impact tester

Kontaktní cyklické testování
materiálů pomocí IMPACT testeru
Antonín Kříž; Petr Beneš
• V mnoha průmyslových aplikacích jsou součásti vystaveny intenzivním účinkům
kontaktního namáhání
• Při kontaktním namáhání dvou povrchů nastává vlivem jejich vzájemnému
působení degradace
Degradace – limitující faktor životnosti
Z tohoto důvodu se hledají možnosti, jak tuto degradaci potlačit popř.
alespoň eliminovat na přijatelnou mez
Impact test
2/25
IMPACT TESTER
• umožňuje stanovit odezvu materiálu na dynamické rázové kontaktní zatížení
• lze určit odolnost vůči rázovému zatěžování nejen objemových materiálů, ale
vrstev a povlaků
• zjišťování rázové kontaktní únavy
Dynamické kontaktní periodické opotřebení nepatří mezi
základní druhy opotřebení, neboť je kombinací základních
druhů opotřebení, jako je adhezivní opotřebení, abrazivní
opotřebení, únavové opotřebení a vibrační opotřebení.
3/25
Proč impact test?
• zkoušky založené na scratch testu (postupném vnikání hrotu do povlaku při
zvětšujícím se zatížení) či na tribologických experimentech mohou být
nedostatečné pro simulaci podmínek, kdy je povrch materiálu vystaven
zároveň únavovému a erozivnímu opotřebení. Impact test věrněji simuluje
reálné situace během životnosti materiálu (např. dopady povlakovaného
obráběcího nástroje na různá místa obrobku v důsledku chvění).
nízkofrekvenční impact tester
dva typy impact testerů
vysokofrekvenční impact tester
4/25
U impactových kráterů se vyhodnocuje nejen jejich povrchová morfologie, ale i
materiálové informace získané z příčných výbrusů provedených impactovým
kráterem, jako je průběh zpevnění pod kráterem, či strukturní změny vyvolané
v materiálu v důsledku lokální deformace.
V ideálním případě lze u impactových kráterů vytvořených ve vrstvách rozeznat 3
oblasti lišící se mechanismem porušení.
5/25
Impactový kráter u TiAlN multivrstvy
25 000 úderů, zatížení 30N.
Morfologický vývoj impactního kráteru u Cr-DLC
vrstvy v závislosti na počtu úderů
d5000=1,6 µm, d10000=1,8 µm, d13000=3,2 µm,
d14000=10,2µm [Ing. Šimeček]
6/25
Nízkofrekvenční impact tester
• nízká frekvence rázů – okolo 0,8 Hz
• rázová energie může být měněna výškou
dopadu indentoru
< 10 N
max. 65
Weight
Pin holder
• přesné nastavení kolmosti dopadu indentoru
v závislosti na výšce zkoumaného vzorku
• závaží až 1 000g
Pin
Coating
4 – 6 mm
• indentory – 4 – 6 mm kuličky
• snadné stanovení energie impactu ( příslušná
dopadová energie je rovna potenciální energii
dopadajícího zkušebního tělíska)
Substrate
7/25
Vysokofrekveční impact tester
• indentor je přitahován elektromagnetickou cívkou
• frekvence úderů až 50 Hz
• tenzometrická měření a měření akustické emise
• vratný pohyb indentoru do základní polohy pomocí pružiny
• vzorek je umístěn na otočném a výsuvném stolku
8/25
PRAKTICKÉ APLIKACE
Impact test použitý pro testování materiálu kol kolejových vozidel
- feriticko-perlitická struktura
s občasným výskytem
Widmannstättenovy struktury
- impact testem nebylo zjištěno,
že by Widmannstättenova
struktura byla iniciačním
centrem trhlin
• indentor – 6 mm kulička z karbidu wolframu
• rázová energie - E = 0,078 J
S ohledem na pochopení destrukčních mechanismů a dokumentace
postupného opotřebování povrchu vzorku a vznik kráterů, byl proveden
různý počet úderů – 500, 1000, 2500, 5000, 10000 a 100 000 impactů.
9/25
500 impactů
• po aplikaci 500 úderů byl v okrajových oblastech
impactového kráteru zjištěn výskyt značného množství defektů
• soustředění největšího počtu defektů do
oblasti okraje impactového kráteru
1000 impactů
• v okrajových oblastech impactového
kráteru výskyt síťoví jemných trhlinek
Se zvyšujícím se počtem úderů došlo v okrajových oblastech impactového kráteru
ke snižování počtu defektů, ale v oblastistředu impactového kráteru došlo ke
zvyšování počtu defektů
10/25
• Soustředění největšího počtu defektů do oblasti okraje impactového kráteru souvisí
s rozložením tahového napětí v impactovém kráteru, které v okrajových oblastech
impactového kráteru dosahuje nejvyšších hodnot
• ve středu impactového kráteru převažují tlaková pnutí
100 000 impactů
• došlo k rychlému rozvoji
trhliny, která byla odhalena
v průběhu obrobení vzorku
• Tato trhlina se nacházela mimo
oblast impactového kráteru
detail okraje kráteru:
• shluky defektních míst
(zakroužkováno)
• vlásečnicové trhliny
(označeny šipkou)
11/25
Impactový
kráter
Trhliny mimo impactový kráter,
které se v průběhu impact testu dále
zvětšovaly (byly pod přírubou, jenž
zajišťovala upevnění vzorku ve
zkušebním zařízení)
• rozvoj trhlin nastal
pravděpodobně v důsledku přenosu
rázového zatížení prostřednictvím
celého objemu materiálu
• rázové vlny se šíří do celého
objemu materiálu
• energie z rázové vlny snižuje
potřebnou energii nutnou k rozvoji
trhlin
12/25
Rázová odolnost tenkých otěruvzdorných vrstev použitých na
obrábění těžkoobrobitelných ocelí
• další oblast, kde je kontaktní rázové opotřebení hlavní příčinou poškození
součásti
• impact test představuje pro obráběcí nástroje velice důležitý test - lze simulovat
rázy vznikající na povrchu nástroje v důsledku přerušovaného řezu
(např.frézování)
• určení okamžiku kdy dojde vlivem dynamicky opakovaných k poškození vrstvy
a k odhalení substrátu je pro reálný řezný nástroj velice důležité
• po delaminaci vrstvy není odhalený substrát nástroje fyzikálně schopen odolávat
nepříznivým podmínkám přítomných v místě řezu a dochází k okamžité destrukci
řezné hrany
13/25
Cílem provedených experimentů bylo zjistit odolnosti PVD vrstev vůči
impactovému zatěžování
Testovány byly nejčastěji používané PVD vrstvy: TiN, TiAlN, TiAlSiN
deponované na substrátu ze slinutého karbidu ISO K20
V rámci výzkumného úkolu byly provedeny další laboratorní testy, které poskytly
další doplňující údaje o vytvořených systémech.
Byly provedeny následující testy, jejichž výsledky jsou presentovány v článku
„Vlastnosti tenkých vrstev při vyšších teplotách“ – konference METAL 2008
• nanoindentační měření
• fretting test
• tribologická měření
Přesnost laboratorních testů byla dána do souvislosti s výsledky technologických
obráběcích zkoušek. Bylo provedeno soustružení a frézování těžkoobrobitelného
materiálu – nástrojové oceli X210Cr12 (AISI D3), který byl tepelně zpracován na
vysokou tvrdost (55-56HRC).
14/25
• je známo, že vlivem ohřevu se u některých typů vrstev vytvoří oxidické filmy,
které mohou zvyšovat odolnost vrstev vůči opotřebení ⇒ vrstvy byly podrobeny
ohřevu – všechny vrstvy na teplotu 400°C a vrstva TiAlN navíc na 800°C
Nanoindentační měření:
TiN – nejpříznivější poměr plastické ku elastické složce deformace ze
zkoumaných vrstev, teplotním zatížením se docílilo určitého nepatrného
změknutí vrstvy TiN
TiAlSiN – vysoká tvrdost, ale křehčí než TiN
TiAlN – ohřev na 400°C ⇒ zvýšení mikrotvrdosti a křehkosti
15/25
– ohřev na 800°C ⇒ pokles mikrotvrdosti a zvýšení houževnatosti
• F= 2 N (E= 0,044 J) and F= 5 N (E= 0,074 J)
• 1000; 2500 a 5000 impactů
TiAlSiN , E= 0.044 J; 5000 impactů
TiN , E= 0.044 J; 5000 impactů
TiAlN , E= 0.044 J; 5000 impactů
TiAlN zahřáto na 400°C ,
E= 0.044 J; 5000 impactů
16/25
TiN
• ani po 5000 úderech nebylo zjištěno žádné poškození vrstvy
→ dobré „tlumící“ schopnosti
• 400°C – zvýšení odolnosti vůči rázovému namáhání
• velmi dobré vlastnosti tenké vrstvy TiN vyplývají jednak z její poměrně
malé tloušťky a příznivých elasticko-plastických vlastností – potvrzeno
nanoindentačními měřeními (vysoký poměr plastické složky deformace vůči
elastické složce deformace)
TiN , E= 0,074 J; 5,000 impactů,
vrstva ohřáta na 400°C
17/25
TiAlN
• první známky opotřebení již po 1000 úderech (E = 0,044 J),
• toto poškození nastává ve stopách drsnosti
• tyto nerovnosti přenášejí veškerou dopadovou energii → rychlejší zahlazování
• po 2500 úderech (E = 0,074J) – rozsáhlé poškození vrstvy a odhalení substrátu v celém
objemu impactového kráteru
• ohřevem na teplotu 400°C se zvýšila odolnost vrstvy vůči rázovému únavovému porušení
• ohřevem na teplotu 800°C další prokazatelné zlepšení odolnosti vzorku vůči rázovému
únavovému porušení
400°C
18/25
800°C
Poškození vrstvy v impactovém kráteru
u vrstvy TiAlN po 1000 impactech,
E= 0,044 J
Detail mechanismu poškozování
vrstvy TiAlN v impactovém kráteru
předcházející odhalení substrátu
19/25
TiAlSiN
•
nejnižší odolnost vůči rázovému kontaktnímu zatížení
•
při aplikaci malé zátěžné síly a malého počtu impactů došlo ke značnému
poškození svrchní vrstvy TiAlSiN; adhezní vrstva TiN účinně zabraňovala
celkovému opotřebení vrstvy
•
nanoindentační měření: vysoká mikrotvrdost a nižší houževnatost
•
makročástice - jsou obklopeny napěťovým polem
5.
zintenzivnění procesu opotřebení vrstvy
6.
může docházet k vytrhávání makročástic obsažených ve vrstvě → oslabení
kohezivní soudržnosti vrstvy
20/25
Úpravy zkonstruovaného přístroje a další měření
Impact test je v současné době rozšířen o následující měřící zařízení:
• akcelerometrické měření
• měření akustické emise - okamžik vzniku a růst rázově indukovaných trhlin
v závislosti na velikosti a frekvenci vložené deformační energie
• vysokofrekvenční impact tester umožňuje zkonstruovat Woehlerovy křivky
21/25
Záznam průběhu sil během zatěžování
S využitím akustické emise bude možné sledovat nejen změnu vlastností
materiálu následkem dopadu kuličky, ale také iniciaci a rozvoj trhlin a to nejen
v oblasti impactového kráteru, ale i v jeho bezprostředním okolí.
Měření zbytkových napětí pomocí magnetického pole
V současné době spolupracujeme s firmou Preditest,
s kterou vytváříme metodiku pro zjišťování zbytkových
napětí v impactovém kráteru a v jeho blízkosti.
22/25
Využití konfokálního scanovacího laserového mikroskopu
Konfokální mikroskop Olympus
LEXT OLS3000
23/25
Dopad kuličky na vzorek pod definovaným úhlem
Sklon úhlu, který svírá vzorek se směrem dopadající kuličky umožňuje
vyvodit dva druhy sil – normálovou a tečnou.
Impact tester umožňující naklopení vzorku může napodobovat zatížení
řezného nástroje např. frézy, která zajíždí pod určitým úhlem do
obráběného materiálu.
24/25
Závěr
Impact tester představuje jednu z nejnovějších a perspektivních
metod pro zjišťování chování materiálů vystavených účinkům
rázového dynamického kontaktního namáhání.
Umožňuje zkoumat chování nejen objemového materiálu, ale taktéž
povrchové vrstvy a povlaky.
Jeho další předností je, že lze na základě provedeného testu na
malém vzorku odebraném z reálného výrobku predikovat jeho
zbytkovou životnost. Po odladění správné metodiky a osazení
přístroje dalšími snímači dovoluje popsat procesy, které jsou
iniciovány dynamickým účinkem a přibližují se reálnému prostředí.
25/25