Stanovení mechanických vlastností okují metodou small punch test

prof. Ing. Miroslav Raudenský, CSc., prof. Ing. Jaroslav Horský, CSc., Ing. Jozef Hrabovský, Ph.D., Ing. Petr Kotrbáček, Ph.D. and Ing. Michal Pohanka, Ph.D.

Stáhnout článek v PDF

Cílem této práce bylo stanovit mechanické vlastnosti okují vytvořených oxidací za vysokých teplot na ocelovém povrchu. Studie byla provedena pro dva typy oceli: nízkouhlíkovou ocel DC 01 a křemíkovou ocel M47-FP s nízkým obsahem křemíku. Nízkouhlíková ocel reprezentovala typický materiál pro běžné aplikace. Křemíková ocel s nízkým obsahem křemíku odpovídala svým chemickým složením plechům používaným v elektrotechnice. Pro stanovení mechanických vlastností byl použit small punch test (SPT). Při tomto testu je do upnutého tenkého vzorku definovaného materiálu vtlačován hrot s kuličkou nebo zaoblený hrot. Kruhový vzorek je držen po svém obvodu mezikruhovými čelistmi a je deformován zvoleným hrotem ve vertikálním směru. Experiment a tedy celou úlohu je možné zjednodušit na osově symetrickou.

Vzorky s původní tloušťkou 0,5 mm, byly před provedením testu zokujeny při teplotě 1 000 °C. Oxidické vrstvy dosahovaly na uhlíkové oceli tlouštěk přes 100 μm a na křemíkové oceli kolem 25 μm. Vzniklé okuje se skládaly převážně z hematitu a magnetitu a jejich tloušťka závisela na době oxidace. Současně s testy zoxidovaných vzorků byly provedeny testy základního neoxidovaného materiálu. Všechny testy byly provedeny pro několik teplot deformovaného vzorku v teplotním rozsahu od 600 do 870 °C.

Článek popisuje metodu pro stanovení materiálových parametrů pro transformaci změřených křivek síla vs. posunutí na křivku napětí vs. přetvoření pro definovanou ocel za zvýšených teplot. Jako nástroj pro získání odpovídajících materiálových parametrů byl zvolen software Ansys Workbench. K popisu materiálového chování měřených vzorků byl použit Chabocheho model s kinematickým zpevněním.

Výpočet probíhal iteračně, protože současně s hledanými materiálovými parametry bylo nutné stanovit součinitele tření mezi nástrojem a vzorkem při dané teplotě. Zjištěné součinitele tření jsou jedním z výsledků tohoto výzkumu. Výsledné závislosti napětí — přetvoření jsou silně teplotně závislé a jsou popsány vztahem, pro který jsou materiálové konstanty zjištěny postupem uvedeným v článku. Tyto závislosti je možné využít například při výpočtech, ve kterých se řeší deformace tenkých ocelových vzorků s vrstvou oxidů. Popisovanou metodu je možné použít i v dalších technických aplikacích.