MECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽIAROVO POZINKOVANÝCH MATERIÁLOV

Transcription

1 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA MECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽIAROVO POZINKOVANÝCH MATERIÁLOV 2010 Bc. Štefan Juhás

2 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA MECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽIAROVO POZINKOVANÝCH MATERIÁLOV Diplomová práca Študijný program: Študijný odbor: Školiace pracovisko: Školiteľ: kvalita produkcie kvalita produkcie katedra kvality a strojárskych technológií Ing.Rastislav Mikuš Nitra 2010 Bc. Štefan Juhás 1

3 ČESTNÉ VYHLÁSENIE Podpísaný Bc. Štefan Juhás týmto vyhlasujem, že som diplomovú prácu na tému Mechanické vlastnosti žiarovo pozinkovaných materiálov vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak hore uvedené údaje nie sú pravdivé. V Nitre Bc. Štefan Juhás 2

4 POĎAKOVANIE Ďakujem vedúcemu práce, Ing. Rastislavovi Mikušovi, za cenné rady, pripomienky a odborné vedenie pri vypracovaní diplomovej práce. Chcem poďakovať aj p.š. Ďuricovi, za pomoc pri vykonaní experimentov. V Nitre

5 Abstrakt Diplomová práca popisuje zisťovanie základných mechanických vlastností kovových materiálov. Súčasťou práce je posúdenie mechanických vlastností žiarovo pozinkovaného materiálu DX56D+Z. Materiál sa spracováva technológiou hlbokého ťahania. Zváraná zostava z uvedeného materiálu je dodávaná ako polotovar na zhotovenie karosérie automobilu. Posúdenie mechanických vlastností je vykonané statickou skúškou jednoosovým ťahom a Erichsenovou skúškou hlbokoťažnosti. Posúdenie slúži na porovnanie mechanických vlastností dodávaného materiálu rôznej šarže. Výstupom z vykonaných skúšok je vyhodnotenie kvality materiálu a odporučenie na nákup materiálu z vlastnosťami, ktoré sú vhodnejšie na hlboké ťahanie. Kľúčové slová: hlbokoťažnosť, statická skúška ťahom mechanické vlastnosti materiálov, žiarovo pozinkovaný materiál, Abstract The diploma work describes ascertaining of the basic mechanical characteristics of metal materials. The component of the work is considering of mechanical characteristics of flame galvanized material DX56D+Z. Material has been processing by the deep drawing technology. Welding set from mentioned material is supplied as a semi-finished article for making car body. Assessment of mechanical characteristics is done by the static uniaxial drawing test and Erichsen deep drawing test. This considering serves for comparing of mechanical characteristics of supplied material in various scales. Evaluating of the quality of the material and recommendation for purchase of the material with characteristics move suitable for deep drawing is output from done tests. Key words: mechanical characteristics of material, flame galvanized material, deep drawability, static tensile test 4

6 OBSAH OBSAH... 5 Zoznam ilustrácií... 7 Zoznam tabuliek... 9 Úvod PREHĽAD O SÚČASNOM STAVE RIEŠENEJ PROBLEMATIKY Požiadavky na vlastnosti materiálu Mechanické vlastnosti materiálov Mechanické skúšky materiálov Statická skúška v ťahu Skúšky hlbokoťažnosti podľa Erichsena Niektoré ďalšie skúšky hlbokoťažnosti Proces hlbokého ťahania Faktory vplývajúce na proces ťahania Vplyv nástroja na proces ťahania Podmienky v procese ťahania Tvárniteľnosť ocelí Normálová anizotropia Plošná anizotrópia Exponent deformačného spevnenia Špecifikácia materiálu Označovanie plechov Odporové zváranie Princíp odporového zvárania Druhy odporového zvárania Parametre pri odporovom zváraní Bodové odporové zváranie princíp Skúšanie spojov pri bodovom zváraní Chyby bodových zvarov

7 2 CIEĽ PRÁCE METODIKA PRÁCE Určenie meraných veličín a metódy merania Erichsenova skúška hlbokoťažnosti Skúšky pevnosti zvarov VÝSLEDKY PRÁCE Vyhodnotenie exponentu deformačného spevnenia a normálovej anizotropie Vyhodnotenie hlbokoťažnosti podľa Erichsena Vyhodnotenie zo skúšok pevnosti NÁVRH NA VYUŽITIE ZÁVER ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY A ZDROJOV DOSTUPNÝCH ON LINE 62 9 PRÍLOHY

8 Zoznam ilustrácií Obr. 1.1 Tvary skúšobných tyčí Obr. 1.2 Tvary a rozmery skúšobných tyčí Obr. 1.3 Pracovný diagram ťahovej skúšky Obr. 1.4 Schématické znázornenie ťahovej skúšky Obr. 1.5 Základné typy pracovných diagramov Obr. 1.6 Skúšobný stroj Obr. 1.7 Súčasný skúšobný stroj Obr. 1.8 Schéma Erichsenovej skúšky hlbokoťažnosti Obr. 1.9 Závislosť hlbokoťažnosti od druhu materiálu a jeho hrúbky Obr Tvary prasklín pri skúške hlbokoťažnosti Obr Vzorky po Erichsenovej skúške hlbokoťažnosti Obr Schéma deformačného systému Schmidt Obr Vzorka po Schmidtovej skúške hlbokoťažnosti Obr Priebeh pri Gross Engelhardtovej skúške Obr Vzorky po Gross Engelhardtovej skúške Obr Faktory ovplyvňujúce proces ťahania Obr Označovanie plechov Obr Princíp odporového zvárania Obr Schéma odporového bodového zvárania Obr Bodové odporové zváranie Obr Bodový zvar šošovka Obr Dielenská skúška odlúpením Obr Spoj s vytrhnutým jadrom Obr. 3.1 Druhy ocele a mechanické vlastnosti Obr. 3.2 Odber vzoriek vo vyznačenom smere valcovania

9 Obr. 3.3 Mechanický lis na prípravu vzoriek Obr. 3.4 Skúšobné zariadenie na statickú skúšku ťahom EMIC DL Obr. 3.5 Rozmery skúšobných vzoriek Obr. 3.6 Skúška hlbokoťažnosti podľa Erichsena Obr. 3.7 Vzorky vyhotovené podľa predpisu v norme Obr. 4.1 Grafické vyhodnotenie exponentu deformačného spevnenia Obr. 4.2 Grafické vyhodnotenie súčiniteľa normálovej anizotropie Obr. 4.3 Grafické vyhodnotenie skúšky hlbokoťažnosti Obr. 4.4 Vzorky po skúške hlbokoťažnosti Obr. 4.5 Vzorka 068 po dielenskej skúške pevnosti Obr. 4.6 Vzorka 121 po dielenskej skúške pevnosti Obr. 4.7 Metalugrafický výbrus vzorky Obr. 4.8 Metalugrafický výbrus vzorky

10 Zoznam tabuliek Tab. 4.1 Hodnoty exponentu deformačného spevnenia Tab. 4.2 Hodnoty súčiniteľa normálovej anizotropie

11 Úvod Automobilový priemysel je v súčasnosti najrozsiahlejším a najviac rozvinutým odvetvím nášho národného hospodárstva. Hybnou silou tohto odvetvia je využitie potenciálu vo forme použitia oceľových plechov. Pri návrhu a realizácii tenkostenných konštrukcií v podobe výroby karosérií vstupujú do procesu aj materiálové vlastnosti, konštrukcia a technológia výroby. Neustále sa zvyšujúci tlak na výrobcov automobilov o dosiahnutie čo najnižšej hmotnosti pri konštrukcii automobilu vedie k použitiu plechov menšej hrúbky pri aplikácii materiálov s vyššími pevnostnými vlastnosťami. So znižujúcou sa hrúbkou plechov je spätá požiadavka na zvýšenie ochrany povrchu voči korózii. Preto sa používajú plechy povlakované hlavne vrstvou zinku a to z dôvodu priaznivých koróznych vlastností a nízkej ceny. V tejto diplomovej práci budú spracované metódy na zisťovanie mechanických vlastností materiálov, ktoré sa používajú na lisovanie výrobkov určených v najväčšej miere pre automobilový priemysel. Konkrétne je diplomová práca zameraná na výrobok, ktorý pri nábehu do sériovej výroby spôsobuje nemalé problémy s dosahovaním požadovaných parametrov kladených hlavne na kvalitu, čo samozrejme nepriaznivo vplýva na stabilitu výrobného procesu a tým pádom aj narúša ekonomické ukazovatele pri implementácii nového projektu do výrobného procesu. 10

12 1 PREHĽAD O SÚČASNOM STAVE RIEŠENEJ PROBLEMATIKY Podľa (Hrivňák, Evín, Spišák, 1990) je plech vhodným východzím polotovarom v strojárskej výrobe. Umožňuje navrhovať súčiastky ľubovoľných rozmerov, tvarovo zložité, dostatočne pevné a tuhé pri ich minimálnej hmotnosti. Svojim tvarom je plech predurčený k spracovaniu plošným tvárnením. Technologické metódy plošného tvárnenia i metódy používané pre dokončovacie operácie výliskov kladú na plech celý rad požiadaviek, aby sa z rovinného polotovaru dali čo najjednoduchšie, najlacnejšie a najrýchlejšie vyrobiť i tvarovo zložité, rozmerné súčiastky. Tieto požiadavky sú zahrnuté do pojmu lisovateľnosť plechu. Pod pojmom lisovateľnosť rozumieme vhodnosť plechu k spracovaniu tvárnením pri konkrétnych technologických podmienkach. Lisovateľnosť plechu nie je možné vyjadriť jednou určitou hodnotou, lebo je závislá na celom rade vlastností plechov ako je napr. chemické zloženie, mikroštruktúra, mechanické vlastnosti, kvalita povrchu a pod. 1.1 Požiadavky na vlastnosti materiálu 1. chemické zloženie hlbokoťažné ocele majú obsah uhlíka pod 0,15 % a menej než 1% prísad a sprievodných prvkov. Pre zníženie ocelí k náchylnosti na starnutie sa do hlbokoťažných ocelí pridávajú najmä: Al, Ti,V,B,Zr,Nb. 2. mikroštruktúra za optimálnu veľkosť feritického zrna u tenkých plechov je možné považovať podľa STN zrno č.6 až 8. (Sobotová, 2006) 3. mechanické vlastnosti u hlbokoťažných ocelí býva hodnota exponentu deformačného spevnenia,,n 0,22 až 0,23. Hodnoty koeficienta normálovej anizotropie,,r u hlbokoťažných plechov z neupokojených ocelí má byť nad hodnotou 1,6 pri 90º na smer valcovania. 4. kvalita povrchu pri posudzovaní sa hodnotí čistota povrchu,l povrchové chyby a mikrogeometria povrchu. Na povrchu nesmú byť žiadne trhliny, šupiny, zavalcované okuje, dutiny, preložky, rôzne nekovové vmestky a u kvalitnejších plechov ani zafarbenia od tepelného spracovania. 11

13 1.2 Mechanické vlastnosti materiálov Aplikácia materiálov v technickej praxi, ktorú opísal (Veles, 1985) sa uskutočňuje na základe poznania ich vlastností, ktoré sú požadované pre daný účel použitia. Kovy a ich zliatiny sa v praxi najčastejšie aplikujú ako konštrukčné materiály a sú namáhané prevažne mechanickým napätím. Preto sú pre ich použitie rozhodujúce mechanické vlastnosti. Mechanické vlastnosti, ktoré predstavujú základné charakteristiky správania kovu pri mechanickom namáhaní, čiže jeho odolnosť voči deformácii a porušeniu, možno považovať za základné mechanické vlastnosti. Medzi tieto vlastnosti patrí: pružnosť, plastickosť, pevnosť a húževnatosť. Na zisťovanie hodnôt mechanických vlastností kovov a ich zliatin sa používajú mechanické skúšky. 1.3 Mechanické skúšky materiálov Skúškami (Tomčík, Trojan, 2007) mechanických vlastností určujeme základné mechanické charakteristiky k hodnoteniu akosti materiálu, pre pevnostné výpočty konštrukcií a k posúdeniu vhodnosti aplikácie mechanických technológií a návrhu ich parametrov. Dôležitým výstupom z mechanických skúšok materiálov sú informácie o plastických vlastnostiach materiálu. Reakcie skúšaného materiálu na pôsobenie vonkajších síl je daná vzájomným pôsobením štyroch základných faktorov (Stránský, Molliková, Sedláček, 2002): zaťažením skúšobným telesom materiálom skúšobného telesa podmienkami skúšky Rozdelenie mechanických skúšok: podľa stavu napätosti na skúšky pri o o jednoosom stave napätosti viacosovom stave napätosti 12

14 podľa spôsobu zaťaženia na skúšky o o o o o ťahom tlakom ohybom krútením strihom podľa časového priebehu zaťažujúcej sily pôsobiacej na skúšané teleso na skúšky o o o o statické dynamické krátkodobé dlhodobé podľa účinku zaťaženia na skúšané teleso na skúšky o o deštruktívne, pri ktorých sa skúšobné teleso deformuje alebo poruší, nedeštruktívne, pri ktorých nedochádza k trvalej zmene tvaru, rozmerov, chemického zloženia, štruktúry a pod Statická skúška v ťahu Statická skúška ťahom je základná mechanická skúška, pôvodne predurčená na to aby sa stala najrozšírenejšou a najuznávanejšou skúšobnou metódou na hodnotenie mechanických vlastností kovových aj nekovových konštrukčných materiálov. Vychádza z porovnaní, že ťahovým namáhaním možno každý materiál porušiť (rozdeliť na párny počet lomových plôch), kým pri namáhaní tlakom nastáva porušenie len pri krehkých materiáloch. Zachováva sa zákon geometrickej podobnosti pri jednoosovom ťahovom zaťažení rôzne veľkých a geometricky podobných prizmatických skúšobných telies. Skúšku predpisuje STN EN Princíp skúšky spočíva v statickom zaťažovaní 13

15 skúšobnej tyče predpísaných rozmerov až do pretrhnutia. Na skúšobnej tyči možno určiť štyri normované základné mechanické vlastnosti: - medzu pevnosti v ťahu - medzu sklzu - ťažnosť - kontrakciu Okrem týchto základných vlastností sa špeciálnym skúšobným postupom dajú zistiť: - modul pružnosti - medza úmernosti - konvenčná medza pružnosti Údaje zaznamenané silomerom skúšobného stroja, pracovný diagram skúšky ťahom, ako aj rozmery skúšobnej tyče pred a po skúške sú podkladom na vyhodnotenie skúšky. Pri konštrukčných materiáloch sa určujú tieto napäťové charakteristiky: - medza pružnosti v ťahu Rp0,005 - medza sklzu v ťahu Re alebo medza sklzu v ťahu Rp0,2 - medza pevnosti v ťahu Rm - ťažnosť A - kontrakcia Z - charakter lomovej plochy Postup pri statickej skúške v ťahu (Balla, Mikuš, Cviková, 2003) 1. Pred vlastnou skúškou sa premerajú skúšobné tyče na rozmer d 0, L 0 s presnosťou na 0,01 mm a výsledky merania sa zaznamenajú do skúšobného protokolu 14

16 2. Na trhacom stroji sa nastaví vhodný rozsah zaťaženia a stroj sa vyváži na nulovú hodnotu 3. Skúšobná tyč sa upne do upínacích čeľustí tak, aby bola namáhaná len osovým ťahom. Tyč sa veľmi pomaly zaťažuje až do pretrhnutia. 4. Po skúške sa odčíta sila na medzi pevnosti a zaznamená sa do protokolu 5. Po ukončení skúšky sa tyč vyberie z trhacieho stroja, presne sa spojí v mieste lomu a premerajú sa rozmery d u,l u. Výsledky merania sa zapíšu do protokolu. 6. Na základe nameraných údajov sa vypočítajú základné mechanické hodnoty pevnosť v ťahu (Rm), ťažnosť (A), kontrakcia (Z). Skúšobné tyče Skúšobné tyče sa zhotovujú z časti skúšaného materiálu (napr. odliatku, výkovku a pod), alebo sa vyrobia samostatne, prípadne sa skúša celý polotovar ako sú napr. rúrky, laná reťaze. Tvar a rozmery skúšobných tyčí (obr.1.2) predpisujú normy (STN EN 10002, 2002), všeobecne sa rozdeľujú podľa prierezu, podľa meranej dĺžky a podľa tvaru upínacích hláv. Podľa prierezu sa skúšobné tyče rozdeľujú na kruhové a ploché (obr. 1.1). Podľa meranej dĺžky Lo a v závislosti od prierezu So na tyče krátke a tyče dlhé. Pri krátkych tyčiach je Lo = 5.do alebo Lo = 5,65.(So)1/2, pri dlhých tyčiach je Lo = 10.do alebo Lo = 11,3.(So)1/2. Z úsporných dôvodov sa odporúča používať krátke skúšobné tyče. Obr. 1.1 Tvary skúšobných tyčí kruhový, plochý (Martinkovič, 2005) 15

17 ød 0 L 0 =ΣL 0i L 0 L t Pracovný diagram statickej skúšky ťahom Obr. 1.2 Tvar a rozmery skúšobných tyčí Pracovný diagram ocele s výraznou medzou sklzu možno rozdeliť do nasledovných oblastí: 1. Oblasť pružných elastických deformácií diagram je tu lineárny, až po silu na medzi úmernosti. Fyzikálne je sila na medzi úmernosti totožná so silou na medzi pružnosti.(statická skúška ťahom, 2006) 2. Oblasť rovnomernej plastickej deformácie po prekonaní prechodného javu v okolí síl na medzi sklzu, hornej a dolnej nastane rovnomerná trvalá plastická deformácia v celom objeme vzorky, až po maximálnu silu. 3. Oblasť lokálnej plastickej deformácie ak na vzorku pôsobí naďalej zaťažujúca sila, vzorka sa deformuje lokálne (miestne) za vzniku zúženia kŕčku, v ktorom sa vzorka na konci skúšky roztrhne. 16

18 F (N) Fmax Fu U K M S α 0 Obr. 1.3 L (mm) Pracovný diagram ťahovej skúšky (Balla, Mikuš, Cviková, 2003) S0 S L0 R L Lu S u LOM L F F F Obr. 1.4 Schématické znázornenie ťahovej skúšky (Balla, Mikuš, Cviková, 2003) a fáza pružnej deformácie, b fáza rovnomernej plastickej deformácie, c fáza lokálnej plastickej deformácie Základné typy pracovných diagramov: a) diagram uhlíkovej nelegovanej ocele, bez výraznej medze sklzu b) diagram materiálu, ktorý sa poruší pri maximálnej sile, bez vytvorenia kŕčka c) diagram krehkého materiálu, napríklad sivej liatiny d) diagram ocele s výraznou medzou sklzu e) diagram materiálov, ktoré sa v oblasti plastickej deformácie výrazne spevňujú 17

19 Obr. 1.5 Základné typy pracovných diagramov (Statická skúška v ťahu, 2006) Pevnostné charakteristiky materiálu Medzi pevnostné charakteristiky materiálov patria medza úmernosti, medza pružnosti, medza sklzu, medza pevnosti a modul pružnosti Medza úmernosti Medza úmernosti R u je najvyššie napätie, pri ktorom platí Hookov zákon úmernosti. Je to vlastne napätie, pri ktorom čiara v elastickej oblasti zaťažovacieho diagramu F- L prestáva mať lineárny priebeh (Balla, Mikuš, Cviková, 2003). Tento okamih zodpovedá bodu U v pracovnom diagrame ťahovej skúšky a nastáva pri sile F u. Hookov zákon vyjadruje lineárny vzťah medzi napätím a pomernou zmenou dĺžky v oblasti pružných deformácií: R = E.ε (1) kde: R napätie v skúšobnom telese po zaťažení silou F, MPa E modul pružnosti v ťahu-tlaku, MPa ε pomerné predĺženie, -. 18

20 Moduly pružnosti vyjadrujú vnútorný odpor materiálu proti pružnej deformácii. Čím väčší je modul pružnosti, tým väčšie napätie je potrebné na vyvolanie stanovenej deformácie (Balla, Mikuš, Cviková, 2003). Medza pružnosti Pružnosť je všeobecne definovaná ako schopnosť materiálu pred porušením sa pružne deformovať (Balla, Mikuš, Cviková, 2003). Pružná deformácia je vratná zmena tvaru telesa, pri ktorej sa po odstránení napätia tvar telesa vráti do pôvodného stavu. V oblasti namáhania, keď vzniká len pružná deformácia, sa teleso nachádza v stave elastickej napätosti. Medza pružnosti je napätie, ktoré zodpovedá bodu E. Medzu pružnosti možno definovať ako najvyššie napätie, pri ktorom ešte nevzniká plastická deformácia. Fyzikálne definovanú medzu pružnosti možno podľa klasickej mechaniky považovať za totožnú s medzou úmernosti. Pri praktických skúškach sa však obe kritériá merajú rôzne definovanými konvenčnými metódami, preto sa ich hodnoty nestotožňujú. Medza pružnosti má ako kritérium pružných vlastností kovových materiálov význam pri výpočtoch dovolených napätí a pri určovaní medzných stavov konštrukcií. Pre značnú experimentálnu náročnosť pri jej meraní sa však málo používa a v praxi sa nahrádza hodnotou medze sklzu (Balla, Mikuš, Cviková, 2003). Medza sklzu Plasticita je schopnosť materiálu pôsobením vonkajších síl meniť v tuhom stave trvalo svoj tvar bez porušenia, to znamená pred porušením sa plasticky deformovať. Je makroskopickým prejavom zmeny vzájomnej polohy častíc deformovaného materiálu a začína, ak napätie prekročí odpor materiálu proti plastickej deformácii, t.j. medzu pružnosti, resp. medzu sklzu (Balla, Mikuš, Cviková, 2003). Trvalá deformácia je nevratná zmena tvaru telesa, ktorá po odstránení napätia nezmizne a teleso nadobúda nový tvar a rozmery. Vzniká po prekročení určitej kritickej hodnoty napätia (medze pružnosti). Napäťový stav telesa, pri ktorom sa teleso trvalo deformuje, je stav elasticko-plastickej napätosti (Balla, Mikuš, Cviková, 2003). Medza sklzu charakterizuje prechod medzi elastickou a elasticko-plastickou oblasťou pracovného diagramu. Fyzikálne sa medza sklzu charakterizuje ako najmenšie napätie, pri 19

21 ktorom začína výrazná plastická deformácia. V ťahovom diagrame sa medza sklzu prejavuje dvomi formami, a to výraznou a nevýraznou. U hlbokoťažných plechov, určených pre výlisky s požiadavkou hladkého povrchu, je najvýhodnejší plynulý prechod na medzi sklzu. Medza sklzu má byť čo najmenšia. Príliš vysoká medza sklzu zvyšuje pretvárny odpor na začiatku lisovania a tiež veľkosť odpruženia, namáhanie lisovacích nástrojov a pod. Pomer R e /R m má byť čo najnižší a u plechov s veľmi dobrou hlbokoťažnosťou má byť do 0,65, u plechov s dobrou hlbokoťažnosťou v rozmedzí 0,65 0,75. Plechy s pomerom R e /R m nad 0,75 sú vhodné len pre nenáročné výlisky (Hrivňák, Evín, Spišák, 1990). Medza pevnosti Pod pojmom pevnosť sa rozumie odpor, resp. odolnosť materiálu proti trvalému porušeniu súdržnosti jeho častíc. Číselne pevnosť vyjadrujeme napätím, pri ktorom sa materiál rozdelí na dve alebo viac častí. Výsledkom procesu porušenia materiálu je lom (Veles, 1985). Medza pevnosti je napätie zodpovedajúce podielu najväčšieho zaťaženia F m a počiatočného prierezu skúšobnej tyče S 0. Medza pevnosti sa v STN definuje ako zmluvné napätie zodpovedajúce najväčšiemu zaťaženiu F m, ktoré predchádza porušeniu skúšobnej tyče (Balla, Mikuš, Cviková, 2003). Fm R = (2) m S 0 kde: R m napätie na medzi pevnosti, MPa, F m maximálna zaťažujúca sila, N, S 0 pôvodný prierez skúšobného telesa, mm 2. Plastické charakteristiky materiálu Pomocou skúšky ťahom sa zisťujú dve plastické charakteristiky materiálov ťažnosť a kontrakcia. 20

22 Ťažnosť Ťažnosť je definovaná ako pomerné pozdĺžne trvalé predĺženie skúšobnej tyče po roztrhnutí. Ťažnosť je pomerná deformácia do roztrhnutia ε u vyjadrená v %. Lu L0 A =.100 = ε u.100 (3) L 0 kde: A ťažnosť, % L 0 meraná dĺžka skúšobnej tyče pred skúškou, mm L u meraná dĺžka skúšobnej tyče po pretrhnutí, mm Ťažnosť u hlbokoťažných plechov má byť čo najvyššia. Minimálna hodnota ťažnosti je predpisovaná v materiálovom liste. Bežne je ťažnosť meraná na roztrhnutej vzorke. Čím je väčšia hodnota ťažnosti pri súčasne nízkom pomere R e /R m, tým je plech vhodnejší k hlbokému ťahaniu (Hrivňák, Evín, Spišák, 1990). Kontrakcia Kontrakcia je definovaná ako najväčšie pomerné trvalé zúženie prierezu skúšobnej tyče, odmerané po jej pretrhnutí v mieste lomu. Z S0 Su =.100 = ψ u.100 (4) S 0 kde: Z kontrakcia, % S 0 plocha pôvodného prierezu skúšobnej tyče, mm 2 S u plocha najmenšieho prierezu skúšobnej tyče po pretrhnutí v mieste lomu, mm 2 Kontrakcia u hlbokoťažných plechov má byť čo najvyššia. Čím je hodnota kontrakcie vyššia, tým je plech vhodnejší k hlbokému ťahaniu. U veľmi dobrých hlbokoťažných plechov sa Z pohybuje okolo 0,20 0,22 (Hrivňák, Evín, Spišák, 1990). 21

23 Skúšobné stroje Skúšobné stroje, alebo tiež trhacie stroje sú základným vybavením každej mechanickej skúšobne. Vyrábajú sa v takom vyhotovení, aby sa dali použiť aj na skúšky tlakom a ohybom. Princíp spočíva v tom, že skúšobná tyč upnutá v čeľustiach trhacieho stroja sa zaťažuje zvoľna rastúcou ťahovou silou, ktorou sa tyč predlžuje, kým sa nepretrhne. Každý trhací stroj má meracie zariadenie, ktorým možno určiť veľkosť zaťažujúcej sily v ľubovoľnom okamihu skúšky. Takmer na všetkých starších trhacích strojoch (obr.1.6) má meracie zariadenie registračný prístroj, ktorý kreslí na pásik papiera závislosť predĺženia skúšobnej tyče od zaťažujúcej sily. Výsledkom je tzv. pracovný diagram skúšky ťahom. (Vysoký, Misterka, 1977) sklonná váha ukazovateľ registračného zariadenia papier a písatko registračného zariadenia závažie sklonnej váhy pravítko nosné stĺpy základná doska horný priečnik horná upínacia hlava skúšobná tyč spodná upínacia hlava stredný priečnik ovládanie rýchlosti stredného priečnika šrobovacie vreteno elektromotor Obr. 1.6 Skúšobný stroj (Stránský, Molliková, Sedláček, 2002) 22

24 Obr. 1.7 Súčasný skúšobný stroj ZWICK Z Skúšky hlbokoťažnosti podľa Erichsena Táto skúška sa vykonáva na plechoch hrúbky 0,1 až 2 mm. Pre šírku pásov od 13 do 90 mm platí norma STN , pre plechy a pásy nad šírku 90 mm platí norma STN EN ISO 20482:2004. Tieto normy platia pre teploty 20 ± 10 ºC. (Martinec a i., 1982) Podstata skúšky Skúška pozostáva z vtlačovania guľôčky alebo razníka s guľovým zakončením do skúšobného telesa, ktorá je uchytená pridržiavačom (obr. 1.8). Skúšobné teleso vtláčame dovtedy, kým nevznikne na plechu trhlina. Hĺbka prehĺbenia do tohto okamihu udáva hodnotu hlbokoťažnosti. Najčastejšie sa robí skúška s priemerom razníka 20 mm, na pásoch šírky 70 mm. Dĺžka skúšobného telesa sa má najmenej rovnať šírke pásu. Majú sa vykonať aspoň tri prehĺbenia. Odporúča sa merať na pásoch, kde sa z jednej strany urobia tri vtlačenia a z druhej tiež tri vtlačenia. Skúšobné teliesko sa nemá pred skúškou vyrovnávať. Rozmery skúšobného zariadenia udáva norma. (Martinec a i., 1982) Postup skúšky Hrúbka skúšobného telesa má byť stanovená s presnosťou 0,01 mm. Pred skúškou sa obe plochy skúšobného telesa i pracovná časť razníka potrú grafitovým tukom. 23

25 Prehĺbenie sa má robiť uprostred pása a vzdialenosť dvoch vtlačkov má byť minimálne 55 mm. Do pritlačovaného telesa sa rýchlosťou 5 až 10 mm/min plynule a bez rázov vtlačuje razník. Ku koncu skúšky sa odporúča znížiť rýchlosť, aby sme mohli presnejšie stanoviť okamih vzniku prvej trhliny. V okamihu vzniku prvej trhliny sa vtlačovanie preruší a odčíta sa hĺbka prehĺbenia s presnosťou 0,1 mm. Na obrázku (obr. 1.9) sú prehĺbenia rôznych materiálov v závislosti od zmeny hrúbky. Z obrázku vidieť, že plechy väčšej hrúbky dávajú väčšie hodnoty prehĺbenia. Pri vyhodnotení skúšky je dôležité aj posúdenie vzhľadu vytlačeného guľového vrchlíka. Ak sa objavia praskliny vo vrstevniciach okrúhleho tvaru, je plech vhodný na ťahanie. Praskliny vychádzajúce lúčovito zo stredu hovoria o materiáli nevhodnom na ťahanie (obr. 1.10). Posúdenie drsnosti plechu po ťahaní hovorí o vlastnostiach plechu. Ak je povrch hladký, má jemnú štruktúru, ak je hrbolatý, svedčí to o zhrubnutom zrne. (Martinec a i., 1982) Obr. 1.8 Schéma Erichsenovej skúšky hlbokoťažnosti (Martinec a i., 1982) 24

26 Obr. 1.9 Závislosť hlbokoťažnosti od druhu materiálu a jeho hrúbky(martinec a i., 1982) Obr Tvary prasklín pri skúške hlbokoťažnosti (Martinec a i., 1982) 25

27 Obr Vzorky po Erichsenovej skúške hlbokoťažnosti (Analytické a experimentálne metódy predikcie ukazovateľov lisovateľnosti tenkých plechov, 2008) Niektoré ďalšie skúšky hlbokoťažnosti 1. Skúšky hlbokoťažnosti podľa Schmidta Skúška simuluje: - vplyv zmeny stavu napätosti - vplyv geometrie činných častí nástroja - vplyv podmienok ťahania - vplyv mikrogeometrie kontaktných plôch - vplyv mazadla - vplyv tlaku pridržiavača Mierou hlbokoťažnosti je medzný stupeň ťahania: Kmax = Do max / d (5) 26

28 Obr Schéma deformačného systému Schmidt (Analytické a experimentálne metódy predikcie ukazovateľov lisovateľnosti tenkých plechov, 2008) Obr Vzorka po Schmidtovej skúške hlbokoťažnosti (Analytické a experimentálne metódy predikcie ukazovateľov lisovateľnosti tenkých plechov, 2008) 27

29 2. Skúšky hlbokoťažnosti podľa Gross- Engelhardta Mierou hlbokoťažnosti je tzv. prirodzený stupeň hlbokoťažnosti T Fa Fz T = 100 (%) (6) Fab Obr Priebeh pri Gross Engelhardtovej skúške (Analytické a experimentálne metódy predikcie ukazovateľov lisovateľnosti tenkých plechov, 2008) Obr Vzorky po Gross Engelhardtovej skúške (Analytické a experimentálne metódy predikcie ukazovateľov lisovateľnosti tenkých plechov, 2008) 28

30 1.4 Proces hlbokého ťahania Hlboké ťahanie je technologický proces, pri ktorom sa deformáciou rovinného polotovaru na jednu alebo viac ťažných operácií zhotoví priestorové teleso výlisok(výťažok). Hlbokoťažnosť je vlastne technologická charakteristika materiálu, ktorá vyjadruje vhodnosť materiálu pre výrobu technológiou hlbokého ťahania t.j. vyvolať trvalú zmenu tvaru bez porušenia súdržnosti v konkrétnych technologických podmienkach, ktoré umožňujú vyrobiť polotovar požadovaných rozmerov, tvaru a vlastností. (Hrubý, 2008) Faktory vplývajúce na proces ťahania Pri akomkoľvek spracovaní plechov a pásov tvárnením za studena je jednou z najdôležitejších vlastností jeho schopnosť plasticky sa deformovať tvárniteľnosť. Tvárniteľnosť je definovaná ako schopnosť materiálu vyvolať trvalú zmenu bez porušenia telesa v konkrétnych a podmienených technologických podmienkach (Spišák, 2000). Napriek tomu, že bolo doposiaľ vyvinuté nemalé úsilie nájsť iba jednu univerzálnu hodnotu, ktorá by charakterizovala vhodnosť materiálu pre rôzne technologické operácie tvárnenia, nebol tento cieľ dosiahnutý. Preto sa aj v súčasnosti používajú viaceré metódy a záleží mnohokrát na tradícii i vlastných skúsenostiach ľudí pracujúcich s plechmi a pásmi, ktorým metódam dávajú prednosť. (Hrubý, 2008) Najčastejšie je tvárniteľnosť plechov braná do úvahy pri ťahaní. Proces ťahania je veľmi produktívny technologický proces premeny plochého polovýrobku na tvarovo symetrické alebo nesymetrické výrobky. Na výsledok tejto operácie majú vplyv všetky faktory, ktoré sa na nej zúčastňujú. Podmienkou úspešnosti pri ťahaní nie je len vytiahnutie výlisku ako takého ale predovšetkým kvalita výlisku bez zvlnenia, dosiahnutie požadovaného tvaru, dostatočná tuhosť a stabilita rozmerov. Z praxe je známe, že pri výrobe výliskov ťahaním sa vyskytujú problémy s dodržaním parametrov. Tie sú prejavom množstva vplyvov, ktoré v procese ťahania pôsobia (obr.1.16). (Mihaliková, 2006) 29

31 Konštrukcia výťažku Návrh technológie Ťahaný materiál Konštrukcia ťažného nástroja Proces ťahania Tvárnaici stroj Výroba ťažného nástroja Technologické podmienky Obr Faktory ovplyvňujúce proces ťahania (Hrubý, 2008) Lisovateľnosť pri technológii ťahania možno definovať ako,,schopnosť plechu plasticky sa pretvoriť na výťažok požadovaného tvaru, rozmerov a kvality v konkrétnom ťažnom nástroji a za konkrétnych podmienok lisovania. (Hrubý, 2008) Na lisovateľnosť majú vplv všetky faktory zúčastňujúce sa na procese lisovania: o o o o materiál plech (mechanické vlastnosti, povrch rozmery a tvar prístrihu), výťažok (rozmery a tvar výťažku), nástroj (geometria činných častí, kvalita povrchu činných častí, presnosť), technológia (počet ťažných operácií a ich odstupňovanie, rýchlosť ťahania, trecie pomery, pridržiavací tlak) Vplyv nástroja na proces ťahania Proces ťahania sa realizuje na ťažnom lise v ťažnom nástroji. Vplyv ťažného nástroja na proces ťahania je významný. Najväčší vplyv na proces ťahania majú: o konštrukcia nástroja 30

32 o o geometria a mikrogeometria činných častí nástroja brzdiace rebrá Z hľadiska konštrukcie nástroja je dôležité odstupňovanie jednotlivých ťažných operácií a samotná koncepcia nástroja pre mechanický alebo hydraulický lis. Správnym rozdelením ťažných operácií je možné predísť problémom pri ťahaní.(hrubý, 2008) Z hľadiska geometrie a mikrgeometrie činných častí nástroja majú najväčší vplyv polomery zaoblenia ťažných hrán ťažníka a ťažnice, ich drsnosť a ťažná medzera. Vplyvom zmeny polomerov zaoblenia ťažných hrán sa menia trecie podmienky v nástroji, rozloženie napätí a pretvorení. Tieto zmeny priamo vplývajú na veľkosť napätia v ťahanom plechu, ťažnú silu, medzné stupne ťahania, tvorenie vĺn a preložiek na výťažku. Voľba optimálneho polomeru zaoblenia ťažnej hrany ťažnice je zložitá. Výskumy ukázali, že polomer má v rozličných úsekoch procesu hlbokého ťahania protichodný vplyv na veľkosť napätia v nebezpečnom priereze. Drsnosť ťažných častí ťažnice a pridržiavača má byť čo najmenšia. Jej zväčšovaním sa zvyšuje trenie medzi ťažnicou a plechom, pridržiavačom a plechom. Zvýšením trenia narastajú sily potrebné na tvárnenie a znižujú sa medzné stupne ťahania.(hrubý, 2008) Podmienky v procese ťahania Podmienky, v ktorých prebieha proces ťahania na lise, majú značný vplyv na jeho výsledok. Z okolností, ktoré podľa súčasných poznatkov najviac ovplyvňujú proces ťahania a medzné pretvorenia pri ťahaní, sú najčastejšie uvádzané: o o o pridržiavací tlak mazanie rýchlosť ťahania Vplyv pridržiavaceho tlaku v procese ťahania Hlavnou úlohou pridržiavača v procese ťahania je zabrániť zvlneniu materiálu. Aby mohol pridržiavač túto funkciu plniť, musí vyvinúť na materiál taký tlak, aby nedochádzalo k zvlneniu príruby. Tlak však nemá byť príliš veľký, aby značne nezvýšil trecie sily, ktoré by spôsobili porušenie výťažku. Zložitejšie je to pri zložitých výťažkoch, 31

33 kde by mal byť pridržiavací tlak rozdielny v rohu výťažku, prechodovej časti a rovnej časti výťažku.(hrubý, 2008) Vplyv rýchlosti deformácie v procese ťahania Zvýšenie rýchlosti ťahania veľkých tvarovo zložitých výťažkov nepriaznivo vplýva na proces plastickej deformácie a tým aj na porušenie výťažku.(hrubý, 2008) Rýclosť ťahania ovplyvňuje trecie pomery, pretože súčiniteľ trenia závisí od klznej rýchlosti. Preto môže rýchlosť ťahania podstatne ovplyvniť stupeň ťahania. Táto závislosť je tým väčšia, čím väčší podiel celkovej ťažnej sily prináleží trecím silám. V niektorých prácach sa uvádza, že rýchlosť deformácie, pri zaistení optimálnych podmienok mazania nemá resp. má iba malý vplyv na zmenu medzného stupňa ťahania a zmenu ťažnej sily. Vplyv mazania v procese ťahania Pri ťahaní vznikajú trecie sily v týchto oblastiach: 1. oblasť medzi prírubou prístrihu a pridržiavačom 2. oblasť polomeru zaoblenia ťažnej hrany ťažnice 3. oblasť zaoblenia ťažnej hrany ťažnice 4. oblasť valcovej časti ťažnice Trenie do značnej miery zvyšuje ťažnú silu o 20 až 30 %, spôsobuje oter činných častí ťažného nástroja a vplýva tiež na medzné hodnoty stupňa ťahania. Sily vonkajšieho trenia majú kladný aj záporný vplyv na namáhanie materiálu pri hlbokom ťahaní.(hrubý, 2008) 1.5 Tvárniteľnosť ocelí Medzi hlavné požiadavky pri spracovaní hlbokoťažných plechov patrí dobrá tvárniteľnosť a získanie tvarovo zložitých súčiastok bez známok porušenia a povrchových vád vzniknutých tvárnením za studena. V celom objeme spracovaného plechu majú byť zachované rovnaké plastické vlastnosti a zároveň nemajú podliehať zmenám medzi výrobou plechu vo valcovni a spracovaním plechu na hotový výrobok. Z uvedeného vyplýva, že plechy majú zachovať svoje mechanické vlastnosti nezávisle na čase a teplote. Medzi ďalšie požiadavky podľa (Sobotová, 2006) možno zaradiť dodržanie prípustnej 32

34 anizotropie mechanických vlastností, presnosti rozmeru valcovaných plechov a pásov, rovinnosti, povrchovej akosti a tvárniteľnosti. Medzi charakteristiky tvárniteľnosti zaraďujeme mechanické vlastnosti ako sú: medza sklzu, medza pevnosti, pomer medze sklzu k medzi pevnosti, ťažnosť a hodnota vtlačku pri Erichsenovej skúške. Pre hlboké ťahanie má najväčší význam medza sklzu Normálová anizotropia Koeficient normálovej anizotrópie,,r vyjadruje odolnosť plechu proti stenšovaniu pri plastickej deformácii, t.j. vyjadruje nerovnomernosť vlastností plechu v rovine plechu oproti vlastnostiam v smere kolmom na rovinu plechu. Čím je hodnota r vyššia, tým je lisovateľnosť plechu lepšia. Hodnoty r u dobrých hlbokoťažných plechov z neupokojených ocelí majú byť nad 1,15. (Hrivňák, Evín, Spišák, 1990) Pre posúdenie platí: ϕ b r = ϕ a (7) Plošná anizotrópia Koeficient plošnej anizotrópie vyjadruje nerovnomernosť mechanických vlastností v rôznych smeroch roviny plechu. Najčastejšie sa zisťuje u R e, R m, a A. Vyjadruje sa ako rozdiel vlastností v určitom smere v rovine plechu vzhľadom k danej vlastnosti v smere valcovania. Na lisovateľnosť má plošná anizotrópia v prevažnej miere nepriaznivý vplyv. Preto hodnota plošnej anizotrópie by mala byť čo najmenšia.(hrivňák, Evín, Spišák, 1990) Exponent deformačného spevnenia Exponent deformačného spevnenia vyjadruje schopnosť kovu k spevňovaniu pri plastickej deformácii za studena. Exponent deformačného spevnenia je materiálová konštanta, pre oceľové hlbokoťažné plechy je vždy menší ako 1.(Hrubý, 2008) Hodnota exponentu deformačného spevnenia daného oceľového plechu závisí predovšetkým od veľkosti zrna, obsahu prísadových prvkov, stupni hladiaceho valcovania a na starnutí ocele. Exponenty deformačného spevnenia nadobúdajú v jednotlivých smeroch x rôzne hodnoty n x. Hodnoty n x sa určujú pomocou ťahovej skúšky na vzorkách v jednotlivých smeroch x voči smeru valcovania. Na hodnotenie tvárniteľnosti sa používa priemerná hodnota deformačného spevnenia n m. Exponent deformačného spevnenia ako 33

35 kritérium tvárniteľnosti plechu je rozhodujúci pre prípady ťahania plechu, kde prevládajú ťahové napätia. Vysoká hodnota priemerného deformačného spevnenia plechu, spôsobuje rovnomernejšie rozloženie deformácií pri dvojosovej ťahovej napätosti, a tým prispieva k dosiahnutiu väčšej hodnoty celkovej deformácie. Čím má materiál vyššiu hodnotu exponentu deformačného spevnenia, tým je vhodnejší na hlboké ťahanie. Hodnotenie tvárniteľnosti plechov podľa n m zatiaľ nie je stanovené normou, na hodnotenie tvárniteľnosti plechov môžeme použiť nasledujúce zatriedenie: 1. nízka tvárniteľnosť n m < 0,215, 2. dobrá tvárniteľnosť n m = 0,215 až 0,250, 3. vynikajúca tvárniteľnosť n m > 0, Špecifikácia materiálu Na žiarové zinkovanie sú vhodné nelegované konštrukčné ocele, nízkolegované ocele, liatina (Technologie pro povrchové úpravy, 2003). Nevhodné sú automatové ocele. Povrch podkladového kovu je potrebné upraviť pred ponorením do zinkového kúpeľa odmasťovaním, morením na čistý stav povrchu. Odporúča sa moriť v kyseline chlorovodíkovej a pre odliatky v kyseline fluorovodíkovej, alebo použiť elektrolytické morenie pre odliatky. V oceli niektoré prvky napr. kremík, fosfor tiež ovplyvňujú hrúbku aj vzhľad zinkového povlaku. Pri rôznych podieloch kremíka a fosforu vznikajú nerovnomerné, lesknúce, alebo tmavošedé povlaky. V súčasnosti sa konajú výskumné práce zamerané na vplyv sprievodných prvkov v oceli (EN ISO 14713). Počas procesu zinkovania sa v podkladovom kove čiastočne uvoľňujú napätia a môžu spôsobiť deformácie žiarovo zinkovaného výrobku. Oceľové výrobky tvarované za studena (ohýbaním) môžu v závislosti od druhu ocele a rozsahu tvarovania za studena skrehnúť. V prípade ak sa požaduje tvárniť za studena, je potrebné napätia, ktoré vznikajú v tomto procese odstrániť (pred morením a zinkovaním) tepelným spracovaním. 34

36 Označovanie plechov Označovanie ocelí pre ploché výrobky tvarované za studena (sem patria napr. ocele plechov a pásov podľa EN 10130, EN a EN 10142) spôsob valcovania nie je predpísaný rozlišovací znak ocele D X 56 D + Z povlak zinku pre žiarové pokovanie ploché výrobky k tvárneniu za studena Obr Označovanie plechov (Chemické vlastnosti materiálov, 2007) 1.7 Odporové zváranie Odporové zváranie je spôsob zvárania, pri ktorom sa vytvára zvar bez prídavného materiálu krátkodobým prechodom prúdu vysokej intenzity cez miesto zvaru, pri súčasnom pôsobení tlaku. Odporové zváranie zaraďujeme medzi technológie, pri ktorých sa využíva vzniknuté elektrické teplo. Prechodom elektrického prúdu sa zohrievajú všetky časti, cez ktoré prúd preteká. Medzi prednosti odporového zvárania patrí napr. vysoká produktivita, lebo samotný zvárací čas trvá len zlomky sekundy. (Kéry, 2008) Princíp odporového zvárania Schéma bodového odporového zvárania je znázornená na obr

37 Obr Princíp odporového zvárania (Kéry, 2008) Druhy odporového zvárania 1. bodové zváranie 2. švové zváranie 3. výstupkové zváranie 4. stykové stláčacie zváranie 5. stykové odtavovacie zváranie Parametre pri odporovom zváraní Zváracia sila, prúd, čas nazývame základnými parametrami odporového zvárania. V plnej miere to platí o bodovom, výstupkovom a stykovom zváraní. Požaduje sa, aby sa na zváranie každého dielca, každého materiálu alebo kombinácie materiálov na každom zváracom stroji stanovil postup. Pre každú kombináciu sa má zistiť oblasť vhodných parametrov.(kéry, 2008) 36

38 1.7.4 Bodové odporové zváranie princíp. Bodové zváranie je druh odporového zvárania, pri ktorom sa zvárané predmety navzájom preplátujú a stlačia silou F medzi medenými tyčovými elektródami (obr.1.19). Tlačením preplátovaných plechov pomocou tyčových elektród z medenej zliatiny sa uzatvorí sekundárny obvod zváračky. Bodové odporové zváranie je zachytené na obr Obr Schéma odporového bodového zvárania (Kéry, 2008) Obr Bodové odporové zváranie (Kéry, 2008) 37

39 Elektródy privádzajú prúd a sústreďujú silu do oblasti budúceho spoja. Krátkodobým prechodom prúdu dojde k nataveniu v mieste najväčšieho odporu, tj. v mieste styku preplátovaných plechov. Po vypnutí prúdu sa v mieste roztaveného kovu vytvorí zvarová šošovka (obr. 1.21). Zvarový spoj má typickú dendritickú štruktúru, čo je tiež dôkazom predchádzajúcej existencie roztaveného materiálu. Zváranie sa uskutočňuje bez prídavného materiálu. Zdrojom zváracieho prúdu je obvykle zvárací transformátor.(kéry, 2008) Obr Bodový zvar šošovka (Kéry, 2008) Bodové odporové zváranie pozinkovaných plechov Automobilový priemysel používa v čoraz väčšej miere na zhotovenie karosérií pozinkované plechy. Výrobca tak môže značne predĺžiť životnosť karosérie, ale musí riešiť problémy so zvariteľnosťou pozinkovaných plechov. Na zváranie pozinkovaných plechov sa vyžadujú vyššie zváracie prúdy a dlhšie zváracie časy. V praxi to znamená zvýšiť výkon zváracieho transformátora. Na proces zvárania pozinkovaných plechov má vplyv celý rad činiteľov medzi ktoré patria: vlastnosti zváraného materiálu, vlastnosti zváracieho zariadenia, vlastnosti zvídacích elektrod, zváracie parametre. Čím väčšia je hrúbka zinkovaného povlaku, tým horšia je odporová zvariteľnosť. Pritom však na hrúbke povlaku priamo závisí korózna odolnosť plechu.(kéry, 2008) Skúšanie spojov pri bodovom zváraní Pri skúškach pevnosti bodového odporového zvárania sa vyhodnocuje najmä či je vzniknutá zvarová šošovka dostatočne prevarená a zisťuje sa difúzny charakter zvarového spoja. K tomuto účelu slúži dielenská skúška tzv. skúška odlúpením (obr. 1.22). Bez 38

40 ohľadu na použitý spôsob odporového zvárania sa hodnotí vzhľad povrchu, rozmery a hĺbka odtlačku pod elektródami, rozmery zvaru, čistota spoja, výskyt prasklín. Mechanickými skúškami sa zisťuje pevnosť zvaru, najmä pri požadovanom spôsobe namáhania (Kéry, 2008). Obr Dielenská skúška odlúpením (Kéry, 2008) Chyby bodových zvarov Pri štúdiu chýb bodových zvarov je nevyhnutné najskôr poznať optimálnu konfiguráciu a rozmery. Šošovka dobrého zvaru má mať približne rovnaký priemer ako je priemer elektródy a má byť symetrická. Výška šošovky má byť najmenej 30 % zváranej hrúbky, ale nie viac ako 70 % hrúbky oboch zváraných plechov. Otlačky po elektródach majú byť čo najplytšie. Pri mechanickej skúške sa za vyhovujúci zvar považuje spoj s vytrhnutým jadrom (obr. 1.23). Obr Spoj s vytrhnutým jadrom (Kéry, 2008) 39

41 Nedostatočný zvar, nazývaný tiež studený, zlepený alebo difúzny. Primárnou príčinou vzniku difúzneho spoja je nedostatok energie dodanej do zvaru, čo môže mať rôzne dôvody (opotrebovanie elektród, zlé dosadanie plechov, zvýšený počet alebo hrúbka plechov v spoji, pokles napätia siete a pod.) Táto chyba je vzhľadom na pevnostnú funkciu zvarov najnebezpečnejšia a pritom v bežnej praxi pri ručnom zváraní veľmi častá. Znížením rozstupu bodov narastá vplyv šuntovania a spoje sa opäť ďalej energicky ochudobňujú, zvary s prebytkom energie majú vysokú šošovku, hlboké otlačky a zváranie býva často sprevádzané výstrekmi kovu.(kéry, 2008) 40

42 2 CIEĽ PRÁCE V súčasnom období je dôležité venovať pozornosť zisťovaniu mechanických vlastností materiálov z hľadiska rastúcich nárokov odberateľov kladených hlavne na dosahovanie čo najvyššej kvality dodávaných výrobkov. Zo skúšaného materiálu sa vyrába výrobok určený pre automobilový priemysel technológiou hlbokého ťahania. Pri lisovaní výrobku vstupujúceho ako polotovar do karosérie nového modelu automobilu dochádza k neustálym problémom so vznikom trhlín. Na lisovanie sa používa materiál DX56D + Z vo forme prístrihu o rozmere 0,7 x 1280 x 1280 mm. Preto cieľom práce bude na základe zistených mechanických charakteristík určiť materiál vhodnejší na výrobu daného výrobku, čo môže odstrániť neustále pretrvávajúce problémy v dosiahnutí stability výrobného procesu, a to hlavne poklesu zmätkovitosti a vzniku viacnákladov. 41

43 3 METODIKA PRÁCE 3.1 Určenie meraných veličín a metódy merania Experimentálna časť je v prvej časti venovaná vykonaniu statickej skúšky ťahom, pomocou ktorej zisťujeme hodnotu exponentu deformačného spevnenia n a koeficient normálovej anizotrópie r. Statická skúška v ťahu je vykonaná podľa normy STN EN na plochých skúšobných vzorkách z materiálu DX56D+Z100 MB-O hrúbky 0,7 mm, podľa normy STN EN :2009. Norma predpisuje pre daný typ materiálu odber vzoriek v smere kolmom na smer valcovania. Skúmaný plech je dodávaný vo forme zvitkov. Obr. 3.1 Druhy ocele a mechanické vlastnosti (STN EN 10346:2009) 42

44 Požadované vlastnosti materiálu podľa normy STN EN (obr.3.1) r 90 = 1,9 n 90 = 0,21 Rp 0,2 = MPa Rm = MPa A 80 = 39 % Odber vzoriek pre ťahovú skúšku sa uskutoční z prístrihu o rozmeroch 0,7x1280x1280 podľa predpisu stanoveného normou STN EN t.z. v troch rôznych smeroch valcovania: 0, 45, 90. (obr.3.2) Postup: Na ručných nožniciach sa odstrihne skúšobná vzorka v tvare obdĺžnika o rozmeroch 220 x 30 mm. Takto odstrihnutá vzorka sa vloží do mechanického jednoúčelového lisu, ktorý je určený na vyhotovenie presného tvaru skúšanej vzorky. (obr. 3.3).Potom sa na vzorkách vyznačia dieliky, ktoré po skúške slúžia na zistenie predĺženia jednotlivých vzoriek.vzorky sa pre rozlíšenie šarže materiálu označia 068 a 121. smer valcovania Obr. 3.2 Odber vzoriek vo vyznačenom smere valcovania 43

45 Obr. 3.3 Mechanický lis na prípravu vzoriek Statická skúška ťahom sa vykoná na trhacom stroji typu EMIC DL (obr. 3.4), ktorého súčasťou je prístroj na meranie deformácie tzv. extenzometer. Priebeh skúšky je zaznamenávaný pomocou softwaru z čoho vyplýva, že je nevyhnutné pred samotným spustením skúšky zadať do programu niektoré hodnoty ako napr. hrúbku materiálu, tolerančné hodnoty pre skúšaný materiál stanovené normou STN EN Postup pri skúške: Skúšobná vzorka sa upne do čeľustí skúšobného zariadenia s predpätím 40-60Nm. Zapojí sa prístroj na meranie deformácie a nastaví sa konštantná rýchlosť zaťaženia 5 mm.min -1. Vynuluje sa zaťažujúca sila a spustí sa meranie. Skúšobná vzorka sa pod účinkom zaťažujúcej sily predlžuje najprv pružne a po prekročení medze sklzu sa začne plasticky predlžovať. Priebeh skúšky sa graficky zaznamenáva skúšobným strojom. Sila sa zvyšuje až do maximálnej hodnoty Fm a po jej prekročení sa na skúšobnej vzorke vytvorí miestne zúženie. Skúška súčiniteľa normálovej anizotropie sa uskutoční na vzorkách podľa normy STN Vzorky sa odoberú z prístrihu plechu v smere 0, 45, 90 vzhľadom na smer valcovania. Na skúšaných vzorkách sa odmerá počiatočná šírka b 0 a počiatočná hrúbka a 0 v troch miestach a to v krajných bodoch a v strede meraných dĺžok skúšaných vzoriek. Vzorky sa označia 068 a 121. Skúška exponentu deformačného spevnenia sa uskutoční podľa normy STN Pred samotnou skúškou sa odmerajú základné rozmery a to počiatočná hrúbka a 0, počiatočná šírka b 0, dĺžka L 0. Vzorky sa označia 068 a

46 Na určenie exponentu deformačného spevnenia,,n a na zistenie koeficientu normálovej anizotropie,,r sú použité dve metódy, z ktorých prvá spočíva v určení požadovaných veličín pomocou matematicko fyzikálnych vzťahov bližšie uvedených v kapitole 3.2. Druhá metóda určenia požadovaných veličín spočíva v automatickom vygenerovaní konečných hodnôt,,n a,,r pomocou meracieho zariadenia. Obr. 3.4 Skúšobné zariadenie na statickú skúšku ťahom EMIC DL

47 Obr. 3.5 Rozmery skúšobných vzoriek 3.2 Výpočet exponentu deformačného spevnenia Uskutoční sa podľa nasledovného postupu: a) Určenie strednej hodnoty počiatočnej hrúbky a šírky meranej vzorky si s0 =, mm (8) n s 0 počiatočná hrúbka, mm n počet meraní bi b0 =, mm (9) n b 0 počiatočná šírka, mm b) Určenie zmluvnej medze klzu R e (R p0,2 ): S =, mm 2 (10) 0 s0.b0 R F e p 0,2 =, MPa (11) S0 F e - sila na medzi klzu, N R p0,2 zmluvná medza klzu, MPa S 0 začiatočná plocha prierezu, mm 2 46

48 c) Určenie medze pevnosti R m : Fm Rm =, MPa (12) S 0 F m sila na medzi pevnosti, N d) Určenie ťažnosti: Lmp A =.100, % (13) L 0 L mp konečná zmena meranej dĺžky, mm e) Určenie exponentu deformačného spevnenia n: L = L 0 +, mm (14) s L e L = L 0 +, mm (15) f L m S s S L0 = 0., mm 2 (16) L s S f S L0 =, mm 2 (17) L 0. f F e R s =, MPa (18) S s F m R f =, MPa (19) S s L ϕ = ln s (20) s L 0 47

49 L f ϕ = ln (21) f L 0 tan ( α ) ( R f ) log( R s ) ( ϕ ) log( ϕ ) log = n = (22) log s f L f konečná meraná dĺžka na R f, mm L s konečná meraná dĺžka na R s, mm R f konečná meraná hodnota napätia, MPa R s začiatočná meraná hodnota napätia, MPa S f plocha prierezu na R f, mm 2 S s plocha prierezu na R s, mm 2 φ f integrálna deformácia pri R f φ s integrálna deformácia pri R s tan α smernica krivky deformačného spevnenia n exponent deformačného spevnenia f) výpočet koeficientu normálovej anizotropie 3 b0i = 1 b 0 = i 3 b 0 počiatočná meraná šírka, mm (23) 3 s0i = 1 s 0 = i 3 s 0 - konečná meraná hrúbka, mm (24) b0. L0. s0 s = (25) b. L 3 bi = 1 b = i (26) 3 48

50 ϕ (27) 0 0 b = ln b b ϕ = ln s (28) s s ϕ R = b (29) ϕ s L 0 počiatočná meraná dĺžka, mm L konečná meraná dĺžka, mm b konečná meraná šírka, mm s začiatočná meraná hrúbka, mm ϕ b - integrálna deformácia v smere šírky, - ϕ s - integrálna deformácia v smerehrúbky, - R koeficient normálovej anizotropie, - 1 R = ( R R45 + R90 ) (30) Erichsenova skúška hlbokoťažnosti Princíp a postup skúšky je popísaný v kapitole Skúšobné vzorky sú odobrané z prístrihov o rozmeroch 0,7x1280x1280. Odoberú sa tri vzorky z každej šarže materiálu v práci označených ako šarža 068 a 121. Skúška sa realizuje taktiež na zariadení EMIC DL 10000, na ktorom po vymenení čeľustí sa Erichsenova skúška hlbokoťažnosti môže vykonávať.(obr.3.6) Rozmery skúšobných vzoriek 90 x 90 mm. 49

51 Obr. 3.6 Skúška hlbokoťažnosti podľa Erichsena Vyhodnotením skúšky je porovnanie nameraných hodnôt s vyhodnocovacím grafom na určenie hlbokoťažnosti rôznych hrúbok materiálu (príloha 1) a zároveň vizuálne zhodnotenie vzniknutej trhliny. 3.4 Skúšky pevnosti zvarov Skúška pevnosti zvarov je vykonaná z rovnakých šarží materiálu aké sú použité na zisťovanie mechanických vlastností pri statickej skúške ťahom. Vzorky určené na skúšku pevnosti sa vyhotovia podľa normy VW :0404. (Obr. 3.7) Postup: - vzorky sa pripravia preplátovaním dvoch plechov z rozostupom bodov min. 12mm - vzorky označené 1 4 sa zvaria bodovým odporovým zváraním na bodovačke BP50. Parametre zvárania : T = 8 per, I = 9 ka, P = 0,2 Mpa - na vzorkách 1 a 3 sa vykoná jednoduchá dielenská skúška odlúpením 50

52 - vzorky 2 a 4 sa vyhodnotia metalugrafickým výbrusom na prístroji NIKON SMZ 800 zväčšenie 5x, kamera JVC, merané programom a4i Docu Obr.3.7 Vzorky vyhotovené podľa predpisu v norme 51

53 4 VÝSLEDKY PRÁCE 4.1 Vyhodnotenie exponentu deformačného spevnenia a normálovej anizotropie Podľa postupu uvedeného v metodike (kapitola 3.1) boli z materiálu DX56D+Z odobrané vzorky z dvoch šarží materiálu (ďalej v práci označené ako vzorka 068 a vzorka 121) spôsobom uvedenom v norme. Všetky vzorky boli skúšané na skúšobnom zariadení EMIC DL Výsledky z dvoch vzoriek boli vyhodnotené výpočtom a ďalšie dve vzorky automaticky pomocou programu skúšobného zariadenia. Namerané a vypočítané hodnoty sú zaznamenané v tabuľkách (príloha 6). Exponent deformačného spevnenia 0,25 0,2 n (-) 0,15 0, , vzorka č. Obr. 4.1 Grafické vyhodnotenie exponentu deformačného spevnenia Na grafe (obr. 4.1) je znázornená závislosť priemernej hodnoty exponentu deformačného spevnenia pre jednotlivé vzorky šarže materiálu 068 a 121. Pre materiál s označením 068 boli pre jednotlivé vzorky dosiahnuté tieto výsledky: vzorka č.1 0,17 vzorka č.2 0,2 Pre materiál s označením 121 boli pre jednotlivé vzorky dosiahnuté tieto výsledky: 52

54 vzorka č.1 0,22 vzorka č.2 0,23 Normou stanovená hodnota exponentu deformačného spevnenia pre daný materiál je 0,21. Podľa rozdelenia uvedeného v kapitole môžeme zaradiť vzorky 068 medzi plechy z nízkou tvárniteľnosťou a pri porovnaní s normou vzorky 068 nedosahujú honotu 0,21, čo znamená, že vzorky nie sú vhodné na lisovanie technológiou hlbokého ťahu. Vzorky 121 môžeme zaradiť medzi plechy s dobrou tvárniteľnosťou a pri porovnaní s normou sú vhodné na lisovanie technológiou hlbokého ťahu. Tab.4.1 Hodnoty exponentu deformačného spevnenia Označenie n 0 (-) n 45 (-) n 90 (-) n (-) Vzorka 1/121 0,191 0,243 0,226 0,22 Vzorka 1/068 0,164 0,168 0,168 0,17 Vzorka 2/121 0,215 0,234 0,247 0,23 Vzorka 2/068 0,195 0,205 0,210 0,2 V tabuľke 4.1 sú uvedené dosiahnuté hodnoty exponentu deformačného spevnenia pre rôzne smery valcovania (0, 45, 90 ), v poslednom stĺpci sú uvedené priemerné hodnoty na základe ktorých možno povedať, že vzorky s označením 121 možno vyhodnotiť ako vhodnejšie na lisovanie hlbokým ťahom. Súčiniteľ normálovej anizotropie r (-) 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,4 0,39 0,38 0, vzorka č Obr. 4.2 Grafické vyhodnotenie súčiniteľa normálovej anizotropie 53

55 Na grafe (obr. 4.2) je znázornená závislosť priemernej hodnoty súčiniteľa normálovej anizotropie pre jednotlivé vzorky šarže materiálu 068 a 121. Pre materiál s označením 068 boli pre jednotlivé vzorky dosiahnuté tieto výsledky: vzorka č.1 0,4 vzorka č.2 0,46 Pre materiál s označením 121 boli pre jednotlivé vzorky dosiahnuté tieto výsledky: vzorka č.1 0,43 vzorka č. 2 0,46 Tab.4.2 Hodnoty súčiniteľa normálovej anizotropie Označenie r 0 (-) r 45 (-) r 90 (-) r(-) Vzorka 1/121 0,441 0,41 0,435 0,43 Vzorka 1/068 0,376 0,427 0,391 0,4 Vzorka 2/121 0,4673 0,4571 0,47 0,46 Vzorka 2/068 0,5034 0,4077 0,4735 0,46 V tabuľke 4.2 sú uvedené dosiahnuté výsledky súčiniteľa normálovej anizotropie pre rôzne smery (0, 45, 90 ), v poslednom stĺpci sú uvedené priemerné hodnoty pre jednotlivé vzorky. Posúdenie vhodnosti plechu z hľadiska súčiniteľa normálovej anizotropie môžeme vykonať pri porovnaní s normou, kde pre daný materiál je hodnota súčiniteľa 1,9. Môžeme konštatovať, že síce vzorka 121 dosiahla vyššie hodnoty avšak tieto hodnoty sa nepribližujú k hodnote predpísanej normou. Z toho vyplýva, že pri vyhodnotení vzoriek na súčiniteľ normálovej anizotropie ani jedna zo skúšaných vzoriek nie je vhodná na lisovanie hlbokým ťahom. 54

56 4.2 Vyhodnotenie hlbokoťažnosti podľa Erichsena 11,5 11 Graf priebehu... Erichsen Index 10,5 10 9,5 Materiál 068 Materiál Číslo merania Obr. 4.3 Grafické vyhodnotenie skúšky hlbokoťažnosti Pri skúške hlbokoťažnosti podľa Erichsena boli dosiahnuté tieto výsledky (obr. 4.3): Pre vzorky s označením 068 boli namerané hodnoty 10,14; 9,79; 10,76. Pri porovnaní týchto hodnôt s grafom (príloha 1), kde pre danú hrúbku materiálu má byť hĺbka vtlačku približne 10,3 mm možno povedať, že uvedený materiál má dobrú hlbokoťažnosť. U vzoriek s označením 121 boli zistené hodnoty: 11,05; 11,11; 11,10. Pri porovnaní hodnôt s grafom sú výsledky vyhovujúce a uvedená vzorka dosahuje lepšiu hlbokoťažnosť. Pri vizuálnom zhodnotení jednotlivých vzoriek nemožno jednoznačne určiť, ktorá vzorka má lepšiu hlbokoťažnosť. Všetky vzorky majú pekne vytvorenú trhlinu v tvare vrstevnice. Obr. 4.4 Vzorky po skúške hlbokoťažnosti 55

57 4.3 Vyhodnotenie zo skúšok pevnosti Obr. 4.5 Vzorka 068 po dielenskej skúške pevnosti Obr. 4.6 Vzorka 121 po dielenskej skúške pevnosti 56

58 Vzorky po metalugrafickom výbruse: Obr. 4.7 Metalugrafický výbrus vzorky 068 Obr. 4.8 Metalugrafický výbrus vzorky