V provozu působí často na strojní součásti síla, která se cykl

Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Zkoušky rázem
V provozu působí často na strojní součásti síla, která se cyklicky mění, popř. Její působení
je dynamického charakteru. Rázové působení síly je velmi nebezpečné, neboť to může iniciovat
náhlou destrukci materiálu, ke které by při statickém zatížení nikdy nedošlo. Náhlý lom
vzniklý rázovým působením síly má obvykle ve svém okolí jen nepatrné deformace (křehký
lom). Zatímco u stejného materiálu, který je zatěžován statickou silou, dojde před porušením
k rozvoji tvárné deformace (tvárný lom). Ke zjištění jak se chová materiál při náhlém vzrůstu
namáhání slouží zkoušky rázem.
Vliv deformační rychlosti
Všeobecně platí, že se zvyšováním deformační rychlosti se zvyšuje přetvárný odpor.
S rychlostí deformace vzrůstá rovněž mez pružnosti, mez kluzu i pevnost materiálu. Tento
vzrůst mechanických hodnot je všeobecný pro houževnatý stav kovu a je tím zjevnější, čím je
tavící teplota kovu nižší. Se zvyšováním deformační rychlosti se stále přibližuje mez kluzu
mezi pevnosti, takže za určité rychlosti, kdy tyto meze splynou, poruší se i tvárný materiál bez
předchozí tvárné deformace.
K vysvětlení tohoto jevu je třeba si všimnout vnitřní stavby kovů během deformace.
Tvárnou deformací se porušuje stavba atomové mřížky, což má za následek vznik vnitřního
pnutí a zpevnění. Toto zpevnění je provázeno zvýšením celkové energetické hladiny
posunutých atomů. Tyto atomy mají snahu se dostat do stabilnějších poloh. Jestliže se atomům
podaří tento „návrat“, je to provázeno celkovým uvolněním vnitřního pnutí – tzv. zotavením.
Čím je větší rychlost tvárné deformace za dané teploty, tím větší je účinek zpevňování a tím
menší je účinek zotavení. Se zvyšováním teploty se zvyšuje účinek zotavení, které může přejít
za určité teploty až v rekrystalizaci.
Joffe sestrojil diagram viz obr. č. 1, který
vysvětluje tzv. křehkost za studena. Tento diagram je
sestrojen pro monokrystal kuchyňské soli. Jsou zde
zakresleny dvě křivky v závislosti na teplotě. Křivka
RK zachycuje tzv. mez pevnosti v kluzu a křivka RT
mez pevnosti v kohezi. Z diagramu vyplývá, že
hodnota RT zůstává při změně teploty stálá, kdežto
hodnota RK s klesající teplotou rychle vzrůstá a
protíná přímku RT v bodě a. Tento bod odpovídá tzv.
kritické teplotě křehkosti. Při teplotách pod tímto
kritickým bodem má na charakter porušení největší
vliv křehký stav před lomem. Za teplot vyšších než
je kritická teplota křehkosti nastává porušení
v oblasti tvárné deformace.
Obr.č.1 – Diagram křehkosti za studena pro sůl
kamennou
RK mez pevnosti v kluzu, RT mez pevnosti v kohezi
-1-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Lomy houževnatého a křehkého charakteru se
mohou objevit u téže oceli, a ukazují na to, že otázka
přechodu křehkého stavu do houževnatého, vysvětlená
Joffem na monokrystalu NaCl, najde i zde svoji obdobu.
Převedeme-li
diagram
z monokrystalu
na
polykrystalické materiály, pak má kritická teplota
křehkosti určité rozmezí RKmax RKmin a RTmax RTmin obr.č.2.
V tomto rozmezí se vyskytují oba druhy porušení, jak
křehké tak tvárné. Jestliže se u některých materiálů, jako
jsou např. slitiny hliníku a mědi se křivky RK a RT
neprotínají, pak jsou tyto materiály necitlivé na pokles
teploty při rázu, neboť jejím snižováním se nemění
dynamická houževnatost.
Rázové zkoušky za normálních teplot
Podle způsobu jakým působí síla při rázu lze tyto
zkoušky rozdělit na:
1) rázové zkoušky v tahu a tlaku
2) rázové zkoušky v ohybu – tato zkouška má největší
význam
3) rázové zkoušky v krutu
Obr.č. 2 – Diagram křehkosti pro polykrystalické
houževnatosti v kritickém rozmezí křehkosti
struktury, b – změna dynamické
Rázová zkouška v ohybu
Při této zkoušce je nutné zkušební tyč přerazit a stanovit spotřebovanou rázovou energie.
Nejčastěji se k provedení zkoušky používá kyvadlové kladivo. Jeho historie sahá do roku 1901,
kdy v Budapešti na sjezdu Mezinárodního svazu pro technické zkoušení materiálu přednášel
Francouz G. Charpy o svých zkušenostech stanovení houževnatosti přerážením prismatických
tyčí opatřených vrubem. V roce 1909 bylo na kongresu v Kodani doporučeno normování
Charpyho zkoušky, která se brzy na
to ujala po celém evropském
kontinentě.
Schéma
uchycení
zkušební tyče dle Charpyho je na
obr. č. 3 a.
V Anglii navrhl Izod odlišný
způsob provedení zkoušky. Izod
vetknul tyč až ke vrubu obr.č.3 b.
Rozdíl obou způsobů spočívá
v tom, že u Charpyho zkoušky
narazí kladivo na zkoušenou tyč
v rovině lomu, zatímco u Izodovy
-2-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
zkoušky je ráz veden na místo od lomu vzdálené. Zkoušky Izodova byla zavedena v Anglii a
částečně i v Americe.
Obr.č.3 – Uchycení zkušební tyče
Od kodaňského kongresu prodělala zkušební tyč pro zkoušku rázem dle Charpyho celou
řadu změn. Díky tomu se v současné době v jednotlivých členských zemích ISO (Mezinárodní
standardizační organizace) používá celá řada velikostí a tvarů vrubů. Dosáhnout jednotnosti
tvaru a velikosti vrubu je v současné době téměř nemožné, neboť s jednotlivými
normalizovanými tyčemi byly v jednotlivých státech nashromážděny cenné informace, které
není možno zevšeobecnit pro svoji empirickou
povahu.
Vliv tvaru vrubu na hodnoty vrubové
houževnatosti vyplývá z obr.č. 4, kde jsou
porovnávány výsledky zkoušek na vzorcích
z měkké oceli, opatřených různými vruby.
S rostoucí houževnatostí materiálu relativně klesá
vliv ostrosti vrubu. Vedle tvaru a rozměrů
zkušebního
tělesa
ovlivňují
vrubovou
houževnatost i další činitelé např. jakost povrchu,
velikost zrna kovu a u tvářených materiálů i
orientace
vrubu
ke
směru
tváření
viz obr. č.5.
Obr.č. 4 - Vliv tvaru vrubu na hodnoty
vrubové
houževnatosti měkké oceli
Obr.č.5 – Přehled nejdůležitějších vlivů na polohu přechodové teploty
Z nárazové práce
potřebné na
přeražení vzorku se stanoví vrubová
houževnatost dle vztahu:
K
[J/cm2]
S
Spotřebovaná práce K potřebná na
přeražení vzorku se určí z rozdílu
výšek, tj. z rozdílu kinetických energií,
které se promítnou do polohové
energie kladiva po přeražení - obr.č.6.
Ke zkoušce se používá kyvadlových
kladiv s rázovou energií 0,5 až 300 J.
Rychlost pohybu kladiva v okamžiku
rázu má být dle normy 4 až 7 m/s.
KC =
-3-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Obr.č. 6 – Schéma principu
zkoušky rázem v ohybu
Hlavním činitelem, který vedle deformační rychlosti a velikosti vrubu má zásadní vliv na
vrubovou energii je teplota při které dojde k přeražení vzorku. Hlavní význam zkoušky rázem
v ohybu spočívá v určení přechodové teploty TP, tj,. teplota pod níž se materiál chová křehce.
Nad touto teplotou má lom tvárný charakter.
Způsoby zjišťování přechodové teploty
Pro stanovení přechodové teploty neplatí žádná závazná norma. Protože není přechodová
teplota jednoznačně definována, existuje více kritérií jejího určování. Stanovení přechodové
teploty lze zjistit některým z následujících způsobů obr.č.7:
1) Nejnižší teplota, při níž je lom zkušební tyče v celém průřezu houževnatý.
2) Teplota při níž houževnatý lom tvoří 50% celkového lomové plochy.
3) Teplota odpovídající střední hodnotě vrubové houževnatosti (dle Daviděnka)
KC stř =
KC max  KC min
2
4) Teplota odpovídající inflexnímu bodu křivky teplotní závislosti vrubové houževnatosti.
5) Teplota odpovídající dohodnuté vrubové houževnatosti
Obr. č. 7- Teplotní závislost vrubové houževnatosti a) schéma průběhu; b) způsoby
stanovení přechodové teploty
-4-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Obrazová část
Obr. č. 8 – Makroskopický snímek tvárného
porušení zkušební tyčky 12 060
přeražené při teplotě 100°C.
Obr. č. 9 - Makroskopický snímek křehkého
porušení zkušební tyčky 12 060
přeražené při teplotě 20°C.
Obr. č. 10 - Makroskopický snímek smíšeného porušení zkušební
tyčky 12 060 přeražené při teplotě 65°C.
-5-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Lomové plochy pozorované pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu ŘEM
Obr. č. 11 – Transkrystalické dutinové tvárné porušení oceli 12 060 přeražené
při teplotě 100°C
Obr. č. 12 – Transkrystalické dutinové tvárné porušení oceli 12 060.
Detail vysokoenergetické jamkové morfologie a tvárného
porušení lamelárního perlitu
-6-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Obr. č. 13 – Transkrystalické křehké porušení oceli 12 060 přeražené
při teplotě 20°C.
Obr. č. 14 – Transkrystalické křehké porušení lamelárního perlitu oceli 12 060.
Fazety transkrastalického křehkého štěpení s jazýčkovými stupni.
-7-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Obr. č. 15 – Smíšené porušení oceli 12 060 přeražené při teplotě 65°C.
Ve střední části snímku je tvárné transkrystalické porušení.
Obr. č. 16 – Detail převážně vysokoenergetické jamkové morfologie tvárného
transkrystalického porušení lamelárního perlitu.
-8-
Nauka o materiálu – I. ročník
Dr. Ing. Antonín Kříž
Obr. č. 17 – Struktura perliticko – feritické oceli 12 060 po normalizačním žíhání
3% Nital s řádkovaným oxidicko-sulfidickým vměstkem.
Obr.č. 18 – Detail nežádoucího oxidicko-sulfidického vměstku v oceli 12 060,
3% Nital Tyto vměstky zapříčinily výrazné zvýšení přechodové teploty tp.
-9-