Informácie o testovaní
Skúška rázom je mechanická skúška, počas ktorej sa vzorka materiálu alebo konštrukčného prvku vystaví nárazovému zaťaženiu definovanou energiou, rýchlosťou a geometriou nástroja, pričom sa meria energia pohlteneá pri deformácii alebo lome, a laboratórium ZHONGXI Testing túto skúšku poskytuje pre kovové aj nekovové materiály v rámci komplexného hodnotenia rázovej húževnatosti. Výsledkom skúšky je kvantifikácia toho, ako sa materiál správa pri náhlom, dynamickom namáhaní, ktoré sa podstatne odlišuje od pomalého ťahového zaťaženia. Skúška rázom patrí medzi najčastejšie vyžadované deštruktívne skúšky v strojárstve, stavebníctve, automobilovom priemysle, energetike, lodenstve a výrobe tlakových nádob, pretože práve rázové namáhanie patrí k typickým prevádzkovým podmienkam týchto odvetví.
Účelom testovania je zistiť, či má materiál dostatočnú húževnatosť pri náraze, či prechádza krehkým lomom pri znížených teplotách a aká je jeho citlivosť na vruby, koncentráciu napätia a technologické defekty ako krehké precipitáty, porozitu alebo inklúzie. Technicky sa pri skúške rázom využíva najmä kyvadlovýHAMMER závesný systém – kyvadlová skúška rázom ohybom (Charpy), skúška rázom v ťahu (Izod, tenzilná rázová skúška) a padajúce závažie (drop-weight) pre platne a hrubostenné komponenty. Krom toho laboratórium vykonáva rázové skúšky ťahom na nízkorýchlostných a vysokorýchlostných servohydraulických strojoch, kde sa namiesto energie pohltenej meria完整ná krivka sila–cesta a z nej odvodené rázové parametre. Laboratórium ZHONGXI Testing hodnotí rázové vlastnosti komplexne – od prípravy vrubových vzoriek presnou frézou, cez kalibráciu energie kyvadla, kontrolu teploty kúpeľa pri skúškach pri nízkych teplotách, až po fraktografické vyhodnotenie lomovej plochy na skenovacom elektronovom mikroskope.
Typický proces skúšky začína odberom vzorky z polotovaru alebo výrobku tak, aby bola zachovaná orientácia voči valcovaciemu alebo valcovaciemu smeru, pretože anizotropia má na rázovou húževnatosť zásadný vplyv. Z vzorky sa zhotoví štandar ná vzorec – najčastejšie Charpy hladný prizmatický vzorec 10 × 10 × 55 mm s vrubom typu V (hĺbka 2 mm, polomer 0,25 mm), U (hĺbka 5 mm) alebo umelo vytvorená trhlina vyvolaná únavovým cyklovaním (předtrhnutý vzorec pre stanovenie J-integrálu alebo CTOD). Vrub sa vyfrézuje s presnou geometriou, pretože chyba v polomere vrubu mení nameranú energiu rázom o desiatky percent. Vzorka sa umiestni na podpery kyvadlového kladiva na vzdialenosť 40 mm, kyvadlo sa zvýši do východiskovej výšky zodpovedajúce zvolenej energii – typicky 150 J, 300 J alebo 450 J – a po uvoľnení prerazí vzorku. Z rozdielu výšok kyvadla pred nárazom a po náraze sa vypočíta pohlt ená energia KU alebo KV, ktorá sa uvádza v jouloch, prípadne normalizovaná na plochu prierezu. Pri skúškach s teplotnou závislosťou sa vzorky temperujú v etanolovom kúpeli s suchým ľadom do −80 °C, v kvapalnom dusíku do −196 °C alebo v olejovom kúpeli do +200 °C a prenesú sa do zariadenia v čase do 5 sekúnd, aby sa zabránilo zmene teploty. Z nameraných hodnôt pri rôznych teplotách sa zostrojí prechodová krivka a určia sa kritické teploty krehkosti, napríklad T28J pri ktorej energia klesne pod 27 J alebo 28 J.
Okrem klasických kovových materiálov sa rázové skúšky vykonávajú aj na plastoch, kompozitoch, spájaných spojoch, vrstvených materiáloch a dokonca na stavebných prvkoch, kde sa namiesto kyvadla používajú padajúce závažia, resp. rázové lisovacie zariadenia. V každom prípade je podstatou skúšky rázom definovaný prenos kinetickej energie do vzorky v krátkom časovom intervale – rázy trvajú milisekundy – a zachytenie odozvy materiálu formou pohltenej energie, tvary lomovej plochy, tvrdosti v okolí lomu a prípadne rozšírenia trhliny. Laboratórium vykonáva aj instrumentované skúšky, pri ktorých kyvadlo nesie snímač sily a meria sa kompletný priebeh nárazu, čo umožňuje oddeliť energiu vzniku trhliny od energie jej šírenia – to je podstatné pri hodnotení ocelí pre tlakové nádoby a low-temperature aplikácie.
Rozsah testovania
- Charpy skúška rázom ohybom s V-vrubom (KV) na oceliach pre všeobecné strojárske použitie
- Charpy skúška rázom s U-vrubom (KU) na starších typoch uhlíkových ocelí a liatinách
- Izod skúška rázom na vzorkách v konzolovom uložení, typická pre farebné kovy a zliatiny hliníka
- Skúška rázom pri znížených teplotách od −196 °C do +20 °C na low-temperature oceliach typu 16MnDR, 09MnNiDR, S355J2, S355NL
- Skúška rázom pri zvýšených teplotách do +200 °C pre komponenty v energetických zariadeniach
- Rázová skúška ocele pre tlakové nádoby podľa požiadaviek na kryogénne aplikácie, vrátane nízkouhlíkových nízkolegovaných ocelí
- Skúška rázom na austenitických nehrdzavejúcich oceliach typu 304, 316L, 321, 347, 2205 duplex
- Rázové skúšky zváraných spojov – zóna taviska, pretavená hranica a tepelne ovplyvnená oblasť (HAZ)
- Skúška rázom na odliatych oceliach a liatinách s vločkami a s guľovitým grafitem
- Rázové skúšky neželezných kovov – zliatiny hliníka 6061, 7075, 5083, zliatiny titánu Ti-6Al-4V, zliatiny niklu
- Skúška rázom na plastických materiáloch – PE, PP, PVC, ABS, PA, PC, POM, PMMA
- Rázové skúšky tvrdých plastov podľa metódy s nástrojom s guľovou, klinov alebo pieskovou zásobou (pádové skúšky)
- Skúška rázom na kompozitoch s uhlíkovými a sklenenými vláknami, vrátane laminátov CFRP a GFRP
- Skúška rázom na spájaných spojoch – tvrdá spájka, zmäkov spájkované spoje, lepené prepojenia
- Skúška rázom na závitových spojoch, nábojoch, oskách a iných strojových súčiastkach
- Padajúce závažie (drop-weight) testy na ocelových doskách a hrubostenných profiloch pre stavby
- Drop-weight tear test (DWTT) na oceliach pre potrubia API 5L tried X52 až X80
- Skúška rázom na studenou valcovanými pásmi a pozinkovanými plechmi pre automobilový priemysel
- Rázové skúšky betónových a stavebných prvkov vrátane oceľobetónových nosníkov
- Skúška rázom na drevených konštrukciách a preglejkových materiáloch
- Skúška rázom na skle a keramike vrátane bezpečnostného skla a sklokeramických materiálov
- Skúška rázom na gumových zmesiach, tesneniach a pružiacich komponentoch
- Stanovenie prechodovej teploty krehkosti z teplotnej série skúšok rázom
- Fraktografické hodnotenie lomových plôch po skúške rázom na optickom a skenovacom elektronovom mikroskope
- Instrumentovaná skúška rázom s registráciou krivky sila–čas–cesta
Testovacie položky
- Pohlt ená energia rázom KV2 – základný parameter húževnatosti pri Charpy skúške s V-vrubom, udáva odolnosť materiálu voči krehkému lomu.
- Pohlt ená energia rázom KU2 – obdobný parameter pre U-vrub, používaný pri starších materiáloch a liatinách.
- Predvojová energia – miera energie potrebnej na iniciáciu trhliny, dôležitá pre hodnotenie odolnosti proti vzniku krehkého lomu.
- Energia šírenia trhliny – časť celkovej energie spojená s progresívnym lomom, rozlišuje krehký a houževnatý lom.
- Krivá sila–posun z instrumentovanej skúšky – umožňuje analyzovať priebeh nárazu v milisekundovom merítku.
- Bočná expanzia vzorky – meria sa na lomenej polovici vzorky a charakterizuje plastickú deformáciu pri ráze.
- Percentuálny podiel krehkého lomu na lomovej ploche – určuje sa vizuálne alebo obrazovou analýzou, udáva pomer štiepneho a jamkového lomu.
- Konvenčná teplota krehkého lomu – teplota, pri ktorej podiel krehkého lomu dosiahne 50 percent.
- Kritická teplota T28J – teplota odvodená z prechodovej krivky pri energii 27 J alebo 28 J, používaná pri hodnotení ocelí.
- Pozícia krehkého lomu na tvárnej medzi – meria sa podľa vzdialenosti miesta inicie lomu od vrubu v desatinach milimetra.
- Nomovaná rázová húževnatosť na jednotku plochy – normalizácia energie na plochu prierezu vzorky v destinách centimetroch štvorcových.
- Rázová pevnosť pri ťahu – parameter rázovej skúšky v ťahu, významný pre plastické a kompozitné materiály.
- Prierazná energia pri skúške s padajúcim závažím – používa sa pri hrubostenných doskách a potrubných oceliach.
- Dynamická odozva materiálu pri rozdielnych rýchlostiach deformácie – hodnotí sa pri vysokorýchlostných skúškach so servohydraulickým strojom
- Krivá DK – teplotná závislosť rázovej húževnatosti od −196 °C do +200 °C v celom rozsahu.
- Kalibrácia energie kyvadla – kontrola strát vzduchom a trením na pravidelnej báze, podmieňuje platnosť nameraných hodnôt.
- Rázová húževnatosť zváraných spojov – osobitne sa hodnotí zóna taviska a HAZ zakaždým so záznamom polohy lomu
- Energia KCV na predtrhnutej vzorke – nameria sa pre vyhodnotie odolnosti proti rozšíreniu existujúcej trhliny
- Anizotropia rázovej húževnatosti – porovnanie hodnôt pre pozdĺžne a priečne vzorky voči valc smeru
- Deformácia vzorky ohybom – odhad plasticity z merania uhla ohybu polovíc vzorky
- Teplotná stabilizácia vzorky – kontrola odchýlky teploty kúpeľa a času prenosu vzorky do zariadenia
- Defektoskopická kontrola vzorky rázom – nehodnotené inklúzie alebo prepaly v mieste vrubu sa posúdia pred skúškou
- Hrúbka a geometria vrubu – mikroskopická kontrola hĺbky, uhla a polomeru vrubu každej vzorky pred skúškou
- Plná krivka prechodu z krehkého na houževnatý stav – vrátane dolnej a hornej plató energetickej krivky
skúška rázom Testovacie prístroje
- Kyvadlové kladivo s energiou 300 J a 450 J pre Charpy skúšky ocelí so zvýšenou húževnatosťou
- Kyvadlové kladivo s energiou 50 J a 150 J pre neželezné kovy, plasty a tenké vzorky
- Kyvadlové kladivo s digitálnym zobrazením pohlt enej energie s presnosťou čítania 0,1 J
- Instrumentované kyvadlo s piezoelektrickým snímačom sily a vysokofrekvenčným A/D prevodníkom
- Zariadenie na Izod skúšku s konzolovým uložením vzorky a výmenými kladivami
- Automatický podávač vzoriek s temperovanou komorou pre skúšky pri nízkych teplotách bez manuálneho prenosu
- Etanolový kúpeľ s chladením suchým ľadom na dosiahnutie teploty do −80 °C
- Kvapalinový dusík s kryostatom na dosiahnutie teploty −196 °C pre kryogénne aplikácie
- Oil-bath termostat na temperovanie vzoriek pri zvýšených teplotách do +200 °C
- Zariadenie na drop-weight skúšku s nastaviteľnou výškou a hmotnosťou závažia
- Servohydraulický vysokorýchlostný stroj na rázové skúšky v ťahu s rýchlosťami do 20 m/s
- Numericky riadená frézka na presné zhotovenie V a U vrubov s definovaným polomerom
- Zariadenie na únavové předtrhnutie vzoriek pre stanovenie KCV a J-integrálu
- Optický projektor na kontrolu geometrie vrubu a lomovej plochy so zvýšením 50× až 100×
- Skenovací elektronový mikroskop pre fraktografické hodnotenie lomových mechanizmov
- Stereoskopický mikroskop s digitálnou kamerou pre obrazovú analýzu podielu krehkého lomu
- Stroj na meranie bočnej expanzie s presnosťou 0,01 mm
- Kalibračná sada závaží a meradiel na periodickú overovanie energie kyvadla
- Kryogénne rukavice, kliešte a podávacie zariadenie na bezpečný prenos temperovaných vzoriek
- Digitalizačná jednotka na záznam krivky sila–čas–cesta s frekvenciou vzorkovania v MHz rozsahu
Časté otázky
Ako dlho trvá vykonanie skúšky rázom a vystavenie výsledkov?
Štandardná skúška rázom vrátane prípravy vzoriek a vystavenia testovacieho protokolu trvá 7 až 15 pracovných dní. Presný čas závisí od počtu testovacích položiek, typu vzoriek a od toho, či ide o jednu teplotnú úroveň alebo o celú teplotnú sériu od −196 °C do +200 °C s vyhodnotením prechodovej krivky. Skúšky vyžadujúce predtrhnutie vzoriek únavou alebo fraktografické hodnotenie na elektrónovom mikroskope sa zvyčajne zaradzujú do horného rozsahu lehoty. Zákazník je informovaný o predpokladanom termíne po obdržaní vzoriek a potvrdení rozsahu skúšok.
Ako sa stanovuje cena za vykonanie skúšky rázom?
Cena sa určuje podľa počtu testovacích položiek, počtu vzoriek v teplotnej sérii a náročnosti prípravy – najmä podľa toho, či sa vyžaduje frézovanie vrubov, temperovanie pri nízkych teplotách, instrumentovaný záznam priebehu nárazu alebo fraktografická analýza lomovej plochy. Jednoduchá séria troch vzoriek pri jednej teplote sa cení odlišne od komplexného hodnotenia zváraného spoja s osobitnými vzorkami z taviska a tepelne ovplyvnenej oblasti. Konkrétnu cenovú ponuku vypracujú inžinieri laboratória na základe dodaného zoznamu položiek, špecifikácie materiálu a počtu skúšobných telies.
Ktoré testovacie položky skúška rázom zahŕňa?
Rozsah položiek závisí od typu produktu a aplikovateľných noriem. Pre oceli pod tlakovým zariadením zahŕňa pohlt enú energiu KV2 pri referenčnej teplote, bočnú expanziu a podiel krehkého lomu. Pre teplotne závislé hodnotenie sa pridáva prechodová krivka s určením teploty T28J alebo T50 percent krehkého lomu. Pre plasty sa hodnotí rázová pevnosť v ťahu alebo ohybe a pre kompozity energia prierazu s analýzou delaminácie. Pre zvárané spoje sa vzorky berú z troch zón spoja a hodnotí sa aj poloha lomu. Presný zoznam položiek sa stanovuje po posúdení dokumentácie materiálu.
Koľko vzorky je potrebné pripraviť na skúšku rázom?
Pre jednu teplotnú úroveň štandardnej Charpy skúšky sa odporúča minimálne tri vzorky s rozmermi 10 × 10 × 55 mm, pretože sa hodnotí priemer z troch meraní a rozptyl medzi nimi. Ak materiál neumožňuje plný rozmer – napríklad pri tenkých pásmach alebo hrubostenných trubkách – používajú sa zmenšené vzorky 7,5 × 10 × 55 mm, 5 × 10 × 55 mm alebo 3 × 10 × 55 mm s príslušnou konverziou výsledkov. Na kompletnú prechodovú krivku s ôsmimi až dvanástimi teplotnými bodmi je potrebné 24 až 36 vzoriek. Hmotnostne stačí z kusového materiálu blok s objemom približne 100 až 500 gramov, z ktorého sa vzorky oddelia a obrobia v laboratóriu.
Aký je rozdiel medzi skúškou rázom s V-vrubom a U-vrubom?
V-vrub s hĺbkou 2 mm a polomerom 0,25 mm vytvára výrazne vyššiu koncentráciu napätia, a preto je citlivejší na krehký lom a na zmeny v štruktúre materiálu. U-vrub s hĺbkou 5 mm a zaobleným dnom koncentruje napätie menej, preto sa používa najmä pri hrubozrnných materiáloch, liatinách a starších oceliach, kde V-vrub vedie k prakticky nulovej energii bez rozlíšenia medzi triedami materiálu. Namerané hodnoty KV a KU nie sú priamo prepočítateľné medzi sebou a pri hodnotení sa vždy uvádza typ vrubu spolu s teplotou skúšky a energiou kyvadla.
Zhrnutie
Skúška rázom v laboratóriu ZHONGXI Testing pokrýva Charpy a Izod skúšky, teplotné série od −196 °C do +200 °C, rázové skúšky zváraných spojov, plastov, kompozitov a stavebných prvkov vrátane stanovenia pohltenej energie, bočnej expanzie, podielu krehkého lomu a prechodovej krivky krehkosti. Štandardná lehota výsledkov je 7 až 15 pracovných dní podľa rozsahu položiek a typu vzoriek, pričom rozsah skúšok a cenu possúdi inžinier na základe špecifikácie materiálu a požadovaných testovacích bodov.