ANALÝZA DEFORMAČNE SPEVNENÉHO ANTIKORÓZNEHO MATERIÁLU Lýdia Sobotová, Ľudmila Dulebová, Milan Ábel Katedra technológií a materiálov Strojnícka fakulta Technická univerzita v Košiciach 1. Úvod Ekonomické podmienky výroby, schopnosť presadiť sa na trhu a udržať si svoju pozíciu núti výrobcu znižovať výrobné náklady. Je však potrebné, aby bola zabezpečená vysoká kvalita hotových výrobkov, t. j. presný tvar a rozmery, požadované úžitkové vlastnosti a minimalizovaná nepodarkovosť. V tomto smere je dôležitá kvalita vstupného polotovaru s presným chemickým zložením a požadovanými mechanickofyzikálnymi vlastnosťami. Príspevok sa zaoberá posúdením vhodnosti použitia antikorózneho materiálu, ktorý bol vystavený deformačnému starnutiu v praxi.. Vhodnosť materiálu sa určila metalografickým hodnotením a skúškou jednoosým ťahom, ktorou sa určili základné mechanické vlastnosti materiálu. Na stanovenie vhodnosti použitia materiálu pre účely ohýbania v praxi sa tieto môžu doplniť napodobňujúcimi skúškami. 2. Analýza súčasných poznatkov riešenej problematiky Pri tvárnení pôsobia na materiál sily, ktoré kov deformujú alebo po prekročení medzného zaťaženia porušujú. Zmenu tvaru spôsobenú vonkajšími alebo vnútornými silami, pri ktorej zostáva zachovaná spojitosť materiálu, nazývame deformáciou. Deformácie môžeme z mechanického hľadiska rozdeliť na: elastickú (pružnú) atómy sa dočasne vychýlia zo svojich polôh, po odľahčení sa vrátia do pôvodného stavu, účinok deformácie sa stráca, plastickú (trvalú) atómy sa trvale premiestnia tzv. sklzovým mechanizmom, zmeny zostávajú aj po odľahčení. [2] Z hľadiska tvárnenia sú najvýznamnejšie plastické deformácie. Plastická deformácia je charakterizovaná trvalými zmenami rozmerov a tvaru materiálov. Sprevádzajú ju aj povrchové javy, ktoré svedčia o zmenách na mikroskopickej úrovni. V priebehu plastickej deformácie dochádza k deformačnému spevňovaniu a prejavuje sa nehomogenita plastického pretvorenia. [2] Medzi najvýznamnejšie faktory, ktoré vplývajú na deformáciu patria: teplota, rýchlosť deformácie, napätosť. Ďalšie činitele, ktoré vplývajú na deformačný proces sú: chemické zloženie a fyzikálny stav kovu, stupeň deformácie pri tvárniacich procesoch, vonkajšie trenie na dotykovej ploche nástroja a tvárneného kovu. [1] Pri deformácií môže dôjsť aj k porušeniu spojitosti materiálu vznikom trhlín alebo k rozpadu telesa na niekoľko častí, potom hovoríme o porušení. Porušenie rozdeľujeme podľa toho, aká deformácia materiálu predchádzala. Poznáme: porušenie krehké (krehký lom), predchádza mu iba pružná a mikroplastická deformácia, porušenie tvárne (tvárny lom), predchádza mu makroplastická deformácia. [2] Pri tvárnení v materiáli dochádza k spevňovaniu kovu. Spevňovanie je zmena vlastností po plastickej deformácií. Spevnenie sa prejavuje rastom pevnosti, tvrdosti, medze sklzu a znížením ťažnosti a vrubovej húževnatosti.. Priebeh spevnenia možno pozorovať z ťahového diagramu, ktorý je zobrazený na obr.1. Obr.1 Ťahový diagram [1] Popis diagramu: Oblasť I. Deformácia prebieha lineárne so stúpajúcim napätím σ až do bodu R e, ktorý znázorňuje výraznú medzu sklzu. Oblasť I. diagramu je oblasťou pružnej deformácie. Z diagramu vyplýva, že ďalšia deformácia sa bude rozvíjať len vtedy, keď sa bude zvyšovať napätie. Tento jav je v dôsledku spevnenia, ktoré nastáva pri tvárnení kovu. Oblasť II. Po prekročení hranice sklzu R e pri dostatočne veľkom napätí sa bude rozvíjať v tejto 142
oblasti totálna plastická deformácia, ktorú sprevádza pružná deformácia. Oblasť III. Po prekročení hranice pevnosti v ťahu R m na stáva v oblasti III lokálna plastická deformácia, ktorá končí porušením celistvosti materiálu. [1] Pod pojmom tvárniteľnosť rozumieme vhodnosť plechu k spracovaniu tvárnením pri konkrétnych podmienkach.. Dôležité sú požiadavky kladené na: chemické zloženie, mikroštruktúru materiálu, makroštruktúru materiálu, mechanické vlastnosti (R e, R m, A, Z, tvrdosť), posúdenie náchylnosti na starnutie, kvalitu povrchu. [1] [2] Tvárnením dochádza k výraznému spevňovaniu materiálu. Kov sa na povrchu spevňuje inak ako v jadre, a tým vykazuje v priereze rozdielne vlastnosti. Pri tvárnení nastáva usmernené usporiadanie geometrického tvaru zŕn. Vzniká výrazná textúra kovu tvárneného za studena (obr.2), tzv. deformačná textúra. Obr.2 Textúra kovu tvárneného za studena [1] a) zrno pred tvárnením, b) zrno po tvárnení Textúra za studena tvárneného kovu zapríčiňuje anizotrópiu mechanických vlastností (rôzne vlastnosti materiálu v smere a pozdĺž vlákien).textúra sa osobitne výrazne prejavuje pri vrubovej húževnatosti [1]. Pri tvárniacich operáciách dochádza súbežne k starnutiu po tepelnom spracovaní i k deformačnému starnutiu materiálov. Starnutie po tepelnom spracovaní je vyvolané rozpadom presýteného tuhého roztoku, ktorý vzniká rýchlym ochladením materiálu z teplôt ležiacich pod eutektoidnou teplotou. Deformačné starnutie je vyvolané predchádzajúcou plastickou deformáciou. Vplyvom starnutia dochádza k zvýšeniu hodnôt medze pevnosti, pomeru R e /R m a teda k zhoršovaniu plastických vlastností materiálu. So stúpaním hodnôt mechanických vlastností klesá schopnosť plechu pre použitie na viacnásobné ohýbanie. Dochádza tiež k poklesu ťažnosti a kontrakcie, k zmene tvrdosti, k poklesu vrubovej húževnatosti. Starnutie spôsobuje zmeny fyzikálnych a technologických vlastností hlbokoťažných oceľových plechov. [3] 3. Experimentálna časť V príspevku je spracovaná problematika hodnotenia antikoróznej ocele NICRO 52,6 pre potreby praxe..na experimenty bol dodaný materiál : 3 tabule plechu o rozmeroch - 1,8 x 300 x 300 mm, použitý, deformačne vystarnutý a popraskaný, 1 tabuľa plechu o rozmere 1,8 x 300 x 300 mm, nová, potiahnutá ochrannou plastovou fóliou z jednej strany. Pre analýzu materiálu sa používajú nasledovné metódy : vizuálne hodnotenie akosti povrchu STN 42 0108, metalografické hodnotenie ocele STN 42 0462, určenie mechanických vlastností, skúška jednoosým ťahom podľa STN 42 0310, skúšky tvrdosti podľa Vickersa podľa ISO 6507, ohybové skúšky, t.j. skúšky striedavým ohybom STN 42 0405. Príspevok je zameraný na posúdenie antikoróznej ocele vizuálnou, metalografickou metódou a určením mechanických vlastností materiálu skúškou jednoosým ťahom. 4.Vyhodnotenie skúšaného materiálu 4.1 Vizuálny rozbor Vizuálne hodnotenie akosti povrchu materiálu slúži na zistenie a posudzovanie celkového stavu povrchu, na zistenie rozsahu a popisu povrchových chýb materiálu. Akosť povrchu skúšaného materiálu bola posudzovaná v súlade s STN 42 0108 a to vonkajšou prehliadkou vizuálne. Pri vizuálnom posudzovaní bol charakter chýb, t.j. jaziev, priehlbenín, vyvýšenín a poškrabaní nasledovný: Na dvoch dodaných tabuliach skúšaného materiálu na jednej strane boli otlačené pásy a matný zdrsnený povrch od napínacích valcov. Okrem toho boli na vzorkách testovaného materiálu trhliny vznikajúce po únavovej deformácii materiálu obr.2 a obr.3. Druhá strana vzoriek bola jemne poškrabaná, bez väčších chýb. Tretia vzorka bola bez trhlín, obr.4. Štvrtá vzorka materiálu bola nepoužitá, nová s nalepenou plastovou fóliou na jednej strane, obr.5. Z horeuvedeného možno konštatovať, že akosť povrchu oboch strán dodaného materiálu nespĺňala požiadavky podľa STN 42 0108. 143
4.2 Metalografické hodnotenie ocele Z hľadiska vzťahu štruktúra vlastnosti, veľmi dôležitou oblasťou skúšania materiálov je mikroskopická analýza.pôsobenie deformačného starnutia v antikoróznom materiály,dodaného od dodávateľa z praxe, prebieha pri tvarovaní drevotriesky na antikoróznych pásoch napínaných na prestaviteľných oceľových valcoch, podľa potrebného výsledného tvaru formovanej drevotriesky. Pri výbere miesta odberu dôležitú úlohu zohrávala história plechu a pracovné dotyky plechu. Na základe záberu drevotriesky, antikorózneho plechu a napínacích valcov dochádza k otlačeniu a spevneniu napínaného plechu na danom mieste. V dôsledku deformácie materiálu vzniká zmena napäťových stavov, miestnemu tepelnému prehriatiu počas ohýbania sa a napínania sa na válcoch a tiež lisovania drevotriesky s následným ochladzovaním po ukončení prác. V dôsledku toho dochádza k spevneniu materiálu a v smere napínania pásov k zmene štruktúry materiálu ( usmernenosť zŕn, riadkovitosť materiálu). Z miesta 1, ( obr.3 )bola odobratá vzorka z neovplyvneného materiálu, ktorého štruktúra je na obr.4 a obr.5. Štruktúra materiálu je rovnomerná, rozloženie zŕn karbidov je taktiež rovnomerné. Na obr.6 a obr.7 je znázornené tepelné ovplyvnenie materiálu, ku ktorému dochádza pri styku drevotriesky s plechom vťahovaním drevotriesky do stroja.. Na obr. 7 je znázornený detail vzniku interkryštalickej korózie. V dôsledku únavy materiálu dochádza k tvorbe trhlín. Šírenie lomu po zrnách je zdokumentované na obr.8 a na obr. 9 pri zv.50x a zv. 100x. Na obr.10 je detail šírenia sa únavovej trhliny pri zv. 200x.Trhlina sa šíri pod 45 uhlom na smer zaťaženia, čiže pohybu pásu. Detail vzniku zárodku únavového porušenia materiálu je na obr. 11, zv. 200x. Obr.3 Schéma miesta odberu vzoriek Pre metalografický rozbor boli vzorky odobraté z každej dodanej tabule a zaliate do dentakrylu. Po vybrúsení na brúske typu Metasinex a vyleštení na leštičke typu Montasupal boli vzorky pre zviditeľnenie mikroštruktúry naleptané.bolo odobratých, vyleštených a naleptaných 11 výbrusov. Mikroštruktúry boli pozorované na mikroskope Olympus BXFM, a zároveň zdokumentované digitálnym fotoaparátom Olympus C-4040 ZOOM. Na obr.3 sú znázornené vytypované jednotlivé miesta odberu skúšobných vzoriek, pri ktorých sa najčastejšie vyskytovali porušenia materiálu na dodaných tabuliach plechu. Obr.4 Rovnomerná štruktúra, zv. 50 x 144
Obr.5 Rovnomerná štruktúra, zv. 100 x Obr.8 Šírenie lomu v materiáli v oblasti maximálnych šmykových napätí, zv.50x Obr.6 Interkryštalická korózia na vzorke 2, zv. 50 x Obr.9 Detail šírenia lomu v materiáli,zv.100x Obr.7 Interkryštalická korózia na vzorke 2, zv. 100 x Obr.10 Detail šírenia sa únavovej trhliny, zv. 200x 145
Obr. 11 Vznik zárodku únavového porušenia materiálu, zv. 200x Skúška jednoosovým ťahom je základná mechanická skúška, ktorá sa používa na určenie mechanických vlastností materiálov. Skúška bola vykonaná podľa normy STN EN 10002-1, ktorá upravuje priebeh, spracovanie a vyhodnotenie nameraných hodnôt. Ťahová skúška bola robená na skúšobnom zariadení, trhacom stroji typu TIRAtest 2300,VEB Thűringer Industriewerk, Nemecko a na skúšobnom zariadení, trhacom stroji ZDM 10/91, VEB Werkzeugmaaaschinenkombinat Fritz Heckert,Nemecko Princíp skúšky spočíva v roztrhnutí skúšobnej tyče s cieľom zistiť základné mechanické vlastnosti: medzu pevnosti R m, medzu sklzu R e, ťažnosť A 80. Na experiment bolo použitých 15 skúšobných vzoriek podľa množstva dodaného materiálu. Vybrali sa vzorky pre každý smer valcovania t. j. 0 º, 45º, 90º vzhľadom na smer valcovania,. Vzorky boli odobraté podľa normy STN 42 0305. Na odmeranie hrúbky a šírky boli použité digitálne meradlá typu Mitutoyo. Označenie vzoriek A až O, pričom označenie : - A až C, šírka skúšobnej vzorky b= 20 mm, merná dĺžka L= 80 mm, - D až O, šírka skúšobnej vzorky b= 12,5 mm, merná dĺžka L= 50 mm Vyhodnotenie nameraných výsledkov: skúšobné vzorky, dodané ako použité, majú značne vysoké hodnoty Rm v rozmedzí od 1056,32 MPa až 1539,44 MPa. skúšobné vzorky M,N,O, ktoré boli dodané ako nové, nepoužité, potiahnuté fóliou vykazovali vysoké hodnoty Rm = 1370,46 MPa až 1398,71 MPa. Porovnaním skúšobných vzoriek D až O, rozdiely v hodnotách medze pevnostii použitých a nepoužitých vzoriek sa pohybovali okolo 160 MPa, porušenie vzoriek bolo mimo mernej dĺžky. Hodnoty ťažnosti skúšobných vzoriek D až I, použitých, vystarnutých vykazovali veľmi nízke hodnoty, t.j. od 1,60 % po 1,80%. Hodnoty ťažnosti skúšobných vzoriek J a K vykazovali hodnoty vyššie ako u vzoriek z použitého a vystarnutého materiáli okolo 6%. Tieto skúšobné vzorky boli odobraté po uhlom 45 0 vzhľadom na smer valcovania a porušenie vzoriek bolo v strede mernej dĺžky. Hodnoty ťažnosti skúšobných vzoriek M,N,O vykazovali hodnoty od 1,74% po 2,20%.Napriek tomu, že sa jedná o nové, nepoužité vzorky, hodnoty sú veľmi malé. 5. Záver V podmienkach prevádzky dochádza ku vzniku znehodnocovania sa materiálu strojných súčastí a to najmä predčasným vyradením v dôsledku lomu, korózie a opotrebením, ktoré majú za následok veľké ekonomické straty pre podnik. Na základe dosiahnutých výsledkov môžeme konštatovať, že daný skúšobný materiál bol veľmi deformačne vystarnutý. Na dodaných plechoch boli otlačené pásy a matný zdrsnený povrch od napínacích valcov aj trhliny po deformácii. Zdokumentovať a potvrdiť tieto javy bolo aj cieľom predkladaného príspevku, ktorý bol spracovaný v spolupráci s firmou KRONOSPAN SK, s.r.o. pre možnosti použitia v grantových projektoch ako teoretický prínos riešenej problematiky skúšania materiálov. Literatúra 1. BLAŠČÍK, F. et al.: Technológia tvárnenia, zlievarenstva a zvárania. 1. vyd. Bratislava, ALFA, 1988 2. JAŠŠO, A. - KALOČ, R.: Teória plasticity a tvárnenia. 1. vyd. Bratislava, ALFA, 1980 3. BLAŠČÍK, F.: Teória spracovania plechov I. 2. vyd. Bratislava, ALFA, 1974 4. BLAŠČÍK, F. - POLÁK, K.: Teória tvárnenia. 2. vyd. Bratislava, ALFA, 1985 5. HRIVŇÁK,. - EVIN, E. - SPIŠÁK, E.: Technológia plošného tvárnenia. Bratislava, ALFA, 1990 6. STN 42 0015 Chyby tvárnených oceľových hutných výrobkov, 1993 7. STN 42 0108 Vizuálne hodnotenie akosti povrchu 8. STN 42 0462 Stanovenie veľkosti zrna ocelí a neželezných kovov,1983 146