U N I V E R Z I T E T U Z E N I C I M A I N S K I F A K U L T E T

DINAMIKO ISPITIVANJE MATERIJALA

Katedra za metalne materijale GUTLI KEMAL Mentor : v. prof. dr. Naija Harai Akademska godina 2007/20081

ApstraktZnaaj ispitivanja metala za razvoj tehnike te dananja dostignua na polju gradnje automobila, eljeznica svemirskih letjelica, brodova, turbina, itd. je izvanredno veliki. Veuma rasprostranjena primjena metala kao graevinskih materijala pripisuje se prvenstveno njihovim veuma podesnim mehanikim osobinama koje se ispituju jednim od mehanikih postupaka ispitivanja. Ispitivanja materijala se vre ne samo radi utvrivanja osobina prilikom proizvodnje ili prijema ve i u svrhu utvrivanja naina upotrebe i odgovornosti ali i u cilju poboljanja osobina kako bi se dobili materijali za nove proizvode, odnosno nova podruja primjene. Svakodnevni tehniki razvoj prati izvoenje novih i usvravanje postojeih metoda i postupaka ispitivanja. Ovaj maturski rad ja napisan po nazivima i oznaavanjima mehanikih osobina, koje su usklaene sa EN i ISO standardima, koji su preuzeti. Tamo gdje nisu preuzeti ili ne postoje, navedeni standardi koji se koriste i danas na podruju Bosne i Hercegovine i njenom okruenju ( Hrvatska, Srbija, Crna Gora itd. ) Temeljni zadaci ispitivanja materijala su :

Odreivanje pogodnih veliina za karakterizaciju svojstava materijala i njihovo kvantitativno izdravanje u obliku uptrebljivih karakteristika Kontinuirana i iroka automatizirana kontrola promjena svojstava materijala,koje nastaju kod proizvodnje, prerade i obrade materijala s otkrivanjem mogiih greaka materijala Periodina kontrola stanja materijala nakon odreenog vremena eksploatacije Istraivanje sluajeva raznih oteenja i uzroka lomova mainskih dijelova u eksploataciji Razvij novih materijala

Opta podjela svojstava materijala koji se primjenjuju u tehnici je na : 1. Mehanika 2. Tehnoloka 3. Hemijska 4. Fizika 5. Eksploataciona

2

Temeljna svojstva materijala su mehanika : vrstoa, napon teenja, modul elastinosti, izduenje, ilavost, tvrdoa, dinamika izdrljivost. Karakteristika materijala predstavlja mjerljivu veliinu materijala, koje se moe brojano odrediti pomou standardizovanih metoda ispitivanja, npr. vrstoa nekog elika. Tehnoloka svojstva materijala pokazuju njegovu sposobnost za obradu razliitim postupcima. Hemijska svojstva su hemijski sastav materijala i otpornost na koroziju. Eksploataciona svojstva pokauju otpornost materijala u upotrebi.

MEHANIKA ISPITIVANJAOpta podjela mehanikih svojstava i uslova ispitivanja su sljedea :

Prema nainu djelovanja optereenja na : zatezanje, pritisak, savijanje, uvijanje, smicanje, te kombinacije kao zatezanje i pritisak itd. Prema brzini djelovanja optereenja na : statiko i dinamiko Prema temperaturi ispitivanja na : sobnoj, povienoj i na snienoj Prema trajanju djelovanja optereenja na : kratkotrajna i dugotrajna

Slika 1. Uporedni pogled statikih i dinamikih optereenja [ 1 ]

3

DINAMIKE METODE ISPITIVANJAIspitivanje udarne radnje loma Ispitivanje udarne radnje loma zarezane epruvete po Charpyju je jedno od najstarijih mehanikih metoda ispitivanja materijala u eksploatacionim uslovima, a slui za utvrivanje njegove otpornosti prema krtom lomu. Na Charpyjevu klatnu ( slika 2. ) ispituje se jednim udarcem s brzinom obino 5 do 5,5 m/s zarezane epruvete ( s U-zarezom ili V-zarezom - slika 3. ). Radnja (energija ) utroena za lom epruvete ( izraena u dulima J ) je mjera ilavosti materijala, a zahtjava se i kod razvoja novih materijala, kod provjere gotovih materijala, te kod analize loma usljed raznih kvarova u praksi. Slika 2. Opti oblik Charpyjevog klatna [ 1 ]

Slika 3. Epruvete za ispitivanje udarom po Charpyju [ 1 ]

4

Pri ispitivanju epruveta se postavlja centrino na oslonac sa razmakom od 40 [ mm ] ( slika 4. ), a klatno slobodnim padom udara tano u njezinu sredinu sa suprotne strane od zareza i lomi je jednim udarcem. U poetnom poloaju potencijalna eanergija Carpyjevog klatna obino iznosi 300, 150, ili 100 [ J ]. Nakon putanja klatna njgova potencijalna enargija pretvara se u kinetiku. Dio te energije utroen na lom epruvete naziva se udarna radnja loma.Udarna radnja loma metalnih materijala se ispituje normiranim (standardiziranim) epruvetama kvadratnog ili pravougaonog poprenog presjeka sa zatezom u obliku slova U ( oznaka KU ) ili slova V ( oznaka KV ), slika 3.

Formule za izrainavanje potencijalne energije i udarne radnje loma glase :

Epot = Fg h1 ,

[J] [J]

Eurl = Fg ( h1-h2 ) ,

Slika 4. Ispitivanje udarom po Charpy-ju [ 1 ]

5

Za utvrivanje vanog svojstva ilavosti materijala ispituju se tri iste epruvete na propisanoj temperaturi, pri emu nesmije biti vee rasipanje vrijednosti od 30% u odnosu na minnimalnu propisanu vrijednost ( samo jedna od njih moe imati niu vrijednost ). U standardima za prijem i isporuku metalnih materijala propisane su minimalne srednje vrijednosti udarne ranje loma. Sljedea formula se odnosi na izraunavanje ilavosti K :

K = KV ( ili KU )

/

S

Tabela 1. Ostale epruvete ilavosti za metalne materijale [ 1 ]

Naziv epruveteEpruveta njemakog udruenja za ispitivanje materijala Pravougaona epruveta njemakog udruenja Mensager epruveta Mala epruveta njemakog udruenja Epruveta udruenja vicarske mainogradnje

OznakaDVM ( 3 U ) DVMF ( 4U ) Mes ( 2U ) DVMK VSM ( 2,5 U )

Dimentije, mm10*10*55 8*10*55 10*10*55 6*6*44 10*10*55

Povrina lomnog presjeka, cm1(1-0,30 ) = 0,70 0,8( 1-0,40 ) = 0,48 1( 1-0,20 ) = 0,80 0,60( 0,60-0,20 ) = 0,24 1( 1-0,25 ) = 0,75

Epruvete s V-zarezom obavezno se koriste za odreivanje udarne radnje loma optih konstrukcionih elika ( npr. . 0561 ), a epruvete sa U-zarezom kod ispitivanja svojstava kvalitetnijih elika ( npr. elici za poboljanje kao .1531, . 4732 i sl. ).

UTICAJNI FAKTORI NA ILAVOST MATERIJALA Na ilavost materijala utie niz faktora kao to su : 1. 2. 3. 4. 5. Temperatura ispitivanja Mikrostruktura ( osobito veliina zrna ) Oblik i dimenzije zareza Dimenzije epruvete Brzina udara

1. TEMPERATURA ISPITIVANJA Temperatura ispitivanja ima najvei uticaj na ilavost, odnosno na udarnu radnju loma. ilavost materijala openito opada sa sniavanjem temperature ispitivanja. To je openito zbog togato se sniavanjem temperature sniava i plastinost, odnosno deformabilnost materijala.

6

Temperatura nulte duktilnosti ili NDT-tempetaura ( NDT Nil Ductility Transition ) je takoer mjera ilavosti. To je najvia temperatura pri kojoj pukotina prodire kroz itev presjek epruvete, tj. na njoj se gube svojstva plastinosti kod elika. Ispod NDT-temperature oekuje se krto ponaanje materijala iako je veliina nominalnog naprezanja nia od napona teenja, slika 6.

Slika 5. Dijagram udarna radnja loma-temperatura [ 1 ]

Slika 6. Dijagram analize loma po Pelliniju [ 1 ]

7

2. MIKROSTRUKTURA - ima takoer veliki uticaj na ilavosti materujala. Naruito povoljno utie na ilavost smanjivanjem veliine zrna. Tako smanjivanje veliine zrna za jedan stepen po ASTM skali sniava prijelaznu temperaturu za 15 C. Veu ilavost, odnosno niu prijelaznu temperaturu ima i defprmisani materijal zbog anizotropne strukture, naruito u uzdunom pravcu. 3. OBLIK I DIMENZIJE ZAREZA - takoer znatno utiu na ilavost. Zarezi izazivaju koncentraciju priblino trodimenzionalnihnaprezanja, normalna naprezanja djeluju pri tome na zatezanje dok tangencijalna izazivaju klizanje. 4. DIMENZIJE EPRUVETE - razliito utii na ilavost materijala. Najmanje utie duina epruvete, dok irina i debljina utiu slino na smanjivanje ilavosti. Pri tome najvaniji odnos je odnos dubine zareza prema debljini epruvete, koji treba biti manji od 0,3 ako se eli smanjivanje ilavosti. 5. BRZINA UDARA Charpyjevog klatna nema znatnijeg uticaja na ilavost materijala ako je u rasponu 3 do 7 m/s, dok znatno vee brzine ( 20-50 m/s ) smanjuju ilavost zbog smanjenog udjela plastine deformacije.

Slika 7. Smithov dijagram za pozitivne vrijednosti srednjeg naprezanja [ 1 ]

8

DRUGE METODE ISPITIVANJA UDAROM Pored ispitivanja po Charpyju koriste se u nekim dravama i druge standardne ili nestandardne metode ispitivanja udarom. To su : 1. 2. 3. 4. Pelindijeva metoda Metoda po Izodu Bruggerova metoda Tehnoloko ispitivanje

Slika 8. Uticajni faktori na krti lom [ 1 ]

9

ISPITIVANJE LOMNE ILAVOSTILomna ili pukotinska ilavost Klc ( Plane Strain Fracture Toughness ) je novije vano vano mehaniko svojstvo materijala, koje najbolje definie njegovu otpornost prema nestabilnom rastu pukotine u njemu pod precizno odreenim uslovima. Drugaije reeno lomna ilavost je kritina vrijednost koncentracije naprezanja na vrhu pukotine pri kojoj nastupa nestabilni rast pukotine pod uslovima stanja ravanske deformacije. Uslove zavisnosti rasta pukotine izmeu njene duine i naprezanja propisuje linearno elastina mehanika loma ( LEML ). Mehanika loma ( Fracture Mechanics ) prouava nastajanje, irenje i razvoj pukotine u materijalu sve do nastanka pukotine. Polazna taka mehanike loma je injenica da nema idealnih materijala, tj. Meterijala bez greaka, ve da u njima postoje greke tipa pukotine. Smisao mehanike loma najbolje ilustruje izreka poznatog njemakog znanstvenika Alberta Kochendrfera: Filozofija loma znai ivjeti sa grekama, ali s njima treba tako ovladati da ne dovedu do katastrofa .

Slika 8. Postupak provjere elemenata konstrukcije s pukotinom [ 1 ]

10

Slika 9.

Podruja primjene mehanike loma [ 1 ]

Trougao povezanih zavisnosti mehanike loma : 1. Parametri mehanike loma koji se odreuju pri mehanikom ispitivanju materijala 2. Veliine, poloaj i oblik greaka koje se odreuju ispitivanjem materijala bez razaranja ( ultra zvuk i sl.) 3. Analiza naprezanja prouavanjem parametara oko vrha pukotine u materijalu Pomou navedene tri zavisnosti mogue je definisati ciljeva ispitivanja mehanike loma kako slijedi : 1. Sigurnost od loma 2. Preostali vijek konstrukcije sa pukotinom ili grekom 3. Razvoj i optimiranje materijala 4. Osiguranje kvaliteta 5. Tehnika dijagnostika 6. Analiza razliitih sluajeva sloenih oteenja konstrukcija11

ISPITIVANJE ZAMARANJEM Zamarenje je pojava postepenog oteivanja materijala usljed dugotrajnog djelovanja periodinih promjenljivih oteenja odnosno naprezanja. Ponaanje materijala pri zamaranju najlake se izuava ispitivanjem na posebnim ureajima - zamaralicama. Na serijama od desetak poliranih epruveta ili pak konstrukcionih djelova provodi se sinusna promjena amplituda naprezanja oko nepromjenljivog srednjeg naprezanja. Epruvete od metalnih materijala ispituju se frkvencijama od 10 do 400 Hz, a za granini broj ciklusa Ng uzima se obino 10 miliona ciklusa ( raspon vrijednosti Ng kod visokociklinog zamora je uglavnom izmeu 2 i 100 miliona cilklusa ). Krivulja koja pokazuje zavisnost broja izdranih ciklusa od promjenjenog naprezanja pri ispitivanju naziva se Wohler-ova ili S-N krivulja ( Stress - Number curve ). Naprezanja mogu biti savojna, zatezno-pritisna i torziona. Prema definiciji razlikuju se naizmjenina dinamika izrljivost, i istosmjerna dinamika izdrljivost. Dinamika izdrljivost ili dinamika vrstoa, po definiciji je ono najvee primjenjeno naprezanje pod kojim ispitivana epruveta izdri propisani ili beskonani broj ciklusa bez pojave loma ili nekog drugog propisanog uinka. Pojavi zamaranja izloen je ogroman broj dijelova i/ili mainskih konstrukcija i transportnih sredstava. Zato ak 80 do 90% svih lomova kod mainskih dijelova imaju karakter usljed zamaranja materijala. Lom usljed zamaranja materijala poinje sa mjesta gdja je najvea koncentracija naprezanja zbog bilo kakvog povrinskog optereenja iz tzv. arita ili inicijalnog mjesta ili pak unutranjeg optereenja.

Slika 10. Wohlerova kriva [ 1 ]

12

Slika 11. Sedam karakteristinih ciklusa promjenljivih naprezanja [ 1 ]

13

Slika 12. ema visokofrekventnog pulzatora Amsler optereenja do 100 kN [ 1 ]

14

LITERATURA1. 2. 3. Vitez I. Oru M. Sunulahpai R. :ISPITIVANJE METALNIH MATERJALA : Terzi P. : ISPITIVANJE METALA : STANDARDIASTM E 399-83 ( prednacrt bio ASTM E-24/69.) BAS EN ISO 12737/05 ESIS P2 ASTM E24. 01-82 ASM-85 DVM Merkblatt 0001, Entwurf 3.85 ASTM E 813-81

15