MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA · PDF file15.3.2016. 1 MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA Prof.dr.sc. Danko Ćorić • Puzanje materijala - Definicija i utjecajne

15.3.2016.

1

MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA

Prof.dr.sc. Danko Ćorić

• Puzanje materijala - Definicija i utjecajne veličine- Mehanizmi puzanja- Načini povećanja otpornosti puzanju - Ispitivanje otpornosti puzanju

• Vrste lomova- Žilavi, duktilni- Interkristalni, transkristalni, - Smični, ravninski, smično-razdvojni

• Mehanika loma- Koncepti mehanike loma- Modeli pukotine- Faktor intenzivnosti naprezanja- Lomna žilavost

PREGLED

Puzanje materijala

Puzanje

15.3.2016.

2

Puzanje materijala

• Primjeri su rotori turbina u mlaznim motorima i parni kotlovi koji su izloženi centrifugalnim naprezanjima i visokom pritisku pare.

• Mnogi konstrukcijski materijali izloženi su tijekom radnog vijeka visokim temperaturama i konstantnom naprezanju.

Puzanje materijala

• Pri temperaturi ϑ1: σ1 → ε1 konstantna deformacija tijekom vremena

• Pri temperaturi ϑ2: σ2 → ε2 porast deformacija tijekom vremena

Puzanje materijala

• Puzanje se javlja kao rezultat dugotrajne izloženosti konstantnom naprezanju nižem od granice razvlačenja. Karakteristično je za materijale koji su dugotrajno toplinski opterećeni.

15.3.2016.

3

Puzanje materijala

III – završni stadij (tercijarno puzanje): sve veći prirast deformacije u jedinici vremena koji završava lomom

Stadiji puzanja:

I - početni stadij (primarno puzanje): nakon naglog prirasta istezanja na početku brzina puzanja se postepeno smanjuje zbog deformacijskog očvrsnuća;

II - stadij konstantne brzine (gradijenta) puzanja (sekundarno puzanje): konstantni prirast deformacije tijekom vremena (izbalansirani utjecaj deformacijskog očvrsnuća i oporavka);

Puzanje materijala

• Puzanje materijala je toplinski aktiviran, irevezibilniproces spore deformacije koji nastaje u uvjetima dugotrajnog djelovanja konstantnog opterećenja pri povišenoj temperaturi.

• Mehanizmi puzanja kod kristalnih materijala različiti su od onih za amorfne materijale. Amorfni materijali mogu puzati „tečenjem” (viskozno ponašanje).

Puzanje materijala

• Puzanje je funkcija:

- svojstava materijala,

- vremena izlaganja,

- temperature i

- primijenjenog opterećenja

15.3.2016.

4

Puzanje materijala

• Ovisno o veličini i trajanju opterećenja i eksploatacijskoj temperaturi, deformacija kod puzanja može postati toliko velika da komponenta više ne može obavljati svoju funkciju i u konačnici može doći do loma.

Primjer: puzanje lopatica turbine → kontakt lopatica s kućištem → pucanje lopatica

Puzanje materijala

Veća temperatura ili naprezanje:

- ↑ trenutno istezanje,- ↑ brzina puzanja u 2.

stadiju (utjecaj oporavka nadvladava deformacijsko očvrsnuće),

- ↓ vrijeme do loma

Utjecaj temperature i naprezanja

Puzanje materijala

• Parametri ponašanja kod puzanja:

§ II. stadij puzanja vremenski traje najdulje i brzina puzanja u ovom stadiju (dε/dt) je navažniji parametar kod dugotrajnih primjena

§ Drugi parametar, osobito važan u slučajevima kratkotrajnog puzanja je vrijeme do loma (tr).

15.3.2016.

5

Puzanje materijala

• Brzine puzanja različitih materijala:

dε/dtkeramika < dε/dtmetal << dε/dtpolimer

• Brzina puzanja mora biti usklađena sa životnim vijekom konstrukcije s ciljem sprečavanja prijevremenog loma.

Puzanje materijala

Oštećenje i lom uslijed puzanja

Formiranje i povezivanje mikropora

praznina praznina

Difuzija u kristalimaDifuzija po granicama zrna

Puzanje materijala


Nakupljanje oštećenja i pojava loma

Prva oštećenja

Nakupljanje oštećenja

LomPrva oštećenja se javljaju na početku III stadija puzanja kada se počinje smanjivati ploština poprečnog presjeka.

15.3.2016.

6

Puzanje materijala


• Vrijeme do loma, za određeno naprezanje i temperaturu, mora biti dulje od predviđenog životnog vijeka konstrukcije.

Puzanje materijala

• Određivanje vremena do loma:

• Primjer:

C590 čelik, ϑ=800 °C; σ =140 Mpa

tr=?

Puzanje materijala

• Na pojavu puzanja utječu:

- temperatura tališta materijala;

- tip atomske veze i kristalne rešetke materijala;

- mikrostrukturno stanje materijala

15.3.2016.

7

Puzanje materijala

• Kako utječe temperatura?

- Puzanje nastupa u području temperatura: T > 0,3 · Tt, K

- Što je viša temperatura tališta (Tt) materijal je otporniji puzanju.

- Temperature puzanja za neke materijale: § čelik: > 450 °C;§ legure bakra: > 270 °C;§olovo puže već na sobnoj temperaturi

Puzanje materijala

• Određivanje temperature puzanja na temelju homologne temperature (Th)

Homologne temperature kod različitih metala jesu one temperature koje podijeljene s temperaturom tališta tog metala daju istu vrijednost:

Th (Pb) / Tt (Pb) = Th (Al) / Tt (Al) = Th (Cu) / Tt (Cu)= Th (Fe) / Tt (Fe)

• Primjer: Temperatura puzanja aluminija=?

Th (Al) / Tt (Al) = Th (Fe) / Tt (Fe) = 450+273 / 1539 +273

ϑt (Al) = 660 °C → Tt (Al) = 660+273 = 933 K

Th (Al) / 933 = 723 / 1812Rješenje: Th (Al) = 372 K → ϑh (Al) = 100 °C

Puzanje materijala

• Kako utječe tip atomske veze i kristalne rešetke materijala?

• Kod materijala s kovalentnom vezom između atoma (keramike) plastično tečenje nastupa pri visokim naprezanjima i temperaturama neznatno nižim od Tt.

15.3.2016.

8

Puzanje materijala

∆Re1

Legiranje

0-dimen. defekti

∆Re2

Hladna deformacija

1-dimen. defekti

∆Re3

Usitnjenjezrna

2-dimen.defekti

∆Re4

Precipitacija

3-dimenz.defekti

Nisko-temperaturno deformiranje

+ ++ ++ ++

Visoko-temperaturno deformiranje

+ +/- - ++

+ Povećanje Re; ++ Jako povećanje Re; - Smanjenje Re

Utjecaj mehanizama očvrsnućapri niskim i visokim temperaturama

• Kako utječe mikrostrukturno stanje materijala?

Puzanje materijala

• Što je temperatura viša kretanje dislokacija je brže i odvija se na drugačiji način neko pri nižim temperaturama.

• Niska temperatura: Kretanje bridnih dislokacija u kliznim ravninama (konzervativno gibanje)

Puzanje materijala

• Visoka temperatura: Penjanje bridnih dislokacija okomito na kliznu ravninu (nekonzervativno gibanje)

• Bridne dislokacije se kreću po kliznoj ravnini sve dok ne naiđu na strukturnu prepreku gdje se gomilaju. Pri visokim temperaturama bridne dislokacije mogu savladati prepreku na način da se penju u drugu kliznu ravninu i time omogućuju nastavak plastičnog tečenja.

IzvorPrepreka

Penjanje

15.3.2016.

9

Puzanje materijala

• Dislokacija se penje gibanjem praznina ili vakancija (točkaste nepravilnosti).

┴ Dislokacija; Praznina

Puzanje materijala

• Ovisno o stvaranju i kretanju praznina u kristalnoj rešetki dislokacija se može penjati prema gore (pod djelovanjem tlačnog opterećenja) ili prema dolje (pod djelovanjem vlačnog opterećenja).

┴ Dislokacija; □ Praznina

Puzanje materijala

Gibanje dislokacija

• Kod niskih temperatura materijal očvršćava uslijed deformiranja (povećanja gustoće dislokacija), dok se kod viših temperatura dislokacije „liječe” oporavkom (preraspodjela dislokacija) ili rekristalizacijom (poništavanje dislokacija).

15.3.2016.

10

Puzanje materijala

• Brzina puzanja (dε/dt) u 2. stadiju:σ - naprezanjeT - apsolutna temperaturaA – konstanta materijalam - eksponent naprezanja

(parametar materijala)Qp - energija aktivacije puzanjaR - plinska konstanta

• Energija aktiviranja puzanja je približno jednaka energiji aktiviranja difuzijskih procesa.

• Koeficijent difuzije γ-željeza oko 100 x je manji nego kod α-željeza → austenitne legure su otpornije puzanju od feritnih

Puzanje materijala

• Konstante materijala (A, m) i energija aktivacije puzanja (Qp) variraju s temperaturom i naprezanjem

Puzanje materijala

Pukotine inducirane puzanjem

15.3.2016.

11

Puzanje u kristalima

Mehanizmi puzanja


TEM snimka dislokacija kristalnog zrna(austenitni nehrđajući čelik)

• Puzanje u kristalima → dislokacijsko puzanje (gibanje dislokacija unutar kristalnog zrna)


• Kada dislokacija naiđe na prepreku, potrebno je određeno minimalno naprezanje kako bi prešla preko prepreke pri nižoj temperaturi, u suprotnom će se zaustaviti. Pri povišenim temperaturama, dislokacija može izbjeći prepreku, tako da dodaje ili zrači praznine. Uporabom ovog mehanizma, zvanog penjanje, dislokacije mogu napustiti svoju prvotnu kliznu ravninu.U ovom slučaju, brzina deformacije određena je brzinom emisije i apsorpcije praznina.

• Osnovni pokazatelj brzine puzanja je gustoća dislokacija i brzina kretanja dislokacija.

15.3.2016.

12


b- burgersov vektor, cmρ - gustoća dislokacija, cm-2

v - prosječna brzina kretanja dislokacija, cm/s

b - burgersov vektor, mk - plinska konstanta, J/KT - apsolutna temperatura, Kσ - naprezanje, N/m2

Dvd - koeficjent vlastite difuzije, m2/s

• Brzina puzanja, dε/dt:

• Kod visokotemperaturnog puzanja gustoća dislokacija je konstantna pa brzina puzanja ovisi samo o brzini kretanja (klizanja i penjanja) dislokacija:

Puzanje po granicama zrna

Klizanje po granica zrna i deformacija materijala bez promjene mreže granica zrna

• Kod visokih temperatura granice zrna predstavljaju slabija mjesta od samih kristala tako da zrna mogu klizati jedno uz drugo pod djelovanjem smičnih naprezanja.


• Klizanje zrna sprečava formiranje mikropukotina u materijalu. mikropukotina

a) Polikristalna struktura prije puzanja s označenom referentnom linijom;

b) Utjecaj deformiranja difuzijskim puzanjem bez klizanja po granicama zrna; stvaranje pukotina između zrna;

c) Deformacija uslijed puzanja povezana s klizanjem po granicama zrna; nema pukotina među zrnima

referentna linija

15.3.2016.

13


Atomi

• Dislokacija granica zrna može svladati zavoj samo ako dijelom pređe u zrno. Za to je potrebno određeno smično naprezanje.


• Difuzija pri visokim temperaturama omogućuje premještanje atoma iz područja tlačnog u područje vlačnog naprezanja. Na taj način bridne dislokacije lako zaobilaze kutna mjesta i puzanje po granicama zrna se nastavlja. Kako je takva pojava nepovoljna materijali za primjenu na visokim temperaturama trebaju imati što krupnije zrno.


• Segregacija atoma legirnihelementa i precipitacija čestica po granicama zrna smanjuje klizanje zrna.

15.3.2016.

14

Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju

Brzina puzanja se smanjuje:- Uporabom materijala s kovalentnom vezom i visokom

temperaturom tališta;- Primjenom materijala kristalne strukture s malim koeficjentom

samodifuzije;- Legiranjem materijala onim elementima čiji atomi prvenstveno

segregiraju na mjestima penjenja dislokacija;- Uporabom krupnozrnatog ili još bolje monokristalnog materijala ;- Primjenom materijala koji sadrže čestice jednoliko

raspoređene u kristalima (čestice koje se ne transformiraju i ne rastu na radnoj temperaturi);

- Primjenom materijala koji sadrže čestice precipitirane pogranicama zrna


• Legure za visokotemperaturne primjene:

- feritni super 12%Cr čelik;

- austenitni Cr-Ni čelik;

- superlegure (na osnovi Ni, Co ili Fe-Ni očvrnuteprecipitacijom i kristalima mješancima);

- metali i legure visokog tališta (W, Mo, Ta, Nb, Re)


Toplinski postojani čelici

Čelik otporan puzanju

PrecipitatiM23C6, M7C3, M2X,

M3C, M6C, MX

Intermetalne faze

Legirni elementiSupstitucijski:

Cr, V, Nb, Mo, W, Cu, Mn

Intersticijski: C, N

MikrostruktraPopušteni

martenzit, bainit

15.3.2016.

15


Mikrostruktura čelika otpornog puzanju

Martenzitneiglice

Precipitati po granicama i unutar zrna


Superlegure• Superlegure su toplinski postojni višekomponenti sustavi na

osnovi Ni, Co ili Fe-Ni s visokim udjelima Cr, te manjim udjelima Mo i W te Ti i Al.


Primjena superlegura u mlaznom motoru

15.3.2016.

16


Superlegure – turbinska lopatica


• Zahtjevi na materijal turbinske lopatice:

a) otpornost puzanju;

b) otpornost visokotemperaturnoj oksidaciji;

c) žilavost;

d) otpornost toplinskom umoru;

e) toplinska stabilnost;

f) niska gustoća


Element Maseni % Element Maseni %Ni 59,0 Mo 0,25Co 10,0 C 0,15W 10,0 Si 0,1Cr 9,0 Mn 0,1Al 5,5 Cu 0,05Ta 2,5 Zr 0,05Ti 1,5 B 0,015Hf 1,5 S <0,008Fe 0,25 Pb <0,0005

Sastav Ni-superlegure za turbinske lopatice

15.3.2016.

17


Materijali turbinske lopatice

Mikrostruktura Ni-superlegure mora sadžati:

a) što više atoma legirnih elemenata (Co, W, Cr) otopljenih u čvrstoj otopini;

b) stabilne, tvrde precipitiate intermetalnih faza (Ni3Al, Ni3Ti) i karbida (MoC, TaC) koji su prepreka gibanju dislokacija;

c) zaštitni površinski Cr2O3 sloj koji štiti od oksidacije


Mikrostruktura Ni-superlegure za turbinske lopatice

γ’ precipitati

austenit


Povećanje otpornosti puzanju

Ekviaksijalnakristalna struktura

Usmjereno kristalizirana struktura

Monokristal

15.3.2016.

18


Dijagrami puzanja za različite smjerove djelovanja naprezanja na monokristalu od Ni-superlegure

Ispitivanje otpornosti puzanju• Ispitivanje otpornosti puzanju

provodi se na jednakim epruvetama kao i kod statičkog vlačnog ispitivanja, a najčešće se koriste epruvete okruglog poprečnog presjeka s navojnim glavama.

• Ispitivanje se provodi na uređajima koji se nazivaju puzalice.

• Epruveta se izravno opterećuje na nekoj temperaturi s utezima ili sustavom poluga te se registrira njeno produljenje.

Ispitivanje otpornosti puzanju

Konstantna primijenjena sila

Konstantna primijenjena sila

Termoelement

Grijači element

Produljenje mjereno na početnoj mjernoj duljini

- temperatura i opterećenje se održavaju konstantnom tijekom ispitivanja

- ispitivanje traje od 45 sati do nekoliko godina (100000 sati)

15.3.2016.

19


• Prema vremenu ispitivanja razlikuju se:- kratkotrajna ispitivanja: t < 100 sati;- dugotrajna ispitivanja: t > 100 sati

• Mehanička svojstva koja karakteriziraju otpornost materijala puzanju:

- Granica puzanja Rpε /t/ϑ je vlačno naprezanje koje pri temperaturi ispitivanja ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja „t” ostavlja u epruveti definiranu trajnu deformaciju ε. Na primjer: Rp0,2/1000/500 predstavlja naprezanje koje je nakon 1000 h ispitivanja pri temperaturi 500 °C trajno produljilo epruvetu za 0,2%.


- Statička izdržljivost Rm/t/ϑ je vlačno naprezanje koje pri temperaturi ispitivanja ϑ nakon zadanog trajanja ispitivanja „t” dovodi do loma epruvete.

- Granica puzanja Rdvm/ϑ je vlačno naprezanje koje između 25 i 35 sata ispitivanja izaziva brzinu puzanja 10-3 %/h, a nakon 45. sata ispitivanja i rasterećenja trajna deformacija mora biti manja od 0,2%.

Na primjer: Rm/100000/475 je naprezanje koje uzrokuje lom epruvete nakon 1000000 h ispitivanja pri temperaturi 475 °C.

Mehanika loma

• Mehanika loma se bavi proučavanjem nastanka i napredovanja pukotina u čvrstim tijelima.

Mehanika loma razmatra odnos između:§ svojstava materijala, § veličine naprezanja,§ utjecaja pukotina i pogrešaka§ mehanizama širenja pukotine

• Teorijske osnove mehanike loma razvijene su na temelju proučavanja iznenadnih i katastrofalnih lomova i oštećenja konstrukcija (npr. mostova, brodova serije Liberty, pilotskih kabina zrakoplova, velikih spremnika za naftu, posuda pod tlakom, plinovoda itd.)

15.3.2016.

20

Mehanika loma

• Termin MEHANIKA LOMA loma ima dvostruki smisao:

- u užem smislu ona se odnosi na istraživanje uvjeta razvoja pukotine;

- u širem smislu mehanika loma obuhvaća i dio mehaničke otpornosti materijala koji se odnosi na završnu fazu procesa deformiranja materijala pod djelovanjem opterećenja kada dolazi do loma.

Definicija i uzroci loma

• Lom materijala se može odrediti kao makroskopsko razdvajanje materijala koje dovodi do gubitka nosivosti čvrstog tijela.

• Fizikalni uzrok loma → djelovanje naprezanja koje zajedno s utjecajem okolnog medija razara atomsku ili molekularnu vezu te se na taj način formira nova slobodna površina.


E - modul elastičnostiγ - površinska energijad - razmak kristalnih ravnina

• Teoretsko naprezanje za stvaranje nove slobodne površine ukristalnoj strukturi - teoretka “razdvojna” čvrstoća (σteo):

a - parametar rešetkeh, k, l - Millerovi indeksi ravnine

• Za kubični kristalni sustav vrijedi:

15.3.2016.

21


• Teorije nastajanja inicijalne pukotine:- formiranje ekstruzija i intruzija; - teorija dislokacija


• Kod materijala idealno glatke površine klica loma je posljedica lokalne nehomogene deformacije uslijed koje dolazi do formiranja izbočina (ekstruzija) ili udubina (intruzija) na površini materijala.

• Takve neravnine na površini, osobito udubine, su potencijalna mjesta za nastajanje inicijalnih pukotina.


• Prema dislokacijskoj teoriji inicijalne pukotine nastaju uslijed gomilanja dislokacija na strukturnim preprekama koje blokiraju njihovo kretanje.

n – broj dislokacijaσ - naprezanje

Lokalno naprezanje na granici zrna (σlokalno ):

• Kada lokalno naprezanje dosegne kritičnu vrijednost stvara se mikropukotina.

Granice zrna

Dislokacije

Klizna ravnina

15.3.2016.

22

Modeli pukotine

Modeli pukotine:Ø Griffithov model pukotinaØ Irwinov model pukotinaØ Model teorije dislokacija

Griffithov model pukotine

Tijek naprezanja pri vrhu pukotine

• Alan Arnold Griffith (13. lipnja 1893. – 13. listopada 1963.) je postavio kriterij za idealno krhki lom idealno krhkog materijala još 1920. Ova teorija temelji se na energetskoj hipotezi loma. Polazi od pretpostavke da je lomna čvrstoća ograničena postojanjem početne pukotine u materijalu.

Griffithov model sadrži usku pukotinu duljine„2a” u vlačno napregnutoj ploči neograničene istezljiosti.


Elastična distorzijska energija (We):

σ - vlačno naprezanjea – polovina duljine pukotineE – Youngov modul

Energija za stvaranje nove površine loma (Wp):

γo – površinska energija

• Kriterij stabilnosti pukotine prema Griffithu definira odnos elastične distorzijske energije oslobođene širenjem pukotine i energije potrebne za stvaranje nove lomne površine.

15.3.2016.

23


Kritično naprezanje (σc):

Kritična duljina pukotine (ac):

Eksperimentalna istraživanja su potvrdila mogućnost korištenja navedenih izraza samo za izrazito krhke materijale (staklo, keramika), dok je za žilavije materijale primjena ograničena.

Kriterij širenja pukotine: ≥

Irwinov model pukotine

• George Rankin Irwin (26. veljače 1907. – 9. listopada 1998. ) je učinio poboljšanje Griffithov modela pukotina. Njegova teorija temelji se na pretpostavci postojanja plastične zone pri vrhu pukotine, odnosno zamišljenog produljenja pukotine za polumjer plastične zone. Prema ovom modelu, u korijenu pukotine naprezanje je jednako granici razvlačenja, tako da ono nije neizmjerno veliko, što je bio osnovni nedostatak Griffithov modela.

Irwinov model pukotine

Re

15.3.2016.

24

Model teorije dislokacija

• Model teorije dislokacija je razvijen između 1930. i 1950. Utvrđeno je da krhki lom pomažu:

Ø koncentracija naprezanja oko zareza, pukotina i slično;Ø velike brzine opterećenja;Ø uporaba konstrukcija na temperaturama nižim od

temperature nulte duktilnosti;Ø uvjeti deformacije u konstrukcijskim elementima;Ø grubozrnata i transformirana struktura kod zavarivanja

Stadiji loma

- Nastanak pukotine- Pokretanje pukotine- Proširenje pukotine

- Stabilno širenje (pukotina propagira dulje vrijeme konstantnom malom brzinom) → žilavi lom

- Nestabilno širenje (pukotina propagira velikom brzinom) → krhki lom

- Subkritično širenje – Dugotrajni proces stabilnog širenja pukotine (umor materijala, puzanje, napetosnakorozija) koji završava ubrzanim stabilnim ili nestabilnim širenjem pukotine)

- Kočenje pukotine

Fraktografija

• Fraktografija je istraživačka metoda kod koje se analizom prijelomne površine pokušava utvrditi uzrok loma a time objasniti i uzrok moguće havarije.

• Naziv fraktografija dolazi od latinske imenice fractus (hrv. lom) i grčkog termina grapho (hrv. opis). Stoga fraktografija u užem smislu pretpostavlja opis loma (prijelomne površine).

• Uključuje: - ispitivanje oblika loma,- položaja prijelomne površine,- hrapavosti prijelomne površine

15.3.2016.

25

Fraktografija

• Makrofraktografija obuhvaća promatranje i snimanje prijelomne površine uz malo povećanje ( ≤ 50 x) uz upotrebu povećala odnosno makro fotografskih objektiva.

• Mikrofraktografija koristi svjetlosni ili elektronski mikroskop sa velikim povećanjima.

• Koraci fraktografske analize:- Priprema prijelomne površine; Prijelomna površina je često

korodirana ili mehanički oštećena. Takva oštećenja se mogu javiti tijekom samog prijeloma ili nakon loma (za vrijeme transporta do laboratorija). Oštećenja nastala nakon havarije treba spriječiti pravilnom zaštitom prijelomne površine od mehaničkog oštećenja i djelovanja korozije. Mehanička oštećenja se ne mogu ukloniti, no kemijska oštećenja se ponekad mogu ukloniti pažljivim čišćenjem prijelomne površine.

Fraktografija

- Prvi korak u fraktografskoj analizi je vizualna kontrola prijelomne površine pomoću povećala (poželjno s dodatnim izvorom svjetla), a često se koristi i stereo svjetlosni mikroskop →

- Slijedi fotografiranje prijelomne površine fotografskim aparatom s digitalnom kamerom. Ovdje treba voditi računa o načinu osvjetljavanja uzorka.

Fotografski aparat s prstenastom bljeskalicom

Fraktografija

- Analiza prijelomne površine i ispitivanje mikrostrukture:

Pretražni elektronski mikroskop →

SEM je idealan uređaj za snimanje prijelomnih površina jer omogućuje visoku rezoluciju, a time i veliku dubinsku oštrinu slike tako da ona djeluje trodimenzionalno. Moguć je veliki raspon povećanja od 10 do 30 000 x. SEM je često opremljen mikroanalizatorom kemijskog satava.

Metalografski mikroskop →

15.3.2016.

26

Vrste lomova

Pucanje osovine zbog umora materijala

Nasilini lom

Vrste lomova

Tijek zamornog loma (loma od umora materijala) se može podijeliti u tri koraka:

• inicijacija pukotine• širenje pukotine• nasilni lom

Pukotina nastaje na mjestima najvećih naprezanja tj. na koncentratorima naprezanja (utori, promjene presjeka, zarezi, pukotine). Lokalni koncentratori naprezanja mogu biti:

• dio dizajna konstrukcije (utor za pero);• greška prilikom obrade (zarez nastao prilikom tokarenja);• nepravilnosti u materijalu (pore, supstitucijski i intersticijski

atomi koji povećavaju krhkost poput sumpora i vodika)

Lom od umora materijala

Vrste lomova

Inicijalna pukotina

Područje sporog rasta pukotine

Područje trenutnog loma

15.3.2016.

27

Vrste lomova

• Makroskopski lom može biti žilav ili krhak. Žilavi lom:

- popraćen je značajnom plastičnom deformacijomKrhki lom:

- mala ili nikakva plastična deformacija na mjestu loma- iznenadan (trenutni), katastrofalan

Vrste lomova

Vrste lomova

Izrazito duktilno

Lomno ponašanje:

Umjereno duktilno

UmjerenaVelika

Krhko

MalaIstezljivostili kontrakcija:

Duktilni: Upozorenje prije loma

Krhki: Bez upozorenja

15.3.2016.

28

Vrste lomova

Transkristalni lom

Pukotina napreduje preko zrna

Interkristalni lom

Pukotina napreduje po granicama zrna

• U mikrorazmjerima lom može biti transkristalni i interkristalni.

Vrste lomova

Smični lom

• Prema položaju prijelomne površine razlikuju se:Razdvojni (ravninski)

lom

Mješoviti (smično-razdvojni) lom

Žilavi lom

Žilavi lom je takav lom kod kojeg je prisutna intenzivna plastična deformacija u neposrednoj blizini loma. Nastaje pri malim brzinama opterećivanja i pri naprezanju većem od granice razvlačenja. Kod vlačnog ispitivanja, ispitni uzorak se jako izdužuje (i do 100%), a poprečni presjek se dosta smanjuje prije loma.

15.3.2016.

29

Žilavi lom

Kako dolazi do žilavog loma?

Žilavi lom

Mikropore se formiraju na uključcima, intermetalnimspojevima ili na granicama zrna.

Čestice oko kojih se formiraju mikropore

mikroporaSjedinjavanje

mikropora

Žilavi lom

Žilavi lom okruglog ispitnog uzorka: a) mjed; b) aluminij (b)

a) b) Žilavi lom plosnatog

ispitnog uzorka

• Pukotina raste relativno sporo (stabilno). Ona odolijeva daljnjem širenju, ako naprezanje ne raste.

• Lomna površina je zagasita i hrapava.

15.3.2016.

30

Žilavi lom

Ljevkasti oblik prijelomne površine

Žilavi lom

• Kod žilavog loma tehničkih materijala na prijelomnoj površini su prisutne udubine nastale plastičnom deformacijom metalne matrice oko čestica koje u pravilu imaju veću tvrdoću od same matrice. Stoga se takav lom naziva jamičasti.

• Jamice se mogu javiti i u slučaju kada u makrorazmjerima nije prisutna plastična deformacija (visokočvrsti čelici).

• Žilavi lom je uvijek transkristalan (napreduje kroz kristale)

Žilavi lom

Jamice sa česticama

Kuglaste jamice Stožaste jamice

Plitke jamice

Oblici jamičastog loma

15.3.2016.

31

Krhki lom

Krhki lom je takav lom kod kojeg pod djelovanjem naprezanja ne postoji plastična deformacija u blizini loma. Osim sklonosti samog materijala (sivi lijev), krhki lom se javlja kod sniženih temperatura i velikih brzina prirasta naprezanja.

Krhki lom

• Kod krhkog loma pukotine se šire vrlo brzo (nestabilno) uz nikakvu ili zanemarivu plastičnu deformaciju. Pukotine kontinuirano propagiraju bez prirasta naprezanja.

• Svijetla prijelomna površina

Krhki lom

• Lom od umora materijala uvijek je pretežno krhak, tj. bez plastične deformacije strojnog dijela u okolini prijelomne površine.

Područje trenutnog -krhkog loma

Područje trajnog loma

• Krhki lom može biti transkristalan ili interkristalan.

15.3.2016.

32

Krhki lom

• Transkristalni krhki lom → pukotina se širi pucanjem veza između atoma u određenim ravninama kristalne rešetke. Kod BCC rešetke to je najčešće ravnina {100}, a kod HCP rešetke {0001}.

Transkristalni rascjepni lom

Krhki lom

• Interkristalni krhki lom → javlja se zbog osiromašenja granica zrna nekim od elemenata ili oslabljivanja granica zrna djelovanjem kemijske korozije, oksidacije, visokih temperatura (puzanje).

Interkristalna pukotina

Krhki lom

Krhki lom keramičkih materijala

• Većina keramika (kod sobne temperature) puca bez pojave bilo kakve plastične deformacije.

Tipični oblici pukotina za četiri najčešća načina opterećivanja

15.3.2016.

33

Krhki lom

Prijelomna površina sinterirane SiO2šipke promjera 6 mm

Karakteristike lomnog ponašanja keremika:

- izvorišna točka;- glatko zrcalno područje;- grananje pukotine nakon

dostizanja kritične brzine: - zagasito područje- nazubljeno područje

Temperatura prijelaza žilavosti u krhkost

• Prije 2. svjetskog rata: Titanic • 2. svjetski rat: Liberty brodovi

• Katastrofalne posljedice za zavarene brodske konstrukcije, iznenadna naprslina (cijepanje) duž cijelog opsega broda, oplate su načinjene od čelika s prijelaznom temperaturom oko sobne


• Legure s FCC rešetkom:- visoka žilavost

• Visokočvsti materijali: - niska žilavost

• Legure s BCC rešetkom:- žilavost ovisi o

temperaturi

• Prijelazna temperatura žilavosti: temperatura koja odvaja područje žilavosti od područja krhkosti

• Sklonost žilavom / krhkom lomu ovisi o temperaturi.

Utjecaj temperature ispitivanja na udarni rad loma za različite materijale

Uda

rni r

ad lo

ma

Temperatura

)

15.3.2016.

34


Prijelomne površine nakon ispitivanja udarnog rada loma pokazuju promjene u duktilnosti pri ispitnim temperaturama od -59 °C do 79 °C

Koncepti mehanike loma

1 - linearno-elastičnadeformacija

2 - stvaranje ograničeneplastične zone

3 - elastično-plastičnadeformacija

4 - svekoliko tečenje

• Na osnovi različitog ponašanja materijala Irwin je 1954. godine predložio definicije kriterija loma strojnih dijelova odnosno ispitnih uzoraka koji sadrže pukotine.

Stadiji deformacije čvrstog tijela koje sadrži pukotinu

Koncepti mehanike loma

1. Linearno-elastična mehanika loma (LEML),

2. Linearno-elastična mehanika loma s ograničenim tečenjem,

3. Elastično-plastična mehanika loma (EPML)

15.3.2016.

35

LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA

• LEML - Koncept mehanike loma koji omogućuje kvantitativnu analizu procesa loma u uvjetima linerano-elastične deformacije sve do loma (krhki materijali).

• Vrijednosti lomne čvrstoće za većinu krhkih materijala značajno su niže od teorijskih vrijednosti koje proizlaze iz idealne kristalne strukture.

• Razlog tomu su vrlo male mikrostrukturne pogreške ili pukotine prisutne u materijalu.

• Pogreške ili pukotine djeluju kao lokalni koncentratori naprezanja koji višestruko povećavaju naprezanje na tim izdvojenim lokalitetima.


• Kada naprezanje dosegne kritičnu vrijednost stvara se inicijalna pukotina koja pod određenim uvjetima može dalje propagirati što će u konačnici rezultirati lomom.

• Načini razmatranja procesa loma:

a) analiza raspodjele naprezanja pri vrhu pukotine,

b) sagledavanje energetske bilance kod širenja pukotine


αk – faktor oblikaσn - nazivno naprezanje

Koncept intenziteta naprezanja• Pukotina se može smatrati graničnim slučajem zareza s

polumjerom zaobljenosti ρ≈0, te se na taj način analiza raspodjele naprezanja pri vrhu pukotine nastavlja na utjecaj zareza na koncentraciju naprezanja.

15.3.2016.

36


Maksimalno naprezanje u korijenu zareza eliptičnog oblika (σmax):

σn - nazivno naprezanjea - velika poluos elipseρ - polumjer zaobljenosti zareza

Za a » ρ


• Za opis polja (rasporeda) naprezanja oko pukotine uvodi se veličina faktora intenzivnosti naprezanja (K):

• Normalna i smična naprezanja (σij) u blizini vrška pukotine :

K - faktor intenzivnosti naprezanjar i θ - polarne koordinatefij – bezdimenzijska funkcija

Faktor intenzivnosti naprezanja fizikalno predstavlja mjerilo intenziteta porasta naprezanja u području oko vrha pukotine.


• Ovisno o vrsti naprezanja razlikuju se tri načina otvaranja pukotine: KI KII KIII

a) Jednostavno otvaranje pukotine je najčešće u praksi. Odvija se na način da se površine loma udaljavaju jedna od druge. Susreće se kod strojnih dijelova s vanjskim i unutrašnjim pukotinama, opterećenih vlačnim ili savojnim naprezanjem, te kod konstrukcija podvrgnutih unutrašnjem pritisku.

a) b) c)

b) Uzdužno smicanje odvija se na način da površine loma klize uzdužno jedna po drugoj.

c) Poprečno smicanje odvija se na način da površine loma klize poprečno jedna po drugoj.

15.3.2016.

37


Naprezanje u blizini vrška pukotine za θ =0:

KI - faktor intenzivnosti naprezanja za modus otvaranja I

r - polarna koordinata

a - polovina duljine pukotine

Za a << W


Faktor intenzivnosti naprezanja za modus I (KI):

σn – nazivno naprezanjea – polovina duljine pukotinef – korekturna funkcija (ovisi o dimenzijama

strojnog dijela i geometriji pukotine)


Utjecaj amplitude faktora intenzivnosti naprezanja na brzinu rasta pukotine u

uvjetima promjenjivog opterećenja

Stadiji širenja pukotine:(I) - iniciranje pukotine, (II) - stabilna propagacija -

podkritično širenje pukotine,(III) - nestabilna propagacija -

nadkritično širenje pukotine

15.3.2016.

38


• Brzinu rasta pukotine (da/dN) u području stabilnog širenjadefinira Paris-Erdoganova jednadžba:

da/dN=C·(∆K)m

∆K – amplituda faktora intenzivnosti naprezanja,C, m - konstante (ovise o vrsti i stanju materijala, srednjem

naprezanju, utjecaju okolnog medija)

• Paris-Erdoganova jednadžba za:

- aluminijeve toplinski očvrstljive legure:

da/dN=3,1·10-7·(∆K)3

- titanove legure:

da/dN=3,55·10-9·(∆K)4


• Kriterij za lom kod LEML-a je početak nestabilnog širenja jedne do tada mirujuće pukotine dostizanjem kritične vrijednosti faktora intenzivnosti naprezanja u uvjetima ravninskog stanja deformacije.

• Uvjet rasta pukotine:

K ≥ Kc

σ·(a·π)1/2·f

• Najveće, najnapregnutije pukotine prve rastu.


• Kritična vrijednost faktora intenzivnosti naprezanja pri kojoj pukotina započinje nestabilno širenje u uvjetima ravninskog stanja deformacije naziva se

LOMNA (PUKOTINSKA) ŽILAVOST i označava s KIc, KIIc, KIIIc ovisno o načinu otvaranja pukotine.

15.3.2016.

39


• Lomna žilavost karakterizira žilavost čvrstih, tvrdih i krhkih materijala poput:

– keramika, – tvrdih metala, – toplinski očvrstljivih aluminijevih legura, – precipitacijski očvrstljivih titanovih legura, – visokočvrstih i ultračvrstih čelika …


• Lomna žilavost omogućuje računanje kritičnog naprezanja pri kojem dolazi do loma, uzimajući u obzir pogreške u materijalu nastale tijekom izrade ili uporabe (provjera pouzdanosti konstrukcije za poznato naprezanje i veličinu pogreške).

• Kritično naprezanje (σc):

Što je pukotina veća tim je manje kritično naprezanje pri kojem dolazi do loma.

• Od svih karakteristika koje određuju žilavost (Charpy, Izod…) jedino se lomna žilavost može koristi kao proračunska veličina.

Ic


• Poznavanjem lomne žilavosti moguće je proračunati i kritičnu veličinu pogreške (ac) koja će dovesti do loma pri zadanom naprezanju:

• Usporedba materijala na osnovi tolerirane veličine pogreške ovisi o omjeru KIc/Rp0,2:

- Što je omjer KIc/Rp0,2 veći to se tolerira veća (duža) pukotina, odnosno pogreška u mikrostrukturi materijala, pri definiranim konstrukcijskim faktorima.

- Materijali s niskim omjerom KIc/Rp0,2 osjetljivi su na postojanje pukotina i pogrešaka (osjetljivi na zareznodjelovanje)

15.3.2016.

40


• Ako postoji pogreška u materijalu uobičajeni pristup proračunu s pomoću faktora sigurnosti i dopuštenih naprezanja nije prihvatljiv, naročito ako se radi o utjecaju:

- zaostalih naprezanja od zavarivanja, toplinske obrade i sl.,

- niske radne temperature, - udarnom ili promjenjivom opterećenju,- agresivnom djelovanju okoline, - velikim dimenzijama dijela

• Kod materijala osjetljivih na zarezno (urezno) djelovanje, dimenzioniranje i proračun konstrukcije mora se temeljiti na vrijednosti lomne žilavosti.


• Osim o naprezanju, geometriji pukotine, veličini dijela lomna žilavost također ovisi o sastavu i mikrostrukturi materijala.

• Vrijednosti lomne žilavosti bitno se razlikuju za pojedine skupine i podskupine materijala i variraju od 0,63 MPa·m1/2 za polimere do 411 MPa·m1/2 za nelegirane čelike.

• Žilavi materijali imaju KIc > 60 MPa·m1/2


Utjecaj debljine dijela na lomnu žilavost

15.3.2016.

41


• Odnos debljine stijenke (B) i faktora intenzivnostinaprezanja (KI ):

Re - granica razvlačenjaβ - koeficjent

β < 1....1,3 – onemogućena deformacija (ravan prijelom) tj. nastupa razdvojni (ravninski) lomβ = 4.....6 – prijelaz u mješovito stanje naprezanja ili deformacije, raste udio smičnog loma, mješoviti (smično-razdvojni) lomβ > 10 – lom je potpuno smičan (troosno stanje deformacije, ravninsko stanje naprezanja)

LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA S OGRANIČENIM TEČENJEM

Prema Irwinovom modelu pukotine i kod makroskopski krhkog loma dolazi do plastične deformacije odnosno formiranja plastične zone pri vrhu pukotine.

• Ako je plastično deformirana zona zanemarivo mala u odnosu na dimenzije strojnog dijela efektivna duljina pukotine se povećava za radijus plastične zone.

Efektivna veličina pukotine (aef):

aef= a + rpl

a - polovina duljine pukotinerpl - polumjer plastične zone pri vrhu pukotine

Efektivni faktor intenzivnosti naprezanja (Kef):

σ- naprezanjef – korekturna funkcijaW - širina strojnog dijela

2aef= 2a + 2rplili


15.3.2016.

42

Veličina plastične zone (rpl):

- ravninsko stanje naprezanja:

- ravninsko stanje deformacije:

KI - faktor intenzivnosti naprezanja za jednostavno otvaranje (modus I)

Re - granica razvlačenjaν - Poissonov koeficjent


Ravninsko stanje naprezanja

Ravninsko stanje deformacijePovršina

• Zbog prijelaza iz ravninskog stanja naprezanja u rubnom području u ravninsko stanje deformacije u jezgri plastična zona ima oblik „pasje kosti”.

• Plastična se zona smanjuje s porastom debljine stijenkestrojnog dijela ili epruvete te smanjenjem mogućnosti poprečne deformacije.


• Uvođenjem efektivne duljine pukotine odnosno efektivne lomne žilavosti proširuje se područje primjenjivosti LEML-a ukoliko su zadovoljeni uvjeti:

Dimenzije plastično deformirane zone moraju biti znatno manje od duljine pukotine.

Nazivno naprezanje mora biti niže od granice razvlačenja.


15.3.2016.

43

ELASTIČNO-PLASTIČNA MEHANIKA LOMA

• Koncept linearno-elastične mehanike loma nije primjenjiv ako je područje plastične deformacije pri vrhu pukotine toliko veliko da se ono više ne može zanemariti u odnosu na veličinu pukotine i dimenzije strojnog dijela.

• Primjenjivost LEML-a kod većine konstrukcijskih materijala vrlo je ograničena i to u uvjetima vrlo niskih radnih temperatura ili velike debljine stjenke.

• U slučaju većih plastičnih deformacija prije loma primjenjiv je koncept elastično-plastične mehanike loma (EPML).

ELASTIČNO-PLASTIČNA MEHANIKA LOMA

• EPML dopušta određivanje mehaničkih svojstava na području mehanike loma i izvan područja primjenjivosti LEML-a odnosno za tankostjene strojne dijelove ili ispitne uzorke manjeg poprečnog presjeka.

• EPML omogućava formuliranje kriterija moguće havarije za elastično-plastično ponašanje materijala prije pojave loma. Ti se kriteriji odnose na stabilno širenje pukotine nakon njezinog iniciranja. Nužnost primjene takvih kriterija je i u slučaju kada se pukotina inicirana u području lokalne plastične deformacije (npr. posljedica koncentracije naprezanja) ili u području lokalne krhkosti (npr. zavar ili utjecaj okolišnog medija) počinje širiti stabilno, a potom u elastično deformiranom području nastavlja stabilno ili nestabilno kretanje.

Ispitivanje lomne žilavosti

UVIJETI:1. Dimenzije epruvete moraju biti znatno veće od veličine

plastične zone pri vršku pukotine;

2. U trenutku nestabilnog širenja pukotine mora postojatimogućnost precizne registracije opterećenja;

3. Za odgovarajuću geometriju epruvete mora biti poznatajednadžba, tj. odnos između faktora intenzivnosti naprezanja,nazivnog naprezanja i duljine pukotine

15.3.2016.

44


Kompaktna vlačna epruveta

a=(0,45 do 0,55)W


Epruveta za trotočkasto savijanje

a=(0,45 do 0,55)W


Postupak ispitivanja:

- stvaranje realne pukotine promjenljivimnaprezanjem na umaralici (pulzatoru)

- statičko ispitivanje do loma uz snimanje dijagramasila-proširenje pukotine na univerzalnoj kidalici

15.3.2016.

45


1 - mjerač proširenja pukotine2 - naprava za savijanje 3 - x-y pisač



15.3.2016.

46


Prijelomna površina ispitnog uzorka


• Kriteriji LEML-a koji se odnose na ravninsko stanje deformacije:

– širina epruvete:

– duljina pukotine:

Korelacija lomne žilavosti i granice razvlačenja

15.3.2016.

47


Materijal Rp0,2,MPa

KIc,MPa·m1/2

MetaliAluminijeva legura - AlZnMgCu(7075-T651) 495 24

Aluminijeva legura - AlCuMg(2024-T3) 345 44

Titanova legura (TiAl6V4) 910 55Niskolegirani Cr-Ni-Mo čelik- Kaljen i popušten na 260 °C- Kaljen i popušten na 425 °C

16401420

50,087,4

KeramikeStaklo - 0,7 - 0,8Aluminijev oksid - 2,7 - 5,0

PolimeriPolistiren (PS) 25,0 - 69,0 0,7 - 1,1Poli(metil-metakrilat) (PMMA) 53,8 - 73,1 0,7 - 1,6Polikarbonat (PC) 62,1 2,2

Vrijednosti granice razvlačenje i lomne žilavosti za neke materijale



Oznaka čelika Rp0,2,MPa

KIc,MPa·m1/2

Čelici za poboljšavanje

34CrMo4 450 66,442CrMo4 480 60,034CrNiMo6 1300 80,0

Brzorezni čelik26NiCrMoV14-5 670 136,6

Vrijednosti granice razvlačenje i lomne žilavosti za odabrane čelike

15.3.2016.

48


Oznaka legure Rp0,2,MPa

KIc,MPa·m1/2

Durali

AlCuMg 440 27,8AlCuMg2 510 25,6

KonstruktaliAlZnMgCu1,5 500 28,8AlZnMgCu2 450 23,8

Vrijednosti granice razvlačenje i lomne žilavosti za odabrane Al-legure


Ovisnost lomne žilavosti o temperaturi

Documents

MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA · PDF file15.3.2016. 1 MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA Prof.dr.sc. Danko Ćorić • Puzanje materijala - Definicija i utjecajne