Chemická analýza a mechanické zkoušky kovů dle GOST | články Centrum pro stavební kontrolu

Po staletí byly elastické vlastnosti materiálů popsány Hookovým zákonem (ca. 1660) a prakticky používaný parametr – Youngův modul. Tento jednoduchý vztah napětí-deformace je praktickou a vhodnou veličinou a spolu s hodnotou Poissonova koeficientu materiálu (charakterizujícího změnu velikosti materiálu v jiných směrech, než je hlavní osa, podél které dochází k napětí), umožňuje k určení sil vznikajících při zatížení i dosti složitých konstrukcí.

Když je síla působící na elasticky deformovanou strukturu odstraněna, je zcela obnovena. Pokud však na materiál působí síla přesahující jeho mez pružnosti, dochází k plastické deformaci a jakmile je tato síla odstraněna, bude si udržovat trvalou deformaci. Nejjednodušším popisem mechanických parametrů materiálu je proto charakteristika závislosti jeho deformace na napětí, když se toto změní z nuly na hodnotu odpovídající úplné destrukci materiálu.

Rýže. 1. Schematické znázornění skutečného diagramu napětí-přetvoření deformačně zpevněného kovu

E – Youngův modul,
σy, εy — souřadnice meze pružnosti,
εp je nelineární část celkové deformace za bodem εy,
εr je pružně plastická deformace způsobená napětím σr překračujícím mez pružnosti.

Diagram napětí-deformace je na Obr. 1. Z tohoto diagramu můžete získat hlavní parametry pevnosti v tahu materiálu.

– Youngův modul E rovný sklonu počáteční části diagramu. Rovná se také sklonu přímky, podél které dochází k pružnému zotavení z libovolného bodu na diagramu.

– Bod, ve kterém se charakteristika odchyluje od přímky, odpovídá meze pružnosti, která se také často nazývá mez plastické deformace. Rovné zotavení se sklonem E z jakéhokoli bodu charakteristiky, ve kterém je napětí nebo deformace větší než toto, již nepovede k návratu do výchozího bodu, tj. dojde k plastické deformaci.

– Sklon charakteristiky po nástupu plastické deformace je mírou deformačního zpevnění materiálu, tj. elastické zotavení nastává v přímce, sklonu Ea ke změně materiálu při opakovaném zatěžování dochází také po stejné linii, takže další plastická deformace začíná až při překročení předchozí hodnoty maximálního napětí.

– Bod, kdy dojde k úplné destrukci materiálu, odpovídá dvěma uvažovaným parametrům, z nichž jedním je pevnost v tahu; a další je napětí při prasknutí.

Tyto parametry tvoří základní charakteristiky materiálu pro návrh jakýchkoliv konstrukcí a funkcí. Je vidět, že diagram napětí-deformace je hlavní rozlišovací charakteristikou typu materiálů. Pružný a poté dokonale plastický materiál se bude pružně deformovat až na mez plastické deformace a pak bude pokračovat v deformaci pod konstantním napětím, dokud nedojde k porušení v bodě zlomu (bodu porušení). Proto je mez plastické deformace zároveň mez pevnosti. Dokonale elastický křehký materiál nemá žádnou mez pružnosti; mění se podél přímky (jejíž sklon je roven Youngovu modulu), dokud se neroztrhne. Deformačně zpevněný materiál se deformuje, ale je schopen odolat zvyšujícímu se namáhání až do své mezní pevnosti a do maximálního napětí v místě porušení.

Mechanické vlastnosti materiálů byly po mnoho let zjišťovány klasickými zkušebními metodami, které jsou založeny na principu vnějšího ovlivnění zkušebního vzorku a jeho přivedení k částečné nebo úplné destrukci. Konkrétní metoda se postupem času zdokonalovala a vyvíjela, ale obecný princip zůstal po staletí stejný. Klasické zkoušky tahem jsou tradičně volenou destruktivní metodou pro stanovení meze plastické deformace a příslušné části diagramu napětí-deformace. Všechny destruktivní metody však mají řadu významných nevýhod. Hlavním z nich je, že test je destruktivní a průměrování přináší chyby kvůli heterogenitě vlastností v celém objemu struktury, proto není možné tuto metodu použít na existující objekty, plnohodnotné struktury a díly.

Pro překonání omezení tradičních metod pro stanovení mechanických vlastností materiálů byla vyvinuta metoda instrumentální indentace. Tato metoda může poskytnout vlastnosti kluzu (jako je křivka kluzu, pevnost v tahu, mez kluzu a exponent zpevnění) prakticky nedestruktivním způsobem prostřednictvím analýzy křivek hloubky vtlačení zatížení, které představují deformační chování vzorku pod tuhým kulovým indentorem. .

Protože existuje přímý vztah mezi vztahem napětí-deformace a reakcí materiálu na vtlačení, je testovací cyklus instrumentálního vtlačování často nazýván metodou „částečné odlehčení“, při které se používá postupně se zvyšující síla, ale zastávky se provádějí při určitém počtu fází, ve kterých je síla částečně odstraněna, aby se získala horní část charakteristiky odlehčení zatížení nezbytná pro stanovení kontaktní tuhosti a kontaktní hloubky (kontaktní poloměr) při této síle. Toto postupné zvyšování a částečné uvolňování síly na lisovaný hrot umožňuje získat na stejném místě tisk s širokým rozsahem parametrů. Hloubka vtisku nepřesahuje 150 mikronů a průměr se přibližně rovná průměru indentoru (0,5 mm), což nenarušuje integritu materiálu konstrukce a nemění fyzikální vlastnosti, proto je test je považován za nedestruktivní. To umožňuje skutečně lokální měření odezvy materiálu na deformaci v širokém rozsahu, ze kterého je sestaven diagram závislosti síly na hloubce vtisku – vtiskový diagram, Obr. 2.

17.02.2023 | Zobrazení: 5274 | Doba čtení: 6 minut | Aktualizováno: 20.12.2024

Zkoušky kovů se provádějí za účelem určení jejich vlastností: složení, pevnosti, tvrdosti. Porovnáním výsledků mechanických nebo jiných zkoušek s normami přijatými v zemi lze vyvodit závěry o chování výrobků během provozu. Tyto informace se používají k potvrzení kvality výrobků a výpočtu stavebních konstrukcí. Specialisté vyvinuli různé nedestruktivní metody pro zkoušení kovů. Zkoušky mohou být metalografické, chemické a mechanické. O těchto technologiích vám povíme. Existují dvě základní skupiny pracovních metod. Mechanické zkoušení kovů umožňují nám určit fyzikální vlastnosti materiálů a jejich odolnost vůči různým zatížením. Analytické metody používá se ke studiu složení a struktury.

Mechanické zkoušení kovů

Tento typ výzkumu je důležitý pro průmysl a stavebnictví. Specialisté určují provozní vlastnosti materiálů – například pevnost nebo plasticitu. Kovy se obvykle testují na odolnost vůči statickému a dynamickému zatížení. To je typ nárazu, kterému jsou konstrukce vystaveny během provozu. Statický: tlak, ohyb, tah, torze. Dynamický: rázové ohybové zatížení, vibrační zatížení. Volba metody práce závisí na druhu použitého materiálu a také na účelu výrobků z něj vyrobených.

Stanovení tvrdosti

• Podle BrinellaZkoušky se provádějí podle státní normy 9012-83. Tvrdost se označuje písmeny HB, za nimiž se napíše výsledné číslo. Pro práci se používá kulička z kalené oceli o průměru 2,5 mm nebo 10,5 mm – ta se vtlačí do povrchu materiálu. Poté zůstane otvor. Průměr takového otisku se měří pomocí lupy. Metoda není vhodná pro tenké vzorky, protože se dají protlačit. Pokud se použije na kovy s tvrdostí vyšší než HB 450, může se kulička zploštit.
• Podle RockwellaByla vyvinuta státní zkušební norma 9013-83. Tvrdost stanovená touto metodou se označuje písmeny HRC s výsledným číslem. Do povrchu měkkého kovu se vtlačí kulička o průměru 1,59 mm vyrobená z kalené oceli a pro tvrdý kov se používá diamantový kužel s úhlem 120°.
• Podle VickerseStudie jsou regulovány Gosstandartem 2999-83. Tvrdost se označuje písmeny HV a výsledným číslem. Do povrchu je vtlačena čtyřstranná diamantová pyramida. Při stanovení tvrdosti se bere v úvahu zatížení na jednotku otiskované plochy.

Mezi výhody těchto metod patří jednoduchost a dostupnost. Navíc takové manipulace neničí výrobky. Na základě výsledků studií je možné předpokládat, jaká bude odolnost vůči tahovému zatížení.

Zkouška mikrotvrdosti

Metoda se podobá zkoušce tvrdosti dle Vickerse. Je regulována státní normou 9450-84 a je vhodná pro mikroskopické objemy materiálu. Hodnota se stanoví pomocí zařízení sestávajícího z metalografického mikroskopu a mechanismu, který vytváří zatížení. Ten je vybaven čtyřstranným diamantovým jehlanem s úhlem 4°.

Kompresní test

Ukazuje mez kluzu, pevnost v tlaku kovu a také plastické vlastnosti – relativní smrštění.

Pro experiment se používají hotové výrobky (výztuž, fragmenty potrubí) a vzorky vytvořené podle státní normy 1497-84.

Jsou umístěny pod lis a poté vystaveny různému zatížení až do křehkého zničení nebo deformace. Tato vyšetření nám umožňují vyvodit závěry o vhodnosti použití materiálu při výrobě kovových konstrukcí.

Zkoušky tahem kovů

Provádí se za účelem stanovení meze pevnosti pod vlivem tahového zatížení. Vzorky se vytvářejí podle státní normy 1497-84. Musí mít obdélníkový nebo kruhový průřez.

Vzorky se v zařízení upevní a poté se na ně působí tahovým zatížením. Rychlost změny síly musí během celé studijní doby zůstat konstantní. Po obdržení údajů o tahových parametrech lze pomocí algoritmů vypočítat všechny ukazatele potřebné pro práci s kovovými konstrukcemi.

Dynamické testy

Během takové studie odborníci získají informace o odolnosti proti nárazu.

Experimenty jsou regulovány státní normou 9454-78.

Pro práci se používají standardní vzorky – s jejich pomocí je možné stanovit rázovou houževnatost materiálů. Pro výzkum jsou také nezbytné kyvadlové zkušební stroje.

Analytické testování

Chemický rozbor kovů

Chemické metody se volí k určení složení vzorků a zjištění koncentrace nečistot nebo jakýchkoli složek ve slitině. Je důležité si uvědomit, že fyzikální vlastnosti a kvalita suroviny závisí na složení. Chemická analýza kovu navíc umožňuje detekovat nežádoucí nečistoty.

Lept. Pro náraz se používají různá činidla. Metoda umožňuje vyhodnotit pórovitost a detekovat likvaci. Pro detekci nečistot, jako je fosfor nebo síra, se používají kontaktní tisky. Odborníci také používají vysoce citlivý fotografický papír, kterým jej přitlačují k povrchu vzorků.

Spektroskopická analýza. Mezi jeho výhody patří rychlost a vysoká přesnost, což umožňuje najít nečistoty s takovou koncentrací, jakou jiné metody chemické kontroly nedokážou. Kvantometry, polychromátory a další typy spektrometrů pomáhají odborníkům vyhodnotit chemické složení na základě spektrální analýzy.

Metalografická analýza

Během práce specialisté zkoumají strukturu materiálu, protože ta určuje jeho mechanické vlastnosti. Tato metoda zahrnuje analýzu dat získaných pomocí optických zařízení při různém zvětšení.

Mikroskopické vyšetření. Pomocí polarizačních a metalurgických mikroskopů je možné s maximální přesností určit kvalitu materiálu a také jeho vhodnost pro výrobu kovových konstrukcí. S pomocí moderního vybavení specialisté studují charakteristiky struktury: fázové složení, stejně jako velikost a tvar zrna.

Radiografická kontrola. Během práce jsou vzorky vystaveny gama nebo rentgenovému záření: na stranu opačnou než je zdroj, je umístěn film, který fixuje obraz. Takto získaný stínový gama nebo rentgenový snímek pomáhá identifikovat pórovitost a všimnout si mikrotrhlin. Ozářením vzorků z různých stran je možné s vysokou přesností určit umístění vadných zón nebo zkontrolovat spoje na svařovaných konstrukcích.

Magnetická prášková kontrola. Je vhodný pouze pro studium feromagnetických slitin a feromagnetů: železa, niklu, kobaltu, terbia, gadolinia. Nejčastěji se magnetické práškové testování používá při práci s ocelí k identifikaci všech skrytých vad. Samotný postup je relativně jednoduchý: předmagnetizovaný vzorek je potažen magnetickým práškem. Rozprostřený po povrchu indikuje vady.

Ultrazvukové testování. Studium kovů a slitin touto metodou spočívá v odrazu krátkých ultrazvukových impulsů od defektních zón, které jsou pomocí speciálních zařízení vysílány do tloušťky materiálu. Převodník přijímá odražené vlny. Zesílené signály jsou poté vysílány do monitoru osciloskopu. Znalost časového rozdílu mezi vysláním ultrazvukového impulsu a zaznamenáním odražených vln umožňuje přesně vypočítat hloubku defektu.

Výpočty jsou založeny na rychlosti šíření ultrazvukových impulsů v dané slitině. Výhodou metody je, že analýza nevyžaduje mnoho času. Není nutné zastavovat činnost mechanismů pro provedení výzkumu.

Když kovy dorazí na staveniště nebo výrobní linku k dalšímu zpracování, je důležité vyvodit závěry o jejich kvalitě. Odborné testování má velký význam pro spolehlivost výrobků. Proto se věnuje zvláštní pozornost přesnosti a spolehlivosti metod pro stanovení fyzikálních a chemických vlastností materiálů.