VLIV VELIKOSTI ÚTVARŮ GRAFITU NA RYCHLOST ZVUKU

(1)

TU Liberec

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ

KATEDRA MATERIÁLU

VLIV VELIKOSTI ÚTVARŮ GRAFITU NA RYCHLOST ZVUKU

THE EFFECT OF THE GRAPHITE PARTICLES‘

SIZE AT THE SOUND VELOCITY

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Monika Bejčková

(2)

TU Liberec

Technická univerzita v Liberci

Fakulta strojní Katedra materiálu

Studijní program: M 2301 Strojní inženýrství

Obor: 2303 T 002 Strojírenská technologie Zaměření: Materiálové inženýrství

VLIV VELIKOSTI ÚTVARŮ GRAFITU NA RYCHLOST ZVUKU

KMT – 199

Monika Bejčková

Vedoucí diplomové práce: Doc.Ing. Břetislav Skrbek CSc.

Rozsah práce a příloh:

Počet stran: 61

Počet obrázků: 33 Počet tabulek: 14

Počet grafů: 10

V Liberci 20.5.2005

(3)

TU Liberec

TÉMA: VLIV VELIKOSTI ÚTVARŮ GRAFITU NA RYCHLOST ZVUKU

ANOTACE:

Tato diplomová práce se zabývá vlivem velikosti útvarů grafitu na rychlost zvuku.

Jedná se o nedestruktivní kontrolní metodu na jejímž základě by bylo možno velmi rychle stanovit odlišnosti ve struktuře odlitků.

Cílem je na základě vyhodnocení provedeného experimentu stanovit matematické vztahy, na jejichž základě by bylo možno relativně rychle kontrolovat velikost grafitu v odlitku za předpokladu známého tvaru grafitu.

THEME: T H E E F F E C T O F T H E G R A P H I T E

P A R T I C L E S ‘ S I ZE A T T H E S O U N D V E L O C I T Y ABSTRACT:

This diploma project is about the effect of the graphite particle's size at the sound velocity. It is non-destructive control method that is able to quickly determine differences in the castings’ structure.

The aim of this project is to provide mathematical equations on the basis of experimental evaluation. These equations are used for relatively fast check of the graphite's size in castings, if the graphite's shape is already known.

(4)

TU Liberec

Prohlášení

Byla jsem seznámena s tím, že na moji diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo) a § 35 (o nevýdělečném užití díla k vnitřní potřebě školy).

Beru na vědomí, že TU Liberec má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědoma toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TU Liberec, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

V Liberci 20. května 2005 …..………..

Monika Bejčková

(5)

TU Liberec

Místopřísežné prohlášení

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury pod vedením vedoucího diplomové práce.

V Liberci dne 20.5 2005 ………..

Monika Bejčková

(6)

TU Liberec

Poděkování:

Touto cestou bych chtěla poděkovat vedoucímu diplomové práce doc. Ing.

Břetislavu Skrbkovi, CSc. za podnětné rady a připomínky při vedení této diplomové práce, dále všem na katedře materiálů za poskytnuté informace a pomoc.

Děkuji také svým rodičům za jejich podporu v průběhu celého studia a všem svým přátelům.

(7)

TU Liberec Strana 6/ 61

Obsah

1. Úvod... 9

2. Principy ultrazvukového určování materiálových vlastností a hledání vad materiálu………..10

2.1. Fyzikální princip ultrazvukové defektoskopie... 10

2.2. Metody ultrazvukové defektoskopie... 11

2.2.1. Metoda průchodová ... 11

2.2.2. Metoda odrazová... 12

2.2.3. Metoda rezonanční... 15

2.2.4. Metoda umožňující zviditelnění vnitřních vln... 16

2.3. Zjistitelné vady ultrazvukovou defektoskopií... 19

2.4. Určování mechanických a fyzikálních vlastností materiálu ... 20

2.4.1. Měření rychlosti šíření ultrazvuku... 20

2.4.2. Měření útlumu... 21

2.5. Posuzování struktury a složení materiálu ... 22

3. Způsoby metalografického a nedestruktivního hodnocení grafitu v litinách ... 23

3.1. Způsoby metalografického hodnocení grafitu v litinách ... 23

3.1.1. Vliv velikosti grafitu na vlastnosti litiny ... 26

3.1.2. Řízení velikosti grafitu v slévárenské metalurgii ... 27

3.1.2.1. Modifikace ... 27

3.1.2.2. Očkování litiny s kuličkovým grafitem ... 29

3.1.3. Vliv chemického složení na krystalizaci a strukturu ... 30

3.1.3.1. Přehled vlivu základních prvků na strukturu a vlastnosti litin... 31

3.1.3.2. Legury, stopové prvky a nečistoty... 32

3.1.4. Hodnocení chemického složení litin... 32

3.1.4.1. Uhlíkový ekvivalent... 32

3.1.4.2. Stupeň eutektičnosti... 34

3.1.4.3. Grafitizační koeficient ... 34

3.2. Nedestruktivní diagnostika vlastností litin ... 34

3.2.1. Druhy litin... 34

3.2.2. Interakce struktury litiny s akustickými vlastnostmi ... 35

4. Akustická diagnostika určující množství kuličkového tvaru grafitu v litinách .. 38

4.1. Akustické metody zkoušení ... 38

4.1.1. Rezonanční zkoušení ... 39

(8)

5. Závislost velikosti grafitu na rychlosti zvuku... 43

6. Stanovení matematického vztahu zkoumaného problému... 46

6.1. Sestavení rovnic... 46

6.2. Ověření vztahů... 47

6.2.1. Metalografické výbrusy a jejich vyhodnocení... 48

7. Diskuze ... 54

8. Závěr ... 58

9. Seznam použité literatury ... 59

(9)

Seznam použitých symbolů, zkratek a značek

Symbol Jednotka Název

c [m/s] rychlost

CE - uhlíkový ekvivalent

cL [m/s] podélná rychlost zvuku

cL0 [m/s] rychlost zvuku ocelové matrice litiny = 5920 m/s d [cm] tloušťka měřeného materiálu

D/H - geometrická štíhlost

E [MPa] modul pružnosti v tahu fr [Hz] vlastní rezonanční frekvence G [MPa] modul pružnosti ve smyku KG - grafitizační koeficient

L [mm] přímá dráha (tloušťkou prozvučované stěny l [µm] velikost útvarů grafitu

LKG - litina s kuličkovým grafitem LLG - litina s lupínkovým grafitem

Lu [mm] hodnota akustické dráhy

mi [-] koeficient vlivu (ekvivalence) prvku Xi

n [µs] doba průchodu ultrazvuku

r [mm] vzdálenost od zdroje nebo tloušťka tlumící vrstvy R [%] velikost odrazu tlaku akustické vlny z rozhraní zpět

sE - stupeň eutektičnosti

U0 [dB] amplituda vlnění pro r=0

Ur [dB] amplituda vlnění

x [mm] tloušťka materiálu, ve které je ultrazvuk absorbován Z [MPa/s] vlnový odpor vůči matrici

Zg [MPa/s] vlnový odpor grafitu Zm [MPa/s] vlnový odpor matrice

α [dB/mm] koeficient útlumu

λ, µ - Laméova konstanta

ρ [kg/m³] Hustota (měrná hmotnost)

σ - Poissonova konstanta

(10)

1. Úvod

Trendy dnešní doby v oboru slévárenství jdou rychle vpřed a s nimi i nároky na kvalitu a spolehlivost odlitků z grafitických litin.

V souvislosti se zvyšováním kvality výrobků se klade stále větší důraz na jejich důslednou kontrolu, ať už na vstupní, výstupní nebo mezioperační. Proto kontrola materiálů a výrobků bez porušení má velký význam.

Stále se hledají další, co nejvhodnější, metody pro určování tvaru grafitu.

Tato diplomová práce je zaměřena na zkoumání jedné z metod určování velikosti útvarů grafitu, a sice metodu ultrazvukovou.

V současnosti se velikost grafitu určuje pomocí kontrolní tyčky, která se musí též odlít, poté se provede metalografický rozbor, to znamená metalografický výbrus a zhodnocení pod mikroskopem. Tato kontrola je velmi zdlouhavá a vyhodnocování je velice subjektivní. Klasické destruktivní postupy zjišťování struktury litých odlitků ztrácejí význam u velkých a drahých odlitků, brání rychlé kontrole struktury a to i v místech tvarově těžko dostupných těmto metodám.

Úkolem práce je stanovit matematické vztahy, díky kterým by se na základě měření rychlosti zvuku zjistila velikost útvarů grafitu za předpokladu známého tvaru grafitu.

Jedná se především o kontrolní metodu, která nám pomůže velmi rychle zjistit případné nesrovnalosti ve struktuře odlitků.

Dosažené výsledky v této práci naznačují možný směr vyhodnocování velikosti grafitu v litinách pomocí ultrazvuku za předpokladu známého tvaru grafitu.

Práce si klade za cíl publikovat jeden z nedestruktivních postupů určování velikosti grafitu, neboť tyto zatím publikovány nebyly.

(11)

Teoretická část:

2. Principy ultrazvukového určování materiálových vlastností a hledání vad materiálu

2.1. Fyzikální princip ultrazvukové defektoskopie

Podstatou akustických vln všech frekvencí jsou elastické kmity, které se šíří od místa k místu rychlostí, závislou na mechanických vlastnostech prostředí a nepřesahují rámec pružné deformace. Kmitočet vlnění může být různý a závisí na zdroji vlnění. [1]

Podle směru kmitání částic na směr šíření vlny rozlišujeme vlnění podélné, příčné, povrchové, deskové, ohybové, torzní atd. Rychlost šíření ultrazvukových vln je závislá na druhu látky a druhu šířícího se vlnění. Např. rychlost šíření podélných vln je ve vzduchu 330 m/s, ve vodě 1500 m/s, v oceli 5800 m/s. Příčné vlny mají oproti podélným v tuhých látkách přibližně poloviční rychlost.

V materiálu lze ultrazvukem prokázat jen takovou vadu jejíž příčné rozměry kolmé na směr šíření vlnění jsou větší než poloviční délka vlny. Při menším rozměru vady dochází k ohybu ultrazvukových vln a vada není zjistitelná. Prochází-li ultrazvukové vlnění pružným homogenním prostředím, dochází k jeho zeslabení. To znamená, že intenzita vlnění a amplituda kmitů se zmenšuje se vzdáleností od zdroje.

Závislost amplitudy vlnění na vzdálenosti od zdroje:

Ur = U0 . r^α.r (1)

kde: U0…….amplituda pro r=0 [dB],

α……...konstanta závislá na vlastnostech materiálu, určuje rychlost poklesu amplitudy a nazývá se koeficient útlumu [dB/mm],

r…….. vzdálenost od zdroje nebo tloušťka tlumící vrstvy [mm].

Kmitočtová hranice slyšitelnosti, tj. vnímavosti zvuku sluchovými orgány, se pohybuje v rozmezí od 16 do 20 kHz a nazývá se slyšitelný zvuk. Vlnění pod pásmem slyšitelnosti (pod 16 Hz) se nazývá infrazvuk a nad pásmem slyšitelnosti (nad 20kHz) ultrazvuk.

Ultrazvuk se liší od slyšitelného zvuku jen kmitočtem, ale jeho fyzikální podstata je stejná. [1]

(12)

2.2. Metody ultrazvukové defektoskopie

2.2.1. Metoda průchodová

Podstatou průchodové metody je měření hodnoty ultrazvukové energie, která projde zkoušeným předmětem. Využívají se dvě ultrazvukové sondy, které se umístí vždy souose na protilehlých stěnách zkoušeného materiálu (viz obr.1). Jedna sonda pracuje jako vysílač ultrazvukové energie a druhá jako přijímač. Je-li v materiálu vada nebo jiná nehomogenita, na jejíž ploše se odrážejí ultrazvukové vlny, vzniká za vadou ultrazvukový stín a do přijímače přichází menší hodnota energie. Vada se zjišťuje porovnáním hodnot přijaté energie materiálem neporušeným a vadným.

Tato metoda je vhodná pro zkoušení materiálů menších tloušťek, ale je omezena pro zkoušení předmětů přístupných z obou stran, protože je nutno nastavit sondy souose. A jen ke kontrole předmětů s rovnoběžnými povrchy (rovinnými nebo zakřivenými).

Uplatňují se hlavně při kontrole plechů (zejména tenkých), plátovaných materiálů, ložiskových pánví apod.

Všeobecně je tato metoda však méně citlivá. Její rozlišovací schopnost je malá a velmi závislá na tloušťce kontrolovaného předmětu. [1], [6]

Obr. 1.: Princip průchodové metody [6]

(13)

Přístroje a sondy

Při průchodových metodách lze použít měniče jak se spojitým ultrazvukovým svazkem, tak impulsním.

Tyto přístroje se skládají z vysokofrekvenčního generátoru, který budí elektroakustický měnič spojitými kmity, a z vysokofrekvenčního zesilovače, který zesiluje přijímané signály. Rozsah používaných frekvencí je 0,1 – 10 MHz. Sondy jsou buď křemenné, nebo baryumtitanové, vysílací i přijímací, mají stejné uspořádání, měniče jsou netlumené. Užívají se sondy pro podélné vlny. Měniče pracují v rezonanci, proto je nutno při změně frekvence změnit i sondu. [1]

2.2.2. Metoda odrazová

Odrazová metoda patří mezi nejrozšířenější, dává nejvíce informací o zkoušeném materiálu. Je založena na pulzní činnosti. Krátkodobý ultrazvukový impuls se vysílá do zkoušeného materiálu. V něm se odráží od protilehlé stěny nebo od možné vady a na téže straně, na níž je vysíláno, se opět přijímá (obr. 2), buď na tentýž nebo druhý měnič (jednosondový nebo dvousondový provoz), který pracuje jako přijímač. Působením řídícího impulsu se rozkmitá oscilační obvod generátoru (vysokofrekvenčního oscilátoru s frekvencí od 0,5 do 5 MHz). Jeho kmity se přenesou na křemenný krystal umístěný ve vysílači, který vyšle do zkoušeného materiálu svazek ultrazvukových vln.

Část budicího impulsu se při tom zavede přes zesilovač do oscilografu, na jehož stínítku se objeví kmit - základní echo.

Svazek ultrazvukových vln prostupuje materiálem, narazí na protější stěnu, tam se odrazí a vrátí se zpět do přijímače, kde rozkmitá jeho krystal. Vzniklé elektrické kmity se vedou přes zesilovač do oscilografu, na jehož stínítku se objeví koncové echo. Je-li v materiálu vada (trhlina, dutina apod.), odrazí se od ní část ultrazvukových vln. Ty dospějí do přijímače dříve a na stínítku oscilografu se projeví jako poruchové echo.

Vzdálenost mezi počátečním a koncovým echem je úměrná tloušťce zkoušeného předmětu a vzdálenost mezi počátečním a poruchovým echem hloubce vady l.

Tato metoda je velmi citlivá. Stačí, když je přístupná jen jedna strana. Metoda je vhodná pro kontrolu materiálů tlustších než 10 mm. [1], [6]

(14)

Obr. 2.: Princip ultrazvukového defektoskopu [6]

Sondy

Používá se dvou typů sond:

a) čelní b) úhlové

Čelní sondy:

Rovina měniče je rovnoběžná s povrchem zkoušeného předmětu. Uspořádání sondy:

elektroakustický měnič je přitmelen na tlumící tělísko, které je zalito plastickou hmotou, v níž je popř. i přizpůsobovací cívka. Důležitým požadavkem je, aby tlumící tělísko mělo dostatečně vysoký vlnový akustický odpor, dostatečnou absorpci (aby se nevraceli odrazy od jeho povrchu na měnič) a dokonalé spojení mezi měničem a tělískem. Jako materiál pro tlumící tělíska jsou výhodné umělé pryskyřice s přídavkem kovového

Obr. 3.: Čelní sonda 1 - měnič

2 - plastická hmota 3 – kontakt [1]

(15)

prášku pro zvýšení útlumu. [1]

Zpravidla bývají defektoskopické měniče kryty ochrannou vrstvou z plastické hmoty, jejichž tloušťka musí být volena tak, aby vrstva byla v rezonanci buď půlvlnné nebo čtvrtvlnné. Se zřetelem k citlivosti a mrtvému pásmu je přesné ladění sondy nutné.

[1]

Úhlové sondy:

Jsou konstruovány pro vysílání ultrazvukových vln do zkoušeného materiálu pod určitým úhlem (čelní vysílají kolmo). U těchto sond se užívá transformace podélných vln na vlny příčné na rozhraní klínu sondy (do něhož akustický měnič vysílá podélné vlny) a zkoušeného materiálu.

Úhlová sonda se skládá z piezoelementu 1,

klínu z plexiskla 2, absorpční látky 3, pouzdra 4 a kontaktního kolíku 5. Citlivost těchto sond závisí na akustickém měniči, jeho tlumení a na úhlu klínu. Je-li úhel klínu větší než kritický úhel 27,2°, pak se šíří v oceli jen příčná vlna a to pod úhlem 33,5°. Úhlové sondy se vyrábějí pod úhlem 35°, 45°, 60°, 70° a 80°. Se stoupajícím úhlem zpravidla klesá citlivost sondy, až při úhlu 90° příčná vlna zaniká.

Absorpční látka má za úkol pohltit odraženou podélnou i příčnou vlnu, vznikající na povrchu klínu. Při nedostatečné absorpci vznikají za počátečním impulsem parazitní echa.

Úhlové sondy s úhlem klínu větším než druhý kritický úhel se používají pro buzení vln povrchových, a jsou i potřebné pro buzení deskových vln. [1]

Způsoby zobrazování při impulsní odrazové metodě

Rozlišujeme tři způsoby zobrazování ultrazvukových indikací, které označujeme A, B a C.

Při zobrazování A (obr.5a) je obraz na stínítku obrazovky přístroje charakterizován vystupujícími echy, a to podle obr.5a počátečním 1, koncovým 2 a v případě indikované vady poruchovým echem 3. Vzdálenost mezi echy 1 a 2 odpovídá tloušťce zkoušeného materiálu nebo 1 a 3 hloubce vady.

Obr. 4.: Úhlová sonda [1]

(16)

Při zobrazování B (obr.5b) je horizontální výchylka elektronového paprsku řízena synchronně s pohybem sondy a doba šíření zvuku v materiálu odpovídá výchylce vertikální. Přitom jsou zobrazovány vady hloubkové i délkové.

Při zobrazování C (obr.5c) se zobrazuje odpovídající vyšetřovaná část materiálu plošně, přičemž se vykreslí vada ve svém obrysu tj. relativně věrně dle polohy a velikosti. Pohyb sondy a elektrického paprsku je přitom souhlasný a zobrazení obrysu vady odpovídá skutečnosti v poměrné velikosti. Zobrazení B je vhodným doplňkem zobrazení A. [1]

Ultrazvukové impulsní odrazové metody se používá ke kontrole tvaru grafitu velkých litinových odlitků při kusové nebo malosériové výrobě. Hodnotí se lokální objem litiny mezi paralelními plochami stěn. Nepříznivé ovlivnění výsledku drsností litého povrchu se eliminuje jeho úpravou nebo měřením přes silnější stěnu L > 20 mm.

Pro nasazení ve velkosériové výrobě se nyní používá imerzního způsobu kontroly, kdy se odlitky ponoří do vodní lázně a sonda ultrazvukového přístroje je proměřuje přes vodní sloupec. Vyhodnocení se provádí automaticky. [5]

2.2.3. Metoda rezonanční

Princip rezonanční metody spočívá v tom, že se frekvence ultrazvukových vln mění do okamžiku, kdy tloušťka zkoušeného materiálu je rovna celistvému násobku jedné poloviny vlnové délky. V tomto okamžiku vzniká v materiálu stojatá vlna, která je registrována přístrojem.

Při této rezonanční metodě je ve většině případů ultrazvukový svazek vysílán spojitě a jen ve výjimečných případech impulsně.

Tato metoda je vhodná pro kontrolu rovnoběžných ploch, které mohou být zpřístupněny jen z jedné strany. Tloušťka takto kontrolovaných stěn se může pohybovat od 0,1 do 100mm. Jakákoliv změna tloušťky nebo přítomnost vady rovnoběžné s povrchem pak vede k tomu, že rezonující vlna vypadne z rezonance, což je zaznamenáno přístrojem. Nevýhodou této metody je, že s údajů o výpadku rezonance

Obr. 5.: Způsoby zobrazování [1]

(17)

nelze určit hloubku nebo velikost zjištěné vady. Další nevýhodou je, že musí být dodržena rovnoběžnost zkoušených ploch. Rovněž velikost měniče a zvolená frekvence musí zaručit, že zkouška probíhá pouze v blízkém poli měniče, kdy nedochází k rozbíhavosti ultrazvukového svazku.[10]

Přístroje rezonanční metody

Přístroje pro rezonanční metodu jsou uváděny do rezonance buď ručně, nebo při auto matickém zkoušení elektrickým automatickým obvodem.

Rezonance měřeného předmětu se indikuje impulsem na stínítku, které se vyhodnocuje podle cejchované stupnice, která se umísťuje před obrazovku. Před měřením je nutno přístroj nastavit podle vzorku známé tloušťky a určit základní harmonickou frekvenci. Sondy se mění podle frekvenčního rozsahu. [1], [10]

Obr. 6.: Schéma rezonančního přístroje pro měření tloušťek C – kondenzátor, L – indukční cívka,

1 – měnič, 2 – kontrolovaný materiál [1]

2.2.4. Metoda umožňující zviditelnění vnitřních vln

Při této metodě se ultrazvukové vlnění vysílá do zkoušeného předmětu spojitě.

Princip metody spočívá v průchodu ultrazvuku materiálem a ultrazvukovou optikou.

Tato vytváří podle zákonů geometrické optiky obraz eventuální poruchy na přijímači, který je vlastně měničem obrazu, neboť mění ultrazvukový obraz na viditelný. Na rozdíl od předcházejících metod umožňuje tato metoda zjistit nejen přítomnost vady, ale poznat i její tvar, popř. určit i druh. [1]

(18)

Základní způsoby aplikace a užívané přístroje a) Reliéfní způsob zviditelnění

Ultrazvukové vlny procházejí zkoušeným předmětem a dopadají zespoda na hladinu kapaliny, která se deformuje podle dopadající intenzity ultrazvukového vlnění. Reliéf kapaliny zviditelníme pomocí šikmého osvětlení ze zdroje světla. Obraz je promítnut soustavou zrcadel na stínítko. Příkladem je defektoskop podle Shustera. [1]

Obr. 7.: Defektoskop podle Shustera [1]

1- měnič, 2- poloha zkoušeného předmětu, 3- optika, 4- propustné sklo, 5,6- zrcadlo, 7,8,9 – objektivy, 10 – polopropustná deska, 11- clona, 12 - stínítko

b) Defektoskop podle Pohlmanna

Ultrazvukové vlny dopadají do úzké kyvety, v níž je suspenze drobných hliníkových částeček. S dopadající intenzitou ultrazvuku stoupá orientace částic hliníku, toto je zviditelněno šikmo dopadajícím světlem. [1]

Obr. 8.: Defektoskop podle Pohlmanna [1]

1- UZ vysílač, 2- UZ přijímač, A- zvuková čočka, B- kyveta měniče obrazu, C- pozorovací otvor, D- žárovka, E- imerzní akustická vazba, F- křemenný měnič

(19)

c) Elektronický měnič obrazu

Dopadem ultrazvukových vln na piezoelektrický element vzniká elektrický náboj, jehož velikost je úměrná intenzitě ultrazvuku v daném bodě. Napětí se snímá elektronicky, zesiluje se elektronkovým zesilovačem a převádí na indikační obrazovku.

Příkladem je Sokolův defektoskop (obr.9), nebo defektoskop podle Ardena (obr.10), který použil jako měniče fotokatody. [1]

Obr. 9.: Sokolův defektoskop 1- měnič, 2- předmět, 3- optika, 4- přijímací křemenný výbrus [1]

Obr. 10.: Defektoskop podle Ardena 1, 2, 3 – elektrody, 4- stínítko, 5 – foto-katoda, 6- předmět [1]

(20)

2.3. Zjistitelné vady ultrazvukovou defektoskopií

Při kontrole ultrazvukem nelze jednoznačně určit o jaký typ vady ve skutečnosti jde.

Lze však pravděpodobný typ zjištěné vady usuzovat podle vzhledu indikace a jejího dynamického průběhu při pohybu sondy.

Schematické znázornění některých typických vnitřních vad materiálu a jejich ultrazvukové indikace jsou znázorněny na obrázku 11. [1]

Obr. 11.: Příklady UZ indikací různých typů vad

a) zdvojení, b) póry, c) dutiny, d) pórovitost, e) tepelné trhliny, f) trhliny vzniklé pnutím, g) „tráva“ od hrubé struktury materiálu [1]

(21)

2.4. Určování mechanických a fyzikálních vlastností materiálu

Mechanické a fyzikální vlastnosti materiálu je možno zjišťovat na základě měření rychlosti šíření ultrazvukového svazku zkoušeným materiálem, nebo na základě útlumu.

Mechanické chování materiálu je charakterizováno tzv. Laméovými konstantami λ a µ, jejichž vztah k modulu pružnosti v tahu E, ve smyku G a Poissonově konstantě σ je dán výrazy :

(

σ

)(

σ

)

λ σ

. 2 1 1

.

−

= + E

(2) =

(

^E+

)

⁼^G

µ σ 1 .

2 (3)

kde: λ a µ……Laméovy konstanty [-]

E………. modulu pružnosti v tahu [MPa]

G……….modul pružnosti ve smyku [MPa]

σ ……… Poissonova konstanta [-]

Rychlost šíření ultrazvukových vln závisí na Laméových konstantách a na hustotě ρ.

V plynech a kapalinách je µ=0. [1]

2.4.1. Měření rychlosti šíření ultrazvuku

Rychlost lze měřit průchodovou nebo odrazovou metodou.

Při průchodové metodě se měří doba průchodu ultrazvukového svazku zkoušeným materiálem známé tloušťky a rychlost se vypočte:

t

c= d (4)

kde: c……rychlost [m/s]

d……tloušťka měřeného materiálu [cm]

t…….doba průchodu ultrazvuku [s]

Měření rychlosti šíření ultrazvuku odrazovou metodou se provádí podobně jako měření tloušťky. Odečte se buď počet vícenásobných impulsů, nebo počet značek mezi počátečním a koncovým impulsem.

(22)

Rychlost se vypočte:

t

c=2.d (5)

kde: d……tloušťka měřeného materiálu [m]

t…….časový interval mezi pulsy [s]

Protože při odrazové metodě koná ultrazvukový svazek dvojnásobnou dráhu, je třeba ve výpočtu uvažovat dvojnásobnou tloušťku 2d. [1]

2.4.2. Měření útlumu

Prochází-li vlnění jakýmkoli prostředím, dochází k jeho tlumení.

Zmenšuje se amplituda kmitání a také intenzity částic prostředí U0 ve vzdálenosti x od zdroje podle exponenciálních vztahů:

x

U e

U =

₀

.

⁻^α^. (6)

x

I e

I =

₀

.

⁻²^α^. ₍₇₎

kde: U……amplituda vlnění [dB], α……koeficient útlumu [dB/mm],

x……tloušťka materiálu, ve které je ultrazvuk absorbován [mm], I…….intenzita vlnění.

Stanovení koeficientu útlumu záleží na srovnání výšky koncových impulsů buď srovnáním prvního koncového echa od etalonu s prvním koncovým echem od výrobku (metoda srovnávací), nebo srovnáním dvou následných koncových ech (metoda vícenásobných ech). Měření se provádí kontaktním nebo imerzním způsobem. Útlum materiálu se udává v Neperech na jednotku délky [Neper.mm^-1] nebo v decibelech [dB.mm^-1].

1Neper = 8,65 dB 1dB = 0115 Neper [1]

(23)

2.5. Posuzování struktury a složení materiálu

Protože struktura a složení materiálu má velmi podstatný vliv na některé veličiny ultrazvuku při jeho průchodu látkou, využívá se změn těchto veličin k posuzování stavu struktury, popř. složení. Opět (jako u mechanických a fyzikálních vlastností) je možno posuzovat na základě rychlosti, ale lépe na základě útlumu.

Ultrazvuková metoda hodnocení struktury spočívá v přivedení ultrazvukové vlny do zkoušeného předmětu a pozorováním změny amplitudy při vícenásobném odrazu.

Stupeň nerovnoměrnosti struktury se určí z útlumu podle vztahu:

r

U e

U =

₀

.

⁻^α^. (8)

kde: U0…….amplituda vlnění pro r=0 [dB],

α…….. konstanta určuje rychlost poklesu amplitudy a nazývá se koeficientem útlumu [dB/mm],

r……... je vzdálenost nebo tloušťka tlumící vrstvy [mm].

V hrubozrnném materiálu je útlum ultrazvukových vln větší než v jemnozrnném. Pro posouzení velikosti zrna struktury se zavádí pojem strukturní koeficienty. Tyto jsou v podstatě poměrem amplitud zpětných odrazů za použití různých frekvencí, ale při stálém zesílení a lze je vyjádřit vztahy:

1 2

1 .

. f U

f

K =U (9);

1 3

2 .

. f U

f

K =U (10);

1 4

3 .

. f U

f

K =U (11)

kde: K1, K2, K3 jsou strukturní koeficienty a Uf1, Uf2, Uf3, Uf4 je amplituda signálu při určitém zesílení a odpovídající frekvencím f1, f2, f3, f4, přičemž frekvence f1 se volí tak, aby Uf1=0 pro hrubozrnné materiály.

Strukturní koeficienty se určí na etalonových vzorcích. Etalonové vzorky musí být zhotoveny ze stejného materiálu, stejného rozměru a musí mít stejnou kvalitu povrchu jako kontrolovaná součást.

Tato metoda se hodí pro kontrolu tepelného zpracování, kontrolu struktury litin atd.

[1]

(24)

3. Způsoby metalografického a nedestruktivního hodnocení grafitu v litinách

3.1. Způsoby metalografického hodnocení grafitu v litinách

Způsoby metalurgického hodnocení grafitu v litinách jsou uvedeny v normě ČSN 42 0461. Zde uvádím jen výňatek hodnocení, které jsem použila pro zpracování mé diplomové práce.

Odběr a příprava vzorků:

1) Struktura litin se hodnotí na odebraných vzorcích nebo přímo na odlitku. Vzorky se získají :

a) odběrem z vhodného místa hrubého odlitku b) odběrem se zkušebních těles, přilitých k odlitku

c) odběrem z oddělených litých těles, určených ke zjišťování mechanických vlastností litiny

2) Místa odběru vzorků a místa přilití zkušebních těles k odlitkům se stanoví dohodou a vyznačí se na výkrese odlitku.

3) Místo přilití a velikost zkušebních těles se volí s ohledem na strukturní anisotropii litin.

4) Jestliže se odlitky tepelně zpracovávají, odebírají se vzorky z odlitků a z přilitých zkušebních těles až po jejich společném tepelném zpracování s odlitky.

5) Vzorky se odebírají způsoby, které nevyvolávají změny v jejich struktuře.

6) Vzorky pro přípravu metalografických výbrusů musí mít velikost, umožňující získání potřebných informací o struktuře litiny. Z odlitků s velkou tloušťkou stěny nebo ze zkušebních těles přilitých k těmto odlitkům se odebírají vzorky, umožňující přípravu výbrusů zpravidla o ploše 4 až 6 cm². U tenkostěnných odlitků se odebírají vzorky, umožňující přípravu výbrusů zpravidla o ploše 0,5 až 1 cm². U drobných odlitků lze připravovat výbrusy o menší ploše.

(25)

Příprava výbrusů:

1) Každý metalografický výbrus musí být dokonale připraven, trvale označen a evidován

2) Vzorky se musí vybrousit na brusných papírech o různých zrnitostech.

3) Musí se vyleštit na kotoučích z perforovaného plátna s použitím diamantové brusné suspenze.

4) Před vyhodnocením struktury se vzorky musí naleptat leptadlem vhodným pro určitý druh materiálu, vhodné leptadlo najdeme v normě ČSN 42 0461

Místa hodnocení struktury:

Struktura se hodnotí v jedné třetině až jedné čtvrtině tloušťky stěny (průměru). Při hodnocení struktury přímo na odlitku se výbrus připravuje v hloubce, odpovídající přípravku na obrábění. V technicky opodstatněných případech mohou být dohodnuty jiné podmínky. [11]

Hodnocení grafitu:

Všechny parametry grafitu se určují při stonásobném zvětšení.

Grafit se hodnotí podle normy ČSN EN ISO 945, která obdobně jako původní norma ČSN 420461 zařazuje grafit do 6-ti tříd – obr.13 [9]

Tvar grafitu:

I – lupínkový grafit II – pavoučkový grafit III - červíkovitý grafit IV – vločkový grafit

V – nedokonale kuličkový grafit VI – pravidelně kuličkový grafit [9]

Obr. 12.: Tvar grafitu [9]

(26)

Velikost grafitu:

- vyhodnocení se provádí obvykle pomocí etalonů uvedených v normě.

Označení třídy velikosti Velikost grafitu µm

1 nad 1000

2 nad 500 do 1000

3 nad 250 do 500

4 nad 120 do 250

5 nad 60 do 120

6 nad 30 do 60

7 nad 15 do 30

8 do 15

Tab. 1.: Velikost grafitu [11]

Rozložení grafitu:

Hodnotí se u lupínkového grafitu. Grafit může být ve struktuře rozložen ve formě pravidelných, stejnoměrně velkých útvarů, nebo nerovnoměrně, kdy tvoří útvary nestejně velké nebo místně nahromaděné. [9]

A – rovnoměrné rozložení B – růžicové

C – smíšené

D – mezidendritické neusměrněné E – mezidendritické usměrněné [9]

Obr. 13.: Rozložení grafitu [9]

Obsah perlitu nebo feritu:

Stanovuje se na vzorku v naleptaném stavu. Vhodné leptadlo najdeme v normě ČSN 420461.

Stanoví se při stonásobném zvětšení jako průměr hodnot, zjištěných na třech místech výbrusu podle etalonové řady a označuje se podle tab.2. [11]

(27)

Označení výsledku Obsah perlitu % Označení výsledku Obsah feritu %

P nad 98 Fe 0 do 2

P 96 nad 94 do 98 Fe 4 nad 2 do 6

P 92 nad 90 do 94 Fe 8 nad 6 do 10

P 85 nad 80 do 90 Fe 15 nad 10 do 20

P 70 nad 60 do 80 Fe 30 nad 20 do 40

P 45 nad 30 do 60 Fe 55 nad 40 do 70

P 20 nad 10 do 30 Fe 80 nad 70 do 90

P 6 nad 2 do 10 Fe 94 nad 90 do 98

P 0 do 2 Fe nad 98

Tab. 2.: Obsah perlitu nebo feritu [11]

3.1.1. Vliv velikosti grafitu na vlastnosti litiny

Mechanické vlastnosti

LKG není pouze jeden samostatný materiál, ale celá skupiny materiálů nabízející širokou škálu vlastností, které lze dosáhnout řízením mikrostruktury. Společným znakem všech LKG je přibližně kuličkový tvar vyloučeného grafitu. Rovnoměrně vyloučený grafit ve formě kuliček umožňuje LKG vysokou tažnost a pevnost srovnatelnou s většinou litých i tvářených ocelí.

Čím více se tvar grafitu blíží dokonalé kuličce, tím více roste pevnost a rázová houževnatost materiálu. Zvyšováním počtu kuliček dochází k poklesu jejich velikosti, což zlepšuje pevnost a únavové vlastnosti LKG.

Mez únavy součástí z LKG je nejvíce ovlivněna pevností materiálu, velikostí, tvarem a rozložením kuliček grafitu, množstvím karbidů a různých vměstků, přítomností vrubů a v neposlední řadě stavem povrchu součásti (válcováním součásti lze zvýšit její mez únavy o 200-300%).[16]

Graf 1.: Závislost nodularity grafitu na mezi únavy [16]

(28)

Pro litinu se 100% GIII se uvádí hodnota vL = 5300 při matrici F100. Grafické vyjádření ve vztahu k mechanickým vlastnostem podává obr. 14 [5]

Obr. 14.: Vztah množství grafitu GVI a GIII v litině k jejím vlastnostem [5]

3.1.2. Řízení velikosti grafitu v slévárenské metalurgii

3.1.2.1. Modifikace

Stěžejní operací metalurgické úpravy tekuté litiny při odlévání litiny s kuličkovým grafitem je modifikace hořčíkem, který působí velké povrchové napětí taveniny.

Vysoké povrchové napětí brání vylučování grafitu ve formě lupínků. Umožní krystalizaci grafitu ve tvaru kuliček. Modifikační účinek Mg v tavenině však trvá maximálně několik desítek minut. Vysoké obsahy S a O v tavenině modifikační účinek však krátí, proto nutno modifikaci kontrolovat. Ultrazvuková rychlozkouška účinků modifikace se provádí na zkušebním odlitku (zakaleném ihned po ukončení eutektické reakce) ve tvaru klínku ještě před odlitím litiny do forem a po odlití posledního odlitku z modifikovaného množství litiny. Množství červíkového grafitu GIII má být max 80%.[5]

(29)

Metoda Inmold

Prakticky u všech modifikačních metod je velkým problémem odeznívání modifikačního účinku a tím omezená doba mezi modifikací a litím. Tuto nevýhodu odstraňuje metoda Inmold, u níž probíhá modifikace samostatně v každé formě.

K modifikaci dochází ve speciální modifikační komůrce, která je součástí vtokové soustavy. Do komůrky se vsype přesně odměřená dávka předslitiny FeSiMg s obsahem 3-5%Mg. Neočkuje se. K modifikaci dojde v průběhu lití. Strusku, která při modifikaci vzniká, je nutno zachycovat v části vtokové soustavy, která následuje za komůrkou (obvykle pomocí filtrů). Aby množství strusky bylo malé, je bezpodmínečně nutné odlévat litiny s výchozím obsahem do 0,01%S. Využití hořčíku je 60-80%. Schéma vtokové soustavy je na obr.15.

Obr. 15.: Vtoková soustava metody Inmold [9]

Konstrukce komůrky musí zajistit postupnou reakci po dobu lití. Pro volbu zaplnění komůrky se uvádí řada doporučení.

Konkrétní provedení vtokové soustavy a komůrky je však bezpodmínečné nutné odzkoušet pro každý druh formy. (různé odlitky a jejich uspořádání ve formě) Nevýhodou metody je snížení využití tekutého kovu a nižší využitelnost plochy dělící roviny formy.

Při použití metody Inmold je nutno zajistit:

- spolehlivé dávkování modifikovadla do každé formy, nejlépe robotem - konstantní kvalitu prostředí a jeho zrnitost

- konstantní licí teplotu

(30)

- vzhledem k možné nerovnoměrnosti modifikace je nutná 100% kontrola nodularity odlitků

Mimořádné požadavky na stabilitu podmínek a nutnost ověření u každé položky sortimentu je příčinou toho, že tato metoda je použitelná pouze ve slévárnách s hromadnou výrobou, vysokým stupněm automatizace a kontroly výroby. Tyto podmínky splňují obvykle automobilky.[9]

3.1.2.2. Očkování litiny s kuličkovým grafitem

Vzhledem k tomu, že většina prvků používaných jako globulizační činidla v modifikátorech působí značně karbidotvorně, respektive stabilizují cementit, je zapotřebí současně nebo následně po modifikaci provádět grafitizační očkování. Jedná se o vnášení očkovadla do taveniny za účelem změny množství grafitu, jeho velikosti a způsobu vyloučení. Výsledkem je ustálená hodnota pevnosti v tahu, tažnosti, tvrdosti a obrobitelnosti ve všech vyráběných odlitcích i v různých tloušťkách stěn jednotlivých odlitků.

Je známo, že efekt očkovadla s rostoucí očkovací teplotou a dobou po očkování klesá, s ohledem na to bylo vyvinuto několik metod očkování, které lze použít buď odděleně nebo v kombinaci a to v závislosti na podmínkách slévárny. Základní metody očkování:

- v pánvích

- do proudu kovu při lití nebo přelévání - ve formě [17]

Pro očkování litiny s kuličkovým grafitem se používá převážně FeSi s obsahem mezi 60-70% Si, 0,5-1,25 %Al a 0,6-1,0 %Ca. Očkovadlo může obsahovat i další prvky, jako Ba, Zr, Ce nebo další kovy vzácných zemin. Hořčík zvyšuje sklon ke tvorbě karbidů a neočkovaná litina by ztuhla obvykle zcela bíle. Použití očkovadel Se, Sr se pro litinu s kuličkovým grafitem doporučuje pouze v případech, kdy v modifikačním ani očkovacím přípravku není Ca a Ce (např. modifikace čistým Mg). Příznivý účinek céru na grafitizaci se projevuje zejména v tenkých stěnách odlitků. Optimální množství Ce je 0,0045-0,008%, přitom nezáleží na tom, zda byl cér dodán modifikovadlem nebo očkovadlem.

(31)

Množství očkovadla závisí na okamžiku očkování vzhledem k době lití a na převažující tloušťce stěn odlitků. Očkování lze provádět jednostupňové nebo dvoustupňové. [9]

3.1.3. Vliv chemického složení na krystalizaci a strukturu

Chemickým složením je možno ovlivňovat strukturu litin v širokém rozsahu.

Sledujeme-li vliv jednotlivých prvků na krystalizaci, zajímá nás také jejich vliv na grafitizaci. Prvky rozdělujeme do skupin dle vlivu na grafitizaci:

- grafitizační: Al, Si (silně), C, Ti, Ni, Cu, P (slaběji);

- neutrální: Mn, Co, Zn, W;

- antigrafitizační: Cr, V, Mg, Te, Ce, B, S (silně), Mo (slaběji).

Grafitizační prvky podporují tuhnutí podle stabilního systému a vyloučení uhlíku v podobě grafitického eutektika. Antigrafitizační prvky omezují vznik volného grafitu a to buď tím, že vážou uhlík ve formě karbidů (např. Cr, V, B), nebo brání krystalizaci grafitu (Mg, Ce). Antigrafitizační prvky podporují vznik metastabilního eutektika – ledeburitu. Míru vlivu na grafitizaci lze znázornit na grafitizační ose.

B Ce Mg Te V Cr S Mo Mn W Co Ti P Cu Ni C Si Al Obr. 16.: Míra vlivu na grafitizaci znázorněná na grafitizační ose

Struktura základní kovové hmoty je určena způsobem transformace austenitu.

V závislosti na chemickém složení a na podmínkách ochlazování v oblasti eutektoidních teplot může u nelegovaných litin vznikat struktura feritická, feriticko-perlitická nebo perlitická. Po tepelném zpracování lze rovněž získat strukturu austenitickou, martenzitickou nebo bainitickou.

Podle vlivu na druh vznikající základní kovové hmoty se prvky rozdělují na:

- feritotvorné – Si, Al, Ti (Ti však současně může tvořit karbidy) - perlitotvorné – Mn, Cu, Ni, Sn, Sb, Cr, V, W, B, (Mo)

- austenitotvorné – Ni (nad 18%). [9]

(32)

3.1.3.1. Přehled vlivu základních prvků na strukturu a vlastnosti litin

Uhlík – spolu s křemíkem má největší vliv na strukturu a vlastnosti litin. Uhlík samotný má poměrně malý vliv na mechanické vlastnosti, mírně snižuje pevnost a tvrdost. Větší množství uhlíku, vyloučeného ve formě grafitu zlepšuje útlumové vlastnosti. Litina při vylučování grafitu zvětšuje svůj objem, čímž je kompenzováno smršťování, ke kterému dochází při krystalizaci austenitu. Čím více uhlíku je vyloučeno jako grafit, tím je celkové smrštění litiny při tuhnutí menší. Toto umožňuje omezit, případně zcela vyloučit nutnost nálitkování. Při vyšším obsahu však uhlík způsobuje zhrubnutí zrna.

Křemík – je kromě uhlíku nejvýznamnějším prvkem v litinách. Při tuhnutí výrazně podporuje grafitizaci, při eutektoidní přeměně podporuje vznik feritu. Při nízkém obsahu Si se silně zvyšuje sklon k tvorbě zákalky. Vliv křemíku na pevnost a tvrdost se projevuje především zprostředkovaně jeho grafitotvorným účinkem – zvětšení podílu feritu ve struktuře vede ke snížení pevnosti a tvrdosti litiny. Další jeho důležitá vlastnost je, že u odlitků z feritické litiny s kuličkovým grafitem zvyšuje tranzitní teplotu a tím podporuje vznik křehkých lomů.

Mangan – má při tuhnutí jen malý vliv na grafitizaci. Při obsahu nad 0,5% působí mírně antigrafitizačně. Ale významný vliv Mn je při eutektoidní transformaci. Mn stabilizuje perlit (zejména u litiny s kuličkovým grafitem), zvyšuje jeho disperzitu (zjemňuje perlit), zvyšuje pevnost, tvrdost a odolnost proti otěru.

Fosfor – mírně podporuje grafitizaci. Intenzivně však zvyšuje tekutost litiny. Vytváří steadit, čímž se snižuje houževnatost a zvyšuje nebezpečí prasknutí. Do obsahu 0,4 -0,5

% mírně zvyšuje pevnost, při vyšším obsahu ji však zhoršuje. U dynamicky namáhaných odlitků musí být obsah fosforu co nejnižší. Zejména v litině s kuličkovým grafitem má na mechanické vlastnosti velmi nepříznivý vliv a je nutné udržet P <

0,08%.

Síra – je nežádoucí prvek. Má silný sklon k segregaci a při vyšším obsahu, pokud není vázána na Mn, zabraňuje grafitizaci a způsobuje křehkost litiny. U litin kvalitních vlastností nemá síra přesáhnout 0,1 %, avšak u litin s kuličkovým grafitem je nutný podstatně nižší obsah síry cca 0,02. Dále má síra tendenci k dendritické segregaci, což její negativní vliv zvyšuje. Obsah síry do 0,1 % však zlepšuje obrobitelnost litiny. [9]

(33)

3.1.3.2. Legury, stopové prvky a nečistoty

Měď – mírně podporuje grafitizaci. V množství 0,5-1,5% se používá pro stabilizaci perlinu v litině s lupínkovým grafitem, ale zejména v litině s kuličkovým grafitem pro zvýšení mechanických vlastností a tvrdosti litiny. Zejména u tvárné litiny se s výhodou kombinuje s chromem, obvykle v poměru Cu:Cr = 4:1, kdy se dosahuje perlitické struktury s jemným grafitem a vysokými mechanickými vlastnostmi. Pro legování je nutno použít velmi čistou měď bez příměsí prvků, které působí degeneraci grafitu.

Chrom – silně karbidotvorný prvek. Podporuje metastabilní tuhnutí. Působí perlitotvorně a perlit zjemňuje. Zvyšuje pevnost a tvrdost litiny. Pokud ve struktuře vzniknouvolné karbidy, výzmamně se zhoršuje obrobitelnost.Pro zvýšení mechanických vlastností se leguje obvykle v množství do 03-0,5% Cr. Sklon ke vzniku karbidů se kompenzuje mědí. Ve feritických litinách má být obsah chromu co nejnižší (< 0,04%).

Hliník a Titan – tvoří s uhlíkem a dusíkem karbidy a nitridy. Hliník do obsahu asi 4,5% a titan do asi 0,5% podporují grafitizaci. Při vyšším obsahu působí antigrafitizačně. Titan snižuje korozi odlitků a hliník mírně zvyšuje tvrdost a pevnost litiny. U litiny s kuličkovým grafitem jsou však oba prvky, zejména však Ti, nežádoucí, protože brání vzniku kuličkového grafitu.

Cín – působí silně perlitotvorně. Pro dosažení zcela perlitické struktury obvykle stačí množství do 0,1 max 0,15% Sn. Cín zjemňuje perlit a zvyšuje tvrdost litiny.

Perlitotvorný účinek cínu je způsoben, že omezuje difusi na hranici mezi austenitem a grafitem.

Legování cínem se používá zejména při odlévání odlitků z litiny s lupínkovým grafitem, u nichž se vyžaduje čistě perlitická struktura. [9]

3.1.4. Hodnocení chemického složení litin 3.1.4.1. Uhlíkový ekvivalent

Jednotlivé doprovodné a legující prvky ovlivňují aktivitu uhlíku v roztoku železa a tím způsobují změnu hodnoty eutektické koncentrace uhlíku. Účinek prvků je

„ekvivalentní“ obsahu uhlíku. Souhrnný vliv uhlíku a ostatních prvků, přítomných v litině, se vyjadřuje uhlíkovým ekvivalentem CE.

(34)

CE=C + Σ mi . Xi (12)

kde: C……obsah uhlíku v litině [%]

Xi……obsah prvku X [%]

mi……koeficient vlivu (ekvivalence) prvku Xi [-]

Prvky s kladnou hodnotou mi působí ve stejném smyslu jako uhlík, to znamená, že eutektické koncentrace se dosahuje již při nižším obsahu uhlíku – tedy, eutektický bod v diagramu Fe-C se posouvá doleva. Prvky se zápornou hodnotou mi, snižují aktivitu uhlíku a posouvají eutektický bod doprava. Hodnoty koeficientu mi, jsou pro některé prvky uvedeny v tab.4.

prvek P Si Al Cu Ni Mn Cr V Ti

mi +0,33 +0,32 +0,22 +0,07 +0,05 -0,03 -0,06 -0,14 -0,14 Tab. 3.: Vliv některých prvků na uhlíkový ekvivalent

Vzhledem k obvyklému množství jednotlivých prvků a velikostí koeficientu mi je zřejmé, že praktický význam na hodnotu uhlíkového ekvivalentu má pouze Si a P a platí:

CE=C + 0,32.Si + 0,33.P (13)

Tento vztah je častěji uváděn ve tvaru:

CE=C+1/3(Si+P) nebo CE=C+ 0,3(Si+P) (14)

Chemické složení litin se pak hodnotí podle hodnoty CE: - pro grafitické litiny:

CE < 4,25 – litany podeutektické CE = 4,25 – litiny eutektické CE > 4,25 – litiny nadeutektické

- v metastabilním systému je poloha eutektického bodu CE=4,3

(35)

3.1.4.2. Stupeň eutektičnosti

Stupeň eutektičnosti sE je jiným prostředkem pro vyjádření chemického složení. Je definován jako poměr skutečného obsahu uhlíku k obsahu uhlíku, který odpovídá eutektické koncentraci při daném obsahu křemíku a fosforu.

sE= %C/(4,3-0,312*%Si-0,275*%P) (15)

sE < 1 – litina podeutektická sE = 1 – litina eutektická sE > 1 – litina nadeutektická

Hodnocení chemického složení podle sE zcela odpovídá hodnocení podle uhlíkového ekvivalentu.

3.1.4.3. Grafitizační koeficient

Grafitizační koeficient vyjadřuje grafitizační schopnost nelegovaných litin.

KG= 4/3.Si(1-5/(3.C+Si) (16)

Čím vyšší je hodnota KG, tím lepší je schopnost grafitizace. Hodnota KG se využívá ve strukturních diagramech.

3.2. Nedestruktivní diagnostika vlastností litin

3.2.1. Druhy litin

Litiny lze považovat za „přírodní“ kompozitní slitiny železa a grafitu, kde matrici tvoří feritická až perlitická ocel a „výztuž“ grafit. Ten je schopen přenášet jen tlaková zatížení. Zeslabuje tedy nosný průřez kovové matrice a svým vrubovým účinkem v ní působí již při malých zatíženích mikroplastické deformace, pokud má lupínkový tvar.

[2]

Podle vrubového účinku, tedy podle tvaru grafitu, dělíme litiny do čtyř základních skupin:

(36)

Obecný název Standardizovaný název Zkratka Tvar grafitu Označení Šedé litiny Litina s lupínkovým grafitem LLG Lupínkový GI Vernikulární Litina s červíkovým grafitem LČG Červíkovitý GIII Temperovaná Temperovaná litina LTG Vločkový GIV Tvárné litiny Litina s kuličkovým grafitem LKG Kuličkový GVI Tab. 4.: Druhy litin

1) Litiny s lupínkovým grafitem - GJL (LLG)

Dříve nazývané jako šedé litiny, obsahují grafit ve tvaru prostorových útvarů, které se na metalografickém výbrusu jeví jako lupínky. Jejich délka je podstatně větší než-li jejich tloušťka, konec lupínků je ostrý. Oblast připadající jednomu prostorovému útvaru se nazývá eutektická buňka. Tento typ litiny je nejobvyklejším typem litiny.

2) Litina s kuličkovým grafitem - GJS (LKG)

Dříve nazývaná jako litina tvárná, obsahuje grafit ve formě kuliček. Z hlediska vlastností litiny je ideálním tvarem dokonalá kulička grafitu. Často se však vyskytují podoby grafitu jako "nedokonale zrnitý" GV. Eutektická buňka je oblast příslušející právě jednomu útvaru grafitu - jedné kuličce. [8]

3) Litina s červíčkovým grafitem – GJV

Dříve nazývaná jako litina vernikulární. Červíkový grafit má podobnou morfologii jako grafit lupínkový. Ve srovnání s GJL jsou však útvary grafitu kratší, tlustší a jejich konec bývá zaoblený. Vernikulární litina obvykle obsahuje též určité množství lupínkového nebo kuličkového grafitu. [8]

4) Temperovaná litina – GJM

Se dělí na litinu s bílým lomem GJMW a s černým lomem GJMB. Grafit v litině s černým lomem, případně i v litině s bílým lomem má tvar vloček [8].

3.2.2. Interakce struktury litiny s akustickými vlastnostmi

Akustické vlastnosti materiálu popisují rychlost šíření pružného příčného nebo podélného kmitání atomů (molekul) kolem rovnovážné polohy a jeho útlum.

Pro podélnou rychlost zvuku platí:

cL = {(E/ρ) . (1- µ)/[(1+ µ) . (1-2µ)]}^0,5 (17)

(37)

kde: cL……podélná rychlost zvuku [m/s], E…….modul pružnosti [MPa], ρ…….měrná hmotnost [kg/m³], µ…….Poissonova konstanta [-].

Prostupnost akustických vln materiálem klesá s útlumem hmoty matrice a zejména s množstvím a velikostí vnitřních nespojitostí. Za nespojitost lze považovat inkluze se značně odlišným vlnovým odporem Z vůči matrici

Z = c . ρ (18)

kde: c……rychlost šíření akustické vlny zvuku [m/s], Z……vlnový odpor vůči matrici [MPa/s], ρ…….měrná hmotnost [kg/m³].

Čím větší je rozdíl akustických odporů Zm a Zg, tím větší je množství a velikost odrazu R tlaku akustické vlny z rozhraní zpět.

R = (Zg - Zm)/( Zg + Zm) (19)

kde: R……..velikost odrazu tlaku akustické vlny z rozhraní zpět [%], Zm……vlnový odpor matrice [MPa/s],

Zg……. vlnový odpor grafitu [MPa/s].

Pro ocelovou matrici litiny platí Zm = 5,92 . 7,2 = 46,2 MPa/s Pro grafit přibližně platí Zg = 2 . 2 = 4 MPa/s

Rozhraní matrice-grafit odrazí R=80,5 % tlaku akustické vlny. Přímé šíření akustické vlny litinou je po několika odrazech od útvarů grafitu vyčerpáno a rozptýleno. Velikost dráhy akustické vlny matricí pak závisí na labyrintu grafitických útvarů. Čím více útvary matrici oslabují (čím jsou štíhlejší), tím větší je hodnota akustické dráhy Lu ve srovnání s přímou dráhou (tloušťkou prozvučované stěny) L. Rychlost zvuku cL tak klesá

cL = cL0 . L/Lu = 5920 . L/ Lu [m/s] (20)

kde: cL0 …. rychlost zvuku ocelové matrice litiny = 5920 m/s Lu…… hodnota akustické dráhy [mm]

(38)

L…….přímá dráha (tloušťkou prozvučované stěny) [mm]

Útlum amplitudy akustických kmitů α výrazně roste pokud délka vlny λ se blíží velikosti útvarů l grafitu.

α = kα . l . (cL/ λ)² [dB/mm] (21)

kde: α…… útlum amplitudy akustických kmitů [dB/mm]

λ…… délka vlny [mm]

l……. velikosti útvarů grafitu [µm]

Většinu odlitků lze charakterizovat vlastní rezonanční frekvencí fr, která je funkcí modulu pružnosti E, měrné hmotnosti a geometrické štíhlosti H/D. Frekvence fr se nalézá ve slyšitelném rozsahu.

fr = kf . (E/ρ)^0,5 . D/H² [Hz] (22)

kde: fr………. vlastní rezonanční frekvence [Hz]

E………. modul pružnosti [MPa]

D/H……. geometrická štíhlost [-]

ρ……….. měrná hmotnost [kg/m³]

Hodnota E závisí přímo na velikosti rychlosti zvuku cL a tedy na tvaru a množství grafitu. Úpravou (17) lze získat zjednodušený výraz

E = (K . L/Lu)² (23)

(39)

4. Akustická diagnostika určující množství kuličkového tvaru grafitu v litinách

4.1. Akustické metody zkoušení

Pokud se odlitek testuje kmity generovanými aktivními sondami do lokálních průřezů stěn, hovoříme o ultrazvukovém zkoušení a pokud se hodnotí frekvence a útlum vlastních kmitů vybuzeného odlitku, jde o akustické rezonanční zkoušení. Oba způsoby zkoušení využívají interakce struktury s extrémně buzeným akustickým vlněním.

Naproti tomu akustická emise jako metoda zkoušení pracuje s pasivními spínači vln, které generuje sama struktura z míst mezního namáhání.

Při ultrazvukové impulsní metodě zdrojem a zároveň detektorem ultrazvukových vln bývá obvykle sonda s kruhovým nebo obdélníkovým piezoměničem elektrické energie na mechanickou. Ultrazvuková energie se do stěny odlitku vyzařuje formou krátkých opakovaných impulzů (opakovací frekvence řádově v kHz) nosné vlny s frekvencí jednotek MHz. Konkrétní hodnota použité nosné frekvence tvoří kompromis mezi přesností (ta roste s výškou frekvence) měření a prozařitelností stěny odlitku. Pro litiny s lupínkovým grafitem se používá frekvence 2 MHz. Vyslaný impulz se odrazí od protějšího povrchu stěny nebo rozhraní a jeho odraz sonda opět přijme. Po elektronickém zpracování se zobrazí jako odrazová echa („píky“) na displeji, obrazovce defektoskopu nebo číselně odečteme hodnoty rozteče ech na displeji tloušťkoměru.

K přenosu ultrazvukového vlnění mezi čelem sondy a povrchem odlitku musí být navázána tzv. akustická vazba kontaktním kapalným mediem (voda, vazelína).

Zkoušení se týká prozvučovaného sloupce litiny, který odpovídá průměru sondy a rozevření svazku vysílaných vln. Pro získání hodnot L a Lu nutných k stanovení rychlosti zvuku cL podle (20) nutno provést měření posuvným měřítkem a ultrazvukem.

Specializované ultrazvukové přístroje měří současně posuvným měřítkem a sondou umístěnou v čelisti měřítka.

Měření rychlosti povrchových vln dvěma sondami s konstantní roztečí L na jedné straně odlitku může podstatně zvětšit produktivitu zkoušení. Hodnocena je však jen povrchová partie odlitku ovlivněná licí kůrou (způsob vhodný jen pro obrobené plochy obrobků). Reflektor povrchových vln tvoří hrana odlitku. Toho lze využít k měření rychlosti povrchových vln jen jednou sondou.

(40)

Nutnost akustické vazby kapalným médiem odstraňuje vynález elektromagnetických ultrazvukových měničů. Využívají Lorenzových sil, které vzniknou ve feromagnetiku po zavedení elektromagnetického impulzu. [3]

Ke kontrole modifikačních účinků lze výhodně použít akustických metod nedestruktivní kontroly. Pokud se modifikuje celá pánev tekuté litiny, odlije se z tohoto množství často i desítky odlitků. Kontrolovat tvar grafitu je pak třeba v prvním a posledním odlitku. Nejlepších mechanických vlastností a nejmenší spotřeby modifikační předslitiny se však dosahuje modifikací taveniny přímo ve formě (tableta modifikátoru je vložena do zvláštní komůrky ve vtokové soustavě pískové formy). Pak je třeba kontrolovat nedestruktivně každý odlitek. Většinou se používá efektivní rezonanční metoda. Odlitky určitých tvarů však špatně znějí, proto je někdy nutno použít produktivní ultrazvukovou metodiku.

Dráha ultrazvukových vln šířících se z měniče ultrazvukové sondy vede ocelovou matricí. Proto pro stejnou tloušťku stěny u LKG je o málo delší než v oceli a u červíkovité litiny nebo LLG (litina s lupínkovým grafitem) obíhá spleť lupínků grafitu, ale podstatně delší než u LKG (litina s kuličkovým grafitem). Pokud ve struktuře LKG se na úkor grafitu vyloučil tvrdý a neobrobitelný cementit, dráha ultrazvukové vlny se blíží oceli.[5]

4.1.1. Rezonanční zkoušení

Rezonanční způsob kontroly se uplatňuje při hromadné výrobě menších odlitků štíhlých tvarů. Kompaktní tvary (kvádrovité) špatně zní. Hodnotí se celý objem odlitku, respektive kmitající partie. U předmětných odlitků to jsou právě tahem namáhané úchyty.

Pro rezonanci příčně kmitající tyče délky L a průměru D platí

fr = k . (E0/ρ)^0,5. D/L² [Hz] (24)

kde: ρ …… měrná hmotnost [kg/m³] E0……modul pružnosti v tahu [MPa]

D……průměr [mm]

L……délka [mm]

(41)

Změna hmotnosti odlitku víc jak 3% (rozměry, vnitřní dutiny), vede k nereprodukovatelným výsledkům určení podílu GVI.

Větší koncentrace volných karbidů působí růst rezonančního kmitočtu. Obsah cementitu by měl být v odlitku do 5%.

Žíháni odlitků vede k nižšímu rezonančnímu kmitočtu => mohou se vyřadit dobré odlitky pokud nevíme o jejich tepelném zpracování.

Zvýšením obsahu perlitu fr roste (graf 2).

Graf 2.: Vliv obsahu perlitu na rezonanční kmitočet [5]

Zvýšení podílu GVI vede ke zvýšení fr . Snížení množství GVI a zjemnění kuliček GVI (místo méně hrubých je více malých kuliček) vede k zvýšení hodnoty fr.

Množství červíkového grafitu LČG v závislosti na fr nedává příliš těsnou závislost vlivem výskytu GI i GVI v souboru odlitků (graf 1) , ale vztah hodnot Rm k fr je daleko těsnější (graf 4).

(42)

Graf 3.: Tyče v litém stavu 30x 155mm fr = F(GIII) [5]

Graf 4.: Hodnoty Rm litiny s červíkovým grafitem jako funkce fr [5]

Při rezonanční kontrole odlitků z LKG je korelace těsnější jak u LČG, protože se v souboru vyskytl grafit GIII a GVI.

Vyšší hodnoty koeficientu korelace k vztahu mezi fr a Rm plynou z objektivního objemového měření fr a Rm jako fyzikálních vlastností. Perlit v litině působí růst hodnot fr i Rm !. Nepříznivý vliv tepelného zpracování odlitků na hodnocení nodularity udává graf 5.

(43)

Graf 5.: Nepříznivý vliv tepelného zpracování odlitků na hodnocení nodularity[5]

Proti ultrazvukové kontrole má rezonanční metoda tyto výhody:

- není nutné kontaktní médium

- nevadí drsný povrch odlitku

- lze měřit i tenkostěnné odlitky

- snadná automatizace a větší výkonnost kontroly. [5]

(44)

Experimentální část:

5. Závislost velikosti grafitu na rychlosti zvuku

V rámci experimentu vypracovány matematické modely ze středních hodnot výsledků měření na odlitcích v MŽ Olomouc. Platnost modelů ověřena i na odlitcích jiných sléváren.

Předměty zkoušení

Zkoušeny byly odlitky z 42 2303, 42 2305,42 2307 a odlitky z šedé litiny 42 2415.

Odlitky byli ze sléváren MŽ Olomouc, AGS Jičín, Sklostroj Turnov, KH Škoda Mladá Boleslav a SVUM Brno. Všechny byli zkoumány v litém stavu, protože nebylo předmětem zkoumat vliv žíhání na rychlost zvuku.

Užity byly odlitky s podobným směrným chemickým složením uvedeným v tabulce 5.

Tab. 5.: Chemické složení vzorků

Použitá zařízení

- pro měření rychlosti zvuku bylo použito ultrazvukového tloušťkoměru T-MIKE EL s dvojitou ultrazvukovou sondou 2MHz;

- pro měření tloušťky bylo použito posuvné měřítko;

- pro hodnocení metalografických výbrusů byl použit mikroskop firmy Nikon.

Metody zkoušení

Pro zkoušení byla použita ultrazvuková metoda odrazová přístroj T-MIKE EL s dvojitou ultrazvukovou sondou 2MHz. Povrch odlitku byl opatřen vazebním médiem (vazelína) pro lepší přilnavost sondy.

Měření tloušťky bylo provedeno posuvným měřítkem.

Metalografický rozbor:

Původ %C Mn Si P S Cr Cu Ti Sn MŽ Olom. 3,4 0,14 2,6 0,01 0,018 0,02 0,04 - -

AGS 7 3,97 0,37 3,128 0,017 - - 1,04 - - AGS 9 3,97 0,37 3,128 0,017 - - 1,04 - - Skl. Turnov 3,7 0,5 2,4 0,058 0,014 0,05 0,128 0,05 - KlikaAŠ 3,6 0,4 2,35 0,05 0,01 0,05 0,5 - 0,05 SVUM 3 3,23 0,96 1,66 0,09 0,023 - - - - SVUM 5 3,35 0,84 1,88 0,09 0,022 - - - -