Click here to load reader

Materijali I treci dio

  • View
    158

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of Materijali I treci dio

SVEUILITE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZAVOD ZA MATERIJALE

Mladen Franz

MATERIJALI I - 3. dio

Autorizirana predavanja kolska godina 2005./2006.

1.UVOD 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 kojih je isti nainjen. Prilikom kreiranja proizoda pri izboru materijala posebno mjesto zauzima skupina mehanikih svojstava koja treba sagledavati ne samo s gledita eksploatacije nego i s gledita izradbe proizvoda. Svojstva materijala openito, pa tako i mehanika svojstva iskljuivo su posljedica strukturnog stanja materijala. Strukturno stanje nekog materijala dobiva se obradom materijala odreenog (kemijskog) sastava odreenim tehnolokim postupcima. Tako se izborom odreenog materijala i odgovarajueg tehnolokog procesa postie ciljano strukturno stanje koje e dati eljena svojstva pa tako i mehanika svojstva. Poznavanjem korelacije strukturno stanje - mehanika svojstva mogue je unaprijed proraunati mehanika svojstva. To naalost vrijedi samo za idealnu tvar. Naime u realnom materijalu prisutne su razliite nepravilnosti u strukturi koje onemoguavaju takav proraun. U okviru ovih predavanja upoznati ste s, primjerice, nepravilnostima kristalne grae, nulte, prve, druge i tree dimenzije koje bitno utjeu na smanjenje mehanikih svojstava realnog materijala u odnosu na idealnu tvar. Tako, na primjer teoretsko smino naprezanje potrebno za posmicanje kristalnih ravnina kod idealnog kristala -Fe iznosi : th8400 N/mm2 dok ta vrijednost eksperimentalno utvena iznosi : stv10 N/mm2. Razlog tako velikom smanjenju u odnosu na teoretsku veliinu su prvenstveno prisutne dislokacije u reetci eljeznih kristala. Zbog svih nepravilnosti prisutnih kod realnih materijala, koje je nemogue obuhvatiti proraunom, mehanika se svojstva mogu utvrditi iskljuivo eksperimentalnim putem. Zbog toga je na podruju ispitivanja mehanikih svojstava materijala razvijena razliita laboratorijska oprema. Naime pri takvim ispitivanjima esto se nastoje imitirati uvjeti u kakvim e odreeni materijal biti optereen tokom eksploatacije. Ispitivanje mehanikih svojstava materijala provodi se na posebno pripremljenim uzorcima koje nazivamo "epruvetama" ili "ispitnim uzorcima" ali isto tako na gotovim strojnim elementima ili ak sklopovima. U okviru ovog kolegija

zadrat emo se na ispitivanju mehanikih svojstava na epruvetama. U skladu s moguim nainom optereivanja tokom eksploatacije i epruvete se optereuju na vlak, tlak, na savijanje, uvijanje na smik. Nadalje optereenje moe biti statiko - konstantno optereenje tokom vremena ili mali prirast optereenja u jedinici vremena, odnosno dinamiko ukoliko se njegov intenzitet mijenja tokom vremena. Ta promjena je najee periodikog karaktera. esto se prilikom ispitivanja mehanikih svojstava simuliraju i neki drugi eksploatacijski uvjeti kao npr. poviena ili sniena temperatura, agresivna atmosfera i si. Osnovna mehanika svojstva odreuju se na epruvetama napregnutim na vlak u uvjetima statikog optereenja. Takvo ispitivanje se naziva statiki vlani pokus.

2. STATIKO VLANO ISPITIVANJE Iz materijala koji elimo ispitati izrezuje se uzorak propisanog oblika i dimenzija epruveta ili ispitni uzorak. Najee je to (ovisno o obliku poluproizvoda) probni tap cilindrinog oblika, kod kojega su njegov promjer i mjerna duljina u odreenom razmjeru. Na slici 1 prikazana je epruveta okruglog presjeka.

Slika 1. Epruveta okruglog presjeka Veliine koje karakteriziraju dimenzije epruvete su slijedee: d0 - poetni promjer epruvete, mm L0 - poetna mjerna duljina epruvete, mm S0 - poetna povrina presjeka epruvete:

d 2 S0 = 0 , mm . 4O odnosu d0 i L0 biti e rijei kasnije. Epruveta se na mjestima zadebljanja ("glava") uvrsti u eljusti kidalice odnosno stroja na kojem se provodi statiko vlano ispitivanje (slika 2).

2

Slika 2. Nain optereivanja epruvete pri statikom vlanom ispitivanju Epruveta se optereuje vlanom silom. Prirast sile pri statikom vlanom pokusu u jedinici vremena mora biti takav da prirast proizvedenog naprezanja u epruveti bude 10 N/mm2 u sekundi. Za takvo sporo optereivanje najprikladniji je hidraulini pogon kidalice, a pri takovom hidraulikom sustavu mogue je u svakom trenu rasteretiti epruvetu. Iznos sile kojom je optereena epruveta iskazan je na skali kidalice u N - Njutnima ili kN. Budui da u svakom tijelu optereenje odnosno proizvedeno naprezanje izaziva deformaciju, tako e se i pri statikom vlanom pokusu epruveta produljivati. Stoga se pri statikom vlanom ispitivanju pored vrijednosti sile prati i produljenje epruvete. Na kidalici se na pisau za vrijeme statikog vlanog pokusa crta dijagram sila-produljenje, F-L, koji se naziva i dijagramom kidanja. Produljenje L, mm predstavlja poveanje razmaka L0 koji je naznaen na epruveti prije ispitivanja. Na slici 3 nacrtan je dijagram kidanja F-L za epruvetu iz mekog konstrukcijskog elika koji je u strojarskoj praksi iroko primjenjiv materijal.

Sila F, N

Produljenje L, mm

Slika 3. Dijagram kidanja za "meki" konstrukcijski elik U prvom dijelu dijagrama F-L linearna je ovisnost sile i produljenja, to znai da istim prirastima sile odgovaraju i jednaka produljenja. Takva zakonitost vrijedi sve do vrijednosti sile Fe koja se naziva silom teenja (razvlaenja). Nakon dostizanja te sile ispitni uzorak se nastavlja produljivati uz ak i mali pad optereenja. Za daljnji porast produljenja potreban je opet porast sile. Meutim u tom dijelu statikog vlanog ispitivanja vie ne postoji linearna ovisnost izmeu poveanja sile i produljenja. Optereenje se poveava sve do dostizanja maksimalne sile Fm, nakon koje se epruveta nastavlja produljivati uz sve manju i manju silu. Konano, pri vrijednosti sile Fk dolazi do loma (pucanja) epruvete. Sastavimo li puknuti ispitni uzorak, te izmjerimo li razmak toaka koji je prije ispitivanja iznosio L0 dobiti emo konanu mjernu duljinu Lu (vidi sliku 4).du Lu

Slika 4. Skica epruvete okruglog presjeka nakon loma Produljenje nakon kidanja Lu, tada iznosi: Lu=Lu-L0, mm. Ta vrijednost naznaena je takoer na apscisi dijagrama F-L, a dobiva se, ako iz konane toke dijagrama povue paralela s linearnim dijelom dijagrama i nae presjecite tog pravca i osi apscisa (vidi sliku 3). Iznosi sile pri statikom vlanom ispitivanju ne daju uvid u ponaanje materijala ukoliko se

u obzir ne uzme povrina poprenog presjeka epruvete. Stoga se uvodi pojam naprezanja, tj. sile po jedinici povrine prema izrazu :

=F -sila izraena u N S0 -povrina poetnog presjeka u mm2.

F , gdje je S0

Proizlazi da je jedinica kojom se iskazuje naprezanje : N/mm2 ili kako to predvia SI propis Pa=N/m2. Jedan N/mm2 odgovara jednom MPa odnosno jednom MN/m2. U strojarstvu se makar to nije predvieno SI standardom vie koristi jedinica za naprezanje N/mm2, pa emo je i mi ovdje koristiti. Ukoliko se i vrijednosti produljenja L svedu na poetnu mjernu duljinu dobiva se pojam istezanja ili relativnog produljenja:

=Istezanje se moe izraziti i u postocima :

L , mm/mm. L0L 100 , % L0

=

Na taj se nain iz dijagrama sila - produljenje dobiva dijagram naprezanje - istezanje - (vidi sliku 5). , N/mm2

Slika 5. Dijagram naprezanje-istezanje za "meki" konstrukcijski elik Dijagram - je kvalitativno jednak dijagramu F-L budui da se svi iznosi sile dijele s istom vrijednou (S0), a sve vrijednosti produljenja s vrijednou L0. Zbog toga i dijagram - poinje iz ishodita pravcem koji se naziva Hooke-ovim pravcem. U tom podruju naprezanja materijal je deformiran iskljuivo elastino to znai da u sluaju rastereenja (=0) je trajna deformacija 0,

odnosno razmak mjernih toaka na epruveti jednak je L0. Nakon to naprezanje u materijalu (u ovom sluaju "mekom" eliku) dostigne vrijednost Re - granice razvlaenja, on pone tei bez poveanja naprezanja. Granica razvlaenja je po definiciji jednaka :Fe , N/mm2. S0

Re =

Re - granica razvlaenja je ono naprezanje kod kojeg materijal poinje tei bez poveanja naprezanja. Nadalje materijal nakon prijeene granice razvlaenja ulazi u podruje plastinih ili trajnih deformacija. Ako u toki A (vidi sliku 5) rasteretimo epruvetu (=0) u njoj e ostati prisutna plastina ili trajna deformacija Atr. To znai da e razmak mjernih toaka koji smo prije oznaili sa L0 biti uvean za iznos LA pa je

Atr =

LA , mm/mm. L0

Svaka se deformacija u materijalu (epruveti) nakon prijeene vrijednosti Re sastoji od elastine deformacije el koja izezava sa rastereenjem te od plastine ili trajne deformacije tr koja ostaje trajno prisutna u materijalu. U dijagramu - se iznos trajne deformacije dobije tako da se iz eljene toke na dijagramu povue paralela s Hooke-ovim pravcem i nae presjecite s osi apscisa. Naprezanje kod maksimalne sile naziva se vlanom ili rasteznom vrstoom i jednako je:Rm = Fm , N/mm2. S0

To naprezanje se nikako ne smije zvati (nazivati) maksimalnim naprezanjem ve kako je prije navedeno vlanom ili rasteznom vrstoom. Naime, makar je iznos tog naprezanja u ovakvom dijagramu - najvei, stvarno to nije maksimalno naprezanje. Razlog zbog ega nije nee se razmatrati u ovom kolegiju. Nakon dostignute vrijednosti Rm, deformacija epruvete nije vie jednolika po itavoj njenoj duljini ve se lokalizira na jednom mjestu, nastaje tzv. vrat. Naprezanje kod kojeg epruveta puca naziva se konanim naprezanjem i jednako je :

Rk =

Fk 2 S 0 , N/mm .

Vrijednost istezanja nakon kidanja odreuje se prema izrazu :

u =

Lu L0 Lu = , mm/mm. L0 L0

Dobiva se u dijagramu - na isti nain kao i vrijednost Lu, u dijagramu F-L povlaenjem paralele iz konane toke dijagrama s Hooke-ovim pravcem i nalaenjem presjecita tog pravca s osi apscisa (