zde - Západočeská univerzita

Integrita povrchu obrobku
Antonín Kříž
Přednáška ke jmenovacímu řízení – vědecká rada FST 7.10.2014
Obsah přednášky:
Úvod
Povrch v historii lidstva, integrita povrchu ……….……... 3
Podstata povrchu …………………………………….…….. 6
Obrobený povrch …………………………………….…..… 8
Důležitost povrchu ……………………………………….. 11
Hodnocené vlastnosti před nástupem integrity povrchu 14
Integrita povrchu – důvod využití ………………………..16
Složky integrity povrchu …………………………………. 17
Drsnost povrchu ………………………………………….. 22
Profil povrchu …………………………….………………. 27
Změna struktury …………………………………………. 28
Trhliny – praskliny ………………………………………. 37
Zbytková napětí …………………………………………. 38
Změny chemických vlastností ………………………..….. 51
Přínos v oblasti integrita povrchu ………………………. 54
Pedagogické působení v oblasti integrity povrchu ……. 55
Projekt OP VpK – vytváření mezinárodních týmů …….. 56
Kde nám v integritě povrchu ujel vlak?! ………………. 57
Předpokládaný další vývoj integrity povrchu na KMM 58
Závěr ………………………………………………………. 60
Vlastní literatura použitá k přednášce ………………….. 61
2/63
Úvod
Povrch v historii lidstva, integrita povrchu
•
1758 př.n.l. – doba Chammurapi – dokumentovaný záznam o povrchu
v babylonském klínovém písmu. (Chammurapi byl šestý král starobabylonské říše,
který vládl v letech 1792-1750 př.n.l. Proslul především jako zákonodárce – vydal
tzv. Chammurapiho zákoník) [http://en.wikipedia.org/]
•
Démokritos z Abdér (přibližně 460-370 př.n.l. )
byl řecký předsokratovský filozof. Démokritem dotvořený systém je
důsledně materialistický. „Základem světa jsou nekonečné prázdno, ve
kterém se pohybuje nekonečné množství atomů. Atomy jsou neviditelná,
nedělitelná, neměnná a tudíž nezničitelná tělíska, ze kterých se vše skládá.“
[Sousanna-Maria Nikolaou: Die Atomlehre Demokrits und Platons Timaios. Eine vergleichende
Untersuchung (Beiträge zur Altertumskunde, Band 112), Stuttgart 1998, S. 201. ]
•
Podstata věcí je skryta v jejich nitru, zatímco povrch je
zavádějící!
V polovině 19 století se pohled na povrch změnil.
Povrchu se začaly přiřazovat pozitivní vlastnosti.
Tato myšlenka byla posílena průkopníky povrchu, mezi které
patří J.W. Gibbs a I. Langmuir.
V roce 1877 J.W. Gibbs přichází se základy statické mechaniky
a termodynamikou povrchových fází.
3/63
V letech 1909-1950 I. Langmuir pracoval ve společnosti General Electric.
Vytvořil základy pro povrchovou chemii. V roce 1916 publikoval
významnou publikaci o adsorpci, kondenzaci a odpařování molekul
plynu z povrchu pevných látek a uspořádání molekul v povrchových
vrstvách
kapalin.
Zkoumal
monomolekulární
vrstvy
různých organických sloučenin na povrchu vody. V roce 1932 dostal
Nobelovu cenu za chemii.
[Len Fisher: Reise zum Mittelpunkt des Frühstückseis. Streifzüge durch die Physik der alltäglichen
Dinge. Erste Auflage. Campus, Frankfurt am Main / New York NY 2003 (Originaltitel: How to dunk a
doughnut, übersetzt von Carl Freytag), ISBN 3-593-37193-6, S. 147, 163f, 266f, 270.]
V roce 1960 se díky rozšíření poznatků skladby látek a moderních analýz vytvořil vědní
obor fyzika povrchů. Tento obor se překrývá s povrchovou chemií. Fyzika povrchů vyšetřuje
povrchové stavy, povrchovou difúzi, stavbu povrchu, epitaxii, emisi a tunelování elektronů,
v poslední době také nanostrukturu povrchů.
Integrita povrchu – nový pojem představený Dr. Michaelem Fieldem a Johnem
F. Kahlesem na symposiu Metcut Research Associates Inc. v roce 1964. Na tomto symposiu
byla pozornost věnována sledování zbytkových napětí po broušení. Byly vytvořeny základy
pro širší sledování souvislostí mezi technologií řezného procesu a výslednými vlastnostmi
výrobku. [http://www.shotpeener.com/library/pdf/1970007.pdf]
4/63
V roce 1970 vychází první publikace „Úvod do integrity povrchu“
Tato publikace má 11 stran a je vydaná společností General Electric.
Odkazuje se na 8 doposud vydaných publikací – nejstarší byla zpráva
z roku 1964 od Dr. Michaela Fielda a Johna F. Kahlese.
Integrita povrchu byla zahrnuta v normě ANSI Standard B46.1 – 1962
(GE Co – Standard FDP – STD – 18H1). Ačkoliv by 1962 napovídalo roku
vydání, byla tato norma poprvé zmíněna až v roce 1970.
V roce 1972 pořádá ASM Materials Engineering kongres pod názvem
Požadavky na sledování integrity povrchu. Výstupy jsou shrnuty ve
zprávě New Quality Control Requirements for Surface Integrity
[http://www.shotpeener.com/library/pdf/1972009.pdf]
V roce 1990 vyšla upravená norma ANSI B211.1 1986, která zavedla výkresovou
značku integrity povrchu. Protože prozatím neexistuje číselná hodnota pro integritu
povrchu není tato značka používána.
5/63
Podstata povrchu
U povrchu působí na atomy síly pouze zdola
V objemu materiálu jsou okolo další atomy,
proto ze všech směrů působí stejně velké
přitažlivé a odpudivé síly.
Volná povrchová energie pevných látek může být popsána jako míra porušení vazeb při
vzniku nového povrchu. Když se rozdělí pevné těleso, spotřebuje se energie nutná na
porušení vazeb. V praxi je rozdělení nevratným procesem díky disipační energii. Energie
nutná k rozdělení je větší než energie nově vzniklých povrchů.
Relaxace povrchu
- spontánní změny
v meziatomových vzdálenostech ve směru
kolmém na povrch (osa z) vedoucí ke snížení
povrchové energie – příklad na mřížce Fe – bcc.
6/63
[http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/641-povrchove-napeti]
Vlastností povrchů všech pevných látek je tendence přitahovat
molekuly okolních plynů, s kterými přichází do kontaktu – vzniká
adsorbovaná vrstva na povrchu.
7/63
Obrobený povrch
Oblasti plastických deformací
[homel.vsb.cz/~cep77/PDF/skripta_Technologie_II_1dil.pdf]
Napěťové pole v zóně řezání se rozkládá na napěťové pole v obrobku a nástroji. Pružné
deformace jsou rozloženy do celého objemu obrobku, deformace plastické zahrnují jen
zónu řezání. Smyková napětí rostou do té míry, než dojde k plastické deformaci
materiálu obrobku před břitem nástroje (posuv vrstev v kluzných rovinách pod úhlem
ΦN). Pohyb nástroje pokračuje, roste plastická deformace a dochází k pěchování a posunu
vrstev materiálu ve směru kolmém ke kluzným rovinám. Oddělováním třísky se ukončí
proces plastické deformace. Plastický lom nastává působením kluzné síly, zatímco křehký
lom působením síly normálové.
Při dalším pohybu nástroje roste napětí v materiálu až dosáhne vyšší hodnoty, než je mez
střihu obráběného materiálu a dojde k oddělení třísky pod úhlem střihu Φ.
8/63
Oblast terciární plastické deformace
V důsledku nerovnoměrné plastické deformace
vznikají v povrchové vrstvě zbytková napětí.
Jestliže je potlačen tepelný účinek, jsou tato
napětí tlaková – výhoda – uzavírání trhlin –
lepší mechanické vlastnosti.
Jestliže se materiál plastickou deformací
zpevňuje, vznikají tlaková napětí.
V případě, že plastická deformace vede ke
změknutí, jsou napětí tahová.
9/63
[Doc. Ing. Jan Řehoř Ph.D.: TEORIE OBRÁBĚNÍ - Mechanika tvoření třísky při obrábění]
Tepelné jevy při řezání
200°C
300°C
300°C
400°C 400°C
200°C
100°C
500°C
600°C
maximální teplota
670°C
Při obrábění jsou vytvořeny podmínky pro vznik zbytkových napětí:
•
nerovnoměrná plastická deformace v obrobeném povrchu,
•
nerovnoměrný ohřev a ochlazování materiálu, které vyvolává jeho roztažení a smršťování,
•
nerovnoměrné změny struktury, vyvolané působením tepla a mechanických sil,
•
chemické procesy, spojené s reakcí částic pronikajících do povrchové vrstvy (v důsledku
difúze a působení řezného prostředí vznikají chemické sloučeniny s odlišnou hustotou).
Při současném tepelném a mechanickém zatěžování povrchu je horní, nejteplejší část
povrchové vrstvy při obrábění plasticky zkrácena. Při chladnutí se pak v této vrstvě tvoří
nežádoucí tahové zbytkové napětí.
Jestliže jsou překročeny teploty strukturních změn, pak dochází k výraznému ovlivnění
průběhu zbytkových napětí.
10/63
[Doc. Ing. Jan Řehoř Ph.D.: TEORIE OBRÁBĚNÍ – Tepelné jevy při obrábění]
Důležitost povrchu
Finální vlastnosti výrobků jsou významně ovlivňovány vlastnostmi povrchových
a podpovrchových vrstev. Objem provozních lomů v současnosti tvoří více než z 90%
únavových poškození. Toto poškození má nejčastěji svoje iniciační místo na povrchu
součásti.
Z tohoto důvodu je nutné vlastnostem povrchu věnovat značnou pozornost.
[ J. Paulo Davim, Surface Integrity in Machining]
11/63
Charakteristické tvary skutečných profilů drsnosti
ploch a nosné křivky těchto ploch a) plochy obrobené
třískově
b) plochy dodatečně ovlivněné tlakovou deformací
Deformovaná oblast
12/63
Srovnání hloubek změny vlastností ve vazbě na použitou technologii
[mm]
13/63
Hodnocené vlastnosti před nástupem integrity povrchu
K dosažení správné a spolehlivé funkce strojírenských výrobků bylo nutné, aby byly
rozměry, tvar a vzájemná poloha ploch jejich jednotlivých částí dodrženy s určitou přesností.
Běžným výrobním postupem nelze docílit, aby uvedené geometrické vlastnosti součásti byly
dodrženy (ani změřeny) s absolutní přesností. Skutečné plochy vyrobených součástí se tak
liší od ideálních ploch předepsaných na výkrese. Aby bylo možné posuzovat, předepisovat a
při výrobě kontrolovat dovolenou nepřesnost, rozdělují se úchylky skutečných ploch do čtyř
skupin:
•
úchylky rozměrů
Geometrická tolerance - úchylka tvaru
•
úchylky tvaru
•
úchylky polohy
•
úchylky drsnosti povrchu
Spojením výsledků těchto 4 skupin
nejsou zajištěny podmínky
integrity povrchu
14/63
Neustále přeceňovaná drsnost povrchu
Zajímat se pouze o hodnotu drsnosti Ra je jako když jedeme autem po silnici
a nezajímají nás díry, ale průměrná nerovnost vozovky.
[ústní sdělení prof. Brychty – VŠB Ostrava]
15/63
Integrita povrchu – důvod využití
Z hlediska výroby má zásadní význam znalost mechanizmu vytváření nového povrchu
součásti. To umožňuje pochopit povahu a vlastnosti vytvořeného povrchu. Jedině tak může
dojít ke zlepšení použitých procesů a k vytvoření obrobených ploch s minimálním
množstvím poruch popř. se speciální modifikací.
Všechny změny, které nastávají v povrchové vrstvě součásti, lze shodně posuzovat jako
změny jakosti. Tyto změny se dávají do vzájemných souvislostí, čímž se vytváří podmínky
pro propojení jednotlivých vlastností povrchu – „integritu povrchu“.
Integrita povrchu – norma ANSI B211.1 1986
Trhliny
Obsah normy:
1.
2.
3.
4.
Úvod
Definice pojmů
Hodnotící techniky
Souhrn dat
Interkrystalické napadení
Plastická deformace
Rekrystalizace, Zbytková napětí,
Metalurgická transformace………
16/63
Složky integrity povrchu
Na povrch součásti v procesu výroby, montáže (i používání a s tím spojených
degradačních procesů mnohdy zakončené destrukcí) působí mnoho vlivů. Ty lze rozdělit
na vnější a vnitřní vlivy.
Mezi vnější jsou zahrnuty tyto vlivy:
•
Mechanické (provozní napětí)
•
Chemické (koroze)
•
Fyzikální (záření, bludné proudy apod.)
•
Kombinace více vlivů (koroze pod napětím, elektrochemická koroze, ale také
technologické procesy např. obrábění, tepelné zpracování, tváření)
Vnitřní vlivy jsou tvořeny:
•
Zbytkovým napětím
•
Morfologií povrchu (drsnost)
•
Materiálovými a mechanickými vlastnostmi povrchu (tvrdost, zpevnění, strukturní
stav, povrchová úprava např. vrstvy, povlaky)
•
Přítomností povrchových a podpovrchových vad a heterogenní struktura (uhlík
v litině, vměstky, řediny)
17/63
Hodnocené vlastnosti povrchu
•
•
Stanovení drsnosti povrchu
Vizuální zkoušky,
NDT zkoušky (NeDestruktivní Test)
•
Metalografické hodnocení
•
Zkoušky mikrotvrdosti
•
Profil zbytkových napětí
•
Stanovení únavové pevnosti
•
Stanovení korozních vlastností
18/63
Jaký chceme povrch?
Takový, aby plnil všechny svoje funkce a zvyšoval užitné vlastnosti výrobku!
Dokážeme tyto požadavky definovat?
Zbytková napětí (tlaková – tahová?)
Morfologie povrchu (drsnost)
Materiálové a mechanické vlastnosti povrchu
(tvrdost, zpevnění, strukturní stav, povrchová
úprava např. vrstvy, povlaky)
Základní faktory integrity povrchu
Geometrická přesnost
Drsnost povrchu a jeho profil
Tvrdost
Změna struktury
Zbytková napětí
Chemicko-tepelné změny – opaly,
oduhličení, nauhličení
Trhliny – praskliny
Změny fyzikálních i chemických vlastností
19/63
Akordy integrity povrchu
Integrita povrchu zahrnuje celou řadu faktorů, které je
nutné nejen změřit, ale je zapotřebí jim také dobře
rozumět.
Integrita povrchu dává dobré výsledky pouze, když
jsou uvažované výsledky ve správném souznění.
20/63
Je povrch skutečně to, za co jej pokládáme?
Přístroje, které jsou k dispozici
Překlopení zpevněného materiálu nebo třísky a vtlačení do povrchu
Reálný povrch – příčný metalografický výbrus vyvrtané stěny otvoru v materiálu C45
21/63
Drsnost povrchu
Ra - 0,45 mm
22/63
Měření lineární drsnosti
Měření plošné drsnosti
STEJNÁ OBLAST - Lineární drsnost Ra 0,6 µm
23/63
Plošná drsnost Sa - 0,39µm
Měření plošné drsnosti pomocí konfokálního mikroskopu OLYMPUS LEXT 3000
Výsledky vlastního měření v roce 2008
Nezměření celé periody drsnosti
(příliš velké zvětšení)
Etalony drsnosti
Velké množství šumu
(příliš malé zvětšení)
Nevyhovující výsledky vlivem nedostatečného softwaru
24/63
Měření plošné drsnosti pomocí konfokálního
mikroskopu OLYMPUS LEXT 4100
Prodej zahájen v roce 2013 – softwarový problém vyřešen, ale ….
25/63
Nosná (Abbotova) křivka profilu
Dva odlišné povrchy se stejnou hodnotou Abbotovy křivky profilu
26/63
Profil povrchu
Víc než samotný profil povrchu je důležitější strukturní stav a přítomnost mikrotrhlin.
27/63
Změna struktury
Narušení povrchové litinové vrstvy grafitem
Vytržený povrch
Zpevněný povrch
Tenčí zpevněná vrstva má po celé délce konstantní tloušťku. Vytrhávání zpevněné vrstvy je
pouze lokálního charakteru. Tloušťka zpevněné vrstvy je 7,9 ± 1,4 μm.
28/63
Praktická ukázka stavu povrchu – výsledky získané při řešení projektu
MPO FI-IM4/226 společně s průmyslovou firmou HOFMEISTER s.r.o.
„Návrh multifunkčního vrtáku pro vrtání otvorů 3D – s přesností IT7“
Řezná oblast
Zdrsňující oblast Tvářecí oblast
Schéma multifunkčního vrtáku
29/63
Stav obrobeného povrchu – ocel C45
Povrch – otvor vyvrtán nástrojem Hofmeister
V povrchové vrstvě je tvrdost HV0,005 = 445
Testovaný vzorek
Povrch – otvor vyvrtán nástrojem konkurence
– nenastala plastická deformace
30/63
Stav obrobeného povrchu – ocel AISI D3
Zakalený povrch– HV0,01 =1107
Běžný povrch – HV0,01 =828
31/63
Stav obrobeného povrchu – ocel AISI D3 – jiné aplikace tenkých vrstev na nástroji
HV0,01 = 567
HV0,2 = 712
HV0,01 = 1082
HV0,2 = 712
32/63
Zpevněná povrchová vrstva u vyvrtaného otvoru - materiál litina ČSN 42 24 20
Nanoindentační měření bylo provedeno při zatížení 250mN po dobu 12s.
33/63
Výsledky nanoindentační mikrotvrdosti HIT v oblastech a (neovlivněno); b ovlivněno.
Nástroj A - HOFMEISTER; B, C - konkurence
Souvislosti mezi strukturou obrobeného povrchu a užitnými vlastnostmi
Je nutné hledat souvislosti mezi laboratorně zjištěnými výsledky popisující povrchový stav
a reálnými vlastnostmi, nebo další možností je použít ověřenou metodu, která poskytuje
přímé vazby na užitné vlastnosti. Takovou metodou je IMPACT TEST (tento přístroj je
vlastní konstrukce, na světě je pouze 5 pracovišť, které disponují tímto měřením)
34/63
Impact kráter ve vzorku oceli D3 – nástroj HOFMEISTER
Dokumentace impact kráteru vytvořeného v popuštěné vrstvě
HV0,01 = 567
HV0,2 = 712
35/63
Impact kráter ve vzorku oceli D3 – nástroj HOFMEISTER
Dokumentace impact kráteru ve znovuzakalené vrstvě (bílá oblast)
HV0,01 = 1082
HV0,2 = 712
36/63
Trhliny – praskliny
Povrchové praskliny – špatné broušení povrchu
Vytrhaný materiál na obrobeném povrchu „Přehrnutý“ materiál na obrobeném povrchu
37/63
Zbytková napětí
Úroveň napětí je určována velikostí elastické deformace vyvolané objemovými změnami ve
výrobku. Pojem vnitřního napětí tedy plně odpovídá pojmu vnitřní elastické deformace, neboť
ta tento jev zcela kontroluje. Dále je pak napětí funkcí modulu pružnosti E.
Přiblížení tohoto procesu lze provést na třech rozdílných
materiálech. Velikost vnitřních napětí je jednoznačně určena
hodnotami E1, E2, a E3 (Youngova modulu). Při stejné
hodnotě pružné deformace 1 je vnitřní napětí v litině 2
přibližně poloviční a u velmi plastického hliníku 3 je
dokonce asi třetinové v porovnání s ocelí 1.
Z diagramu je patrný vliv plasticity materiálu na jeho odolnost
proti vzniku trhlin.
Při zvyšující se tvrdosti, která způsobuje navíc i nárůst
křehkosti, vzrůstá neúměrně i vnitřní napětí v souvislosti
s různými procesy, které by odezněly plastickou deformací.
Tato napětí pak mají za následek rozvoje trhlin.
38/63
Deformační závislosti
1-ocel; 2-šedá litina; 3hliník
Vnitřní napětí je v materiálu snižováno plastickou deformací. Čím má materiál větší mez
pružnosti, tím je napětí větší. Jestliže může materiál vykonat plastickou deformaci, pak
v případě, že má na deformaci čas i prostor, jejím rozvojem snižuje vnitřní napětí. Jestliže
tento čas není k dispozici např. při rychlých popř. velkých přísunech namáhání, nebo při
zablokování dislokací po hranicích zrn a jiných překážkách, pak dochází k eliminaci napětí
rozvojem nového povrchu tj. vznikem mikrotrhlin a trhlin. Jejich rozvoj se realizuje rychlostí
zvuku v kovech tj. až 5000m/s. Při prvotním uvolnění napětí jde trhlina nejkratší cestou až po
částečném vyčerpání dochází k tomu, že jde cestou nejmenšího odporu
tj. sleduje více strukturní slabost materiálu.
Snímek dokumentuje prasklinu u cementovaného a zakaleného pastorku, kde se trhlina
šířila po hranicích původních austenitických zrn. Vysoké zbytkové napětí bylo vyvoláno
nedodržením správného postupu CHMTZ a při broušení došlo k uvolnění zbytkového napětí
vznikem praskliny.
39/63
Příklad profilů zbytkových napětí při opracování oceli 16342
40/63
Důležitost zbytkových napětí se projeví nejen ve změně mechanických vlastností,
ale také na korozní odolnosti povrchu.
Řezání, broušení,
leštění
Odmašťování
Mechanická
a chemická
předúprava
povrchu
Příjem zboží
Černicí
proces
Moření
Konzervace
olejem
Expedice
zboží
NaOH + okysličovadlo např. dusičnan sodný
Teplota lázně 130-1400C
Původní povrch
Příčný výbrus povrchově zakaleného a černěného povrchu v místě defektu.
41/63
[David Bricín: Vlastnosti černěného povrchu strojních součástí. ZČU v Plzni, 2011. Vedoucí bakalářské práce Antonín Kříž]
Využití RTG difrakční analýzy
Experimentální metody využívající rentgenové, neutronové nebo elektronové záření (podle
interakce s látkou):
§
§
§
Identifikace makroskopických poruch – absorpce
Spektrální analýza – každý atom emituje „své“ záření
Studium krystalové struktury – difrakce záření na krystalové mřížce
Su2 2
x 10
40
35
2
N i 2p
C KLL
Ni 2sCr LMM Fe 2s Fe LMM Cr 2s
Cr 2p1/2
O KLL
Ni 2p1/2
Fe 2p1/2
Cr 2p
Ni 2p3/2
Fe 2p3/2
Cr 2p3/2
Ni 2p
Fe 2p Ni LMM O 1s
30
25
F e 2p
Pos . FWHM Area
705.50 3.260 453.7
572.50 3.936 109.1
851.00 2.207 396.0
529.00 2.634 178.0
283.00 2.751 248.6
15
C r 2p
10
At%
7.596
2.559
4.897
16.681
68.265
C 1s
O 1s
C PS
20
Name
Fe 2p
Cr 2p
Ni 2p
O 1s
C 1s
C 1s
5
Fe 3s
Fe 3d3/2
Ni 3s Fe 3p1/2
Fe 3pCr 3d5/
Fe 3p3/2
Cr 3s Fe 3d5/2
Ni 3p Fe 3d
Cr 3p1/2
Cr 3p3/2
Cr 3p
Cr 3d3/
Cr 3d
Ni 3p1/2
Ni 3p3/2
Ni 3d5/
Ni 3d
Ni 3d3/
O 2s
O 2p1/2
O 2p3/2
O 2p
C 2p1/2
C 2p3/2
C 2p
0
1000
800
600
Binding Energy (eV)
400
200
Grafit , koneèný stav po odprasovani
Fotoeletronová spektroskopie
Rentgenová fluorescenční analýza
[Kamil Kolařík: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]
42/63
0
Měření zbytkových napětí RTG difrakční analýzou u otvorů z oceli C45
Vyvrtaný otvor – měřeno
po obvodu v jedné hloubce
Struktura oceli C 45 je heterogenní
V oblasti perlitu je menší plastická deformace
Rozložení tlakových zbytkových napětí po obvodě vyvrtaného otvoru – měřeno
v jedné hloubce. Na hodnotách zbytkových napětí se projevila heterogenita
struktury – v místě perlitu je menší plastická deformace – větší hodnota
zbytkového napětí, než u plasticky zdeformovaného feritu.
43/63
Stanovení hloubkových profilů zbytkových napětí
Závislosti složek tenzoru napětí σij na vzdálenosti T od povrchu mohou mít pro předpověď
pevnostních vlastností výrobků často větší význam než pouze povrchové hodnoty σij(0).
Proto je nutné stanovit jejich hloubkový profil.
Záření
Ti Kα
Cr Kα
Cu Kα
λ, nm
0,27496
0,22909
0,15412
Te, μm
6,66
11,22
35,96
Ø 20 mm
ANALYZOVANÁ
OBLAST cca 25 mm2
5 mm
ODLEŠTĚNÁ
PLOCHA
30 mm
KRYCÍ FÓLIE
ŘEZNÁ PLOCHA
20 mm
[Kamil Kolařík: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]
44/63
Měření pomocí magnetického pole
Barkhausenův šum je jev poprvé popsaný v roce 1919. Původní název práce ve volném
překladu zní „Dvě pozoruhodnosti objevené pomocí nového zesilovače“.
Při přiblížení či oddálení magnetu k jádru je slyšet
v reproduktoru hlasité praskání. Souvisí to s nespojitostmi
při magnetování feromagnetických materiálů.
45/63
Heinrich Georg Barkhausen
•
•
•
Přítomnost a rozložení elastických napětí – ovlivňují cestu, kterou se domény ubírají za
cílem snadné orientace ve směru magnetizace
Tento jev, při kterém elastické vlastnosti ovlivňují doménovou strukturu a magnetické
vlastnosti, se nazývá magnetoelastická interakce. Důsledkem této interakce
u materiálů s pozitivní magnetostrikcí (většina ocelí a železo) je snižování intenzity
Barkhausenova šumu tlakovým napětím, zatímco tahové napětí intenzitu zvyšuje. Díky
této skutečnosti lze z měření intenzity Barkhausenova šumu stanovit zbytková napětí.
Struktura materiálu – lze hrubě popsat za použití pojmu tvrdost. Intenzita signálu
spojitě klesá s rostoucí tvrdostí. Je to důsledkem blokace pohybu doménových stěn na
mřížkové úrovni v zásadě stejnými překážkami a defekty jako pohyb dislokací při
plastické deformaci.
[Lucie Schmidová: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]
46/63
Metoda odvrtávání
Princip: do tělesa se zbytkovým napětím jsou vyvrtány otvory
Odvrtáním části tělesa dojde k uvolnění části napětí, těleso reaguje změnou deformace,
která se měří tenzometricky.
Podle směru deformace se určí směr a velikost napětí
Umožňuje měření povrchových i objemových napětí v oblasti dané velikostí tenzometru
Odvrtávací frézy a měřicí zařízení HBM SINT MTS3000
47/63
[Michal Švantner: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný
Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]
Měření průběhu zbytkových napětí u broušených cermetových nástrojů
200
Ceratizit TCN54 - Intenzita zbytkových napětí
Napětí (M Pa)
150
100
50
0
-50 0,0
0,2
0,4
0,6
-100
1C
2C
3C
4C
5C
6C
Vzorky 1C – 6C cermetové
destičky, které byly různě
broušeny – odlišné kotouče
nebo řezné parametry
-150
-200
h (mm)
Opotřebení frézy
Vzhledem k vysoké tvrdosti měřeného materiálu byla pro odvrtávání použita speciální
odbrušovací diamantová fréza.
Odvrtávání je prováděno po krocích 10 um až do hloubky 0,6 – 0,7 mm,
tj. cca 70 odvrtávacích kroků.
Po každém odvrtávacím kroku byla prodleva 4 - 5 min, která umožnila vychladnutí
vzorku a tedy omezení vlivu tepelných deformací na uvolněné deformace.
48/63
Mechanické metody měření zbytkových napětí
Princip: měření deformace zkušebního tělesa při postupném odleptávání povrchových
vrstev, měřený vzorek počítáme podle teorie pružnosti jako křivý prut
Při odleptávání se postupně odstraňují povrchové vrstvy materiálu a tím se uvolňuje
napětí obsažené v této vrstvě
Výhody:
nízká cena
dostupnost
Nevýhody: nízká přesnost
49/63
Připevnění
Zkoušený vzorek
Metody měření zbytkových napětí dle hloubky
Destruktivní Semidestruktivní Nedestruktivní
Hloubka měření z [mm]
0,001
0,01
Rentgenová difrakce
standardní
0,1
1
10
100
Neutronová
difrakce
Rentgenová difrakce synchrotron
Magnetické metody
Ultrazvukové metody
Odvrtání otvoru
Odvrtání mezikruží
Odvrtání hlubokého
otvoru (DHP)
Odstraňování vrstev
Rozřezávání
Povrchové metody
Podpovrchové metody
[Otakar WEINBERG, Jaroslav VÁCLAVÍK: Aplikace vybraných metod pro měření zbytkových napětí na velkých součástech v průmyslu.
Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]
50/63
Změny chemických vlastností
Plastická deformace způsobuje snížení korozní odolnosti. Kombinace mechanické
a elektrochemické expozice vede ke snížení korozní odolnosti materiálu a ke zvýšení
opotřebení, praskání a únavových poruch.
Tváření za studena vnáší do mřížky velké množství defektů. Výsledkem je méně kompaktní
a efektivní pasivní vrstva u korozivzdorných ocelí a snížení korozní odolnosti v roztoku NaCl.
Oxidická vrstva na nerezové oceli obsahuje po tváření za studena méně oxidů a více hydroxidů.
Nižší celistvost vrstvy a menší ochranu lze přičíst velké hustotě defektů . [Y.Fu, X.Wu, E-H. Han, W. Ke, Ke
Yang , Z. Jiang “Effect of cold work and sensitization treatment on the corrosion resistance of high nitrogen stainless steel in chloride solution”
Electrochimica Acta 54 (2009) 1618-1629]
Elastické napětí o malé intenzitě zlepšuje smáčivost povrchu elektrolytem. Anodické
rozpouštění aktivuje mnohem jednodušeji deformovaný materiál než „čistý kov“. [E.M. Gutman
Mechanochemistry of Solid Surfaces, World Science publications, New Jersey, Singapore, London 1994.]
Bylo zjištěno, že se může objevit pás dislokací v povrchové vrstvě během anodického
rozpouštění v důsledku zhoršení korozní odolnosti zapříčiněné plastickou deformací. [T.P. Hoar
Proceedings of the conference “Fundamentals of Stress corrosion Cracking, NACE TX, 1969, p.98]
Dřívější teorie říkají, že napětí zvětšuje vzdálenosti mezi atomy. Chemický potenciál elektronů
se v oblasti napětí snižuje v důsledku toho, že elektrony z okolí proudí do této oblasti.
Předpokládá se, že potenciálový spád ovlivňuje změna vzdálenosti mezi atomy na povrchu,
zatímco změna Fermiho energie je zanedbatelná. Napětí snižuje energii potřebnou k uvolnění
elektronu. [A. Kiejna, V.V. Pogosov, Phys. Rev. B 62 (2000) 10445. V.V. Pogosov, O.M. Shtepa, Ukr. Phys. J. 47 (2002) 1065 (Preprint
cond. mat/0310176). 1819,20]
51/63
Praktický příklad vlivu stavu obrobeného povrchu na
korozní vlastnosti
Ilustrativní schéma vrtáku
Povrch vyvrtané litiny ČSN 422420 - oblast 1 – pouze vrtáno; oblast 2 – přechodová
oblast do tvářeného povrchu; oblast 3 tvářený povrch; 4 – zahlazený povrch.
52/63
Laboratorní test – vliv drsnosti na korozní vlastnosti
Koroze u vzorku broušeného
„ brusným papírem 240“
Koroze u vzorku broušeného
„brusným papírem 800“
0,35
Plošný podíl koroze
podíl korozního napadení
0,3
vzorek 240/1
vzorek 800/1
0,25
vzorek 240/2
vzorek 800/2
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
čas [m in]
První série – větší přítlačná síla; druhá série – menší přítlačná síla
53/63
Přínos v oblasti integrity povrchu
V letech 2000-2004 ještě bez znalosti souvislostí sdružených pod obor integrita povrchu jsem
řešil dva projekty GAČR týkající se tenkých vrstev deponovaných na řezné nástroje za
účelem zvýšení trvanlivosti ostří, ale již také za účelem vyšší jakosti obrobené plochy.
V roce 2004 jsem se po setkání s prof. Ing. Bohumilem Bumbálkem CSc.
VUT Brno začal cíleně zajímat o integritu povrchu.
V roce 2004 podán návrh projektu MPO – „Vývoj a zavedení výroby
nových řezných nástrojů s využitím progresivních nanovrstev
a sendvičových tenkých vrstev pro obrábění těžkoobrobitelných
materiálů“. V tomto projektu byla cíleně řešena otázka stavu řezné hrany
nástroje. Projekt byl v řešení do 30.6.2007.
V roce 2005 podán návrh projektu MPO „Vývoj produktivní technologie výroby
cermetových řezných nástrojů“ – řešeno broušení cermetových nástrojů s projevy
zbytkových napětí a trvanlivosti břitu nástroje“. Projekt byl v řešení do 30.10.2007.
V roce 2006 podán návrh projektu MPO „Vývoj vrtacích multifunkčních nástrojů pro
vysoce produktivní a přesnou výrobu kruhových otvorů“– integrita povrchu řešena jak
z hlediska řezné hrany nástroje, tak i stavu obrobené plochy. Projekt byl v řešení do
31.12.2010. K řešení integrity povrchu byla přizvána katedra KTO a od tohoto projektu je
s touto katedrou velmi úzká a plodná spolupráce.
Firma HOFMEISTER s.r.o. stála za rozvojem integrity povrchu nejen na FST – ZČU v
Plzni, ale i v České republice. Tato firma byla hlavním řešitelem všech 3 MPO projektů.
54/63
Pedagogické působení v oblasti integrity povrchu
Databáze k integritě povrchu obsahující povrchové stavy 5 materiálů (C45; D3; GG20; Inconel
718; AW 6082) v souvislosti s použitým procesem obrábění a použitým nástrojem - vznikla na
základě výsledků MPO projektu.
Od roku 2001 jsem vedl úspěšně obhájených 30 diplomových prací a 12 prací bakalářských
21 DP a 5 BP souviselo s oborem integrita povrchu.
Od roku 2005 jsem vedl 5 ukončených doktorandů. 3 měli disertační práci na téma spadající
pod integritu povrchu.
V současné době jsem školitelem 7 doktorandů – všechny práce se týkají integrity povrchu.
V rámci spolupráce se zahraničním pracovištěm Instytut Materiałów Inżynierksich
i Biomedycznych, Politechnika Śląska, Gliwice jsem se aktivně podílel na úspěšném ukončení
doktorandského studia 3 zahraničních doktorandů (K. Lukaszkowicz ; D. Pakuła; J. Mikuła)
V roce 2002 jsem začal aktivně spolupracovat s výrobní společností CERATIZIT (Rakousko)
a od roku 2006 velmi úzce spolupracuji se zahraniční společností Blösch AG.
55/63
Projekt OPVpK – vytváření mezinárodních týmů – „INTEGRITA“
Zahraniční spolupráce byly využity při řešení projektu ESF OPVK CZ.1.07/2.3.00 „Systém
vzdělávání pro personální zabezpečení výzkumu a vývoje v oblasti moderního trendu
povrchového inženýrství INTEGRITA“ s rozpočtem 39 mil Kč.
V souvislosti s tímto projektem jsem dal podnět k vytvoření mezinárodního týmu, který
zahrnuje pracoviště: HOFMEISTER s.r.o. – ČR; TUL – ČR; VŠB Ostrava – ČR; Alicona
(průmyslová firma) – Rakousko; OTEC (průmyslová firma) – Německo; LISS AG Platit
(průmyslová firma) – Švýcarsko; TU Dortmund – Německo, TU Chemnitz – Německo.
V tomto projektu jsem hlavním manažerem a v současné době také garantem.
V rámci tohoto projektu bylo realizováno:
• Mezinárodní podzimní škola integrity povrchu (5 denní akce s 24 přednáškami z toho
18 zahraničních – ročník 2012; 2013);
• 7 seminářů za účasti studentů univerzit ZČU, TUL, VŠB TUO;
• 5 workshopů za účasti studentů a průmyslových firem z ČR i ze zahraničí.
Za pracoviště KMM – ZČU v Plzni bylo realizováno 21 zahraničních stáží pro studenty
magisterského a doktorandského studia.
V rámci řešení tohoto projektu byla za mojí osobní účasti navázána další spolupráce
s pracovišti v Berlíně: TU Berlín (Fakultät Verkehrs- und Maschinensysteme) a Fraunhofer
Institut - IPK (Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik) vedený
Prof. E. Uhlmannem; BAM - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (tato
spolupráce byla navázána během mojí návštěvy v červnu 2014).
56/63
Kde nám v integritě povrchu ujel vlak?!
2002 – povrchový stav řezné hrany nástroje
V roce 2004 – omílání nástrojů – nástup na trh firmy OTEC – mikroúprava řezné hrany
57/63
Předpokládaný další vývoj integrity povrchu na KMM
Neustálá osvěta ve výrobních firmách, získávání studentů a dalších spolupracovníků,
navazování kontaktů s tuzemskými i zahraničními pracovišti
Podávání projektů – podány 2 projekty TAČR EPSILON ve vazbě na integritu povrchu
Příprava projektu „vytváření mezinárodních týmů“ v rámci programu VVV (dříve OPVpK)
Spolupráce s průmyslovou sférou (v letech 2010 – doposud řešeno přes 120 analýz
týkajících se nějakým způsobem integrity povrchu) – větší důraz na vytvoření podvědomí.
Tvorba nových metodik ve vyhodnocování integrity povrchu – zahájeny činnosti vedoucí
ke kvantifikaci integrity povrchu (stanovení energie povrchu a nalézt souvislosti s jeho
jasnou a nezaměnitelnou identifikací stavu).
Byly započaty práce směřující k odhalení příčiny adhezního (kohezního) poškození
deponovaných řezných nástrojů ze slinutých karbidů v místě řezné hrany.
58/63
Abychom něco viděli, musíme mít oči i mysl otevřenou!
A být připraveni se s tím, co poznáme, nějak vyrovnat!
59/63
Závěr
Problematika s integritou povrchu spočívá v tom, že se musíme naučit posuzovat
povrch jinak, než jak jsme byli zvyklí. Nevystačíme s doposud využívanými
charakteristikami a veličinami, ale musíme se naučit pohlížet na povrch
komplexně a v souvislostech. Pro dosažení tohoto cíle je zapotřebí vytvořit
interdisciplinární týmy, které budou spolu diskutovat a budou provádět korelaci
získaných poznatků.
60/63
Vlastní literatura použitá k přednášce
DOBRZANSKI, L. A., JONDA, E., KŘÍŽ, A., LUKASZKOWICZ, K. Mechanical and
tribological properties of the surface layer of the hot work tool steel obtained by laser alloying.
Archives of Materials Science and Engineering. 2007. s. 389-396
KŘÍŽ, A., BENEŠ, P., ŠIMEČEK, J. Impact test of surface. Chemické listy, 2009, roč. 104, č.
S, s. 334-337. ISSN: 0009-2770
LUKASZKOWICZ, K., MIKUŁA, J., KRIZ, A., SONDOR, J. Structure, mechanical properties
and corrosion resistance of nanocomposite coatings deposited by PVD technology onto the
X6CrNiMoTi17-12-2 and X40CrMoV5-1 steel substrates. 2009. Surface Engineering. ISSN
0267-0844
LUKASZKOWICZ, SONDOR, J., KŘÍŽ, A., PANCIELEJKO, M., Structure, mechanical
properties and corrosion resistance of nanocomposite coatings deposited by PVD technology
onto the X6CrNiMoTi17-12-2 and X40CrMoV5-1 steel substrates. Journal of Materials
Science. 2010. s. 1629-1637
KŘÍŽ, A., KOUTSKÝ, E. Kritická velikost defektu. Inženýrská mechanika. Roč. 9. č. 9. 2002
s. 277-283
KŘÍŽ, A. Tenké vrstvy v průmyslové aplikaci na řezných nástrojích. Strojarstvo, 2005, roč. 9,
č. 7-8, s. 42-43. ISSN: 1335-2938
KŘÍŽ, A., KOŽMÍN, P. Thin film-coated cutting tools for hard-to-machine materials.
Strojárstvo, 2007, roč. 2007, č. 1, s. 48-49. ISSN: 1335-2938
HÁJEK, J., KŘÍŽ, A. Quo vadis tribologie?. Strojárstvo, 2007, roč. 11, č. 3, s. 6-7. ISSN: 13352938
61/63
KŘÍŽ, A., HÁJEK, J., SOSNOVÁ, M., BENEŠ, P. Surface degradation in contact laboratory
tests. Materiálové inžinierstvo, 2007, roč. 14, č. 3, s. 229-235. ISSN: 1335-0803
KŘÍŽ, A., BENEŠ, P., ŠIMEČEK, J. Kontaktní únava = IMPACT TEST. Mechanical
engineering journal Strojárstvo, 2009, roč. 2009, č. 3, s. 52-53. ISSN: 1335-2938
KŘÍŽ, A., KOŽMÍN, P., ROUD, P. Drilling holes with hight accuracy. MM Průmyslové
spektrum, 2011, č. 5, s. 54-55. ISSN: 1212-2572
BENEŠ, P., KŘÍŽ, A., VNOUČEK, M. Thermal degradation of PVD layers. Průmyslové
spektrum, 2011, č. 5, s. 16-17. ISSN: 1212-2572
KŘÍŽ, A. Influence of ion bombardment upon properties of sintered carbides befor deposition of
thin films by PVD technology. In Progresivní a netradiční technologie povrchových úprav 2003.
Praha: Česká společnost pro povrchové úpravy, 2003. s. 67-72. ISBN: 80-239-0979-7
ŠVANTNER, M., LITOŠ, P., HONNER, M., KŘÍŽ, A. Hole-drilling residual stress method
parameters determination. In Experimental Stress Analysis 2003. Brno: University of
Technology, 2003. s. 99-100. ISBN: 80-214-2314-5
KOŽMÍN, P., KŘÍŽ, A., FULEMOVÁ, J. Milling of cermet cutting tools. In Strojírenská
technologie Plzeň 2009. Plzeň: Západočeská univerzita, 2009. s. 1-6. ISBN: 978-80-7043-750-6
KŘÍŽ, A. The surface: What is the way to better understanding?. In Metal 2010. Ostrava:
TANGER, 2010. ISBN: 978-80-87294-17-8
KŘÍŽ, A. Influence of the surface on end-use properties of product. In 23. DTZ 2010. Čerčany:
2010. ISBN: 978-80-904462-2-9
62/63
ŠIMEČEK, J., BENEŠ, P., KŘÍŽ, A. Influence of cutting tools wear inner microstructure of
chips. In Metal 2010. Ostrava: TANGER, 2010. ISBN: 978-80-87294-17-8
KAFKA, L., KŘÍŽ, A. Usage of light and confocal microscopy at evaluation of machined
surface of boreholes. In Erin 2010. Plzeň: Západočeská univerzita, 2010. s. 1-8. ISBN: 97880-7043-866-4
KŘÍŽ, A., ŠPIRIT, Z., Properties of cemented carbides upon thermal exposure. In 25. dny
tepelného zpracování s mezinárodní účastí. Čerčany: Asociace pro tepelné zpracování kovů,
2013. s. 179-186. ISBN 978-80-904462-6-7
KŘÍŽ, A., HOFMEISTER, V. Pressfit solution in sigle-axis cutting tools. In Technológia
2005. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2005. s. 434-439. ISBN: 80-227-2264-2
HRBÁČEK, P., KŘÍŽ, A., BENEŠ, P. Use of confocal microscope in surface engineering. In
Vrstvy a povlaky 2006. Trenčín: Digital graphic, 2006. s. 76-81. ISBN: 80-969310-2-4
KŘÍŽ, A. Tool is not working - whose fault is it?. In Vrstvy a povlaky 2007. Trenčín: Digital
graphic, 2007. s. 67-72. ISBN: 978-80-969310-4-0
KŘÍŽ, A. Applicability of results of laboratoty analysis in practice. In Vrstvy a povlaky 2011.
Trenčín: Miloš Vavrík - Knihviazačstvo, Trenčín, 2011. s. 73-82. ISBN: 978-80-970824-0-6
63/63
Amatéři postavili Noemovu archu, profesionálové
Titanic
Děkuji za pozornost