Nejen mezi českou nožířskou komunitou je diskutováno, zda je kvalitnější nůž vykovaný do konečné podoby než nůž vybroušený z polotovaru. Zde je nabídnuto srovnání mezi těmito dvěma metodami, kdy je pro srovnání použita stejná ocel se stejným tepelným zpracováním. Porovnávány jsou pouze statické mechanické vlastnosti – pevnost v ohybu a (mikro)tvrdost. Pro úplné srovnání by bylo potřeba i zhodnotit vlastnosti dynamické (rázy) a hlavně odolnost proti únavě. Všeobecně se uvádí, že tvářením získává materiál lepší mechanické vlastnosti. Takže zde je pokus toto tvrzení ověřit, tj. jej potvrdit nebo vyvrátit.
Výchozím materiálem zkušebních vzorků byl materiál ČSN 19191. Z kulatiny d = 30 mm vykoval výchozí polotovary Želva. Výchozí polotovary byly plocháčky o rozměru cca 5x20x100 mm, buď kované v profilu čepele nebo obdélník, ze kterého byl profil čepel vybroušen na pásové brusce.
Pro měření byly zvoleny dva druhy mechanických zkoušek, pomocí kterých bylo provedeno porovnání mechanických vlastností kovaných a nekovaných profilů. Vzhledem k tvaru a rozměru vzorků byla zvolena zkouška mikrotvrdosti (dle Vickerse) a zkouška ohybová (tříbodový ohyb).
Mikrotvrdost
Zkoušky mikrotvrdosti byly realizovány na třech dvojicích vzorků srovnatelného průřezu. Předmětem prvního měření byl vzorek kovaný a broušený. Druhé a třetí měření bylo provedeno na vzorcích kovaných a broušených, ale tentokrát tepelně upravených pomocí žíhání (v prvním případě) a kalení (v druhém případě). To mělo ověřit, zda tepelně zpracovaný kovaný vzorek dosahoval lepších nebo horších mechanických vlastností než vzorek broušený, tepelně zpracovaný.
Ohybová zkouška byla provedena na dvou dvojicích zkušebních vzorků po tepelném zpracování (kalení bez popuštění), kdy byly posuzovány vzorky kované a vzorky broušené. Výsledkem jsou nejen hodnoty maximálních ohybových napětí, ale i pozorování chování jednotlivých vzorků při zatěžování.
Pro měření mikrotvrdosti byly ze vzorků příčně odříznuty kusy, které byly zality do pryskyřice pro následnou snazší manipulaci. Pro měření byly vzorky vybroušeny a vyleštěny klasickým metalografickým postupem. Ukázka takového výbrusu je na následujícím obrázku.
Měření mikrotvrdosti bylo prováděno od „hřbetu“ čepele k ostří, tak jak je naznačeno na obrázku 1. Mikrotvrdosti byly měřeny na vzorcích (a) po kování (bez tepelného zpracování), (b) po normalizačním žíhání 2 hodiny při 800°C a (c) po kalení (kaleno do oleje, bez popuštění). Výsledné profily mikrotvrdostí jsou na následujícím obrázku.
Obrázek 2 Mikrotvrdosti vzorků s různou teplotní historií
Z grafu pro vzorky po kování (a) je zřejmé, že tvrdost obou vzorků je v zadní části se stejným stupněm prokování stejná. Po přiblížení do oblasti většího prokování (břitu) kovaného vzorku, tvrdost začíná výrazně růst. Vzorek broušený má tvrdost po celé délce téměř stejnou. S rostoucím prokováním tedy roste tvrdost materiálu a zvyšuje se i jeho pevnost.
Pro vzorky po normalizačním žíhání (b) jsou tvrdosti obou vzorků jsou téměř stejné. Na průběhu se vyskytuje řada odchylek, které je možno vysvětlit jako vliv nehomogenity struktury materiálu. Žíháním bylo dosaženo odstranění vnitřního pnutí a stejnorodé struktury. Důkazem tohoto tvrzení je téměř konstantní tvrdost obou vzorků od zadní části až po vrchol břitu. V tomto případě nebyl nepozorován žádný výrazný rozdíl mezi tvářeným a broušeným vzorkem a proto lze tvrdit, že tu žádná závislost mezi tvářením a pevností není. Zajímavá je situace v břitu vzorků. Tvrdost broušeného vzorku roste, zatímco tvrdost kovaného vzorků se naopak mírně snižuje. Tento jev si můžeme vysvětlit jako vliv ohřátí ke kování, které mohlo vést k oduhličení a následnému poklesu tvrdosti kovaného vzorku. Celkový nárůst tvrdosti ve směru k břitu je patrně způsoben rychlejším ochlazováním tenčího profilu po vyjmutí z pece po žíhání a tedy vznik jemnějšího perlitu s vyšší tvrdostí.
Pro vzorky po kalení (c) lze konstatovat, že kalení zvýšilo celkovou tvrdost obou materiálů. V zadní části vzorků dosáhla tvrdost hodnoty cca o 160 HVm vyšší (400 HVm) a v přední části břitu se tvrdost zvýšila výrazněji až na hodnotu okolo 900 HVm. Na druhou stranu lze z průběhů závislostí vyčíst, že tvrdost kaleného kovaného i kaleného broušeného vzorku je téměř stejná a kování tedy žádný výrazný vliv na pevnosti materiálu nemá. Nižší tvrdost kovaného vzorku v oblasti špičky břitu může být důsledkem mírného oduhličení při kování. Další příčinou mohla být i rychlost ochlazování (profily nebyly zcela identické), kdy vlivem pomalejšího chladnutí došlo ke zvýšení obsahu bainitu a tím i změně výsledné tvrdosti vzorku.
Tříbodový ohyb
Zkouška ohybová – 3 bodový ohyb. Je to zkouška, která pomůže posoudit, jaký vliv má tváření na mechanické vlastnosti kovu. Předmětem zkoumání byly dvě dvojice vzorků. První dvojice vzorků kovaných a druhá dvojice vzorků nekovaných – broušených. Na základě výsledků zkoušek v ohybu každého vzorku byla stanovena velikost maximální síly, potřebné pro zlomení vzorku a maximální ohybové napětí příslušných vzorků. Zkouška byla prováděna zkušebním stroji.
Obrázek 3 Tříbodový ohyb
Obrázek 4 Lomové plochy po tříbodovém ohybu
Fmax [N] ơ* [MPa]
Nekovaný vzorek č.1. 8045 83,9
Nekovaný vzorek č.2. 9068 93,8
Kovaný vzorek č.1. 1 3065 110,8
Kovaný vzorek č.2. 10940 92,1
Výsledky měření ohybové pevnosti jsou shrnuty v tabulce 1 a na obrázku 5.
Obrázek 5 Průběh síly při tříbodové zkoušce ohybem
Nejvýraznější změnu lze spatřit porovnáním zkušebního broušeného vzorku č.1 a kovaného vzorku č.1. V tomto případě je změna velice zřejmá. Broušený vzorek se přelomil již při hodnotě maximálního zatížení Fmax = 8045 N (skutečné ohybové napětí vztažené na průřez vzorku 83,9 MPa) . Oproti tomu kovaný vzorek se přelomil až na hodnotě Fmax = 13065 N (ohybové napětí 110,8 MPa). Velice důležité je uvědomit si, že k porušení broušeného vzorku došlo při průhybu cca 3,5 mm, na rozdíl od kovaného, který se porušil až na hodnotě průhybu necelých 8 mm. Z těchto hodnot můžeme jednoznačně vyvodit, že kováním se může výrazně zvýšit houževnatost materiálu. Naopak velmi nízká tažnost (ohyb) kovaného vzorku č. 2 může být spjata s nedokonalostmi povrchu vzniklými při kování, které mohly sloužit jako iniciátor vzniku trhliny, či koncentrátor napětí.
Mikrostruktura
Pro toto zkoumání mikrostruktury byl použit inverzní metalografický mikroskop a zkušební vzorky z předešlých zkoušek. Struktura byla vyvolána pomocí Nitalu. Struktura vzorků bez tepelného zpracování byla perlitická (s obsahem uhlíku cca eutektoidního bodu). Jediný výraznější rozdíl ve struktuře byl u kovaného profilu, kde v místě hřbetu byla struktura hrubozrnná, v břitu (v místě s vysokým stupněm prokování) bylo zrno velmi jemné. Na základě tohoto pozorování lze vysvětlit větší tvrdost tepelně nezpracovaného kovaného vzorku v místě břitu.
Obrázek 6 Mikrostruktura kovaného vzorku bez tepelného zpracování
V případě vzorků po normalizačním žíhání se nic zajímavého nestalo, pouze se struktura zhomogenizovala. Kovaný vzorek podrobený normalizačnímu žíhání se vyznačuje feriticko-perlitickou strukturou, na rozdíl od prvního vzorku je patrné feritické
síťoví. Broušený vzorek má naopak základní strukturu obdobně perlitickou pouze s náznakem přítomnosti feritu.
Kalený kovaný vzorek se vyznačuje bainitickou strukturou v místě menšího rozkování, která přechází přes bainit a troostit až do martenzitu v místě břitu. Vzorek broušený charakterizuje v základní části bainitická struktura, která opět přechází v martenzitickou v místě břitu. Prostřednictvím této struktury je mmožno vysvětlit výrazné zvýšení tvrdosti vzorků.
Obrázek 7 Mikrostruktura kovaného vzorku po tepelném zpracování
Závěr
Provedené testy sice ukázaly větší tvrdost (pevnost) v místě vykovaného břitu. Nicméně tento rozdíl se odstranil následným tepelným zpracováním (normalizací) a neprojevil se ani po kalení. Po tepelném zpracování pak nebyl pozorovatelný ani výraznější rozdíl v mikrostruktuře.
Při ohybové zkoušce se vliv tváření projevil poněkud výrazněji. Při zatížení zkušebního broušeného vzorku zatěžovací silou došlo k jeho přelomení s určitou hodnotou průhybu. Pro přelomení kovaného vzorku bylo v jednom případě zapotřebí zatěžující síly téměř 1,5 krát větší při dvojnásobném průhybu vzorku proti vzorkům vybrušovaným. Na základě tohoto pozorování lze konstatovat, že vlivem správného tváření lze dosáhnout zvýšení houževnatosti materiálu.
Z výsledků jednotlivých měření můžeme vyvodit, že tvářecí proces skutečně mechanické vlastnosti ovlivňuje. Zdaleka ale ne do takové míry, jak se traduje.
Jako shrnutí lze přijmou závěr, že pro běžné použití, bez výrazných extrémů (páčení, silového sekání) není výraznější rozdíl mezi kovaným a vybrušovaným nožem při stejném tepelném zpracování. V případě používání nože extrémními způsoby pak kování může být výhodou, ale obvykle ne rozhodující.
Toto pojednání vzniklo výběrem z praktické části bakalářské práce [KEJDANA, Aleš. Změna mechanických vlastností kovaného profilu. Pardubice, květen 2010. Bakalářská práce. Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera. Vedoucí práce Ing. Pavel Švanda, Ph.D.]
Převzato ze serveru knife.cz se svolením autora.
Bushcraftportal.cz tímto děkuje za možnost převzetí a svolení autora.
Zajímavé srovnání, mé zkušenosti však říkají něco ještě trochu jiného, a to co se týče trvanlivosti ostří, která je u kovaného kusu vždy lepší (a to i znatelně) než u vybrušovaného kusu. Ale správně tu v článku padlo, že velmi záleží na účelu čepele, málá řezná čepel může být vybroušená i z tolik haněné rychlořezné oceli s malou houževnatostí a vyšší tvrdostí a výbrus z materálu se tak jeví jako lepší, kdežto u velké sečné čepele je mnohem vhodnější kovaná čepel například z méně tvrdé, ale houževnatější a kováním zhutněné pružinové oceli.