Zpevnění tuhého roztoku atomy příměsí

Podstatou tohoto zpevnění je různá velikost atomů přísadových prvků. Protože se velikost atomů legujících prvků a atomů železa liší, dochází k deformaci elementární mřížky základního kovu. Tím je bráněno volnému pohybu dislokací, což způsobí vlastní zpevnění materiálu. Atomy příměsí nahrazují atomy mřížky v jejich polohách (substituční zpevnění) nebo v prostorách mezi atomy mřížky (intersticiální zpevnění).

V případě substitučního zpevnění oceli přispívají ke zpevnění nejvíce atomy fosforu, křemíku, niklu a manganu. Naopak přidáním prvků, které tvoří intersticiální tuhé roztoky (uhlík, dusík, bór), dojde ke zvýšení pevnosti ocelí. Intersticiální atomy se musí vměstnat mezi základní atomy v mřížce, čímž dojde k nárůstu pružné deformace a vnitřního napětí. [7, 9, 17]

Pavel Hrdý 32 Teoretická část 2.2.7.3 Precipitační zpevnění

Při zpevnění částicemi jiných fází dochází k rozpadu přesyceného tuhého roztoku a vzniku nových fází v základní matrici materiálu. Tyto velmi tvrdé částice, vzniklé precipitací, brzdí pohyb dislokací, které zakotví na překážce a vytvoří okolo ní smyčky, a tím zvyšují pevnost. S rostoucím počtem smyček dojde ke vzniku vnitřních sil, které mají za následek zvýšení meze kluzu. [17, 18]

2.2.7.4 Deformační (dislokační) zpevnění

Deformační zpevnění je zpevnění způsobené dislokační substrukturou a probíhá během tváření za studena, při kterém vznikají velké plastické deformace. Vzniklé vady (dislokace) v kovové mřížce se hromadí uvnitř zrn tvářeného kovu, jsou zdrojem vnitřních napětí a způsobují vlastní zpevnění materiálu. Zpevněná mikrostruktura kovového materiálu obsahuje protažená zrna ve směru deformace. Průvodním jevem deformačního zpevnění je zvýšení pevnosti a pokles tažnosti. [7, 17, 18]

2.2.7.5 Zpevnění od hranic zrn

Nárůstu pevnosti je dosaženo u extrémně jemné struktury obvykle pomocí kontinuálního žíhání po válcování při martenzitické teplotě. Při rekrystalizaci se karbidy na hranicích jednotlivých zrn rozpouštějí a předávají uhlík základní kovové matrici materiálu. Současně se objevuje austenitická fáze, která se rychlým ochlazováním proudem vody mění na martenzit či bainit. [9, 18]

2.2.7.6 Zvýšení pevnosti pomocí tepelně mechanického zpracování

Vlastnosti ocelí je možné zlepšit kombinovaným účinkem tváření a tepelného zpracování – tepelně mechanickým zpracováním (TMZ). Tvářením austenitu dochází ke zjemnění jeho zrna, takže i fáze následujících přeměn (martenzit, ferit, perlit) budou jemnější. Při tváření za studena dochází ke zvýšení hustoty dislokací, které se hromadí na okraji zrn. Toto nahromadění na překážce způsobuje napětí, které vede ke zpevnění materiálu. [18, 21, 25]

Nízkoteplotní tepelně mechanické zpracování je založeno na austenitizaci a prudkém ochlazení do oblasti metastabilního austenitu. Následuje jeho zakalení na martenzit a popouštění při teplotách do 200 °C. [21]

Pavel Hrdý 33 Teoretická část Pro vysokoteplotní tepelně mechanické zpracování je charakteristické tváření v oblasti stabilního austenitu a následné zakalení. Tímto zpracováním se zvýší pevnost i lomová houževnatost materiálu. [21]

Izoforming je kombinace izotermické perlitické přeměny a deformace, kterou lze provést před nebo až v průběhu přeměny. Izoforming vede ke zjemnění a částečné sferoidizaci perlitu. [21]

Mezi nejpoužívanější TMZ u plechů s vyšší a vysokou pevností patří řízené válcování a ochlazování. Řízením teploty, času a úběru pří válcování dostaneme velmi jemné austenitické zrno, které při rychlém ochlazení transformujeme na jemnozrnný jehlicovitý ferit s vysokými hodnotami meze kluzu. Teplotou lze ovládat i úroveň precipitačního zpevnění plechů z mikrolegovaných ocelí. [9, 21, 22]

2.2.7.7 Výrobní technologie kalení lisováním

Tato nově vyvinutá výrobní technologie umožňuje vyrábět karosářské díly, které mají znaky hlubokotažných ocelí a zároveň dosahují pevnosti až 1700 MPa. Používá se pro martenzitické ocele, spojuje výhodu tváření za tepla, která dovoluje vyrábět komplexní hlubokotažné díly bez většího zpětného odpružení materiálu, s metodou zvýšení pevnosti ocelových materiálů prostřednictvím martenzitické přeměny austenitu.

Při této přeměně austenitu se změní kubická plošně orientovaná mřížka na tetragonální prostorově orientovanou mřížku. Tvoření martenzitu je ukončeno po dosažení teploty M_f. Při kalení se při teplotě nad AC3 mění stávající feritická struktura na kompletní austenitickou strukturu. Následně se plně austenitizovaný polotovar s horkým povrchem vloží do studeného nástroje v hlubokotažném lisu, zavřením nástroje dojde nejprve k tváření dílu a poté v uzavřeném nástroji k jeho zušlechtění. Podmínkou pro úplnou přeměnu na martenzit je nutnost ochlazení dílu co největší rychlostí tak, aby byla překročena kritická ochlazovací rychlost. V případě, že by byla rychlost ochlazení pomalá, může dojít ve struktuře dílu k tvorbě feritu, bainitu nebo perlitu. Tyto struktury snižují pevnost a tuhost dílu. Mez pevnosti před tepelným zpracováním (kalení lisováním) se pohybuje v rozmezí 500–750 MPa a mez kluzu je větší než 350 MPa.

Mikrostruktura je feriticko-perlitická. Mez pevnosti po kalení lisováním se pohybuje až na hranici 1700 MPa a výsledná mikrostruktura je čistě martenzitická. [11, 22, 26]

Pavel Hrdý 34 Teoretická část Na obr. 3.16 je vidět technologický postup výroby dílu termomechanickým zpracováním, kde na horním obrázku je přímý proces, na spodním obrázku je tzv. nepřímý proces, kde se před hlavní tvářecí operací za tepla realizuje předdeformace za studena. [22]

Obr. 2.19: Technologický postup výroby dílu termomechanickým zpracováním [22]

Lisování za tepla je technologie závislá na teplotě a času, probíhá v několika na sebe navazujících krocích. V prvním kroku se struktura polotovaru přemění z existující feriticko-perlitické struktury na strukturu austenitickou prostřednictvím ohřátí polotovaru v peci nad teplotu AC3 s výdrží na této teplotě. Tato prodleva je nutná, aby došlo ke kompletní přeměně struktury na austenitickou. V průměru je doba 4–7 minut. V druhém kroku se ohřátý polotovar vyjme z pece a vloží se do nástroje lisu.

Pro tuto přepravu je potřeba nějaký čas, během této doby dojde vlivem okolního vzduchu k ochlazení. Výše tepelné ztráty je závislá na tloušťce materiálu, u tloušťky 1,5 mm je ztráta zhruba 20 °C/s, u materiálu o tloušťce 2,5 mm asi 10 °C/s. Tyto teplotní ztráty je nutné kompenzovat, aby bylo zajištěno, že polotovar má při zahájení lisování austenitizační teplotu. Proto se v praxi nastavuje pec na 950 °C, pak je teplota o cca 150 °C vyšší než teplota AC3 (800 °C). Pokud se používají materiály bez povrchové úpravy, dochází při dopravě z pece k lisu k tvorbě okují, tomu nelze zabránit ani při ohřevu v peci s ochrannou atmosférou. V tomto případě lze tvorbě okují zabránit použitím povrchových úprav. [9, 11, 22, 26]

Pavel Hrdý 35 Teoretická část V dalším kroku výroby dojde k tváření s bezprostředně na to navazujícím zakalením ve studeném tvářecím nástroji. Aby bylo dosaženo maximální plastické tvařitelnosti, měly by být tepelné ztráty tvarovaného dílu co nejmenší, proto je nutná co nejvyšší rychlost uzavíracího beranu. Používané hydraulické lisy dosahují uzavíracích časů 1–2 sekundy. [9, 11, 22, 26]

Zatímco při tváření jsou žádoucí co nejmenší přechody tepla z dílu na nástroj, naopak po uzavření nástroje je potřeba co nejvyšší tepelnou výměnu mezi nástrojem a výliskem, aby se struktura tvářeného dílu ochladila tak rychle, až dojde k překročení kritické rychlosti chladnutí a k vytvoření martenzitické struktury. Po tváření zůstane nástroj tak dlouho uzavřený, až dojde k úplnému přetvoření martenzitické struktury.

To nastane v okamžiku, když teplota dílu poklesne pod teplotu M_f (cca 190 °C).

Pro zajištění toho, že se ve výlisku skutečně přemění všechen austenit na martenzit, měl by být nástroj otevřen, až když je teplota dílu 150–170 °C. [9, 11, 15, 22, 26]

Pavel Hrdý 36 Teoretická část

2.3 Vodíková křehkost

Vodíkový atom má nejjednodušší strukturu, skládá se z jediného protonu a jediného elektronu a v periodické tabulce prvků je na prvním místě. V plynné fázi tvoří vodík dvouatomové molekuly H2. Molekulární vodík za normální teploty a tlaku (až několik desítek MPa) nemá téměř žádný vliv na vlastnosti ocelí. Teprve za tlaků vyšších než 200 MPa a při zvýšených teplotách dochází na povrchu ocelových součástí k disociaci vodíku, atomární vodík pak difunduje v ionizovaném stavu mřížkou, kde způsobuje tzv. vodíkové zkřehnutí materiálu. Difuzi vodíku do kovu umožňují malé rozměry atomu. S rostoucím tlakem a teplotou se zvětšuje rozpustnost vodíku v železe a stupňovitě stoupá při 910 °C, kdy se ferit mění v austenit. Vodík se může do základního materiálu dostat již během její výroby nebo v atomární formě difunduje do součásti v průběhu jejího zhotovování, např. při procesech povrchových úprav (především při moření v kyselinách nebo při galvanických procesech vzniká následkem chemických, resp. elektrochemických procesů). Při elektrolýze nebo při jakékoliv reakci oceli s vodným prostředím, při níž vzniká vodík, se na povrchu kovu uvolňují jednotlivé atomy vodíku, které se okamžitě slučují na stálou molekulovou formu vodíku. Pokud atom vodíku při cestě na povrch narazí na nějakou nepravidelnost uvnitř kovu (vměstky, dutiny), začne se zde hromadit, čímž se v místě zvýší tlak, který může vést až k porušení soudržnosti materiálu, např. jak je zobrazeno na obrázku 2.20. Vodík může vnikat do materiálu i při použití nevhodných procesních kapalin (omílání, obrábění), ale i při korozi materiálu. [4, 15, 21, 27]

Obr. 2.20: Trhlina v rovinné části lomu způsobená vodíkem v oceli 22MnB5, zvětšeno 1000x. [15]

Pavel Hrdý 37 Teoretická část

2.3.1 Druhy vodíkové křehkosti v ocelích

Vodíková koroze je označení trvalých škod, které vodík způsobuje pod tlakem při vysokých teplotách. Metan uvolněný při reakci vodíku s uhlíkem v oceli rozrušuje kov do hloubky a oduhličení probíhá po hranicích zrn. Změny vlastností ocelí za normálních teplot se označují jako vodíková křehkost. Průvodní jevy vodíkové křehkosti jsou puchýře a trhlinky. [21, 27]

Pod pojmem vodíková křehkost rozumíme pokles plastických vlastností materiálu způsobený přítomností vodíku. Na vodíkovou křehkost je možno pohlížet jako na vnitřní vodíkové zkřehnutí, které je způsobeno vodíkem pohlceným v materiálu při výrobě, tepelném zpracování nebo různých technologických operacích bez přítomnosti korozního prostředí. Dále lze vyčlenit ještě vnější vodíkové zkřehnutí vyvolané atomárním vodíkem, který je ve styku s povrchem kovu a okolním korozním prostředím. Vodíkovou křehkost lze také rozlišit na vratnou a nevratnou. Vratná vodíková křehkost je degradace materiálu, která se projevuje jen po dobu přítomnosti vodíku. Pokud zdroj vodíku přestane působit, dojde po jisté době a za určitých okolností k obnově původních vlastností materiálu vyžíháním, oproti tomu nevratná vodíková křehkost trvá, i když zdroj vodíku přestane působit a k obnově vlastností materiálu již nedojde. [21, 27, 28, 29]

U materiálu za předpětí (např. u předepnutého šroubu) se nejprve vytvoří mikrotrhlina na povrchu. Vysoká koncentrace napětí na špičce trhlinky přitahuje atomy vodíku. Trhlinky za působení síly předpětí a působení vodíku se dále zvětší. Vzniká nová špička napětí, která způsobuje zkřehnutí materiálu. Pokud již zbývající průřez materiálu sílu předpětí neunese, dochází k náhlému lomu. [27, 29, 30]

2.3.2 Vliv vodíkové křehkosti na vlastnosti ocelí

Degradační účinek vodíku na vlastnosti ocelí bývá spojován s působením celé řady mechanismů, např. vznik vysokého aerostatického tlaku v okolí vměstků, trhlin nebo dutin, dále absorpce vodíku spojená s poklesem povrchové energie, snížení kohezivní pevnosti nebo interakce vodíku s dislokacemi. Vedle zkřehnutí materiálu se navodíkování může projevit vznikem tzv. zbržděných lomů, ke kterým dochází náhle po určité době zatížení při napětí nižším než mez kluzu. [21, 27, 28]

Pavel Hrdý 38 Teoretická část Vodíková křehkost výrazně snižuje tažnost a nemá vliv na tvrdost. Při velkých rychlostech zatěžování se křehkost při zkoušce tahem neprojeví, vliv na mez pevnosti v tahu je patrná jen při nízkých rychlostech zatěžování. Při velkých deformacích se ocel stává více náchylnou na vodíkovou křehkost. Oceli s austenitickou strukturou jsou vůči vodíkové křehkosti odolné. Je obecně prokázáno, že odolnost ocelí vůči vodíkové křehkosti klesá s rostoucí úrovní pevnosti materiálu. Nejméně odolné jsou vysokopevnostní oceli s mezí pevnosti vyšší než 1400 MPa. [21, 27, 28, 31]

S rostoucí teplotou se zvětšuje rychlost prostupu vodíku ocelí a roste nebezpečí hromadění vodíku v dutinách. Pokud se současně s teplotou zvyšuje i tlak, vodík získává schopnost rozkládat některé karbidy kovů, zejména cementit (Fe3C). Při reakci vodíku s cementitem vzniká metan, jehož molekuly jsou velké, nevejdou se do intersticiálních poloh mřížky a také nejsou schopny difundovat kovem. Ocel je pak namáhána velkým tlakem, vznikají trhlinky na rozhraní zrn, narušuje se mikrostruktura, ocel ztrácí svoji pevnost a tažnost, až následně dochází náhlému k praskání oceli. [27]

2.3.3 Vliv vodíkové křehkosti na mikrostrukturu

Nejcitlivější strukturní složkou z hlediska vodíkové křehkosti je martenzit, zejména v nepopuštěném nebo nízkopopuštěném stavu. Popuštěné struktury vykazují vyšší odolnost proti vodíkové křehkosti. Při popouštění dochází k poklesu tvrdosti a hlavně k poklesu vnitřního pnutí v matrici. U vysokopevnostních materiálů lze snížit citlivost oceli k vodíkové křehkosti zejména zjemněním zrna, zjemněním velikosti precipitovaných fází a modifikací vměstků. Rovněž tepelně mechanické zpracování potlačuje citlivost oceli k vodíkové křehkosti. [21, 27, 28, 29]

Mezi prvky škodlivé, tzn. takové, které snižují odolnost oceli vůči vodíkové

Pavel Hrdý 39 Teoretická část Některá z opatření k odstranění příčin vodíkové křehkosti při povrchových úpravách jsou např. změna polarity při elektrolytickém odmašťování, náhrada elektrolytického odmašťování čištěním za pomoci ultrazvuku, omezení doby moření nebo otryskání okují před mořením a žárovým zinkováním. [21, 27, 28, 29]

2.3.4 Povrchové vady způsobené přítomností vodíku

Běžnými poruchami v oceli způsobené za studena difundujícím vodíkem jsou puchýře. Jsou to viditelné deformace oceli, které tvoří vypouklá místa na povrchu v rozsahu až několika milimetrů. Vznikají působením difundujícího vodíku na místa v oceli, kde jsou např. zaválcované dutiny, vycezeniny nebo jiné vady vzniklé při výrobě oceli. Postupně se zde nashromáždí takové množství vodíku, až dojde k deformaci v místech nejmenšího odporu a vznikne puchýř (obr. 2.21). [27, 30]

Obr. 2.41: Ukázka poruch způsobených vodíkem [30]

Další častou poruchou je tzv. červíkovitá koroze. Je viditelná na povrchu oceli, u které byly částice okují nebo jiných cizích látek mělce zaválcovány do povrchu. Tato porucha vychází z přítomnosti puchýřů při současném působení chemické koroze. [27]

Pavel Hrdý 40 Teoretická část Drobnohledné trhlinky u povrchu materiálu porušují soudržnost v nejvíce namáhaných místech u odlitků nebo tlakových nádob. U tlakových nádob trhlinky leží kolmo k povrchu a snižují tak jejich pevnost. V případě odlitků drobné trhlinky vznikají při nestejnoměrném chladnutí nebo při smršťování, probíhají přes sebe a později dochází ke spojení ve větší trhliny. [27]

V případě použití ocelí bývají rozlišovány tři základní typy degradačních mechanismů v prostředí obsahující obecně vodík nebo sulfan H₂S (obr. 2.22). [30]

Nejběžnějším druhem vady je vodíkem indukované stupňovité praskání.

Jedná se o formu vnitřního poškození vodíkem bez spolupůsobení vnějšího zatěžování.

Při vzniku trhliny v blízkosti povrchu může dojít ke vzniku puchýřů na povrchu. [30]

Sulfidické praskání pod napětím je typické pro střední, někdy i vyšší pevnostní materiály, které jsou namáhány vnějším zatížením. Charakteristickým projevem degradace kovových materiálů při současném spolupůsobení vodíku a vnějšího zatěžování je vznik, tzv. „rybích ok“. Jedná se o okrouhlé oblasti, v jejichž středu se nachází, nebo nacházel, nekovový vměstek, který inicioval poškození materiálu. [30]

Obr. 2.22: Charakter trhlin pro jednotlivé typy vodíkové křehkosti [30]

Pavel Hrdý 41 Teoretická část Napěťově orientované vodíkem indukované praskání je zvláštní typ vodíkové křehkosti, který se vyskytuje především v tepelně ovlivněných oblastech svarových spojů. Typickým znakem je přítomnost trhlin rovnoběžných s povrchem, a po dosažení určitého stupně deformace v závislosti na obsahu vodíku v kovu nastává křehký lom. U vzorků s velkou pevností, které jsou bohatě nasyceny vodíkem, se na ploše lomu vytvoří tzv. rybí oka, tj. lesklá místa, na nichž je zřejmé, že porušení soudržnosti kovu vzniklo uvnitř vzorku dříve, než proběhl lom. Projevy vratné a nevratné vodíkové křehkosti se nejčastěji experimentálně studují technikami měření podmínek potřebných pro vznik předčasných lomů a technikami měření parametrů lomové houževnatosti za spolupůsobení vodíku. Pro zjištění míry, do jaké kov zkřehl, jsou nejvhodnější běžné zkušební tyče pro zkoušení jednoosým tahem i speciálně upravené tyče např. s vrubem nebo jednoduché ocelové pásky pro zkoušení ohybem.

Vyhodnocení vodíkové křehkosti se běžně provádí pomocí zkoušek mechanických vlastností, vizuálními zkouškami, analytickými metodami a především statickými zkouškami namáhání. [21, 27, 30]

2.3.5.1 Zkoušky tahem

Předčasný lom je křehký lom, který nastává u zkoušky v tahu při zatížením nižším, než je pevnost v tahu nebo dokonce nižším, než je mez kluzu zkoušeného materiálu. Příčinou vzniku předčasného lomu mohou být povrchové nebo vnitřní trhliny vyvolané mj. i působením vodíku. Hodnocení odolnosti ocelí vůči praskání pod tahovým napětím spočívá v konstantním zatěžování upravené hladké zkušební tyče ve zkušebním roztoku nasyceném ve vodíkovém prostředí (např. sulfanem, viz obr.

2.23) nebo se tyče elektrolyticky vodíkují po určitou dobu (např. 1000 minut).

Stanovuje se napětí, které nevede po době trvání zkoušky (standardně 720 hodin) k porušení tělesa nebo k iniciaci poruch na povrchu vzorků viditelných při desetinásobném zvětšení. Materiál musí vydržet zatížení alespoň 0,8 R_e. [21, 30, 32]

Pavel Hrdý 42 Teoretická část Obr. 2.23: Princip zkoušky tahem ve vodíkovém prostředí [30]

Možnou modifikaci výše uvedeného testování udává norma ČSN EN 2832 (Vodíková křehkost ocelí – zkouška tahem na zkušebním tělese s vrubem). Norma určuje zkušební metodu ke stanovení vodíkové křehkosti ocelí během chemických nebo elektrolytických povrchových úprav zkouškou tahem na zkušebním tělese s vrubem (obr. 2.24). Zkušební tělesa musí být po dobu 200 hodin zatížena při okolní teplotě na hodnotu 75 % pevnosti v tahu tyče s vrubem bez povrchové úpravy. Do 200 hodin není přípustný žádný lom zkušební tyče. [33]

Obr. 2.24: Zkušební těleso s vrubem [upraveno podle 33]

Pavel Hrdý 43 Teoretická část Zatížení zkušebního tělesa libovolného tvaru může být provedeno také např.

ve speciálních přípravcích. Na obr. 2.25 je uveden zkušební přípravek, který umožňuje vyvodit zatěžující sílu šroubem podloženým talířovými pružinami. Zkušební těleso je od vzorku odizolováno teflonovou vložkou, která je umístěna na opačné straně přípravku, než jsou pružiny. Zkušební těleso je zatěžováno v přípravku pomocí snímače podélné deformace a je vystaveno působení zkušebního roztoku po celou dobu zkoušky.

[30]

Obr. 2.25: Přípravek pro testování odolnosti vůči vodíkové křehkosti [30]

Při zkoušení ohybem se kovové pásky nechají nasytit vodíkem, připevní se mezi čelisti ohýbacího přípravku a dochází k ohýbání pásku o 180° až do viditelného porušení soudržnosti vzorku. [27]

2.3.5.2 Zkoušení součástí s povrchovými úpravami

Při procesech povrchových úprav, především při moření v kyselinách nebo při galvanických procesech, vzniká následkem chemických, resp. elektrochemických procesů vodík, jehož určitá část může difundovat do materiálu. Těmito procesy prochází při své výrobě i spojovací materiál, proto tyto součásti mohou být velmi často napadeny vodíkovou křehkostí. Norma ČSN ISO 15330 (Spojovací součásti – zátěžová zkouška pro zjištění vodíkové křehkosti – metoda rovnoběžné opěrné plochy) stanovuje zátěžovou zkoušku, která umožní zjistit výskyt vodíkové křehkosti u spojovacích součástí při pokojové teplotě. Je vhodná pro šrouby, matice a podložky vyrobené z oceli a namáhány tahem. U spojovacích součástí se stanoví tzv. testovací utahovací moment.

Součásti jsou vystaveny napětí v pásmu meze kluzu po dobu alespoň 48 hodin. Každých 24 hodin jsou spojovací součásti povoleny a znovu dotaženy na hodnotu testovacího

Pavel Hrdý 44 Teoretická část napětí a kontrolovány, zda se u nich vyskytlo porušení vlivem vodíkové křehkosti.

Zkouška musí být provedena nejdéle 24 hodin po poslední výrobní operaci. [28, 34]

2.3.5.3 Hodnocení ocelí vůči vodíkem indukovanému praskání

Zkouška spočívá v metalografickém hodnocení výskytu trhlin na výbrusech

Zkouška spočívá v metalografickém hodnocení výskytu trhlin na výbrusech