1450170364 0 1 3predavanje Materijalii k3

1MEHANIKA SVOJSTVA MATERIJALA (K3)

Doc.dr.sc. eljko Alar

Eksploatacijske karakteristike nekog (strojarskog) proizvoda su, pored cijene njegove izrade, te trajnosti, osnovni pokazatelj uspjenosti proizvoda na tritu.

Osnovna grupa svojstava koja zajedno s nekim ostalim svojstvima ine eksploatacijska svojstva, su mehanika svojstva proizvoda odnosno mehanika svojstva materijala od kojeg je isti nainjen.

Mehanika svojstva materijala zauzimaju posebno mjesto izmeu ostalih fizikalnih i kemijskih svojstava, budui da se na osnovi njih dimenzioniraju dijelovi strojeva i ureaja.

Mehanika svojstva materijala su, kao i sva ostala svojstva, posljedica strukturnogstanja materijala, koje se dobiva obradom materijala odreenog sastava odreenimtehnolokim postupkom. Tako se izborom nekog materijala i odgovarajueg tehnolokog postupka postie ciljano strukturno stanje materijala koje daje eljena svojstva.

Poznavanjem korelacije "strukturno stanje - mehanika svojstva" bilo bi mogueproraunati mehanika svojstva koristei strukturne parametre.

To je naalost mogue samo za idealne tvari, budui da su u realnima prisutne(mikro)strukturne nepravilnosti koje nije mogue egzaktno uoiti i obuhvatitiproraunom.

2 Tako na primjer teorijsko smino naprezanje potrebno za posmicanjekristalnih ravnina idealnog kristala -Fe utvrenog proraunom iznosi

teo 8 400 N/mm2 ,

dok ista vrijednost utvrena eksperimentalno na realnom materijaluiznosi

stv 10 N/mm2

Razlog toliko snienoj stvarnoj vrijednosti u odnosu na teorijsku je prisustvo nepravilnosti u kristalnoj strukturi, prvenstveno dislokacija.

Iz toga proizlazi da se mehanika svojstva realnih materijala mogu tono utvrditi samo

eksperimentalnim ispitivanjem.

Za ispitivanja mehanikih svojstava materijala razvijena je eksperimentalna oprema

pomou koje je mogue epruvete (ispitne uzorke) optereivati na nain slian onome na koji e odgovarajui strojni dijelovi biti optereeni u radu.

Epruvete su uzorci normiranog oblika i dimenzija za

ispitivanje mehanikih svojstava materijala.

Nain djelovanja optereenja

Trajanje djelovanja optereenja

Kratkotrajno Dugotrajno

Statiki Vlano ispitivanjeTlano ispitivanjeSavojno ispitivanjeUvojno ispitivanjeSmino ispitivanje

Ispitivanje puzanjem

Dinamiki Ispitivanje udarnog rada loma

Ispitivanje umaranjem

Ispitivanja mehanikih svojstava materijala

Vlak Tlak Savijanje Uvijanje Smik

3Podjela prema brzini djelovanja optereenja:

Podjela prema prema temperaturi ispitivanja:

- na sobnoj

- na povienoj

- na snienoj

STATIKO VLANO ISPITIVANJE

STATIKO VLANO ISPITIVANJE - postupak ispitivanja mehanikih svojstava, kojim se utvruju glavna svojstva koja karakteriziraju mehaniku otpornost materijala ali i njihovu deformabilnost.

Provodi se prema normi HRN EN ISO 6892-1

- odreuje postupak vlanog ispitivanja metalnih materijala

- definira znaajke mehanikih svojstava pri sobnoj temperaturi

Od materijala koji elimo ispitati izrauje se uzorak za ispitivanje propisanog oblika i dimenzija epruveta ili ispitni uzorak.

Presjek ispitnoga uzorka smije biti kruan, kvadratian, pravokutan ili prstenast, a u posebnim sluajevima i kojega drugog oblika.

Najee je to (ovisno o obliku poluproizvoda ) epruveta cilindrinog oblika, kod kojega su promjer i mjerna duljina u odreenom omjeru.

4d0 poetni promjer epruvete, mmL0 poetna mjerna duljina epruvete, mmS0 poetna plotina presjeka epruvete, mm

2

4

dS

2

00

, mm2L0

h Lc

Lt

h

d0

d1

r4C

L0

h LcLt

h

b BE

g g

d2

r1

L0h Lc

Lt

h

d0

d1

r4

A

r35

a

L0

d0

r4

D

L0h Lc

Lt

h

d0

d1

r4B

30o

1:0,866

S0

Poetni promjer okrugle epruvete oznaava sa s d0. Ovisno od debljini poluproizvoda veliina poetnog promjera d0 kree se od 4 mm na vie (6, 8,10, 12, ... itd).

a0 debljina epruvete, mmb0 irina epruvete, mmL0 poetna mjerna duljina epruvete, mmS0 poetna plotina presjeka epruvete, mm

2

S0= a0 b0 , mm2

Oko 1500. god.- skica Leonardo da Vinci ispitivanje vrstoe uadi

5Statiko vlano ispitivanje se provodi na ureajima - kidalice

- Oko 1750. - Petrus van Musschenbroeks - kidalica

- univerzalna kidalica, Zwick Njemaka, (10 kN)

eljust kidalice

Epruveta se uvrsti u eljusti kidalice i polagano optereuje vlanom silom.

Prirast sile pri statikom vlanom pokusu u jedinici vremena mora biti takav da

prirast proizvedenog naprezanja u

epruveti mora biti manji od:

Modul elastinosti materijala,

N/mm2

Brzina prirasta naprezanja

N/mm2 s-1

min max

< 150000 2 20

> 150000 6 60

6Dijagram kidanja (dijagram sila-produljenje)

F, N

L, mm

Dijagram kidanja (dijagram sila-produljenje)

za meki elik ( + P)

Fe sila razvlaenja ili teenja, N

Fm maksimalna sila, N

Fk sila u trentku loma, N

Lu produljenje nakon loma, mm

7Epruvete za standardno statiko vlano ispitivanje su najee okruglog ili etvrtastog presjeka.

Oblici i dimenzije epruveta

Podjela ispitnih uzoraka

- proporcionalni

- neproporcionalni

Proporcionalni ispitni uzorci:

Duge epruvete: 00 3,11 SL

Kratke epruvete: 00 65,5 SL

Okrugla duga: L0= 10 do, mm

Okrugla kratka: L0= 5 do, mm

8Lu = Lu L0, mm, produljenje nakon loma

,4

2

uu

dS

mm2

Iznosi sila pri statikom vlanom pokusu ne daju pravi uvid u mehaniku otpornost materijala ukoliko se ne uzme u obzir plotina poprenog presjeka epruvete, odnosno ukoliko se umjesto sile F ne uvede naprezanje , koje se odreuje izrazom:

F

S0, N/mm2

Dijagram naprezanje istezanje

F sila, N S0 poetna plotina, mm

2

1 Pa (Pascal)= 1 N/m2

1 N/mm2 = 1MN/m2 = 1 MPa

mm

mm

L

L,

0

%,100

0

L

L

ili

Ukoliko se produljenje L podijeli s poetnom mjernom duljinom Lo dobiva se relativno produljenje ili istezanje prema izrazu:

9Iz dijagrama F - L dobiva se dijagram naprezanje -istezanje koji j e za isti meki elik ( + P) izgleda ovako:

2

0

kk

mm

N,)(

S

FR

2

0

mm

mm

N,

S

FR

Gornja granica razvlaenja

Vlana vrstoa

Konano naprezanje

2

0

eLeL

mm

N,

S

FR Donja granica razvlaenja

2

0

eHeH

mm

N,

S

FR

Statikim vlanim pokusom utvruje se i istezljivost materijala A.Istezljivost A definirana je sljedeim izrazom :

%,100u A

mm

mm,

0

u

0

0uu

L

L

L

LL

Vrijednost istezanja nakon loma odreuje se prema izrazu:

Kontrakcija je smanjenje presjeka nakon loma:

,%1000

0

S

SSZ

u

10

Budui da iznos istezljivosti, A ovisi o tome da li je ta veliina odreena na kratkoj ili dugoj epruveti obvezno se oznauje s indeksom uz slovo A.

za L0=5 d0 A (A5,65)

za L0=10 d0 A11,3

A > A11,3

/

E

E

Hooke-ov zakon

Modul elastinosti ili Young-ov modul, N/mm2

Vrijednosti E za pojedine materijale

Materijal E, N/mm2

elik 210000

Sivi lijev 110 000 - 160000

Cu i Cu legure 105000

Al i Al legure 70000

2

11

Dijagrami naprezanje - istezanje za neke metalne materijale

1 - meki elik (+P)

2 - tvrdi elik (M, B)

3 - sivi lijev

4 mjed (legura CuZn)

5 aluminij (tehniki isti)

Dijagrami naprezanje - istezanje za polimernematerijale

*Radi usporedbe

Iz kvalitativnih dijagrama - proizlazi da je jedino kod mekog elika izraena granica razvlaenja.

Granica razvlaenja je s gledita dimenzioniranja strojarskih proizvoda najznaajnija veliina, jer se kod elemenata strojeva i dijelova konstrukcija ne smije pojaviti plastina - trajna deformacija.

Zbog toga se kod materijala kod kojih nije izraena granica razvlaenja uvodi konvencionalna (dogovorena) granica razvlaenja Rp0,2.

Konvencionalna granica razvlaenja Rp 0,2

12

Konvencionalna (dogovorena) granica razvlaenja Rp0,2 je ono naprezanje koje nakon rastereenja epruvete izaziva trajnu (plastinu) deformaciju od 0,2%.

Ekstenzimetar

Epruveta

Odreivanje konvencionalne granicerazvlaenja

Tvrdoa materijala Tvrdoa je otpornost materijala prema prodiranju drugog, znatnije

tvreg tijela.

Prvu metodu za mjerenje tvrdoe razvio je jo poetkom 20- tog stoljea Mohs. Prema Mohsovoj skali tvrdoe materijali su svrstani u 10 razreda tvrdoe.

Najtvrem materijalu dijamantu pripada tvrdoa 10, a najmekem puderu (milovki) tvrdoa 1.

Metoda je zbog slabe selektivnosti neprimjerena u strojarstvu, pa se koristi danas iskljuivo u mineralogiji.

13

Ispitivanje tvrdoe tek neznatno oteuje povrinu ispitivanogpredmeta pa se openito moe svrstati u gotovo nerazornaispitivanja.

Za samo ispitivanje ne treba izraditi posebnu epruvetu nego samoodgovarajue pripremiti povrine uzorka ili strojnog dijela.

Ureaji za mjerenje tvrdoe - tvrdomjeri u pravilu su jednostavniji ijeftiniji od nekih drugih ureaja za ispitivanje mehanikih svojstavana primjer kidalica.

Razvijeno je itav niz metoda ispitivanja tvrdoe.

Ispitivanje tvrdoe je vjerojatno najee uporabljeno ispitivanje nekog mehanikog svojstva, unato tome to mehanika svojstva utvrena ispitivanjem tvrdoe ne predstavljaju fizikalno jednoznano definirane veliine.

Tvrdoa je u korelaciji s nekim drugim mehanikim svojstvima. To se prvenstveno odnosi na:

- vlanu vrstou Rm (kod opih konstrukcijskih elika i sivog lijeva),

- na otpornost na abrazijsko troenje itd.

Osnovni princip mjerenja kod veine metoda je mjerenje veliine ili dubine otiska to ga penetrator (indentor ili utiskiva) optereen nekom silom, naini u ispitivanom materijalu.

U okviru ovog kolegija pozabaviti emo se s tri glavne metode mjerenja tvrdoe koje se danas najvie koriste:

Metoda po Brinell-u

Metoda po Vickers-u

Metoda po Rockwell-u

14

Kod Brinellove metode indentor (penetrator) je kuglica od tvrdogmetala WIDIA) promjera D koja se utiskuje silom F u povrinski slojmaterijala.

Brinellova metoda

Na taj nain nastaje u ispitivanom materijalu otisak u obliku kugline kalote promjera baze "d" i dubine "h".

Tvrdoa po Brinellu je po definiciji omjer primjenjene sile i plotine otiska:

,S

FHB

F sila kojom je optereena kuglica, NS plotina otiska u obliku kugline kalote, mm2

Pomou mjerne lupe mjeri se promjer kugline kalote d i tvrdoa se odreuje pomou izraza*:

2

22 11(

2102,0

D

dD

FHBW

Gdje je:

F sila, ND promjer kuglice, mmd promjer baze kugline kalote (otiska), mm

*ee se koriste tablice

15

Normirani promjeri kuglice D su: 10; 5; 2,5 i 1 mm.

Mjerenje je valjano ako promjer baze kugline kalote d iznosi:

d=(0,24 - 0,6)D

Ukoliko otisak nije u ovim granicama znai da jeprimjenjena premala odnosno prevelika sila F.

Stoga je uveden stupanj optereenja X :2

102,0

D

FX

gdje je:

F sila kojom je optereena kuglica, N

D promjer kuglice, mm

Veliina kuglice D koju treba primjeniti i iznos sile F, ogranieni su debljinom uzorka h slijedeim izrazom:

h 0,6 D

Ukoliko bi debljina uzorka bila manja od propisane, bila bi onemoguena potpuna, neometana plastina deformacija u materijalu, a s time i ispravan rezultat mjerenja.

Trajanje utiskivanja kuglice u materijal kree se od 10 - 15 s za Fe-C legure, a do 180 s za najmeke materijale (npr. bijelu kovinu).

16

Brinellova tvrdoa je bezdimenzionalna veliina, a uz iznos tvrdoe izmjerene ovom metodom navodi se dimenzija kuglice, primijenjena sila, te trajanje utiskivanja npr.

128 HBW 10/3000/15

gdje je128 iznos tvrdoe 10 promjer kuglice D ,mm 30009,81 sila utiskivanja F ,N15 vrijeme utiskivanja t ,s

Brinellovom se metodom smiju mjeriti tvrdoe do 650 HBW. Kod viih tvrdoa dolo bi do oteenja kuglice.

(Kuglica od kaljenog elika HBS 450)

Kuglica od tvrdog metala HBW 650

Prednosti Brinellove metode:

Lako mjerenje veliine otiska, dovoljna mjerna lupa

Metoda je selektivna mjerno podruje od 0-650 zakuglicu od tvrdog metala

Jednostavna priprema povrine dovoljno je i grubo bruenje

17

Nedostaci Brinellove metode:

Ne mogu se mjeriti materijali visoke tvrdoe.

Tvrdoa je ovisna o optereenju, pa prema stupnju optereenja X treba izabrati odgovarajuu silu.

Otisak je relativno velik, pa funkcionalno ili estetski nagruje povrinu (ukoliko se tvrdoa mjeri na proizvodu a ne na uzorku).

Vickersova metoda

Kod Vickersove metode uklonjena su dva osnovna nedostatka Brinellove metode : ogranienost podruja mjerenja do 650 HBW, te ovisnost iznosa tvrdoe o primijenjenoj sili utiskivanja

kuglice.

Prvi nedostatak uklonjen je uporabom najtvreg materijala za indentor - dijamant.

A drugi oblikom indentora. To je kod Vickersove metode etverostrana piramida s kutem izmeu nasuprotnihstranica od 136.

Mjerenje tvrdoe po Vickersu

18

Kut od 136 nije odabran sluajno. Taj kut zatvaraju tangencijalne ravnine na Brinellovu kuglicu pri optimalnoj veliini otisnua d=0,375D.

Primjenom ovakve geometrije penetratora dobivaju se vrijednosti tvrdoe neovisne o primjenjenoj sili, pa se tvrdoa mekanih i tvrdih materijala moe mjeriti primjenom iste sile, a isto tako se tvrdoa istog materijala moe mjeriti s razliitim optereenjima.

Postie se geometrijska slinost otisaka.

Po definiciji se tvrdoa po Vickersu, izraunava izrazom :

S

FHV

gdje je:

F primjenjena sila, NS plotina uplje piramide nastale u materijalu, mm2

Pomou mjernog mikroskopa mjeri se dijagonala baze otisnua (kvadrata), plotina otisnua izraava se pomou dijagonale "d" te izlazi*:

21891,0

d

FHV

gdje je:

F - sila, N

d - srednja vrijednost od dvije izmjerene dijagonale otiska,mm

* ee se koriste tablice

19

Uobiajeni iznosi sile kod Vickersove metode iznose od 49 do 980 N.

Ukoliko primijenjena sila utiskivanja iznosi od 1,96 do 49 N govori se o semimikrotvrdoi ( pri ispitivanju tvrdoe tankih uzoraka te tankih slojeva).

Za mjerenje tzv. mikrotvrdoe rabe se optereenja nia od 1,96 N. Na taj nain mogue je mjerenje tvrdoa pojedinih faza, npr. kristalnih zrna u mikrostrukturi materijala.

847 HV 0,1

160 HV 0,1

Vickersova tvrdoa je bezdimenzionalna veliina, a uz iznos tvrdoe navodi se i sila optereivanja, npr.

430 HV10

to znai da je izmjerena tvrdoa iznosila 430 i da je dobivena utiskivanjem indentora silom od

109,81 N ( 10 kp) u trajanju od 10-15 s.

Vrijednosti tvrdoa izmjerenih po Vickersovoj metodi odgovaraju priblino vrijednostima Brinellove metode (do cca 350 HBW).

Kod viih vrijednosti tvrdoa razlika je vea.

20

Prednosti Vickersove metode:

Tvrdoa je neovisna o primjenjenoj sili.

Mogue je mjerenje tvrdoe i najtvrih materijala.

Mogue je mjerenje tvrdoe vrlo tankih uzoraka te ak tvrdoa pojedinih zrna (kristala) primjenom male sile.

Vickersova metoda je primjenjiva u znanstvenoistraivakom radu na podruju materijala

Otisak je vrlo malen pa ne oteuje povrinu (bitno ako se mjeri tvrdoa gotovih proizvoda).

Nedostaci Vickersove metode:

Potrebna je briljiva priprema povrine uzorka (poliranje).

Za mjerenje veliine otiska potreban je mjerni mikroskop.

Rockwellova metoda Za razliku od Brinellove i Vickersove metode kod

Rockwellove se metode ne mjeri veliina otisnua nego dubina prodiranja penetratora.

Vrijednost tvrdoe kod Rockwellove metode oitava se na skali tvrdomjera, nakon rastereenja.

Penetratori su kod Rockwellove metode ili dijamantni stoac (engl. cone HRC metoda) ili kuglica od kaljenog elika (engl. ball HRB metoda).

U okviru ovog kolegija razmotriti emo samo HRC metodu, kod koje je penetrator dijamantni stoac s vrnim kutem od 1200.

21

Shematski prikaz

provedbe

ispitivanja tvrdoe po HRC metodi

59 HRC

59 - iznos tvrdoe izmjeren Rockwell C metodom

Prednosti HRC metode:

Mjerenje je brzo, tvrdoa se oitava na skali tvrdomjera.

Nije potrebna briljiva priprema mjerne povrine.

22

Nedostaci HRC metode:

Slaba selektivnost metode. itavo mjerno podruje je od 0 100 HRC (teoretski), a praktiki od 20 70 HRC.

Nepreciznost 1,5 HRC.

Stoga se ova metoda koristi uglavnom u pogonima za

mjerenje toplinski obraenih elika.