Materiaalien mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien tutkimus

Materiaalien ominaisuudet perustuvat materiaalin sisäiseen rakenteeseen, mikrorakenteeseen, jota voidaan tutkia mikroskoopin avulla. Mikrorakennetarkasteluissa voidaan tarkastella esim. metallissa olevia faaseja ja niiden määrää, raekokoa, pinnoitepaksuuksia, tai materiaalissa olevia säröjä. Jotta materiaalin mikrorakenne voidaan tutkia, tulee materiaalista valmistaa ensin poikkileikkaushie. Hieenvalmistuksessa materiaalista irrotettu näyte valetaan ns. nappiin, jotta se voidaan hioa ja kiillottaa peilipinnaksi. Näytteenvalmistuksen lopuksi metallinäytteet syövytetään, jolloin saadaan näkyviin näytteen mikrorakenne mikroskooppitarkastelua varten.

HAMK Techiltä löytyvillä laitteistoilla voidaan valmistaa metallimateriaaleista metallografisia poikkileikkaushieitä mikrorakennetutkimuksia varten.  Valmistettuja hieitä voidaan tarkastella optisilla mikroskoopeilla.

Näytteenvalmistuslaitteistot:

• Metkon Micracut 202-AX
  • Tarkkuuslaikkaleikkuri metallografisten näytteiden valmistukseen XYZ-ohjauksella
• Struers CitoVac
  • Tyhjiölaite kylmävalettavien hienäytenappien valmistukseen
• Struers Labopress-3
  • Kuumanapituslaite D 30 mm ja D 50 mm hienäytenappien valmistukseen
• Struers Labopol-30 + Laboforce-100
  • Hionta- ja kiillotuslaite metallografisten hienäytteiden valmistukseen
  • 3-6 näytteen puoliautomaattinen valmistus
• Struers LavaMin
  • Näytepesuri hieenvalmistukseen
• Sicco Auto-Star -eksikaattorit
  • Kuivakaappi hienäytteiden suojaamiseen ilmankosteudelta

Optiset mikroskoopit:

• Zeiss AxioSkop 2 MAT + kamera AxioCam ERc5s
  • Optinen mittamikroskooppi ja xy-mittapöytä
    • Objektiivi 0.7 – 4.5 x
    • Etäisyyksien ja kulmien määritys mikroskooppikuvasta xy-tasossa
    • Etäisyyksien määritys xy-mittapöydällä

Avainsanat

mikrorakenne, metallografia, metallurgia, mikroskooppi, mikroskopia

Materiaalien mekaanisia ominaisuuksia, kuten myötölujuutta, murtolujuutta, kimmokerrointa tai murtovenymää määritetään useimmiten erilaisilla ainetta rikkovilla testimenetelmillä, kuten veto-, puristus- ja taivutuskokeilla. Näitä kokeita voidaan suorittaa vetokoelaitteistolla.

HAMK Techin vetokoelaitteistojen avulla voidaan kuormittaa komponentteja tai liitoksia, tai vaihtoehtoisesti tehdä standarditestejä (esim. SFS-EN ISO 6892-1, A1-, A2- ja B-menetelmä) tutkittavasta materiaalista valmistettujen koesauvojen avulla.  Pääsääntöisesti testit tehdään huoneenlämpötilassa, mutta tarvittaessa testaus voidaan toteuttaa myös lämpökaapissa (-30°C…+250°C).

Venymää voidaan mitata kokeiden aikana joko makroekstensometrilla, venymäliuskoilla tai optisena venymämittauksena (Digital image correlation, DIC). Optinen venymämittaus mahdollistaa kappaleen pinnan paikallisten muodonmuutosten kolmiulotteisen tarkastelun kuormitettuna. Kun optisesti mitattu muodonmuutos yhdistetään vetokoelaitteiston mittaamaan kuormitusdataan, voidaan tarkastella kappaleen todellisia, paikallisia jännityksiä. Tämä mahdollistaa esim. jännityskeskittymäalueiden tunnistamisen rakenteesta.

Koelaitteistot:

• 250 kN mekaaninen vetokoelaite Zwick-Roell Z250
  • Tarkat venymämittaukset ekstensometrillä 10…100 mm alkumittapituudesta
  • Suurin siirtymänopeus 10 mm/s
• 50 kN mekaaninen vetokoelaite Zwick-Roell Z050 + lämpökaappi
  • matalan ja korotetun lämpötilan kokeet -30…+250 °C
  • Tarkat venymämittaukset ekstensometrillä 10…100 mm alkumittapituudesta
  • Suurin siirtymänopeus 10 mm/s
• 5 kN mekaaninen vetokoelaite Zwick-Roell Z005
  • Tarkat venymämittaukset ekstensometrillä 10…1000 mm alkumittapituudesta
  • Suurin siirtymänopeus 10 mm/s
  • 20 N, 100 N ja 500 N voima-anturit matalien kuormitustasojen tarkkaan mittauksiin
• Optinen venymämittausjärjestelmä GOM Aramis 5M

Avainsanat

Vetokoe, puristuskoe, taivutuskoe, DIC, Aramis

Kovuus kuvaa materiaalin kykyä vastustaa siihen tunkeutuvaa esinettä, naarmuuntumista, kulumista tai leikkaamista. Kovuuden mittaamiseen on olemassa useita standardisoituja mittausmenetelmiä, ja mittaukseen käytettävä menetelmä valitaan tyypillisesti tutkittavan materiaalin mukaan.

HAMK Techin laboratoriossa voidaan tehdä standardinmukaisia kovuusmittauksia mm. Vickersin (SFS-EN ISO 6507–1), Rockwellin (SFS-EN ISO 6508–1), Knoopin (SFS-EN ISO 4545-1) ja Brinellin (SFS-EN ISO 6506-1) menetelmillä. Laitteisto mahdollistaa myös automatisoitujen kovuusmittausprofiilien tekemisen, mihin on käytettävissä useita erilaisia mittausmoduuleja. Mittauksia voidaan tehdä joko poikkileikkaushieestä tai pintamittauksena.  Testikuviomoduulissa kuviosarjat voidaan määritellä vapaasti. Tämän lisäksi käytettävissä ovat hitsaussaumojen ISO 9015 –standardimittausmoduuli sekä KiC-murtumienhavaitsemismoduuli.

Kovuusmittauslaitteisto:

• Innovatest Nemesis 5102

• Koekuormat: 0.010 – 250 kgf
  • Menetelmät: Vickers, Brinell, Knoop, Rockwell, Rockwellin pintakovuus

Avainsanat

Kovuus, kovuusmittaus, Vickers, Rockwell, kovuusprofiili

Mikäli materiaaliin kohdistuu käyttöympäristössä iskumaisia kuormituksia, on olennaista selvittää materiaalin mekaanisia ominaisuuksia suurilla muodonmuutosnopeuksilla. Tällöin voidaan suorittaa iskusitkeyskokeita, missä testiä varten valmistettuun koesauvaan kohdistetaan isku ns. iskuvasaralla.

Hamk Techillä voidaan suorittaa metallien Charpy-iskusitkeyskokeita standardin SFS-EN ISO 148 mukaisesti. Tyypillisesti testit tehdään huoneenlämpötilassa, mutta materiaalin mahdollisen kylmähaurauden selvittämiseksi testejä voidaan tehdä myös matalassa lämpötilassa (min. -40°C). Koesauva voidaan asettaa laitteistoon käsisyötöllä, tai mikäli testattavien näytteiden määrä on suuri, voidaan testausta nopeuttaa koesauvojen automaattisyötöllä.

Iskusitkeyslaitteisto:

• MTS Exceed E22, 450 J

Avainsanat

Iskusitkeys, Charpy

Ohutlevyn muovattavuuden rajat erityyppisissä muovausolosuhteissa voidaan havainnollisesti ja kattavasti määritellä rajamuovattavuuspiirroksen (Forming Limit Diagram, FLD) avulla. Piirrokseen piirrettävä, kullekin ohutlevymateriaalille ominainen rajamuovattavuuskäyrä (Forming Limit Curve, FLC) erottaa toisistaan onnistuneet ja murtumaan johtaneet muovaukset. Piirrosta käytetään hyväksi ohutlevytuotteen valmistettavuuden arvioinnissa ja numeeristen laskentatulosten vertailukohtana. 

Rajamuovattavuuspiirros määritetään Nakajima-menetelmään perustuvalla työkalulla muovatuista koekappaleista venymämittauslaitteiston avulla standardia EN 12004-2 noudattaen. 5-6 eri aihiogeometrian avulla saadaan kattava kuvaus materiaalin muovattavuusrajoista sekä syvä- että venytysvetopuolella. Venymien suuruudet lasketaan koekappaleen pintaan tehdyn kuvion perusteella, joko muovauksen aikana tai jo valmiista kappaleesta.

Muovattavuuskoelaitteistot:

• Stenhøj:n kaksisylinterinen FPS 200/100M puristin
  • Maksimivoima 2000 kN
  • Maksimipitovoima 1000 kN
  • Työalueen koko 650 mm x 500 mm
  • Nopeus 1,5 mm/s…10 mm/s
• Rajamuovattavuuden Nakajima-menetelmään perustuvat työkalut levynpaksuuksille t = 0.2…5 mm
• Venymämittauslaitteistot: ASAME, Argus sekä reaaliaikaiseen mittaukseen perustuva Aramis

Avainsanat

Muovattavuuskoe, ohutlevy, rajamuovattavuus, Nakajima

Fyysisen kappaleen skannaus digitaaliseen muotoon mahdollistaa kappaleen muodon tutkimisen ja hyödyntämisen CAD-suunnittelussa, 3D-tulostamisessa, valmistuksessa ja laaduntarkkailussa. 3D-skannattuna digitaalista mallia voidaan mitata, tutkia ja hyödyntää vielä vuosienkin päästä, vaikka alkuperäinen skannattu kappale ei olisikaan enää käytettävissä.

HAMKin tarkoilla 3D-skannausmittauslaitteistoilla voidaan skannata olemassa olevia kappaleita muuttaen kappaleet digitaalisiksi, muokattaviksi malleiksi. Näin mitään piirustuksia tai muuta dokumentaatiota kappaleesta ei tarvita, vain olemassa oleva kappale riittää. 3D-skannaus toimiikin luontevasti käänteisen suunnittelun osana.

3D-skannauslaitteistot:

• 3D-skanneri ATOS 5 Compact scan

• 3 optiikkasarjaa, jotka mahdollistavat laajemman skannauskappaleiden koot
  • pitkälti geometriariippumaton
  • mittaustarkkuus noin 0,015-0,04 mm (olosuhteista riippuen)
  • GOM inspect analysointiohjelmisto (mm. mittaaminen)
  • Studiojalkakiinnitys
• 3D-käsiskanneri SCANTECH AXE B11

• Volumetrinen tarkkuus 0,02mm+0,035mm
  • Scan screen volume 550 x 600 mm
  • Käyttölämpötila -10..+40 astetta
  • Yhteensopivuus GOM inspect analysointiohjelmistoon (mm. mittaaminen)
  • Silver referenssisarja skannauksen helpottamiseksi

Avainsanat

3D-skannaus, käänteinen suunnittelu, digitaalinen kaksonen

Pinnankarheusmittarilla voidaan määrittää kappaleen pinnankarheus, aaltomaisuus tai muotoprofiili viivamaisesti.

• Pinnankarheusmittauslaitteisto
  • Mitutoyo SJ-210

• Lineaariset mittaukset näytteen pintaa pitkin kulkevalla timanttikärjellä
  • Suurin yksittäisen profiilin pituus 16 mm
  • Standardit: EN ISO, VDA, JIS, ANSI

Avainsanat

Pinnankarheus, aaltomaisuus, Ra, Rq