normy STN Pre určenie R T 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. 67

70 téma 12 Skúšky tečenia pri vyšších teplotách 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 R T 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 ε pl možno zistiť dvoma spôsobmi: a, výpočtom pružnej deformácie (ε e ) a jej odčítaním od celkovej deformácie (ε c ) pri skúšobnom napätí: ε pl = ε c σ 1 E kde: σ 1 - 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 Hodnota plastickej deformácie (ε pl ) sa odčíta z tohto grafu. Napätie R1 ε pl =1% ε pl [%] T = konšt. R1< R2< R3 R3 R2 R1 Obr.12.2 Určenia plastickej deformácie Obr.12.3 Hodnoty t 1% stanovené z kriviek tečenia pre rôzne skúšobné napätia Výsledkom skúšky je krivka tečenia z ktorej určíme pri danom napätí 1% deformáciu (t 1% ). Na obr.12.3 sú schematicky znázornené krivky tečenia pri napätiach σ 1, σ 2 a σ 3. Zo 68

71 téma 12 Skúšky tečenia pri vyšších teplotách získaných hodnôt rôznym spôsobom môžeme určiť medzu tečenia. Na obr.12.4 je graficky znázornená závislosť σ t 1%. Z tejto závislosti môžeme pre danú teplotu odčítať R T. Medza tečenia sa označuje: Značkou Pri namáhaní v R Tt ťahu R Td tlaku R To ohybe krútení τ T 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 % L 0 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: R Tt 10000/1/600 - [MPa], alebo R Tt 10 4 /1/600 - [MPa] Skúška medze pevnosti pri tečení Medza pevnosti pri tečení R mt je napätie, ktoré keď trvalo pôsobí na skúšobnú tyč pri danej teplote spôsobí porušenie tyče po určitom čase, obvykle 10 4 hod. Skúša sa najčastejšie pri jednoosom ťahovom namáhaní. Postup pri skúške je stanovený normou STN 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: F R mt = [MPa] S 0 kde: F - skúšobné zaťaženie tyče v N, ktoré spôsobí porušenie tyče pri predpísanom čase napr hod. S o - pôvodný prierez skúšobnej tyče v mm 2. 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 : L 0 = 2,5d 0 kde: d 0 pôvodný prierez skúšobnej tyče. a, R3 R2 R1 R Tt 10 4 /1/T log R [MPa] 69

72 téma 12 Skúšky tečenia pri vyšších teplotách 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 (d 1 < d 2 < d 3 atď.) navzájom pospájané závitovými spojkami (obr.12.5b). Tým sa získa jedným zaťažením viac skúšobných napätí (R 1 > R 2 > R 3 ). 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. t 1 f, t 2 f, t 3 f ) pri skúšobných napätiach R 1, R 2 a R 3. Zvolenou metodikou vyhodnotíme medzu pevnosti pri tečení R mt. Na obr.12.6 je schematický R3 R2 R1 R Tt 10 4 /T log R [MPa] Obr.12.6 Spôsob určenia medze pevnosti v tečení extrapoláciou vyhodnotená R mt. Zistená medza pevnosti pri tečení sa označí značkou R mt, ktorá sa ešte doplní: a, spôsobom namáhania: v ťahu R TPt v tlaku R TPd v ohybe R TPo v krútení τ TP 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 hod. pri skúšobnej teplote 750 C sa označí: R mt /750 - [ MPa], alebo R mt 10 4 /750 - [ MPa ]. 70

73 téma 12 Skúšky tečenia pri vyšších teplotách Obr.12.7 Diagram životnosti žiarupevných ocelí Pre stanovenie životnosti daného materiálu pri rôznych teplotách a napätiach sa zostrojuje diagram životnosti z výsledkov skúšok R mt pre viaceré teploty a napätia. Príklad takéhoto diagramu ocele STN je na obr Obdĺžniková oblasť diagramu, ohraničená silnými čiarami predstavuje doporučený rozsah teplôt a napätí v prevádzke daného materiálu. Obr.12.8 Creepové pece 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 R mt 5 000/ Vysvetlite značku R Tt 8000/2/