2 skÚŠanie materiÁlov a zvarovÝch...

21

This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.

2 SKÚŠANIE MATERIÁLOV A ZVAROVÝCH SPOJOV 2.1 Skúšanie konvenčných a nekonvenčných vlastností materiálov a zvarov

Mechanické vlastnosti sú finálne charakteristiky materiálov, ktoré podmieňujú ich vhodnosť pre použitie na daný účel a pre dané prevádzkové podmienky. Pre optimálne využitie materiálov je dôležité poznať ich základné i špeciálne vlastnosti a správanie sa aj v zložitých podmienkach namáhania a spolupôsobenia vonkajších vplyvov. Pre zavedenie moderných prístupov hodnotenia prevádzkovej spoľahlivosti, kontroly životnosti, prevádzkyschopnosti, posúdenia možnosti výskytu medzných stavov porušenia a zhodnotenie zvyškovej životnosti konštrukcií je potrebné mať informácie nielen o základných charakteristikách ale aj o niektorých špeciálnych, nekonvenčných charakteristikách materiálov a zvarových spojov.

Skúšky mechanických vlastností konštrukčných materiálov a zvarových spojov sú dôležitým nástrojom pre zabezpečenie a kontrolu spoľahlivosti, životnosti a prevádzkyschopnosti konštrukcií v normálnych i náročných prevádzkových podmienkach, v podmienkach možnosti výskytu medzných stavov porušenia plastickým kolapsom, únavou, krehkým (náhlym) lomom a šírením únavových trhlín, vysokodeformačnou únavou (VDÚ), tečením (creep), koróziou pri napätí a pod.

Pod mechanickým skúšaním kovových materiálov rozumieme najmä kvantitatívne určovanie ich mechanických vlastností – charakteristík, ktoré umožňujú a limitujú ich mechanické namáhanie pri spracovaní alebo používaní kovového resp. zvareného výrobku. V obvyklom slova zmysle určujeme charakteristiky nazývané pružnosť, pevnosť, tvárnosť či plasticita, tvrdosť a húževnatosť materiálov. 2.2 Kontrola a hodnotenie konvenčných mechanických charakteristík

konštrukčných materiálov a ich zvarových spojov Základné mechanické skúšky

Zabezpečenie prevádzkovej spoľahlivosti a hospodárnosti zváraných konštrukcií vyžaduje, aby boli plne využité vlastnosti použitých konštrukčných materiálov a ich zvarových spojov (s požadovanou bezpečnostnou rezervou). Treba teda skontrolovať:

1) celistvosť – skúšky nedeštruktívne, defektoskopické,

2) vlastnosti – skúšky deštruktívne, stanovenie limitných parametrov základných charakteristík a charakteristík medzných stavov porušenia.

Navrhovanie a výpočty zváraných konštrukcií predpokladajú dostatočne vysokú kvalitu zvarového spoja ako celku. Z hľadiska únosnosti je však rozhodujúce najslabšie miesto zvarového spoja, pretože práve tu nastane najskôr vyčerpanie úžitkových vlastností materiálu.

Zvarový spoj je heterogénnou časťou konštrukcie. Jednotlivé oblasti zvarového spoja sú (obr. 2-1): - zvarový kov spoja – ZK (roztavený a stuhnutý zvarový kúpeľ),

- hranica natavenia spoja – HN (základný materiál ohriaty na teplotu tavenia),

- teplom ovplyvnená oblasť – TOO (pásmo ohriate medzi teplotou AC1 a teplotou tavenia),

- základný materiál ZM, neovplyvnený tepelným zásahom, ako porovnávacia báza vlastností.

22


Obr. 2-1Oblasti zvarového spoja

Jednotlivé oblasti spoja môžu mať rozdielne vlastnosti. Je preto dôležité poznať a overiť si charakteristiky všetkých oblastí zvarového spoja.

Pre správne vyhodnotenie správania sa materiálu v prevádzke je potrebné pri jeho skúšaní vziať do úvahy skutočné prevádzkové podmienky, ktoré sa od laboratórnych môžu značne odlišovať. Najdôležitejšie vonkajšie podmienky, ktoré treba zohľadniť sú – spôsob prevádzkového namáhania a prevádzková teplota.

Pri obvyklých mechanických skúškach sa za normálnu teplotu považuje laboratórna teplota +20 +15/-10 °C. Mnoho konštrukcií a zariadení pracuje pri znížených (atmosférických) alebo veľmi nízkych (tzv. kryogénnych) teplotách. Chemické a energetické zariadenia pracujú pri zvýšených (do +300 °C) i veľmi vysokých teplotách. Pri nízkych teplotách mnohé kovové materiály a ich zvarové spoje krehnú. Pri vysokých teplotách sú materiály plastickejšie, ich pevnosť však klesá a pri dlhodobom zaťažovaní nastávajú trvalé deformácie i pri relatívne nízkom zaťažení – nastáva tečenie materiálu (creep).

Opakované cyklické zaťažovanie aj v oblasti pružných deformácií môže spôsobiť medzný stav porušenia únavou materiálu. Je potrebné zohľadniť aj vplyvy okolitého prostredia, ktoré môže mať korozívne účinky.

Vlastnosti materiálov treba overovať za podmienok zhodných alebo blízkych prevádzkovým: pri minimálnej prevádzkovej teplote alebo v rozmedzí teplôt (odhad teploty krehnutia, alebo iných prechodových teplôt, zmeny húževnatosti s teplotou), krátkodobé alebo dlhodobé skúšky pri vysokých teplotách, (medza pevnosti pri tečení), skúšky pri opakovaných cyklických zmenách zaťaženia v elastickej oblasti (medza únavy), či v oblasti opakovaných plastických deformácií (vysokodeformačná únava). Treba zobrať do úvahy i časové zmeny zaťaženia – rýchlosť zaťažovania resp. deformácie.

Z tohto pohľadu môže byť zaťaženie pri skúškach (obr. 2-2): - statické – zmeny zaťaženia a deformácií sú veľmi pomalé (10 –4 m/s),

- rázové – zmeny zaťaženia a deformácií sú rýchle (100 až 102 m/s),

- dynamické – zaťaženie a deformácie sa s časom menia pravidelne, alebo náhodne.

Pre hodnotenie základných charakteristík a vlastností sa využívajú normalizované skúšobné postupy podľa platných medzinárodných, európskych a slovenských noriem. Dôvod pre použitie normalizovaných postupov je zabezpečenie vzájomnej porovnateľnosti výsledkov. Uvedieme najdôležitejšie z nich:

23


Obr. 2-2 Časový priebeh namáhania

Základné mechanické charakteristiky

Skúška ťahom:

STN EN 10002-1 Skúška ťahom pri teplote okolia

STN EN 10002-5 Skúška ťahom pri zvýšenej teplote

STN 42 0313 –zrušená Skúška ťahom pri znížených teplotách

STN EN 876 Skúška ťahom zvarového kovu tavných zvarových spojov

v pozdĺžnom smere

STN EN 895 Skúška ťahom zvarového spoja v priečnom smere Skúška lámavosti:

STN EN ISO 7438 Ohybová skúška (Skúška lámavosti)

STN EN ISO 7799 Plechy a pásy s hrúbkou 3 mm a menej. Skúška lámavosti

striedavým ohybom

STN EN 910 Skúšky lámavosti zvarových spojov

STN EN 1320 Skúška rozlomením Rázová húževnatosť:

STN EN 10045-1 Skúška rázom v ohybe. Časť 1: Metóda skúšania

STN EN ISO 14556 Skúška rázom v ohybe Charpyho metódou (V-vrub)

STN 42 0382 Skúška rázom v ohybe pri znížených teplotách

STN 42 0383 – zrušená Skúška rázom v ohybe pri zvýšených teplotách

STN EN 875 Skúška rázom v ohybe. Umiestnenie skúšobných tyčí, orientácia vrubu a skúšanie

Tvrdosť:

STN EN ISO 6506-1 Brinelova skúška tvrdosti. Časť 1: Skúšobná metóda

STN EN ISO 6507-1 Skúška tvrdosti podľa Vickersa. Časť 1: Skúšobná metóda

24


STN EN ISO 6508-1 Skúška tvrdosti podľa Rockwella. Časť 1: Skúšobná metóda

STN EN 1043-1 Skúšanie tvrdosti. Časť 1: Skúšky tvrdosti spojov zhotovených

oblúkovým zváraním

STN EN 1043-2 Skúšanie tvrdosti. Časť 2: Skúšanie mikrotvrdosti zvarových spojov Technologické charakteristiky:

STN EN ISO 20482 Skúška hĺbením podľa Erichsena

STN EN 10232 Skúška rúr ohybom

STN EN 10233 Skúška rúr stlačením

STN EN 10234 Skúška rúr rozširovaním

STN EN 10235 Skúška rúr lemovaním

STN EN 10236 Skúška rúr rozširovaním prstenca

STN EN 10237 Skúška rúr ťahom prstenca

STN EN 10275 Skúška prstenca vnútorným pretlakom Špeciálne skúšky, skúšky pre stanovenie prechodových teplôt a charakteristík medzných stavov porušovania: Metódy určenia prechodových teplôt materiálov z húževnatého do krehkého stavu:

STN 42 0340 - zrušená Skúška veľkých telies rázom v ohybe

STN 42 0346 - zrušená Stanovenie prechodovej teploty konštrukčných ocelí skúškou rázom

v ohybe veľkých telies pôvodnej hrúbky

STN 42 0349 Stanovenie teploty nulovej húževnatosti konštrukčných ocelí

STN 42 0350 Stanovenie teploty krehkosti konštrukčných ocelí skúškou rázom v ohybe

STN EN 10274 Skúška padajúcim závažím Skúšky únavy:

STN 42 0363 Skúšky únavy kovov. Metodika skúšania Skúšky materiálov a zvarových spojov pri vysokých teplotách:

STN EN 10291-zrušená Skúšanie tečenia jednoosovým ťahom

STN 42 0356 - zrušená Skúška relaxácie ocelí za vyšších teplôt Skúšky lomovej húževnatosti:

STN EN ISO 12737 Určenie lomovej húževnatosti pri rovinnej deformácii

STN 42 0347 Lomová húževnatosť kovov pri statickom zaťažení Prípravu, odber a spracovanie vzoriek, orientáciu telies nemožno robiť ľubovoľne. Vlastnosti

v rôznych miestach výrobku alebo zvarového spoja, v rôznych smeroch a orientáciách vzhľadom k prevládajúcemu smeru spracovania materiálu, či smeru zvárania sa môžu líšiť v dôsledku takto vzniknutej anizotropie. Preto tieto postupy tiež upravujú príslušné normy:

25


STN 42 0305 - zrušená Odber a spracovanie skúšobných vzoriek na mechanické skúšanie

STN EN ISO 377 Umiestnenie a príprava vzoriek a skúšobných telies na mechanické skúšky

STN EN ISO 3785 Označovanie osí skúšobných telies

STN EN 875 Skúška rázom v ohybe. Umiestnenie skúšobných tyčí, orientácia vrubu a skúšanie

STN EN ISO 15792-1 Skúšobné metódy. Časť 1: Skúšobná vzorka na odber skúšobných tyčí

zvarového kovu z ocele, niklu a niklových zliatin

2.2.1 Skúšky ťahom Podstatou ťahových skúšok je namáhanie skúšobnej tyče v smere hlavnej osi, spravidla až do

porušenia, pričom sa zaznamenáva závislosť deformácie od sily pôsobiacej na skúšobnú tyč. Tvar a spôsob uchytenia skúšobnej tyče je tiež odporúčaný normou. Všeobecné odporúčania pre tvar a rozmery tyčí sú v už uvedenej norme STN EN 10002-1. Obvyklé sú tyče s prierezom kruhovým (STN 42 0314 až 17), tyče ploché (STN 42 03119 až 23) a tyče vyhotovené zo segmentu rúry (obr. 2-3, 2-4 a 2-5). Je možné skúšať i tyče s pôvodným profilom výrobku (štvorhranné, obdĺžnikové, šesťhranné, polkruhové) prípadne drôty. Obvyklé sú priemery resp. hrúbky tyčí 6; 8; 10; 12; 16; 20 až 25 mm. Priemery menšie ako 4 mm a hrúbky pod 0,5 mm sa skúšajú len výnimočne.

Začiatočná meraná dĺžka tyče L0, na ktorej sa stanovuje pomerná zmena dĺžky, sa stanoví tak, aby bolo možné zistené hodnoty porovnávať. Skúšobné tyče musia byť geometricky podobné. To znamená, že musia mať zhodný pomer dĺžky a odmocniny prierezu L0 / √S0 = konšt.

Z nameraných hodnôt môžeme stanoviť medzné charakteristiky materiálu – napäťové (t.j. pomer sily a prierezu tyče pri výraznej zmene správania sa materiálu) a deformačné – pomerné zmeny rozmerových parametrov tyče (dĺžky, resp. priemeru či prierezu). Môžeme tiež stanoviť dôležité charakteristiky v elastickej a plastickej oblasti správania sa materiálu (modul pružnosti, exponent spevnenia).

Obr. 2-3 Skúšobná tyč s kruhovým prierezom

26


Obr. 2-4 Skúšobná tyč plochá s obdĺžnikovým prierezom

Obr. 2-5 Skúšobná tyč vyhotovená zo segmentu rúry

Zo záznamu a vyhodnotenia ťahovej skúšky získame nasledovné mechanické charakteristiky:

- medza klzu Re, (ReH, ReL, Rp0,2, Rt05), konvenciou definovaná ako pomer sily na medzi klzu Fe a počiatočného prierezu tyče S0:

Re = Fe / S0 (MPa),

- medza pevnosti Rm, konvenciou definovaná ako pomer maximálnej sily pri skúške Fm a počiatočného prierezu tyče S0:

Rm = Fm / S0 (MPa).

Medza klzu a pevnosti sú charakteristiky napäťové, zistené z grafického (alebo digitálneho) záznamu ťahovej skúšky. Zaznamenávame obvykle závislosť sila – čas (F – t), alebo sila –posunutie upínacích čeľustí stroja (F - ∆LC). Pre presné merania snímame deformácie priamo na meranej dĺžke tyče pomocou extenzometra so základňou L0 a zaznamenávame diagram sila - predĺženie skúšobnej tyče (F - ∆L0). Tento záznam obvykle nazývame pracovný alebo trhací diagram. Pracovné diagramy konštrukčných materiálov charakterizujú odozvu materiálu na pôsobenie zaťažujúcej sily a môžu byť dosť rozmanité (obr. 2-6). Typické sú tri druhy závislosti F - ∆L (obr. 2-7).

Priebeh a) je charakteristický pre ocele nižšej a strednej pevnosti. Diagram má výrazný prechod medzi elastickým a plastickým správaním materiálu, často s maximálnou a minimálnou

27


hodnotou sily. Môžeme teda stanoviť výraznú medzu klzu Re, prípadne hornú a dolnú medzu klzu ReH, ReL. Pre ocele a iné konštrukčné materiály je obvyklé udávať hodnotu hornej medze klzu ReH. Pre výpočty zváraných konštrukcií a pre zvarové kovy sa však stanovuje hodnota dolnej medze klzu ReL. Z maximálnej hodnoty sily nameranej pri skúške stanovujeme „maximálne“ napätie pri skúške – medzu pevnosti Rm. Pri určovaní hodnôt Re a Rm vzťahujeme príslušné zaťaženie F na jednotku pôvodného prierezu S0 pred zaťažovaním. Je to teda „konvenčné“ napätie. Pre praktické inžinierske výpočty je takáto konvenčná hodnota dostatočne presným odhadom.

Obr. 2-6 Pracovné trhacie diagramy rôznych konštrukčných materiálov

Obr. 2-7 Typické pracovné diagramy pre húževnaté a krehké materiály

Priebeh b) je typický pre mnohé legované, vysokopevné a nehrdzavejúce ocele a zvarové kovy. Diagram nemá výrazne definovanú medzu klzu. Pre takéto prípady sa stanovuje dohovorená medza klzu, obvykle pre dohodou stanovené napätie určené zo sily pre predpísané plastické, resp. celkové (pri zaťažení) Rp0,2, Rt0,5 , alebo reziduálne Rr0,1 (po odľahčení) predĺženie počiatočnej meranej dĺžky ∆L0 = 0,2% L0, 0,5% L0 .

28


Priebeh c) trhacieho diagramu je obvyklý pre krehké (napr. liatiny) alebo niektoré špeciálne materiály. Tu obvykle určujeme len medzu pevnosti Rm.

Deformačné charakteristiky materiálu – pomerné predĺženie tyče až do lomu, nazývané ťažnosť A (%) a pomerné zúženie prierezu tyče do lomu, nazývané kontrakcia tyče Z (%) sa zistia meraním zmien rozmerov tyče po jej pretrhnutí (obr. 2-8). Tieto vlastnosti charakterizujú plasticitu materiálu. Hodnota ťažnosti je závislá od počiatočnej meranej dĺžky tyče L0. Obvykle sa stanovuje na tzv. proporcionálnych tyčiach, ktoré musia mať zhodný pomer dĺžky a odmocniny prierezu L0 /√S0 = k. Koeficient úmernosti sa obvykle volí k = 5,65. Pre kruhovú tyč to znamená, že meraná dĺžka je päťnásobkom priemeru tyče. Kruhové tyče, aj tyče s iným prierezom a týmto koeficientom k nazývame proporcionálne. Možno skúšať i tyče s iným pomerom k, vo výsledkoch merania to však treba uviesť. Ťažnosť A (%) je definovaná ako pomer predĺženia meranej dĺžky po pretrhnutí (teda nárastu dĺžky tyče z hodnoty L0 na Lu = ∆ L0) ku počiatočnej meranej dĺžke L0, vyjadrený v percentách:

A = ( Lu – L0) / L0 = (∆L0 / L0 ) . 100%

Obr. 2-8 Zmeny rozmerov skúšobnej tyče po pretrhnutí

Ak ťažnosť nie je meraná na proporcionálnej tyči, (teda ak k ≠ 5,65), je potrebné to vyznačiť pri symbole ťažnosti, napr. pre tyč s meranou dĺžkou L0 = 4 . d0 je k = L0 / √S0 = 4,51 a ťažnosť sa označí A4,51. Ak ťažnosť meriame na dohodnutej meranej dĺžke napríklad pri L0 = 80 mm, v označení meranú dĺžku uvedieme: A80mm. Hodnoty ťažnosti namerané na neproporcionálnych tyčiach budú odlišné, v závislosti od koeficientu proporcionality. Prevod hodnôt ťažnosti možno urobiť podľa STN EN ISO 2566. Ak sa tyč nepretrhne v stredovej časti, ale blízko prechodu do upnutia, tiež to ovplyvní (zníži) nameranú hodnotu ťažnosti. Korekciu hodnoty ťažnosti možno urobiť postupom v dodatku STN EN 10 002-1.

Po spevňovaní materiálu a dosiahnutí maximálnej sily pri skúške sa deformácia lokalizuje do jedného miesta tyče a súčasne s predlžovaním nastáva lokálne zmenšovanie prierezu a vytváranie tzv. krčku. V tomto mieste nastane i pretrhnutie tyče. Kontrakcia Z (%) vyjadruje pomernú zmenu prierezu tyče pred skúškou S0 a po pretrhnutí Su :

Z = (S0 – Su) / S0 = (∆S0 / S0 ) . 100%

Pri meraní modulu pružnosti v ťahu a exponenta spevnenia je potrebné merať závislosť skutočných deformácií na meranej dĺžke (pomocou extenzometra) v závislosti od pôsobiacej sily a počítať skutočné napätia σ = F / S a deformácie tyče ε = ln (1 + e), kde e = ∆L/L0. Z nich potom možno stanoviť modul pružnosti E ako pomer skutočného napätia σ a skutočnej deformácie ε v elastickej oblasti zaťažovania a v oblasti plastických deformácií určiť exponent spevnenia n (podľa STN 42 0446).

Pri skúšaní zvarového kovu a zvarových spojov je potrebné tiež postupovať podľa príslušných noriem. Skúšobnú vzorku pripravíme podľa STN EN 1597. Pre skúšku ťahom zvarového kovu

29


tavných zvarových spojov v pozdĺžnom smere vyhotovíme skúšobnú tyč podľa obr. 2-9 a 2-10 a postupujeme podľa STN EN 876. Pri skúške ťahom zvarového spoja v priečnom smere vyhotovíme tyče podľa obr. 2-11 až 2-13 a pri odbere tyčí zo spoja a skúšaní postupujeme podľa STN EN 895. Skúšaním tyčí naprieč zvarového spoja môžeme zistiť kritickú oblasť spoja, pretože porušenie nastane v najslabšom mieste. Pre zvarový spoj stanovujeme medzu pevnosti, informatívne medzu klzu a posudzujeme vzhľad porušenia – pokiaľ nastane v zvarovom kove alebo v TOO. Pri zhotovení skúšobných tyčí zo zvarového spoja sa povrch tyčí trieskovo opracuje, aby sa odstránili povrchové vruby, zápaly a presadenie, a aby vznikol rovný povrch konštantného prierezu na celej skúšanej dĺžke tyče Lc ≥ Ls + 60 mm (kde Ls je maximálna šírka zvarového spoja).

Obr. 2-9 Spôsob odberu skúšobnej tyče zo zvarového kovu jednostranného V – spoja

Obr. 2-10 Spôsob odberu skúšobnej tyče zo zvarového kovu obojstranného X – spoja

Obr. 2-11 Kruhová skúšobná tyč pre skúšku zvarového spoja v priečnom smere

30


Obr. 2-12 Plochá skúšobná tyč pre skúšku zvarového spoja v priečnom smere

Obr. 2-13 Skúšobná tyč pre skúšku zvarového spoja vyhotovená zo segmentu rúry

Pre správne vykonanie skúšky a spoľahlivé zaznamenanie veličín pre vyhodnotenie mechanických charakteristík je potrebné mať vhodné skúšobné stroje. Skúšobný trhací stroj musí zaručovať:

- spoľahlivé upínanie skúšobnej tyče, s vylúčením ohybových momentov,

- rovnomerné zaťažovanie s konštantnou rýchlosťou,

- možnosť nastavenia rýchlosti posuvu upínacích čeľustí,

- spoľahlivé snímače síl a deformácií na presný záznam pracovného diagramu s dostatočným zväčšením.

Vhodné sú najmä elektronicko – mechanické alebo elektronicko – hydraulické stroje so spätnou väzbou a riadením rýchlosti nárastu sily, či rýchlosti posuvu upínacích čeľustí. Záznam veličín je analógový na vhodnom X – Y zapisovači alebo digitálny s voliteľnou frekvenciou vzorkovania – spracovanie býva obvykle plne automatické, s využitím vhodného softvéru ako príslušenstva zariadenia.

31


2.2.2 Skúška lámavosti

Skúška slúži na stanovenie schopnosti kovových materiálov plasticky sa deformovať pri zaťažovaní ohybom. Podstatou skúšky materiálu alebo zvarového spoja je ohybová deformácia skúšobného telesa pomocou zaťažovacieho tŕňa až do predpísaného uhla ohybu alebo do objavenia sa necelistvostí viditeľných bez zväčšenia (STN ISO 7438). Hrúbka skúšobného telesa je rovná hrúbke skúšaného výrobku. Pri hrúbkach výrobku väčších ako 25 mm sa hrúbka skúšobného telesa zmenší opracovaním na 25 mm. Neopracovaná plocha je pri ohýbaní na ťahanej strane. Hrany telesa na ťahanej strane sú zaoblené s polomerom do jednej desatiny hrúbky telesa. Skúška plechov a pásov s hrúbkou menšou ako 3 mm sa môže vykonávať striedavým ohybom (STN EN ISO 7799).

Skúšobná tyč zo zvarového spoja môže byť odobratá v priečnom alebo pozdĺžnom smere vzhľadom k osi zvaru (obr. 2-14). Skúšaná časť zvaru je pri ohýbaní na ťahanej strane. Povrchy skúšobnej tyče sa mechanicky opracujú tak, aby sa odstránil nadbytočný zvarový kov. Je možné skúšať i zvarový spoj z ťahanej strany neopracovaný. Zvar sa skúša z koreňovej (RBB) alebo lícnej strany (FBB), priečne zvary väčších hrúbok možno skúšať bočným ohybom (SBB) (obr. 2-15). Je možné robiť skúšky návaru na materiáli bez zvaru (FBC, SBC) i s tupým zvarom (STN EN 910).

Ohýbanie sa vykoná na valcových podperách s priemerom do 50 mm, rovnomernou rýchlosťou, zaťažovacím tŕňom predpísaného priemeru D (obr. 2-16). Vzdialenosť podpier L má byť

L = (D + 3a) + a/2

Obr. 2-14 Skúšobná tyč pre skúšku lámavosti zvarového spoja

Obr. 2-15 Skúšobná tyč pre skúšku lámavosti zvarového spoja bočným ohybom

32


Podmienky deformácie pri skúške sú dané pomerom medzi hrúbkou a skúšobného telesa a priemerom zaťažovacieho tŕňa D, pomer D/a zodpovedá požiadavkám príslušnej normy na výrobok, resp. zvar spoj. Počas skúšky sa sleduje ťahaná strana tyče. Zaťažovanie sa ukončí, ak sa dosiahne predpísaný uhol ohybu, alebo sa zistí makroskopický defekt (pór, trhlina väčšia ako 3 mm), pre ktorý sa ako výsledok skúšky uvedie dosiahnutý uhol ohybu.

Obr. 2-16 Schéma zaťažovania skúšobnej tyče pri skúške lámavosti

Na získanie informácií o druhoch, rozmeroch a rozložení možných vnútorných chýb na lomovej ploche zvaru (dutiny, trhliny, studené spoje, neprievary, vtrúseniny) a posúdenie úrovne kvality zvaru možno použiť skúšku rozlomením (STN EN 1320). Rozlomeniu zvarov možno napomôcť zhotovením vrubov vo zvare. Podľa použitej skúšobnej tyče sa rozlomenie vykoná ťahom, tlakom alebo rázmi. 2.2.3 Skúšky rázom v ohybe

Pri skúške (STN EN ISO 14556) sa prerazí skúšobná tyč predpísaných rozmerov a tvaru, opatrená vrubom, na kyvadlovom kladive (Charpy) jedným nárazom. Energia spotrebovaná na prerazenie skúšobnej tyče sa meria v jouloch ( J ) a je mierou odolnosti materiálu proti rázovému namáhaniu. Normalizovaná skúšobná tyč (STN EN 10045-1) (obr. 2-17), má dĺžku 55 mm a štvorcový prierez so stranami 10 mm, v strede dĺžky je tyč opatrená vrubom. Norma predpisuje dva typy vrubov:

- vrub V s uhlom 45°, hĺbkou 2 mm a polomerom zakrivenia 0,25 mm,

- vrub U s hĺbkou 5 mm a polomerom zakrivenia 1 mm.

Pre materiály menších hrúbok sa použije tyč s redukovaným prierezom, so šírkou 7,5 mm alebo 5 mm.

33


Obr. 2-17 Skúšobné tyče pre skúšku rázom v ohybe

Spotrebovaná energia sa určí z rozdielu polohovej energie rázového kladiva v počiatočnej polohe vo výške H0 a zvyškovej energie v polohe po prerazení skúšobného telesa a prekyve do výšky H1 (obr. 2-18). Skúšobná tyč sa položí centricky na podpery, s odchýlkou menšou ako 0,5 mm, s vrubom oproti miestu nárazu kladiva. Deformačná práca potrebná na prerazenie tyče je rovná spotrebovanej energii, ktorú priamo indikuje ukazovateľ na stupnici kladiva.

Obr. 2-18 Schéma merania spotrebovanej energie pri skúške rázom v ohybe

34


Pre štandardné podmienky skúšky (kladivo 300 J, tyč 10 x 10) sa spotrebovaná energia označí

- KV pre tyče s V vrubom, napr. KV = 67 J,

- KU pre tyče s U vrubom, napr. KU = 159 J.

Pre iné podmienky skúšky je potrebné doplniť označenie indexom:

- KV 300/7,5 = 49 J, pre kladivo 300 J, tyč hrúbky 7,5 mm,

- KU 150/5 = 38 J, pre kladivo 150 J, tyč hrúbky 5 mm.

Na prerazených tyčiach možno hodnotiť vzhľad lomovej plochy – percentuálny podiel húževnatého lomu PL (%), prípadne bočné rozšírenie tyče v mieste nárazu kladiva BR (mm).

Pokiaľ nie je teplota skúšania určená príslušnou normou skúša sa pri teplote 23 ± 5 °C. Normy môžu požadovať určitú zaručovanú hodnotu spotrebovanej energie pri zníženej teplote. Skúšky možno vykonávať aj vo vhodne zvolenom intervale teplôt. Namerané hodnoty sa zostavujú do diagramov, v ktorých sa vyhodnocujú zistené charakteristiky v závislosti od teploty (obr. 2-19). Výrazný pokles hodnôt spotrebovanej energie (ale aj podielu tvárneho lomu a bočného rozšírenia) v pomerne úzkom teplotnom intervale je typický pre feritické konštrukčné ocele. Znamená to, že pri znížení teploty pod určitú hodnotu materiál stráca húževnatosť – krehne. Teplotná závislosť má tri charakteristické oblasti:

- oblasť tvárnych lomov pri vysokej spotrebe energie na porušenie tyče, s relatívne malým rozptylom výsledkov,

- oblasť zmiešaných lomov – interval teplôt s náhlym poklesom spotrebovanej energie. Rozptyl výsledkov pri tej istej teplote môže byť značný. Lomová plocha má zmiešaný charakter, s istým podielom štiepneho lomu a šmykovým okrajom,

- oblasť štiepnych lomov, s nízkou spotrebou energie a krehkým vzhľadom.

Teplota, pri ktorej niektorá charakteristika poklesne na limitnú kritériovú hodnotu, sa nazýva prechodová – tranzitná teplota (T40J, T50%). Nízke prechodové teploty znamenajú, že materiál alebo zvar si zachováva húževnatosť i pri takýchto teplotách.

Relatívne malé skúšobné tyče s vhodne umiestneným vrubom umožňujú hodnotiť vlastnosti jednotlivých oblastí zvarového spoja. Typ tyče, orientáciu vrubu a umiestnenie skúšobnej tyče vo zvarovom spoji definuje STN EN 875. Príklad označenia tyče pre určitú lokalizáciu uvádza obr. 2-20.

35


Obr. 2-19 Teplotná závislosť spotrebovanej energie a podielu tvárneho lomu na lomovej ploche pri

skúške rázom v ohybe

Obr. 2-20 Spôsob značenia skúšobnej tyče udávajúci typ tyče, orientáciu vrubu a polohu tyče vo

zvarovom spoji

36


2.2.4 Skúšky tvrdosti

Tvrdosť materiálu charakterizuje odpor materiálu proti vnikaniu tvrdšieho telesa. Kontrolou tvrdosti v zvarovom spoji môžeme získať informácie o lokálnych vlastnostiach materiálu v spoji a jeho okolí. Miestne zvýšenie tvrdosti v zvarovom spoji naznačuje nárast pevnosti a pokles plastických vlastností materiálu. Zmeny tvrdosti v spoji poskytnú predstavu o následkoch tepelno – deformačného cyklu zvárania na zmenu vlastností materiálu v okolí spoja. Meranie tvrdosti umožní aj kontrolu kvality tepelného spracovania materiálu alebo zvarového spoja. Meracie metódy sa postupne vyvíjali, v technickej praxi sa používajú najmä metódy vnikacie a odrazové. Najčastejšie sú používané skúšky podľa Brinella, Vickersa a Rockwella, z odrazových skúška podľa Shoreho. Všetky skúšky majú vlastné stupnice. Hodnoty tvrdosti zistené rôznymi skúškami sú rozdielne, podľa použitej metódy. Tvrdosť preto nemožno definovať ako fyzikálnu veličinu – hovoríme o čísle tvrdosti. Približný prevod hodnôt tvrdosti možno urobiť podľa odporúčaní STN EN 18265. Pri skúškach využívame najmä merania tvrdosti pri nízkom zaťažení a merania mikrotvrdosti, predovšetkým Vickersovou metódou.

Vickersova skúška tvrdosti (STN EN ISO 6507-1):

Do povrchu skúšaného materiálu sa zatláča diamantové teliesko – pravouhlý štvorboký ihlan s vrcholovým uhlom medzi stenami α = 136° – skúšobným zaťažením F. Po uvoľnení zaťaženia sa zmerajú uhlopriečky vzniknutého vtlačku d1 a d2 meracím mikroskopom (obr. 2-22) a stanoví sa ich priemerná hodnota d. Tvrdosť podľa Vickersa je úmerná hodnote určenej z pomeru skúšobného zaťaženia a plochy vtlačku:

HV = 0,102 [ 2F sin(136°/2)/d2 ] = 0,1891 (F/d2)

Písmená HV sa uvedú za hodnotou tvrdosti a doplnia sa indexom, ktorý charakterizuje zaťaženie pri skúške:

620 HV 10 – Vickersova tvrdosť 620, stanovená pri skúšobnom zaťažení 98,07 N. Možno použiť skúšobné zaťaženia v rozsahu od 980,7 N (HV 100) do 49,03 N (HV 5). Pri skúške s nízkym zaťažením HV 0,2 až HV 3 a skúške mikrotvrdosti HV 0,01 až HV 0,1 sú zaťaženia úmerne nižšie. Doba pôsobenia plného zaťaženia má byť 10 až 15 sekúnd. Vzdialenosť vtlačkov musí byť minimálne 2,5 - násobkom dĺžky uhlopriečok. Hodnotu tvrdosti možno vyhľadať pre príslušné podmienky skúšky a priemer uhlopriečok vtlačku z tabuliek, ktoré sú súčasťou normy.

Brinellova skúška tvrdosti (STN EN ISO 6506-1):

Do povrchu skúšaného materiálu sa rovnomerne zatláča gulička z tvrdokovu s priemerom D = 1, 2,5, 5 alebo 10 mm. Malý priemer volíme pre zistenie lokálnej tvrdosti, veľký pre zistenie priemerných hodnôt. Po odľahčení sa meria priemer vtlačku d = 0,5 (d1+d2) (obr. 2-21), optickými meradlami v dvoch navzájom kolmých smeroch. Tvrdosť podľa Brinella HBW sa vyjadrí číslom, úmerným pomeru zaťažujúcej sily F a plochy vzniknutého vtlačku v tvare guľového vrchlíka:

HBW = 0,102 . [ 2F/πD(D - √D2 – d2)]

Zaťažujúca sila sa zvolí tak aby priemer vtlačku d bol v rozmedzí (0,24 až 0,6) D. Podľa druhu skúšaného materiálu a očakávanej tvrdosti sa zvolí pomer zaťaženia a priemeru guľôčky: 0,102 (F/D2). Písmená HBW sa uvedú za hodnotou tvrdosti a doplnia sa indexom, ktorý charakterizuje podmienky skúšky:

385 HBW 5/125 – Brinellova tvrdosť 385, stanovená guľôčkou priemeru 5 mm, pri skúšobnom zaťažení 1226 N. Doba pôsobenia plného zaťaženia má byť 10 až 15 sekúnd. Vzdialenosť vtlačkov musí byť minimálne trojnásobkom ich priemeru. Hodnota tvrdosti sa obvykle vyhľadá pre príslušné podmienky skúšky a priemer vtlačku z tabuliek, ktoré sú súčasťou normy.

37


Rockwellova skúška tvrdosti (STN EN ISO 6508-1):

Do povrchu materiálu sa vtláča diamantový kužeľ s vrcholovým uhlom 120°, s hrotom zaobleným s polomerom 0,2 mm (stupnice HRA, HRC), alebo dostatočne tvrdá gulička priemeru 1/16″ = 1,5875 mm (stupnica HRB). Používajú sa i ďalšie stupnice (D - G, K,N,T).

Mierou tvrdosti je hĺbka vtlačku e, spôsobená meracím zaťažením F1. Metóda je jednoduchá a rýchla, vhodná pre veľký počet meraní vo výrobnej praxi. Najčastejšie je užívané meranie v stupnici HRC. Hĺbka vtlačku sa zistí nasledovne, obr. 2-23:

- kužeľ sa nastaví na merané miesto a zaťaží sa predbežným zaťažením F0 = 98,07 N, v takto definovanej počiatočnej polohe sa stupnica prístroja nastaví na nulu

- kužeľ sa plynulo zaťaží meracím zaťažením F1 = 1372,9 N, po ustálení ukazovateľa sa odľahčí, prídavné zaťaženie F0 sa však nechá pôsobiť

- na stupnici tvrdomera sa odčíta hĺbka trvalého vtlačku, alebo priamo tvrdosť v jednotkách HRC.

Obr. 2-21 Schéma merania tvrdosti Brinellovou metódou

Obr. 2-22 Schéma merania tvrdosti Vickersovou metódou

38


Obr. 2-23 Schéma merania tvrdosti Rockwellovou metódou

Analogický je postup pri meraní v iných stupniciach tvrdosti, s inými meracími zaťaženiami.

Pri všetkých meraniach tvrdosti je potrebné zabezpečiť na skúšobnom telese hladký, rovný, suchý a čistý povrch. Pre Vickersovu metódu sa odporúča aj použitie leštenia, najmä pre nízke zaťaženia.

Skúšky tvrdosti na priečnych rezoch zvarených spojov špecifikuje norma STN EN 1043-1. Norma odporúča použiť Vickersovu metódu (HV 5, HV 10). Tvrdosť možno skúšať i podľa Brinella (HB 2,5/15,625, HB 1/2,5), prípadne robiť merania pri nízkom zaťažení (HV 3 a menej) a merania mikrotvrdosti. Skúšky možno vykonať ako rad vpichov (obr. 2-24), alebo ako jednotlivé vpichy v určitých oblastiach spoja (obr. 2-25). Technologické charakteristiky

Skúšky pre posudzovanie technologických vlastností materiálov a zvarov predpisujú metódy na stanovenie schopnosti plechov a rúr plasticky sa pretvoriť pri určitom spôsobe deformovania. Takto možno posudzovať i plastické vlastnosti zvarov na plechoch a rúrach. Používajú sa skúšky hlbokoťažnosti – podľa Erichsena, skúšky ohybom, striedavým ohybom, stlačením, rozširovaním, lemovaním a pod., podľa noriem uvedených vpredu.

Obr. 2-24 Schéma merania tvrdosti zvarového spoja v línii – rade vpichov

39


Obr. 2-25 Schéma merania tvrdosti zvarového spoja jednotlivými vpichmi vo zvolenej lokalizácii 2.2.5 Špeciálne skúšky

Pre posúdenie oblasti teplôt, pri ktorých má materiál alebo zvarový spoj dostatočne vysokú húževnatosť a je odolný proti krehkému porušeniu, slúžia metódy určenia prechodových teplôt materiálov z húževnatého do krehkého stavu zohľadňujúce skutočnú hrúbku materiálu a poskytujúce odhad teploty nad ktorou sa lom v materiáli nebude šíriť. Sú to skúšky veľkých telies rázom v ohybe, skúšky pre stanovenie teploty nulovej húževnatosti ocelí, prípadne na stanovenie teploty krehkosti ocelí skúškou rázom v ohybe. Pre posúdenie odolnosti materiálov a zvarových spojov proti iniciácii lomov z ostrých defektov slúžia skúšky lomovej húževnatosti (STN EN ISO 12737, 12 135, STN 42 0347). Tieto skúšky budú prebraté podrobnejšie v kapitolách o lomovej mechanike.

Pri opakovanom cyklickom zaťažovaní, v oblasti elastických alebo plastických deformácií, majú materiály a zvarové spoje výrazne nižšiu pevnosť ako pri nepremennom statickom zaťažení. Lomy pri takomto zaťažovaní vznikajú v dôsledku medzného stavu zaťažovania únavou. Kumuláciou poškodenia materiálu opakovaným zaťažením nastáva vznik miestnych mikrotrhlín, ich rast a nakoniec, po určitom počte kmitov, porušenie materiálu bez výraznejšej plastickej deformácie. Pre návrh a výpočet konštrukcií je preto dôležitou charakteristikou medza únavy materiálu, alebo zvarového spoja. Medza únavy σc = σm ± σa je medzná hodnota rozkmitu (amplitúdy) napätia ±σa pri určitom strednom napätí σm, ktorý materiál alebo spoj vydrží bez porušenia – teoreticky nekonečne veľký počet kmitov, v praxi skúšame do 2 . 10 6 resp. 107 kmitov. Metodiku skúšania stanovuje STN 42 0363, pripravuje sa zavedenie euronoriem pre skúšky s riadenou deformáciou a skúšky rýchlosti rastu únavových trhlín. Medza únavy sa stanovuje skúšaním súboru rovnakých skúšobných telies pri rôznych hodnotách rozkmitu napätia σa a rovnakej asymetrii kmitu tak, že sa pre zvolené hodnoty zisťuje počet kmitov do porušenia telesa. Namerané hodnoty sa spracujú graficky, obvykle v logaritmických súradniciach. Takto získame tzv. Wöhlerovu krivku, z ktorej stanovíme medzu únavy pre dostatočne veľký počet kmitov (obr. 2-26). Zvarové spoje, najmä neopracované, majú medzu únavy výrazne nižšiu ako zváraním neovplyvnený základný materiál. Je to v dôsledku vrubového účinku v prechode zvaru, ale i vplyvom iných zvarových chýb (zápaly, neprievary, póry a pod.). Podobne sa spracovávajú i výsledky skúšok vysokodeformačnej únavy.

40


Obr. 2-26 Wöhlerova krivka – diagram závislosti počtu kmitov do porušenia od pôsobiaceho

napätia, v súradniciach log σ – log N Pre hodnotenie vlastností materiálov a zvarov pri vysokých teplotách, v oblasti medzného

stavu porušovania tečením (creep) sa vykonávajú dlhodobé skúšky pre určenie pevnosti pri tečení (STN EN 10291). Pri skúškach sa súbor skúšobných tyčí ohreje na menovitú teplotu a zaťažuje sa konštantnou silou alebo ťahovým napätím tak, aby sa dosiahlo určité predĺženie pri tečení alebo aby sa tyč porušila. Zaznamenáva sa čas po dosiahnutie žiadaného predĺženia alebo čas do lomu pri danom zaťažení skúšobného telesa. Z výsledkov spracovaných do závislostí napätie R – čas do lomu t (v logaritmických súradniciach), sa pre príslušnú nominálnu teplotu extrapoláciou určí medza pevnosti pri tečení (obr. 2-27). Medza pevnosti pri tečení predstavuje napätie, ktoré pri danej teplote vyvolá stanovenú trvalú deformáciu alebo porušenie, za stanovený čas. Takto zistená hodnota sa označí napr.: RTP 105/580 = 258 MPa, kde - 105 (h) je čas do porušenia, 580 (°C) je skúšobná teplota.

Obr. 2-27 Diagram závislosti času do porušenia od pôsobiaceho napätia pri skúške tečenia, v súradniciach log t – log σ

2 skÚŠanie materiÁlov a zvarovÝch...

Documents