degradacne procesy a predikcia zivotnosti

8/10/2019 Degradacne Procesy a Predikcia Zivotnosti

1/163


2/163

Doc. Ing. Marin Hazlinger, CSc., Ing. Roman Moravk, PhD.

Recenzenti : doc. Ing. Jozef Janovec, DrSc.prof. Ing. Peter Palek, PhD.

Jazykov korektra: Mgr. Valria Krahulcov

Schvlila Vedeck rada Materilovotechnologickej fakulty STU akovysokokolsk skript da 14. februra 2007 pre tudijn program Technickmaterily, Ininierstvo povrchov Materilovotechnologickej fakulty STU v Trnave

ISBN 978-80-8096-031-5

EAN 9788080960315


3/163

CHEMICK ZLOENIE TECHNICKCH MATERILOV

UVEDENCH V TEXTE

Tab. Chemick zloenie materilovC Si Mn P S Cr Mo Ni in Fe Co Cu

C 450,42

0,50max.0,40

0,50 0,80

max.0,045

max.0,045

max.0,40

max.0,10

max.0,40

max.0,63

zvyok - -

Ck 450,42

0,50max.0,40

0,50 0,80

max.0,035

max.0,035

max.0,40

max.0,10

max.0,40

max. Cr+Mo +Ni

0,63zvyok - -

C 10(F&S 1.4.212.01)

0,07 0,13

max.0,12

0,30 0,60

max.0,045

max.0,045

- - - - zvyok - -

C 750,70

0,80max.0,35

0,40 0,65

max.0,035

max.0,035

- - - - zvyok - -

C 90 ~ 0,900,25

0,50

~ 0,50max.

0,045

max.

0,045

- - - - zvyok - -

304 (AISI)max.0,07

max.1,0

max.2,0

max.0,045

max.0,015

17,0 19,5

-8,0

10,5max.0,11 N

zvyok - -

316 (AISI)max.0,07

max.1,0

max.2,0

max.0,045

max.0,015

16,5 18,5

2,0 2,5

10,0 13,0

max.0,11 N

zvyok - -

54SiCr60,51

0,591,20

1,600,50

0,80max.0,03

max.0,03

0,50 0,80

- - - zvyok - -

51CrV40,47

0,55max.0,40

0,70 1,10

max.0,035

max.0,035

0,90 1,20

- - V0,10,25 zvyok - -

X210Cr12(19 436)

1,90 2,20

0,10 0,40

0,15 0,45

max.0,03

max.0,03

- - - - zvyok - -

Inconel 600(NiCr15Fe)

0,05 0,10

max.0,50

max.1,0

max.0,02

max.0,015

14,0 17,0

- min. 72 max.0,30Al, Ti6,0

10,0-

max.0,50

Nikel 200 max.0,015

max.0,35

max.0,35

- max.0,01

- - min. 99(+ Co)

- max.0,40

- max.0,25

Monel 400max.0,30

max.0,50

max.2,0

-max.0,024

- -63,0

70,0-

max.2,50

max.1,0

zvyok

Monel R-405max.0,30

max.0,50

max.2,0

-0,025 0,06

- - zvyok -max.2,50

-28,0

34,0

3


4/163

PREDHOVOR

Cieom kontruktrov, vvojovch pracovnkov a technolgov je vytvorikontrukcie

a zariadenia s najvymi prevdzkovmi parametrami, aby o najlepie plnili svoju funkciu.

Z hadiska ekonomickej prosperity organizci je snaha o efektvne vyuitie materilov

a energi. Prioritnm vak mus vdy zosta zabezpeenie bezpenosti a spoahlivosti

siastok a kontrukci. Okrem uvedenho sa musia v sasnosti splni aj prsne kritri

z hadiska hygieny a istoty pracovnho prostredia prevdzok, ekolgie a ivotnho

prostredia v slade s normami radu ISO 9000.

Problematika degradcie materilov poas prevdzky a prpadn lomy siastok s pre

prax vemi aktulne. Vek assiastok sa so zvyovanm vkonov v prevdzke extrmne

dynamicky zaauje v rznych teplotnch podmienkach a psobenm rozlinch prostred.

Tm vznikaj aj podmienky na pokodzovanie a poruovanie siastok. Prakticky kad

vrobca a uvatestrojnch zariaden alebo ich ast mus tieto problmy riei.

Nutnm predpokladom na splnenie rozsiahlych a nronch poiadaviek je dkladn

poznanie vlastnost materilov a tdium ich medznch stavov. Teria medznch stavov je

interdisciplinrny odbor, kde mono uplatnivedomosti a poznatky z mechaniky, prunosti

a pevnosti, nuky o materili, fyziky kovov, chmie, technolgie vroby siastok

a kontrukci, mechanickch skok materilov, experimentlnych metd tdia materilov,

fraktografie, vpotovej techniky a potaovej simulcie procesov.

Z histrie s znme prklady, ke vek havrie s katastrofickmi dsledkami boli

spsoben chybou udskho faktora, nedslednosou, nedostatonou kontrolou, podcenenm

situci a pod. tatisticky je udsk faktor zodpovedn za pokodenie kontrukci pribline

v 75-tich percentch.

Na Slovensku s s tematikou degradcie materilov dlhorone vydvan zbornky

a uskutoovan rzne konferencie, napr. Degradcia vlastnost kontruknch materilov,Letn kola navy materilov, Fraktografia a alie. Mnoh prce z tejto oblasti s

publikovan aj v asopisoch Materilov ininierstvo a Kovov materily. tdiom,

analzami a rznymi skkami materilov a pokodench siastok sa zaoberaj technick

univerzity v Trnave, Bratislave, iline, Koiciach, ako aj Prv zvrask, a.s. v Bratislave,

stav materilov a mechaniky strojov SAV v Bratislave, stav materilovho vskumu SAV

v Koiciach a alie intitcie.

Predkladan skriptum sa zaober analzou medznho stavu namhania, plastickoudeformciou, opotrebenm materilov, vysokocyklovou, nzkocyklovou a tepelnou navou,

4


5/163

lomovou mechanikou, krehkm a hevnatm lomom, teenm materilu, korziou a almi

spsobmi degradcie a poruovania materilov.

Teoretick poznatky s pouit z literatry citovanej v zvere prce. Uveden s aj

relne prklady z dlhoronej praxe autorov v oblasti analz poruench siastok,

fraktografie, metalografickch rozborov, mechanickch skok materilov a predikcie

ivotnosti siastok. Na konkrtnych prkladoch je uveden, ako sa prejavil urit druh

medznho stavu, respektve priny, ktor viedli k medznmu stavu a pokodeniu siastok.

Informcie s aktulne pre tudentov, ininiersku prax a technickch pracovnkov,

ktor sa zaoberaj materilovm rieenm, manamentom kvality a technolgiou vroby

strojnch ast a zariaden.

primn poakovanie patr recenzentom prof. Ing. Petrovi Palekovi, PhD.,

a doc. Ing. Jozefovi Janovcovi, DrSc. za inpiratvne posdenie rukopisu skrpt.

Poakovanie patr aj Ing. Jane Moravkovej za spoluprcu pri finlnej grafickej

prave skrpt.

itateom elme spechy pri tdiu a osvojovan si tejto zaujmavej a dleitej

vednej disciplny, ktorej poznatky sa mu vyui na zabezpeenie kvalitnejch,

spoahlivejch, a hlavne bezpenejch siastok a kontrukci.

V Trnave 30. 9. 2007 Autori

5


6/163

1 VOD

Detrukcia kontrukcie, technologickho zariadenia alebo siastky me vzniknpri

medznom stave namhania v zsade dvoma spsobmi: plastickm kolapsom a krehkm

lomom.

Plastick kolapsvznik pri nesprvnom zaaen (preaenie siastky) alebo ak sa

zmen nosn prierez siastky kontrukcie (napr. renm navovej alebo korznej trhliny)

natoko, e sa stane poddimenzovanm. V prpade vskytu krehkho lomu nemus by

siastka poddimenzovan (me to by nesprvny kontrukn nvrh materilu pre dan

rieenie), ale najm v dsledku rznych skrehujcich degradanch mechanizmov me

klesn hevnatos materilu natoko, e predtm podkritick vekos chyby sa stane

kritickou.

Degradan procesy mono rozdeli do dvoch skupn. V prvej skupine s procesy,

ktor ved k vzniku necelistvost. V druhej skupine s procesy, ktor spsobuj skrehnutie

materilu, prpadne spsobia aj vznik necelistvost.

Cyklick dynamick zaaenie siastky me spsobi navov poruenie

s nslednm dolomenm v medznch podmienkach namhania.

Pri psoben naptia pri zvench a vysokch teplotch nastva teenie materilu

(creepov poruenie). Zvltnym typom lomov psobenm korzneho prostredia je korzne

poruovanie materilov (korzne praskanie pod naptm).

Medzn stav je stav materilu (siastky), v ktorom v dsledku malej zmeny

vonkajch a vntornch faktorov uritej (kritickej) vekosti a asu ich psobenia, materil

(siastka) skokom strat funkn a itkov vlastnosti. Prpadne postupn zmena funknch

a itkovch vlastnost v prevdzke siastok dosiahne kritick hodnotu.

Dosiahnutie medznho stavu zvis od dynamiky hromadenia pokodenia, ktor je

funkciou subtruktrneho a truktrneho stavu materilu, technologickch a kontruknchcharakteristk vrobku a podmienok jeho vyuvania. Zvis predovetkm od asu psobenia

a vekosti i priebehu faktorov, ktor samostatne alebo v superpozcii mu vyvolamedzn

stav.

Medzn stav me vzniknv uritch podmienkach namhania v dsledku faktorov

vonkajch a vntornch. Medzi vonkajie faktorymono zaradi:

- mechanick zaaenia, ktor mu ma charakter statick, rzov alebo kombinovan,

priom vznamn postavenie m rchlos zaaenia a asov priebeh vonkajch sl. Pri

6


7/163

extrmnej hodnote mechanickho zaaenia je as dosiahnutia lomu vemi krtky

dochdza k rzovmu lomu,

- teplotu, ktor me byod absoltnej nuly do teploty tavenia materilu (aspojednej astizo zloenho materilu), zvltny vznam m asov priebeh teplt a homologick teplota

(pomer psobiacej teploty k teplote tavenia materilu),

- prostredie, ktor me by plynn, kvapaln, tuh, chemicky upravujce zloenie

materilu na povrchu alebo v objeme siastky, chemicky agresvne, neutrlne, vkuum,

prpadne pasivan,

- energetick polia, ktor na materil alebo kontrukciu psobia v prevdzke, mu by

magnetick, elektrick, laserov, plazmov, neutrnov.

Medzi vntorn faktorypatria:- kontrukn a technologick charakteristiky siastky tvar, vekos, zmeny prierezov,

kontrukn vruby, spsob vroby, kvalita opracovania a prava funknch povrchov,

- metalurgick charakteristiky materilu a siastky chemick zloenie, vchodiskov

polotovar (odliatok, netvrnen polotovar, vkovok), tepeln, chemicko-tepeln,

chemick, tepelno-mechanick spracovanie,

- stav subtruktry, stav a charakter mikrotruktry (inklzie, necelistvosti, neistoty).

rove pokodenia materilu, resp. siastky charakterizuje hodnota vntornejenergie, najm v miestach jej koncentrcie alebo objemov podiel oblast s naruenm

kohzie materilu v dsledku psobenia vonkajch alebo vntornch faktorov medznho

stavu.

asov sek na dosiahnutie uritho medznho stavu materilu alebo siastky zvis

od vekosti a intenzity inku psobiacich faktorov.

Poruenie materilov me spsobi obrovsk kody. Uvedieme niektor prklady

pokodench kontrukcii. Na obr. 1.1 je znzornen rozlomen tanker, ktor stroskotalv blzkosti franczskych brehov v r. 1999. Preval 30 000 ton ropnho oleja, ktor spsobil

ekologick katastrofu eurpskych rozmerov. Najsmutnejie je, e posdka plavidla zistila

18 hodn pred neastm trhlinu pod iarou ponoru. Nvrat tankeru do prstavu a preerpanie

oleja by si vyiadalo znan nklady, preto riskovali a pokraovali v plavbe. Siln vlnobitie

plavidlo nevydralo. Zasiahnut bolo 400 km pobreia a boli znien ple a farmy. Na

niektorch miestach vrstva oleja dosahovala hrbku 50 cm.

Na obr. 1.2 je zrten strecha vstavnej haly v Katoviciach. Poruenie vzniklo

v januri v r. 2006 v dsledku preaenia kontrukcie snehovou vrstvou. Znenie teploty

7


8/163


9/163

kolaps mostu v histrii. Pri havrii zahynulo 75 stavebnch pracovnkov. Na obr. 1.6 je

pohad na postaven nov most, sprevdzkovan po tragdii o 12 rokov neskr.

Obr. 1.5. Kolaps pri stavbe mostu v Quebecku Obr. 1.6. Pohad na postaven nov most

Nad Mysom Canaveral (r. 1986) 73 seknd po tarte explodoval raketopln

Challenger (obr. 1.7). Havria bola spsoben stratou funknosti tesniacich krkov okolo

motora. Horce plyny v medzere spsobili odtrhnutie pravho motora, jeho nraz do ndre

s kvapalnm vodkom. Nasledoval vbuch a detrukcia raketoplnu. Tisce kskov padali na

zem sede

Obr. 1.7. Explzia raketoplnu Challenger

Na obr. 1.8 a 1.10 je dokumentovan zlomen predn vkyvn rameno osobnho

automobilu. Nesprvnym bodovm zvarenm sa v prevdzke oddelili asti spjanch

vliskov, a to spsobilo stratu funknch vlastnosti vkyvnho ramena. Dsledkom

mechanickej navy vkyvnho ramena nastalo poruenie siastky.

automobilu s uveden na obr. 1.11. Z metalografickch analz sa preukzalo, e predlohov

takmer cel hodinu. Havriu nepreilo m astronautov.

Zlomen zuby ozubenho kolesa predlohovho hriadea z prevodovky itkovho

9


10/163

hriade

Obr. 1.8. Zlomen vkyvn rameno prednejnpravy osobnho automobilu

Obr. 1.9. Pohad z opanej strany ramena,oddelen asti vliskov v mieste dvoch

bodovch zvarov

itkovho automobilu

otovaru materilu. Zhluk sstredench

v prevdzke stroja rchlejie opotrebovanie,

s a kontaktn navu. Mikrotruktra v priereze kolesa bola

).

men kukov hriadez motora itkovho automobilu je uveden na obr. 1.15.

nebol sprvne chemicko-tepelne spracovan. V procese karbonitridcie vzniklo

prestenie povrchovej vrstvy zubov a znenie itkovch vlastnost predlohovho hriadea.

Obr. 1.10. Detailnej pohad z obr. 1.9 nanesprvne zvaren asti ramena npravy

Obr. 1.11. Zlomen zuby ozubenho kolesapredlohovho hriadea z prevodovky

50 mm 10 mm

10 mm 5 mm

Na obr. 1.12 a 1.13 s znzornen pokoden ozuben koles v dsledku

nevyhovujcej istoty vchodiskovho pol

rozvalcovanch neistt by mohol spsobi

degradciu zubov ozubench kolie

znehodnoten, obsahovala mnostvo prov (obr. 1.14

Zlo

P ledokodenie kukovho hriadea vzniklo v ds ku vysokocyklovej navy materilu.

10


11/163

rzneistenm vchodiskovho polotovaru

Obr. 1.14. Znehodnoten mikrotruktrav priereze ozubenho kolesa, leptan 3 % Nital

Obr. 1.15. navov lom, kukov hriadezmotora itkovho automobilu

Na obr. 1.16 je pohad na trhlinu riacu sa cez teleso a prrubu lisovacieho nstroja.

Pokodenie vzniklo v prevdzke dsledkom mechanickej navy a nesprvnej kontrukcie

lisovacieho nstroja. Teleso nstroja bolo vyroben z kalenej zliatinovej ocele X210Cr12(pvodne 19 436). Prruba vyroben z uhlkovej ocele bola kontrukne rieen spojenm

zvarom.

Na obr. 1.17 je pohad na zlomen vinut pruinu pouvan do kosaiek. Pruina

vyrban z patentovanho drtu sa zlomila pri navjan vo vrobe. Analzou sa preukzal

n val

znan povrchov chyby, trhliny (obr. 1.18).

Obr. 1.12. Znehodnoten povrch, pozorovapry na zuboch ozubenho kolesa

Obr. 1.13. Pokodenie je spsobenozvalcovanmi neistotami, znanm

5 2 mm

10 mm100 m

mm

evyhovujci vchodiskov materil zlomenej vinutej pruiny. Patentovan drt obsaho

11


12/163

Obr. 1.16. Trhlina riaca sa cez telesoa prrubu nstroja

Obr. 1.17. Pohad na zlomen vinut pruinu

Obr. 1.18. Trhliny v priereze patentovanho drtu, leptan 3 % Nital

10 mm10 mm

20 m

12


13/163

2 PLASTICK DEFORMCIA

Prevan vina materilov je v prevdzke mechanicky namhan. Z tohto dvodu s

pre ich pouitie rozhodujce mechanick vlastnosti (prunos, pevnos, plasticita,hevnatos), ktor predstavuj zkladn charakteristiky sprvania sa materilov v procese

mechanickho namhania, vyjadruj ich odolnosproti deformcii a porueniu.

Na obr. 2.1 s znzornen ploch skobn tye po statickej skke

Psobenm vonkajch sl pri zaaovan skobnch vzoriek dochdza postupne k deformcii

materilu, zmene tvaru a v medznom prpade nastane poruenie (lom)skobnej vzorky.

Vekos deformcie (obr. 2.2) je vsledkom vzjomnho psobenia vonkajch

a vntornch sl, ktor deformcii brnia. Vntorn sily s dan vzjomnm silovmpsobenm truktrnych astc a zodpovedaj prslunej truktre (krytlovej mrieke)

materilov.

Obr. 2.1. Ploch skobn tye po skke ahom

Obr. 2.2. Zvisloszaaujcej sily od deformcie.Oblasprunch deformci (1). Oblasplastickch deformci (2).

Materily sa deformuj elasticky (prune) a psobenm dostatone vysokho

zaaenia aj plasticky (trvalo). Elastick deformcia nastva vtedy, ak zaaenie neprekro

urit medzu a vonkajie sily vychlia atmy mrieky z rovnovnych polh o vzdialenosmeniu ako polovica parametra mrieky. Elastick deformcia je vratn a mern

deformcia

sila

1 2

20 mm

ahom.

13


14/163

psobiacemu zaaeniu. Zaaenie vyvol urit deformciu, a po odstrnen zaaenia

vntorn sily vrtia truktrne astice sp do pvodnch polh. Materil nadobudne

pvodn

kach

namha

szmena truktry, zmena mechanickch a fyziklnych vlastnosti materilu.

Oblasplastickch deformci je rozhodujca pre technologick ely, predovetkm

pre tvrnenie materilov. Plastick deformcia siastok v prevdzkovch podmienkach

spsobuje degradciu materilov a uplatuje sa aj pri vysvetovan rznych degradanch

procesov materilov.

Deforman z plikovan nhodnouorientciou jednotlivch zn a prtomnosou hranc zn, ktor vplvaj na proces deformcie.

Z tohto dvodu je vhodnejie tudovadeformciu monokrytlu. Z hadiska mechanizmu

sa plastick deformcia uskutouje sklzom (pohybom dislokci - obr. 2.3a) alebo

dvojatenm (obr. 2.3b). Pri sklze dochdza k vzjomnmu posunutiu ast krytlu pozd

sklzovch rovn, ktor s zvyajne najhustejie obsaden atmami s vhodnou orientciou voi

psobiacemu naptiu (zvyajne s sklonen pod uhlom 45). Deformcia dvojatenm sa

prejavuje nhlym preskupenm ast krytlovej mrieky. Nov mrieka vo zdvojenej astikrytlu je orientovan symetr y a zrkadlovo rovine preklopenia. Deformcia sklzom sa

uskutouje iba v uritch krytalografickch smeroch krytlu (obr. 2.4).

uj sa tri zko ch atmami, smer

sklzu sa zhod nej skupiny

vn a

tvar a rozmery. V krytalickch materiloch je v prunej oblasti zaaovania

zvislos naptie-deformcia (R-) linerna s kontantou mernosti E (modul prunosti

v ahu), a v tejto oblasti plat Hookov zkon:

R = E . .

V prpade nekrytalickch materilov je charakteristick nelinerna zvislosnaptie-

deformcia.

Siastky rznych kontrukcii musia by v relnych prevdzkovch podmien

n zaaenm, ktor spsob len elastick deformcie. Vlastnosti materilov

v elastickej oblasti s rozhodujce pre kontrukciu a pevnostn vpoty siastok.

Plastick deformcia spsobuje trval zmeny materilu. S trvalou deformanou

zmenou svi

meny v polykrytalickch materiloch s kom

ick k

rovinch a

Uplat nitosti. Sklz vznik v rovinch najhustejie obsaden

uje s niektorm zo smerov najhustejie obsadenm atmami a z da

ro smerov je aktvny ten sklzov systm, v ktorom sklzov naptie v rovine sklzu

dosiahne urit kritick hodnotu kritick sklzov naptie krit.

14


15/163

Sklzy sa prejavuj v zrnch systmom rovnobench iar (obr. 2.5), ktor sa nazvaj

sklzov iary. V niektorch deformovanch kovoch mono sklzov iary vidie

makroskopicky aj na vyletenom povrchu vzoriek.

a) b)Obr. 2.3. Mechanizmus plastickej deformcie monokrytlu:

a sklzom (1 rovina sklzu), b dvojatenm (P rovina preklpania)

Obr. 2.4. Sklzov roviny a smery sklzu v krytlovch mriekach K8, K12 a H12

Obr. 2.5. Schma deformcie monokrytlu: a) zrno pred deformciou,b) zrno po deformcii sklzom, c) zrno po deformcii dvojatenm

F FFF

a) b) c)

Al, Cu,austenit

(K12, fcc)

ferit, Cr(K8, bcc)

ferit, Cr(K8, bcc)

Zn(H12, hcp)

{111} {110}

{112}

F

P

{0001} < 0112 >

F

P

1a b c d e f

a b c d e f

15


16/163

Plastick deformcia dvojatenm sa asto vyskytuje v kovoch po rzovom zaaen

psobenm vysokej rchlosti deformcie a znen teploty (obr. 2.6). Naptie potrebn na

renie dvojaa je vyie ako naptie potrebn pre sklz (pohyb dislokci). Dvojat mu

vzniknaj dsledkom napt pri ohreve alebo pri fzovej premene.

Obr. 2.6. Vplyv rchlosti deformcie a teploty na mechanizmus plastickej deformcie

Mechanizmus plastickej deformcie polykrytalickho materilu ako

v monokrytloch. Vzna rvaj hranice k a vzjomn psobeniesusednch krytlov. Jednotliv zrn sa nedeformuj jednoduchm sklzom ako monokrytly,

pretoe by to znamenalo, e rzne zrn by sa deformovali v rznych smeroch a na hraniciach

zn by vznikali dutiny. Pretoe pri obvyklch teplotch dutiny nevznikaj, znamen to, e

kad zrno sa deformuje do tvaru urovanho deformciou jeho susedov.

Na hranici dvoch susednch krytlov sa stkaj rzne orientovan sklzov roviny.

Hranica krytlu je miestom mnohch porch v pravidelnom usporiadan mrieky, nachdza

sa tu mnostvo vakanci a cudzorodch atmov. Dislo sa riebehu plastickejdeformcie pohybuj smerom k hranici krytlov, s hranicou blokovan a vytvraj na

ranici okol

dislokanho valu, ale tie zvenie naptia v susednch krytloch. Sklz potom vznik aj

v takch rovinch krytlu, ktor nie s priaznivo orientovan na smer zaaenia. Hranice zn

s prirodzenou prekkou pohybujcich sa dislokci a ich blokovanie na hraniciach zn sa

prejav intenzvnym evovanm materilu.

Plas tudena.Deformcia za 0,4 z teploty

DVOJATENIE

SKLZ

je in

mn lohu zoh rytlov (zn)

kcie, ktor v p

h ach dislokan val. Nahromadenie dislokci vyvol nielen zvenie naptia v

sp

tick deformcia materilu sa me realizova za tepla alebo za stepla sa uskutouje nad teplotou rekrytalizcie, ktor je 0,3 a

0,003 0,007 0,009

0,1

1,0

10

1000

1T

0,005

[K-1]

.10-2

[m.s

-1]

100

.

16


17/163

tavenia

ck vlastnosti materilu

lesaj (obr. 2.7).

Ob

konale vyhanm.

Ohrev

baj valcovan plechy, vlisky, rzne profily

materi

materilu (TT). Plastickou deformciou za tepla sa vekoszrna materilu zmenuje,

ale nevznik spevnenie. Mono pouivie pretvorenie (deformciu) materilu bez rizika

vzniku trhln, resp. pokodenia. Plastickou deformciou za studena (deformanm

spevovanm) sa zvyuj pevnostn vlastnosti materilu, a plasti

k

Rm,R

e

[MPa]

A

10

[%]

20 40 6000

200

400

600

800

10

2030

R

A10

Re

m

[%]

r. 2.7. Zmena mechanickch vlastnost nelegovanch ocel s nzkym obsahom uhlkavdsledku plastickej deformcie za studena

Plastickou deformciou materilu za studena vznik textra (zrn s preden

v jednom smere),zvyuje sa hustota dislokci v materili z 106cm-2na 1012cm-2, zvyuje sa

vntorn energia materilu (tm aj von entalpia G). Deformovan materil sa stva

termodynamicky nestabiln v porovnan s tm istm materilom do

om plasticky deformovanho materilu sa tto energia uvouje.

Odstrnenie spevnenia a textry deformovanho materilu je mon rekrytalizanm

hanm (obr. 2.8). Rekrytalizan hanie pozostva z uvoovania deformciounahromadenej energie, zotavenia, ktor je charakterizovan uvoovanm dislokci,

polygonizciou (usporiadanm dislokci do siet a tvorbou subzn) a primrnou

rekrytalizciou (rastom novch zn). Rekrytalizanm hanm sa obnovia plastick

vlastnosti materilu, zska sa polyedrick zrno, zmen sa jeho vekosa obnov sa schopnos

materilu k prpadnej alej poadovanej deformcii.

Plastickou deformciou sa v praxi vyr

lov, hlbok ndoby, asti karosri automobilov, lekrske ihly a alie siastky.

17


18/163

a) schematick znzornenieplastickej deformcie zastudena a rekrytalizan-

ho hania

b) zmena mikrotruktry tvr-nenm za studena a v

procese rekrytalizanhohania

c) zmena vlastnost materilupo tvrnen za studenaa v procese rekrytaliza-nho hania

formcie a rekrytalizanho hania na vybran charakteristikyObr. 2.8. Vplyv plastickej dematerilu (R

inou

pokodenia boli vysok naptia vzniknut v ds

materilu C

hy trhlinky. V hornej asti

obrzku pozorova

ohbania nesprvneho vchodiskovho polotovaru

m medza pevnosti v ahu, Re medza klzu, A anos, rezistivita,Tr rekrytalizan teplota, d vekoszrna)

Zverom uvdzame prklady pokodench polotovarov a siastok vzniknutch

v dsledku plastickej deformcie. Na obr. 2.9 je zobrazen prasknut vlisok z ocele po

plastickej deformcii za studena. Detailnej pohad pokodenia je na obr. 2.10. Pr

ledku nevyhovujcej vchodiskovej truktry

45. V mikrotruktre sa nachdzal lamelrny perlit. Sprvna vchodiskov

mikrotruktra materilu so zvenm obsahom uhlka pre tvrnenie za studena m by

tvoren globulrnym perlitom.

Na obr. 2.11 je pohad na strihan a ohban polotovar z legovanho kontruknho

materilu. Ohyb materilu siastky je na nesprvnej strane z pohadu strihanej hrbky psky.

Klasickm strihanm vznikaj v mieste ukonenia strihanej ploc

trhliny, riace sa do prierezu siastky. Pokodenie vzniklo v dsledku

materilu, ktor obsahoval mnostvo

povrchovch trhln (obr. 2.12).

18


19/163

19

Obr. 2.9. Prasknut vlisok z ocele poplastickej deformcii za studena

Obr. 2.10. Detailnej pohad na prasknutasvlisku

ra. Voda je nestlaiten, a tm spsobila vne pokodenie

motora

m trhliny v procese tvrnenia me vznikn na vkovkupreloka.

10 mm 15 mm

0,5 mm 20 m

Obr y o. 2.11.Trhlin na ohbanej asti vlisku,RE

Obr. 2.12. Trhliny na povrchu legovanhlu, REMM materi

Pokoden polotovar s makrotrhlinami po prvej opercii tvrnenia za tepla

(pechovania) je uveden na obr. 2.13. Pokodenie vzniklo tm, e u pouit vchodiskov

tyov polotovar obsahoval v pozdnom smere trhliny, ktor sa pri tvrnen roztvorili.

Na obr. 2.14 je uveden zdeformovan ojnica z motora osobnho automobilu.

Deformcia ojnice vznikla v prevdzke v dsledku preaenia. Automobil mal umiestnen

prvod na nasvanie vzduchu v spodnej asti a pri broden cez vysok hladinu vody sa tto

dostala priamo do valcov moto

.

Povrchov chyby hotovho vkovku po tvrnen za tepla s uveden na obr. 2.15.

Pokodenie je dsledkom nevyhovujcej kvality spracovvanho polotovaru, ktor obsahoval

povrchov trhliny.

Na obr. 2.16 je trhlina v priereze polotovaru tvrnenho za tepla. Nasledujcou

operciou v zpustke uzatvoren


20/163

Obr. 2.13. Pokoden polotovar po prvejopercii v procese tvrnenia za tepla automobilu v dsledku preaenia

v prevdzke

Obr. 2.14. Zdeformovan ojnica z motora

Obr. 2.15. Povrchov chyby, vkovok potvrnen za tepla

Obr. 2.16. Trhlina v priereze polotovarutvrnenho za tepla, oduhlien povrch

Pokoden hrboat nevyhovujci povrch vlisku po tvrnen za studena je uveden

na obr. 2.17. Pokodenie vzniklo v dsledku nevyhovujcej mikrotruktry vchodiskovho

materilu. Na povrchu polotovaru sa nachdzali hrub zrn feritu (obr. 2.18).

20 mm 15 mm

20 mm 250 m

2 mm 200 m

Ob

zrn na povrchu materilu.

r. 2.17. Pokoden povrch vlisku po

tvrnen za studena

Obr. 2.18. Mikrotruktra v priereze materilu

z obr. 2.17. Nesprvny vchodiskov stav, hrub

20


21/163

3 OPOTREBENIE MATERILOV

Opotrebenieje definovan ako trval neiaduca zmena povrchu alebo rozmerov

tuhch

nm astc z opotrebovvanho povrchu, prpadne za spolupsobenia

inch v

j tvaru funknho povrchu siastky. Opotrebenie spravidla zhor funkciu

vyradeniu alebo k plnmu porueniu.

lov zaaenie), pri nezabehnutch povrchoch

erne opotrebenie,

terilu,

terilov (koeficient trenia),

molekulrne psobenie v mieste kontaktu, napr. mazanie (o

bezrozmern koeficient spevnenia molekulovej vzby),

teplota.

Hlavnmi initemi v procese opotrebenia s obvykle:

1. mikroplastick deformcie, vyvolan zatlaenm tvrdch astc do povrchu kovov a nava

povrchovch vrstiev pri opakovanom rzovom namhan. Tieto javy ved k vzniku

trhliniek a k vylamovaniu astc kovu z povrchu,

2. oxidcia kovu, podporovan plastickou deformc

Druhy opotrebovania poda normy STN 01 5050 s:

1. adhzne,

2. abrazvne,

3. erozvne,

4. kavitan,

5. vibran,

6. navov (kontaktn nava).

telies spsoben buvzjomnm psobenm funknch povrchov, alebo funknhopovrchu a mdia, ktor opotrebenie vyvolva. Prejavuje sa mechanickm odstraovanm

alebo premiestova

plyvov (chemickch, elektrochemickch a pod.).

Meradlom opotrebenia je nielen bytok materilu, ale aj celkov zmena kvality,

prpadne a

siastky a vedie k jej predasnmu

Faktory ovplyvujce opotrebenie: pecifick zaaenie (norm

pecifick zaaenie vplva na nelin

pevnostn charakteristiky ma

trecie vlastnosti dvojice ma

drsnosa zvlnenie povrchov,

- odpor v myku,

iou a zvenm teploty v mieste dotyku.

21


22/163

3.1 ADHZNE OPOTREBENIE

Kontaktn plochy relnych siastok nie s idelne hladk - k styku dvoch povrchov

nedochdza na celej obrysovej ploche, ale iba vo vekom pote dotykovch miest (vrcholovnerovnost).

Pri prenose normlovho naptia s tieto miesta od loklneho zvenho tlaku

plasticky deformovan (obr. 3.1). Atmy obidvoch povrchov sa takto dostvaj do

bezprostrednho dotyku, vznikaj studen m ospoje, ktor sa pri vzjomnom relatvnom

pohybe poruuj.

Plastick deformcia vrcholov nerovnost vyvolva ich spevnenie, v dsledku oho sa

spoje neporuuj v mieste pvodnch kontaktujcich sa plch, ale na rozhran spevnen -

nespevnen materil.

Oddelen astice sa mu sprvatromi spsobmi:

- prin spk pvodnmu povrchu,

- zostvaj prinut k povrchu druhho telesa,

- vystupuj ako von astice medzi funk i povrchmi.

Prklad adhzneho opotrebenia povrchu str

adhzn

anm.

Obr. 3.1. Adhzne opotrebenie Obr. 3.2. Povrch strinho nstroja, adhzne

opotrebenie, REM

22

3.1 ADHZNE OPOTREBENIE

Kontaktn plochy relnych siastok nie s idelne hladk - k styku dvoch povrchov

nedochdza na celej obrysovej ploche, ale iba vo vekom pote dotykovch miest (vrcholovnerovnost).

Pri prenose normlovho naptia s tieto miesta od loklneho zvenho tlaku

plasticky deformovan (obr. 3.1). Atmy obidvoch povrchov sa takto dostvaj do

bezprostrednho dotyku, vznikaj studen m ospoje, ktor sa pri vzjomnom relatvnom

pohybe poruuj.

Plastick deformcia vrcholov nerovnost vyvolva ich spevnenie, v dsledku oho sa

spoje neporuuj v mieste pvodnch kontaktujcich sa plch, ale na rozhran spevnen -

nespevnen materil.

Oddelen astice sa mu sprvatromi spsobmi:

- prin spk pvodnmu povrchu,

- zostvaj prinut k povrchu druhho telesa,

- vystupuj ako von astice medzi funk i povrchmi.

Prklad adhzneho opotrebenia povrchu str

adhzn

anm.

Obr. 3.1. Adhzne opotrebenie Obr. 3.2. Povrch strinho nstroja, adhzne

opotrebenie, REM

ikr

nm

ikr

nm

inka je uveden na obr. 3.2. Vekosinka je uveden na obr. 3.2. Vekos

eho opotrebenia zvis od voby dvojice materilu a je priamo mern zaaeniua vekosti posuvu a nepriamo mern tvrdosti materilu. Veobecne mono opotrebenie

minimalizovapouitm rznych materilov, zvenm tvrdosti povrchu a maz

eho opotrebenia zvis od voby dvojice materilu a je priamo mern zaaeniua vekosti posuvu a nepriamo mern tvrdosti materilu. Veobecne mono opotrebenie

minimalizovapouitm rznych materilov, zvenm tvrdosti povrchu a maz

50 m

22


23/163

3.2 ABRAZVNE OPOTREBENIE

Abrazvne opotrebenie je charakterizovan oddeovanm astc z opotrebovvanho

povrchu ryhovanm a rezanm tvrdmi asticami, resp. ryhovanm a rezanm tvrdm a drsnmpovrchom druhho telesa (obr. 3.3 a 3.4). Typickm prkladom je brsenie kovovho

materilu brsnym papierom. K abrazvnemu opotrebeniu dochdza aj vtedy, ak sa medzi dva

pohybujce povrchy materilov dostan tvrd astice. Opotrebenie zvis od mnostva,

vekosti, tvaru a tvrdosti cudzch astc. Tvrd astice mu vznik aj oddele

z povrchu materilu s ich nslednm deformanm a oxidanm spevnenm.

n nm ast

Obr. 3.3. Schma abrazvneho opotrebenia Obr. 3.4. Abrazvne opotrebovan povrchsiastky, REM

Zkladn modely abrazvneho opotrebenia:

a) dvojtelesov opotrebenie,

b) trojtelesov opotrebenie.

Dvojtelesov opotrebenieabrazvne astice sa pohybuj nad opotrebovvanm povrchom,

napr. v lyiciach bagrov na abu trku (obr. 3.5a).

Trojtelesov opotrebenieuskutouje sa asticami lokalizovanmi medzi dvoma funknmi

povrchmi, ktor s vo vzjomnom relatvnom pohybe (obr. 3.5b). V praxi s to napr. euste

drviov sypkch hmt, neistoty medzi brzdovm kotom a brzdovmi dotikami.

Opotrebenie je o 2 a 3 rdy vyie ako v prpade dvojtelesovho opotrebenia.

Odolnos materilu proti abrazvnemu opotrebeniu zvis od jeho mechanickch

vlastnost, predovetkm od tvrdosti. V rozhodujcej miere uruje odpor proti vnikaniu

tvrdch astc do povrchu, ako aj odpor proti plastickej deformcii.

V prpade, e korodujci vrobok je tvrd a abrazvny, vytvoren korzia medzi

23


24/163

kontaktnmi plochami urchli abrazvne opotrebenie. Na rozdiel od tohto spsobu me

opotrebenie premiestni ochrann povrchov vrstvu korodujceho produktu, odkry nov

kovov

Zkladn ty :

a) mikroplu vou) - opakovan preklpanie vytvorench

hrebeov,

b) mikrorezanie

c) mikropra javujce sa vytvranm a renm trhln v dsledku vysokch napt

vnanch pohybujcimi sa abrazvnymi asticami do povrchu vemi krehkch materilov

b) c)

. 3.6. Interakcia medzi asticou a povrchom materilu:mikropluhovanie, b) mikrorezanie, c) mikropraskanie

abrazvne opotrebenie sa pouvaj rzne tesniace manety, gumov

tesnenia. Zabrni sa tm prstupu prachu a cudzch astc do kontruknho celku(napr. v iastky v riaden a pod.). Lepie odolvaj opotrebeniu

vrstvu v korznej atmosfre, a tm urchlikorzny proces.

Obr. 3.5. Zkladn modely abrazvneho opotrebenia:a) dvojtelesov, b) trojtelesov opotrebenie

py interakci medziasticou a povrchom materilu (obr. 3.6) s

hovanie (s nzkocyklovou na

- je vtlanie tvrdch astc do povrchu materilu,

skanie pre

(sklo, keramika).

a)

b)a)

Obra)

S cieom zni

automobiloch rozvodovka, s

24


25/163

tvrd povrchy materilov, legovan zoachten materily, nitridovan alebo boridovan

povrchy siastok a aj ocele TRIP (transformciou, indukovanou plastickou deformciou

vznik

VNE OPOTREBENIE

o plynu, pary, kvapaliny. Stupeopotrebenia zvis od druhu unanch

astc,

turbn,

ventiltorov, potrubia na dopravu sypkch hmt, povrchov plochy kozmickch lod

prechdzajce atmosfrou, rotorov listy vrtunkov a alie aplikcie.

Z hadiska znenia rizika erozvneho opotrebenia je vhodn zvitvrdospovrchu,

pouikalen siastky, tvrdonvary, pecilne povrchov vrstvy, ale aj TRIP ocele.

Zvltnym prpadom opotrebenia je erzia povrchu elektrickm oblkom

(elektroerzia). Takto opotrebenie me vznikn v rznych elektrickch istioch,

kontaktoch trolejovch veden, ramienok preruovaov v rozdeovaoch automobilov

v dsledku elektrickho oblka.

3.4 KAVITAN OPOTREBENIE

ydrodynamickch rzov pri zanikan kavitanch dutn (bubln) v prdiacej kvapaline

tvrd oteruvzdorn povrchov vrstva).

3.3 EROZ

Erozvne opotrebenie je charakterizovan pokodzovanm funknch povrchov

cudzmi asticami nesenmi prdom kvapaliny, pary, resp. plynu (obr. 3.7) alebo samotnm

inkom prdiaceh

rchlosti prdiaceho prostredia, od akosti materilu vystavenho erzii a uhlu dopadu

astc na povrch materilu.

Obr. 3.7. Schma erozvneho opotrebenia

Erozvnemu opotrebeniu s vystaven naprklad siastky vodnch

povrch

asticamaterilu A

materilu B

Vznik oddeovanm astc a pokodzovanm opotrebovvanho povrchu v dsledku

h

25


26/163

(obr. 3.8). Kavitan dutiny vznikaj v uritch miestach pri znen tlaku prdiacej

kvapaliny, m sa spsob, e pri danej teplote sa loklne dosiahne bod varu kvapaliny. Po

vyrovn

Obr. 3.8. Kavitan opotrebenie

n, pretoe na

rozhran

tick deformcie).

an tlakov pri kondenzcii pr nastva prudk implzia kvapaliny do dutiny. Vekos

dutn je rdovo 10-2 cm a as ich existencie je len niekoko tiscin sekundy. Vek tlakov

rzy mu spsobi miestne plastick deformcie v oblastiach vekosti dutn, ktor ved

najskr k miestnemu pokodeniu a potom k vzniku jamiek zvuje sa hbka pokodenia,

m sa zmenuje funkn prierez siastky (obr. 3.9).

Materil m voi kavitanmu opotrebeniu urit inkuban dobu, poas ktorej

odolva, potom sa rchlospokodenia zvyuje s asom exponencilne.

Obr. 3.9. Schematick znzornenie vzniku kavt

Na znenie kavitanho opotrebenia sa pouvaj homognne materily s feritickou

alebo austenitickou mikrotruktrou. Feriticko-perlitick ocele nie s vhod

feritu a perlitu vznik pokodenie v dsledku rznych vlastnost mikrotruktrnych

ast materilu. Nerozhoduje vdy tvrdos povrchu, astejie je dleitejia hevnatos

a prunospovrchovch vrstiev (vemi tvrd povrchy = menie plas

26


27/163

3.5 VIBRAN OPOTREBENIE (FRETTING)

Charakterizovan je oddeovanm astc a pokodzovanm opotrebovvanho povrchu

vzjomnmi oscilujcimi tangencilnymi posuvmi uritch oblast stykovch povrchov pripsoben normlovho zaaenia (obr. 3.10). Vibran pokodenie je zloit proces, spojen

s periodickou tvorbou a detrukciou oxidickch filmov na povrchoch so vzjomnm trenm.

Dochdza k uvoovaniu astc materilu a k ich hromadeniu. Uvonen astice potom

materil pokodzuj abrazvne.

Z hadiska minimalizcie vibranho opotrebenia v kontrukcich je vhodn poui

medzilen, napr. z gumy, plastu alebo zvolivhodn dvojicu materilov.

nknmi povrchmi.

3.6

Vznik cyklickm kontaktnm namhanm v povrchovch vrstvch telies v dsledku

navovho procesu. V mieste kontaktu (obr. 3.11) sa okrem cyklicky opakovanho

normlovho naptia uplatuje i sklzov naptie v dsledku trenia medzi funknmi

povrchmi. Vzjomnm psobenm tchto opakujcich sa napt vznikaj a ria sa trhlinky

v povrchovej a podpovrchovej vrstve materilu (obr. 3.12). Trhlinky sa vzjomne spjaj a na

kontaktnch plochch sa zane oddeova materil a tvoria sa jamky (pitting obr. 3.13

a 3.14).

Vznik pokodenia je podporovan materilovmi chybami, ako s inklzie,

provitos, mikrotrhliny a in. Kontaktn pokodenie me vzniknv loiskch, na vakch,

kladkch, apoch kukovch hriadeov, ale aj v skontaktovanch plochch dvojice materilov

koajnica - obrue kolies. V loisku sa vznikom pittingu rchlo rozri pokodenie aj na

alie oben drhy a spsob stratu jeho funknch vlastnost.

Obr. 3.10. Vibran opotrebenie. Oddeovanie astc medzi fu

KONTAKTN NAVA

27


28/163

FN

Obr. 3.11. Kontaktn nava loiska Obr. 3.12. Vznik trhln kontaktnou navou

ah

trhliny

tlak

FT

(FN normlov sila, FT trecia sila)

a) b)

3.13. Kontaktn nava:a) pitting na valeku z loiska, b) pitting na telese loiska

Obr.

Obr. 3.14. Pitting, funkn plocha loiska

500 m

Kontaktn nava m charakter navovho procesu, a preto je mon vyjadri

vzjom

Whlerov krivka (obr. 3.15) a mono z nej uri medzu kontaktnej navy zmax.dov.

n vzah medzi stykovm naptm (Hertzov tlak z) a potom cyklovNdo objavenia

sa prvho kontaktnho pokodenia (pittingu). Zvislos m podobn priebeh ako klasick

28


29/163

(podobne ako medza navy pri klasickej nave). Je to maximlne stykov naptie, pri ktorom

nevznikne pokodenie povrchu ani pri nekonenom pote cyklov (zvyajne 108 cyklov).

Obr. 3.15. Medzn krivka poruovania pri kontaktnom zaaovan

Kontaktn pokodzovanie je vrazne ovplyvovan prtomnosou tvrdch

a ostrohrannch vtrsenn v povrchovch oblastiach kontaktujcich sa telies. Nepriazniv je

inok oxidov. Kontaktn pokodenie sa me prejaviaj ako naruenie povrchovej vrstvy

krehkm lomom, najm v materiloch s vemi malou schopnosou plastickej deformcie

(napr. sklo, keramick materily, tvrd povrchov vrstvy).

Pokodeniu mono preds pouitm povrchovch vrstiev s vysokou tvrdosou

zskanch kalenm legovanch materilov (obsah uhlka pribline 1 hm. %). Vhodn s

brsen a leten povrchy siastok s nzkou drsnosou. Neistoty, vtrseniny, ostrohrann

astice v materili, korzia a nedostaton mazanie zvyuj riziko z hadiska kontaktnho

pokodenia. V loiskch je limitujcim aj obsah zvykovho austenitu v truktre po procese

kalenia. Psobenm vysokch tlakov alebo vysokch teplt poas prevdzky loiska me

vykov austenit pretransformovana martenzit. Tm sa zmenia rozmery a loisko sa me

zadrie.

Tepelnm, chemicko-tepelnm spracovanm, povrchovm kalenm, tvorbou

pecilnych povrchovch vrstiev a mazanm je vo veobecnosti mon zskalepiu odolnos

siastok proti kontaktnej nave.

V zvere kapitoly uvdzame niektor prklady siastok svisiacich s opotrebenmmaterilov. Na obr. 3.16 je znzornen zadret lisovnk v lisovacom nstroji. Vo vntri

z

29


30/163

nstroja vavo pozoro stroj boli nesprvne

ontrukne navrhnut. Na ich vrobu bola pouit legovan kontrukn oce (51CrV4)

zoach

o vntriliso

Obr. 3.17. Prklad dvojice materilov.

Opotrebovan povrch tlanho krku zo spojky automobilu je uveden na obr. 3.18.Z pvodnho kruhovho rozmeru 5 mm chba pribline 1,5 mm. Detailnej pohad na

opotrebovanie krku s vyuitm riadkovacieho elektrnovho mikroskopu je dokumentovan

na obr. 3.19. V miestach neopotrebovanho krku bol povrch oduhlien (obr. 3.20). Pouit

drt krku nebol sprvne patentovan.

va stopy po zadieran. Lisovnk aj lisovac n

k

ten na nzku pevnos1000 MPa.

Na obr. 3.17 je dokumentovan prklad pouitia dvojice rznych materilov.

Z hadiska odolnosti proti adhznemu opotrebovaniu (zadieraniu) je v otvore ojnice v mieste

piestneho apu nalisovan puzdro z bronzu.

Obr. 3.16. Zadret lisovnk vvacieho nstroja. Vo vntri nstrojapozorovastopy po zadieran.

V mieste piestneho apu ojnice z motoraautomobilu je nalisovan puzdro z bronzu.

Obr. 3.18. Opotrebovan povrch tlanhokrku Obr. 3.19. Povrch krku z obr. 3.18,adhzno-abrazvne opotrebenie, REM

10 mm 10 mm

50 m5 mm

30


31/163

Na obr. 3.21 je pohad na opotrebovan strin hranu a bon plochu tvarovho

strinka. Strink sa pouval na strihanie zoachtench materilov s pevnosou 1000 MPa.

Obr. 3.20. V miestach neopotrebovanhokrku je povrch oduhlien, leptan 3 % Nital

Obr. 3.21. Opotrebovan strin hrana abon plocha funknej asti strinka, REM

Opotrebovan brzdov kot z osobnho automobilu je na obr. 3.22. Pozorova

abrazvne opotrebenie plochy kota (obr. 3.23)a znaky kontaktnej navy (obr. 3.24).

Obr. 3.22. Opotrebovan brzdov kot Obr. 3.23. Detailnej pohad opotrebeniakota z obr. 3.22, REM

Na obr. 3.2 u. V avej asti

v mieste opotrebenia krku pozorovaplastick deformciu materilu.

Vyhriaty ap kukovho hriadea so znakmi adhzneho opotrebenia, zadierania je

uveden na obr. 3.26. Vyhriatie povrchu apu bolo spsoben nesprvnym mazanm.

Detailnej pohad na opotrebovan povrch apu kukovho hriadea je uveden na obr. 3.27.

20 m 500 m

5 mm

5 je opotrebovan a otlaen povrch poisovacieho krk

31


32/163

Obr. 3.24. Kontaktn nava, funkn plocha Obr. 3.25. Opotrebovan a otlaen povrchbrzdovho kota, REM poisovacieho krku, REM

Obr. 3.26. ap kukovho hriadea,pozorovaznaky zadierania. Vyhriatie je

spsoben dsledkom nesprvnehomazania.

Obr. 3.27. Pohad na trhlinu a opotrebenieapu kukovho hriadea, REM

Na obr. 3.28 je prklad adhzno-abrazvneho opotrebenia povrchu plantovho kolesa

z rozvodovky automobilu. Na inom mieste plantovho kolesa pozorovabytok materilu

v dsledku opotrebenia a stopy po zadieran (obr. 3.29).Opotrebovan vypnacie palce membrnovej pruiny zo spojky automobilu s

zdokumentovan na obr. 3.30. Podobne aj v mieste opornho krku (obr. 3.31)pozorova

opotrebovanie cyklickm

dlhodo

a zadierania. Drkovan hriadenebol sprvne chemicko-tepelne spracovan.

20 mm

membrnovej pruiny. Opotrebenie pruiny bolo spsoben

bm pouvanm v prevdzke osobnho automobilu.

Pokoden drkovan hriade z prevodovky itkovho automobilu je uveden na

obr. 3.32. Z detailnejieho pohadu (obr. 3.33) pozorova znaky vyhriatia povrchu

32


33/163

33

Obr. 3.28. Kombincia adhzno-abrazvnehoopotreben

Obr. 3.29. bytok materilu v dsledku

8 mm 5 mm

ia plantovho kolesa z rozvodovky opotrebenia plantovho kolesa, stopy poautomobilu zadieran

Obr. 3.30. Opotrebovanie vypnacch palcovmembrnovej pruiny

Obr. 3.31. Opotrebovanie membrnovej

5 mm 5 mm

pruiny zo spojky osobnho automobilu

5 mm 5 mm

Obr. 3.32. Drkovan hriadez prevodovkyitkovho automobilu

Obr. 3.33. Detailnej pohad z obr. 3.32,pozorovastopy po zadieran

Na obr. 3.34 je pokoden palec vakovho hriadea. Detailnejou analzou

pozorova znaky kontaktnej navy (obr. 3.35) a aj abrazvne opotrebovanie povrchu palca

(obr. 3.36).


34/163

Erozvne opotrebovan matica z prpravku zariadenia urenho na spevovanie

povrchu siastok je uveden na obr. 3.37. Z pvodnho tvaru matice chba dsledkom

erozvneho opotrebenia pribline tretina materilu.

Obr. 3.34. Vakov hriadez motoraosobnho automobilu

Obr. 3.35. Opotrebenie povrchu vakovhohriadea, kontaktn nava, REM

prpravku zo zariadenia urenho naspevovanie povrchu

Na obr. 3.38 je abrazvne opotrebovan povrch siastky. Ryhy boli zisten kontrolouvo vrobe. Vznikli pri navjan polotovaru s nzkou pevnosou (han na mkko)dsledkom

pouitch opotrebovanch ohbacch nstrojov.

Na obr. 3.39 je pokoden funkn as koajnice. Pozorova povrchov trhlinky,

oddelenie asti materilu v dsledku kontaktnej navy.

Pokoden kontaktn plocha ramienka z rozdeovaa osobnho automobilu je

zdokumentovan na obr. 3.40. Pokodenie je spsoben superpozciou mechanickho

opotrebenia a erziou elektrickm oblkom.

Obr. 3.36. Abrazvne opotrebovanie povrchuvakovho hriadea, REM

Obr. 3.37. Erozvne opotrebovan matica

5 mm50 m

50 m 5 mm

34


35/163

Obr. 3.38. Pokoden povrch siastky, ryhyvznikli pri navjan na mkko hanho

polotovaru

Obr. 3.39. Kontaktn nava funknej astikoajnice

Obr. 3.40. Ramienko z rozdeovaa automobilu. Pokoden kontaktn plocha superpozciouopotrebenia a erziou elektrickm oblkom.

100 m 5 mm

2 mm

35


36/163

4 NAVOV PORUOVANIE MATERILOV

Prevan vina porch a havri v sasnosti je vyvolan navovmi procesmi,

degradciou vlastnost materilov v dlhodobej prevdzke a inkom vonkajieho prostredia.Najdleitejm z nich je pokodzovanie mechanickou navou, ktor vedie k vzniku

a rastu trhliny, najastejie v koreni kontruknch a technologickch vrubov.

V sasnosti vystupuj do popredia otzky spojen s ochranou ivotnho prostredia.

Rozsiahle a nenvratn ekologick i diakovch transportnch

n a cestn dopravu, ropnch a inch

lomom, dnes u nemono vyjadrova len

prklad navou pokodenej obrue kolesa rchlovlaku, ktor

ecku (obr. 4.1 a 4.2). Chyba bola v kontrukcii

Obr. 4.1. Vagny rchlovlaku po havrii

Zdrojom vibrci pri cestovan dopravnm

v dsledku vle a nepresnost pri rotadopravnch prostriedkov a ich ast. kodlivos

amplitdy, asovho priebehu, kmito

fyziologicky vplvaj na organizmus

stres, nadmern potenie, ...). Vibrcie organizmu m

aku s pr a

osoba 2 6 Hz, stojaca osoba 4 12 Hz). V cestnej doprave sa

s frekvenciou 0 15 Hz (amplitda niekoko cm), na eleznici 2 3 Hz a frekvencie vibrciv dopravnch lietadlch s 5 150 Hz.

kody, spsoben havriam

tlakovch rozvodov, tankerov, cisterien pre elezni

chemickch produktov v dsledku ich poruenia

sumou peaz.Na ilustrciu uvdzame

sa stala v r. 1998 pri meste Eschede v Nem

kolies v snahe zabezpeiprjemn cestovanie.

Obr. 4.2. nava materilu obrue kolesarchlovlaku

i prostriedkami s striedav sily vznikajce

nch pohyboch strojnch zariaden, pri pohybe mechanickho chvenia zvis od jeho

tu a spektrlneho zloenia. Vibrcie vrazne

loveka (nauzea, zvracanie, bledos, strata koncentrcie,

u vznikn aj inkom intenzvnych

stickch pol. Zvl zdraviu kodliv i cestovan urit psma vibrci (sediaci

vyskytuj vibrcie

36


37/163

Z hadiska pohodlnejieho cestovania bol kontruknou pravou kolies rozsah vibrci

vo vlakovej sprave posunut do vhodnejch frekvenci. Koles nprav boli zloen z dvoch

ast m

deformovan, vymrten a neastne vrazen jednm koncom do elezninho voza

a druhm zachyten v mieste koajovch vhybiek. Nastalo vykoajenie piateho a alch

vozov vlakovej spravy, a vzpt ich nraz do blzko sa nachdzajceho betnovho mostu.

Cestujci boli vystaven prudkmu nrazu, ktor mono porovna pdu zo tyridsiateho

poschodia mrakodrapu. Po havrii sa vetky dvojkoles prevdzkovanch vozov

rchlovlakov vymenili za celokovov.

nava kontruknch materilovje degradan proces nevratnch zmien vlastnost

a stavu materilu, ktor je vyvolan cyklickm mechanickm, tepelnm alebo tepelno-

mechanickm zaaovanm za sasnho psobenia alch internch a externch faktorov.

navov poruenie me nasta pri zaaovan strojnch siastok a kontrukci

asovo premenlivmi vonkajmi silami, vyvolanmi naptiami neprevyujcimi hodnoty

prpustn pri statickom zaaen,ktor mono z benho hadiska povaovaza elastick.

Cyklick zaaenie me by: jednoosov ah tlak,

rovinn ohyb alebo ohyb pri rotcii,

dvojosov ah alebo tlak a in.

Proces navy m kumulatvny charakter, predstavujci znenie pevnosti a ivotnosti

namhanej siastky, ktor sa v zvere poruovania prejav rastom m kroskopickej navovej

t na

V rmci jednho zaaovacieho cyklu charakterizovanho maximlnou hodnotou

naptia max (sily Fmax) a minimlnou hodnotou naptia min (sily Fmin) mono definova

nasledovn pojmy:

Amplitda naptia

aterilu s alou tlmiacou medzivrstvou. V prevdzke tm vznikla monosuritho

priehybu vonkajej asti obrue kolesa a na jej vntornej strane vznikali trhliny, ktor sa

postupne rili do prierezu materilu. Po prasknut vo vekej rchlosti bola obru

z

a

rhliny a lomom. Riadiacim faktorom procesu vy je amplitda plastickej deformcie.

2

minmaxa

= .

Stredn naptie cyklu2

minmaxm

+= .

Rozkmit naptia minmax = .

Siniteasymetrie cyklumax

min

max

min

FFR == .

37


38/163

Pokia sa zaaovac cyklus pra

vorme o harmonickom zaaovan (obr.

n maximlna ani minimlna hodno

videln )

ho 4.3 vavo ovania

neme ta naptia, hovorme o zaaovan s kontantnm

zkmitom naptia.

e opakuje (v rmci zaaovacieho bloku

). V prpade, e sa poas zaa

ro

Obr. 4.3. asov priebeh naptia pre smern a nesmern zaaovac cyklus

V relnej prevdzke s vak siastky a zariadenia vystaven najastejie zaaovaniu,

ktor m neharmonick a nhodn charakter priebehu naptia v zvislosti od asu.

Na zklade charakteru nevratnch zmien, spsobench cyklickou plastickou

deformciou, mono tdia hromadenia navovho pokodenia znzorniaj vo Whlerovom

diagrame. Tvar diagramu sa zska z relnych b ych navovch skok materilov pr

nap

ouhtvar znzornen na obr. 4.4. Medzi bodmi A C je oblascyklickho teenia (aplikcia len

niekokch zaaujcich cyklov). Oblas krivky medzi bodmi C F mono konvenne

oznai ako asovan navov pevnos, priom oblas nzkocyklovej a vysokocyklovej

navy me byoddelen zlomom alebo diskontinuitouD D(v okol medze klzu je vek

rozptyl nameranch hodnt a stredn hodnota z nameranch hodnt nad a pod Revykazuje

tatistick diskontinuitu). Nzkocyklov navu uvaujeme vtedy, ak je poet cyklov do lomu

104, pri vysokocyklovej nave je poet cyklov do lomu 105. Oblas bezpenho

namhania je pri zaaovan materilu amplitdami naptia nimi, ako zodpovedaj boduF.

la ioratrn

zaaovan s rznou hodnotou amplitdy

zaaovania spsobom ah tlak a han nzk

tia. Pre prpad smernho cyklickho

lkov nelegovan ocem navov krivka

38


39/163

Naptie C nazvame medza navy. Poet cyklov do lomu pre oce, liatiny, me a ich

zliatiny 107, pre ahk kovy 108.

zje

sek plastickosti, sek b) ,sek c) tdium renia makrotrhliny, sek d) konen lom

c alebo menej znmymi a overenmi zkonitosami. Je to tdium

mikrop

Obr. 4.5. tdi navovej ivotnosti

Cyklick

teenie

Nzkocyklov

nava

Vysokocyklov

nava

Bezpen

namhanie

navov pevnos

asov Trval

A BC

F G

b c

NCNapl

Rm

Re

a

apl

C

D

ED

a d

log N- oblasvskytu nameranch hodnt

Obr. 4.4. tdi navovej ivotnosti v

a) vznik cyklickej mikro

dnoduenom Whlerovom diagrame:

tdium nuklecie mikrotrhln

V kadom tdiu hromadenia navovho pokodenia prevlda urit mechanizmus,

riaden via

lastickch pochodov v celom objeme materilu s nasledujcim tdiom nuklecie

navovch trhln a tdiom ich renia s viac alebo menej detailnejm lenenm (obr. 4.5).

nuklecia reniemikrotrhln

reniemakrotrhln

konenlom

tdium nukleciemikrotrhln

tdium reniatrhliny

celkov navov ivotnos

39


40/163

navov trhliny vznikaj na vonom povrchu cyklicky zaaovanch telies v miestach

koncentrcie cyklickej plastickej deformcie (miesta koncentrcie napt). Mu to byvruby

rzneho typu a pvodu, trval sklzov psy, inklzie, precipitty a nedokonalosti opracovania

povrchu, hranice zn, medzifzov hranice a pod. Koncentrciu naptia v povrchovej vrstve

telies zvyuje aj druh zaaovania, napr. pri ohybe, krten, ale aj excentricita zaaujcej sily

pri pulzujcom ahu a tlaku. Faktor intenzity naptia v mieste inklzie, precipittu alebo

aprirnej trhliny uritho tvaru je vdy v na povrchu ako vo vntri vzorky.

Na obr. 4.6 je znzornen mod o m sa za trhlinu povauje intrzia a a

vysvetuje ako prehlbovanie intrzie opakovanm sklzom v jednom sklzovom systme.

Neumannova predstava relatvneho pohybu kariet v dvoch sklzovch systmoch

(obr. 4.7) umouje prehlbovanie intrzie a do vzniku trhliny.

el, v kt ro jej rast s

M

EI

M

E

I

M

E

I

a) c)b)

Obr. 4.6. Schma vzniku a rozvojaa schm

navoa rastu extrzi (E

vch sklzovch psov v materili (M)) a intrzi (I)

+- - -

+ +-d) e)

2

24

a) a) b) c)

f)

1 1

2

T

3

1

2

1

2

1

TT

Obr. 4.7. Model postupnho vzniku mikrotrhliny poda Neumanna pri cyklickomzaaovan ( - ) ahov polcyklus, ( + ) tlakov polcyklus, ( )dislokcie, T trhlina

1

33 3

4

40


41/163

N

den dsledky nemono odstrni

vyhan

alm cyklickm zaaovanm sa bude rilen jedna tzv. magistrlna navov trhlina.

Tto sa postupne nata do smeru kolmho vzhadom na vonkajie psobiace zaaenie

(obr. 4.8). Na ele trhliny vznik v dsledku vysokej koncentrcie naptia plastick zna

(pozri kap. 5). Jej vlastnosti vznamne vplvaj na al proces renia navovej trhliny.

Obr. 4.8. Schma postupu renia navovej trhliny: 1 prv etapa renia, 2 druh etaparenia, 3 neefektvne krtke trhliny, 4 plastick zna na ele trhliny

lzovej roviny do rov

aaeniu sa ozn rechod od krytalografickho renia (I. tdium renia) do

nekrytalografickho renia (II. tdium renia) trhliny. Nekrytalografick renie v druhejetape riadi normlov naptie, priom v obidvoch etapch pri zvyajnch teplotch

zaaovania sa trhlina ri transkrytalicky.

V prvom tdiu je rchlos renia navovch trhln vemi mal. Tento prpad je

typick pre hladk teles bez primrnych vrubov. Ak sa vyskytuj ostr vruby, ktor mu

by kontrukn, technologick alebo metalurgick, zodpoved renie navovej trhliny

II. tdiu.

Tvar navovch lomo razne li od typickch tvarov lomov, ktor vznikaj pristatickom alebo rzovom zaaovan.Lomov plocha (obr. 4.9) obsahuje viditen lastrovit

a konci tohto tdia sa v materili nachdzaj trval sklzov psy, vrazne je

ovplyvnen povrchov a podpovrchov vrstva. Uve

m alebo odletenm povrchovej vrstvy. Vzniknut povrchov mikrotrhliny sa

nachdzaj pozd aktvnych sklzovch rovn, v ktorch psob maximlne mykov naptie.

Vnimkou s interkrytalick mikrotrhliny.

1

2

3

3

3

4

Prechod roviny trhliny z aktvnej sk

auje ako p

iny kolmej k vonkajiemu

z

v sa v

41


42/163

z

odozvou na zmenu zaa klne zmeny truktry

a stavu telesa (napr. loklnym deformanm spevnenm). V zvislosti od druhu materilu

a podmienok namhania mu ma rznu vekos a rozostupy a obvykle maj tvar

zakrivench iar so stredom zakrivenia pribline v mieste, kde vznikla navov trhlina. Toto

miesto sa nazva ohnisko navovho lomu. Teles s vrubom maj tvar iary a zakrivenie

ovplyvnen geometriou vrubu, z ktorho lom vychdza. S rastom vzdialenosti od ohniska sa

drsnospovrchu lomu zvuje v dsledku zmeny stavu naptosti svisiacej so zmenenm

nosnho prierezu merne s rastom trhliny. Na povrchu navovej asti lomu sa mu

vyskytova radilne stupne, pribline paraleln so smerom renia lomu. Radilne stupne

vznikaj v mieste styku trhln riacich sa v rznych rovinch povrchu lomu. Oblas

zvykovho lomu (statick dolomenie preaenm) m vrazne hrub a lenitej povrch.

Obr. 4.9. Schma navovho lomu

Vyuitm riadkovacej elektrnovej mikroskopie mono na lomovej ploche navovch

trhln pozorova iary (striacie), ktor oznauj pozciu ela trhliny po spench

zaaovacch cykloch (obr. 4.10). Vzdialenos striaci zodpoved okamitmu (loklnemu)

rozreniu trhliny poas jednho napovho cyklu. Hoci striacie nemono pozorovavdy,

vo veobecnosti je akceptovan, e trhliny sa ria rovnakm mechanizmom.

naky v dsledku postupnho renia trhliny.S to rastov (postupov) iary, ktor mu by

ovania, zmenu prostredia, teploty alebo lo

ohnisko lomu

2. tdium

rastov iar

dolomenie

radilnestupne

1. tdium

42


43/163

Obr.

5 m

4.10. Striacie vyjadrujce pozciu ela trhliny po zaaujcom cykle,

ktor spsobil prrastok dky trhliny, REM

a) vonkajie faktory: frekvencia a asymetria zaaovania, vekos strednho naptia, stav

naptosti, agresivita a teplota prostredia, histria zaaovania, hrbka a vekos telesa,

existencia trhln, vrubov a inch geometrickch diskontinut, vlastnosti povrchovej vrstvy,

b)vntorn faktory: mikrotruktrny stav materilu a jeho chemick zloenie, vekoszrna,

tvar a rozloenie nekovovch vtrsenn, vekospredchdzajcej deformcie a pod.

Tab. 4.1. Vplyv vybranch faktorov na medzu navy cAk uveden faktor rastie medza navy

C [MPa]

Okrem cyklickho mechanickho zaaenia vplvaj na navov poruovanie alie

faktory, z ktorch niektor s uveden v tab. 4.1:

frekvencia asymetria teplota agresivita prostredia rozmer zrna

Re Rm

Vina kontrukci, materilov, obsahuje chyby, poruchy, ktor vznikaj poas vroby

(naprklad pri zvran) alebo sa vytvraj v prevdzke. Celkov ivotnos kontrukcie je

ne sa

v materili. Toto je dleit z hadiska predikcie navovej ivotnosti mnohch kontrukci.

Na ob

reprezentovan renm navovej trhliny z homogent a necelistvost nachdzajcich

r. 4.11. s znzornen etapy renia navovch trhln z rznych typov porch.

Z obrzku vidie, e renie navovch trhln z mikrozrodkov (tdium B) predstavuje

43


44/163

pribline 20 % z celkovej konenej ivotnosti. V prpade renia sa navovch trhln

z aprirnych porch (tdium A) je obdobie dlhie. Najnepriaznivej je prpad renia sa

navovch trhln z makrotrhln (tdium C). Trhlina je mimoriadne efektvny koncentrtor

naptia a deformcie. Deforman pole na ele trhliny spolu s mikrotruktrnymi

parametrami materilu riadi sprvanie sa trhliny v zaaovanom telese.

Na ilustrciu uvdzame v

z hodnoty dohovorenej m ahom.

Rm[MP HV 10

C

Obr. 4.11. Prehad rznych prpadov renia sa navovch trhln.A tdium nuklecie, B mikrotrhliny, C makrotrhliny.

tab. 4.2 mechanick vlastnosti zisten zo skok ocele

54SiCr6 (STN 41 4260) pouvanej pre listov per odpruenia nkladnch vozidiel.

Zoachten oce s pevnosou Rm = 1452 MPa m medzu navy C pribline len 29 %

edze klzu Rp0,2 , zistenej zo statickej skky

Tab. 4.2. Mechanick charakteristiky ocele 54SiCr6 (pvodne STN 41 4260)

a] [MPa] [%] [%] [J.cmRp0,2 A5 Z KCU

-2] [MPa]

1452 1358 14 45,9 404 52 400

Makroskopick vzhad navovch lomov poas mechanickho namhania pri

obvyklch teplotch a prostrediach zvis od spsobu namhania, geometrickho tvaru telesa,

10

10

10

10

10

0 20 40 60 80 100-10

-8

-6

-4

-2

1 m

nekonen ivotnoskonen ivotnos

bez vzniku trhln

parameter mrieky

vekoszrna

A

B

C

neriace sa trhliny

nedetruktvnych metd

% navovej ivotnosti

trhln pomocoumonosregistrovania

44


45/163

mikro

ia psmo zaiatku navovej trhliny. Obyajne sa nachdza na obvode

prierezu, kde vplyvom tvaru siastky, spsobom namhania, prtomnosou chb alebo

aprirnych trhln vznikla koncentrcia napt a koncentrcia cyklickej plastickej deformcie.

V prpade vieho potu mlo vzdialench ohnsk sa vytvraj stupienky.

2. Oblas . Zahruje prevaujci podiel lomovej plochy vytvorenej

cerch dlhch navovch trhln. Povrch lomu je jemn, mono

ozorovanavov (postupov, odpoinkov) iary, prpadne sekundrne trhliny, sekundrne

stupien o renia trhliny.

3. Oblasurchlenho rozvoja. Nachdza sa v zverenej oblasti lomovej plochy vzniknutej

renm

astejie je predstavovan vizulne krehkm

lomom alebo matnm hevnatm lomom. Konen lom vznik vtedy, ak navov trhlina

dosiahne kritick dku.

truktry, vlastnost materilu a od stavu povrchu. Na obr. 4.12 je navov lom

hnacieho hriadea z npravy automobilu. Makroskopicky mono rozlityri psma:

1. Ohnisko poruen

postupnho rozvoja

renm jednej alebo via

p

ky alebo mal oblasti nhleh

navovej trhliny. Od predchdzajcej asti sa odliuje najm vou drsnosou

povrchu lomu vplyvom vyej rchlosti renia navovej trhliny.

4. Psmo konenho lomu (dolomenie). M obyajne dobre odliten vzhad od lomu

vytvorenho renm navovej trhliny. Naj

4

1

3

2

Obre)

. 4.12. navov lom hnacieho hriadea: 1 ohnisko poruenia, 2 oblaspostupnhorozvoja, 3 asurchlenho rozvoja, 4 psmo konenho lomu (dolomeni

Na obr. 4.13 je tvar skobnch vzoriek pouvanch v laboratrich na urenie

navovch vlastnost materilov, vzorka s vrubom pre ohyb za rotcie a hladk skobn

45


46/163

vzorka. Z aplikovanch hodnt napt a potu cyklov do lomu mono stanoviWhlerov

krivku.

Obr. 4.13. Tvar skobnch vzoriek na navov skky.Vzorka s vrubom a hladk skobn vzorka.

Zo vzhadu navovch lomov, tzn. pomeru plch vzniknutch renm navovch trhln

a konenho lomu, z ich vzjomnej polohy a tvaru mono stanovi charakter namhania,

vekos nominlneho naptia a rove

20 mm

zaiatonej koncentrcie napt. Na obr. 4.14 s

znzornen typick povrchy navovch lomov skobnch ty kruhovho prierezu pri

rzn ch pod nam

Tepe va znik sobenm zmien teploty, m sa dosiahnu cyklick mechanick

naptia, ktor vyvolaj hromadenie pokodenia. epelnej navy je tm, e

preber komplikovanosmechanickej navy a asne psob teplota. Mechanick vlastnosti

materilov zvisia od teploty a menia sa v zvislosti od asu namhania. Z tohto dvodu je

potrebn pri tepelnej nave pota s prejavmi te aterilu, relaxcie, fzovmi

a mikrotruktrnymi premenami a pod.

Na rozdiel od nzkocyklovej navy mono tepeln navu charakterizovatakto:

a) astick deformcia sa koncentruje do najviac zohriatych oblast sa, men (zniuje)

sa medza klzu materilu,

b) pri stlaen zohriatych vzoriek vznik vyboenie, pri ahu miestne zenie,c) vznik degradcia vlastnost materilu so zmenou disperzity fz, me vz

skreh

d) atom

t

e) hodnota sinitea tepelnej rozanosti m pri tepelnej nave vznamn funkciu,

f)

y mienkach hania.

ln na v p

Proces t zloit

s

enia m

pl tele

nikn

nutie,

vznamn funkciu zohrva tepeln vodivos materilu (v nerovnomerne zohri

elese pri nzkej tepelnej vodivosti materilu vznikaj vie naptia),

zloen (kompozitn) materily maj rozdielny sinite tepelnej rozanosti

jednotlivch fz. Medzifzov hranica je miestom vzniku trhliny.

46


47/163

Vysok nominlne naptie Nzke nominlne naptiehladk vzorka vzorka s vrubom hladk vzorka vzorka s vrubom

ah a ah tlak

jednostrann ohyb

obojstrann ohyb

ohyb pri krten

Obr. 4.14. Makroskopick vzhad navovch lomov skobnch ty kruhovhoprierezu pri rznych podmienkach namhania (ierna plocha je dolomenie)

Tepelnomechanick navavznik psobenm zmien teploty a sasnm namhanm

siastok cyklickm mechanickm zaaenm. Opakovan zmeny teploty pri nerovnomernom

ohreve a ochladzovan, ak upevnenm telesa zabrnime dilatcim, sa prejavia vznikom

napt, zu. Pri

vench teplotch renie trhln vyaduje niie hladiny mechanickho zaaovania ako pri

izbovej teplote. So zvenm teploty rastie inok agresivity prostredia.

K teoretickej asti kapitoly dopame aj praktick relne prklady navovch lomov

siastok s uvedenm prin, ktor viedli k pokodeniu. Na obr. 4.15 je hnac hriade zo

ktor v niektorch statickej medzi klpodmienkach dosahuj hodnotu blzku

z

47


48/163

48

zadnej npravy starieho osobnho automobilu. Zlomenie hriadea vzniklo poas prevdzky

automobilu. Druh as z hnacieho hriadea zostala v kueovom otvore brzdovho bubna

(obr. 4.16). Lomov plocha hriadea vykazovala charakteristick znaky vysokocyklovej

navy (obr. 4.17). Povrch kueovej asti hriadea (obr. 4.18) bol korzne pokoden. Jamky

na povrchu kueovej asti mono charakterizovaako dsledok psobenia frettingu. Trhlina

sa rila v dsledku cyklickho mechanickho zaaenia v miestach korzneho pokodenia

povrchu spjanm jednotlivch dutn (obr. 4.19). Mikrotruktra hriadea bola feriticko-

karbidick (obr. 4.20), vyhovovala zoachtenmu stavu materilu. Prina pokodenia bola

v dsledku opotrebovania a pokodenia geometrie drky hriadea (obr. 4.15) neodbornou

montou. Vou medzi hnacm hriadeom a brzdovm bubnom vznikli podmienky pre

prdavn cyklick namhanie a renie navovho lomu.

Obr. 4.16. Pohad na zlomen ashnacieho

Obr. 4.17. navov lom s charakteristickminavovmi a odpoinkovmi iarami, REM

Obr. 4.18. Korziou pokoden povrchhriadea v blzkosti lomovej plochy, REM

Obr. 4.15. Zlomen hnac hriadehriadea, ktor zostala v kueovom otvore

brzdovho bubna

10 mm 10 mm

500 m 4 m


49/163

Obr. 4.19. Povrch hriadea. Trhlina sa riv miestach korzneho pokodenia spjanm

Obr. 4.20. Jemn feriticko-karbidick

mikrotruktra hriadea v mieste lomu,

Zlomen a zdeformovan asti ojnice z osobnho automobilu s uveden na obr. 4.21

a 4.22

riadea) smerom do prierezu ojnice. Pokodenie

ojnice

jednotlivch dutn, REM. leptan 3 % Nital

. Pokodenie ojnice vzniklo op v prevdzke automobilu. Lomov plocha ojnice

uveden na obr. 4.23 vykazuje charakteristick navov a odpoinkov iary vzniknut

v dsledku vysokocyklovej navy. Mikrotruktra ojnice (obr. 4.24) je bainitick, vyhovuje

zoachtenmu stavu materilu. Pozorovan boli viacer trhliny, ktor sa rili z vntornej

strany ojnice (zo strany apu kukovho h

vzniklo v dsledku prirodzenho opotrebovania materilu, zmenou kontruknej vle,

a tm aj uritou monosou prdavnho cyklickho pohybu ojnice v prevdzke motora.

Obr. 4.21. Prehadn pohad na pokodenojnicu osobnho automobilu

Obr. 4.22. Pohad na meniu aszlomenejojnice

20 mm 10 mm

10 m 25 m

49


50/163

Obr. 4.23. Lomov plocha ojnice, navovREM

Obr. 4.24. Bainitick mikrotuktra v jadreojnice a ukonenie trhliny, leptan 3 % Nital

Na obr. 4.25 s uveden zlomen strinky. Pokoden s v mieste ich upnacej asti.

Lomov plocha strinka (obr. 4.26) zodpoved nzkocyklovej nave, s iniciciou z ostrho

vrubu nachdzajceho sa v miest ierezu nstroja. Na znenie vskytu uvedenho

pokodenia mus by vyroben plynulej prechodov rdius v mieste upnacej asti

strinkov.

Obr. 4.25. Zlomen strinky v miesteupnacej asti Obr. 4.26. Inicicia lomu strinka je z miestaostrho vrubu (mal prechodov rdiusv mieste zmeny prierezov)

Na obr. 4.27 je pokoden pridriava, ktor sa pouval v strinom nstroji.

Makroskopicky pozorova z obrzku charakteristick znaky navovho poruenia.

Pokodenie nstroja vzniklo dsledkom cyklickho dynamickho namhania v prevdzke

a vskytom ostrho vrubu na obvode pridriavaa v mieste prechodu prierezov, kde vznikla

koncentrcia napt a postupn inicicia a renie navovch trhln do prierezu (obr. 4.28).

Vntorn otvor v nstroji vrazne zoslabuje jeho prierez, vznik vysok hladina napt.

lom,

e zmeny pr

500 m 20 m

20 mm 500 m

50


51/163

Pridriava a tvrdos

62 HRC. Z hadiska predikcie pre dan rieenie by bolo vhodnejie vyrobi plynulej

prech

diska opotrebenia a aj navy materilu.

nit

s n

O

prevdzke motora sa

iniciuj trhliny a ri sa navov lom.

Na obr. 4.32 je dokumentovan navov lom skrutky, ktor bola uren na upevnenie

bloku prevodovky osobnho automobilu. V prpade, ak pri monti skrutiek (naprklad pri

opravch automobilov)nie je pouit sprvny krtiaci moment alebo chbaj v montnom

spoji prun podloky, ahko me vzniknnavov lom skrutiek.

bol vyroben z nstrojovej zliatinovej ocele a kalen v celom priereze n

odov rdius a pridriava chemicko-tepelne spracova, napr. nitridova. Tm by sa

zskali priaznivejie itkov vlastnosti z ha

V povrchovej nitridovanej vrstve nstroja sa zskaj dsledkom disperznho spevnenia

ridmi tlakov naptia, ktor s vhodn z hadiska navovho namhania a jadro nstroja

iou tvrdosou m aj urit hodnotu hevnatosti.

10 mm 500 m

br. 4.27. navov lom pridriavaa

pouvanho v strinom nstroji

Obr. 4.28. Lomov plocha vykazuje

charakteristick znaky navovho poruenia,REM

Zlomen kukov hriade z dieselovho motora autobusu je uveden na obr. 4.29.

Lomov plocha zlomenho apu (obr. 4.30) vykazuje znaky navovho poruenia. Na

zlomenom ape (obr. 4.31) pozorova znaky opotrebenia, vyhriatia, zadierania

a makroskopicky aj dve povrchov trhliny riace sa v smere osi apu v dke cca 20 mm.

Podobne aj al nezlomen ojnin ap kukovho hriadea bol modro sfarben, vykazoval

znaky vyhriatia a zadierania. Vyhriatm povrchovo kalench apov, pravdepodobnenesprvnym mazanm v prevdzke, vznik strata povrchovej tvrdosti, stability mikrotruktry,

zmeny mechanickch vlastnost a zadieranie apov. V dsledku toho vznikaj v povrchovch

vrstvch apov vysok naptia, z ktorch dynamickm namhanm v

51


52/163

Obr. 4.29. navov lom ojninho apu kukovho hriadeaz dieselovho motora autobusu

pozorovavyhriatie apue osi apu sa

ria dve trhliny v dke cca 20 mm.

tm aj monos

rc pokod rutiek, p e zvit s iek je v rubom nespr a je

mont skrutiek s itm vysokho krtiace omentu, pretoe v

vys dnota ho nap m

a navov vlastnosti sa mu zho ,

xtrm

o vidie tepeln

50 mm

30 mm 10 mm

Obr. 4.30. Makroskopick pohad nalomov plochu apu hriadea, vavo

Obr. 4.31. Zlomen ap hriadea vykazujeznaky opotrebovania. V smer

V prevdzke automobilu vibrciami vznikne va montneho spoja, a

hleho enia sk reto krut

ho m

lastne v . Taktie

montnom

vn

pou spoji je

ok ho stredn tia ri. Pri nesprvnom

e ne vysokom predpt montneho spoja me pouit naptie dosiahnu, prpadne

prekroi aj medzu klzu materilu skrutky. Tm vznik spevnenie plastickou deformciou

materilu za studena a dochdza k zmene mechanickch a itkovch vlastnost spoja.

Prasknut nosnk prvesu nkladnho automobilu je uveden obr. 4.33. Pokodenie sa

rilo z prechodovej oblasti zvaru prakticky cez cel prierez profilu nosnka v dke pribline

200 mm. Po rozplen prasknutho nosnka (obr. 4.34) boli pozorovan navov trhliny,

riace sa z miesta zvaru nosnka. Makroskopicky pohad na prieny rez ktovm zvarovm

spojom je na obr. 4.35. Z obrzku pozorova mnostvo chb, vav

52


53/163

ovplyvnenie predchdzajcim zvranm alebo odstraovanm predchdzajceho zvaru. Medzi

zvranmi siastkami je vek medzera. Zvary s nekvalitn, boli pozorovan ostr

prechody, ktov zvar je uroben nesprvne. V tepelne ovplyvnenej oblasti zvaru (obr. 4.36)

sa nachdzalo viacero necelistvost typu saenn a trhln. Vo zvarovom kove bol pozorovan

(oneskorench) trhln, ktor

odnota napt vyplva z nevhodnej geometrie uloenia zvaru.

vskyt medzikrytlovch horcich trhln. V prechodovej zne medzi ktovm zvarom

a nosnkom bol zisten vskyt trhln, z ktorch bol iniciovan navov lom (magistrlna

trhlina). Pozorovan trhliny patria do kategrie tzv. studench

vznikaj po ukonen zvrania ako synergick dsledok vskytu mikrotruktry citlivej na

vodkov skrehnutie (prtomnos uritho obsahu atomrneho vodka a vysokej hodnoty

napt). Vodk mohol pochdzaz nedostatone oistenho povrchu a odmastenia siastok

pred zvranm. Vysok h

Obr. 4.32. navov lom skrutky v bloku

prevodovkyObr. 4.33. Prasknut nosnk prvesu

nkladnho automobilu. Inicicia pokodeniaje z prechodovej oblasti zvaru.

Obr. 4.34. Detail z obr. 4.33 po rozplennosnka. Inicicia navovho pokodenia je

z miesta zvaru nosnka.

Obr. 4.35. Makroskopick pohad na zvarv reze nosnka z obr. 4.33, leptan poda

Heyneho

5 mm 25 mm

10 mm 20 mm

53


54/163

navou pokoden lisovac nstroj je uveden na obr. 4.37. Po vytvoren vaku

nasledoval pnsobn von pd nstroja na stenenie steny vlisku. Inicicia lomu je zo

spodnej funknej asti nstroja. Morfolgia lomovej plochy dokumentuje zrchlen renie

navovho lomu smerom hore k vntornej zvitovej asti lisovacieho nstroja. Lisovac

nstroj bol vyroben z nstrojovej zliatinovej ocele odporanej pre zven tlakov

namhanie, kalen na vysok tvrdos (62 HRC) v celom priereze. Z iska predikcie

ivotnosti by bol chemicko-tepelne

spracova, vytvoripecilnu povrchov vrstvu, zska

nstro

oli Obr. 4.37. navov lom lisovacieho

ja

prasknut krok valivho loiska. Vypnacia ptka loiska

je o rozplen

kr

vypnacej ptky loiska. Lomov plocha loiska vykazuje prevane interkrytalickpo

ihlica 41). Tento druh

m dlhej

v

marte vykovho austenitu.

akto mikrotruktra m zven citlivosna vznik trhln a zniuje aj itkov vlastnosti

loiskov peln spracovanie lo truktry

h da

o vhodnejie extrmne namhan lisovac nstroj

rozdielne tvrdosti v jadre a na povrchu

ja.

Obr. 4.36. V prechodovej zne zvaru b

100 m 10 mm

pozorovan horce trhliny, leptan3 % Nital

nstroja, inicicia lomu je zo spodnejfunknej asti nstro

Na obr. 4.38 je znzornen

iastone opotrebovan. Trhlina sa rila v mieste vypnacej ptky loiska. P

ku loiska (obr. 4.39) vidie, e ohnisko navovho lomu je v mieste ostrho vrubu

kodenie (obr. 4.40). Mikrotruktra loiska nevyhovuje, pretoe je tvoren hrubmi

mi martenzitu s nzkym podielom globulrnych karbidov (obr. 4.

ikrotruktry vznik v procese kalenia pouitm vyej teploty austenitizcie alebo po

dri na teplote austenitizcie. Vzrastie vekos austenitickho zrna, po kalen s hrubie

nzitick ihlice, vie zvykov naptia a zvi sa aj obsah z

T

ho materilu. Na sprvne te iska vplva aj stav mikro

54


55/163

vchodiskovho materilu. Vhodn mi kalenm m bytvoren globulrnym

perlitom.

Obr. 4.38. Prasknut krok valivho loiskankladnho automobilu

Obr. 4.39. Ohnisko navovho lomu jez ostrho vrubu vypnacej ptky loiska

Obrpodiel

ubmiel

globulrnych karbidov, leptanVilella-Bain

iatkov vyrobench zo

zliatin

krotruktra pred

20 mm 5 mm

10 m 20 m

. 4.40. Lomov plocha loiska, vysok Obr. 4.41. Mikrotruktra s mierne hrinterkrytalickho poruenia, REM tvarmi martenzitu, nzky podi

Prasknut odliatok zo zliatiny hlinka (silumnu) je uveden na obr. 4.42. Trhliny sa

ria v najslabom priereze odliatku, v mieste vyfrzovanho vrubu, ktor vznikol trieskovm

obrbanm asti plochy za elom vyvenia siastky. V hornej asti obr. 4.43 vidie, e

z vytvorenho ostrho vrubu siastky sa ri navov lom a dolomenie prierezu je v pravej

asti lomovej plochy. Ostr vruby vemi zniuj itkov vlastnosti odl

Al (silumnov).

Poisovac krok, ktor bol zlomen v dsledku degradcie navou, je uveden na

obr. 4.44. V kontrukcii krok zabezpeoval uloenie ozubenho kolesa na drkovanom

hriadeli. V prevdzke v dsledku opotrebenia otvoru ozubenho kolesa vznikla nesprvna

55


56/163

va medzi ozubenm kolesom a drkovanm hriadeom a postupn cyklick navov

poruenie poisovacieho krku (obr. 4.45).

Obr. 4.42. Prasknut odliatok z Al zliatiny,trhlina sa ri v mieste ostrho vyfrzovanho

vrubu

Obr. 4.43. Lomov plocha z obr. 4.42.navov lom sa ri z ostrho vrubu smerom

do prierezu odliatku.

Obr. 4.44. Zlomen poisovac krokv dsledku navovho poruenia

Obr. 4.45. Lomov plocha z obr. 4.44.navov lom, REM.

Na obr. 4.46 je znzornen zlomen kovacia zpustka, pouvan na vrobu vkovkov.

navov lom sa ril z funknej vntornej asti zpustky. V procese kovania psob na

kovaciu zpustku loklne vysok teplota, polotovary s zohriate pribline na teplotu 1000 C,

prpadne aj vyiu. alej psob rzov namhanie z mechanickho kukovho lisu na

vytvarovanie polotovarov. Poruenie zpustky mono charakterizovaako dsledok tepelno-

mechanickej navy. Podobne je na obr. 4.47 dokumentovan prasknut forma na vrobu flia.

Detailnej pohad na trhlinu je na obr. 4.48. Pokodenie je dsledkom tepelnej navy

materilu.

Nzkocyklovou navou pokoden asti tvarovch strinkov s znzornen na

obr. 4.49. Vo vntri strinkov je zvit na upevnenie, ktor psob kontruknm vrubom.

Z vntra zvitu strinkov sa ri navov pokodenie do prierezu nstrojov.

navovmu poruovaniu podliehaj aj in typy materilov, napr. keramick materily,

10 m 10 m

10 mm

56


57/163

plasty, kompozity a pod. Na obr. 4.50 je zdokumentovan navov lom dmskeho podptku

vyrobenho z plastu. Z obr. 4.51 vidie ohnisko poruenia, postupn renie lomu, rastov

lnie a oblasdolomenia podptku.

Obr. 4.46. Nzkocyklov nava kovacej

zpustky v dsledku tepelno-mechanickhozaaovania

Obr. 4.47. Forma na vrobu flia. Vo vntri

formy pozorovatrhlinu.

Obr. 4.48. Detailnej pohad na trhlinu.Tepelno-mechanick nava nstroja.

Obr. 4.49. Nzkocyklov nava, zlomen astitvarovch strinkov

Obr. 4.50. navov lom dmskeho podptku Obr. 4.51. Detailnej pohad, ohniskoporuenia je v dolnej asti lomovej plochy

15 mm 30 mm

2 mm 10 mm

10 mm 5 mm

57


58/163

Na obr. 4.52 je uveden klinov reme, pouvan v osobnom automobile, ktor bol

pokoden v dsledku navy materilu. Po pronej prevdzke a najazden 50 tisc

kilometrov bolo na vntornej asti klinovho remea zisten jeho prasknutie. Okrem miesta

prasknutia mono makroskopicky pozorova na klinovom remeni alie menie trhlinky

v prienom smere v dsledku degradcie materilu. Klinov reme je kompozit zloen

z dvoch materilov. V priereze obsahuje spevujce vlkna, ktor aj pri prasknut asti

remea zabezpeia urit as jeho funknos.

Obr. 4. 52. navou pokoden klinov remepouvan v osobnom automobile

t term e.

Pokodenie dsledkom tepelnej nav

Na obr. 4.53 je uveden prasknut kry

siastky z plastu vzniklo

ostatu pouvan v osobnom automobil

y materilu.

Obr. 4.53. Prasknut kryt termostatu z osobnhoautomobilu

5 mm

miesto pokodenia

58


59/163

Zverom strune zhrnieme poznatky, ktor mono uplatniv praxi z hadiska predikcie

navovho poruenia siastok. Veobecne na degradciu materilu navou vplva druh

namhania, teplota, prostredie, ale aj alie faktory, ako kontrukcia a technolgia vroby

siastky, metalurgick histria vroby a kvalita pouitho materilu.

Vemi dleit je vdy sprvny nvrh kontrukcie z hadiska poiadaviek namhania

a tvar jednotlivch siastok. Siastky by nemali obsahovazbyton vruby a nhle zmeny

prierezu. Medza navy je vemi citliv na kvalitu povrchu. Zniuje sa, ak je povrch materilu

zoxidovan alebo sa na povrchu nachdzaj nerovnosti po trieskovom obrban. Zpichy,

technologick pokodenia povrchu, y (narazenia manipulciou alebo montou)

porueniu, pretoe povrchov vrstvy siastok s

vznik koncentrcia napt. Vhodn je hladk,

alie siastky sa vyuva finlne spevovanie

voria v povrchovej vrstve siastok

adiska navy. Relne povrch siastok me

me vznikn aj loklne oduhlienie

astc tuhho mdia s vysokou kinetickou

e p

siastok t v povrchovej vrstve sa e negatvny vplyv

existujcich mikrotrhln na povrchu materilu z hadiska ich renia v prevdzke.

Vborn navov vlastnosti maj jemnozrnn tvrnen materily, ocele s jemnou

feriticko-karbidickou mikrotruktrou vytvorenou pri zoachovan alebo po tepelno-

mechanickom spracovan.

Zoachtenm materilov sa zvi medza klzu a medza pevnosti materilu, zvi sa aj

medza navy, m sa zskaj vhodnejie vlastnosti materilu z hadiska mechanickho

namhania. Zoachten materily maj aj alie vhody, ako vysok vrubov hevnatos,anosa odolnosproti krehkmu lomu.

Siastky po chemicko-tepelnom spracovan alebo povrchovom kalen maj priazniv

vlastnosti z hadiska navy. V povrchovch vrstvch tchto siastok sa vytvoria tlakov

naptia v dsledku spevnenia prostrednctvom martenzitickej truktry alebo disperznho

spevnenenia pri procesoch nitridcie, ktor priaznivo vplvaj na navov odolnos

siastok.

rzne chyb

vrazne zniuj odolnosproti navovmu

vdy najviac namhan. V tchto miestach

brsen alebo leten povrch siastok.

Pre pruiny, hriadele, ozuben koles a

povrchu gukovanm. Spevnenm povrchu sa vyt

tlakov naptia, ktor priaznivo vplvaj z h

obsahova mikrotrhliny, tepelnm spracovanm

materilu. Gukovanm (dopadom malch

nergiou) sa iastone eliminuje aj vplyv

. Vytvorenm tlakovch nap

rpadnho menieho oduhlienia povrchu

liminuje

59


60/163


61/163

5 Z H

Vina lomov v technickej praxi vznik v dsledku renia sa trhln, ktor boli

inicio

KLADY LOMOVEJ MEC ANIKY

van pouitm nedokonalej technolgie vroby (napr. pri zvran) alebo vznikliv procese prevdzky (nava materilu, korzia).

Nuka o vzniku lomov z trhln nachdzajcich sa v namhanom telese sa nazva

lomov mechanika. Zaober sa zkonitosami sprvania sa trhln pri namhan telesa

a podmienkami vylenia monosti nestabilnho (t.j. nhleho, nekontrolovatenho)

krehkho lomu pri zaaeniach nepresahujcich medzu klzu. Trhlina - je trval miestne

poruenie atmovch vzieb za sasnho vzniku novch povrchov(obr. 5.1).

Obr. 5.1. Schma vzniku trhliny poruenm atmovch vzieb

V praxi sa v materiloch nachdzaj chyby, medzi ktor patria aj trhliny. Niektor

prklady vskytu trhln v materiloch s uveden na obr. 5.2 a 5.7. Ak maj trhliny prpustn

vekos, neovplyvuj negatvne funkn vlastnosti materilu.

Obr. 5.2. Trhliny na povrchu materilu,tepelne spracovan oce

Obr. 5.3. Povrch legovanho materiluvalcovanho za studena, REM

poruen vzby

50 m 10 m

61


62/163

Obr. 5.4. Trhlina riaca sa vo vystrihnutomotvore siastky, materil C 90, REM

Obr. 5.5.Trhliny, povrch tyovho polotovaruvalcovan za tepla

Obr. 5.6. Trhliny v priereze tyovhopolotovaru, leptan 3 % Nital

Obr. 5.7. Trhliny riace sa v prierezeozubenho kolesa, leten stav

Lom v kovoch sa uskutouje procesom deformcie a loklneho poruovania na ele

riacej sa trhliny. Lomov proces sa v relnych kovoch sklad z viacerch etp:

a) vznik trhliny - vo vrobnom procese alebo poas namhania, v dsledku mechanickho,

chemickho alebo tepelnho inku, priom tieto faktory mu psobi sasne(napr. korzia pod naptm),

b) stabiln renie (rast) trhliny - dka trhliny sa zvuje plynulo malou rchlosou.

Vyskytuje sa pri teen, nave a hevnatom lome kovovch materilov,

c) inicicia nestabilnej trhliny predstavuje krtky asov okamih pri prechode trhliny zo

stavu stabilnho do stavu nestabilnho rastu. Poda princpov lomovej mechaniky sa

trhlina zane rinestabilne (rozbehne sa), ak dka trhliny alebo hodnota psobiaceho

naptia dosiahne kritick vekos (energia elastickej naptosti dosiahne hodnotu

povrchovej energie novovznikajcich povrchov),

200 m 1 mm

100 m 50 m

62


63/163

degradacne procesy a predikcia zivotnosti

Documents