Integrita povrchu obrobku

Antonín Kříž

Přednáška ke jmenovacímu řízení – vědecká rada FST 7.10.2014

Obsah přednášky:ÚvodPovrch v historii lidstva, integrita povrchu ……….……... 3Podstata povrchu …………………………………….…….. 6Obrobený povrch …………………………………….…..… 8Důležitost povrchu ……………………………………….. 11Hodnocené vlastnosti před nástupem integrity povrchu 14Integrita povrchu – důvod využití ………………………..16Složky integrity povrchu …………………………………. 17Drsnost povrchu ………………………………………….. 22Profil povrchu …………………………….………………. 27Změna struktury …………………………………………. 28Trhliny – praskliny ………………………………………. 37Zbytková napětí …………………………………………. 38Změny chemických vlastností ………………………..….. 51Přínos v oblasti integrita povrchu ………………………. 54Pedagogické působení v oblasti integrity povrchu ……. 55Projekt OP VpK – vytváření mezinárodních týmů …….. 56Kde nám v integritě povrchu ujel vlak?! ………………. 57Předpokládaný další vývoj integrity povrchu na KMM 58Závěr ………………………………………………………. 60Vlastní literatura použitá k přednášce ………………….. 61 2/63

Úvod Povrch v historii lidstva, integrita povrchu

• 1758 př.n.l. – doba Chammurapi – dokumentovaný záznam o povrchu v babylonském klínovém písmu. (Chammurapi byl šestý král starobabylonské říše, který vládl v letech 1792-1750 př.n.l. Proslul především jako zákonodárce – vydal tzv. Chammurapiho zákoník) [http://en.wikipedia.org/]

• Démokritos z Abdér (přibližně 460-370 př.n.l. ) byl řecký předsokratovský filozof. Démokritem dotvořený systém je důsledně materialistický. „Základem světa jsou nekonečné prázdno, ve kterém se pohybuje nekonečné množství atomů. Atomy jsou neviditelná, nedělitelná, neměnná a tudíž nezničitelná tělíska, ze kterých se vše skládá.“ [Sousanna-Maria Nikolaou: Die Atomlehre Demokrits und Platons Timaios. Eine vergleichende Untersuchung (Beiträge zur Altertumskunde, Band 112), Stuttgart 1998, S. 201. ]

• V polovině 19 století se pohled na povrch změnil. Povrchu se začaly přiřazovat pozitivní vlastnosti.

Tato myšlenka byla posílena průkopníky povrchu, mezi které patří J.W. Gibbs a I. Langmuir. V roce 1877 J.W. Gibbs přichází se základy statické mechanikya termodynamikou povrchových fází.

3/63

Podstata věcí je skryta v jejich nitru, zatímco povrch je zavádějící!

V letech 1909-1950 I. Langmuir pracoval ve společnosti General Electric.

Vytvořil základy pro povrchovou chemii. V roce 1916 publikoval významnou publikaci o adsorpci, kondenzaci a odpařování molekul plynu z povrchu pevných látek a uspořádání molekul v povrchových vrstvách kapalin. Zkoumal monomolekulární vrstvy různých organických sloučenin na povrchu vody. V roce 1932 dostal Nobelovu cenu za chemii. [Len Fisher: Reise zum Mittelpunkt des Frühstückseis. Streifzüge durch die Physik der alltäglichen Dinge. Erste Auflage. Campus, Frankfurt am Main / New York NY 2003 (Originaltitel: How to dunk a doughnut, übersetzt von Carl Freytag), ISBN 3-593-37193-6, S. 147, 163f, 266f, 270.]

V roce 1960 se díky rozšíření poznatků skladby látek a moderních analýz vytvořil vědní obor fyzika povrchů. Tento obor se překrývá s povrchovou chemií. Fyzika povrchů vyšetřuje povrchové stavy, povrchovou difúzi, stavbu povrchu, epitaxii, emisi a tunelování elektronů, v poslední době také nanostrukturu povrchů.

Integrita povrchu – nový pojem představený Dr. Michaelem Fieldem a Johnem F. Kahlesem na symposiu Metcut Research Associates Inc. v roce 1964. Na tomto symposiu byla pozornost věnována sledování zbytkových napětí po broušení. Byly vytvořeny základy pro širší sledování souvislostí mezi technologií řezného procesu a výslednými vlastnostmi výrobku. [http://www.shotpeener.com/library/pdf/1970007.pdf]

4/63

V roce 1970 vychází první publikace „Úvod do integrity povrchu“Tato publikace má 11 stran a je vydaná společností General Electric.Odkazuje se na 8 doposud vydaných publikací – nejstarší byla zpráva z roku 1964 od Dr. Michaela Fielda a Johna F. Kahlese.

Integrita povrchu byla zahrnuta v normě ANSI Standard B46.1 – 1962(GE Co – Standard FDP – STD – 18H1). Ačkoliv by 1962 napovídalo roku vydání, byla tato norma poprvé zmíněna až v roce 1970.

V roce 1972 pořádá ASM Materials Engineering kongres pod názvem Požadavky na sledování integrity povrchu. Výstupy jsou shrnuty ve zprávě New Quality Control Requirements for Surface Integrity [http://www.shotpeener.com/library/pdf/1972009.pdf]

V roce 1990 vyšla upravená norma ANSI B211.1 1986, která zavedla výkresovou značku integrity povrchu. Protože prozatím neexistuje číselná hodnota pro integritu povrchu není tato značka používána.

5/63

Podstata povrchu

V objemu materiálu jsou okolo další atomy, proto ze všech směrů působí stejně velké přitažlivé a odpudivé síly.

U povrchu působí na atomy síly pouze zdola

Volná povrchová energie pevných látek může být popsána jako míra porušení vazeb při vzniku nového povrchu. Když se rozdělí pevné těleso, spotřebuje se energie nutná na porušení vazeb. V praxi je rozdělení nevratným procesem díky disipační energii. Energie nutná k rozdělení je větší než energie nově vzniklých povrchů.

Relaxace povrchu - spontánní změny v meziatomových vzdálenostech ve směru kolmém na povrch (osa z) vedoucí ke snížení povrchové energie – příklad na mřížce Fe – bcc.

[http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/641-povrchove-napeti]6/63

7/63

Vlastností povrchů všech pevných látek je tendence přitahovat molekuly okolních plynů, s kterými přichází do kontaktu – vzniká adsorbovaná vrstva na povrchu.

Obrobený povrch

[homel.vsb.cz/~cep77/PDF/skripta_Technologie_II_1dil.pdf]

Oblasti plastických deformací

Napěťové pole v zóně řezání se rozkládá na napěťové pole v obrobku a nástroji. Pružné deformace jsou rozloženy do celého objemu obrobku, deformace plastické zahrnují jen zónu řezání. Smyková napětí rostou do té míry, než dojde k plastické deformaci materiálu obrobku před břitem nástroje (posuv vrstev v kluzných rovinách pod úhlem ΦN). Pohyb nástroje pokračuje, roste plastická deformace a dochází k pěchování a posunu vrstev materiálu ve směru kolmém ke kluzným rovinám. Oddělováním třísky se ukončí proces plastické deformace. Plastický lom nastává působením kluzné síly, zatímco křehký lom působením síly normálové.Při dalším pohybu nástroje roste napětí v materiálu až dosáhne vyšší hodnoty, než je mez střihu obráběného materiálu a dojde k oddělení třísky pod úhlem střihu Φ.

8/63

Oblast terciární plastické deformace

Jestliže se materiál plastickou deformací zpevňuje, vznikají tlaková napětí. V případě, že plastická deformace vede ke změknutí, jsou napětí tahová.

[Doc. Ing. Jan Řehoř Ph.D.: TEORIE OBRÁBĚNÍ - Mechanika tvoření třísky při obrábění]9/63

V důsledku nerovnoměrné plastické deformace vznikají v povrchové vrstvě zbytková napětí. Jestliže je potlačen tepelný účinek, jsou tato napětí tlaková – výhoda – uzavírání trhlin – lepší mechanické vlastnosti.

Tepelné jevy při řezání

600°C

500°C

400°C

300°C

200°C

400°C

300°C

200°C

100°C maximální teplota670°C

Při obrábění jsou vytvořeny podmínky pro vznik zbytkových napětí:• nerovnoměrná plastická deformace v obrobeném povrchu,• nerovnoměrný ohřev a ochlazování materiálu, které vyvolává jeho roztažení a smršťování,• nerovnoměrné změny struktury, vyvolané působením tepla a mechanických sil,• chemické procesy, spojené s reakcí částic pronikajících do povrchové vrstvy (v důsledku

difúze a působení řezného prostředí vznikají chemické sloučeniny s odlišnou hustotou).

Při současném tepelném a mechanickém zatěžování povrchu je horní, nejteplejší část povrchové vrstvy při obrábění plasticky zkrácena. Při chladnutí se pak v této vrstvě tvoří nežádoucí tahové zbytkové napětí. Jestliže jsou překročeny teploty strukturních změn, pak dochází k výraznému ovlivnění průběhu zbytkových napětí.

[Doc. Ing. Jan Řehoř Ph.D.: TEORIE OBRÁBĚNÍ – Tepelné jevy při obrábění]10/63

Důležitost povrchu

Finální vlastnosti výrobků jsou významně ovlivňovány vlastnostmi povrchových a podpovrchových vrstev. Objem provozních lomů v současnosti tvoří více než z 90% únavových poškození. Toto poškození má nejčastěji svoje iniciační místo na povrchu součásti.

Z tohoto důvodu je nutné vlastnostem povrchu věnovat značnou pozornost.

[ J. Paulo Davim, Surface Integrity in Machining] 11/63

Charakteristické tvary skutečných profilů drsnosti ploch a nosné křivky těchto ploch a) plochy obrobené třískověb) plochy dodatečně ovlivněné tlakovou deformací

12/63Deformovaná oblast

Srovnání hloubek změny vlastností ve vazbě na použitou technologii

[mm]

13/63

Hodnocené vlastnosti před nástupem integrity povrchuK dosažení správné a spolehlivé funkce strojírenských výrobků bylo nutné, aby byly rozměry, tvar a vzájemná poloha ploch jejich jednotlivých částí dodrženy s určitou přesností.

Běžným výrobním postupem nelze docílit, aby uvedené geometrické vlastnosti součásti byly dodrženy (ani změřeny) s absolutní přesností. Skutečné plochy vyrobených součástí se tak liší od ideálních ploch předepsaných na výkrese. Aby bylo možné posuzovat, předepisovat a při výrobě kontrolovat dovolenou nepřesnost, rozdělují se úchylky skutečných ploch do čtyř skupin: • úchylky rozměrů • úchylky tvaru • úchylky polohy • úchylky drsnosti povrchu

Geometrická tolerance - úchylka tvaru

Spojením výsledků těchto 4 skupin nejsou zajištěny podmínky

integrity povrchu

14/63

Zajímat se pouze o hodnotu drsnosti Ra je jako když jedeme autem po silnici a nezajímají nás díry, ale průměrná nerovnost vozovky. [ústní sdělení prof. Brychty – VŠB Ostrava]

Neustále přeceňovaná drsnost povrchu

15/63

Z hlediska výroby má zásadní význam znalost mechanizmu vytváření nového povrchu součásti. To umožňuje pochopit povahu a vlastnosti vytvořeného povrchu. Jedině tak může dojít ke zlepšení použitých procesů a k vytvoření obrobených ploch s minimálním množstvím poruch popř. se speciální modifikací.Všechny změny, které nastávají v povrchové vrstvě součásti, lze shodně posuzovat jako změny jakosti. Tyto změny se dávají do vzájemných souvislostí, čímž se vytváří podmínky pro propojení jednotlivých vlastností povrchu – „integritu povrchu“.

Integrita povrchu – důvod využití

Integrita povrchu – norma ANSI B211.1 1986

Obsah normy:

1. Úvod2. Definice pojmů 3. Hodnotící techniky

4. Souhrn dat

Trhliny

Interkrystalické napadení

Plastická deformace

Rekrystalizace, Zbytková napětí,

Metalurgická transformace……… 16/63

Složky integrity povrchuNa povrch součásti v procesu výroby, montáže (i používání a s tím spojených degradačních procesů mnohdy zakončené destrukcí) působí mnoho vlivů. Ty lze rozdělit na vnější a vnitřní vlivy.

Mezi vnější jsou zahrnuty tyto vlivy:• Mechanické (provozní napětí)• Chemické (koroze)• Fyzikální (záření, bludné proudy apod.)• Kombinace více vlivů (koroze pod napětím, elektrochemická koroze, ale také

technologické procesy např. obrábění, tepelné zpracování, tváření)

Vnitřní vlivy jsou tvořeny:• Zbytkovým napětím• Morfologií povrchu (drsnost)• Materiálovými a mechanickými vlastnostmi povrchu (tvrdost, zpevnění, strukturní

stav, povrchová úprava např. vrstvy, povlaky)• Přítomností povrchových a podpovrchových vad a heterogenní struktura (uhlík

v litině, vměstky, řediny)

17/63

Hodnocené vlastnosti povrchu

• Stanovení drsnosti povrchu

• Vizuální zkoušky, NDT zkoušky (NeDestruktivní Test)

• Metalografické hodnocení

• Zkoušky mikrotvrdosti

• Profil zbytkových napětí

• Stanovení únavové pevnosti

• Stanovení korozních vlastností

18/63

Jaký chceme povrch?

Takový, aby plnil všechny svoje funkce a zvyšoval užitné vlastnosti výrobku!Dokážeme tyto požadavky definovat?

Zbytková napětí (tlaková – tahová?)Morfologie povrchu (drsnost)Materiálové a mechanické vlastnosti povrchu (tvrdost, zpevnění, strukturní stav, povrchová úprava např. vrstvy, povlaky) Základní faktory integrity povrchu

Geometrická přesnostDrsnost povrchu a jeho profil TvrdostZměna strukturyZbytková napětíChemicko-tepelné změny – opaly,

oduhličení, nauhličení Trhliny – prasklinyZměny fyzikálních i chemických vlastností

19/63

Integrita povrchu zahrnuje celou řadu faktorů, které je nutné nejen změřit, ale je zapotřebí jim také dobře rozumět.

Akordy integrity povrchu

20/63

Integrita povrchu dává dobré výsledky pouze, když jsou uvažované výsledky ve správném souznění.

Je povrch skutečně to, za co jej pokládáme?

Reálný povrch – příčný metalografický výbrus vyvrtané stěny otvoru v materiálu C45

Přístroje, které jsou k dispozici

21/63

Překlopení zpevněného materiálu nebo třísky a vtlačení do povrchu

Drsnost povrchu Měření lineární drsnosti

Ra - 0,45 mm

22/63

Měření plošné drsnosti

STEJNÁ OBLAST - Lineární drsnost Ra 0,6 µm Plošná drsnost Sa - 0,39µm

23/63

Velké množství šumu (příliš malé zvětšení)

Nezměření celé periody drsnosti (příliš velké zvětšení)

Měření plošné drsnosti pomocí konfokálního mikroskopu OLYMPUS LEXT 3000

24/63

Výsledky vlastního měření v roce 2008

Nevyhovující výsledky vlivem nedostatečného softwaru

Eta

lony

drs

nos

ti

Měření plošné drsnosti pomocí konfokálního mikroskopu OLYMPUS LEXT 4100

25/63

Prodej zahájen v roce 2013 – softwarový problém vyřešen, ale ….

Dva odlišné povrchy se stejnou hodnotou Abbotovy křivky profilu

Nosná (Abbotova) křivka profilu

26/63

Profil povrchu

Víc než samotný profil povrchu je důležitější strukturní stav a přítomnost mikrotrhlin.

27/63

Změna struktury

Tenčí zpevněná vrstva má po celé délce konstantní tloušťku. Vytrhávání zpevněné vrstvy je pouze lokálního charakteru. Tloušťka zpevněné vrstvy je 7,9 ± 1,4 μm.

Narušení povrchové litinové vrstvy grafitem

28/63

Zpevněný povrchVytržený povrch

Praktická ukázka stavu povrchu – výsledky získané při řešení projektu MPO FI-IM4/226 společně s průmyslovou firmou HOFMEISTER s.r.o. „Návrh multifunkčního vrtáku pro vrtání otvorů 3D – s přesností IT7“

Schéma multifunkčního vrtáku

29/63

Řezná oblastZdrsňující oblast Tvářecí oblast

Stav obrobeného povrchu – ocel C45

Povrch – otvor vyvrtán nástrojem Hofmeister V povrchové vrstvě je tvrdost HV0,005 = 445

Povrch – otvor vyvrtán nástrojem konkurence – nenastala plastická deformace

Testovaný vzorek

30/63

Stav obrobeného povrchu – ocel AISI D3

Zakalený povrch– HV0,01 =1107

Běžný povrch – HV0,01 =828

31/63

HV0,01 = 1082

HV0,2 = 712

HV0,01 = 567

HV0,2 = 712

Stav obrobeného povrchu – ocel AISI D3 – jiné aplikace tenkých vrstev na nástroji

32/63

Zpevněná povrchová vrstva u vyvrtaného otvoru - materiál litina ČSN 42 24 20

Nanoindentační měření bylo provedeno při zatížení 250mN po dobu 12s.

Výsledky nanoindentační mikrotvrdosti HIT v oblastech a (neovlivněno); b ovlivněno.Nástroj A - HOFMEISTER; B, C - konkurence 33/63

Je nutné hledat souvislosti mezi laboratorně zjištěnými výsledky popisující povrchový stav a reálnými vlastnostmi, nebo další možností je použít ověřenou metodu, která poskytuje přímé vazby na užitné vlastnosti. Takovou metodou je IMPACT TEST (tento přístroj je vlastní konstrukce, na světě je pouze 5 pracovišť, které disponují tímto měřením)

Souvislosti mezi strukturou obrobeného povrchu a užitnými vlastnostmi

34/63

Impact kráter ve vzorku oceli D3 – nástroj HOFMEISTER

Dokumentace impact kráteru vytvořeného v popuštěné vrstvě

HV0,01 = 567

HV0,2 = 712

35/63

Dokumentace impact kráteru ve znovuzakalené vrstvě (bílá oblast)

HV0,01 = 1082

HV0,2 = 712

36/63

Impact kráter ve vzorku oceli D3 – nástroj HOFMEISTER

Trhliny – praskliny

Povrchové praskliny – špatné broušení povrchu

Vytrhaný materiál na obrobeném povrchu „Přehrnutý“ materiál na obrobeném povrchu37/63

Zbytková napětí

Úroveň napětí je určována velikostí elastické deformace vyvolané objemovými změnami ve výrobku. Pojem vnitřního napětí tedy plně odpovídá pojmu vnitřní elastické deformace, neboť ta tento jev zcela kontroluje. Dále je pak napětí funkcí modulu pružnosti E.

Přiblížení tohoto procesu lze provést na třech rozdílných materiálech. Velikost vnitřních napětí je jednoznačně určena hodnotami E1, E2, a E3 (Youngova modulu). Při stejné hodnotě pružné deformace 1 je vnitřní napětí v litině 2 přibližně poloviční a u velmi plastického hliníku 3 je dokonce asi třetinové v porovnání s ocelí 1.

Z diagramu je patrný vliv plasticity materiálu na jeho odolnost proti vzniku trhlin.

Deformační závislosti 1-ocel; 2-šedá litina; 3-hliník

Při zvyšující se tvrdosti, která způsobuje navíc i nárůst křehkosti, vzrůstá neúměrně i vnitřní napětí v souvislosti s různými procesy, které by odezněly plastickou deformací. Tato napětí pak mají za následek rozvoje trhlin.

38/63

Vnitřní napětí je v materiálu snižováno plastickou deformací. Čím má materiál větší mez pružnosti, tím je napětí větší. Jestliže může materiál vykonat plastickou deformaci, pak v případě, že má na deformaci čas i prostor, jejím rozvojem snižuje vnitřní napětí. Jestliže tento čas není k dispozici např. při rychlých popř. velkých přísunech namáhání, nebo při zablokování dislokací po hranicích zrn a jiných překážkách, pak dochází k eliminaci napětí rozvojem nového povrchu tj. vznikem mikrotrhlin a trhlin. Jejich rozvoj se realizuje rychlostí zvuku v kovech tj. až 5000m/s. Při prvotním uvolnění napětí jde trhlina nejkratší cestou až po částečném vyčerpání dochází k tomu, že jde cestou nejmenšího odporu tj. sleduje více strukturní slabost materiálu.

Snímek dokumentuje prasklinu u cementovaného a zakaleného pastorku, kde se trhlina šířila po hranicích původních austenitických zrn. Vysoké zbytkové napětí bylo vyvoláno nedodržením správného postupu CHMTZ a při broušení došlo k uvolnění zbytkového napětí vznikem praskliny. 39/63

Příklad profilů zbytkových napětí při opracování oceli 16342

40/63

Příčný výbrus povrchově zakaleného a černěného povrchu v místě defektu.

Důležitost zbytkových napětí se projeví nejen ve změně mechanických vlastností, ale také na korozní odolnosti povrchu.

Řezání, broušení,leštění

Odmašťování Moření

NaOH + okysličovadlo např. dusičnan sodnýTeplota lázně 130-1400C

Příjem zboží

Mechanická a chemická předúprava

povrchu

Černicí proces

Konzervace olejem

Expedice zboží

[David Bricín: Vlastnosti černěného povrchu strojních součástí. ZČU v Plzni, 2011. Vedoucí bakalářské práce Antonín Kříž]41/63

Původní povrch

Experimentální metody využívající rentgenové, neutronové nebo elektronové záření (podle interakce  s látkou):

§ Identifikace makroskopických poruch – absorpce § Spektrální analýza – každý atom emituje „své“ záření§ Studium krystalové struktury – difrakce záření na krystalové mřížce

Rentgenová fluorescenční analýza

Grafit , koneèný stav po odprasovani

Su2 2

NameFe 2pCr 2pNi 2pO 1sC 1s

Pos.705.50572.50851.00529.00283.00

FWHM3.2603.9362.2072.6342.751

Area453.7109.1396.0178.0248.6

At%7.5962.5594.897

16.68168.265F

e 2p

Cr 2p

Ni 2p

O 1s

C 1s

Fe 2s Fe LMMFe 2p1/2

Fe 2p3/2Fe 2p

Fe 3sFe 3p1/2Fe 3pFe 3p3/2

Fe 3d3/2

Fe 3d5/2Fe 3d

Cr LMM Cr 2s Cr 2p1/2Cr 2pCr 2p3/2

Cr 3s

Cr 3p1/2Cr 3p3/2Cr 3p

Cr 3d5/2

Cr 3d3/2Cr 3d

Ni 2sNi 2p1/2

Ni 2p3/2Ni 2p Ni LMM

Ni 3s

Ni 3p

Ni 3p1/2Ni 3p3/2

Ni 3d5/2Ni 3dNi 3d3/2

O KLL

O 1s

O 2sO 2p1/2O 2p3/2O 2p

C KLL C 1s

C 2p1/2C 2p3/2C 2p

x 102

0

5

10

15

20

25

30

35

40

CPS

1000 800 600 400 200 0Binding Energy (eV)

Fotoeletronová spektroskopie

[Kamil Kolařík: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]

Využití RTG difrakční analýzy

42/63

Měření zbytkových napětí RTG difrakční analýzou u otvorů z oceli C45

Rozložení tlakových zbytkových napětí po obvodě vyvrtaného otvoru – měřeno v jedné hloubce. Na hodnotách zbytkových napětí se projevila heterogenita struktury – v místě perlitu je menší plastická deformace – větší hodnota zbytkového napětí, než u plasticky zdeformovaného feritu.

Struktura oceli C 45 je heterogenníV oblasti perlitu je menší plastická deformace

43/63

Vyvrtaný otvor – měřeno po obvodu v jedné hloubce

Stanovení hloubkových profilů zbytkových napětí

Závislosti složek tenzoru napětí σij na vzdálenosti T od povrchu mohou mít pro předpověď pevnostních vlastností výrobků často větší význam než pouze povrchové hodnoty σij(0).

Proto je nutné stanovit jejich hloubkový profil.

[Kamil Kolařík: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]

Záření Ti Kα Cr Kα Cu Kα

λ, nm 0,27496 0,22909 0,15412

Te, μm 6,66 11,22 35,96

30 m

m

20 mm

Ø 20 mm

5 mmANALYZOVANÁ

OBLAST cca 25 mm2

ODLEŠTĚNÁPLOCHA

KRYCÍ FÓLIE

ŘEZNÁ PLOCHA30

mm

20 mm

Ø 20 mm

5 mmANALYZOVANÁ

OBLAST cca 25 mm2

ODLEŠTĚNÁPLOCHA

KRYCÍ FÓLIE

ŘEZNÁ PLOCHA

44/63

Barkhausenův šum je jev poprvé popsaný v roce 1919. Původní název práce ve volném překladu zní „Dvě pozoruhodnosti objevené pomocí nového zesilovače“.

Měření pomocí magnetického pole

Heinrich Georg Barkhausen

Při přiblížení či oddálení magnetu k jádru je slyšet v reproduktoru hlasité praskání. Souvisí to s nespojitostmi při magnetování feromagnetických materiálů.

45/63

• Přítomnost a rozložení elastických napětí – ovlivňují cestu, kterou se domény ubírají za cílem snadné orientace ve směru magnetizace

• Tento jev, při kterém elastické vlastnosti ovlivňují doménovou strukturu a magnetické vlastnosti, se nazývá magnetoelastická interakce. Důsledkem této interakce u materiálů s pozitivní magnetostrikcí (většina ocelí a železo) je snižování intenzity Barkhausenova šumu tlakovým napětím, zatímco tahové napětí intenzitu zvyšuje. Díky této skutečnosti lze z měření intenzity Barkhausenova šumu stanovit zbytková napětí.

• Struktura materiálu – lze hrubě popsat za použití pojmu tvrdost. Intenzita signálu spojitě klesá s rostoucí tvrdostí. Je to důsledkem blokace pohybu doménových stěn na mřížkové úrovni v zásadě stejnými překážkami a defekty jako pohyb dislokací při plastické deformaci.

[Lucie Schmidová: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]

46/63

Metoda odvrtávání

Princip: do tělesa se zbytkovým napětím jsou vyvrtány otvory

Odvrtáním části tělesa dojde k uvolnění části napětí, těleso reaguje změnou deformace, která se měří tenzometricky.

Podle směru deformace se určí směr a velikost napětí

Umožňuje měření povrchových i objemových napětí v oblasti dané velikostí tenzometru

Odvrtávací frézy a měřicí zařízení HBM SINT MTS3000[Michal Švantner: Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]47/63

Vzhledem k vysoké tvrdosti měřeného materiálu byla pro odvrtávání použita speciální odbrušovací diamantová fréza.

Odvrtávání je prováděno po krocích 10 um až do hloubky 0,6 – 0,7 mm, tj. cca 70 odvrtávacích kroků.

Po každém odvrtávacím kroku byla prodleva 4 - 5 min, která umožnila vychladnutí vzorku a tedy omezení vlivu tepelných deformací na uvolněné deformace.

Měření průběhu zbytkových napětí u broušených cermetových nástrojů

Ceratizit TCN54 - Intenzita zbytkových napětí

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0,0 0,2 0,4 0,6

h (mm)

Na

pě

tí (

MP

a)

1C

2C

3C

4C

5C

6C

48/63

Vzorky 1C – 6C cermetové destičky, které byly různě broušeny – odlišné kotouče nebo řezné parametry

Opotřebení frézy

Mechanické metody měření zbytkových napětí

Princip: měření deformace zkušebního tělesa při postupném odleptávání povrchových vrstev, měřený vzorek počítáme podle teorie pružnosti jako křivý prut

Zkoušený vzorek

Připevnění

Při odleptávání se postupně odstraňují povrchové vrstvy materiálu a tím se uvolňuje napětí obsažené v této vrstvě

Výhody: nízká cena

dostupnost

Nevýhody: nízká přesnost

49/63

Hloubka měření z [mm]

0,001 0,1 0,01 1 10 100

Rentgenová difrakce standardní

Neutronová difrakce

Magnetické metody

Odvrtání mezikruží

Odvrtání hlubokého otvoru (DHP)

Odstraňování vrstev

Rozřezávání

Rentgenová difrakce synchrotron

Ultrazvukové metody

Odvrtání otvoru

Povrchové metody Podpovrchové metody

Ned

estr

uk

tiv

ní

S

emid

estr

uk

tiv

ní

D

estr

uk

tiv

ní

Metody měření zbytkových napětí dle hloubky

[Otakar WEINBERG, Jaroslav VÁCLAVÍK: Aplikace vybraných metod pro měření zbytkových napětí na velkých součástech v průmyslu. Seminář „ZBYTKOVÉ NAPĚTÍ v tepelném zpracování“ pořádaný Asociací pro tepelné zpracování kovů 11. 9. 2014 Praha]

50/63

Změny chemických vlastností

Plastická deformace způsobuje snížení korozní odolnosti. Kombinace mechanické a elektrochemické expozice vede ke snížení korozní odolnosti materiálu a ke zvýšení opotřebení, praskání a únavových poruch.

Tváření za studena vnáší do mřížky velké množství defektů. Výsledkem je méně kompaktní a efektivní pasivní vrstva u korozivzdorných ocelí a snížení korozní odolnosti v roztoku NaCl. Oxidická vrstva na nerezové oceli obsahuje po tváření za studena méně oxidů a více hydroxidů. Nižší celistvost vrstvy a menší ochranu lze přičíst velké hustotě defektů. [Y.Fu, X.Wu, E-H. Han, W. Ke, Ke Yang , Z. Jiang “Effect of cold work and sensitization treatment on the corrosion resistance of high nitrogen stainless steel in chloride solution” Electrochimica Acta 54 (2009) 1618-1629]

Elastické napětí o malé intenzitě zlepšuje smáčivost povrchu elektrolytem. Anodické rozpouštění aktivuje mnohem jednodušeji deformovaný materiál než „čistý kov“. [E.M. Gutman Mechanochemistry of Solid Surfaces, World Science publications, New Jersey, Singapore, London 1994.]

Bylo zjištěno, že se může objevit pás dislokací v povrchové vrstvě během anodického rozpouštění v důsledku zhoršení korozní odolnosti zapříčiněné plastickou deformací. [T.P. Hoar Proceedings of the conference “Fundamentals of Stress corrosion Cracking, NACE TX, 1969, p.98]

Dřívější teorie říkají, že napětí zvětšuje vzdálenosti mezi atomy. Chemický potenciál elektronů se v oblasti napětí snižuje v důsledku toho, že elektrony z okolí proudí do této oblasti. Předpokládá se, že potenciálový spád ovlivňuje změna vzdálenosti mezi atomy na povrchu, zatímco změna Fermiho energie je zanedbatelná. Napětí snižuje energii potřebnou k uvolnění elektronu. [A. Kiejna, V.V. Pogosov, Phys. Rev. B 62 (2000) 10445. V.V. Pogosov, O.M. Shtepa, Ukr. Phys. J. 47 (2002) 1065 (Preprint cond. mat/0310176). 1819,20]

51/63

Povrch vyvrtané litiny ČSN 422420 - oblast 1 – pouze vrtáno; oblast 2 – přechodová oblast do tvářeného povrchu; oblast 3 tvářený povrch; 4 – zahlazený povrch.

Praktický příklad vlivu stavu obrobeného povrchu na korozní vlastnosti

Ilustrativní schéma vrtáku

52/63

Koroze u vzorku broušeného „ brusným papírem 240“

Koroze u vzorku broušeného „brusným papírem 800“

Plošný podíl koroze

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

čas [m in]

po

díl

ko

rozn

ího

nap

ad

en

í vzorek 240/1

vzorek 800/1

vzorek 240/2

vzorek 800/2

Laboratorní test – vliv drsnosti na korozní vlastnosti

První série – větší přítlačná síla; druhá série – menší přítlačná síla

53/63

V letech 2000-2004 ještě bez znalosti souvislostí sdružených pod obor integrita povrchu jsem řešil dva projekty GAČR týkající se tenkých vrstev deponovaných na řezné nástroje za účelem zvýšení trvanlivosti ostří, ale již také za účelem vyšší jakosti obrobené plochy.

Přínos v oblasti integrity povrchu

V roce 2004 jsem se po setkání s prof. Ing. Bohumilem Bumbálkem CSc. VUT Brno začal cíleně zajímat o integritu povrchu.V roce 2004 podán návrh projektu MPO – „Vývoj a zavedení výroby nových řezných nástrojů s využitím progresivních nanovrstev a sendvičových tenkých vrstev pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů“. V tomto projektu byla cíleně řešena otázka stavu řezné hrany nástroje. Projekt byl v řešení do 30.6.2007.

V roce 2005 podán návrh projektu MPO „Vývoj produktivní technologie výroby cermetových řezných nástrojů“ – řešeno broušení cermetových nástrojů s projevy zbytkových napětí a trvanlivosti břitu nástroje“. Projekt byl v řešení do 30.10.2007.

V roce 2006 podán návrh projektu MPO „Vývoj vrtacích multifunkčních nástrojů pro vysoce produktivní a přesnou výrobu kruhových otvorů“– integrita povrchu řešena jak z hlediska řezné hrany nástroje, tak i stavu obrobené plochy. Projekt byl v řešení do 31.12.2010. K řešení integrity povrchu byla přizvána katedra KTO a od tohoto projektu je s touto katedrou velmi úzká a plodná spolupráce.

Firma HOFMEISTER s.r.o. stála za rozvojem integrity povrchu nejen na FST – ZČU v Plzni, ale i v České republice. Tato firma byla hlavním řešitelem všech 3 MPO projektů.

54/63

Databáze k integritě povrchu obsahující povrchové stavy 5 materiálů (C45; D3; GG20; Inconel 718; AW 6082) v souvislosti s použitým procesem obrábění a použitým nástrojem - vznikla na základě výsledků MPO projektu.

Od roku 2001 jsem vedl úspěšně obhájených 30 diplomových prací a 12 prací bakalářských- 21 DP a 5 BP souviselo s oborem integrita povrchu.Od roku 2005 jsem vedl 5 ukončených doktorandů. 3 měli disertační práci na téma spadající pod integritu povrchu.

V současné době jsem školitelem 7 doktorandů – všechny práce se týkají integrity povrchu.

V rámci spolupráce se zahraničním pracovištěm Instytut Materiałów Inżynierksich i Biomedycznych, Politechnika Śląska, Gliwice jsem se aktivně podílel na úspěšném ukončení doktorandského studia 3 zahraničních doktorandů (K. Lukaszkowicz ; D. Pakuła; J. Mikuła)

V roce 2002 jsem začal aktivně spolupracovat s výrobní společností CERATIZIT (Rakousko) a od roku 2006 velmi úzce spolupracuji se zahraniční společností Blösch AG.

55/63

Pedagogické působení v oblasti integrity povrchu

Zahraniční spolupráce byly využity při řešení projektu ESF OPVK CZ.1.07/2.3.00 „Systém vzdělávání pro personální zabezpečení výzkumu a vývoje v oblasti moderního trendu povrchového inženýrství INTEGRITA“ s rozpočtem 39 mil Kč.V souvislosti s tímto projektem jsem dal podnět k vytvoření mezinárodního týmu, který zahrnuje pracoviště: HOFMEISTER s.r.o. – ČR; TUL – ČR; VŠB Ostrava – ČR; Alicona (průmyslová firma) – Rakousko; OTEC (průmyslová firma) – Německo; LISS AG Platit (průmyslová firma) – Švýcarsko; TU Dortmund – Německo, TU Chemnitz – Německo. V tomto projektu jsem hlavním manažerem a v současné době také garantem.

V rámci tohoto projektu bylo realizováno: • Mezinárodní podzimní škola integrity povrchu (5 denní akce s 24 přednáškami z toho 18 zahraničních – ročník 2012; 2013); • 7 seminářů za účasti studentů univerzit ZČU, TUL, VŠB TUO; • 5 workshopů za účasti studentů a průmyslových firem z ČR i ze zahraničí. Za pracoviště KMM – ZČU v Plzni bylo realizováno 21 zahraničních stáží pro studenty magisterského a doktorandského studia. V rámci řešení tohoto projektu byla za mojí osobní účasti navázána další spolupráce s pracovišti v Berlíně: TU Berlín (Fakultät Verkehrs- und Maschinensysteme) a Fraunhofer Institut - IPK (Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik) vedený Prof. E. Uhlmannem; BAM - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (tato spolupráce byla navázána během mojí návštěvy v červnu 2014).

56/63

Projekt OPVpK – vytváření mezinárodních týmů – „INTEGRITA“

2002 – povrchový stav řezné hrany nástroje

V roce 2004 – omílání nástrojů – nástup na trh firmy OTEC – mikroúprava řezné hrany

Kde nám v integritě povrchu ujel vlak?!

57/63

Předpokládaný další vývoj integrity povrchu na KMM

Neustálá osvěta ve výrobních firmách, získávání studentů a dalších spolupracovníků, navazování kontaktů s tuzemskými i zahraničními pracovišti

Podávání projektů – podány 2 projekty TAČR EPSILON ve vazbě na integritu povrchuPříprava projektu „vytváření mezinárodních týmů“ v rámci programu VVV (dříve OPVpK)

Spolupráce s průmyslovou sférou (v letech 2010 – doposud řešeno přes 120 analýz týkajících se nějakým způsobem integrity povrchu) – větší důraz na vytvoření podvědomí.

Tvorba nových metodik ve vyhodnocování integrity povrchu – zahájeny činnosti vedoucí ke kvantifikaci integrity povrchu (stanovení energie povrchu a nalézt souvislosti s jeho jasnou a nezaměnitelnou identifikací stavu).

Byly započaty práce směřující k odhalení příčiny adhezního (kohezního) poškození deponovaných řezných nástrojů ze slinutých karbidů v místě řezné hrany.

58/63

Abychom něco viděli, musíme mít oči i mysl otevřenou!A být připraveni se s tím, co poznáme, nějak vyrovnat!

59/63

Problematika s integritou povrchu spočívá v tom, že se musíme naučit posuzovat povrch jinak, než jak jsme byli zvyklí. Nevystačíme s doposud využívanými charakteristikami a veličinami, ale musíme se naučit pohlížet na povrch komplexně a v souvislostech. Pro dosažení tohoto cíle je zapotřebí vytvořit interdisciplinární týmy, které budou spolu diskutovat a budou provádět korelaci získaných poznatků.

Závěr

60/63

DOBRZANSKI, L. A., JONDA, E., KŘÍŽ, A., LUKASZKOWICZ, K. Mechanical and tribological properties of the surface layer of the hot work tool steel obtained by laser alloying. Archives of Materials Science and Engineering. 2007. s. 389-396KŘÍŽ, A., BENEŠ, P., ŠIMEČEK, J. Impact test of surface. Chemické listy, 2009, roč. 104, č. S, s. 334-337. ISSN: 0009-2770LUKASZKOWICZ, K., MIKUŁA, J., KRIZ, A., SONDOR, J. Structure, mechanical properties and corrosion resistance of nanocomposite coatings deposited by PVD technology onto the X6CrNiMoTi17-12-2 and X40CrMoV5-1 steel substrates. 2009. Surface Engineering. ISSN 0267-0844LUKASZKOWICZ, SONDOR, J., KŘÍŽ, A., PANCIELEJKO, M., Structure, mechanical properties and corrosion resistance of nanocomposite coatings deposited by PVD technology onto the X6CrNiMoTi17-12-2 and X40CrMoV5-1 steel substrates. Journal of Materials Science. 2010. s. 1629-1637KŘÍŽ, A., KOUTSKÝ, E. Kritická velikost defektu. Inženýrská mechanika. Roč. 9. č. 9. 2002 s. 277-283KŘÍŽ, A. Tenké vrstvy v průmyslové aplikaci na řezných nástrojích. Strojarstvo, 2005, roč. 9, č. 7-8, s. 42-43. ISSN: 1335-2938KŘÍŽ, A., KOŽMÍN, P. Thin film-coated cutting tools for hard-to-machine materials. Strojárstvo, 2007, roč. 2007, č. 1, s. 48-49. ISSN: 1335-2938HÁJEK, J., KŘÍŽ, A. Quo vadis tribologie?. Strojárstvo, 2007, roč. 11, č. 3, s. 6-7. ISSN: 1335-2938

Vlastní literatura použitá k přednášce

61/63

KŘÍŽ, A., HÁJEK, J., SOSNOVÁ, M., BENEŠ, P. Surface degradation in contact laboratory tests. Materiálové inžinierstvo, 2007, roč. 14, č. 3, s. 229-235. ISSN: 1335-0803KŘÍŽ, A., BENEŠ, P., ŠIMEČEK, J. Kontaktní únava = IMPACT TEST. Mechanical engineering journal Strojárstvo, 2009, roč. 2009, č. 3, s. 52-53. ISSN: 1335-2938KŘÍŽ, A., KOŽMÍN, P., ROUD, P. Drilling holes with hight accuracy. MM Průmyslové spektrum, 2011, č. 5, s. 54-55. ISSN: 1212-2572BENEŠ, P., KŘÍŽ, A., VNOUČEK, M. Thermal degradation of PVD layers. Průmyslové spektrum, 2011, č. 5, s. 16-17. ISSN: 1212-2572KŘÍŽ, A. Influence of ion bombardment upon properties of sintered carbides befor deposition of thin films by PVD technology. In Progresivní a netradiční technologie povrchových úprav 2003. Praha: Česká společnost pro povrchové úpravy, 2003. s. 67-72. ISBN: 80-239-0979-7ŠVANTNER, M., LITOŠ, P., HONNER, M., KŘÍŽ, A. Hole-drilling residual stress method parameters determination. In Experimental Stress Analysis 2003. Brno: University of Technology, 2003. s. 99-100. ISBN: 80-214-2314-5KOŽMÍN, P., KŘÍŽ, A., FULEMOVÁ, J. Milling of cermet cutting tools. In Strojírenská technologie Plzeň 2009. Plzeň: Západočeská univerzita, 2009. s. 1-6. ISBN: 978-80-7043-750-6KŘÍŽ, A. The surface: What is the way to better understanding?. In Metal 2010. Ostrava: TANGER, 2010. ISBN: 978-80-87294-17-8KŘÍŽ, A. Influence of the surface on end-use properties of product. In 23. DTZ 2010. Čerčany: 2010. ISBN: 978-80-904462-2-9

62/63

ŠIMEČEK, J., BENEŠ, P., KŘÍŽ, A. Influence of cutting tools wear inner microstructure of chips. In Metal 2010. Ostrava: TANGER, 2010. ISBN: 978-80-87294-17-8KAFKA, L., KŘÍŽ, A. Usage of light and confocal microscopy at evaluation of machined surface of boreholes. In Erin 2010. Plzeň: Západočeská univerzita, 2010. s. 1-8. ISBN: 978-80-7043-866-4 KŘÍŽ, A., ŠPIRIT, Z., Properties of cemented carbides upon thermal exposure. In 25. dny tepelného zpracování s mezinárodní účastí. Čerčany: Asociace pro tepelné zpracování kovů, 2013. s. 179-186. ISBN 978-80-904462-6-7KŘÍŽ, A., HOFMEISTER, V. Pressfit solution in sigle-axis cutting tools. In Technológia 2005. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2005. s. 434-439. ISBN: 80-227-2264-2HRBÁČEK, P., KŘÍŽ, A., BENEŠ, P. Use of confocal microscope in surface engineering. In Vrstvy a povlaky 2006. Trenčín: Digital graphic, 2006. s. 76-81. ISBN: 80-969310-2-4KŘÍŽ, A. Tool is not working - whose fault is it?. In Vrstvy a povlaky 2007. Trenčín: Digital graphic, 2007. s. 67-72. ISBN: 978-80-969310-4-0KŘÍŽ, A. Applicability of results of laboratoty analysis in practice. In Vrstvy a povlaky 2011. Trenčín: Miloš Vavrík - Knihviazačstvo, Trenčín, 2011. s. 73-82. ISBN: 978-80-970824-0-6

63/63

Amatéři postavili Noemovu archu, profesionálové Titanic

Děkuji za pozornost