3.7 Vliv difúzního svařování na tvrdost v TOO
3.7.1 Postup pro měření pevnosti svarového spoje
Zkouška tvrdosti dle ČSN EN ISO 9015-1 byla provedena pro 2 metalografické výbrusy a to konkrétně pro vzorky T530_F314_t40_vac a T530_F314_t80_vac. Oba vzorky byly příčně rozříznuty 5,2 mm (resp. 29,8 mm) od difúzního spoje (obr. 3.14) a poté byly rozříznuty v podélné ose vzorku.
49
Obr. 3.14 Rozměry metalografického výbrusu určeného pro zkoušku tvrdosti HV 5 Vzorky byly umístěny do formičky o průměru d=50 mm a následně zality do hmoty Dentacryl. Poté byly vzorky vybroušeny a na závěr také vyleštěny pomocí diamantové suspenze.
U obou vzorků byla měřena tvrdost v celé délce výbrusu, přičemž řada vtisků vedla prostředkem vzorku (v ose výbrusu). První vtisk byl umístěn 1 mm od okraje vzorku a každý následný byl vzdálen 1 mm. Celkem tak bylo provedeno a vyhodnoceno 34 vtisků u každého vzorku. Měření tvrdosti proběhlo na rakouském tvrdoměru značky Queness A30 (obr. 3.15).
Obr. 3.15 Průběh měření tvrdosti pomocí tvrdoměru Queness A30
50 3.7.2 Vyhodnocení výsledků tvrdosti
Pro přehlednost byl zhotoven graf, který popisuje průběh poklesu tvrdosti v závislosti na vzdálenosti pro vzorek, který byl podroben difúznímu svařování po dobu 80 min (obr. 3.16).
Obr. 3.16 Průběh tvrdosti vzorku T530_f314_t80_vac
Z obr. 3.16 je patrné, že k největšímu poklesu tvrdosti nedošlo v místě difúzního spoje, ale přibližně 15 mm od počátku souřadnicového systému. Tvrdost byla naměřena pouze na polovině válcového vzorku z důvodu symetrie. Hodnoty tvrdosti vzorků pro svařo-vací časy 40 a 80 min jsou zobrazeny v Příloze 5 a 6. Pro porovnání vlivu difúzního svařování na materiál AW 6082 byla zhotovena zkouška tvrdosti dle Vickerse HV 10 pro základní materiál, která je uvedena v Příloze 8.
Pro měření mikrotvrdosti bylo použito stejné zařízení, jako při zkouškách tvrdosti se stejným vnikacím tělesem (čtyřboký diamantový jehlan). Zkoušky se lišily pouze v zatížení, které zde činilo HV 0.05. Měření mikrotvrdosti proběhlo v okolí difúzního spoje ve vzdálenosti ±1 mm se vzdáleností středů vtisků 0,1 mm. Toto měření mělo potvrdit, zda v těsné blízkosti spoje nevznikají nežádoucí struktury bránící difúzi. Vý-sledek měření je ukázán v grafu na obr. 3.17. Celkem bylo zhotoveno 21 vpichů. Namě-řené hodnoty mikrotvrdosti jsou uvedeny v Příloze 7.
51
Obr. 3.17 Průběh mikrotvrdosti vzorku T530_f314_t80_vac 3.8 Vliv tepelného zpracování na změnu mechanických vlastností 3.8.1 Výběr vhodné technologie tepelného zpracování
Při návrhu nejvýhodnějšího postupu tepelného zpracování byla prostudována diplomová práce, která se zabývala tepelným zpracováním svarových spojů slitiny AW 6082 od autora Riedla 2016[2]. Diplomová práce se zabývá nalezením nejoptimálnějších pa-rametrů pro spoje, vytvořené tavným svařováním a aplikace rozpouštěcího žíhání a ná-sledného umělého stárnutí. K získání požadovaných mechanických vlastností v TOO svaru, byly stanoveny výdrže umělého stárnutí při teplotě 165°C po dobu 2, 4, 8, 22 hodin a to pro rozpouštěcí žíhání při teplotě 530°C a výdržích na teplotě 1 a 5 hodin (tab. 3.6).
Tab. 3.6. Plán experimentů pro získání nejlepších hodnot tvrdosti [2]
Rozpouštěcí žíhání 1 hodina při 530°C Rozpouštěcí žíhání 5 hodin při 530°C Doba umělého stárnutí při teplotě 165°C Doba umělého stárnutí při teplotě 165°C
0 h 2 h 4 h 8 h 22 h 0 h 2 h 4 h 8 h 22 h
Při rozpouštěcím žíhání dochází k převedení intermetalické fáze Mg2Si do tuhého roz-toku, což má za následek snížení tvrdosti v základním materiálu. Z grafu na obrázku
Pořadí jednotlivých vpichů - vzdálenost středů vpichů 0,1 mm
Hodnoty mikrotvrdosti
52
Obr. 3.18 Průběh tvrdosti vzorků po rozp. žíhání 1 hod pro všechny varianty [2]
3.8.2 Aplikace tepelného zpracování na výsledný difúzní spoj
Pro aplikaci tepelného zpracování byl vybrán vzorek s nejlepšími mechanickými vlast-nostmi po tahové zkoušce (T530_f314_t180_vac). Od tepelného zpracování vzorku se očekával nárůst mechanických vlastností, které byly vlivem difúzního svařování v TOO sníženy. Se získanými poznatky o tepelném zpracování byl určen postup, který se skládal z rozpouštěcího žíhání při teplotě 530°C s výdrží po dobu 1 h s náběhem na teplotu rychlostí 10°C.s-1. Výdrž na této teplotě způsobuje převod intermetalických fází do tuhého roztoku. Následovalo rychlé ochlazení vzorku ve vodě, což mělo za ná-sledek vzniku přesyceného tuhého roztoku α. Po ochlazení vzorku nadkritickou rychlos-tí byl vzorek přesunut do druhé pece, kde bylo aplikováno umělé stárnurychlos-tí při teplotě 165°C s výdrží na expoziční teplotě po dobu 8 h. Téměř ihned po tepelném zpracování byl vzorek podroben tahové zkoušce. Z výsledků je zřejmé, že pevnost v tahu zůstala stejná jako u vzorku bez tepelného zpracování. Protože došlo téměř k úplnému obnove-ní mechanických vlastností základobnove-ního materiálu, vzorek byl porušen v místě spoje a nedošlo tak opět ani k dosažení pevnosti na mezi kluzu.
Pro srovnání výsledných mechanických vlastností difúzního spoje byly tepelně zpraco-vány válcové vzorky základního materiálu. Dva vzorky (RŽ_T530_1h) o rozměrech 100x10 mm byly podrobeny pouze rozpouštěcímu žíhání při teplotě 530°C se stejným
53
náběhem teploty, jako tomu bylo u difúzního spoje. Další dva vzorky základního mate-riálu (RŽ_T530_1h_US165_8h) o stejných rozměrech byly tepelně zpracovány roz-pouštěcím žíháním, rychlým ochlazením do vody a následným umělým stárnutím při teplotě 165°C po dobu 8 h. Na závěr byly ještě dva vzorky (RŽ_T530_1h_PS_31d) ne-chány po rozpouštěcím žíhání přirozeně stárnout po dobu 31 dní.
3.8.3 Srovnání mechanických vlastností po tepelném zpracování
Postup při tepelném zpracování vzorků byl téměř totožný za účelem přesného srovnání dosažených výsledků. Měření vlastností se uskutečnilo pomocí mechanické zkoušky tahem. Dosažené výsledky jsou zaznamenány v tab. 3.7.
Tab. 3.7. Hodnoty mechanické zkoušky tahem vzorků po tepelném zpracování
Vzorek D0 [mm] Rp0,2[MPa] Rm[MPa] Ag[%] A20 [%]
Z tabulky je patrné, že pomocí tepelného zpracování lze alespoň částečně obnovit me-chanické vlastnosti, které se snižují u vytvrditelných slitin hliníku ohřevem nad 200°C.
Nejlepších vlastností bylo dosaženo pomocí rozpouštěcího žíhání při teplotě 530°C, následným ochlazením nadkritickou rychlostí a umělým stárnutím na teplotě 165°C po dobu 8 hod. Došlo ke zvýšení meze pevnosti v tahu a k nepatrnému nárůstu tažnosti vzhledem k základnímu materiálu.
54
4 Závěr
Kvalita difúzního spoje se odvíjí od mnoha počátečních parametrů. Mezi tyto parametry můžeme s jistotou zařadit druh a čistotu materiálu, přípravu svarových ploch, ochranné prostředí, či drsnost stykových ploch vzorků. Nemalou roli v kvalitě difúzního spoje hraje vhodně zvolená teplota, tlak i čas. Všechny tyto veličiny mají dopad na výsledné mechanické vlastnosti spoje. Cílem této bakalářské práce bylo zjistit vhodné počáteční parametry pro difúzní spoje materiálu EN AW 6082. Dále vliv difúzního svařování na materiálové vlastnosti.
Jak bylo v práci ukázáno, při svařování dochází k odpevnění materiálu, což má značný vliv na mechanické vlastnosti. Proto zde byla snaha o obnovení mechanických vlastnos-tí, které by se blížily mechanickým vlastnostem základního materiálu.
Bakalářská práce byla rozdělena do dvou částí na teoretickou a experimentální část.
V teoretické části je popsáno difúzní svařování a je nastíněn proces difúze. Dále je zde popsán dynamický simulátor Gleeble 3500, na kterém se odehrávalo značné množství experimentů. V závěru teoretické části jsou uvedeny základní informace o svařovaném materiálu hliníkové slitiny EN AW 6082.
Experimentální část bakalářské práce se zabývá nalezením vhodných svařovacích para-metrů pro hliníkový materiál. Při simulacích se prokázalo, že nemalou překážkou při difúzním svařování hliníkových slitin je tenká vrstva Al2O3 , která musí být odstra-něna chemickou cestou. Odstranění mechanicky bylo nedostatečné. Pro difúzní svařo-vání byly nejlepší podmínky dosaženy při teplotě 530°C a tlaku 4 MPa. Přestože to zpočátku vypadalo, že optimálním časem difúze je doba 180 minut, poslední výsled-ky s aplikací tepelného zpracování ukázaly, že budou pravděpodobně dostatečné časy s výdrží mezi 40 a 80 minutami.
Při testování kvality mechanického spoje bylo využito statické zkoušky tahem, která dávala velice přesně zpětnou vazbu při optimalizaci procesních parametrů. Přičemž vliv teplotních polí na změny materiálu v podélném směru byl vyhodnocen pomocí zkoušek tvrdosti dle Vickerse.
Protože již nelze materiál svařovat při vyšších expozičních teplotách a navyšování doby difúze nepřináší výrazné zlepšení mechanických vlastností spoje, dává tato práce dopo-ručení zaměřit výzkum u tohoto materiálu na vliv přítlační síly (tlaku). V rámci práce byly provedeny testy mapující možnost obnovy mechanických vlastností tepelným zpracováním a to jak pro základní materiál, tak také pro difúzně vytvořené spoje.
55
5 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
[1] ROLEČEK, Jakub. Mechanické vlastnosti a struktura slitiny hliníku po tepelném zpracování. Brno, 2012. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství. Vedoucí práce Ing. MARTIN JULIŠ, Ph.D.
[2] RIEDL, Ladislav. Vliv umělého a přirozeného stárnutí na mechanické vlastnosti svarů u vytvrditelných slitin hliníku AW 6082. Liberec, 2015. Bakalářská práce. Tech-nická univerzita Liberec, Fakulta strojní. Vedoucí práce Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.
[3] KAZAKOV, Nikolaj Fedotovič. Difúzní svařování. 1. vyd. Praha: Státní nakladatel-ství technické literatury, 1983.
[4] TURŇA, Milan. Špeciálnemetódyzvárania. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 1989. Edíci-astrojárskejliteratúry (Alfa).
[5] MORAVEC, Jaromír. Teorie svařování a pájení II: speciální metody svařování.
Vyd. 1. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2009. ISBN 9788073724399.
[6] CALLISTER, William D. Materials science and engineering: anintroduction. 6th ed.
New York: John Wiley and Sons, Inc., 2003, 820 s. ISBN 0-471-22471-5.
[7] SMITHELLS, Colin J, Eric A BRANDES a G BROOK. Smithells metals reference book. 7th ed. / editedby E.A.Brandes and G.B. Brook. Boston: Butterworth-Heinemann, 1992. ISBN 0750610204.
[8] AWS Welding Handbook: Welding Science and Technology. 9th Ed., Vol. 1, 2001.
[9] PTÁČEK, Luděk et al. Nauka o materiálu. 2. opr. a rozš. vyd. Brno: CERM, 2003, 516 s. ISBN 80-7204-283-1.
[10]MORAVEC, Jaromír a Josef BRADÁČ. Možnosti a využití teplotně-napěťového simulátoru Gleeble při výzkumu technologické zpracovatelnosti materiálů. Vyd. 1. Li-berec: Technická univerzita, 2014. ISBN 978-80-7494-138-2.
[11]Gleeble. Products: Gleeble 3500 [online]. New York [cit. 2016-03-18]. Dostupné z:
http://gleeble.com/
[12] Thermometricks. Thermocouples [online]. [cit. 2016-03-18]. Dostupné z:
http://www.thermometricscorp.com/thermocouple.html
[13]MICHNA,Š., LUKÁČ, 1. a OČENÁŠEK, V.Encyklopedie hliníku. 1. vyd. Přešov, 2005. 700 s. ISBN 80-89041-88-4
[14]ATWOOD, D.A., YEARWOOD, B.C. Thefutureofaluminum chemismy. Journalo-fOrganometallicChemistry. 200, roč. 600, s. 186-197. ISSN 0022-328X. Dostupné z www.sciencedirect.com
56
[15] KOLEKTIV ČESKOSLOVENSKÝCH, maďarských, německých a polských auto-rů. Příručka o hliníku. 1. vyd. Praha:SNTL, 1969,707 s. Řada strojír. literatury.
[16] TVAŘITELNOST SLITIN HLINÍKU, Pavel Solfronk, Iva Nová, Iva Nováková, Liberec 2012, 154s.
[17] KŘÍŽ, Rudolf a Pavel VÁVRA. Strojírenská příručka. Praha: Scientia, 1992. ISBN 80-03-00680-5.
[18] LEINVEBER, Jan a Pavel VÁVRA. Strojnické tabulky: pomocná učebnice pro školy technického zaměření. 4., dopl. vyd. Úvaly: Albra, 2008. ISBN 9788073610517.
[19] Nedalextrusion: Nedalaluminium. Http://www.nedal.nl/ [online]. [cit. 2016-03-18].
Dostupné z: www.nedalextrusion.com/files/9913/0678/5555/Data_6082.pdf
[20] KOLAŘÍK, Ladislav. Svařitelnost hliníkových slitin. Trendy: Spojování a dělení.
Praha, 2011, (4).
[21] KOUTNÝ, Jiří. Hliník a možnosti jeho svařování [online]., 24 [cit. 2016-04-05].
Dostupné z:
http://www.svarbazar.cz/phprs/download.php?akce=detail&id_detail=8&sekce=1 [22] BLAHÁK, Petr. Svařování konstrukce z hliníkové slitiny. Brno, 2012. Bakalářská práce. Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologie. Vedoucí práce Ing.
Jaroslav Kubíček.
[23] DIETRICH, Dennis D. Journalofmaterial science: Formationofintermetallicphases in diffusion-weldedjointsof aluminium and magnesium alloys. Springer US, 2011. DOI:
10.1007/s10853-010-4841-5. ISSN 1573-4803.
[24] HUANG, Y. Materials Science and Engineering: A: Diffusionbondingofsuperplas-tic 7075 aluminium alloy. 1999, 266. DOI: 10.1016/S0921-5093(98)00958-7.
[25] Kislexikon [online]. [cit. 2016-05-08]. Dostupné z:
http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/Folysav.htm
[26] LOSOS, Ludvík. Vitráže. Praha: Grada, 2006. Řemesla, tradice, technika. ISBN 8024714051
57
Seznam příloh
Příloha 1: Grafické znázornění deformace vzorku T530_f314_t40_ar s obrázkem vý-sledného difúzního spoje
Příloha 2: Grafické znázornění deformace vzorku T530_f314_t80_ar s obrázkem vý-sledného difúzního spoje
Příloha 3: Grafické znázornění deformace vzorku T530_f314_t40_vac s obrázkem vý-sledného difúzního spoje
Příloha 4: Grafické znázornění deformace vzorku T530_f314_t80_vac s obrázkem vý-sledného difúzního spoje
Příloha 5: Hodnoty tvrdosti HV 5vzorku T530_f314_t40_vac zhotovené v ose výbrusu Příloha 6: Hodnoty tvrdosti HV 5 vzorku T530_f314_t80_vac zhotovené v ose výbrusu Příloha 7: Hodnoty mikrotvrdosti HV 0,05 vzorku T530_f314_t80_vac zhotovené v okolí svaru (±1 mm)
Příloha 8: Hodnoty tvrdosti HV 10 základního materiálu
Přílohy
Příloha 1 Průběh deformace v závislosti na čase
Grafické znázornění pro vzorek T530_f314_t40_ar
Obrázek výsledného difúzního spoje T530_f314_t40_ar
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Deformace [mm]
Čas [s]
Deformace v závislosti na čase
Příloha 2 Průběh deformace v závislosti na čase
Grafické znázornění pro vzorek T530_f314_t80_ar
Obrázek výsledného difúzního spoje T530_f314_t80_ar
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Deformace [mm]
Čas [s]
Deformace v závislosti na čase
Příloha 3 Průběh deformace v závislosti na čase
Grafické znázornění pro vzorek T530_f314_t40_vac
Obrázek výsledného difúzního spoje T530_f314_t40_vac
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Deformace [mm]
Čas [s]
Deformace v závislosti na čase
Příloha 4 Průběh deformace v závislosti na čase
Grafické znázornění pro vzorek T530_f314_t80_vac
Obrázek výsledného difúzního spoje T530_f314_t80_vac
Příloha 5 Hodnoty tvrdostí v závislosti na vzdálenosti od počátku souřadnicového systému Tvrdosti po difúzním svařování vzorku T530_F314_t40_vac
Pořadí Souřadnice x[mm] Tvrdost HV 5 Oblast umístění vpichu
1 1,0 88,9 ZM
Příloha 6 Hodnoty tvrdostí v závislosti na vzdálenosti od počátku souřadnicového systému Tvrdosti HV 5 po difúzním svařování vzorku T530_F314_t80_vac
Pořadí Souřadnice x [mm] Tvrdost HV 5 Oblast umístění vpichu
1 1,0 94,8 ZM
Příloha 7 Hodnoty mikrotvrdosti v okolí difúzního spoje (±1 mm)
Tvrdosti HV 5 po difúzním svařování vzorku T530_F314_t80_vac
Pořadí Tvrdost HV 5 Oblast umístění vpichu
1 69,6 okolí difúzního svaru
Příloha 8 Hodnoty tvrdosti HV 10 základního materiálu
Pořadí Souřadnice x [mm] Tvrdost HV 5 Oblast umístění vpichu
1 1,0 96,5 ZM
2 4,0 95.4 ZM
3 7,0 95,9 ZM
4 10,0 94,2 ZM
5 13,0 96,2 ZM
6 16,0 95,0 ZM
7 19,0 95,6 ZM
8 22,0 94,1 ZM
9 25,0 96,3 ZM
10 28,0 96,2 ZM
11 31,0 95,4 ZM
12 34,0 94,8 ZM