K. Aineen koestus Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Valetun valukappaleelle on asetettu usein erilaisia mekaanisia ominaisuuksia, joita mitataan aineenkoestuksella. K. 1 Väsyminen Väsytyskokeella on tarkoitus selvittää metallin käyttäytyminen toistuvasti vaihtelevan kuormituksen alaisena. Kuormitusta on kahta tyyppiä: vaihto (toistuva, jolloin jännitys vaihtelee jakson aikana puristuksesta vetoon) tykytys (muut kuin vaihto). Väsymismurtuma lähtee yleensä liikkeelle pinnasta (valuvika, terävä nurkka lovivaikutus). Murtuman aiheuttaja on yleensä taivutusjännitys ja murtuma alkaa yleensä vetojännityksen puolelta. Valukappaleissa sulkeumat ja epäjatkuvuuskohdat voivat olla väsymismurtumien lähtökohtina. Väsyminen on materiaalin murtumista vaihtosuuntaisen kuormituksen alaisena. Murtumaan tarvittava kuormanvaihtojen lukumäärä riippuu jännitysamplitudista ja keskijännityksestä. Murtumaan johtavan jännitysamplitudin arvo kullekin kuormanvaihtokertojen lukumäärälle annetaan S-N -käyrässä. Keskijännityksen kasvaessa väsymislujuus laskee. Kuva 323. Yllä on esitetty työkaluteräksen ja alumiinin S-N - käyrät. 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 1
Väsymislujuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat: materiaalin murtolujuus lujuuden kasvaessa yllä kuvattu suhde yleensä pienenee keskijännitys materiaalin sitkeys (pienillä N:n arvoilla) pinnan laatu (lovivaikutus) mikrorakenne (lovivaikutus) lämpötila (lujuus laskee aina lämpötilan kasvaessa (poikkeus vahvistaa aina säännön...)) raekoko (lujuus!) mahdollinen korroosio. Väsymismurtuma ydintyy yleensä kappaleen pinnassa. Murtuman eteneminen on kaksivaiheinen prosessi: 1. Hitaan etenemisen (vaihe I) aikana murtuma etenee ydintymiskohdasta 0,2 1 mm syvyyteen. Vaihe I voi kattaa 90 % koko kappaleen väsymisiästä 2. Nopean etenemisen (vaihe II) aikana murtuma etenee lähes koko poikkipinnan ylitse jättäen murtopintaan väsymismurtumalle tyypillisiä etenemis-, pysähtymis- ja yhtymisjälkiä (kuva alla). Kuva 324. Murtuman eteneminen 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 2
Materiaalin valinta väsyttävän kuormituksen alaisiin rakenteisiin riippuu vaadittavasta kestoiästä (kuormanvaihtokertojen lukumäärästä): pienet kuormanvaihtojen lukumäärät => sitkeys tärkein suuret kuormanvaihtokertojen lukumäärät => väsymislujuus ja siihen vaikuttavat tekijät valintaperuste. Sitkeys kuvastaa materiaalin kykyä vastustaa väsymismurtuman etenemistä rakenteessa. Väsyminen on seurausta muokkauslujittumiskyvyn paikallisesta loppuun käyttämisestä. Väsymislujuutta mitataan kohdistamalla koesauvaan vaihtosuuntainen kuormitus erisuuruisilla amplitudeilla ja mitataan kullakin amplitudilla murtumaan johtanut kuormanvaihtokertojen lukumäärä. Tulokset esitetään S-N -käyränä, josta väsymislujuus määritetään eri tavoin väsymyskäyttäytymisestä riippuen. Riippuen siitä, miten väsyttävän kuorman amplitudia kontrolloidaan, puhutaan vakioamplitudisesta väsytyksestä ja vaihtuva-amplitudisesta väsytyksestä. Vakioamplitudinen väsytys jaetaan edelleen vakiojännitysamplitudin ja vakiomyötymäamplitudin väsytyksiin. Vaihtuva-amplitudisesta väsytyksestä on esimerkkinä umpimähkäinen väsytys eli random fatigue, jossa amplitudi vaihtelee satunnaisesti. Väsytyskoe voidaan toteuttaa usealla eri tavalla: kiertotaivutus (kuva alla) edestakainen taivutus veto-puristus vääntöväsytys. Kuva 325. Väsytyskoe 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 3
Kuva 326. Erilaisia väsymismurtumia. A ei jännityshuippuja, B voimakas jännityshuippu Kokeen suoritus: Käytetään sauvoja, jotka muistuttavat vetokokeessa käytettyjä, mutta ne on kiillotettu erittäin sileäksi. Usein käytetään vähintään 10 kpl:n sarjaa ja jokaista kuormitetaan murtumiseen saakka tai ennalta sovittuun jännitysjaksojen lukumäärään saakka. Lisäksi voidaan hakea loviherkkyyttä kokeilla sekä lovetuilla ja loveamattomilla sauvoilla. 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 4
K.2 Dynaaminen (iskumainen) kuormitus Materiaalin iskunkestävyskoe on valukappaleille hyvin yleinen koe. Kuormitusnopeuden kasvu vaikeuttaa muodonmuutosta ja korostaa haurasmurtumataipumusta. Tästä syystä iskumaiset kuormitukset ovat vaarallisia. Muita haurasmurtumataipumusta kasvattavia tekijöitä ovat: raekoon kasvu epäpuhtaudet lämpötilan lasku yhdessä jännityskeskittymien kanssa. Dynaamisten materiaaliominaisuuksien testaus onkin tehtävä matalissa lämpötiloissa lovetulla koesauvalla. Nopea kuormitusnopeus saadaan aikaan kuvassa alla esitetyllä iskukokeella. Kuva 327. Iskukoe Iskuenergia ja transitiolämpötila ovat avainasemassa valittaessa materiaalia dynaamisen kuormituksen olosuhteisiin. Esimerkiksi kuvan teräksistä 0,2 % hiiliteräs on erittäin iskunkestävä huoneenlämpötilassa, mutta muutamia kymmeniä asteita pakkasen puolella sen iskunkestävyys romahtaa. Sen sijaan austeniittisen ruostumattoman teräksen iskusitkeys on lähes lämpötilasta riippumaton. Tällainen käyttäytymien on tyypillistä pkk-rakenteisille metalleille. 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 5
Kuva 328. Loven vaikutusta pallografiittivaluraudan ja suomugrafiittivaluraudan iskusitkeyteen. Lovi heikennä suomugrafiittivaluraudan iskusitkeyttä, mutta pallografiittivaluraudan iskusitkeyteen sillä on suuri vaikutus. Syynä on suomujen toimiminen sisäisinä jännityskeskittyminä. Sen sijaan pallografiittivaluraudasta sisäiset lovet puuttuvat ja ulkoisen loven vaikutus on selvä. Teräksissä raekoon kasvu ja epäpuhtauksien vaikutus korostavat haurasmurtumataipumusta (epäpuhtauksien suotautuminen raerajoilla ja epäpuhtauksien aiheuttama myötövanheneminen). Nämä ilmiöt tapahtuvat helposti hitsaukseen liittyvissä korotetuissa lämpötiloissa. Onkin muistettava, että hitsaus on epäedullinen terästen sitkeyden kannalta, ja käytettäessä hitsausta valmistusmenetelmänä on iskusitkeyden riittävyys varmistettava. Aiemmassa kuvassa 327 esitetty iskukoe tunnetaan paremmin Charpy-iskukokeen nimellä. Koetyyppi yksilöidään loven pohjan muodon perusteella (esim. V-tai U-lovi): Charpy V-koe, Charpy U-koe jne. Materiaalin sitkeys spesifioidaan joko transitiolämpötilan (esim. vähintään 50 C) tai useimmin tietyssä lämpötilassa vaadittavan minimimurtoenergian avulla. Esimerkiksi Charpy V -kokeessa mitatun murtoenergian tulee olla vähintään 27 J 40 C lämpötilassa. K.3 Murtositkeys Isku (sitkeys)kokeiden lisäksi materiaalien sitkeyskäyttäytymistä kuvataan yhä useammin myös ns. murtositkeyskokeiden avulla. Niiden etuja iskukokeeseen verrattuna ovat seuraavat: Voidaan tutkia suuria (todellisia rakenteita vastaavia) ainepaksuuksia. Tarkastellaan materiaalivirheiden ja niiden aiheuttamien jännityskeskittymien vaikutusta murtumiskäyttäytymiseen. 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 6
Murtositkeyskokeita on olemassa useita eri koetyyppejä: esim K Ic (kuva alla), COD, pellini ym. Niillä määritetään yleensä haurasmurtuman liikkeellelähtöä vastaavan kriittisen suureen arvo: jännityskeskittymä: K Ic särön kylkien avauma: COD jne. Kuva 329. Murtositkeyskokeita K.4 Kovuuskoe Materiaalin kulumiskestävyyden yhteydessä tulee esiin materiaalin kovuus. Koska kovuuden mittaaminen on yksinkertainen ja nopea testi materiaaliominaisuuksien määrittämiseksi, käsitellään se seuraavassa melko tarkasti. Materiaalin kovuus ei ole materiaaliominaisuus, vaan se on riippuvainen monista tekijöistä: vetomurtolujuus sitkeys kimmoiset ominaisuudet iskusitkeysarvot jne. Kovuuden määritelmänä pidetään yleensä materiaalin kykyä vastustaa siihen tunkeutuvaa esinettä, naarmuuntumista, kulumista tai leikkaamista. 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 7
K.4.1 Brinellin kovuuskoe Brinellin kovuuskokeen kehitti ruotsalainen tohtori J.A. Brinell vuonna 1900. Menetelmässä mitataan teräs- tai kovametallipallon painaumaa tutkittavaan materiaalin staattisen kuormituksen alaisena mittausajan ollessa vakio. Kaaviokuva Brinellin kovuuden mittaamisesta on esitetty kuvassa 330. Syntyneen kuopan halkaisija mitataan kahdessa toisiaan vastaan kohtisuorassa suunnassa. Brinellin kovuus on kuormitusvoima newtoneina painauman kalottipinta-alaa kohden. Pinta-ala annetaan millimetreinä. Yhtälön muodossa ilmaistuna kovuus on: missä F on käytetty voima, D on pallon halkaisija ja d on painuman halkaisija. Kuva 330. Brinell-kovuudenmittaustapa. Kovuusarvot merkitään esim. seuraavasti: 200 HB. Teräspallo soveltuu käytettäväksi kovuuksiin 450 HB saakka. Sen jälkeen käytetään kovametallipalloa, tunnus HBW, kovuuteen 650 HBW saakka. Koska Brinellin kovuusmittausmenetelmä jättää ison kovuusmittausjäljen, se soveltuu erinomaisesti epähomogeenisille materiaaleille. Toisaalta käytettävät suuret voimat vaativat, että koekappale ei ole kovin ohut. Lisäksi käytettyjen mittauskärkien kovuudet ja jäykkyydet ovat sikäli vaatimattomia, ettei kovin kovien kappaleiden mittaaminen ole mahdollista. Kovat kappaleet vaativat suuren kuorman ja siten aiheuttavat mittakärkeen helposti muodonmuutoksia. K.4.2 Rockwellin kovuuskoe Professori Ludwig Itävallasta esitti menetelmän kovuuden mittaamiseksi painuman syvyyden muutoksen perusteella. Menetelmässä mitataan timanttikartion painautumissyvyys materiaaliin sekä esikuormalla että varsinaisella mittakuormalla. Nykyisin menetelmä on käytössä Rockwellin kovuuskokeessa. Menetelmässä teräskuulaa tai timanttikartiota painetaan tutkittavaan materiaaliin. Teräskuulaa käyttävää menetelmää kutsutaan Rockwell B -kovuudeksi ja timanttikärkeä käyttävää menetelmää Rockwell C -kovuudeksi. 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 8
Rockwellin kovuusmittaus soveltuu kovien aineiden rutiinitarkastukseen. Lieriömäisiä kappaleita mitattaessa käytetään kovuuslukemille halkaisijasta riippuvia lujuuskertoimia. Menetelmän etuna on nopeus ja tarkkuus sekä tuloksen riippumattomuus mittaajasta. Menetelmä on epäherkkä pinnan laadulle eikä vahingoita koekappaletta. K. 4.3 Vickersin kovuuskoe Tässä menetelmässä pyramidin muotoista timanttikärkeä painetaan tietyllä voimalla mitattavaan pintaan ja mitataan syntyneen painuman halkaisijat. Saatu kovuusluku on kuormituksen ja painuman pinta-alan lukuarvojen suhde. Kokeessa käytetyn timanttipyramidin mukaisesti Vickerskovuudesta käytetään myös nimeä timanttipyramidikovuus (diamond pyramide hardness). Käytettävä timanttipyramidi ja kovuusmittausjälki on esitetty kuvassa 331. Kuva 331. Timanttipyramidi ja kovuusmittausjälki Vickers-kovuusmittausmenetelmässä. Kuva 332. Kovuusmittausjälki messinkikappaleen pinnalla. Kuva on 20-kertainen suurennos. 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 9
Kärkikulma on valittu 136 :ksi, jotta mittausjälki olisi geometrisesti Brinellin koetta vastaava. Näin ollen Brinell-kovuudet ja Vickers-kovuudet ovat teoreettisesti samalla kovuusasteikolla. Kuvassa alla on esitetty Vickers-kovuuden ja 10 mm kuulalla mitatun Brinell-kovuuden vertailu. Suurilla kovuuden arvoilla on nähtävissä selvä ero eri kovuusmittausmenetelmien välillä. Kuva 333. Vertailu Vickers- ja Brinell-kovuuden välillä Kovuusmittausarvo voidaan laskea mittausjäljen diagonaalien pituudesta ja käytetystä voimasta seuraavasti: F on voima ja d (ks. kuva 331) on diagonaalien pituuksien keskiarvo. Käytettävä voima riippuu mitattavasta metallista. Vickers -kovuudet soveltuvat sekä pehmeille että koville aineille. Tulos on riippumaton kuormitusvoimasta, kunhan käytetty kuormitusvoima on yli 30 N. Painumajälki on geometrisesti sama riippumatta painuman koosta. Jälki on pienempi kuin Brinell-kokeessa, eikä näin ollen vahingoita kappaletta. Kovuusmittaus voidaan suorittaa myös ohuille kappaleille. Myös alle kilon painojen käyttö on mahdollista. Kun käytetään hyvin pieniä painoja, voidaan mitata ns. mikrokovuuksia. K.5 Vetokoe Vetokoe on tärkein valumetallien lujuuskoe. Sillä määritetään mm. murtolujuus ja myötöraja. Staattisen kuormituksen lujuusominaisuudet mitataan vetokokeen avulla. Vetokokeessa dimensioiltaan ja geometrialtaan tunnettua koesauvaa vedetään aineenkoetuskoneessa niin, että sen pituus kasvaa vakionopeudella. Samalla rekisteröidään muodonmuutokseen tarvittava voima 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 10
koesauvan pituuden muutoksen funktiona. Tuloksena on voima pituudenmuutos (venymä) - käyrä. Jatkuvasti samaan suuntaan vaikuttavan kuormituksen aiheuttamat pääasialliset materiaalivaatimukset sitkeille materiaaleille ovat myötölujuus sekä sitkeys ja hauraille materiaaleille murtolujuus. Kun murtolujuus on suurempi kuin myötölujuus, kaikki lujittamismenetelmät ovat käyttökelpoisia. Mutta muodonmuutoksen vaikeutuessa sitkeys alenee. Suoritus: Koesauvaa vedetään sen pituusakselin suuntaisella voimalla sauvan katkeamiseen saakka. Ennen murtumistaan sauva venyy. Venymän kehittymistä voidaan seurata jännitysvenymäpiirroksesta. K.5.1 Murtolujuus Suurinta jännityslukemaa, joka piirroksessa esiintyy, ilmaisee Rm. Myötöraja (lujuuden perusmitta-arvona): ylempi myötöraja ReH (ilmoitetaan kokeen tulokseksi koska myötö alkaa alempi myötöraja ReL pienin jännitys myötöalueella. Jännitys venymä -käyrän huippukohtaa kutsutaan murtolujuudeksi, ja se on metallin suurin lujuus. Kuva 334. Jännitys venymä -käyrä (niukkahiilinen normalisoitu teräs ja alumiini, suuntaa-antava) Myötämisen yhteydessä esiintyvää terävää jännityksen alenemaa kutsutaan teräväksi myötörajaksi. Kuva 335. Terävä myötöraja 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 11
Kuva 336. Erityyppisten metallien jännitysvenymäpiirroksia K.5.2 Murtovenymä Murtovenymä A5 (metallin sitkeys kuormituksessa ja muovattavuus). Asetetaan katkenneet osat tarkasti yhteen ja mitataan vetokoesauvasta vetokokeen jälkeinen pituus sekä lasketaan prosentteina alkuperäisestä pituudesta, joka ilmoitetaan tulokseksi. Kuva 337. Jännitys venymä -käyrä Kuva 338. Vetokoesauva 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 12
Kuva 339. Ylemmän myötörajan ja alemman myötörajan määrittäminen jännitysvenymäpiirroksesta K.5.3 Kimmoinen muodonmuutos Kohtaa, jossa kimmoinen muodonmuutos muuttuu plastiseksi muodonmuutokseksi, kutsutaan myötörajaksi, ja myötäminen on puolestaan plastista muodonmuutosta. Muodonmuutoskykyyn vaikuttavat: kuormitusnopeus: kuormitusnopeuden kasvaessa lujuus kasvaa lämpötila: lämpötilan noustessa lujuus alenee. mikrorakenne voimakkaat jännityskeskittymät edistävät sitkeyden alenemista. Käyrässä esiintyvää tarvittavan jännityksen kasvamista pysyvän muodonmuutoksen kasvaessa kutsutaan muokkauslujittumiseksi. Alla on esitetty teräksen väsymismurtolujuus (havainnollistava esitys) jännityssyklien funktiona (S N -käyrä). Kuvassa on esitetty myös alumiinin S N -käyrä, jossa terävää väsymisrajaa ei esiinny. Sitkeyden alentuessa murtumismekanismi muuttuu sitkeästä hauraaksi. Haurasmurtumia tapahtuu pienellä energialla sitkeämurtumaan verrattuna (kuva alla). Lämpötilan laskusta aiheutuva sitkeyden aleneminen johtaa murtumiskäyttäytymisen muutokseen haurasmurtumaan taipuvaisilla materiaaleilla. Kuva 340. Väsymismurtolujuus jännityssyklien funktiona 28.3.2010 - Pekka Niemi Aineen koestus - 13