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 tlaku2) rázové zkoušky v ohybu – tato zkouška má největší

význam3) rázové zkoušky v krutu

Obr.č. 2 – Diagram křehkosti pro polykrystalické struktury, b – změna dynamické houževnatosti v kritickém rozmezí křehkosti

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:

KC=KS

[J/cm2]

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.

-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 maxKCmin

24) 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-