ispitivanje

Univеrzitеt u KrаguјеvcuFаkultеt inženjerskih nauka u Krаguјеvcu

SEMINARSKI RADiz MATERIJALA u urbanom inženjerstvu

Tema: Ispitivanje materijala na povišenim i sniženim temperaturama

Profesor: dr Dragan Adamović, red.prof. Student: Kristina Vasojević

Krаguјеvаc, maj 2014.

Ispitivanje materijala na povišenim i sniženim temperaturama

Sadržaj:

1.UVOD............................................................................................................ 3

2. ISPITIVANJE NA POVIŠENIM TEMPERATURAMA........................ 4

2.1. Ispitivanje zatezanjem na povišenim temperaturama............. 4

2.2. Ispitivanje sa trajnim opterećenjem......................................... 5

2.3. Ispitivanje zamaranjem na povišenim temperaturama.......... 7

3.ISPITIVANJE NA POVIŠENIM TEMPERATURAMA......................... 8

3.1.Ispitivanje udarnog rada loma na sniženim temperaturama...... 9

3.1.1.Ispitivanje udarne žilavosti po Šarpiju.............................................. 10

4.ZAKLJUČAK............................................................................................... 12

5..LITERATURA............................................................................................ 13

2


1.Uvod

Svaki materijal odlikuje niz osobina: mehaničke, hemijske, fizičke i tehnološke koje im omogućavaju različitu primenu u savremenoj tehnici. Od navedenih mi ćemo nadalje govoriti o mehaničkim svojstvima. Mehanička svojstva se utvrđuju brojnim ispitivanjima, koja su definisana standardom, a zasnivaju se na analizi ponašanja na normalnim, povišenim i sniženim temperaturama. S obzirom na način dejstva sile, vrstu naprezanja i uslove pri kojima se ova svojstvo određuje može se načiniti vise mehaničkih podela ispitivanja.Ispitivanje materijala najviše zavisi od načina delovanja sile.

Na osnovu promena koja se desavaju u materijalu tokom ispitivanja, postoje tri grupe ispitivanja:

- ispitivanje sa razaranjem uzoraka

- ispitivanje bez razaranja uzoraka

- ispitivanje strukture koja nije u zavisnosti od sile

Prema načinu dejstva sile razlikuju se statička i dinamička ispitivanja. Pod statičkim ispitivanjima podrazumevaju se ona koja se obavljaju pri mirnom dejstvu sile tako da napon postepeno raste, obično ne brže od 10 Mpa u sekundi. Kod dinamičkog ispitivanja sila deluje udarom ili se učestano menja po određenom zakonu. Broj promena opterećenja obično se kreće u granicama od 3 do 20.000 u minutu. S obzirom na vrstu naprezanja razlikuju se ispitivanja zatezanjem, pritiskom, savijanjem, uvijanjem, smicanjem itd. uz mogućnost njihovog kombinovanja. Sva ova ispitivanja mogu se vršiti pri statičkom ili dinamičkom dejstvu sile i mogu se vršiti na sobnoj povišenoj ili sniženoj temperaturi, što daje veliki broj različitih kombincija za ispitivanje.

Slika 1. Šematski prikaz mehaničkih ispitivanja materijala

3


2.Ispitivanje na povišenim temperaturama

Postupak ispitivanja mehaničkih karakteristika materijala na povišenim temperaturama sličan je postupku ispitivanja na standardnoj temperaturi, s tom razlikom što se epruvete posebnim uređajem zagrevaju do temperature ispitivanja. Na dijagramu zatezanja nije izražen pravolinijski deo krive i nije izražena granica tečenja materijala (granica razvlačenja). Zatezna čvrstoća blago raste ili blago opada (zavisno od vrste materijala) do 300°C, a posle ove temperature naglo opada.

Delovi nekih mašina i konstrukcija (npr. parnih turbina, parnih kotlova, reaktivnih motora, motora sa unutrašnjim sagorijevanjem itd.) izloženi su u toku eksploatacije dejstvu povišenih temperatura. Mehanička svojstva metala u velikoj meri zavise od visine temperature, stoga su konstruisani različiti uređaji koji omogućavaju proučavanje uticaja temperature pri statičkim i dinamičkim opterećenjima.

Pri ispitivanju zatezanjem na sobnoj temperaturi trajanje opterećenja nema veliki uticaj na svojstva čvrstoće, pa se i za konstrukcije koje su izložene dugotrajnom opterećenju, kao osnova za dimenzionisanje, uzimaju podaci dobijeni pri uobičajenom kratkom trajanju ispitivanja (reda veličina minuta). Međutim, pri povišenim temperaturama trajanje opterećenja znatno utiče na rezultate ispitivanja pa se svojstva čvrstoće moraju odrediti u zavisnosti od visine temperature i trajanja opterećenja.Od postupaka ispitivanja na povišenim temperaturama najveći praktični značaj imaju: ispitivanje zatezanjem, ispitivanje trajnim opterećenjem i ispitivanje zamaranjem.

2.1. Ispitivanje zatezanjem na povišenim temperaturama

Ispitivanje zatezanjem na povišenim temperaturama, u cilju određivanja svojstava otpornosti i svojstava deformacije, u osnovi se izvodi na isti način kao i pri sobnoj temperaturi, pri čemu je potrebno da epruveta bude zagrejana i za vreme ispitivanja držana na željenoj temperaturi.

Za zagrevanje epruvete koriste se električne vazdušne peći, a za relativno niže temperature (100oC do 600oC) i elektro zagrevana uljna, sona i olovna kupatila. Na sledećoj slici prikazana je mašina za ispitivanje zatezanjem na kojoj su postavljene dve električne vazdušne peći. U jednoj peći nalazi se epruveta koja se ispituje se ispituje dok se u drugoj peći zageva naredna epruveta.

Slika 2.Mašina za ispitivanje zatezanjem sa dvije električne vazdušne peći

4


Peći za zagrijavanje epruveta treba da su snadbevene temperaturnim regulatorima koji omogućavaju održavanje konstantne temperature po celoj mernoj dužini epruvete sa tačnošću od ± 2oC.

Zatezna čvrstoća pri povišenim temperaturama definisana je kao i zatezna čvrstoća pri sobnoj temperaturi, odnosom maksimalne sile zatezanja i prvobitne površine poprečnog preseka. Kako, međutim, pri povišenim temperaturama trajanje ispitivanja osetno utiče na vrednost čvrstoće, reprodukujući rezultati mogu se dobiti jedino pod uslovom jednakog trajnog ispitivanja. Sa porastom temperature ispitivanja zatezna čvrstoća neprekidno i dosta naglo opada kod ispitivanih materijala.

Pod granicom razvlačenja pri povišenim temperaturama podrazumijeva se, kao i pri sobnoj temperaturi, napon pri kojem nastaje primetno jače istezanje materijala.

Ako je granica razvlačenja jače istaknuta, najjednostavnije se određuje praćenjem kazaljke na uređaju za registrovanje sile, pri čemu priraštaj napona ne treba da pređe 5 Mpa u sekundi.

Ako granica razvlačenja nije oštro istaknuta, umesto nje određuje se napon pri kojem nastaje trajno izduženje u iznosu od 0.2% od prvobitne merne dužine i označava se kao granica 0.2%.

2.2. Ispitivanje sa trajnim opterećenjem

Ispitivanje sa trajnim opterećenjem ima za cilj da se ispita ponašanje materijala pri mirnom opterećenju, pri čemu, pored visine opterećenja i temperature, na rezultate ispitivanja u velikoj meri utiče i trajanje opterećenja.

Pri opterećenju zatezanjem na sobnoj temperaturi, da bi nastalo plastično deformisanje čelika, potrebno je da naponi budu veći od granice razvlačenja. Pri povišenim temperaturama, međutim, plastično deformisanje, ili kako se u ovom slučaju naziva – puzanje, može nastati i pri naponima nižim od granice razvlačenja ukoliko opterećenje vremenski duže traje.

Veličina i brzina puzanja povećavaju se sa porastom napona i temperature. Na sledećoj slici šematski je prikazan tok linija puzanja za šest različitih napona pri jednoj određenoj temperaturi ispitivanja.

Slika 3. Krive puzanja istog materijala pri različitim naponima

5


Sa povišenjem temperature smanjuju se otpori metala prema deformisanju, pa se puzanje javlja pri nižim naponima. Ukoliko je temperatura rekristalizacije metala niža, utoliko će, pri jednakim ostalim uslovima ispitivanja, biti niža temperatura pri kojoj će se pojaviti puzanje.

Puzanje je pojava postupne spore trajne deformacije materijala, koja nastaje usled dugotrajnog delovanja konstantnog statičkog opterećenja pri povišenoj temperaturi. Naprezanja koja dovode do ove pojave obično su nešto manja od granice razvlačenja materijala, a temperature puzanja su više od 40 % temperature tačke topljenja, tj. Tp>0,4Tp (Tt – temp. Tač.top. (K)).

Temperatura puzanja kod metala praktično je ravna temperaturi rekristalizacije. Zato čelici puzu na temperaturama višim od +450 °C, legure bakra na temperaturama višim od +270 °C, a polimerni materijali već na sobnim temperaturama.

Puzanje materijala je odlučujuće za ocenu ponašanja, proračun dimenzija i za njegov izbor za datu namenu u uslovima eksploatacije. Pojave puzanja sa dopuštenim trajnim deformacijama obično od 0,1; 0,2; 0,5 ili 1 % i relaksacije, odnosno opadanja naprezanja, s vremenom su karakteristične za idealizirano visokoelastično čvrsto telo. Zato su navedena granična istezanja glavni kriterijum u toku trajanja radnog dela pri radu na povišenim temperaturama. Kada se dostigne dopuštena granična deformacija, mora se konstrukcijski deo zameniti novim.Puzanje je vrlo kompleksna pojava koja uključuje: vreme, temperaturu, naprezanje i deformaciju, te se njenom poznavanju i određivanju potrebnih parametara mora posvetiti posebna pažnja.

Karakteristike dijagrama puzanja

Ispitivanje puzanjem sprovodi se pretežno na seriji jednakih, najčešće dugih proporcionalnih okruglih ispitnih uzoraka sa navojnim glavama prečnika 10 mm i s prstenastim završetcima merne dužine radi merenja trajne deformacije, postignute posle određenog vremena pri konstantnim uslovima, slika 4.

Slika 4.Klasičan diajgram puzanja deformacija-vreme

6


Ispitni se uzorci prvo postupno ugreju na propisanu temperaturu ispitivanja u mufolnoj peći, koja se održava konstantnom tokom celog ispitivanja pomoću posebnog automatskog regulatora, a zatim se optereti na pritisak sa konstantim naprezanjem. Merenje trajne deformacije izvodi se povremeno shodno propisima. Prema normi ASTM propisani su promeri ispitnih uzoraka od 6,5; 9 i 13 mm, a najmanja merna dužina je 50 mm. Za svaku zadatu temperaturu ispitivanja radi se obično 4 do 5 ispitnih uzoraka s različitim opterećenjima i za svaku od njih crta se kontinuirano dijagram puzanja sa koordinatama deformacija-vreme (slika 2).

Ispitivanja puzanjem su dugotrajna od nekoliko dana (100 sati=4,2 dana) do desetak godina (100000 sati=l 1,4 godine), o čemu se mora voditi računa pri postavljanju uslova na svojstva materijala.

Postoje tri osnovna stadijuma puzanja:

I-stadiumj puzanja predstavlja početno ili primarno puzanje. Kod njega dijagram ne počinje iz polazišta već iz tačke 1, kod koje epsilon poc. označava spontanu deformaciju nastalu u trenutku nanošenja opterećenja. U I-stadijumu puzanja (tačke 1-2) raste puzanje znatno sve dok se ne postigne konstantna brzina, dok opada brzina puzanja (taačke l'-2'). Deformacija je velika u početku zbog nesređenosti kristalne rešetke, a kasnije se smanjuje zbog očvršćivanja materijala usled nagomilavanja dislokacija.

Il-stadijum puzanja je stacionarno ili jednakomerno puzanje sa približno konstantnim gradijentom puzanja (tačke 2-3, pravac), tj.:

Kod ovog stadijuma vlada ravnoteža između očvrsnuća zbog nagomilavanja dislokacija i omekšavanja zbog toplotnog aktiviranja dislokacija (snižavanje njihove gustoće). Il-stadijum traje znatno duže nego I- i III-stadijum. Materijal je otporniji prema puzanju što je manji gradijent puzanja, tj. što jemanji nagib pravca (Vp —> 0).

III-stadijum puzanja započinje nakon postizanja određenog nivoa deformacije. Kod njega rastu ubrzano i deformacije (nema više linearnosti između istezanja i vremena) i brzina puzanja sve do loma (tačke 3-4, odnosno 3'-4'). Treći stadijum se odlikuje pojavom lokalnog suženja poprečnog preseka na budućem mestu loma usled trajnih promena u materijalu tokom vremena na povišenoj temperaturi.On nema značenja za praksu i treba ga izbegavati kod realnih konstrukcija.

2.3. Ispitivanje zamaranjem na povišenim temperaturama

Dinamička čvrstoća čelika do temperature od oko 300oC neznatno je niža od vrednosti koju ima pri sobnoj temperaturi, pa se njeno određivanje vrši po uobičajenom Velerovom postupku. Međutim, pri višim temperaturama i dovoljno visokim amplitudama napona nastaje, kao i pri konstantnom trajnom opterećenju, puzanje, koje se mora uzeti u obzir pri određivanju graničnih napona koje materijal može trajno da podnosi.

7


Pri temperaturama ispod 300oC DVM granica puzanja ne može uticati na smanjenje dinamičke čvrstoće pošto je očigledno da u tom temperaturnom području DVM-granica ima veću vrednost od dinamičke čvrstoće.

Tek pri temperaturi od 300oC dinamička čvrstoća i DVM-granica puzanja imaju približno jednake vrijednosti. Iznad 300oC, međutim, DVM-granica puzanja brže opada od dinamičke čvrstoće usled čega se smanjuje raspon napona pri promjenjivom opterećenju koji materijal može trajno da podnosi.

8


3.Ispitivanje na sniženim temperaturama

Na osnovu rezultata velikog broja ispitivanja uopšteno se može reći da pri niskim temperaturama rastu svojstva otpornosti, tj. granica razvlačenja, zatezna čvrstoća, dinamička čvrstoća i tvrdoća postaju veće. Uticaj niskih temperatura na svojstva deformacije može se, međutim, u zavisnosti od vrste metala, u osnovi razlikovati. Tako npr. kod metala koji kristališu u prostorno centriranim kubnim rešetkama (čelik, molibden, volfram i sl.) i heksagonalnim rešetkama (magnezijum, cink) sa opadanjem temperature smanjuje se mogućnost deformisanja ili, drugim riječima smanjuje se žilavost. Nasuprot tome, metali koji kristališu u površinskim kubnim rešetkama (bakar, aluminijum, olovo, austenitni čelici) zadržavaju svoju žilavost i do najnižih temperatura.

Sa sniženjem temperature raste sklonost metala ka krtom lomu. Kao osnova za procenu sklonosti ka krtom lomu može da posluži odnos otpora deformisanja prema čvrstoći. Ukoliko je ovaj odnos veći utoliko je veća i opasnost od krtog loma. Metali koji kristališu u površinski centriranim kubnim rešetkama manje naginju krtom lomu od onih koji kristališu u prostorno centriranim kubnim ili heksagonalnim rešetkama.

Treba napomenuti da pored niskih temperatura, kao osnovnog faktora, na mogućnost deformisanja utiču i hemijski sastav, stanje termičke obrade, hladna deformacija, strukturna građa, naponsko stanje i dr.

Temperatura ispitivanja ima najveći uticaj na žilavost, odnosno na udarni rad loma materijala. Žilavost materijala uopšteno opada sa snižavanjem temperature ispitivanja.To je zbog toga što se snižavanjem temperature snižava i plastičnost, odnosno deformabilnost materijala. Kod vrlo žilavih metala sa razgranato centriranom kubnom kristalnom rešetkom to opadanje žilavosti je neznatno i postupno, te su oni zato deformabilni u širokom temperaturnom intervalu, a imaju i visoku vriednost istezanja (A5). Krhki materijali (npr. visokočvrsti čelici, staklo i keramika), imaju malu žilavost i deformabilnost skoro bez obzira na temperaturu ispitivanja (Kriva II) a legure metala s prostorno centriranom kubnom rešetkom (BCC rešetka), kao što su većina konstrukcijskih čelika, polimeri i si. imaju vrlo karakterističnu krivu III sa jasno izraženom prelaznom temperaturom ispitivanja.

Slika5. Dijagram udarnog rada loma

9


Što je niža prelazna temperatura to je veće garancija da se materijal može koristiti u nepovoljnim uslovima eksploatacije i na nižim temperaturama. Slični pokazatelji karakterizacije materijala na osnovu temperature ispitivanja su granična temperatura i temperatura nulte duktilnost.

Granična temperatura označava se sa teta 50% ili teta 85%, a ona je mera žilavosti za temperature pri kojima nekristalni deo prelomne površine ispitnog uzorka iznosi 50% ili 85% ukupne površine. Ispituje se na ispitnim uzorcima sa zarezom i rastućim tegom po ASTM normi.

Temperatura nulte duktilnost ili NDT-temperatura (NDT-Nil Ductilitv Transition) je takođe mera žilavosti. To je najviša temperatura pri kojoj pukotina prodire kroz čitav presek ispitnog uzorka, tj. Na njoj se gube svojstva plastičnosti kod čelika. Ispod NDT-temperature očekuje se krhko ponašanje materijala iako je iznos nominalnog naprezanja niži od granice razvlačenja.

3.1.Ispitivanje udarnog rada loma na sniženim temperaturama

Kod ispitivanja udarnog loma na sniženim temperaturi ispitni uzorci se hlade na temperaturu ispitivanja:

Do -70 °C koristi se tečni CO2+ alkohol (suvi led) Do -100°C koristi se tečni azot+alkohol

Slika 6.Hlađenje ispitnog uzorka u smeši suvi led

U Evropskim zemljama udarni rad loma se ispituje Šarpijevom metodom u SAD i Velikoj Britaniji koriste se metode Izoda.

3.1.1.Ispitivanje udarne žilavosti po Šarpiju

U mnogim slučajevima u mašinstvu materijali su izloženi udarnim opterećenjima tj, dinamičkim opterećenjima. Ispitivanjem udarom procenjuje se krtost materijala izloženog udarnom opterećenju, Ovim ispitivanjem određuje se sposobnost materijala da apsorbuje izvesnu

10


količinu energije pre nego što dođe do loma.Ispitivanje udarom po Charpyju(Šarpiju) je jedno od najstarijih mehaničkih ispitivanja materijala u eksploatacionim uslovima a služi za utvrđivanje njegove otpornosti prema krtom lomu. Na Charpyjevu klatnu(Slika 5) ispituju se jednim udarcem, sa brzinom obično 5 do 5.5 m/s,zarezane epruvete (sa U-zarezom ili V-zarezom - slika 6 a,b).

Slika 5. Charpyjevo klatno

Pri ispitivanju epruveta se postavlja centrično na oslonac s razmakom od 40 mm, a klatno slobodnim padom udara tačno u njenu sredinu sa suprotne strane od zareza i lomi je jednim udarcem. Kao rezultat merenja gleda se razlika između početne potencijalne energije koju poseduje klatno i krajnje energije, pošto se jedan deo energije gubi na sami lom. Što se veći deo energije potroši na lom to znači da je materijal žilaviji.

a)u – zarez b) v – zarez

Slika 6. Standarde epruvete za ispitivanje na Carphyjevom klatnu

11


4.Zaključak

Ispitivanje metala ne vrši se samo radi utvrđivanja svojstava prilikom proizvodnje, ili prijema, već vrlo često i radi raznih ekspertiza u svrhu utvrđivanja načina upotrebe i odgovornosti koja nastaje usled loše upotrebe. U razvojnim centrima većih industrijskih preduzeća i naučno – istraživačkim institutima ispitivanja se vrše u cilju što potpunijeg upoznavanja svojstava metala, kao i u cilju poboljšanja tih svojstava, kako bi se dobili materijali za nove proizvode, odnosno nova područja primene.

Značaj ispitivanja metala za razvoj tehnike i današnja dostignuća na polju gradnje aviona, automobila, železnica, brodova, turbina, mlaznih motora, svemirskih letilica itd. svakako je izvanredno veliki.

Ispitivanja na sniženim i povišenim temperaturama spadaju u grupu mehaničkih ispitivanja i služe da se željeni, ispitivani, materijal dodatno optereti temperaturom, bilo da se zagreva ili hladi, kako bi se mogle proveriti njegove karakteristike u oštrijim režimima u kojim bi se mogao naći.

12


5.Literatura

1. Petar Terzić „Ispitivanje metala“ Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd, 1988

2.Milorad Jovanović,Dragan Adamović, Vukić lazić, Nada Ratković „Mašinski Materijali“, Mašinski fakultet , Kragujevac 2003.

13

Documents

ispitivanje