tmo 4 4_4_07

8/17/2019 TMO 4 4_4_07

http://slidepdf.com/reader/full/tmo-4-4407 1/35

16

4. ISPITIVANJE MATERIJALA

4.1 UVODUpotreba materijala zahtjeva jako dobro poznavanje njihovih svojstava, koja se

ispitivanjima numerički izražavaju i standardiziraju. Postoji veliki broj metoda koje seupotrebljavaju za mjerenje otpornosti materijala na sile. Rezultati ovih metoda sumehanička svojstva materijala. Zavisno o svojstvima koja se žale ispitivati, biraju se imetode ispitivanja. Ovisno o promjenama na uzorku materijala ispitivanja se mogu

podijeliti na:• Ispitivanja metodama razaranja, uzorak se razara i nije više upotrebljiv. U ovu

skupinu spadaju postupci ispitivanja za određivanje mehaničkih svojstava itehnoloških svojstava.

- Ispitivanja mehaničkih svojstava: vlačna čvrstoća, tvrdoća, žilavost,statička izdržljivost i dinamička izdržljivost.

- Ispitivanja tehnoloških svojstava: sposobnost za varenje, lijevanje,strojnu obradu i dr.• Ispitivanja metodama bez razaranja, uzorak se ne razara te se ovi postupci

mogu primijeniti na dijelovima koji će se i dalje upotrebljavati. Najčešće metodeispitivanja su: radiografija, ultrazvučna, magnetska i penetrirajuća metoda.

4.2 METALOGRAFIJAPošto o strukturi materijala ovise svojstva materijala, naročita pozornost se

usmjeruje prema ispitivanjima strukture ili unutrašnje građe materijala. Metode koje sekoriste za ispitivanje strukture su metalografija i radiografija.

Proces pripreme uzorka materijala, promatranja i opisivanja njegovemikrostrukture naziva se metalografija. Uzorak materijala se brusi i polira do zrcalnogfiniša. Polirana površina se zatim nagriza kemijskim otopinama (na primjer: nagrizajućaotopina za čelik je 2% dušična kiselina s alkoholom). Kiseline djeluju na granice zrna ina ostatak plohe zrna.. Kada otopina nagriza poliranu površinu granice zrna su izloženesnažnijim nagrizanjima od ostatka zrna (vidi sliku 4.1).

a) Brušena i polirana površina,b) Površine nakon brušenja i

poliranja i nagrizanja,c) Površine nakon brušenja i

poliranja,d) Površine nakon brušenja,

poliranja i nagrizanja.

Slika 4.1 Utjecaj nagrizanja površina na mikrostrukturu

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


17

Plohe zrna imaju različiti nagib s obzirom na površinu uzorka, tako da različitoreagiraju na nagrizanje. Svijetlo iz optičkog mikroskopa se reflektira ili rasprši od

površine uzorka, zavisno kako je površina nagrižena. Kada se više svjetla rasprši odduboko nagriženih detalja, kao što su granice zrna, u mikroskopu se vide tamniji.

- Mikroskopi

U svrhu ispitivanja strukture materijala upotrebljavaju se svjetlosni i elektronskimikroskopi.

Svjetlosni mikroskop ima povećanja do 1.500 puta što je dovoljno da se promatraju sitna kristalna zrna. Zrna metala su reda veličine od 0,0001-0,1 mm. Većazrna se mogu studirati i uz pomoć lupe koja povećava do 20 puta. Slika 4.2 prikazujeshematski prikaz prolaza zraka svjetlosti u svjetlosnom mikroskopu. Pošto metalniuzorci ne propuštaju svjetlost, mikroskop je konstruiran za svjetlo koje pada na uzorak.Svjetlost iz lampe mikroskopa (3) se lomi na zrcalnom ogledalu (7), pada na radniuzorak i odbija se kroz objektiv (2). Uzorak metala se može studirati kroz okular (6) ilina zatamnjenom staklu (10) na koje se može postaviti foto kamera.Svjetlosni mikroskopupotrebljava set staklenih leća za lomljenje svjetlosnih zraka, kako bi se dobila uvećanaslika.

Uzorak

1

2

10

9

8

6

7

543

1. Ploča mikroskopa2. Objektiv3. Lampa4. Kondenzator5. Blender6. Okular7. Ogledalo8. Okular za kameru9. Ogledalo, posrebreno10. Zatamljeno staklo

Slika 4.2 Shematski prikaz putanje svjetlosnih zraka u svjetlosnom mikroskopu

Elektronski mikroskop (SEM-scanning electron microskop) se koristi kodfinijih ispitivanja mikrostruktura materijala. U mnogim laboratorijima pored svjetlosnogmikroskopa upotrebljavaju se i elektronski mikroskop. Elektronski mikroskop stvarauvećanu sliku upotrebom elektrona umjesto svjetlosnih zraka. SEM prikazuje vrlodetaljnu trodimenzionalnu sliku s vrlo velikim uvećanjem. Mnogo većim nego kod

svjetlosnog mikroskopa. Veliko povećanje elektronskog mikroskopa i njegovasposobnost određivanja sastava učinile su elektronski mikroskop vodećim instrumentomza proučavanje materijala.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


18

Elektronski mikroskop je igrao vrlo važnu i kritičku ulogu u svim poljima naukeo materijalima. Većina naučnih radova o materijalima koristi se SEM mikrografovima.Velika prednost SEM-a je u tome što uzorak koji će se ispitivati zahtjeva maluspecijalnu pripremu u odnosu na optički mikroskop. Prvi zahtjev je da uzorak mora bitiočišćen od ulja, zrna prašine i kontaminiranih filmova. Drugi zahtjev je da uzorak moraimati odgovarajuću električnu vodljivost, kako bi omogućila vodljivost elektrona prema

uzemljenju ili pojačalu. Uzorci koji ne mogu podnijeti vakuum moraju se specijalno pripremiti kako se ne bi skupili. Uzorci koji nemaju električnu vodljivost presvlače se satankim slojem zlata.Uzorak se postavlja u vakumsku komoru kroz zračno izolirana vratašca. Vakuum je

potreban kako bi se eliminiralo raspršivanje elektrona zbog molekula plinova. Pošto jezrak ispumpan iz komore, elektronski top (na vrhu) emitira visoko energetske zrakeelektrona. Elektronski top je ustvari volframova katodna nit koja se zagrijava i emitiraelektrone, koji ubrzavaju zbog razlike u potencijalu katode i anode. Tipični naponakceleracije je od 100 V do 30 kV. Ove zrake putuju prema dolje kroz nizelektromagnetskih leća konstruiranih na takav način da se zrake elektrona fokusiraju u

sitnu točku. Kako bi se pomno istražila površina uzorka, niz zadnjih zavojnica pomičefokusiranu elektronsku zraku naprijed-nazad po uzorku. Skenira se jedan red za drugimu pravokutnoj formi. Kada elektroni udare u površinu sekundarni elektroni (ili nekidrugi elektroni prema slici 4.3) se odbijaju od površine. Detektor skuplja elektrone.Stvara se signal, koji se pojačava i upotrebljava za modeliranje intenziteta zrakeelektrona u katodnoj cijevi. Elektroni iz katodne cijevi se skandiraju u sinkronizaciji saupadnim elektronima uzorka. Konačna slika se formira od broja elektrona emitiranih izsvake točke na uzorku. Informacija se može predstaviti u formi slike, diagrama ilitabele.

Slika 4.3 Princip elektronskog mikroskopa

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


19

Slika 4.4 Scanning elektron mikroskop

S kontrolom upadnih elektronskih zrakai upotrebom specijalnih uređaja uelektronskom mikroskopu može sedobiti veliki broj informacija:

• topografija površine,

• kristalna strukturu,• greške rešetke, (na pr. dislokacije),• distribucija i struktura faza,• struktura magnetske domene,• prisutnost električnog naboja,• varijacije napona,• sastav atoma• atomske veze.

4.2 MEHANIČKO ISPITIVANJE MATERIJALA

Zajedničko svojstvo konstrukcijskih materijala je njihova čvrstoća. Čvrstoća jeotpor materijala protiv deformacije i loma ili sposobnost materijala da podnosinaprezanja koja su prouzrokovana vanjskim silama. Konstrukcijski materijali su iz tihrazloga uvijek materijali u čvrstom stanju; plinovi i tekućine ne mogu permanentno

preuzeti naprezanja.Pored čvrstoće važna svojstva za konstrukcijske materijale su savitljivost,

tvrdoća i žilavost. Danas se postavljaju strogi zahtjevi prema konstrukcijskimmaterijala. Oni moraju imati dostatnu čvrstoću da mogu izdržati velika opterećenja,moraju biti otporni prema koroziji i trošenju, moraju biti obradivi itd.

Selekcija materijala se vrši usporedbom njihovih mehaničkih svojstava. Prvikorak u selekciji je analiza namjene dijela iz koje određujemo potrebne karakteristikematerijala. Da li materijal mora biti čvrst, krut ili savitljiv? Da li će on biti izložen

ponavljajućem ili iznenadnom opterećenju? Na visokim ili niskim temperaturama?Cijena materijala i njihova obrada su naravno vrlo važni faktori kod izbora materijala.

Kada smo odredili koja svojstva materijal mora imati možemo pristupitiselekciji. Selekciju materijala vršimo uspoređivanjem standardnih podataka iz

priručnika. Važno je znati kako se došlo do tih podataka, što oni znače i shvatiti da sutabelarni podaci dobiveni u testovima u određenim uvjetima, koji ne moraju biti

potpuno isti u realnom „životu“ dijelova.Postoji veza između svojstava materijala i kristalne strukture (s odstupanjima

između idealnog stanja i zrnate strukture). Iz poznatih podataka strukture materijala nijemoguće direktno proračunati svojstva materijala s dovoljnom točnošću. Zato se svasvojstva materijala određuju eksperimentalnim ispitivanjima.

Upoznat ćemo se s nekoliko standardnih metoda ispitivanja materijala, koja sekoriste za mjerenje otpornosti materijala prema utjecaju vanjskih sila. Ove metodeispitivanja primjenjuju se kod metala, ali se mogu također primijeniti, s nekimmodifikacijama, i za druge materijale. Kao što su plastične mase, drvo, guma, papir i dr.Rezultati ovih testova su mehanička svojstva materijala.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


20

4.3 ISPITIVANJE VLAČNIH NAPREZANJAOvo je najvažnija i najčešće upotrijebljena metoda ispitivanja materijala.

Vlačnim testom mjerimo otpor materijala prema statičkim, konstantnim silama, kojaizazivaju vlačna naprezanja u materijalu. Princip se sastoji u tome da se optereti mjerniuzorak (epruveta), koja se pod djelovanjem sila razvuče sve do kidanja. Za vrijeme

opterećenja se konstantno mjere sile koje djeluju na epruvetu i njezino produženje.Vlačnim ispitivanjima mogu se dobiti podaci o čvrstoći i savitljivosti materijala.

Pri testiranju se koriste standardni uzorci napravljeni od materijala koji će seispitivati. Oblik uzoraka može varirati, ali najčešće se upotrebljavaju okrugli uzorci sdužinom mjerenja L0, koja je 10 ili 15 promjera d, slika 4.6. Postupak proizvodnje idimenzije epruvete su standardizirani.

A0 – nazivni presjekepruvete prije ispitivanja

L0 – nazivna dužinaepruvete

dužinaepruvetežina

epruveteLt – ukupna duLs – stvarna

d0

A0

Lt

L0 Ls

Slika 4.6 Standardizirani mjerni uzorak (epruveta) kružnog presjeka

Epruveta se čvrsto stisne u stroj, koji uobičajeno ima hidraulički pogon, a nazivase kidalica, (zbog toga što pokus završava prekidom epruvete). Na slici 4.7 vidimouniverzalnu izvedbu kidalice, koja je konstruirana za: vlačna, tlačna i savijajućaispitivanja. Regulacijom hidrauličkog pritiska regulira se i opterećenje epruvete, a time i

brzina izvlačenja. Kidalica ima poseban uređaj, koji automatski registrira podatke. SilaF se konstantno mjeri i posebnom napravom se iscrtavaju produljenja ∆l, koja zavise odveličine sile F. Dijeljenjem opterećenja F s presjekom epruvete prije ispitivanja Ao,dobijemo naprezanje u materijalu σ, koje odgovara opterećenju:

1 – mehanizam zastezanje epruvete,2 – hidraulički cilindar,3 – mjerni instrument,4 – pisač,5 – računalo.

o A

F =σ

4

2d Ao

⋅Π=

5432

1

Slika 4.7 Univerzalna kidalica

Krivulja naprezanje-deformacija se upotrebljava da bi se zabilježili rezultativlačnih ispitivanja. Slika 4.8 pokazuje dijagram deformacija-naprezanje za mekani

čelik. Apcisa u dijagramu pokazuje deformacije ε u procentima, a ordinata naprezanjeσ.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


21

%1000

%1000

0 ⋅∆

=⋅−

=l

l

l

l l ε l0 - nazivna dužina epruvete

l - dužina opterećene epruvete

Slika 4.8 Dijagram naprezanje-deformacija- Granica elastičnostiOpteretimo li epruvetu na početku relativno malim naprezanjem, ona će se tek tolikorastegnuti da se nakon prestanka djelovanja sile vrati u svoje prvobitne dimenzije.Ovakve deformacije se nazivaju elastične deformacije. Područje elastičnih deformacijadopire do granice elastičnosti σE, koja označuje najveće naprezanje kod kojeg još nenastupa trajna deformacija.

- Granica proporcionalnosti

Prvi dio diagrama naprezanje-deformacija je linearan i za njega vrijedi Hookov zakon,koji kaže da je rastezanje linearno proporcionalno naprezanju. Granica

proporcionalnosti σPr je u teoriji najveće opterećenje kod koga su naprezanje ideformacija proporcionalni. Sve do granice proporcionalnosti vrijedi Hookov zakon:

ε σ ⋅= E E - modul elastičnosti (N/mm2)Iznad granice proporcionalnosti deformacija se znatnije povećava i nakon prestankaopterećenja materijal se više neće vratiti na početne dimenzije, ostat će trajnodeformiran.

- Granica plastičnosti Granica plastičnosti σ

ν

( yield strength) je kvocijent sile Fν

i nazivnog presjeka Ao, kodkoje započinje intenzivnije produljenje epruvete. Materijal počinje «teći», što drugimriječima znači da povećano rastezanje ne znači i znatnije povećanje naprezanja.Materijal je došao u plastično područje u kojem ne važi Hookov zakon.Granica plastičnosti je naprezanje kod koje plastičnadeformacija je očigledna. Kod metala, to je obično ononaprezanje kod kojeg dislokacije počinju kliziti. o A

F ν ν σ =

Granica plastičnosti je zato granično naprezanje, koje dijeli elastično i plastično ponašanje materijala. Ona ima veliku važnost kod dimenzioniranja konstrukcijskihdijelova. Jedan strojni dio nikada se ne smije opteretiti iznad granice plastičnosti, kojauzrokuje trajnu deformaciju. Kod konstruiranja dijela, koji se ne smije plastičnodeformirati, selekcionira se materijal koji ima visoku granicu plastičnosti ili se

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


22

konstruira dio dovoljno velikih dimenzija, tako da primijenjena sila prouzročinaprezanje koje je ispod granice plastičnosti.

- Vlačna čvrstoća (Granica razvlačenja)

Vlačna čvrstoća σM (tensile strengtht ) je kvocijent maksimalne

sile primijenjene tokom ispitivanja FM i početnog presjeka Ao i predstavlja maksimalno naprezanje u dijagramu σε. o M

A

F max=σ

Tablica 4.1 Rezultati vlačnog ispitivanja aluminijske legure, probni uzrok promjera 12,827 mm.

Test Sila(Lb-pound)

Sila (N) Dužina Dužina(mm)

Produljenje∆l (mm)

Naprezanje(psi)

Naprezanje(MPa)

Relativno produljenje ε

0 0 0 2,0= l0 50,8= l0 0 0 0 0

1 1000 4448 2,001 50,8254 0,025 5000 34,475 0,0005

2 3000 13344 2,003 50,8762 0,076 15000 103,425 0,0015

3 5000 22240 2,005 50,927 0,127 25000 172,375 0,00254 7000 31136 2,007 50,9778 0,178 35000 241,325 0,0035

5 7500 33360 2,03 51,562 0,762 37500 258,5625 0,015

6 7900 35139,2 2,08 52,832 2,032 39500 272,3525 0,04

7 8000 35584 2,12 53,848 3,048 40000 275,8 0,06

8 7950 35361,6 2,16 54,864 4,064 39700 273,7315 0,08

9 7600 33804,8 2,205 56,07 6,35 38000 262,01 0,1025

(in.)

Slika 4.9 Dijagram naprezanje-produljenje za aluminijsku leguru iz tablice 4.1

- Konvencionalna granica plastičnosti i 0,2-granicaKod mnogih materijala nije lako otkriti granicu plastičnosti, a neki materijali,

kao što je tvrdi čelik ili mesing za automate, je i nemaju. Njihovi dijagrami naprezanja-deformacija izgledaju kao na slici 4.10. Kada materijal nema izraženu granicu

plastičnosti određuje se 0.2-granica ili σ0,2. Kod ove granice biti će nakon prestanka

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


23

opterećenja prisutna mala plastična deformacija. σ0,2 granica je naprezanje koje dajetrajno produženje od 0,2%. Kod određivanja 0,2-granice upotrebljava se grafičkametoda na dijagramu naprezanje-deformacija. Ova se metoda zasniva na uvjetu da jenakon prestanka djelovanja opterećenja, krivulja povratka ravna linija paralelna salinijom 0P, vidi sliku 4.10 b. Kada se povuče paralelni pravac iz 0,2% produljenja,sjecište s krivuljom naprezanje-produljenje dati će σ0,2 granično naprezanje. Umjesto0,2-granice ponekad se određuje 0,02-granica, za koju se može reći da je granicaelastičnosti.

Slika 4.10 (a) Materijal koji nema izraženu granicu plastičnosti, kao na pr. mesing zaautomate, (b) Prvi dio diagrama povećan u x-pravcu

Kod mnogih materijala produženje nije jednolično. U nekojtočki rastezanja jedan dio se deformira brže nego ostali i dolazido stvaranja velikog lokalnog smanjenja površine presjeka

epruvete (slika 4.11). Ovaj lokalno deformiran dio se nazivavrat. Pošto površina presjeka postaje manja u ovoj točki, potrebna je i manja sila za deformaciju. Naprezanje koje seračuna prema originalnom presjeku Ao se smanjuje. Vlačnačvrstoća je ono naprezanje kod kojeg se počinje stvarati vratkod savitljivih materijala.

Slika 4.11 Lokalno deformiranje

rastezljivih materijala zavrijeme vlačnog testa stvaravratno područje

- Prekidno produženjePrekidno produženje, δ (elongation), jekonačno ukupno produženje epruvete nakon

prekida.

0

0

%100 l

l

l

l l

o

u ∆=⋅

−

=δ

Rastezljivost se mjeri veličinom deformacijeSlika 4.12 Proračun prekidnog

produženja i kontrakcije

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


24

koju materijal mora pružiti bez loma.

- Prekidna kontrakcijaPrekidna kontrakcija, Ψ (reduction area), je suženje

presjeka ∆Ao. na mjestu prekida, prikazuje se u omjerusa nazivnim presjekom Ao, a izražava se u postocima. 00

0 %100 A

A

A

A A=⋅

−=Ψ

- Modul elastičnostiModul elastičnosti E, (Young`s modulus), je nagib krivulje u elastičnom

području, a njegova je vrijednost obrnuto proporcionalna s elastičnostimaterijala: što je E manji materijal je elastičniji. Ova relacija je Hookovzakon, a E modul elastičnosti se naziva i konstanta Hookovog zakona.

ε

σ = E

Modul elastičnosti je usko vezan sa energijom vezivanja materijala (Slika 4.13). Strmnagib krivulje pokazuje da su veće sile potrebne za odvajanje atoma, koje dovodi doelastičnog istezanja materijala. Veći nagib krivulje znači da materijal ima veliki modul

elasticiteta. Sile vezivanja i modul elastičnosti, su veći za materijale sa visokomtemperaturom tališta, vidi tablica 4.2.

Tablica 4.2 Elastična svojstva i temperature taljenja

MATERIJAL Tm (0C) E (GPa)

Pb 327 13,8

Mg 650 44,8

Al 660 69,0

Cu 1085 124

Fe 1538 206

W 3410 408

Al2O3 2020 379

Modul elastičnosti je mjera čvrstoće materijala. Čvrst materijal, s velikim modulomelastičnosti, zadržava svoje dimenzije i oblik pri velikom naprezanju. Slika 4.13 (b)

prikazuje usporedbu elastičnog ponašanja čelika i aluminija. Ako je željezni uzoraknapregnut 210 MPa on će se deformirati 0.001 mm/mm. Ako je isto toliko napregnutaluminijski uzorak on će se deformirati 0,003 mm/mm. To bi značilo da željezo ima tri

puta veći modul elastičnosti (čvrstoću) nego aluminij.

Slika 4.13 (a) Grafički proračun E-modula, (b) Elastično ponašanja čelika i aluminija

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


25

- Promjena čvrstoće materijala toplinskom obradomOdnos između naprezanja i rastezljivosti je različit za različite materijale. Ali, za

jedan te isti materijal ovaj odnos može varirati zavisno od toplinske obrade, koju je prošao. Slika 4.14 prikazuje primjer.

Slika 4.14 Dijagram naprezanja-produljenje za: 1 kaljeni čelik, 2 kaljeni i napušteničelik i 3 meko žareni čelik

- Stvarno naprezanje i deformacijaPad naprezanja nakon vlačne čvrstoće se u dijagramu naprezanja-deformacija

prikazuje zbog dogovorne definicije čvrstoće. Mi koristimo početni presjek probnoguzorka u našim proračunima. Ovi podaci nisu precizni jer se površina presjeka epruvetekontinuirano mijenja. Stvarno naprezanje i produljenje se definira slijedećim

jednadžbama:

N a p r e z a n j e

ProduljenjeSlika 4.15 Odnos između

stvarne i dogovorne krivuljenaprezanje-prouljenje

Dogovorno

StvarnoStvarno naprezanje =

A

F Stva =σ

Stvarno produljenje =

=

=∫ A

A

l

l

l

dl 0

0lnln

Gdje je A aktualna površina na koju djeluje sila F.Izraz ln (A0/A) poslije stvaranja suženja (vrata) u

probnom uzorku. Stvarna krivulja naprezanje- produljenje se uspoređuje s dogovornom krivuljomna slici 4.15.

Poslije stvaranja suženja stvarno naprezanje nastavlja rasti, zbog toga što se površinasmanjuje (iako se opterećenje smanjuje). Mi često ne trebamo stvarno naprezanje istvarno produljenje. Kada se pređe granica plastičnosti epruveta se deformirala i nemaviše isti početni oblik. Također se značajnija razlika između krivulja javlja nakon

stvaranja suženja. Ali, kada se javi suženje kod strojnog dijela, on se toliko deformiraoda više ne ispunjava svoju namijenjenu primjenu.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


26

4.4 UTJECAJ TEMPERATURE NA ČVRSTOĆUMaterijal, kao što je čelik, se može na sobnoj temperaturi opteretiti blizu granice

plastičnosti σP u dugačkom vremenskom periodu bez prekoračenja početnog produljenja. Kada se probni čelični uzorak na sobnoj temperaturi optereti naprezanjemkoje leži preko 0,2 granice epruveta se momentalno produžuje i zadržava ovo

produženje.Ako se isti pokus izvodi na temperaturi od 400 0C, također se dobije momentalno

produženje, ali se zatim može doći do nastavka produženja epruvete. Materijal je tada ustanju puzavosti. Na visokim temperaturama se, s istim metodama kao i kod sobnetemperature, određuje:

- granica plastičnosti σP,- čvrstoća materijala M - prekidno produženje δ,.

Slika 4.16 prikazuje zavisnost između granica plastičnosti σP, čvrstoća materijala M ,

prekidnog produženja δ i temperature za običan ugljični čelik. Iz diagrama je vidljivo da je čvrstoća materijala (granica razvlačenja) σM najviša na 250 0C. Krivulja čvrstoćematerijala dobiva nepoželjan tok preko 250 0C, kada nastaje nejasna granica razvlačenjai zbog toga se određuje 0,2-granica. Preko 350 0C granica razvlačenja nema značenjazbog plastične deformacije ili puzavosti materijala. Prekidno produženje δ je najmanjena 200 0C, ali nakon toga brzo raste. Na višim temperaturama dolazi do produženjamaterijala, koje je ovisno o vremenu. Ovo produženje se naziva puzavost, koja ovisi o:

1. Opterećenju ili naprezanju;2. Temperaturi;3. Vremenu.

30

R e l

a t i v n o p r o d u ž e n j e

% 60

45

15

500

400

300

200

100

600500400300200100

δ

σP

σM

75

N a p r e z a n j e

( M P a )

Temperatura (0C)

Slika 4.16 Vlačna čvrstoća, granica plastičnosti i produženje u zavisnosti odtemperature za ugljični čelik

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


27

-Toplinska granica razvlačenja Kao što se vidi iz slike 4.16 granica razvlačenja pada s povećanjem temperature.Materijali koji imaju izraženu granicu plastičnosti na sobnim temperaturama, nemajuizraženu granicu plastičnosti na povišenim temperaturama. Umjesto toga se određuje0,2-granica.

- Granica puzavostiKod konstrukcija koje su izložene temperaturama višim od 200 0C veća se

važnost pridaje puzavosti materijala, nego granici plastičnosti σP, granicu razvlačenjaσM i druga svojstva čvrstoće materijala. Većina je metala na povišenim temperaturamasklona puzanju, koje značajno smanjuje trajnu statičku čvrstoću materijala. Granicapuzavosti σk je ono naprezanje koje daje najveću dozvoljenu brzinu rastezanja u

postocima na sat, uobičajeno 10-4 ili 10-5 (% na sat).Ispitivanja puzavosti izvode se na sličan način kao i vlačna ispitivanja. Vlačni

stroj je konstruiran na takav način da je epruveta izložen konstantnom naprezanju na

konstantnoj temperaturi (u jednoj maloj peći) za vrijeme testa. Upotrebljava se višeepruvete (za svako naprezanje jedna) i dobije se nekoliko krivulja, slika 4.17.Epruveta se stisne u kidalicu, zagrije na temperaturu ispitivanja i u dužem

vremenskom periodu izloži konstantnom naprezanju σ1. Produženja se mjere u jednolikim vremenskim razmacima. Slijedeća epruveta se ispituje pod istim uvjetima,ali pod različitim vlačnim naprezanjem σk , σ3, σ4.

σk – Najveće dozvoljeno naprezanje u vremenskom razmaku t2 – t1 satova σ3 – Najveće dozvoljeno naprezanje σ4 – Početno naprezanje

Za svaku temperaturu dobije se jedan niz krivulja kao na slici 4.17. Određivanje granice

puzavosti se izvodi u kraćem vremenu, ali još veći značaj ima dugotrajno ispitivanjekoje može trajati preko 1000 sati i više.

σ1

σk

lom

Konstantna temp.

ε2

εk

ε0

σ3

lom4

P

r o d u l j e n j e ( % )

Vrijeme (sat)

Slika 4.17 Ispitivanje puzavosti: dijagram produljenje-vrijeme. Temperatura iopterećenje su konstantni

Uobičajene vrijednosti za brzinu puzavosti su na primjer . Ono označuje

naprezanje σ, pri kojem će na temperaturi 300

30010000/1σ

0C nastati 1%deformacija u vremenu

10.000 sati (drugim riječima 10-4 %/sat) i , 1%300100000/1σ deformacija za 100.000 sati(drugim riječima 10-5 %/sat). Granica puzavosti je ono naprezanje koje daje brzinu

puzavosti u vremenu t1 do t2 gdje je t1=1000 sati i t2=2000 sati.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


28

Granica lomne puzavosti σL, je najveće naprezanje koje materijal može podnijeti uodređenom vremenu bez loma. Granica lomne puzavosti obično se određuje za 10.000sati ili 100.000 sati (σL/10 000, σL/100 000). Za svaku temperaturu mora se izvesti jednaserija pokusa s različitim naprezanjima.

- Dimenzioniranje u odnosu na čvrstoću kod povišenih temperaturaKonstrukcije koje su izloženi toplini moraju se dimenzionirati u odnosu na

temperaturu i potrebno je proračunati njihov životni vijek i dozvoljenu deformaciju.Kod jednostavnih konstrukcija, kao što su, na primjer, dijelovi peći, može se dozvolitirelativno velika deformacija, U drugim konstrukcijama, lopatice plinskih turbina(pogonska temperatura 550 0C) i mlaznih motora (pogonska temperatura 900 0C), možese dozvoliti vrlo mala puzavost, kako bi se izbjegao lom.

Kod srednje visokih temperatura dimenzionira se po toplinskoj granicirazvlačenja. Kod povišenih temperatura mora se uzeti u obzir puzavost materijala ikontrolirati granicu puzavosti ili granicu lomne puzavosti. Jedan dio materijala koji seupotrebljavaju na povišenim temperaturama, kao što je nimonic (ca. 70% Ni i 20%Cr) ima vrlo dobru trajnu čvrstoću sve do 900 0C.

4.5 TLAČNA ISPITIVANJATlačna ispitivanja se najviše izvode kod krtih materijala, koji se upotrebljavaju u

konstrukcijama opterećenim na tlak. Takvi karakteristični metalni materijali su lijevanoželjezo i metali za ležajeve. Tlačna ispitivanja betona, kamena i stakla su vrlouobičajena u građevinarstvu. Također se tlačni pokusi primjenjuju kao tehnološkemetode za ispitivanja sposobnosti materijala na oblikovanje (na primjer za plastične

procese: kovanje, valjanje i dr.).

Sile su u tlačnim opterećenjima usmjerene u suprotnom pravcu od vlačnognaprezanja. Dijagram deformacija-naprezanje sa ordinatom σ = F/A0 i apcise εt = ∆h/h . 100 pokazuje iste karakteristične točke kao vlačni dijagram. S tom razlikom da lom nenastaje kao kod rastezljivih materijala.

Prilikom ispitivanja koriste se epruvete promjera d0 = 10-30 mm, visine h0 = (1-3) d0. Ispitivani uzorak se sabija pomoću preše ili univerzalnog stroja, a pri tome seodređuje skraćenje ∆h u zavisnosti od sile F. Sila raste postepeno, bez udarca, adijagram se crta automatski. Slika 4.18 pokazuje dijagram tlačnih naprezanja za sivilijev, žareni čelik i Al-leguru. Slično kao i kod vlačnog naprezanja određuju se slijedećekarakteristike:

o

RtR A F =σ Granica tečenja σ

tR ( yield strength) analogna je granicirazvlačenja kod vlačnog naprezanja, a izračunava se kaokvocijent sile FR , i nazivnog presjeka Ao.

o A

F tL

max=σ Prekidna tlačna čvrstoća σtL (compresion strength) proračunava se kao naprezanje kod makimalne tlačne sile.

Z razliku od rastezjivih materijala kuti materijali se ponašaju drugačije kod tlačnognaprezanja nego kod vlačnog.. Kohezione sile se lome kad vanjska opterećenja pređumaksimalnu privlačnu silu između atoma (vidi sliku 4.18). Ipak ne postoji sličnamaksimalna odbojna sila između atoma, ona raste sa smanjivanjem razmaka između

atoma. Tlačno naprezanje ne vodi do loma kohezije između atoma. Tlačna naprezanjadrže pukotinu zatvorenu i zato ona nije razlog povećane koncentracije naprezanja. Zalijevano željezo je tlačna čvrstoća 10 puta veća nego vlačna čvrstoća.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


29

0

Sivi lijev

Žareni čelik

100

80

60

40

20

605020 30 40

Relativno skraćenje εt%

10

Al legura (žarena)

N a p r e z a n j e

t ( M

P a )

Slika 4.18 Dijagram tlačnih naprezanja za sivi lijev, žareni čelik i Al-leguru

(c)(b)(a)

Slika 4.19 Lom epruveta različitih materijala

Lom nastupa uglavnom samo kod krutih materijala, kad su dovoljno velika smičnanaprezanja preko cijelog presjeka najčešće pod kutom od 450. Slika 4.19 prikazuje lom:

a) rastezljivog materijala, b) slabo rastezljivog materijala ic) drobljenje, kod krtih materijala.

Kod rastezljivih materijala nastaju pukotine na rubovima i rijetko dolazi do loma. Njihov presjek može rasti skoro neograničeno s odgovarajućim rastom sile. Prekidnačvrstoća se može definirati kao naprezanja kod kojeg je vidljiva prva pukotina u uzorku,iako smanjenje sile nije uočljivo.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


30

4.6 ISPITIVANJE OTPORNOSTI NA SAVIJANJEOvo ispitivanje se upotrebljava za određivanje zavojne čvrstoće i sposobnosti

deformacije materijala niske rastezljivosti. Postupak ispitivanje materijala na savijanjemoguće je izvesti na univerzalnim kidalicama [pri sobnoj temperaturi (20 0C)].Epruvete imaju pravokutni, kvadratni ili okrugli presjek, a ispituju se i profili. Debljinaepruvete h nije veća od 30 mm. Širina pravokutnih epruveta w iznosi od 25 do 50 mm.Preporučuje se duljina epruvete l = 5a + 150 mm. Promjer valjka se određuje zavisnood materijala koji se ispituje, a propisan je standardima.

f

F

D

F

w

D + 3h

L

h

Slika 4.20 Test savijanja

Kod rastezljivih materijala, krivulja naprezanje-deformacija uobičajeno prolazikroz maksimum, ovo maksimalno naprezanje je granica razvlačenja (vlačna čvrstoća)materijala. Lom nastaje kod nižih naprezanja nakon sužavanja poprečnog presjeka.

Kod krtih materijala lom dolazi kod maksimalnih naprezanja i prekidna čvrstoća je jednaka vlačnoj čvrstoći.

Kod vrlo krtih materijala, kao što su mnoge keramike, granica plastičnosti,

vlačna čvrstoća i prekidna čvrstoća potpuno su iste [slika 4.21 (a)].

0

(b)(a)

Lom

N a

p r e z a n j e

( M P a )

200

150

100

50

Progib, f (mm)0,0150,010 0,0250,0200,005

N a p

r e z a n j e

Produljenje

Velike savitljivosti

Umjerene savitljivosti

Lomljivi

Slika 4.21 (a) Dijagram naprezanje-produljenje za krte materijale uspoređen srastezljivim materijalim

(b) Dijagram naprezanje-produljenje za MgO dobiven ispitivanjem na

svijanje

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


31

Kod mnogih krtih materijala (sivi lijev, kaljen čelik i dr.), normalni vlačni test nemože biti lako izveden, zbog prisutnosti površinskih grešaka. Često, samo postavljanjekrhkih materijala u hvataljke kidalice može prouzročiti lom. No, ovi materijali se mogu

jednostavno testirati ispitivanjima na savijanja.Epruveta, koja ima konstantan presjek, postavlja se u univerzalni stroj i

opterećuje u tri točke (Slika 4.20). Pored sile F mjeri se pregib f , a otpornost na

savijanje ( flextural strength) se određuje formulom:

22

3

wh

FL s =σ ,

Rezultati ispitivanja na savijanje su slični krivuljama naprezanje-deformacija,ipak naprezanje je u odnosu na pregib (Slika 6.9).

F - je sila loma,

w - je širina epruvete,h - visina e ruvete.

L - je razmak izmedu dvije vanjske točke,

f wh

FL s E

34

3=

Modul elasticiteta kod savijanja ( flexural modulus), se dobijeu elastičnom području slike 4.21.f - pregib epruvete

Zbog toga što pukotine i nepravilnosti teže da ostanu zatvorene kod tlačnog opterećenja,krti materijali su se upotrebljavaju kod konstrukcija koje su opterećene samo na tlačnanaprezanja. Čest je slučaj da se kriti materijali lome na većim tlačnim naprezanjimanego na vlačnim naprezanja (Tablica 4.3).

Tablica 4.3 Usporedba vlačne, tlačne i zavojne čvrstoće kod nekihkeramičkih i kompozitnih materijala

MATERIJALσvR σtR σsR

Poliester-50% glass fiber 158,70 220,80 310,50 Al2O3 207,00 2.587,50 345,00

SiC 172,50 3.864,00 552,00

Primjer 3.: Kompozitni materijal pojačan staklenim vlaknima ima otpornost nasavijanje 310 MPa i modul elasticiteta kod savijanja 125 GPa. Epruveta ima debljinu10 mm, širinu 12,5 mm dužinu 200 mm, a smješten je između dvije šipke razmaka 125mm. Odredi silu koja je potrebna da bi materijal puknuo i pregib prilikom pucanja(pretpostavka je da se plastična deformacija nije dogodila).

Rješenje:

2105,122

1253310

22

3

⋅⋅

⋅⋅===

F MPa

wh

FL sσ → F = 1877 N

Pregib se dobije iz formule za modul elasticiteta kod savijanja:

( )

( ) f f wh

FL s E

⋅⋅⋅

⋅==

3

3

105,124

125187734

3→ f = 0,706 mm

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


32

4.7 ISPITIVANJE TVRDOĆETvrdoća je otpor materijala prema prodiranju drugog, tvrđeg predmeta. Tvrdoća

se također definira kao otpor materijala prema plastičnoj deformaciji. Ispitivanjetvrdoće je brz i jednostavan način ispitivanja mehaničkih svojstava materijala. Zavisnood primijenjene sile i dobivenih otisaka u materijalu, mjerenje tvrdoće se vrši na makro,

mikro i nano skali.Da bi se izabrao odgovarajući materijal za dijelove koji su izloženi trošenju,

mora se poznavati tvrdoća tog materijala. Iz iskustva je poznato da se tvrđi materijalimanje troše.

Makro-tvrdoća se ispituje statičkim i dinamičkim metodama na malimuzorcima materijala. Statičke metode imaju prednost jer se lakše ponavljaju, dok sedinamičke metode provode ručno uz pomoć jednostavnijih uređaja. U praksi seupotrebljava veliki broj metoda, no najčešće su: Brinell, Vickers i Rockwell.

Mikro tvrdoća se koristi kod ispitivanja tvrdoća različitih faza, uključaka umikrostrukturi, uz pomoć mikroskopa. Nano test mjeri tvrdoću sa penetracijom jakomalih sila (veličine 1 nano Newton) pomoću specijalnih uređaja.

- Ispitivanje tvrdoće po BrinelluMetodu je pronašao švedski inženjer J. A. Brinellu (1849-1925). Kod ove metode

se tvrda čelična kugla (standardni dijametri D su 10, 5 i 2.5 mm) utiskuje u čistu i ravnu površinu materijala određenom silom F (kp). Uređaj koristi silu od 500 kp za mekematerijale (bakar, mjed) i tanke uzorke. Sila od 1.500 kp se upotrebljava za aluminij isila od 3.000 kp se upotrebljava za željezo i čelik. Promjer otiska d se mjeri uz pomoćlupe, tipično 2 do 6 mm, a Brinellov broj (kratica HB) se proračuna pomoću jednadžbe:

F

D

d

−−⋅Π

= 22 2

d D D D F HB

Postoje i tabele za dobivanje Brinellovetvrdoće HB, direktno od dijametra otiska.Za proračunavanje u SI jedinice je 1kp ≈ 9,81 N.Oznaka Brinellove tvrdoće je: HB 10/3000/15 = 250. Štoznači da je Brinelova tvrdoća 250 ispitana sa kuglicom

promjera 10 mm, sa opterećenjem 3000 kp u trajanjuopterećenja 15 sekundi.

Sila pritiska se postepeno povećava (bez naglih trzaja) u toku 15 s do konačnevrijednosti, na kojoj ostaje 30 s. Za tvrde materijale dovoljno je 10 s, dok za mekematerijale potrebno i do 1 minute

Slika 4.22 Ispitivanje Brinell-ove tvrdoće

.Brinellova metoda se koristi za meke i srednje tvrde materijale. Otisci su veliki iduboki, tako da test daje jednu srednju vrijednost za višefaznu mikrostrukturumaterijala, ali probni uzorci se često razaraju.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


33

Slika 4.23 Princip rada Brinell-ove preše c

b

ad

g

i

e f

h

k

Princip rada Brinellove prešeOpterećenje Brinellove kugle djeluje okomito na površinu probnog uzorka. Da bi

se postavila površina okomito, ako probnom uzorku a gornja i donja strana nisu paralelne, gornja ploča je kuglasta i montirana na vijčano vratilo b. Epruveta se, pomoću vijčanog vratila, i upravljača c stisne prema Brinellovoj kugli d. Zatim sezatvori upravljački ventil e. Opterećenje se postiže pomoću ručne pumpe f . Pritisak uljadjeluje na glavni cilindar g i Brinellova kugla se steže na probni uzorak.Kada se dostigne željeno opterećenje, podiže se automatski poluga h s utezima i.Istovremeno manometar k pokazuje opterećenje (62,5-3.000 kp).Poslije unaprijed određenog vremena (15-125 s) probni uzorak materijala se oslobodiopterećenja s otvaranjem upravljačkim ventila e. Vadi se van i otisak se mjeri uz pomoćmikroskopa. Koristi se srednja vrijednost dva mjerenja dijametra (mjere se okomito

jedan na drugoga). Na kraju se očitava broj tvrdoće HB iz tabela.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


34

- Ispitivanje tvrdoće po Rockwell-u,Kod ove metode upotrebljava se više vrsta penetratora, za meke materijale

upotrebljava se mala čelična kuglica, a za tvrde materijale dijamantni stožac.Dijamantni stožac ima vršni kut 1200 i radijus zaobljenja 0,2 mm, dok promjeri čeličnihkuglica iznose 1/16”, 1/18”, ili 2.5 mm.

Principijelna razlika između Brinellove i Rockwellove metode je da kod Brinellovemetode mjerimo dijametar otiska, a kod Rockwellove metode mjerimo dubinu otiska.Dubina penetracije mjeri se automatski i konvertira u Rockwellovu tvrdoću (HR ).

Slika 4.24 Princip mjerenja s Rockwellovim aparatom.

Tvrdoća je kod Rockellovih uređaja u funkciji povećanja dubine otiska koje je prouzročilo dodatno opterećenje. Na slici 4.24 se prikazuje princip rada Rockellovoguređaja. Trajanje jednog ispitivanja je 10 sekundi. Određivanje Rokwellove tvrdoćeostavlja na površini ispitivanog dijela samo manje otiske, izvodi se jednostavno i brzo

pa se stoga primjenjuje u serijskoj industrijskoj proizvodnji.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


35

Rockwell (HRB, ball ) test se koristi zameke i srednje tvrde materijale (aluminij,meki čelik i sl.). Penetrirajući elemenat jetvrda kugla, predopterećenje je F0 = 10kp i dodatno opterećenje je

F1 = 90 kp. F0 + F1 = 100 kp.

D=1/16”

F0 F0 + F1 F0

HRB0,26 mmeh

h0

002,0130

e HRB −= Slika 3.26 Penetrirajuća kugla, HRB

e - dubina utiska u mm.

002,0100

e HRC −= ,

Rockwell (HRC, conus) test se koristi zatvrde materijale (kaljeni čelik).

Penetrirajući elemenat je diamantnistožac, predopterećenje je F0 = 10 kp idodatno opterećenje je F1 = 140 kp. F0 + F1 = 100 kp.

0,26 mm HRB

h e

F 0 = 1 0 k p

F 0 = 1 0 k p

F0 + F1=150 kp

h0

1200

e - dubina utiska u mm. Slika 3.27 Penetrirajuća stožac, HRC

- Ispitivanje tvrdoće po Vickersu

Ove metoda je slična Brinellovoj metodi. Razlika je u tome što je penetratorčetverostrana istostranična dijamantna piramida sa vršnim kutom 1360. Ova metoda se

primjenjuje za tvrde i meke materijale, a principijelno se izvodi kao i Brinellova.Dijagonale otiska d1 i d2 u kvadratnom otisku se izmjere i zatim se iz tabele može

pročitati odgovarajuća Vickersova tvrdoća. Slika 4.28 prikazuje penetrirajuću piramidui otisak na površini uzorka. Srednja vrijednost diagonala određuje Vickers-ovu tvrdoćuHV

Sila koja pritišće piramidu u površinuuzorka bira od 1 do 120 kp. Vrijemeopterećenja zavisi o materijalu: 10-15 s za

željezo, čelik i bakrene legure, 30-35 s zalegure aluminija i ca. 5 s za tvrde metale.Simbolima HV pridodaje se broj koji

pokazuje kolika je sila bila upotrebljena i broj koji pokazuje vrijeme trajanjaopterećenja (ako je izvan standardnihtrajanja opterećenja 10-15 s).

tvrdoćamjerena s opterećenjem 5kp i vremeneomopterećenja između 10 i 15 s.

HV5/20 = Vickers-ova tvrdoća mjerena sopterećenjem 5kp i vremenom opterećenjaizmeđu 20 s

.

Primjer: HV5 = Vickers-ova

Slika 3.28 Vickers-ova diamantna piramida i otisak

Pozicijadjelovanja

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


36

Vickersova tvrdoća se također može proračunati pomoću slijedeće formule:

2854,1

22

0136sin2

d

F

d

F HV ⋅=

⋅=

F – Sila opterećenja u kp d – Aritmetička srednja vrijednost dijagonala d1 i d2 u kvadratnom otisku

Vickersova metoda ima širu primjenu nego druge metode za mjerenje tvrdoće. Ona dajesigurne i jednolične rezultate i upotrebljava se svakim danom sve više.Vickersova metoda se može izvoditi u Brinellovom i Rockwellovom aparatu.

Zbog malog pritiska pri ispitivanju Vickersova metoda omogućuje:1. Određivanje tvrdoće veoma tankih slojeva (npr. pri nitriranju)2. Smanjenje oštećenja na najmanju mjeru.

Postoje i specijalni aparati za mjerenje mikrotvrdoće. Upotrebljavaju se najvišeVickersove i Knoopove (HK ) metode. Ovdje su sile opterećenja jako male, na primjer0,01 N. Otisci mogu biti vrlo maleni, na primjer d = 0,005 mm. Sa ovim metodama

postoji mogućnost mjerenja tvrdoće pojedinih mikrofaza i sastavnih dijelova umikrostrukturi materijala.

- Ispitivanje tvrdoće po Knoop-uPomoću Knoopove metode, koja sliči Vickersovoj metodi (dizajniranoj za

testiranje metala) se određuje relativna tvrdoća krtih materijala kao što je staklo i

keramika. Kod ove metode četverostrana, dijamantna piramida s vršnim kutovima 130

0

i 1720 30' se utiskuje u materijal ispitivanja. Stvarajući romboidni otisak s jednomstranicom sedam puta većom od druge. Tvrdoća se određuje dubinom otiska penetratora(slika 4.29).

Ova je američka metoda dizajnirana odstran F. Knoopa 1939 godine. Silaopterećenja je uobičajeno manja od 1 kp,a četverostrani otisci su reda veličine od0,01 do 0,1 mm. Dužina otiska je 7 putaveća od širine, a dubina otiska je 1/30

dužine. Knoopova tvrdoća se može proračunati pomoću formule:

⋅= A

F HK 229,14

F – Sila opterećenja u kp A – Površina otiska mm2

Pozicijadjelovanja

Slika 4.29 Knoopova dijamantna piramida s kutovima i otiskom

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


37

- Usporedba između različitih mjera tvrdoće Ne postoje matematičke formule za proračunavanje jedne tvrdoće u drugu (na

primjer Brinell-Vickers) ili za preračunavanje tvrdoće u vrijednosti čvrstoće.Pošto sve metode ispitivanja nisu prikladne za sva ispitivanja različitih materijala javljase velika potreba za usporednim tabelama za različite skale tvrdoće s približno istim

usporednim vrijednostima.Tvrdoća pokriva nekoliko svojstava:

1. otpornost prema deformaciji2. trenje3. otpornost prema trošenju.

Tvrdoća i vlačna čvrstoća σM su u korelaciji, na pr. između Brinellove tvrdoće i vlačnečvrstoće za žareni čelik i ugljični čelik (seigherdet) postoji korelacija:

σM ≈ 3,5 HB (N/mm2) Trenje se može podijeliti u dva jednakovrijedna dijela: kemijski afinitet materijala ukontaktu i sama tvrdoća.Otpornost prema trošenju je u relaciji sa tvrdoćom (između dva metalna dijela, dio koji

je mekši brže će se trošiti.

600

200

100

10 000

5 000

2 000

1 000

50

20

10

5

- diamant

- lijevano željezo- ugljični čelik

- mesing

- nehrđajući čelik- Cr-Ni čelik

- žica piana

- alatni čelik- kaljeni čelik

- tvrdi metal

- safir- keramika

0

500

1000

1500

2000

2500

60

80

20

0

0

40

60

80

110

100

Rockwell C

Rockwell B

Vickers Brinell

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


38

Slika 4.30 Približan odnos između četiri različite skale tvrdoće

4.8 ISPITIVANJE ŽILAVOSTIŽilavost je sposobnost materijala da pruži otpor prema:

- promjeni oblika kod: udarca, pritiska, vučenja, savijanja i torzije;- lomu, kada je oštećenje već nastalo..

Žilavost je kombinacija velike čvrstoće i srednje savitljivosti. Kad je materijal izloženiznenadnom, intenzivnom udarcu, u kojem je brzina deformacije ekstremno velika, onse može pokazati vrlo krt (iako bi se iz polaganih vlačnih ispitivanja moglo zaključiti da

je žilav). Charpyjev ili Isodov test često se upotrebljava da bi se ispitala krtostmaterijala u ovim uvjetima.Žilavost je suprotna svojstvu lomljivosti, kao što je pri statičkim opterećenjima krtostsuprotna rastezljivosti. Po pravilu je rastezljivi materijal ujedno žilaviji, a krtiji jelomljiviji. Ipak se ti pojmovi ne smiju poistovjetiti, jer se njihove veličine ne mijenjaju s

jednakim intenzitetom. Ima metala koji pri određenoj promjeni vanjskih uvjeta

pokazuju skokoviti prijelaz od žilavosti na lomljivost, dok je prijelaz od rastezljivosti nakrtost za sve metale postupan.

- Charpyjeva metodaCharpyjeva metoda se provodi u Evropi na uređaju s batom težine 20 kg, takozvanojudaralici (slika 4.31). U ovom testu težak njihajni bat, se spušta sa visine h0, pada posvom luku jednu određenu visinu (koja odgovara kutu pada α) i udara u epruvetu. Batse potpuno ne zaustavlja nego nastavlja kretnju, lomi epruveta (probni uzorak) i dolazina nižu, finalnu visinu hf , koja odgovara kutu β. Kutovi se registriraju pomoću kazaljkina gradiranoj skali. Udarni rad za lom epruvete je:

G = m . g - težina udarnog bata W = G (h0 – hf ) [J]W = G r (cos β – cos α) [J]

G

r

hf

h0

β

α

mjernaskala

bat

epruveta

Slika 4.31 Charpyjev bat

Ova energija se može očitati direktno iz tabele pomoću kuta β. U tabeli se uzima u obzir

korekcija na osnovi gubitka energije zbog trenja i otpora zraka. Kod Charpyja seenergija izražava u Julima (J), (Nm) ili foot-pounds (ft lb), gdje je 1 ft lb = 1,356 J.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


39

Odabire se takav udarni rad (visina h0) da se epruveta prekine samo jednim udarcem ilida savijena prođe kroz otvor između oslonaca (ako je materijal jako žilav).

V-epruveta

2

8

1040

R 0,25

R 2,5

450

300

55

Slika 4. 32 Epruveta s V-oblikom žlijeba

- Primjena testa žilavosti

Postoje dvije vrste epruveta, V-epruveta iU-epruveta (vidi sliku 11.32. Po srediniepruvete se uvijek nalazi s žlijebom, koji

prisiljava da se lom dogodi baš na ovommjestu. V-epruveta ima oštriji žlijeb negoostali probni uzorci te se upotrebljava zažilavije materijale, kao što je čelik s malim

postotkom ugljika. U-epruveta i epruvetasa rupom kao za ključ, imaju većazaobljenja u radijusu, daju slične rezultate,a upotrebljavaju se za krte materijale.Tendencija je da se u većini slučajevaupotrebljavaju V-epruvete.Epruvete se obrađuju obradom skidanjemčestica, imaju kvadratan presjek s mjerama

prema standardima (slike 11.32, 11.33),mjerna temperatura je 20 0C ± 20C (ako

nije drugačije preporučeno). Žilavost možekod nekih materijala snažno se sniziti s padom temperature, zato se vrše testovi narazličitim temperaturama.

(a)

5

5

Epruveta s žljebom uobliku rupe za ključ

(b)

5

5

10

φ2

55

10

2

55

U-epruveta

Slika 4.33 (a) Epruveta s žlijebom uobliku slova U, (b) Epruveta s

žljebom u obliku rupe za ključ

Test žilavosti ima veliku vrijednost kod proizvodnje i toplinske obrade materijala.Žilavost je prije svega mjerilo otpornosti materijala na udar. Ali ono daje, bolje oddrugih metoda kao što je granica loma ili kontrakcija, tendenciju materijala za krti

prijelom. test žilavosti nije pouzdan za krhke materijale, kao što je čelik i lijevanoželjezo. Ne može se upotrijebiti vrijednost žilavosti za proračun čvrstoće. Poželjno je da

je materijal koji će se zavarivati ima veliku žilavost. Kod skrućivanja vara, nastajenaprezanje u tri pravca koje predstavlja opasnost za stvaranje pukotina.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


40

Primjer: Dva različita konstrukcijska čelika mogu dati vrlo dobre vrijednosti granicerazvlačenja kod vlačnih ispitivanja. Ali kod ispitivanja žilavosti jedan čelik pokazujevrlo visoke vrijednosti, a drugi vrlo niske vrijednosti, na primjer 10 J u odnosu na 120 J na 00 C s V-epruvetom. Prvo navedeni čelik je tako lomljiv da se ne možeupotrebljavati za gradnju mostova ili brodova, pošto postoji opasnost za krhki prijelom sa katastrofalnim posljedicama. Zbog toga je potrebno da se pored vlačnih ispitivanja

koriste i ispitivanja žilavosti.Žilavost je jako ovisna o temperaturi, vidi sliku 4.34, koja pokazuje rezultate nizaistraživanja dobivenih ispitivanjem žilavosti čelika SIS 1550 izvedenim na različitimtemperaturama. Ovi dijagrami se često dijele u tri područja:

a) Područje krhkog loma (žilavost je niska) b) Područje tranzicijske temperaturec) Područje plastičnog loma (žilavost je visoka)

Transformacijskatemperatura

0-60

140

120

100

80

60

40

20

Ž i l a v o s t C h a r p y , J

-40 -20 0 +20 +40 +60

Temperatura, 0C

Slika 4.34 Žilavost u funkciji temperature za čelik SIS 1550, finozrnata struktura, HB 170

Transformacijska temperatura (transition temperature) je temperatura na kojojmaterijal prelazi iz žilavog područja u područje lomljivosti. Ova temperatura se možedefinirati sa prosječnom energijom između žilavog i lomljivog područja, na nekojapsorbiranoj specifičnoj energiji ili sa nekom karakterističnim prijelomom. Materijalizložen iznenadnim udarcima za vrijeme upotrebe trebao bi imati prijelaznu temperaturuispod temperature okoline.

Nemaju svi materijali jasnu prijelaznu temperaturu (Slika 4.35). BCC metaliimaju prijelaznu temperaturu, ali većina FCC metala nemaju. FCC metali imaju visokoapsorbirane energije, kod kojih sa smanjenjem temperature dolazi do postepenog

opadanja energije(ponekad čak i do povećanja energije).

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


41

0,60% ugljični čelik, BCC

Nerđajući čelik, FCC

0-200

100

90

60

30 A b s o r b i r a n

a e n e r g i j a , J

0 +200 +400

Temperatura, 0C

Slika 4.35 Rezultati Charpy testa za BCC ugljični čelik i FCC nehrđajući čelik. FCCtipično ima veću apsorbiranu energiju bez tranzicijske temperature

- Odnos prema dijagramu naprezanje-deformacija

Energija potrebna da bi se slomio materijal jeu relaciji sa površinom ispod stvarne krivuljenaprezanje-deformacija (u pravom dijelu).Metali sa velikom čvrstoćom i visokomrastežljivošću imaju dobru žilavost. Keramičkii mnogi kompozitni materijali imaju slabužilavost, bez obzira što imaju veliku čvrstoću,

zbog toga što u stvari ne pokazujurastežljivost.iako materijal B ima manju

granicu plastičnosti od materijala A, onabsorbira više energije.

Prema slici 4.36

Slika 4.36 Odnos diagrama stvarnog naprezanja i stvarnedeformacije s energijom udara

- Upotreba svojstava udaranjaApsorbirana energija i tranzicijska temperatura su vrlo osjetljive prema uvjetimaopterećenja. Na primjer, veća brzina djelovanja upotrijebljene energije na uzorak

povećava prijelaznu temperaturu i reducira apsorbiranu energiju. Veličina uzorkatakođer utječe na rezultat; zbog toga što je teže deformirati deblji materijal, manjeenergije je potrebne da bi se slomio deblji materijal. Konačno, konfiguracija urezautječe na vladanje; površinske napukline dozvoljavaju manje apsorbirane energije negoV-kanal. Pošto mi ne možemo predvidjeti ili kontrolirati sve ove uvjete, ispitivanježilavosti se najbolje koristi za usporedbu i selekciju materijala.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


42

4.9 LOMNA ŽILAVOSTMehanika loma je disciplina koja se bavi ponašanjem materijala koji sadrži

pukotine i male nepravilnosti. Svi materijali, naravno sadrže nepravilnosti. Potrebno jeznati koliko maksimalno naprezanje materijal može podnijeti, ako on ima pukotinuodređene veličine i geometrije. Lomna žilavost ( fracture toughness) mjeri sposobnostmaterijala, koji sadrži pukotinu, da podnese određeno opterećenje. Za razliku odrezultata ispitivanja žilavosti, lomna žilavost je količinsko svojstvo materijala.

Tipični test lomne žilavosti može se izvesti sa primjenom vlačnog testa nauzorku pripremljenim s pukotinom (urezom) poznate veličine i geometrije (Slika 4.37)

Naprezanje materijala se pojačava na pukotini, koja djeluje kao multiplikatornaprezanja. Kod jednostavnih testova, faktor povećanja naprezanja K :

a f K Π= σ f - geometrijski faktor pukotine, f ≈ 1.0 za «beskonačnu» širinu uzorka.σ - naprezanje,a - veličina pukotine.

Ispitivanjem uzorka s pukotinom (poznatih dimenzija), možemo odrediti

vrijednost K koji prouzrokuje da pukotina raste i uzrokuje lom. Ovo kritično naprezanjese definira kao lomna žilavost K c.K c = K naprezanje potrebno da se pukotinu proširi.

K Ic

250

200

150

100

050

(a) (b)

F F

L o m n a ž i l a v o s t , K c

m MPa

10 20Debljina (mm)

30

F F

Slika 4.38 Lomna žilavost Kc čelika, granice plastičnosti 2055 MPa opada s povećanjem debljine, eventualno se poravnava na ravno naprezanje lomne

žilavosti K Ic

Slika 4.37 Shematski prikaz lomne žilavosti s površinskom pukotinom (a) iunutarnjom pukotinom (b)

Lomna žilavost zavisi od debljini uzorka. Povećanjem debljine, lomna žilavost opadado jedne konstantne vrijednosti (slika 4.38). Ova konstanta se naziva ravno naprezanjelomne žilavosti K Ic ( plain strain fracture toughness).K Ic ova vrijednost se prikazuje kao svojstvo materijala. U Tablici 4.4 se uspoređujuvrijednosti K Ic sa prekidnom čvrstoćom nekoliko materijala. Jedinica za lomnu žilavost

je m MPa ili .in psi .in psi = 1.089 m MPa

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


43

Sposobnost materijala da se suprotstavi rastu pukotine zavisi od više faktora:1. Velike pukotine smanjuju dozvoljeno naprezanje.

Specijalne proizvodne tehnike, kao što su :filtriranje nečistoća iz tekućegmetala i vruće prešanje (hot pressing ) čestica za proizvodnju keramičkihkomponenata, mogu smanjiti veličinu pukotina i poboljšaju lomnu žilavost.

2. Sposobnost materijala za deformaciju je kritična.

Kod rastezljivih materijala, materijal blizu kraja pukotine se možedeformirati, time kraj pukotine se zatvara, smanjuje se deformacijski faktor, isprečavaju se rast pukotine.Povećanje čvrstoće materijala obično smanjuje rastezljivost i daje manjulomnu žilavost. (vidi Tablicu 4.4).Krti materijali, kao keramike i mnogi polimeri, imaju mnogo manju lomnužilavost nego metali.

3. Deblji, krupniji materijali imaju manju lomnu žilavost nego tanki materijali.4. Povećanjem brzine opterećenja, kao u testu žilavosti, tipično smanjuje lomnu

žilavost materijala.

5. Povećanje temperature normalno povećava lomnu žilavost, kao i kodispitivanja žilavosti.

6. Mala veličina zrna povećava lomnu žilavost, veća prisutnost točkastihgrešaka i dislokacija u materijalu, reducira lomnu žilavost.Tako, jedan fino zrnati keramički materijal može omogućiti poboljšanjeotpora prema rastu pukotine.

Tablica 4.4 Ravno naprezanje lomne žilavosti K Ic različitih materijala

MaterijalLomna žilavost

103

⋅ MPa m

Prekidna čvrstoća

MPa Al-Cu legura 24,20 455,40

36,30 324,30

Ti-6%Al-4% V 55,00 897,0099,00 862,50

Ni-Cr steel 49,50 1642,2088,00 1421,40

Al2O3 1,76 207,00

Si3N4 4,95 552,00

ZrO2 11,00 414,00

Si3N4-SiC 56,10 828,00

Polymetil methacrylate polymer 0,99 27,60

Polycarbonate polymer 3,30 57,96

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


44

- Važnost mehanike lomaRazumijevanje mehanike loma dozvoljava nam da dizajniramo i selekcioniramomaterijale uzimajući u obzir neizbježnu prisutnosti pukotina (grešaka). Tri varijable semoraju razmatrati:

K c ili K Ic),1. Svojstva materijala (

2. Naprezanje σ koje materijal mora podnijeti,3. Veličinu pukotine a.

Ako poznajemo dvije od ovih varijabli treću možemo odrediti.Selekcija materijala Ako mi poznajemo maksimalnu dimenziju pukotine a u materijalu i veličinunaprezanja, mi možemo selekcionirati materijal, koji ima lomnu žilavost K c ili K Ic,dovoljno veliku da se spriječi rast pukotine.Dizajn komponenti Ako poznajemo maksimalnu dimenziju bilo koje pukotine i izabrani materijal (K c iliK Ic), možemo proračunati maksimalno naprezanje, koje komponenta može podnijeti.Tada, sa sigurnošću možemo dizajnirati odgovarajuću veličinu komponente tako damaksimalno naprezanje neće biti prekoračeno.Dizajniranje proizvodne ili metode testiranjaAko je materijal izabran, naprezanje je poznato, i veličina komponente je određena,možemo izračunati maksimalnu veličinu pukotine koja se može tolerirati.

Nedestruktivne metode ispitivanja, koje otkrivaju svaku pukotinu veću od kritičnevrijednosti, mogu nas uvjeriti da će komponenta sigurno funkcionirati. Pronađeno je dasa selekcijom odgovarajućeg proizvodnog procesa, mogu nastati i pukotine, koje sumanje nego što je kritična veličina.

4.10 ISPITIVANJE ZAMORA MATERIJALARazni elementi strojeva tokom rada često su izloženi promjenjivim (titrajnim)

naprezanju, koje je ispod granice plastičnosti materijala. Ovo cikličko naprezanje moženastati kao rezultat okretanja, savijanja ili vibracija. Slika 4.39 prikazuje različite vrstenaprezanja: (a) Jednoliko naprezanje

(b) Nejednoliko naprezanje(c) i (d) Istosmjerno naprezanje(e) i (f) Izmjenično naprezanje

Od raznih sinusoidnih opterećenja značajna su :

1. Pulsirajuće ili titrajno (d), dinamičko naprezanje titra (pulsira) amplitudomσA između 0 i σmax, srednje naprezanje σsr; σA = σsr = σmax/2.

2. Njihajno ili kolebljivo (f), dinamičko naprezanje titra amplitudom σA =σmax, između - σmax i + σmax, oko srednjeg naprezanja σsr = .

Slika 4.39 Različite vrste naprezanja- tlak

+ vlak

(c)

(b) (a)

t

σ (g) (e)(d)

σ in

σ ax

σsr

σA

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


45

Usprkos tome što je naprezanje manje od granice plastičnosti materijal može puknuti poslije velikog broja ponavljanja opterećenja. Ovakav način pucanja materijala senaziva zamor ( fatigue)Zamor materijala se razvija u tri faze:

I. Jedna tanka pukotina se pojavljuje na površini, često puno kasnije od početkanaprezanja.

II. Pukotina se postepeno povećava dok se opterećenje neprestano ponavlja.III. Konačno, iznenadno pukne materijal kad je preostali presjek materijala

premali da podnese opterećenje.

Uobičajena metoda ispitivanja otpora materijala na zamor je rotaciona umaralica.Jedan kraj obrađenog uzorka pričvrsti se u steznu glavu. Uteg je obješen na drugustranu. Vlačna sila djeluje na vrhu površine, dok je dno opterećeno na tlak. Kodzaokreta uzorka za 900, mjesta koja su bila opterećena na vlak i tlak nemaju naprezanja.

poslije okreta za 1800, materijal koji je bio opterećen na vlak sada je opterećen na tlak.Tako, naprezanje u svakoj točki prolazi kroz kompletan sinusoidan ciklus od

maksimalnog vlačnog naprezanja do maksimalnog tlačnog naprezanja. Maksimalnonaprezanje koje djeluje na uzorak se izračunava uz pomoć formule:

3

18,10

d

F l ⋅⋅=σ

l - dužina uzorkaF - opterećenjed - dijametar

Motor

Opterećenje

Ležaj

Probni uzorak

Stezna glava

Vlak

Tlak

Slika 4.40 Rotaciona umaralica

Probni uzorci (epruvete) se izrađuju, po standardiziranim dimenzijama, izmaterijala koji će se ispitivati. Površina uzorka mora biti ispolirana. Broj okretajaumaralice nam pokazuje koliko se puta okrenuo probni uzorak prije puknuća.

Poslije dovoljnog broja ciklusa probni uzorak može puknuti. Uglavnom, brojniuzorci se ispituju na različitim opterećenjima. Rezultati se prikazuju dijagramski uz pomoću Whölerovog dijagrama. Njemački inženjer koji je studirao zamor materijalana osovinama kotača željezničkih vagona. Kod ponavljanja ispitivanja, pod istimopterećenjem i naprezanjem, nije sigurno da će epruveta puknuti poslije istog brojaciklusa naprezanja. ovome je razlog nejednolika mikrostruktura. Iz tog razloga se testiraviše epruveta na isto naprezanje. Poslije serija testova gdje se je opterećenje F inaprezanje σ stalno smanjiva, povučemo liniju u dijagramu kroz točke koje pokazujusrednje vrijednosti u pojedinim serijama. Slika 4.41 prikazuje Whölerovog diagrama skrivuljom naprezanja-broj ciklusa.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


46

(b)

100107 104 105 106

σ

D 200

300

400(a)

400

300

200

1002 106 0,5 106 1 106 1,5 106

σ

D

Probna seri a 3

Probna seri a 1Probna seri a 2

N a p r e z a n j e ,

D ( M P a )


D ( M P a )

Log broj ciklusa opterećenjaBroj ciklusa opterećenja

Slika 4.41 (a) Whölerov dijagram za čelik(b) Log skala Whölerovog diagrama za čelik. Koljeno je izraženije

- Rezultati ispitivanja zamora materijala

Ispitivanje trajne čvrstoće može nam reći koliko dugo jedan strojni element možeizdržati ili koliko se maksimalno opterećenje može upotrijebit da ne dođe do njegovog puknuća.

Granica izdržljivosti je naprezanje s 50 % vjerojatnosti da se zamor materijalaneće javiti (Ovaj kriterij preferiraju dizajneri). Da bi se spriječilo da jedan alatni čelik(slika 4.40) pukne, mi moramo biti sigurni da naprezanje neće biti veće od 414 MPa.

Vremenska izdržljivost nam govori kako dugo jedna komponenta može izdržatiodređeno naprezanje (ili točnije određeni broj titraja). Na primjeru slika 4.40, za alatničelik koji je ciklički opterećen naprezanjem 619 MPa, ima vremensku izdržljivost100.000 ciklusa.

Dinamička izdržljivost, σD je ono maksimalno naprezanje na kojem se zamorneće javiti unutar određenog broja ciklusa, kao što je 500.000.000. Dinamička čvrstoća

je nužna kod dizajniranja aluminija i polimera, koji nemaju granicu izdržljivosti.

Le ura alumini a

800

600

400

200

100 000 ciklusa granica izdržljivostiza naprezanje 620 MPa

Dinamička čvrstoća, σD

Alatni čelik


( M P a )

108 104 105 106 107

Logaritamski broj ciklusa opterećenja

Slika 4.42 Whölerov dijagram za alatni čelik i aluminijsku leguru

Kod nekih materijala, uključujući i čelik, granica izdržljivosti je otprilike polavrijednosti prekidne čvrstoće.

Omjer izdržljivosti = = ~ 0,5 Granica izdržljivosti

Vlačna čvrstoća

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


47

Omjer izdržljivosti nam dozvoljava da proračunamo svojstva zamora materijala pomoću vlačnog ispitivanja.

Mnogi materijali su veoma osjetljivi na pukotine, naročito kod ispitivanja trajnečvrstoće. Greške kod obrade materijala koncentriraju naprezanja i smanjuju granicuizdržljivosti i trajnu čvrstoću ili vrijeme zamora. Zato se ponekad poliraju površine da

bi se smanjile moguće greške prilikom ispitivanja.

Svaka Whölerova krivulja vrijedi za samo određeno dinamičko opterećenje ukombinaciji s određenim statičkim opterećenjem te stoga za praksu ima značaj da služikao osnova za konstrukciju Smithovog dijagrama, vidi sliku 4.43.

Smithov dijagram prikazuje dinamičku izdržljivost određenog materijala podrazličitim veličinama prednaprezanja σA. Ovaj dijagram pokazuje trajnu dinamičkuizdržljivost materijala σD i njegove promjene ovisne o srednjem naprezanju σsr.Područje unutar njegovih granica pruža sve moguće kombinacije promjenjivihopterećenja.

Kako konstrukcijske materijale nije dozvoljeno opterečivati iznad graniceeleastičnosti σE, to je gornjom granicom u dijagramu ograničeno područje dopuštenogdinamičkog opterećenja s jednosmjernim izmjeničnim naprezanjem. Slika prikazujesamo pozitivni dio dijagrama, npr. pri ispitivanju vlačnim naprezanjem, ali isti ima isvoj negativni dio, koji odgovara tlačnim opterećenjima epruvete.

σ

ν

σmax

σA

σmaxAσsr

σmin

Slika 4.43 Smithov dijagram

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


48

4.11 ISPITIVANJE MATERIJALA BEZ RAZARANJASve metode koje smo do sada poručili su destruktivne metode, s izuzetkom nekih

metoda za ispitivanje tvrdoće. Što bi značilo da se za vrijeme ispitivanja jedan diomaterijala «uništi».

Ispitivanje materijala bez razaranja upotrebljava se najviše za gotove dijelove ili

konstrukcije i svrha mu je da prvenstveno izvrši kontrolu proizvoda. Uglavnom se ovimmetodama izvodi ispitivanje homogenosti materijala. Otkrivaju se nečistoće umaterijalu kao što su: plinski mjehurići, nečistoće (šljaka), pukotine, zarezi, razlika udebljini stijenke, prekide u varovima itd. Ove greške u materijalu, koje nisu vidljive

prostim okom, mogu znatno smanjiti upotrebnu funkciju dijela ili konstrukcije.Ispitivanja bez razaranja nam daju podatke o fizikalnim svojstvima materijala.

Pomoću ovih metoda mi možemo pronaći diskontinuitet, na primjer, u odljevku.Ozbiljan nedostatak ovih metoda je da nam one ne daju brojčanu vrijednost mehaničkihoslabljenja prouzrokovanih greškama u materijalu.

Metode bez razaranja se koriste za ispitivanje oštećenja, koja za posljedicu mogudovesti do loma materijala i tako nanijeti velike materijalne štete i ljudske žrtve.Ispitivanja bez razaranja se koriste kod:

- materijala prije početka obrade,- poluproizvoda, kako bi se provjerila kvaliteta i postupak obrade,- gotovih strojnih dijelova ili konstrukcija, kako bi se utvrdila željena kvaliteta,- objekta ili konstrukcija u eksploataciji.

Ispitivanje u eksploataciji je nužno zbog dugotrajnih opterećenja, korozije, zamoramaterijala, trošenja, toplinskih i mehaničkih «šokova», koja mogu voditi do oštećenja.Vrlo raširena upotreba ovih metoda potakla je razvoj cijelog niza metoda od kojih su

najčešće:a) Radiografska ispitivanja

b) Ultrazvučna ispitivanjac) Magnetska ispitivanjad) Ispitivanja penetrantskim tekućinama

- Radiografska ispitivanjaKod radiografskih ispitivanja upotrebljavaju se rendgenske ili gama zrake za

otkrivanje rupa, pora, pukotina i drugih tehnoloških grešaka u metalima kao što sulijevano željezo, čelik, bakrene i aluminijske legure i dr. Radiografska ispitivanja su

standardizirana.

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


49

- Rendgenska ispitivanjaRendgenske zrake su elektromagnetski valovi sa malim valnim dužinama. Kod

tehničkih dijagnoza upotrebljava se spektar 0,01-1 Å. Zrake veće valne duljine imajuoznaku «meke», a zrake manje valne duljine su «tvrđe». Tvrđe zrake lakše prodiru umaterijal i manje se apsorbiraju u materijalu.

Zrake su skup individualnih valova zvanih fotona. Rendgenske zrake nastaju kad

elektroni velikom brzinom pogađaju volframovu anodu u rendgenskoj cijevi. Principrendgenskog ispitivanja je prikazan na slici 4.44. Iz rendgenske cijevi šalju se zrake

prema predmetu koji će se kontrolirati. Što je deblji materijal više zraka se apsorbira.Ako se u metalu nalaze mjehurici ili pukotine, zrake lakše prolaze. Ove zrake crnefotografski film, koji je plasiran ispod predmeta ispitivanja, više nego zrake koje su

prošle kroz materijal bez grešaka. Ova metoda se puno upotrebljava kod ispitivanjavara. Kod rendgenskih ispitivanja debljina ploča je ograničena na 100 mm.

Probni uzorak Blenda

Rendgenskacijev

Film u kazeti

Slika 4.44 Princip rendgenskog ispitivanja

- Gama zračenjeUmjesto rendgenskih zraka mogu se primijeniti kratkovalne γ-zrake, koje

emitiraju umjetni radioaktivni elementi: kobalt 60, radij ili mezotorij. γ-zrake suelektromagnetski valovi valne duljine 0,005 Å. Te su zrake «tvrđe» od rendgenskih idublje prodiru u materijal. S pomoću tih zraka ispituje se materijal debljine do 250 mm.Slika se dobije na fotografskoj ploči zračenjem i do nekoliko dana.

- Ispitivanja ultrazvukomPod ultrazvukom podrazumijevamo zvučne valove, koji imaju frekvenciju preko

20.000 HZ (titraja u sekundi), ljudsko uho ih ne može čuti.

Ispitivanje materijala sa ultrazvukom se izvodi na taj način da se zvučni valovistvaraju vibriranjem kvarcnog kristala (piezoelektrički materijal koji pod naponommijenja dimenzije, širi se i stišće u taktu sa naponom izmjenične struje, te time pretvaraelektričnu energiju u mehaničke vibracije, i obrnuto). Ultrazvučno ispitivanje je jednaimitacija ekosondera, koji se upotrebljava za mjerenje dubina. Zvučni signali imajutrajnost 3/1000 s i slijede jedan drugoga u intervalima 1/50 s. Eho se prima, pojačava i

pokazuje na oscilografskom ekranu, vidi sliku 4.45.Tamo gdje su greške u materijalu reflektira se ultrazvuk i dobije se eho-signal na

oscilografskom ekranu. Kod homogenih materijala, ultrazvuk se obija tek onda kadultrazvučna zraka dođe do suprotne strane ispitivanog predmeta (granica sa

atmosferom). Na promatračkom ekranu tada će se registrirati debljina komada stočnošću od 0,1 mm. Metoda se primjenjuje kod svih materijala, većini plastičnih

8/17/2019 TMO 4 4_4_07


50

materijala i dr. Ultrazvukom možemo ispitivati velike predmete i dvodimenzionalno prisutnost grešaka se prikazuje bolje nego s rendgenskim zrakama.

Slika 4.45 Ultrazvučno ispitivanje

- Magnetska ispitivanjaMagnetska ispitivanja otkrivaju površinske i podpovršinske tehnološke greške

(pore, pukotine, strana tijela i dr.) u feromagnetskim materijalima. Metoda se možeupotrijebiti za mjerenje: debljine slojeva, varijacija u strukturi, veličine zrna, tvrdoće idr. Princip metode sastoji se u tome da kroz predmet ispitivanja moraju proći magnetskesilnice, koje će se deformirati oko greške u materijalu. To se pokazuje na nekolikonačina:

- Pomoću razlike u naponu koji se šalje u pojačalo i signal se prikazuje nagalvanometru. Ovaj princip se primjenjuje kod ispitivanja varova, čeličnihužadi, cijevi i sl.

- Predmet ispitivanja se premazuje rijetkim uljem s željeznim prahom (iliuranjanjem u kupku s takvim uljem) te se magnetizira. Željezna prašina jače seskuplja na mjestima gdje se nalazi greška.

- Ispitivanja penetrantskim tekućinamaMetoda penetrantskih tekućina se upotrebljava za otkrivanje površinskih grešaka

kao što se otvorene pukotine, pore u materijalima i dr. u materijalima koji nisu porozni.Postupak se izvodi u nekoliko koraka:

1. Površina se očisti od svih nečistoća, masti i dr.,2. Penetrirajuća tekućina se nanosi na površinu,

3. Nakon nekog vremena površina se očisti od penetrantske tekućine (penetrant jezadržan u greškama),4. Nanese se razvijač, na površini se uoči penetrant uz greške,5. Pregled objekta radi eventualnih grešaka.

Penetrirajuće tekućine su žarkih boja, a za još bolju uočljivost koriste se fluorescentni penetranti.

3.2.1. 4.

tmo 4 4_4_07

Documents