mas mat ispitivanja
DESCRIPTION
Masinski materijaliTRANSCRIPT
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 1
Mainski materijali- Predavanje (AS)-
Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 2
Ako na metalno telo deluje spoljna sila, telo menja svoj oblik i pri
dovoljnoj veliini spoljne sile dolazi do njegovog razaranja.
Delovanjem sile nastaju istovremeno u telu naponi, jer se ono unutranjim silama suprostavlja promeni oblika. Promena oblika
izazvana delovanjem spoljnih sila se naziva deformacija (ponekad takodje preoblikovanje).
Osnovni pojmovi
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 3
Vrste optereenja
Savijanje
Zatezanje Pritiskivanje Smicanje Uvijanje
Mainski delovi mogu da buduOptereeni nekim od sledeih Optereenja ili njihovom kombinacijom.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 4
Zateui napon, : Smiui napon, :
Area, A
Ft
Ft
= FtAo
original area before loading
Area, A
Ft
Ft
Fs
F
F
Fs
= FsAo
Jedinica za napon:N/m2 (ili MPa )
Inenjerski napon
Poetna povrinapre optereenja
Povrina,Povrina,
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 5
coscos
cos/cos ==
AF
R
R=Fs/AsFcos A/cos
nsA
As
As
R
R
Fs
Prav
ac
kliza
nja
Normala naravan
klizanja, ns
FFs
Prav
ac
kliza
nja
FA
FPr
avac
kliza
nja
Zateui napon= F/A
Smiui napon
R = Fs/AsVeza izmeu
i R
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 6
R= cos cos
Kritina vrednost smiueg i normalnog napona
R = 0=90
R = /2=45=45
R = 0=90
Maksimalna vrednost za R = /2;
0 30 60 900
0.25 0
0.50 0
0.75 0
1.00 0
Normalni napon () dostie maksimum za = 0; Smiui napon () ima maksimalnu vrednost pri = 45 koja iznosi 1/2 0.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 7
Elastina deformacija
F
bonds stretch
return to initial
1. Poetno 2. Malo optereenje
3. Rastereeno
F
Linear- elastic
Non-Linear-elastic
Vraanje napoetak
Po uklanjanju optereenjaElastina deformacija nestaje
Graninoizduenje
Pri niskim vrednostima spoljnih sila (i niskim naponima) deformacija je samo elastina(opruna); po rastereenju ta deformacija nestaje, a telo poprima prvobitni oblik. U kristalnoj reetki se elastina deformacija ispoljava samo malim otklanjanjem atoma iz njihovog ravnotenog poloaja; otklon ne prelazi polovinu parametra reetke.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 8
Plastina deformacija metala
Plastina deformacija po uklanjanju optereenja ne nestaje!
1. Poetno 2. Malo optereenje 3. Rastereenje
planes still sheared
F
elastic + plastic
bonds stretch & planes shear
plastic
F
linear elastic
linear elastic
plastic elastic
Prekorai li veliina spoljanje sile odredjenu granicu dolazi do plastine (trajne) deformacije, a po rastereenju telo ostaje deformisano.Pri trajnoj deformaciji menjaju atomi svoj poloaj za udaljenost najmanje jednaku parametru reetke.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 9
Zatezni test:
tensile stress,
engineering strain,
Elastic initially
Elastic+Plastic at larger stress
permanent (plastic) after load is removed
pplastic strain
Elastina i plastina deformacija
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 10
Izduenje: Suenje:
Smiua deformacija:
/2
/2/2 -
/2
/2
/2L/2L/2
Lowo = Lo
L =Lwo
= tan
Inenjerska deformaija
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 11
Modul elastinosti, E:(zove se jo i Jungov modul elastinosti)
Hukov zakon:
F
F
Linear- elastic
1E
Jedinica:E: [GPa]
Linearna elastinost
Jednoosnozatezanje
= E Izmedju elastine deformacije () i napona () postoji linearna zavisnost koja je poznata kao Hukov zakon:
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 12
0.2
8
0.6
1
Magnesium,Aluminum
Platinum
Silver, Gold
Tantalum
Zinc, Ti
Steel, NiMolybdenum
Graphite
Si crystal
Glass-soda
Concrete
Si nitrideAl oxide
PC
Wood( grain)
AFRE( fibers)*
CFRE*
GFRE*
Glass fibers only
Carbon fibers only
Aramid fibers only
Epoxy only
0.4
0.8
2
46
10
20
406080
100
200
600800
10001200
400
Tin
Cu alloys
Tungsten
Si carbide
Diamond
PTFE
HDPE
LDPE
PP
Polyester
PSPET
CFRE( fibers)*
GFRE( fibers)*
GFRE(|| fibers)*
AFRE(|| fibers)*
CFRE(|| fibers)*
MetaliLegure
GrafitKeramikePoluprovodnici
PolimeriKompoziti
E(GPa)
109 Pa
Modul elastinosti, E
Ekeramike> Emetala>> Epolimera
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 13
Modul elastinostina smicanje, G:
1
G
= G
Zapreminskimodul elastinosti, K:
P= -KVVo
P
V1
-K Vo
P
P P
M
M
Prosttorzionitest
Pritisnitest
Modul klizanja
Zapreminski modul elastinostiVo poetna zapreminaV promena zapremine
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 14
Poasonov koeficijent, :
bez promene zapremine: = 0.5metali: ~ 0.33keramike: ~0.25polimeri: ~0.40
= LF
F
Jedinica:: bezdimenziona
Poasonov koeficijennt
Poprena deformacija, L
Odnosi za izotropne materijale:
G = E
2(1+ ) K = E
3(1 2)
Jednoosnozatezanje Uzduna deformacija,
Poasonov koeficijentkree se u granicama1 1/2
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 15
Jednoosno zatezanje: kabal
o = F
A
Smicanje: pogonsko vratilo
Ao = cross sectional
FF
o = Fs
A
Ski lift
M
M Ao
2R
FsAc
Naponsko stanje
Popreni presek
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 16
Canyon Bridge, Los Alamos, NM
Pritiskivanje:
Ao
Balanced Rock, Arches National Park o
= FA
Naponsko stanje
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 17
Dvo-osno zatezanje: Hidrostatiki pritisak:
Plinski rezervoar
z > 0 > 0
< 0h
Naponsko stanje
Riba pod vodom
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 18
Odredjivanje precizne granice izmedju elastine i trajne deformacije je teko; kod polikristalnih materija se takva granica praktino i ne pojavljuje (neka su zrna trajno deformisana, druga samo elastino). Zato se oblast elastinih deformacija ograniava naponom pri kome ipak dolazi do merljive trajne deformacije koja se oznaava kao granica elastinosti. Odredjivanje ove ove granice dosta teko i dugotrajno. U tehnikoj praksi se za napon, koji karakterie poetak trajne deformacije uzima napon, koji izaziva trajnu deformaciju 0.2% i oznaava se kao granica R0.2
Kod nekih metala moe se poetak trajne deformacije lako oitati sa dijagrama kidanja. Dostigne li napon vrednost koja odgovara taki H, dolazi do rasta trajne deformacije, koji je praen naglim padom napona. Snienje napona pri kojem se deformacija nastavlja, naziva se teenje materijala; taka H koja prikazuje poetak trajne deformacije oznaava se kao gornja granica teenja ili samo napon teenja. Deformacija H, koja odgovara taki H, moe se smatrati za granicu izmedju elastine i trajne deformacije.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 19
Oblast ulevo se koristi za procenu konstrukcionih osobina materijala (gde nije doputena trajna deformacija), oblast udesno sadri informacije potrebne za tehnoloke postupke, zasnovane na trajnim deformacijama (naroito pri kovanju, valjanju).
Gornja granica teenja
Donja granica teenja
ilav lom
Krt lom
Suenje
Deformacija,
N
a
p
o
n
,
H
H
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 20
Plastina (duktilna) deformacija kristalnih materijala nastaje:klizanjem ili dvojnikovanjemI ostvaruje se kretanjem dislokacija. U oba sluaja re je o trajnoj promeni oblika, izazvanoj smiuim naponima () dovoljne veliine.
Pri plastinoj deformaciji klizanjem, tim naponom izaziva se pomeranje dva dela kristala du odredjenih kristalografskih ravni, na udaljenost koja odgovara vektoru reetke (medjuatomskoj udaljenosti), odnosno celom umnoku vektora reetke.
Plastina deformacija klizanjem
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 21
Ako se postepeno poveava sila optereenja koja deluje na kristal, najzad e smiui naponi u pogodnoj kristalografskoj ravni (tzv. ravni klizanja) dostii kritinu vrednost tzv. kritian napon klizanja i zapoee deformacija klizanjem; jedan deo kristala se pomera po ravni klizanja u odnosu na drugi deo.
Iz veze izmedju strukture kristala i geometrije deformacije klizanjem mogu se formulisati tri osnovna zakona klizanja:
1. Ravan klizanja odgovara ravni kristala najgue posednutoj atomima;2. Pravac klizanja odgovara pravcima kristala koji su najgue posednuti atomima;3. Od datog skupa ravni i pravaca moe se izdvojiti takva ravan i pravac, gde
smiua komponenta napona dostie najveu vrednost (tzv. aktivna ravan i pravac klizanja; aktivacija nastaje po midovom zakonu teenja).
Smiui napon
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 22
Od moguih sistema klizanja u kristalu, klizanje e poeti na onom za kojeg je potrebna najmanja komponenta razloenog napona (komponenta nastala razlaganjem optereenja).
Kritini napon smicanja
cosTangencijalna sila F =
cosAProjekcija povrine =
== coscoscoscosAF
C
midov zakonu teenja
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 23
Uloga dislokacija na plastinu deformaciju
Stvarni kritini napon klizanja eksperimentalno odredjen kod masivnih monokristala istih metala je 100 do 1000 puta manji od teorijskog. Razlog ovom neslaganju izmedju proraunatih i izmerenih vrednosti kritinog napona klizanja je pogrena pretpostavka iz koje je proraun izveden. Bilo je usvojeno klizanje u savrenom kristalu sa idealnom kristalnom reetkom pri emu se jedan deo po drugom kretao kao kruta celina.
klizanje ravanklizanja
silasmicanja
2maxG=
Kritini napon klizanja
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 24
Pri klizanju u realnim uslovima ne dolazi do pomeranja atomnih slojeva kao celine, ve postupnim premetanjem relativno malog boja atoma. To je omogueno prisustvom i kretanjem dislokacija u kristalu.
PlastiPlastinana DeformaDeformacijacija!!
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 25
Plastino deformisanje monokristala cinka.
Originalni materijal
Materijal poslePlastine deformacije
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 26Dvojnikovanje
Plastina deformacija dvojnikovanjem
Pri dvojnikovanju smiui naponi u odredjenom delu kristala dovode do pomeranja veeg broja susednih atomskih ravni. Za razliku od klizanja, pri plastinoj deformaciji dvojnikovanjem dolazi do pomeranja mnogih atomskih ravni tako da relativno pomeranje atoma susednih ravni ne odgovara celom vektoru reetke. Deformisani deo kristala ima drukiju orijentaciju reetke, nego to je ima osnovna reetka.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 27
Deformaciono ojaanje
A B
345
552
Izduenje
Naponteenja
Naponteenja
Isti nagibali viinapon teenja
N
a
p
o
n
,
M
P
a
Na dijagramu napon-deformacija za ugljenini elik uoava se fenomen deformacionog ojaanja u zoni plastinih deformacija. To se moe potvrditi zaustavljanjem zatezanja u taki A i dodatnim eksperimentom zatezanja do zone plastinosti eline ipke. Ako se na maini za ispitivanje zatezanjem (kidalici) uzorak optereti do napona A koji lei izmedju granice teenja i jaine Rm i zatim uzorak izvadi iz eljusti maine i naknadno izloi zatezanju dobie se nov napon teenja koji je vei od prvobitnog.
Ovaj fenomen naziva se radno otvrdnjavanje, deformaciono ojaanje ili prerada na hladno (hladna obrada).
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 28
a) b)Orijentacija reetki i oblik zrna: a) nedeformisani sistem, b) deformisani sistem
Sa porastom stepena deformacije menja se oblik zrna; poetna poliedarska zrna se izduuju u pravcu preovladjujue deformacije, a od njih zatim nastaju veoma izduena vlakna sa relativno malim poprenim dimenzijama. U toku plastine deformacije menja se takodje orijentacija reetke u pojedinim zrnima; kod nedeformisanih zrna je orijentacija obino sluajna, a tokom deformacije se menja u usmerenu.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 29
Kako utie valjanje na polikristalne metale ?
9
- pre valjanja - posle valjanja
235 mZrna su aproksimativno sferina i sluajno orijentisana
Efekat valjanja naOrijentaciju zrna
Pravac valjanja
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 30
Hladno valjanje lima
Plastina deformacija
Hladno valjanje
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 31
Granica teenja
Zatezna vrstoa
Duktilnost
Procenat hladnog deformisanja
Uticaj hladnog deformisanjana zatezne karakteristike otpornosti i plastinosti metala
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 32
Efekat hladnog deformisanja na krive zatezanja niskougljeninog elika
Koji je efekat hladnog deformisanja na: Rm? Rp? Zilavost? Izduenje do loma? E? ne menja se
Deformacija
Napon
Procenathladne deformacije
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 33
Promene osobina posle plastine deformacije na hladno u mnogim sluajevima su poeljne i esto se koriste u tehnikoj praksi (npr. vuenje ica na hladno, cevi i sl.). Medjutim te nove osobine materijala, ponekad mogu biti nepoeljne, pre svega zbog smanjenja ilavosti i plastinosti, to spreava dalju preradu plastinim deformisanjem.
Oporavljanje i rekristalizacija
Budu li po deformaciji stvoreni pogodni uslovi (zagrevanjem deformisanog metala), menjae se raspored atoma u deformisanom metalu. Posledice prethodnog deformisanja e se postepeno odstranjivati, a unutranja kristalna gradja metala pribliavae se poetnom stanju pre deformisanja. Obino razlikujemo dva stadijuma obnove deformisane kristalne gradje:
oporavljanje i rekristalizacija.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 34
Oporavljanje deformisane kristalne gradje, odvija se uglavnom ispod temperature rekristalizacije, tako da ostaje mikrostruktura deformisanog metala nepromenjena (oblik i veliina zrna odgovaraju stanju posle okonanja deformacije). Stoga se tok oporavljanja ne moe pratiti optikim mikroskopom. Pri porastu temperature dolazi do nove raspodele dislokacija. Procesi kojima se menja raspodela dislokacija osnova su oporavljanja. Oporavljanje se ispoljava sniavanjem unutranjih napona deformisanog metala, promenom fizikih osobina (npr. smanjenjem elektrinog otpora) dok se mehanike osobine bitnije ne menjaju.
a) b)
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 35
Ako je stepen plastine deformacije dovoljan, nastaje pri dostizanju
odredjene temperature pojava koja se naziva rekristalizacija. Pri tom procesu nestaju poetno deformisana zrna i nastaju nova zrna iji se
oblik, veliina i orijentacija reetki razlikuju od poetnih deformisanih
zrna.
Do rekristalizacije dolazi na odredjenoj minimalnoj temperaturi. Ta
temperatura nije za dati metal konstantna. Kod istih metala se obino
daje veza izmedju temperature topljenja Tt, K i temperature
rekristalizacije Tr u obliku:
Tr = (0.1-0.2)Tt, za tehniki iste metale;
Tr = (0.3 - 0.4)Tt i za legure tipa vrstog rastvora;
Tr = (0.5 - 0.6)Tt.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 36
Visina rekristalizacione temperature ima veliki praktian znaaj, jer ojaanje
postignuto plastinom deformacijom ostaje zadrano samo ako je obradjen
materijal izloen delovanju temperature nie nego to je temperatura
rekristalizacije. Ako se plastina obrada odvija na viim temperaturama
ojaanje se ne pojavljuje poto se rekristalizacija deava istovremeno sa
plastinom deformacijom; to znai da se ojaanje izazvano deformacijom
direktno odstranjuje istovremenom rekristalizacijom. Temperatura
rekristalizacije moe tako predstavljati granicu prerade na hladno i prerade
na toplo. Pri preradi na hladno, temperatura obrade je nia od temperature
rekristalizacije i preradjeni metal ostaje ojaan. Pri preradi na toplo,
temperatura obrade je via od temperature rekristalizacije i do ojaanja ne
dolazi.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 37
Sopstvenizaostalinaponi
Duktilnost
Tvrdoa
Jaina
Nova zrna
Oporavljanje Rekrista-lizacija
Porastzrna
Hladnodeform. zrna
Poveanje temperature
Jaina,tvrdoa,
duktilnost
Veliinazrna
Oporavljanje
Rekristalizacija
Porast zrna
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 38
Oporavljanje (nije mikroskopski
vidljivo)
Rekristalizacija(mala zrna)
Porast zrna(vea zrna)
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 39
Porast zrnaVeliina kristala posle rekristalizacije ima poseban znaaj za tehniku praksu. Rekristalizacijom se moe dobiti veoma fina struktura i suprotno veoma gruba struktura. Najvei uticaj na veliinu zrna rekristalisanog metala ima prethodni stepen prerade.
Posle 8 s,580C
Posle 15 min,580C
0.6 mm 0.6 mm
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 40
Metodi ispitivanja metala i legura
Delovi maina i ureaja izloeni su u eksploatacionim uslovima razliitim vrstama optereenja, a ponekad i povienim ili snienim temperaturama ili pak korozionom dejstvu. Da bi se ustanovio "odgovor" materijala na razne uslove spoljnjeg optereenja neophodna su laboratorijska ispitivanja, koja kad je re o mehanikim osobinama treba da budu maksimalno prilagoena realnim uslovima u kojima delovi rade. Testiranjem materijala ne dobijaju se samo podaci potrebni za projektovanje i konstrukciju delova maina ve i neke karakteristike koje se odnose na mogunost prerade poluproizvoda u finalne proizvode. Jednom reju mehanike osobine metala obuhvataju svojstva otpornosti i svojstva deformacije.
Mehanike osobine materijala
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 41
Budui da se ispitivanju mehanikih osobina posveuje veliki deo
vremena na laboratorijskim vebama, ovde e biti iznete samo opte
napomene koje se odnose na:
Ispitivanje zatezanjem,
Merenje tvrdoe,
Odredjivanje udarne ilavosti,
Odreivanje dinamike izdrljivosti,
Ispitivanje na povienim temperaturama
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 42
Ispitivanje zatezanjem
Zasniva se na sporom zatezanju uzorka standardnog oblika i dimenzija
na uredjaju koji se zove kidalica. Ona je opremljena dinamometrom za
merenje sile i pisaem koji u svakom momentu zapisuje zavisnost
izduenja od sile. Pomou podataka zabeleenih pri ispitivanju (sl. 2.13)
i izmerenih na prekinutom uzorku odreuju se:
Zatezna vrstoa, Rm, MPa (Zatezna vrstoa),
Napon teenja, R0,2, MPa (Gornja granica teenja, ReH),
Izduenje A5,65, A11,3, % (Indeksi se odnose na radnu duinu),
Suenje Z, % (Kontrakcija),
Modul elastinosti E, MPa.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 43
Zatezna vrstoa je pokazatelj kvaliteta materijala, koji se ne koristi kao proraunska veliina kod duktilnih materijala.
Napon teenja je najvanija veliina za proraun (dimenzionisanje) mainskih delova. Najvei nivo napona kojim se deo sme opteretiti mora biti nii od napona teenja, to se za odgovorne konstrukcije definie stepenom sigurnosti.
Izduenje moe biti bolji pokazatelj metalurkog kvaliteta elika nego jaina, jer u sluaju poroznosti ili nemetalnih ukljuaka A drastino opada.
Suenje je bitan pokazatelj obradljivosti metala plastinim deformisanjem.
Karakteristike otpornosti materijala
Karakteristike plastinosti materijala
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 44
KidalicaKidalicaKidalica
EpruvetaEpruveta
Gornja eljustGornja eljust
Donja eljustDonja eljust
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 45
EkstenzometarEkstenzometarEkstenzometar
Ekstenzometar slui za merenje vrlo malih deformacija
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 46
Karakteristine take:
E granica elastinosti,P granica proporcionalnosti,T granica teenja,M maksimalna sila,K sila kidanja.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 47
Dijagram napon-deformacija
deformacija
napon
elastinost
plastinost
teenje
Veoma duktilanmaterijal
Vrlo krt materijal
prelom
(npr. metal)
(npr. keramike)
(npr. polimeri)
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 48
SuenjeSuSuenjeenje
Lokalizovanje plastine deformacije posle dostizanja maksimalne sile
Epruveta od mekog elika
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 49
Prelom Al Krt prelom: kaljen elik
Duktilni prelom
Meki metali (Au, Pb)polimeri,
A B C
B je uobiajen nain. Duktilni prelom je poeljan.
Zato? Krt prelom: bez upozorenja.
Veoma Srednje Krt Duktilnost
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 50
Dijagrami zatezanja za krt i plastian (ilav) materijal
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 51
Dijagram stvarni napon-stvarna deformacija (st-st)
Izmeu stvarnog napona i deformacije u zoni plastinosti ustanovljena je zavisnost:
, gde je k- konstanta zavisna od materijala, a n- koeficijent deformacionog ojaanja.
nk =
Izmeu stvarnih napona i deformacija sa jedne strane i tehnikih sa druge strane postoje veze:
(1 )st = +ln(1 )st = +
i
.
Tehnika ili stvarna deformacija, %
Prekid
Kriva tehniki napon-deformacija
Kriva stvarni napon-deformacija
T
e
h
n
i
k
i
i
l
i
s
t
v
a
r
n
i
n
a
p
o
n
6
.
9
,
M
P
a
20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
120
140
Prekid
Uporedni prikaz grafika - i st-st
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 52
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 53
Graphite/ Ceramics/ Semicond
Metals/ Alloys
Composites/ fibersPolymers
Y
i
e
l
d
s
t
r
e
n
g
t
h
,
y
(
M
P
a
)
PVC
H
a
r
d
t
o
m
e
a
s
u
r
e
,
s
i
n
c
e
i
n
t
e
n
s
i
o
n
,
f
r
a
c
t
u
r
e
u
s
u
a
l
l
y
o
c
c
u
r
s
b
e
f
o
r
e
y
i
e
l
d
.
Nylon 6,6
LDPE
70
20
40
6050
100
10
30
200
300
400500600700
1000
2000
Tin (pure)
Al (6061)a
Al (6061)ag
Cu (71500)hrTa (pure)Ti (pure)aSteel (1020)hr
Steel (1020)cdSteel (4140)a
Steel (4140)qt
Ti (5Al-2.5Sn)aW (pure)
Mo (pure)Cu (71500)cw
H
a
r
d
t
o
m
e
a
s
u
r
e
,
i
n
c
e
r
a
m
i
c
m
a
t
r
i
x
a
n
d
e
p
o
x
y
m
a
t
r
i
x
c
o
m
p
o
s
i
t
e
s
,
s
i
n
c
e
i
n
t
e
n
s
i
o
n
,
f
r
a
c
t
u
r
e
u
s
u
a
l
l
y
o
c
c
u
r
s
b
e
f
o
r
e
y
i
e
l
d
.
HDPEPP
humid
dryPC
PET
a = arenohr = vrue valjanoag = starenocd = hladno izvlaenocw = hladno deformisanoqt = kaljeno i otputeno
Poreenje granice teenja, Rp
Rp(ceramics)>>Rp(metals)>> Rp(polymers)
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 54
Si crystal
Graphite/ Ceramics/ Semicond
Metals/ Alloys
Composites/ fibersPolymers
T
e
n
s
i
l
e
s
t
r
e
n
g
t
h
,
T
S
(
M
P
a
)
PVC
Nylon 6,6
10
100
200300
1000
Al (6061)a
Al (6061)agCu (71500)hr
Ta (pure)Ti (pure)aSteel (1020)
Steel (4140)a
Steel (4140)qt
Ti (5Al-2.5Sn)aW (pure)
Cu (71500)cw
LDPE
PP
PC PET
20
3040
20003000
5000
Graphite
Al oxide
Concrete
Diamond
Glass-soda
Si nitride
HDPE
wood( fiber)
wood(|| fiber)
1
GFRE(|| fiber)
GFRE( fiber)
CFRE(|| fiber)
CFRE( fiber)
AFRE(|| fiber)
AFRE( fiber)
E-glass fib
C fibersAramid fib
Poreenje zatezne vrstoe, Rm
Rm(ceram)~Rm(met)~ Rm(comp) >> Rm(poly)
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 55
Poreenje modula elastinosti, E
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 56
Puzanje materijalaPuzanje materijala
p
u
z
a
n
j
a
vremeprimarnopuzanje
tercijalnopuzanje
stacionarnopuzanje
Optereenje
Zagrevanje
Nastaje pri temperaturi, T > 0.4 Ttopljenja Deformacija se menja tokom vremena.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 57
Efekat napona i temperatureEfekat napona i temperature
Odravanje T konstantnimpromena :
1 > 2 > 31
23
vreme
.
Odravanje constantpromena T :
1 > 2 > 31
23
vreme
.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 58
Tvrdoa
Tvrdoa se definie kao otpor prodiranju utiskivaa koji je tvrdji od ispitivanog materijala. Kod metalnih materijala postoji jaka korelacija izmedju elastinosti
i tvrdoe, pa zato i veliina odskoka moe posluiti za procenu tvrdoa po tzv.
skleroskopskoj metodi.
Najee se tvrdoa tehnikih metala odredjuje po:
Brinelu,
Vikersu i
Rokvelu
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 59
Brinelova tvrdoa (HBS ili HBW)
meri se na ravnom uzorku utiskivanjem eline ili kuglice od tvrdog metala prenika D = 10, 5, 2.5 mm. Na osnovu F, D i prenika otiska d, izmerenog na mikroskopu ugradjenom u Brinelov aparat, rauna se tvrdoa:
( )2 22FHB D D D d= Najvea tvrdoa koja se moe meriti sa utiskivaem od kaljene eline kuglice je 450 HB, a sa kuglicom od tvrdog metala, ta je granica 750 HB. Izmedju jaine na kidanje konstrukcionih elika u normalizovanom stanju i tvrdoe HB ustanovljena je empirijska veza .
Kuglica
Otisak
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 60
Vikersova tvrdoa (HV)
meri se pomou dijamantske piramide sa uglom pri vrhu od 136 koja se utiskuje pod optereenjem u materijal. Tvrdoa po Vikersu izraunava se prema izrazu:
Metoda po Vikersu naroito je pogodna za kontrolu tvrdoe veoma tvrdih povrina kao to su kaljene, cementirane, nitrirane ili difuziono metalizirane. Pored toga mogu se meriti tvrdoe tankih predmeta ako se primene mala optereenja kojima se deluje na utiskiva. Tvrdoa HV bliska je tvrdoi HB u granicama 250-600; izvan ovog intervala tvrdoe se znatno razlikuju, te za prevodjenje jedne u drugu slue uporedne tablice.
2
1.854FHVd
=Otisak
Materijal
Utiskiva- piramida
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 61
Rokvelova tvrdoa (HRC, HRB)
meri se direktnim oitavanjem na skali aparata. Utiskiva kod metode HRC je dijamantska kupa sa uglom od 120.
Druga skala HRB upotrebljava se za merenje tvrdoe relativno mekih materijala (HB < 400). Kao utiskiva koristi se elina kuglica prenika 1/16 ina.
Merenje tvrdoe po Rokvelu je veoma brzo, a otisak je gotovo nevidljiv.
predoptereenjepredoptereenje predoptereenje
predoptereenje
Glavno optereenjeGlavno optereenje
HRB HRC
Utiskiva kuglica Utiskiva kupa
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 62
Skleroskopska tvrdoa ili tvrdoa po oru (HSh)
odredjuje se prema visini elastinog odskoka malog tega koji slobodno pada sa odredjene visine. Posle merenja ne ostaju nikakvi tragovi, koji bi mogli delovati kao inicijalne prsline kod dinamiki optereenih delova.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 63
Izgled utiskivaa Metoda Utiskiva
Boni pogled Pogled odozgo Optereenje Formula za izraunavanje tvrdoe
Brinel
Kuglica od elika ili volfram karbida prenika 10 mm
D
d
d F 2 22
( )FHB
D D D d=
Vikers Dijamantska piramida
136
d 1 d1
F 2
1.854HVd
=
Knup Dijamantska kupa
t
l / b=7.11b / t=4.00
b
l
F 214.2HK
l=
Rokvel A C D
Dijamantska kupa
120
t
d 60 kg
150 kg 100 kg
HRA = HRC = HRD =
100-500 t
B F G
1/16" prenika eline kuglice
E 1/8" prenika eline kuglice
t
d
100 kg 60 kg
150 kg 100 kg
HRB = HRF = HRG = HRE =
130-500 t
Metode merenja tvrdoe
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 64
TvrdomerTvrdomerTvrdomer
Kuglini utiskivai
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 65
Odredjivanje dinamike izdrljivosti Odredjivanje dinamike izdrljivosti
Analizom brojnih preloma mainskih delova koji su dugo bili izloeni naizmenino promenljivom optereenju (npr. klipnjaa, osovina i sl.), ustanovljeno je da radni naponi nisu prelazili napon teenja. Poto lomovi nisu nastali zbog unutranjih greaka (porozna mesta, nemetalni ukljuci) pretpostavilo se da je dolo do zamora materijala usled dugotrajnog rada.
Inicijalnaprslina
ZamornaZamornaprslinaprslina
Nasilni lom
Zamorni prelomZamorni prelomZamorni prelom
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 66
50
40
30
10
0105 106 107 108 109
Nloma
N
a
p
o
n
Al legure
Meki elik
Zamorna vrstoa
Velerov dijagram
Granina vrednost napona koju materijal praktino izdrava bez obzira na broj ciklusa ponovljenih optereenja zove se dinamika jaina (dinamika vrstoa, dinamika izdrljivost, zamorna vrstoa).
Laboratorijskim ispitivanjima uzorka promenljivim optereenjem na mainama koje se zovu pulzatori, dobijaju se Velerove krive.
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 67
1. Stvaranje pritisnihpovrinskih napona(pritisni naponi spreavaju
irenje prslina)
20
-- Metod 1: shot peening
2. Uklanjanje koncentratoranapona.
-- Metod 2: cementacija
C-rich gasput
surface into
compression
shot
N = Cycles to failure
moderate tensile mlarger tensile m
S = stress amplitude
near zero or compressive m
Poveanje zamornog veka
loe
loe
dobro
dobro
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 68
Udarna ilavost
Energija koja se utroi pri udarnom savijanju je merilo osetljivosti materijala na lokalnu koncentraciju napona. Ispitivanje udarne ilavosti prvi je uveo arpi (Charpy) i definisao je kao rad potreban za prelom probnog uzorka preseka 1 cm2, koji sadri leb propisanih dimenzija. Ovako definisana veliina udarne ilavosti nema fiziki karakter, pa rezultati mogu biti uporedivi samo ako su dobijeni na istim probnim uzorcima i u istim uslovima. Metali skloni krtom lomu razaraju se pri malom utroku energije i gotovo bez vidljive deformacije na mestu preloma.
arpijevo klatno za ispitivanje ilavosti
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 69
Kod ugljeninih elika, sa sniavanjem temperature, ilavost naglo pada u uskom temperaturskom intervalu. Na krivoj se uoava prevojna taka koja odredjuje prelaznu temperaturu, kao granicu ilavog i krtog loma.
Jedna od najboljih ilustracija o uticaju prelazne temperature je havarija brodova Liberti (Liberty) proizvodjenih u toku Drugog svetskog rata.
Krt ilav
Materijali velike jaine
Prelazna temperatura
Reetka A1
Metali reetke A2,keramika, polimeri
Temperatura
E
n
e
r
g
i
j
a
u
d
a
r
a
Zavisnost udarne ilavosti od temperature za razliite materijale
Brod Liberty
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 70
aYK fIC = ]mMPa[
ilavost loma KIC Proraun mainskih delova dugo se zasnivao na naponu teenja i stepenu sigurnosti. Pored toga to su radni naponi bili nii od dozvoljenih dolazilo je do iznenadnih lomova, naroito u uslovima ravanskog stanja deformacija. Lom nastaje zbog rasta inicijalnih prslina na mestima ukljuaka i drugih diskontinuiteta, na koje su posebno osetljivi metali visokog napona teenja i velike jaine. Zato je za ovu klasu materijala uveden pojam ilavost loma, koji se odnosi na otpor irenju prsline.
Veza izmedju napona koji dovodi do oteenja (f, MPa) i ilavosti loma(KIc , Mpa m1/2) data je izrazom
gde je:A - duina ivine prslineY (a/W)- faktor oblika zavisan od geometrije konstrukcionog dela
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 71
Graphite/ Ceramics/ Semicond
Metals/ Alloys
Composites/ fibersPolymers
5
K
I
c
(
M
P
a
m
0
.
5
)
1
Mg alloysAl alloys
Ti alloys
Steels
Si crystalGlass-soda
Concrete
Si carbide
PC
Glass6
0.5
0.7
2
4
3
10
20
30
Diamond
PVC
PP
Polyester
PS
PET
C-C(|| fibers)1
0.6
67
40506070
100
Al oxideSi nitride
C/C( fibers)1
Al/Al oxide(sf)2
Al oxid/SiC(w)3
Al oxid/ZrO2(p)4Si nitr/SiC(w)5
Glass/SiC(w)6
Y2O3/ZrO2(p)4
Kcmetals
Kccomp
Kccer KcpolyP o
v
e
a
n
j
e
Koeficijent intenzivnosti Napona, KIc
-
Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 72
Hvala na panji