Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

Stanovení materiálových vlastností všech objektů patří mezi základní požadavky technické praxe. Vizitkou každého materiálu je soubor vlastnosti, na jejich základě je daný materiál předurčen pro konkrétně zatěžované součásti. Jsou to například mez kluzu Re a Rp0.2, mez pevnosti v tahu Rm, Youngův modul pružnosti v tahu E, exponent n a koeficient K deformačního zpevnění. Pro standardní statickou zkoušku v tahu se používají zvlášť vyrobené normalizované tyče, které jsou osově namáhané do konečného porušení (roztrhnutí). Tyto mechanické zkoušky se provádějí na speciálně vyrobených trhacích strojích různého zatížení a velikosti.

Vzhledem k tomu, že autoři pocházejí z Ústavu materiálového inženýrství FS ČVUT v Praze, vznikl nápad na rychlé metody měření na tomto pracovišti. Pracovnici ústavu materiálového inženýrství se setkávají s problémem ověřovaní mechanických vlastnosti malých nebo tenkých součástek, ze kterých nelze vyrobit zkušební tyče. Zadavatelé technických úloh požadovali rychlé určení, případně porovnaní materiálových vlastností, podle deklarovaných norem. Je známé, že vnikací metody do materiálů (jako měření tvrdosti) jsou rychlé a dobře ovladatelné. Z toho důvodu byl navržen indentor kulového tvaru, který by mohl být vtlačován do povrchu různých materiálů. Na základě poznatků o elasticko-plastickém chovaní materiálu mohla být sledována jeho odezva na lokální plastickou deformaci.
Ke vzniku měřicího systému přispěla skuteč¬nost, že autoři pracovali v letech 2014–2015 na projektu, díky němuž mohla být tato problematika řešena komplexně, to znamená zatěžování indentoru a jeho odezva v povrchu materiálu. K urychlení vypracovaní konstrukčního návrhu byli využité návrhy 3D modelu (obr. č.1). Reálné zařízeni je již v současnosti využíváno ke konkrétním zkouškám a prezentaci pro zájemce o toto měření a případnou spolupráci.

Obr. 1. 3D model zařízení

Princip vtlačování indentoru kulového tvaru do povrchu materiálu je již známý ze zkoušek tvrdosti (metody Rockvell a Brinell). Velké pokroky v jeho automatizaci byly aplikovány v letech 1970 až 1990, přestože o možnosti vypočtu pevnostních charakteristik materiálů a materiálových vlastností z hodnot tvrdosti se již hovořilo dávno. V inženýrské praxi byly sestaveny tabulky umožňující zjištěni hodnot meze pevnosti Rm na zaklade tvrdosti HB (platí pro oceli a litiny), které byly později normovany. V letech 1950 až 1970 o vztazích mezi pevností materiálu a tvrdosti psali významní vědci, jako R. Hill (Cambridge, 1950), D. Tabor (Oxford, 1951), K. L. Jonson (Cambridge, 1970 a 1985). Ale ještě předtím někteří z teoretiků, jako například v bývalém Sovětském svazu akademik A. J. Ishlinsky (A. J. Ishlinsky – The problem of plasticity with axial symmetry and Brinell’s test, 1944), potvrdili pomocí matematicko-fyzikálního modelovaní, že existuje dokonce vztah mezi mezí kluzu materiálu a číslem tvrdosti HB. Jak je vidět, uvedený princip vtlačování indentoru má bohatou historii a teoretickou podstatu. Dá se říci, že první automatické zařízení a instrumentované systémy pocházejí minimálně z roku 1980 až 1990. Vývojem těchto zkoušek se stále zabývají vědecká pracoviště z USA, Koreje, Ruska atd. Některá z nich dostala své systémy na velmi vysokou technickou úroveň a distribuují je po celém světě.

Prezentovaný přistroj je plně automatizované, multifunkční zařízení na zkoušení materiálových vlastností různých druhů strojírenských materiálů, jako jsou například tvrdost HB, mez pevnosti Rm, mez kluzu Rp0.2, modul pružnosti E nebo exponent n a koeficient K deformačního zpevnění. Metoda je nedestruktivní (což se u statické zkoušky nedá vyloučit), není proto nutné vytvářet zvlášť vzorky, díky čemuž se šetří čas a náklady na jejich výrobu. Získání množství parametrů z jednoho rychlého a jednoduchého měření přináší flexibilitu, což znamená, že i během provozu, při vývoji, ve výrobě nebo zpracování materiálu je možné zjistit změnu jeho materiálových vlastností. Tím se tato metodika stává expresní, protože jakákoliv změna chování materiálu může být signálem k následné kontrole, opravě nebo případně k přehodnocení technologického postupu výroby či vývoje. Obvykle se v průmyslu a výzkumu k plnění takového úkolu používá několik zkoušek na různých zkušebních přístrojích (tvrdoměry, trhací stroje, rázová kladiva apod.). Ale v některých případech se tyto zkoušky nedají aplikovat z následujících důvodů, například: malý objem materiálu, ze kterého se nedají připravit standardní vzorky, časový limit, když je potřeba rychle zjistit vlastnosti a následně změnit něco v technologickém procesu nebo kvůli složitosti tvaru konstrukce či výrobku, na kterém je potřeba zjistit distribuci mechanických vlastností.

Součástí prezentovaného měřicího systému je speciální software napojený na zařízení, který je uživatelsky příjemný a zároveň schopný zpracovávat průběžně získané hodnoty do protokolu (uvedeného na obrázku). Pro obsluhu a provoz zařízeni není nutností náročné zaškolování personálu. Bereme-li v úvahu, že tato zkušební metoda je aplikovatelná na jakýkoliv kovový materiál, mohou získané veličiny sloužit jako vstupní materiálové vlastnosti pro další výpočtové metody, kde lze na základě modelování souběžně predikovat budoucí chování zatěžovaného materiálu v daných konstrukčních prvcích. Výhodou přístroje je jeho možnost připojení na notebook či tablet.

Návrh software vycházel z předpokladu modulární koncepce. Obslužná aplikace pracuje pomocí PC s přehledným uživatelsky přátelským grafickým rozhraním. Tato aplikace byla implementována v jazyce C#. Znázornění hlavního okna programu je patrné z obrázku 3. Aplikace dovoluje pružně nastavovat parametry experimentu (čas, rychlost, hodnoty zatížení, počet cyklů), spustit a kdykoliv zastavit měření, ovládat pohony, ukládat naměřené hodnoty a data do protokolu v PDF formátu nebo exportovat do Excelu.

Mezi výhody výše prezentované metodiky zkoušení patří dostatečná přesnost měření, statistický počet snímaných dat a možnost rychlé, flexibilní kontroly i v terénu. Jedná se o nedestruktivní metodu měření a je možné ji využít pro kontrolu vlastnosti kovového materiálu, pro určení zbytkové životnosti konstrukčních prvků a strojírenských dílů. Výhodou je i rychlé porovnávání mechanických vlastností různých druhů strojírenských materiálů při jejich nákupu, průběžné ověřování mechanických vlastností různých druhů strojírenských materiálů při výrobě, vývoji a zpracování materiálů nebo kontrolu v mezioperačních stadiích.
Expimer vyniká svými malými rozměry, jednoduchým softwarem i obsluhou. V současnosti existuje několik variant tohoto zařízení a do budoucna bude k dispozici i miniaturní zařízení pro ruční měření či pro měření v kapalných a agresivních prostředích a v dalších extrémních podmínkách (např. při vysoké teplotě nebo vlhkosti).

Obr. 3. Znázornění hlavního okna programu a zpracování naměřených dat do protokolu
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Představené zařízení rychlého určování vybraných materiálových vlastností najde v současné době široké uplatnění jednak v metalurgických procesech po primární krystalizaci a jednak ve výrobních, montážních a technologických firmách a ve všech průmyslových odvětvích, které jsou závislé na nákupu a dodávkách materiálu od externího dodavatele domácího či zahraničního. Tato progresivní technologie rychlého určování materiálových vlastností zabrání záměně materiálů a tedy snížení finančních nákladů na kvalitní výrobu.

Autoři článku věří, že si toto zařízení najde uplatnění na domácím i zahraničním trhu a bude velmi prospěšným v současné dynamické době technologických převratů.

Zařízení vzniklo v rámci projektu „Materiálový výzkum pro InovaSEED“, reg. č. CZ.1.05/3.1.00/14.0301, který je spolufinancovaný z Evropského fondu pro regionální rozvoj prostřednictvím Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace a LO1207 účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“ MŠMT.

FS ČVUT v Praze, Ústav materiálového inženýrství
Max Puchnin, Františka Pešlová

maxim.puchnin@fs.cvut.cz

//umi.fs.cvut.cz