KAPITOLY

Home » Kapitola 5 - Zkoušení vlastností ocelí

Kapitola 5 - Zkoušení vlastností ocelí

K tomu, abychom mohli vybrat ocel pro konkrétní použití, potřebujeme znát její vlastnosti? Jak se tyto vlastnosti zjišťují?

Oceli mají velmi rozmanité vlastnosti, které jsou určeny především jejich chemickým složením a mikrostrukturou. My si v této kapitole ukážeme, jak můžeme zkoušet mechanické vlastnosti oceli. Dále si povíme, jak můžeme různě zkoumat její mikrostrukturní vlastnosti.

Zkouška tahem

Zkouška tahem je nejrozšířenější zkouškou mechanických vlastností. Zkušební těleso je jednoduchého tvaru
a zatěžuje se do porušení. Během zkoušky se registruje zátěžná síla a deformace. Výsledný diagram tahové
zkoušky může vypadat jako na následujícím obrázku.


Vyznačení meze kluzu a meze pevnosti v tahuVyznačení meze kluzu a meze pevnosti v tahu

Z tahové zkoušky se dá vyhodnotit řada veličin:

Mez kluzu - je jednoduše řečeno hodnota napětí, při které se materiál začíná plasticky deformovat.

Mez pevnosti - je maximální hodnota napětí, při které ještě není porušena celistvost materiálu.

Mez úměrnosti - je hodnota napětí do které se zatěžovaný vzorek ještě chová pružně. To znamená, že pokud bychom v této chvíli vzorek odlehčili, vrátí se jeho délka do výchozího stavu před zkouškou.

Prodloužení - Protažení vzorku vlivem vloženého napětí.

Kontrakce - Zúžení vzorku vlivem vloženého napětí.

Průběh zkoušky je zřejmý na následujícím videu:

Zkouška tahem

Zkouška vrubové houževnatosti

Někdy se této zkoušce také říká zkouška podle Charpyho. Princip zkoušky je jednoduchý. Mezi podpory je vložen vzorek ve tvaru kvádru, který má na jedné straně vrub. Na protilehlou stranu je na rameni spuštěn břit kladiva, který vzorek přerazí. Záznamem z této zkoušky je hodnota nárazové práce - energie, kterou kladivo spotřebuje na deformaci (přeražení vzorku). Tato zkouška je velmi důležitá pro zkoumání chování oceli za různých teplot. Zkouší se vzorky jak hluboce podchlazené (až do -190 stupňů Celsia), tak vzorky ohřáté. Protože se snižující se teplotou každý materiál křehne, dokážeme tak zjistit, kdy se mění chování konkrétního ocelového vzorku z houževnatého na křehké. Jak zkouška probíhá je zřejmé z následujícího videa:

Zkouška vrubové houževnatosti

Zkoušky tvrdosti

Tvrdostí rozumíme odolnost materiálu proti vnikání cizího tělesa - indentoru. Tvrdost souvisí obecně s pevností materiálu a existují převodní tabulky, které nám podle hodnoty tvrdosti poskytnou informaci o přibližné hodnotě meze pevnosti. Ve strojírenství rozlišujeme několik základních zkoušek tvrdosti. My si pro naše účely povíme o třech těchto zkouškách. Ukážeme si něco o zkouškách měření tvrdosti dle Rockwella, Vickerse a Brinella. Tyto zkoušky jsou nazvány podle osobností, které danou metodu vynalezli. Zkoušky mají několik různých modifikací,
nebudeme se tu rozepisovat podrobně, řekneme si jen to nejzákladnější. 

Zkouška tvrdosti podle Rockwella
Tato zkouška spočívá v pronikání zkušebního tělesa „diamantu“, nejčastěji ve tvaru kuželu, do zkušebního vzorku. Hodnota tvrdosti se odvozuje od hloubky průniku indentoru do měřeného vzorku při přesně stanoveném zatížení. Tato metoda se využívá nejčastěji pro tvrdé materiály (např. oceli na nástroje). Při tomto použití se výsledek zkoušky označuje číslem tvrdosti a třemi písmeny, které specifikují použitou metodu. Například: 52 HRC. Zatížení u metody HRC je 1500 N tj. přibližně přes 150 Kg.

Průběh zkoušky ukazuje následující video:

Zkouška tvrdosti dle Rockwella

Zkouška tvrdosti podle Brinella
Tuto zkoušku zavedl švédský vynálezce Johan August Brinell. Její princip spočívá v pronikání indentoru kulového tvaru do zkoumaného materiálu. Vyhodnocuje se průměr vtisku, ze kterého se pak podle daného vzorce, ve kterém figuruje hodnota zátěžné síly, vypočítá hodnota tvrdosti. Tato zkouška je obecně vhodná pro měkčí materiály. Jako zkušební tělísko se používá kulička z oceli, pokud měříme tvrdší materiály, tak se využije kulička ze slinutého karbidu. Pokud měříme ocelovou kuličkou za hodnotu tvrdosti se udává zkratka HBS, pokud kuličkou ze
slinutého karbidu, udává se zkratka HBW. Zátěžná síla může být až 30 000 N, tedy více než 3 tuny.

Průběh zkoušky ukazuje následující video:

Zkouška tvrdosti dle Brinella

Zkouška tvrdosti podle Vickerse
Princip zkoušky spočívá ve vnikání zkušebního tělesa - diamantového čtyřbokého jehlanu do materiálu. Pro stanovení tvrdosti se měří rozměry vtisku - tj. délky úhlopříček. Výhodou této metody je, že hodnota tvrdosti je nezávislá na zvoleném zatížení, protože vtisky jsou pro různé síly geometricky podobné. Zkušební zatížení bývá od jednotek gramů až do 100 Kg. Číslo tvrdosti se doplňuje zkratkou HV a hodnotou zatížení. Např: 255 HV 10
Průběh zkoušky ukazuje následující video:

Zkouška tvrdosti dle Vickerse

Zkoušky únavy
O únavě materiálu mluvíme v případě, kdy je určitá součástka, díl či zkušební těleso namáháno cyklickým zatížením. Podstatou je iniciace trhliny při cyklickém zatížení a následné postupné šíření trhliny skrz materiál
obvykle až do lomu. Pro praktické ukázky nemusíme chodit daleko. Stačí vyjít na ulici a podívat se na dopravní
prostředky. Jistě si každý dokáže představit, že pokud budou jezdit na silnici s více dírami a hrboly, projeví se únava materiálu dříve; např. tím, že praskne náprava u auta. To, že se dnes běžně s takovými případy nesetkáváme tak často, je zásluha mnoha vědců. Jedním z nejvýznamnějších byl August Wöhler, který studoval
únavové poruchy na železničních nápravách. Bylo to v době (1850-1870), kdy se o únavovém chování mnoho
nevědělo a lom náprav, které pracovaly při napětích mnohem menších, než je statická mez pevnosti, byla velká záhada. Postupem času se vyvinuly zkoušky únavy, kde je nejčastěji aplikován zatěžovací cyklus ve tvaru sinusoidy. Na základě výsledků zkoušek lze stanovit vlastnost materiálu, tzv. mez únavy σc, což je hodnota, při které daný materiál vydrží cyklické zatěžování pro nekonečné množství cyklů. V technické praxi se tato hodnota zkouší do 10 000 000 cyklů. Únavové zkoušky mají poměrně značný rozptyl naměřených napěťových hodnot životností na jednotlivých napěťových hladinách, takže pro přibližné stanovení Wöhlerovy křivky je potřeba 8 - 12 vzorků, v některých speciálních případech až stovky vzorků. Zkušební tyče pro stanovení jedné únavové křivky musí být stejné z hlediska materiálu, jakosti povrchu, tvaru a rozměrů. První vzorek se zatíží napětím, jež je blízké mezi kluzu materiálu, další se postupně zatěžují napětím stále nižším, až se dosáhne hladiny napětí, při které vzorky vydrží bez porušení předepsaný počet cyklů. Z takto získaných údajů se pak Wöhlerova křivka vyhodnotí.

Zkušební stroj pro zkoušky únavyZkušební stroj pro zkoušky únavy

Zkoušky tečení - creep
Creep - toto na první pohled zvláštní slovo vyjadřuje vlastnost materiálu plasticky (tedy nevratně) se deformovat v čase při konstantním zatížení (tj. napětí) a teplotě. Pro lepší pochopení si můžeme představit čokoládový bonbon, který zůstane např. v létě uvnitř rozpáleného auta. Jelikož působí zvýšená teplota a gravitace, která v tomto případě vytváří zatížení, tak se nevratně zdeformuje (naštěstí se dá jíst i poté). Pokud by se teplota nezvýšila (byl by např. v chladícím boxu) a nepůsobilo by napětí (např. by to byl bonbon pro kosmonauty nacházející se ve stavu beztíže), nic by se s jeho tvarem nestalo po dlouhá tisíciletí. Podobně se chovají i kovy. Pro vysokoteplotní aplikace (např. lopatky parních turbín) je třeba dopředu znát (tj. naměřit) vlastnosti při vysokých teplotách. Creep je tedy dle definice pomalá časově závislá trvalá deformace, ke které dochází v
průběhu dlouhodobého působení vysokých teplot (T > cca 0,4 T tavení) při konstantním zatížení nebo konstantním napětí nižším než mez kluzu. Zavěsíme-li tedy závaží na součást (vyrobenou z určitého materiálu), dojde k jejímu protažení, případně k lomu, přestože působící napětí je menší než mez kluzu při dané teplotě. Velký počet porušených součástí používaných za zvýšených teplot má na svědomí creep, případně kombinace creepu a
únavy. Podstatou je, že při creepu začíná materiál velice pomalu téci, někdy i několik let či desetiletí.

Příklad prodloužení vzorku při teplotě 650 °C a působícím napětí 250 MPa s měřením deformace. Obvykle se tyto zkoušky provádějí pro delší doby do lomu (měsíce až roky)Příklad prodloužení vzorku při teplotě 650 °C a působícím napětí 250 MPa s měřením deformace. Obvykle se tyto zkoušky provádějí pro delší doby do lomu (měsíce až roky)

Lomová mechanika
Disciplína s názvem lomová mechanika vznikla jako důsledek snahy po objasnění zákonitostí vzniku lomu při relativně nízkých napětích v materiálech o vysoké pevnosti, především v leteckém průmyslu. Klasické metody dimenzování konstrukcí jsou založeny na předpokladu materiálu jako homogenního izotropního kontinua. Skutečný materiál a jeho spoje (např. svarové) se však liší od tohoto předpokladu, ať už více či méně výrazně. V této skutečnosti je možné také spatřovat hlavní příčinu havárií celé řady kovových – především ocelových – konstrukcí. Na konci II. světové války se stávaly hromadné havárie celosvařovaných konstrukcí lodí typu Liberty. Z 2500 vyrobených lodí se jich 145 rozlomilo na dvě části a téměř 700 jich bylo postiženo vážnými závadami (viz 1. obrázek v galerii). Další známé havárie jsou zřícení letadel Comet (viz 2. obrázek v galerii), kde se jednalo o opakované havárie v relativně krátkých intervalech (např. v květnu 1953 blízko Kalkaty v mimořádně prudké tropické bouřce, 8. dubna 1954 u Káhiry, 10. května 1954 u ostrova Elba,, avšak za dobrých povětrnostních podmínek). Z následných analýz vyplynulo, že příčinou jsou hranatá okna, ze kterých se iniciovala trhlina. V padesátých letech se také objevilo velké množství havárií mostů, plynovodů, ropovodů, velkých nádrží – všeobecně tedy značně rozměrných konstrukcí. K těmto lomům docházelo náhle, bez jakékoliv výraznější předchozí plastické deformace, při namáháních ležících spolehlivě pod mezí kluzu. Lomy měly křehký charakter a byly doprovázeny jen malou plastickou deformací. Tyto zpočátku zdánlivě nevysvětlitelné nehody se po rozsáhlých výzkumech podařilo objasnit. Primární příčinou byly defekty v konstrukčních materiálech či ostré konstrukční vruby, na kterých docházelo k lokální koncentraci napětí a ke vzniku trojosé napjatosti. Lomová mechanika vznikla jako odpověď na tyto a další havárie a popisuje chování ostré (únavové) trhliny v materiálech.

Křehký lom celosvařovaného trupu lodí Liberty - http://en.wikipedia.org/ wiki/Fracture_mechanicsKřehký lom celosvařovaného trupu lodí Liberty - http://en.wikipedia.org/ wiki/Fracture_mechanics

Vysokorychlostní zkoušky
Někdy je potřeba provádět zkoušky s velkou rychlostí deformace. Dynamické porušování materiálu je totiž zcela odlišné od porušování při nižších a rovnoměrných rychlostech. Je nezbytné vědět, jak se materiál bude chovat, když bude podroben dynamickým podmínkám – tj. nárazům. Jedním příkladem této zkoušky je už zmiňovaná zkouška vrubové houževnatosti na Charpyho kladivu. Nicméně toto zařízení není dost univerzální, a proto byl vyvinut tzv. padostroj. Jedná se o velmi sofistikovaný, tři metry vysoký stroj, který umožňuje vypustit závaží z kterékoliv polohy a tedy působit na zkoušený materiál jasně definovanou silou (energií) a rychlostí. V případě požadavku na co nejvyšší rychlosti zkoušky je možné využít dvojici bungee jumpingových lan, která umožňují předepnutí a urychlení příčníku vůči zkoušenému materiálu. Maximální rychlost, kterou může dané závaží mít, je až 90 km/h a energii až 3 000 J. To umožňuje široké spektrum možných zkoušek. Zařízení lze různými přípravky upravit tak, že zkušební vzorek pak může být zatěžován tlakovou i tahovou deformací, smykem, nebo dalšími kombinacemi namáhání, to vše při vysokých rychlostech. Celé zařízení je často vybaveno vysokorychlostní kamerou, která snímá proces zkoušky. Celý záznam lze poté hodnotit spolu s průběhem spotřebované energie a dalších důležitých veličin v jednotlivých okamžicích zkoušky. Na následujícím videu si ukážeme, jak se různé vzorky při vysoké rychlosti deformace chovají.

Zkoušky na padostroji

Zkoušky mikrostruktury - Metalografie
Vlastnosti oceli jsou určeny její mikrostrukturou - tj. vnitřní stavbou. Metalografie je nauka, která pojednává o vnitřní stavbě kovů a slitin. Jejím cílem je zviditelnění struktury materiálu s její následnou studií pomocí optického nebo elektronového mikroskopu. Metalografií můžeme zjišťovat souvislosti mezi strukturou materiálu a jejími vlastnostmi, kontrolovat mikrostrukturu materiálu v průběhu výroby a zjišťovat příčiny vad nebo selhání výrobků při provozu. K tomu, abychom mohli strukturu materiálu sledovat, ji potřebujeme připravit pro pozorování v mikroskopu. Protože kovy a slitiny jsou neprůhledné, je nutné je pozorovat v mikroskopu v režimu odrazu (světlo ze zdroje dopadá na vzorek a odráží se do objektivu). Jak víme z fyziky, nejvyšší odrazivost mají plochy dokonale hladké a rovné. Stejnou plochu tedy musíme připravit na vzorku - odborně se tomu říká „příprava metalografického výbrusu“. Postup této přípravy spočívá v několika krocích:
• odběr vzorku
• zalití vzorku (není vždy nutné)
• broušení a leštění
• leptání

Odběr vzorku
Odběr vzorku spočívá většinou v odříznutí vzorku ze zkoumaného výrobku. Mohou být samozřejmě využity i další techniky (odvrtání, frézování, odbrušování). Vždy však musíme dbát na to, aby byl vzorek materiálu co nejméně tepelně ovlivněn technikou odběru.Teplo vyvinuté při řezání totiž může zásadně ovlivnit mikrostrukturu oceli (viz předchozí kapitola). Proto jsou např. metalografické pily vybaveny chlazením, které s využitím chladící kapaliny odvádějí teplo z místa řezu.

Metalografická pila s chlazením řezného kotouče během řezáníMetalografická pila s chlazením řezného kotouče během řezání

Zalití vzorku (preparace)
Zalití vzorku se provádí většinou v případech, kdy je vzorek malý a manipulace s ním by při následujících operacích (broušení, leštění, leptání) byla nepohodlná. K zalévání se používají 2 procesy preparace - za tepla a za studena. Preparace za tepla se používá o ocelových vzorků běžně, protože teplota preparace
nepřesahuje většinou 180 °C, což je teplota, která nemá na strukturu oceli zásadní vliv. Proces preparace spočívá ve vložení vzorku do vyhřívaného lisu, kde se zasype práškem ze speciální pryskyřice. Lis se uzavře a za působení tlaku a teploty dojde k „zapečení“ vzorku. Preparace za studena probíhá vložením
vzorku do formy a zalitím vzorku pryskyřicí.

Broušení a leštění vzorků
Broušení a leštění se v dnešní době běžně provádí na poloautomatických strojích. Broušení se děje na brusných papírech s brusivem z karbidu křemíku (SiC), nebo na speciálních brusných discích. Výhodou brusných disků je jejich trvanlivost, při použití brusných papírů se totiž papír vždy po ukončení broušení vyhazuje. V broušení i leštění se postupuje vždy od nejhrubšího brusiva po brusivo nejjemnější. U brusných papírů se velikost brusiva označuje čísly, např. 80, 320, 600, 1200. Toto číslo označuje počet zrn brusiva na jednotku plochy, tj. čím vyšší číslo, tím jsou brusná zrna jemnější. Brusné disky jsou ze zvykových důvodů označovány stejně. Leštění se pak provádí na speciálních plátnech, na které je z dávkovače kapána emulze obsahující smáčedlo a diamantová zrna. Diamantová zrna jsou opět různých velikostí, a emulze se tak používají od největší zrnitosti (např. 6 mikrometrů) do nejjemnější (např. 1 mikrometr). Moderní brousící/leštící stroje umožňují obsluze brousit více vzorků najednou, lze nastavit sílu přítlaku vzorků ke kotouči, otáčky kotouče i držáku vzorků, dávkování emulzí apod. Automatizace vede k nemalé úspoře. zejména co se týká spotřebního materiálu (brusných papírů, disků, pláten, diamantových emulzí), který je značně nákladný (1 litr diamantové emulze může stát i několik tisíc korun). Pro dosažení co nejlepší kvality výbrusu se někdy za leštění diamantovými emulzemi zařazuje ještě i oxidické leštění. K tomu se používají suspenze, ve kterých jsou velice jemné částice oxidu křemíku nebo hliníku. Tyto částice mají velikost jen 0,04 mikrometru a leštění v této fázi je kombinací chemického odleptávání povrchu a abraze těmito jemnými částicemi. Suspenze jsou kyselé nebo zásadité, výběr konkrétní suspenze závisí na leštěném materiálu. Na následujícím videu je ukázka procesu broušení a leštění šesti metalografických vzorků.

Broušení a leštění vzorků

Leptání vzorku
Po vyleštění je nutné povrch vzorku naleptat. Bez naleptání bychom strukturu nezviditelnili, a ve světelném mikroskopu bychom viděli jen bílou plochu (případně ještě částice vměstků a podobných fází). K leptání se používají různá leptační činidla rozdílných koncentrací a teplot. Leptání trvá v závislosti na leptaném materiálu několik sekund nebo až minut. Leptadla napadají různé části struktury například hranice zrn, nebo některé fáze. Tím dojde ke zviditelnění mikrostruktury. Oblíbená je metoda barevného leptání, kdy jsou různé fáze díky leptadlu pokryty oxidickým filmem, který se poté v mikroskopu projevuje charakteristickým zabarvením konkrétní fáze. Pro běžné uhlíkové oceli jsou nejpoužívanějšími leptadly tzv. Nital (je to roztok kyseliny dusičné s ethanolem nebo methanolem, nejčastěji v koncentraci 3 ml kyseliny dusičné na 100 ml ethanolu), nebo Vilella Bain, což je roztok kyseliny pikrové, kyseliny chlorovodíkové a ethanolu.

Jominyho zkouška prokalitelnosti
Tato zkouška není typickou zkouškou pro zjištění mechanických vlastností. Je spíše technologickou zkouškou a zjišťujeme u ní schopnost materiálu při ochlazování dosáhnout prokalené (tj. martenzitické) struktury do určité hloubky pod povrch. Provádí se tak, že se válcový vzorek ohřeje na kalící teplotu a z čela se ochlazuje proudem vody. Po vychladnutí se na válcové ploše vzorku vybrousí rovná ploška, na které se měří tvrdost od ochlazeného čela. Výsledkem zkoušky je křivka prokalitelnosti materiálu. 

Průběh zkoušky je zachycen na následujícím videu.

Jominyho zkouška prokalitelnosti