Auto- ja konetekniikan testaukset. Teknologiademot on the Road

Transkriptio

1 Auto- ja konetekniikan testaukset Teknologiademot on the Road

2 Vetokoe

3 Näytesauvan vetokoe Vetokokeessa mitataan koesauvaan kohdistettua voimaa ja sauvan pituuden muutosta Pituuden muutosta mitataan joko vetokoneen yläleuan siirtymänä tai hienovenymäanturilla suoraan koesauvan pinnasta Tuloksena saadaan jännitys-venymäpiirros

4 Näytesauvan vetokoe Kiinnostavia suureita ovat teräksillä esimerkiksi: myötöraja, murtoraja ja murtovenymä Lyhyesti vetokokeessa selviävät siis tutkittavan materiaalin kestävyys kuorman alla, jäykkyys sekä pituuden muutos ennen katkeamista Vetokokeen litteä kiilaistukkasauva SFS 3475 mukaan

5 Vetokoneella tehtävät testaukset Vetokokeen lisäksi vetokoneella voidaan tehdä myös monia muita testejä Kun ollaan kiinnostuneita siitä millaisella veto/puristusvoimalla kappale hajoaa tai siihen syntyy tietty muodonmuutos, on testaus mahdollista tehdä vetokoneella Käytännössä siis esimerkiksi erilaisten rakenneosien kestävyyttä voidaan testata vetokokeessa kun sopiva kiinnitys suunnitellaan

6 Kovuuskokeet Vickers Brinell Rockwell Shore

7 Kovuuskoe Kovuus on materiaalin kyky vastustaa siihen tunkeutuvaa esinettä tai leikkausta Kovuuden mittaamiseksi on määritelty erilaisia kokeita, esimerkiksi Vickers (Pyramidikärjen jättämän painuman pinta-ala) Brinell (Pallon jättämän painuman pinta-ala) Rockwell (Kärjen painuman muutoksen mittaus) Shore (Muoveille, kärjen painuman mittaus)

8 Kovuuskoe Vickers (Pyramidikärjen jättämän painuman pinta-ala) Soveltuu (homogeenisten) terästen kovuuden mittaamiseen, vaatii näytteeltä varsin hyvän pinnalaadun Brinell (Pallon jättämän painuman pinta-ala) Suuren painumajäljen vuoksi sopii hyvin epähomogeenisille materiaaleille, kuten valuraudoille Rockwell (Kärjen painuman muutoksen mittaus) Soveltuu hyvin kovien materiaalien rutiinitarkastuksiin rikkomatta kappaletta, epäherkkä pinnanlaadulle Shore (Muoveille, kärjen painuman mittaus) Nopeasti mitattavissa käsimittavälineillä

9 Vicers, mikrokovuusmittari Mittaa Vickers-kovuutta (HV-kovuus) Mittauksessa käytetty suurennos x400 mitattavan pinnan tulee olla varsin sileä, tarvittaessa näyte hiotaan tarkoitukseen sopivaksi Mittausvoimat kgf. Koville materiaaleille 500/1000, pehmeille Fokusoidaan kuva nostamalla tasoa, asetetaan parametrit, nollataan laite tarvittaessa, käynnistetään mittaus Mitataan syntynyt painauma ja luetaan tulos

10 Iskusitkeys

11 Iskusitkeyskoe Tutkitaan materiaalien iskusitkeyttä ja transitiolämpötilaa Iskusitkeysarvo kuvaa materiaalin murtumista joko hauraasti tai sitkeästi, arvo on siis energia joka sitoutuu iskussa [J] Useita kokeita eri lämpötiloissa suoritettaessa voidaan piirtää käyrä josta nähdään missä lämpötilassa materiaali alkaa käyttäytyä hauraasti (transitiolämpötila) Sauvaan isketään tietyllä energialla (tietyssä lämpötilassa) heilurivasaralla sen katkaisemiseksi

12 Charpy-V koesauvan mitat

13 Hieiden valmistus

14 Näytteenvalmistus Näytteitä valmistetaan kovuusmittauksia, mikrokovuusmittauksia, valomikroskooppisia ja SEM:lla (EDS) tapahtuvia tarkasteluja varten. Vaatimukset näytettä kohtaan ovat erilaisia jokaiselle laitteelle. Laitteisto Katkaisusaha Valulaite (meillä vain kuumavalu) Hionta/kiillotuslaite Syövytteet

15 Katkaisusaha Tavoitteena on, että katkaistava näyte ei lämpene ja katkaisupinta olisi mahdollisimman sileä hionnan helpottamiseksi. Kappale on kiinnitettävä tukevasti, mieluiten molemmilta puolilta katkaisulaikkaa. Kiinnittimet eivät kuitenkaan vaadi suurta voimankäyttöä. Laikkaan ei saa kohdistua sivuttaisia voimia. Eri kovuisille materiaaleille on tarjolla erilaisia laikkoja Laikkaa liikutetaan kammesta hitaasti, käyttäen tasaista liikettä, ei juurikaan voimaa.

16 Valulaite (kuumavalu) Hankalan muotoiset näytteet voidaan valaa muoviin ennen hiontaa. Tavoitteena on helpottaa hiontaa sekä kappaleen kiinnitystä mm. SEM-kiinnittimiin. Hionnassa helpompi pitää kappaleesta kiinni, jolloin myös helpommin saadaan pinta hiottua tasoksi. Muoveja on olemassa useita, esimerkiksi yleisbakeliittia ja erityistä SEM-käyttöön soveltuvaa johtavaa bakeliittia. Bakeliitti sulaa näytteen ympärille laitteen paineessa ja kuumuudessa. Vaikuttaako paine/lämpö tutkittavaan rakenteeseen? Näytteille jotka eivät kestä kuumavalun kuumuutta ja suurta painetta voidaan käyttää kylmävalua Kylmävalussa näyte valetaan esimerkiksi epoksiin (kuplat voidaan poistaa vakuumilla)

17 Hionta/kiillotus 1/3 (teräkset) Hiottaessa laitteen pyörimisnopeus asetetaan välille r/min Lisäksi näytettä pyöritetään laikalla vasta- tai myötäpäivään, jotta naarmut jakautuisivat tasan jokaiseen suuntaan. Näytettä tulisi painaa n. 3 kg voimalla Tavoitepinta on mahdollisimman tasomainen ja naarmuton/sileä Vaiheiden välillä näyte huuhdellaan lämpimällä vedellä Hiekkapaperihionnassa voidaan kuivata paperilla Timanttihionnassa kuivataan esim. paineilmalla Aika/karheusaste riippuu materiaalista, mutta arviolta 3-6min/karheusaste hiekkapapereilla ja timanttiseoksilla pidempään Tarvittaessa näytettä voi vaiheiden välillä tutkia valomikroskoopilla.

18 Hionta/kiillotus 2/3 (teräkset) Vesihionta: P240 hiekkapaperilla P800 (P1200) Paperin on oltava kostea Timanttihionta: 9µm 3µm 1µm Timanttilaikoille EI VETTÄ Seosta annostellaan 2(-3) suihkausta, lisäksi laitetaan liukastetta n. 1tl. Laikan pinnan tulee olla kostea, mutta ei märkä. Timanttilaikkoja ei saa säilyttää päällekkäin, jotta ne säilyisivät puhtaina. Käytön jälkeen ne laitetaan takaisin laatikkoon.

19 Hionta/kiillotus 3/3 (teräkset) Hionnan vaativuusluokka määräytyy jatkomenetelmän mukaan. Rockwell kovuusmittarille riittää P240 (tai P800) tai sellaisenaan Mikrokovuusmittarille P800 tai P1200 tai parempi Valomikroskoopille (syövytettynä) 3µm tai 1µm (riippuu paljon materiaalista ja siitä mitä halutaan tutkia) SEM-EDS hyvin hiottu 1µm ja tarvittaessa kiillotus

20 Syövytys Hiottu näyte syövytetään, jotta raerajat ym. sulkeumat tulisivat paremmin esiin. Syövytteenä varsin yleinen syövyte: Nital (4% typpihappo) Syövytettä annostellaan pullosta pipetillä näytteen pinnalle 1-2 tippaa riittänee Vaikutus on nopea (1-15s), riippuen paljon materiaalista Kun pinta syöpyy keskiharmaan sävyiseksi huuhdellaan syövyte vedellä pois. Näyte kuivataan esim. paineilmalla Mikroskooppi kertoo syövyttämisen onnistumisen

21 Esimerkki: makrohie Syövytyksen jälkeen hitsisauma ja mutosvyöhyke ovat selvästi näkyvissä Voidaan mitata esimerkiksi hitsin tunkeuma ja asemoida kovuusmittaukset halutulle vyöhykkeelle

22 Mikroskopia

23 Valomikroskoopit, metallimikroskooppi Valomikroskoopeilla voidaan tarkastella mm. naarmuja eri hiontaasteiden välillä sekä erityisesti syövytettyjä metallisia näytteitä, yleistettynä tasopintoja. Valomikroskooppi, suurennokset 50x-1000x Käänteismikroskooppi, suurennokset 50x-1000x Ueye (+ ohjelmisto) kamera kytkettynä tietokoneeseen. Kuvaa voi tutkia joko mikroskoopista suoraan tai tietokoneen näytöltä. Kuvasta voi myös tehdä mittauksia kunhan suurennosta vastaava kalibrointiarvo on annettu parametriksi ohjelmaan. Picsara kuvankäsittelyojelma mittauksia ym. varten. Jokainen suurennuslinssi on kalibroitava mitta-asteikon avulla.

24 Stereo/läpivalaisumikroskooppi Käänteis-, metalli- tai valomikroskooppia laajempi fokusalue Suurennokset 3x-120x (riippuen laitteesta) Murtumapintojen, korroosiojälkien ja hitsisaumojen tarkasteluun, yleisesti ottaen korkeuseroja sisältäville pinnoille Läpivalaisuominaisuus soveltuu ohuthienäytteiden tutkimiseen; betoni, puu, muovi, metallit

25 Elektronimikroskopia ja materiaalianalyysi

26 SEM SeAMKin laite Zeis Evo 10 Scanning -elektronimikroskooppi Laitteella voidaan suorittaa seuraavia toimintoja: näytteen visuaalinen tarkastelu suurennoksilla pintageometrian mittaukset sähköä johtamattomien näytteiden (mm. puu, kivet, muovi) tarkastelu ilman pinnoitusta (ns. VP-moodi) Orgaaniset ja vettä sisältävät näytteet mahdollista kuvantaa ESEM-moodissa käyttäen jäähdytysalustaa koostumusanalyysi EDS-analysaattorilla

27 SEM - toimintaperiaate Näytteen pintaa pommitetaan elektronisuihkulla, ja näytteestä sironneet elektronit kerätään detektoreille. SEM ei ole todellinen pinta-analyysi, koska tunkeuma aineeseen on kiihdytysjännitteestä riippuen muutamia mikromillejä Sironnoiden elektronien energiatasojen mukaan muodostetaan kuva sekä alkuaineanalyysin (EDS) spektrit.

28 SEM perusprosessi, metalliset näytteet NÄYTTEEN VALMISTUS: 1/3 kokonaisuutta Kappaletta edustavan näytepalan irrotus/leikkaminen ja näytteen hionta ja kiillotus sekä lopuksi näytteen puhdistus (ultraäänipesu denaturoidussa etanolissa ETAX). Pelkästään mikroskooppisesti tarkasteltaville näytteille tehdään ainoastaan puhdistus Näytteet pilaantuvat nopeasti (kymmeniä tunteja) huoneilmassa; tutkittava pian valmistamisen jälkeen tai säilytettävä vakuumiastiassa Näytettä käsiteltävä varoen

29 SEM perusprosessi, metalliset näytteet MIKROSKOOPIN KÄYTTÖ: 1/3 kokonaisuutta Näyte näytekammioon: mikroskoopin parametrien säätö ja kuvan fokusointi. Sopivien analysointi kohtien ym. parametrien valinta. Analyysi datan keruu ja analyysiohjelmistoihin liittyvät parametrien säädöt Mikroskooppiset kuvat EDS alkuaineanalyysi ja alkuainekartat

30 SEM perusprosessi, metalliset näytteet TULOSTEN ANALYSOINTI: 1/3 kokonaisuutta Raakadatan käsittely Tulosten luotettavuuden arviointi muutetaanko parametreja ja uusitaanko analyysi. Tulosten vertaaminen. Raportointi (siten että asiaa vähemmäntuntevatkin ymmärtävät tulokset)

31 EDS Energy-dispersive X-ray spectroscopy, materiaalianalyysi EDS alkuaineanalyysi vaatii näytteeltä hyvän pinnanlaadun (tulosten epävarmuuden pienentämiseksi). Kevyiden alkuaineiden (kuten hiili) pitoisuudet vaikeampia määrittää kuin raskaiden. Vieressä haponkestävän teräksen EDSspektri: Alkuaineille ominaisten röntgensäteilyn energiatasojen mukaiset piikit näkyvät.

32 SEM kuvia Valualumiinin murtopintaa Johtamattomat näytteet (ESEM): hyttynen

33 Pinnankarheus

34 Pinnankarheus Pinnankarheus Valmistustavasta työkappaleen pinnan mikrotekstuuriin jäävät poikkeamat, kuten terän jäljet tai hiomakiven jättämät naarmut Aaltomaisuus Työstövirheistä kuten värähtelystä aiheutuvat lyhytaaltoiset poikkeamat Muotovirhe Pitkäaaltoiset pinnan poikkeamat Pinnankarheus ei siis käsitä muotovirheitä, eikä pintavirheitä Muotovirheiksi luetaan yli 0,8 mm aallonpituudet

35 Pinnankarheus Käytännössä mittalaitteet laskevat halutut karheusparametrit, mutta käyttäjän täytyy varmistua mitä ollaan mittaamassa Yleisillä jalaksellisillisilla mittarilla onnistuu ainoastaan suorien pintojen karheuden mittaus (R-alkuiset parametrit) Eri parametrit kuten Ra ja Rz kuvaavat pinnan karheutta eri tavoilla ja soveltuvat eri käyttötarkoituksiin PicRef: Mitutoyo

36 Koordinaattimittaus

37 Koordinaattimittaus koskettavalla mittakoneella Koskettava koordinaattimittakone on monipuolinen ja yleinen laite konepajojen mittaustarpeisiin Prismaattiset kappaleet, pyörähdyskappaleet, levykappaleet, putket Soveltuvat erityisen hyvin esimerkiksi geometristen toleranssien tutkimiseen Mittaus tapahtuu tallentamalla mittauspisteitä, muodostamalla pisteistä elementtejä (kuten ympyrä, taso, suora), ja vertailemalla elementtejä toisiinsa

38 Koordinaattimittaus Tyypillisesti koordinaattimittakone on sijoitettu omaan mittahuoneeseensa jossa lämpötila pidetään vakiona Koordinaattimittakoneen ohjelmointi tapahtuu usein tietokoneella, vaikka kone olisikin käsin liikutettavaa mallia Mahdollisuus laskea tuloksia eri tavoilla, eikä tapaa ole aina määritelty piirustuksissa mittaajan harkintaa Jos vaaditaan esimerkiksi suurta mittausnopeutta, voivat videomittakoneet olla hyvä vaihtoehto

39 Voiman mittaus, venymäliuskat

40 Venymäliuska-anturit Venymäliuska on ohut kappaleen pinnalle asetettava vastus, jonka resistanssi muuttuu liuskan pituuden muuttuessa voidaan mitata kappaleen muodonmuutoksia Resistanssin muutos on pieni ja se muutetaan jännitesignaaliksi Wheatstonen siltakytkennällä Kaksihaarainen piiri jonka kummassakin haarassa on kaksi vastusta (venymäliuskaa, tai vastusta) National Instrumentsin laitteisto esimerkiksi siltakytkennän lukemiseen

41 Venymäliuska-anturit Suureiden mittaus perustuu siis anturin muodonmuutoksen mittaamiseen venymäliuskoilla Voima, paine, momentti Anturien rakenneteet eroavat toisistaan varsin paljon riippuen käyttötarkoituksesta ja kuormitustavasta PicRef: HBM

42 Värähtelymittaus, FFT-analyysi

43 Kiihtyvyysanturit ja värähtelymittaus Pietsosähköisellä rakenteeseen kiinnitettävällä kiihtyvyysanturilla voidaan tarkastella rakenteen värähtelyä Kiihtyvyyssignaalista laitteistolla voidaan laskea värähtelyssä läsnä olevat taajuudet Fourier'n muunnoksella (FFT) Tutkittavat taajuudet voivat olla esimerkiksi rakenteeseen johtuvia herätetaajuuksia tai rakenteen ominaistaajuuksia Kiihtyvyyssignaalin amplitudi, eli voimakkuus Kiihtyvyyssignaalin FFT-spektri, eli taajuudet