Praktikum Materijali 1

SVEUILITE U SPLITU SVEUILINI ODJEL ZA STRUNE STUDIJE

Studij konstrukcijskog strojarstva

MATERIJALI I

PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VJEBE

Razradio: Igor Gabri, pred.

Split, 2013.

Studij konstrukcijskog strojarstva 2

Sadraj

VJEBA br. 1 - VRSTE I SVOJSTVA TEHNIKIH MATERIJALA ............................... 3

VJEBA br. 2 - KRIVULJA GRIJANJA I HLAENJA ISTOG METALA .................... 9

VJEBA br. 3 - ALOTROPSKE MODIFIKACIJE / TOPLINSKA VODLJIVOST MATERIJALA ........................................................................................ 15

VJEBA br. 4 - KRIVULJE GRIJANJA I HLAENJA LEGURA .................................. 20

VJEBA br. 5 - METALOGRAFIJA ................................................................................. 24

VJEBA br. 6 - EUTEKTIKI DIJAGRAMI SLIJEVANJA ............................................ 29

VJEBA br. 7 - EUTEKTIKI DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I POTPUNE

NERASTVORIVOSTI U KRUTNINI / DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I KRUTNINI ............................................................................................. 37

VJEBA br. 8 - PERITEKTIKI DIJAGRAM SLIJEVANJA .......................................... 43

VJEBA br. 9 - STABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe C ....................................... 47

VJEBA br.10 - METASTABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe Fe3C ...................... 54

VJEBA br.11 - VLANA PROBA ................................................................................... 60

VJEBA br.12 - ISPITIVANJE TVRDOE: METODA PO BRINELL-u, VICKERS-u i POLDY-u .......................................................................... 64

VJEBA br.13 - ISPITIVANJE TVRDOE: PO METODI ROCKWELL-B,

ROCKWELL-C i SHORE ........................................................................ 71

VJEBA br.14 - ISPITIVANJE DINAMIKE IZDRLJIVOSTI ISPITIVANJE UDARNE ILAVOSTI PO CHARPY-u ......................... 77




MATERIJALI I

VJEBA br.1

VRSTE I SVOJSTVA TEHNIKIH MATERIJALA


Split, 2013.


Svrha vjebe je upoznavanje materijala koji se susreu u praksi i naina na koji se ti

materijali mogu raspoznavati. U drugom dijelu vjebe opisana su mehanika svojstva

materijala i kvalitativni naini usporedbe tih svojstava kod razliitih materijala.

A.) VRSTE MATERIJALA I NJIHOVO RASPOZNAVANJE

A1.) VRSTE TEHNIKIH MATERIJALA

Materijali koji se najee susreu u strojarskoj i brodograevnoj praksi:

- metali

- polimeri

- keramike

- kompoziti (kombinacije gore navedenih materijala)

- drvo

Metali:

- gvoa (legure na bazi eljeza i ugljika kao osnovnih legirnih elementa za nelegirane i

legirane elike te ljevove uz dodatke legirnih elemenata Cr, Ni, Mn, Si, V, Cu, Al,

Ti, Nb, Mo, )

- aluminijske legure (vueni i valjani proizvodi te ljevovi)

- legure bakra (mjedi i bronce)

- ostale legure (na bazi titana, nikla, magnezija )

Polimerni materijali:

- elastomeri (guma)

- plastomeri ili termoplasti (zagrijavanjem omekavaju i mogu mijenjati oblik kojeg

nakon hlaenja zadravaju PVC, polietilen, politetrafluoretilen ili teflon, aramid ili

kevlar)

- duromeri ili duroplasti ili termostabili (zagrijavanjem ne mogu mijenjati oblik nego se

na odreenim temperaturama raspadaju bakelit, epoksidi, polieseteri, poliamidi i

silikoni)


Keramike:

- tradicionalne

o proizvodi od gline (lonci, posue)

o konstrukcijski materijali u graevinarstvu (opeka, crijep, beton)

o stakla (boce, laboratorijska oprema)

o vatrootporni materijali (kuhinjsko posue, opeke u peima amot)

o bijela keramika (sanitarije, emajl)

- industrijske

o termokeramika (lonci za taljenje na visokim temperaturama)

o elektrokeramika (poluvodii, izolatori)

o magnetokeramika (keramike sa izraenim magnetskim svojstvima)

o mehanokeramika (elementi strojeva podloni habanju, rezni alati)

o kemokeramika (kemijske instalacije)

o biokeramika (ortopedska i stomatoloka protetika)

o optokeramika (prozorska stakla)

Keramike su u osnovi karbidi, oksidi ili nitridi (kamen, porculan, rezne ploice)

Kompoziti:

Osnovu kompozita predstavlja matrica ojaana vlaknima ili esticama (armirani beton,

stakloplastika, drvo, aluminij ojaan staklenim vlaknima, keramika ojaana esticama

silicija karbida.) Razlikujemo prirodne i umjetne, te mikro i makro kompozite.

Vlastita zapaanja ad A1.):


A2.) RASPOZNAVANJE MATERIJALA Tehniki materijali se mogu raspoznavati kako vizualno tako i izvoenjem odreenih

ispitivanja. Najee se raspoznaju prema nekima od navedenih svojstava:

- boja povrine

vizualno

- specifina teina

mjerenjem volumena i vaganjem

- refleksija svijetla (metalna povrina)

vizualno

- magnetinost

pomou magneta

- toplinska i elektrina vodljivost

pomou izvora topline

- mehanika svojstva materijala (tvrdoa, vrstoa, ilavost, rastezljivost)

tvrdoa - grebanjem uzoraka iz razliitih materijala jedan po drugom i usporedba

otisaka (tvri materijal ostavlja trag na mekemu, vrstoa i rastezljivost kidalica,

ilavost Sharpyev bat)

- priguenje zvuka nakon udara o povrinu predmeta

udarcem ekia o povrinu uzorka i mjerenjem vremena priguenja zvuka

- sposobnost obrade na sobnoj, snienoj ili povienoj temperaturi

deformiranjem uzoraka na razliitim temperaturama (savijanjem u kripcu)

- oblik i namjena predmeta (odljevci, otkivci )

razni dijelovi strojeva iz svakodnevnog ivota

Vlastita zapaanja ad A2.):


B.) SVOJSTVA MATERIJALA

Tehniki materijali se meusobno razlikuju po svojim svojstvima i to:

- mehanikim (tvrdoa, vrstoa, ilavost, elastinost)

- fizikalnim (gustoa, talite, viskozitet)

- tehnolokim (daju informaciju o njegovoj obradivosti sposobnost deformiranja u

hladnom i toplom stanju, zavarljivost, livljivost, toplinska obradivost)

KRUTOSTVRSTOAILAVOSTMASA

NISKA KRUTOST !

NISKA VRSTOA !

NISKA ILAVOST !

VELIKA MASA (GUSTOA) !

SVE U REDU !


B1.) TVRDOA MATERIJALA

Tvrdoa materijala jest otpornost na prodiranje stranog predmeta u njegovu povrinu. Ovo

mehaniko svojstvo se moe odrediti kvalitativno usporednom metodom:

- zadiranjem jednog materijala u drugi (dali materijal ostavlja trag u drugom materijalu

nakon pokuaja zadiranja u njega usporedbom uinaka zadiranja moemo odrediti koji je

materijal tvri)

- te utiskivanjem penetratora uz pomo tvrdomjera istom silom i usporedbom veliine

otiska

U tehnikoj praksi tvrdoa materijala se mjeri kvantitativno koristei razne standardizirane

metode i opremu za mjerenje tvrdoe.

B2.) SPECIFINA MASA (GUSTOA)

Vaganjem i mjerenjem volumena valjia iz razliitih materijala moemo odrediti njihovu

specifinu masu prema izrazu

=3)(

)(

m

kg

volumenV

masam . Na osnovu gustoe metale dijelimo na

lake i teke.

B3.) SPOSOBNOST PREVIJANJA

Pokus se izvodi pomou naprave prikazane na slici preko zakaljenih elinih valjaka.

Shematski prikaz pokusa previjanja ice

Pod jednim previjanjem smatra se savijanje iz poetnog poloaja za 90 u jednu stranu, te

natrag do poetnog poloaja. Vano je previjanje obaviti u pravilnim vremenskim intervalima

(jedno previjanje u jednoj sekundi) zbog utjecaja zagrijavanja uslijed unutranjeg trenja

materijala ice. Ukupan broj previjanja do prekida predstavlja mjeru sposobnosti za

izmjenino previjanje.




MATERIJALI I

VJEBA br.2

KRIVULJA GRIJANJA I HLAENJA ISTOG METALA


Split, 2013.


A) ELASTINOST

Elastinost materijala jest njegova sposobnost da se nakon prestanka djelovanja optereenja

vrati u prvobitni poloaj. Trake iz razliitih materijala postavljamo u napravu prema slici 1. i

optereujemo razliitim optereenjima.

Tono na sredini i ispod trake postavi se komparator koji mjeri veliinu progiba za razliita

optereenja. Nakon rastereenja treba provjeriti dali se komparator vratio u poetni poloaj.

Ako se komparator vrati na poetni poloaj deformacija trake je bila u elastinom podruju.

Treba uoiti razlike u optereenju za postizanje istog progiba za razliite materijale, te razlike

u elastinim deformacijama za ista optereenja. Takoer donijeti zakljuak o elastinosti

razliitih materijala.

Ukoliko se posluimo izrazima iz nauke o vrstoi materijali koritenjem rezultata pokusa za

elastino podruje deformacija moe se odrediti Young-ov modul elastinosti za ispitivane

materijale. Izraz za progib sredine grede slobodno oslonjene na dva oslonca i optereene u

sredinjem djelu silom F moe se pronai u prirunicima. U tablici 2 prikazani su izrazi za

razliite sluajeve uvrenja i optereenja grede.


Tablica 1. Tablica 2.

Dakle za promatrani sluaj izraz za progib glasi:

[1]

gdje je: udaljenost oslonaca grede

Young-ov modul elastinosti (svojstvo materijala)

moment inercije plohe (prema tablici 1)

Dakle: [2]

gdje je: irina poprenog presjeka grede

visina poprenog presjeka grede

Uvrtavanjem izraza [2] u [1] te sreivanjem slijedi:

Uvrtavanjem podatka dobivenih pokusom odrediti priblinu vrijednost modula elastinosti

elika, bakra, aluminija i nehrajueg elika dimenzije presjeka 30x3 mm, te za aluminij

dimenzije presjeka 50x3 mm.


B) KRIVULJA GRIJANJA I HLAENJA ISTOG METALA Prema shematskom prikazu na slici treba izvriti zagrijavanje olova u loncu pomou plamenika. Talite olova je na 327C. Zagrijavanje pratiti do temperature 400C. Koristiti se satom i digitalnim termometrom s uronjivim termoparom te u pravilnim vremenskim razmacima oitavati temperature prilikom grijanja i hlaenja. Dobivene podatke o vremenu i temperaturi unositi u tablicu. Tabline podatke prikazati u dijagramu -t.

Shematski prikaz grijanja metala

Uoiti slijedee pojave i objasniti:

- mjesto pojave prve taline kod grijanja - stojite na temperaturi taljenja - zato je preostala krutnina potonula u talini prilikom grijanja - mjesto nastajanja prve krutnine prilikom hlaenja - stojite na temperaturi skrutita - usahlinu u sredini lonca nakon skruivanja - razliku temperatura talita i skrutita (temperaturnu histerezu)

Utjecaj brzine hlaenja na

stojite

a vrlo sporo hlaenje; b vrlo sporo zagrijavanje; c bre hlaenje; d vrlo brzo hlaenje.

min

d.


Kristalizacija metala

Nakon zavretka pokusa nacrtati dijagrame grijanja i hlaenja prema podacima u tablici.

Utjecaj brzine hlaenja na brzinu nastajanja klica kristalizacije i brzinu rasta kristala

Utjecajni faktori na veliinu i oblik zrna:

- brzina hlaenja - brzina nastajanja klica kristalizacije (umjetne klice cjepiva) - brzina rasta klica kristalizacije - usmjereno hlaenje

a klice i poetak skruivanja; b c napredovanje skruivanja; d zavretak skruivanja.

a) b)

c) d)


Poligonalni tapiasti igliasti ploasti

Neki ei oblici kristalnih zrna u metalu

hlaenje: grijanje:

[m

in]

t [

C]

[m

in]

t [

C]

[m

in]

t [

C]

[m

in]

t [

C]

0 345 11 0 290 11

0,5 11,5 0,5 11,5

1 12 1 12

1,5 12,5 1,5 12,5

2 13 2 13

2,5 13,5 2,5 13,5

3 14 3 14

3,5 14,5 3,5 14,5

4 15 4 15

4,5 15,5 4,5 15,5

5 16 5 16

5,5 16,5 5,5 16,5

6 17 6 17

6,5 17,5 6,5 17,5

7 18 7 18

7,5 18,5 7,5 18,5

8 19 8 19

8,5 19,5 8,5 19,5

9 20 9 20

9,5 20,5 9,5 20,5

10 21 10 21

10,5 21,5 10,5 21,5

11 22 11 22

Bakrena ipka zaobljenih rubova Kristali dendriti esto se

nalaze u unutranjosti

odljevka

Bakrena ipka otrih rubova

hlaene mlazovima vode kod skruivanja

t [C]




MATERIJALI I

VJEBA br.3

ALOTROPSKE MODIFIKACIJE

TOPLINSKA VODLJIVOST MATERIJALA


Split, 2013.


Vjeba br. 3 A1.) ALOTROPSKE MODIFIKACIJE (promjene u krutnini)

Pojedini metali pokazuju sklonost da modificiraju svoju kristalnu reetku pri odreenim temperaturama kod grijanja ili hlaenja. Metali koji pokazuju ovo svojstvo, a najee ih susreemo u praksi su eljezo, kositar, kobalt, nikal, mangan i titan. Promjena reetke vezana je uz promjenu nekih svojstava metala: specifini volumen (plono centrirana kubna reetka ima veu popunjenost od prostorno centrirane kubne reetke), vrstoa, tvrdoa, elektrina vodljivost Na slici (strana 14) je prikazana krivulja hlaenja istog eljeza sa obiljeenim temperaturama alotropske modifikacije.

Na vjebama izvesti pokus alotropskih modifikacija eline ice promjera 2,5 mm. U napravi prema slici vriti emo zagrijavanje eline ice pomou izmjeninog izvora elektrine struje.

Uslijed elektrinog otpora u ici dolazi do zagrijavanja, zbog ega raste njezin volumen, a time se poveava i njena duljina. Ovo produljenje emo mjeriti pomou komparatora. Obratiti panju na promjenu boje ice za vrijeme zagrijavanja. Zagrijavanje emo izvriti do otprilike 1000C, nakon ega emo iskljuiti izvor struje i pratiti skraenje ice uslijed njenog hlaenja. Temperature procijeniti usporedbom s bojama uarenog elika! U izvjetaju navesti podatke o izmjerenim rezultatima te ukratko opisati ovisnost promjene mikrostrukture i volumena (duljine) ice.

Naprava za pokus alotropskih modifikacija

I=50 -100A U=20 V ~

3 mm


A2.) CURIE-EVA TOKA KOD NISKOUGLJINIH ELIKA Promjena magnetskih svojstava niskougljinog elika kod grijanja i hlaenja.

Pokus za verifikaciju Curie-eve toke

Kod zagrijavanja niskougljinih elika do temperature crvenog sjaja (za isto eljezo 768C) magnetina reetka (prostorno centrirana kubna reetka) prelazi u nemagnetinu reetku (prostorno centrirana kubna reetka). Kako smo vidjeli u prethodnoj vjebi alotropskih modifikacija, na krivulji grijanja, odnosno hlaenja na toj temperaturi imamo stojite. Pokus izvodimo na nain prema slici tako se jedna ica ne jednom kraju osloni na magnet, a drugim krajem se dovede u dodir sa drugom icom. Voditi rauna da ica koja je na magnetu mora biti sa gornje strane. Budui da se radi o feromagnetinim materijalima magnetske silnice se prenose sa magneta na ice i tako sprjeavaju da jedna od njih padne. Plamenom zagrijavamo mjesto spoja dviju ica tako dugo dok se vrhovi ne zagriju do temperature crvenog sjaja to odgovara temperaturi prelaska iz magnetinosti u nemagnetinost. Dostizanjem ove temperature (Curie-eva) jedna ica e pasti. Nakon hlaenja magnetska sila e opet djelovati.

OSLONAC

OSLONAC

ELINA ICA MAGNET

POSTOLJE PLAMENIK


MAGNETINO

NEMAGNETINO


B.) TOPLINSKA VODLJIVOST MATERIJALA Ispitujemo kvalitativno toplinsku vodljivost za razliite tehnike materijale i to: ugljinog elika, nehrajueg (CrNi) elika, mjedi, bakra i aluminija. Pokus izvodimo zagrijavanjem jednog kraja trake presjeka 3 x 30 mm i duljine 300 mm pomou izvora topline (elektrino kuhalo). Mjerenje temperature provodimo u pravilnim vremenskim intervalima na drugom kraju trake. Potrebno je osigurati iste uvjete za svih pet uzoraka (intenzitet grijanja, mjerno mjesto). Vremensku promjenu temperature prikazati tabelarno i u istom dijagramu za svih pet uzorka te kvalitativno zakljuiti o toplinskoj vodljivosti ispitanih materijala. Mjer.

br. Vrijeme

[s] Ugljini elik

Temp.[C] CrNi elik Temp.[C]

Mjed Temp.[C]

Bakar Temp.[C]

Aluminij Temp.[C]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Vlastita zapaanja ad B):

vrijeme [s]

t [C]




MATERIJALI I

VJEBA br.4

KRIVULJE GRIJANJA I HLAENJA LEGURA


Split, 2013.


Vjeba br. 4 A.) KRIVULJE GRIJANJA I HLAENJA LEGURA

A1.) PRIMJER POTPUNE RASTVORIVOSTI (u talini i u krutnini)

Karakteristika kod ovih legura prigodom grijanja i hlaenja, za razliku od istih metala jest taljenje i skruivanje u temperaturnom intervalu. Izvoenjem pokusa grijanja i hlaenja razliitih koncentracija ovakvih legura, tj. dobivanjem njihovih krivulja hlaenja, omoguena nam je izrada faznog dijagrama odreene legure, kako se to moe vidjeti na primjeru dobivanja binarnog dijagrama slijevanja Cu-Ni:

Do nastajanja legura dolazi mijeanjem metala s metalima, ali i drugim elementima (komponente). Razliiti elementi se razliito mijeaju tj. tvore:

a) kristale mjeance supstitucijskog tipa atomi rastvorene komponente zamjenjuju na pojedinim mjestima atome rastvaraa, dimenzije atoma obje komponente se ne razlikuju vie od 8%, element rastvaraa daje tip reetke legure

b) kristale mjeance intersticijskog tipa atomi rastvorene komponente se

ukljuuju u meuprostore kristalne reetke rastvaraa, atomi rastvorene komponente su znatno manjih dimenzija od atoma rastvaraa, velike deformacije reetke i kod malog sadraja rastvorene komponente, element rastvaraa daje tip reetke

c) kristale intermetalnog spoja tvore nove kristalne reetke razliite od

rastvaraa i rastvorene komponente, karakteristian toan omjer atoma komponenti u spoju

d) mehanike smjese kristala kod skruivanja na stalnoj

temperaturi nastaje fina smjesa kristala komponenata koja se moe promatrati kao jedna faza eutektikum eutektoid

% Ni


A2.) PRIMJER DJELOMINE RASTVORIVOSTI U KRUTNINI Verifikaciju konkretnog binarnog dijagrama slijevanja se izvodi pomou etiri uzorka dvokomponentne legure Pb Sn (olovo kositar zbog relativno niskog talita). Ove legure se u praksi esto koriste kao lemovi. Uzorci legura za koje emo snimati krivulje hlaenja su odabranog sastava i to:

Ucrtane krivulje hlaenja tretiranih legura

Uzorak br.1 100% Pb

[m

in]

t [

C]

[m

in]

t [

C]

0

Uzorak br.2 80% Pb 20% Sn

[m

in]

t [

C]

[m

in]

t [

C]

0

Uzorak br.3 40% Pb 60%Sn

[m

in]

t [

C]

[m

in]

t [

C]

0

Uzorak br.4 1% Pb 99%Sn

[m

in]

t [

C]

[m

in]

t [

C]

0

[min]

t [C]


Realni binarni dijagram slijevanja Pb Sn (eutektiki)

(preslikano s interneta)

Nakon zavrenog snimanja krivulja hlaenja sva etiri uzorka, izvriti verifikaciju crtanjem vertikala pripadajuih koncentracija u ponueni realni dijagram slijevanja i usporediti oitane karakteristine temperature s tokama na krivuljama hlaenja.

- Komentirati pojavu vremenskog intervala usporenja pada temperature kod hlaenja legura.

- Komentirati pojavu temperature stojita. Zadatak:

Dobivene rezultate snimanja krivulja hlaenja prikazati tablino i dijagramom. Dati kratki osvrt o pojavama na krivuljama hlaenja za razliite legure! Objasniti pojavu stojita na krivulji hlaenja i pojavu usporenog hlaenja!




MATERIJALI I

VJEBA br.5

METALOGRAFIJA


Split, 2013.


Vjeba br. 5 METALOGRAFSKO ISPITIVANJE METALA

1.) UVOD

Metalografija (opisivanje metala) je dio znanosti o metalima koji se bavi vezom izmeu dijagrama slijevanja, strukture i svojstava metala i legura. Osnovni zadatak metalografije je da pri odreenom kemijskom sastavu iz pregleda makro i mikro strukture odredi svojstva i ponaanje materijala pri danim uvjetima optereenja i da ukae na najpovoljniju strukturu za odreeni proces prerade ili podruje primjene. Osim toga metalografija je najvaniji postupak kontrole tekue proizvodnje. Premda metalografski postupci ispitivanja ne mogu dati odgovore na sva pitanja i probleme vezane uz materijale, bez njih se suvremeno ispitivanje metala i legura ne moe ni zamisliti.

2.) MIKROSTRUKTURNA ANALIZA Analiza mikrostrukture pomou svjetlosnog mikroskopa je jedan od najee primjenjivanih metalografskih postupaka ispitivanja. Cilj analize mikrostrukture je to vjernije i jasnije prikazati strukturu nekog materijala i odrediti vrstu, veliinu i koliinu pojedinih mikro konstituenata (faza) te njihovu raspodjelu. Jedan od uvjeta za kvalitetnu analizu mikrostrukture jest kvalitetna priprema ispitnih uzoraka.

3.) PRIPREMA METALOGRAFSKIH UZORAKA Kvalitetan ispitni uzorak za analizu mikrostrukture pomou svjetlosnog mikroskopa mora imati potpuno ravnu i glatku povrinu. Priprema takvog uzorka moe se podijeliti u nekoliko faza koje slijede jedna za drugom, to je shematski prikazano na slici 1.

Slika 1 Shematski prikaz procesa pripreme metalografskog uzorka

Promatranje

Poliranje

Bruenje

Zalijevanje

Rezanje


4.) SADRAJ VJEBE Ovisno o cilju ispitivanja prvo treba odrediti na kojem dijelu ispitivanog komada i u kojem poloaju treba biti povrina ispitnog uzorka, nakon ega slijedi rezanje uzorka. Uzorci su relativno malih dimenzija (oko 15x15x10mm), ali ovisno o potrebama i raspoloivoj opremi za pripremu i analizu dimenzije uzoraka mogu biti i vee. Rezanje treba obaviti uz intenzivno odvoenje topline kako ne bi dolo do strukturnih promjena ispitivane povrine.

Slika 2 Ureaj za rezanje uzoraka

Nakon rezanja uzorak se zalijeva u umjetnu smolu. Zbog malih dimenzija, nepravilnog oblika, ali i potrebe uvida u mikrostrukturu na rubovima uzorka najee se uzorci prije bruenja trebaju zaliti u posebna sredstva koja omoguuju njihov prihvat i kvalitetnu pripremu. Zalijevanje moe biti toplo, preanjem s granulatom na povienim temperaturama do 180oC i tlaku do 4 bara, (npr bakelit, termoplaste na akrilnoj bazi, epoksidna smola), ili hladno uz pomo dvo ili tro komponentnih sredstava (npr. acryl, polyester, epoxidne smole). Na slici 3 nalazi se nekoliko primjera toplo (a) i hladno (b) zalivenih uzoraka.

Slika 2 Primjeri toplo (a) i hladno (b) zalivenih metalografskih uzoraka


Priprema se dalje nastavlja bruenjem i poliranjem povrine ispitnog uzorka. Bruenje je najagresivniji postupak odnoenja materijala u postupku pripreme uzorka. Kod bruenja abraziv je uvren na podlogu, najee papir ili platno. Brusni papir je gradiran prema veliini abrazivnog zrna. Oznake na brusnim papirima se odnose na broj rupica na situ u duljini 1 ina - 25,4 mm (npr. na brusnom papiru oznake P240 abrazivna zrnca su prosijana kroz sito koje na duljini 1 ina ima 240 rupica). Za pripremu uzoraka koriste se brusni papiri finoe od P120 do P2000. Pri bruenju se u svakom sljedeem stupnju koristi se brusno sredstvo sa sve finijim esticama. Bruenje se moe obavljati runo ili pomou posebnih ureaja za pripremu uzoraka.

Slika 3. Ureaj za runu pripremu uzoraka Slika 4. Ureaj za poliranje uzoraka

Poliranje je najee zavrni korak u pripremi uzoraka pri kojem se uklanjaju ogrebotine i postie visoko sjajna povrina. Abraziv (najee u obliku paste) se slobodno giba izmeu uzorka i fine tkanine za poliranje. Koji e se postupak primijeniti i s kojom granulacijom abraziva ovisi o materijalu uzorka. Najei postupci su ipak grubo i fino bruenje te zavrno poliranje. Ti postupci mogu biti provedeni runo ili strojno, slika 3,4 i 5.

Slika 5 Ureaj za bruenje i poliranje uzoraka.


esto se koristi i i elektrolitiko poliranje povrine. U odnosu na mehaniko poliranje ovo je bolji postupak jer se povrina uzorka plastino ne deformira, a skrauje se i vrijeme pripreme. Ispitni uzorci se poslije poliranja peru u toploj ili hladnoj vodi, ispiru u alkoholu i sue u struji toplog zraka. Razvijanje strukture Ponekad je dovoljno promatranje povrine uzorka pri manjim ili veim mikroskopskim poveanja u poliranom stanju, ali u najveem broju sluajeva, ipak je potrebno uiniti vidljivim pojedine konstituente i/ili faze, tj. potrebno je razviti strukturu. To se postie primjenom razliitih sredstava i postupaka za nagrizanje povrine ispitnih uzoraka. Prema nainu na koji djeluje svako nagrizanje se moe svrstati u:

- nagrizanje po granicama zrna pri kojem se nagrizaju iskljuivo granice zrna metala

ili legure, a pojedina zrna se ne razlikuju po obojenju, ili - povrinsko nagrizanje zrna poslije kojeg se kristali pojedinih faza razlikuju po izgledu.

Zadatak Prema opisanom postupku izvriti pripremu metalografskog uzoraka te obaviti mikroskopsko promatranje strukture jednog uzorka iz nelegiranog elika i drugog iz sivog lijeva.




MATERIJALI I

VJEBA br.6

EUTEKTIKI DIJAGRAMI SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I

DJELOMINE RASTVORIVOSTI U KRUTNINI


Split, 2013.


EUTEKTIKI DIJAGRAM SLIJEVANJA Promatramo primjer eutektikog sustava Cu Ag sa djelominom rastvorivou u krutnini. Dobivanje dijagrama snimanjem krivulja hlaenja za razliite koncentracije. Karakteristina podruja u dijagramu:

- homogeno podruje taline T iznad linije A-B-C - heterogeno podruje + T u podruju A-B-D - heterogeno podruje + T u podruju B-C-E - homogeno podruje u podruju A-D-F- 0% - homogeno podruje u podruju H-E-C-100%

- heterogeno podruje + ( ee + ) u podruju F-D-B-G - heterogeno podruje + ( ee + ) T u podruju B-G-H-E

Karakteristine linije:

- likvidus linija A-B-C - solidus linija A-D-B-E-C - linija rastvorivosti atoma Cu u mjeancu A-D-F - linija rastvorivosti atoma Ag u mjeancu C-E-H

Eutektika koncentracija (oko 30%) koncentracija B (skruivanje pri konstantnoj temperaturi)

A

B

C

D E

F H G


Poluni zakon faza: Uzmemo li isjeak iz dijagrama slijevanja:

Odreivanje udjela taline i krutnine za koncentraciju x na temperaturi T2:

talina T : krutnina K = ________

: YZXY ; odnosno:

koliina ____

____

XZ

XYT = *100 [%] i koliina

____

____

XZ

ZYK = *100 [%]

Odreivanje koncentracija taline i krutnine Npr. koncentracija taline i krutnine na temperaturi T2 oita se pomou okomica, na apscisi: koncentracija taline T okomica iz Z na apscisi = x3 koncentracija krutnine K okomica iz X na apscisi = x2 prosjena koncentracije smjese (T+K) okomica iz Y na apscisi = x Crtanje dijagrama koliinskog udjela pojedinih faza za odreenu koncentraciju i odreenu temperaturu

(T) (K) (K+T)

(K) (T)

prva K

zadnja T


Na temp. tx (vidi donji dijagram) imamo:

- do koncentracije x homogeni fazni sastav satkan samo od mjeanaca ` (svih 100%) - kod koncentracije xe imamo eutektiku smjesu (e+e) (svih 100%) u kojoj je:

koliina [ ]%100

=

xx

xx ee , a koliina [ ]%100

=

xx

xxee

- iznad koncentracije x homogeni fazni sastav satkan samo od mjeanaca `(svih 100%). Za koncentraciju x (vidi dijagram desno) imamo prigodom hlaenja:

- do temp. t1 homogeni fazni sastav satkan samo od taline T(svih 100%) - od temp. t1 do t2 heterogeni fazni sastav satkan od `+T - od temp. t2 do t3 opet homogeni fazni sastav satkan samo od krutnine ` (svih 100%) - od temp. t3 do sobne heterogeni fazni sastav satkan od `+(e+e)

Npr. na temp tx imamo koliinski udio (prema dijagramu desno):

koliina [ ]%10034___

==

e

e

xx

xx

; a koliina [ ]%10013___

==+=

e

eexx

xxE

.

a unutar izraunate koliine eutektikuma je koliinski udio :

koliina [ ]%10012___

==

xx

xx ee ; a koliina [ ]%10023

___

==

xx

xxee .

t1

t2

t3

x x

tx

x




MATERIJALI I

VJEBA br.7

EUTEKTIKI DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I

POTPUNE NERASTVORIVOSTI U KRUTNINI

DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I

KRUTNINI


Split, 2013.


Zadatak 1: Konstruirati dijagram slijevanja prema priloenim krivuljama hlaenja na strani 2. Dobiveni dijagram imenovati punim nazivom te u karakteristina podruja upisati odgovarajue faze. Za zadane koncentracije i temperature na strani 3 izraunati i nacrtati dijagrame koliinskih udjela. Nacrtati metalografske skice za legure prema slici na strani 4.


ZADATAK 2. Konstruirati dijagram slijevanja prema priloenim krivuljama hlaenja na strani 5. Dobiveni dijagram imenovati punim nazivom te u karakteristina podruja upisati odgovarajue faze. Za zadane koncentracije i temperature na strani 6 izraunati i nacrtati dijagrame koliinskih udjela te metalografske skice.




MATERIJALI I

VJEBA br.8

PERITEKTIKI DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I

DJELOMINE RASTVORIVOSTI U KRUTNINI


Split, 2013.


Zadatak 1: Imenovati dijagram prikazanog na slici punim nazivom. Upisati odgovarajue faze u dijagramu slijevanja na strani 2. Nacrtati krivulje hlaenja za koncentracije 5%B, 20%B, xp, 45%B i 60%B. Za zadane koncentracije i temperature na strani 3 nacrtati dijagrame koliinskih udjela (koliinske udjele faza odrediti raunski pomou polunog zakona). Nacrtati metalografske skice za koncentracije i temperature prema slici na strani 4.




MATERIJALI I

VJEBA br.9

STABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe C


Split, 2013.


VJEBA br.9 - DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe C (stabilni)

Stabilni dijagram slijevanja Fe - C

Heksagonska reetka grafita Oblici kristala grafita

910C

0,023%C


Faze koje se pojavljuju pri metastabilnom skruivanju za razliite koncentracije: - primarni austenit - skruivanjem taline koncentracije manje od 4,26% C - g primarni grafit - skruivanjem taline koncentracije vee od 4,26% C - primarni ferit alotropskom modifikacijom reetke koncentracije manje od

0,68%C od temperature oznaene G`S` linijom do eutektoidne temperature (738C)

- g sekundarni grafit - izluuje se kod hlaenja iz i e koncentracije vee od

0,68%C izmeu eutektike i eutektoidne temperature (1152C-738C)

- ee g+ eutektikum (ledeburit) eutektikom pretvorbom (skruivanjem) taline koncentracije 4,26% C na eutektikoj temperaturi (1152C)

- idid g+ eutektoid eutektoidnom pretvorbom i e koncentracije 0,68 %C na

eutektoidnoj temperaturi (738C) - g tercijarni grafit - neznatna koliina koja nastane padom rastvorivosti u i id

sa 0,023%C na eutektoidnoj temperaturi (738C) na 11106 %C na sobnoj temperaturi


U p

onu

enom

dij

agra

mu

imen

ujte

koo

rdin

atne

osi

i up

iit

e od

gova

raju

e je

dini

ce, u

pii

te

kara

kter

isti

ne

tem

pera

ture

, kon

cent

raci

je i

faze

, te

za z

adan

e ko

ncen

trac

ije

(a-f

) na

crta

jte

prip

adaj

ue

kriv

ulje

hla

enj

a

a

c d

e f

b




MATERIJALI I

VJEBA br.10

METASTABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe Fe3C


Split, 2013.


VJEBA br.10 - DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe Fe3C (metastabilni)

Faze koje se pojavljuju pri metastabilnom skruivanju za razliite koncentracije: - primarni austenit - skruivanjem taline koncentracije manje od 4,3% C - CFe 3 primarni cementit - skruivanjem taline koncentracije vee od 4,3% C

- primarni ferit alotropskom modifikacijom reetke koncentracije manje od 0,8%C od temperature oznaene GS linijom do eutektoidne temperature (723C)

- CFe 3 sekundarni cementit - izluuje se kod hlaenja iz i e koncentracije

vee od 0,8%C izmeu eutektike i eutektoidne temperature (1145C-723C)

- ee CFe3+ eutektikum (ledeburit) eutektikom pretvorbom (skruivanjem) taline koncentracije 4,3% C na eutektikoj temperaturi (1145C)

910C

0,025%C


- idid CFe3+ eutektoid eutektoidnom pretvorbom i e koncentracije 0,8 %C na

eutektoidnoj temperaturi (723C) - CFe 3 tercijarni cementit - neznatna koliina koja nastane padom rastvorivosti

u i id sa 0,025%C na eutektoidnoj temperaturi (723C) na 7102 %C na sobnoj temperaturi

Nastajanje perlita

a) 0,5%C b) 0,8%C c) 1,6%C

Mikrostrukture elika

Ovisno o koliini ugljika na gornjoj slici vidimo raspored faza i to:

a) podeutektoidni elik b) eutektoidni elik c) nadeutektoidni elik d)

Zavisnost mehanikih svojstava o

sadraju ugljika

lamela cementita Fe3C

lamela ferita




MATERIJALI I

VJEBA br.11

MEHANIKO ISPITIVANJE MATERIJALA

VLANA PROBA


Split, 2013.


Vjeba br. 9 VLANA PROBA Epruveta za ispitivanje A uvrsti se u prihvatne eljusti kidalice B prema slici. Epruvete mogu biti plosnate i okrugle. Hidraulika pumpa P narine radni tlak u cilindru koji razmie eljusti i na taj nain razvlae epruvetu. Za vrijeme ispitivanja mjerimo silu (indirektno preko tlaka ulja u cilindru ApF = , gdje je p tlak u cilindru, a A povrina klipa) i pomake eljusti.

Djelovanjem sile F dolazi do razvlaenja epruvete za pomak l instrument na kidalici iscrtava dijagram sila produljenje ( lF )na donjoj slici. Ovaj dijagram moe se prikazati i u koordinatama naprezanje deformacija ( ). Naprezanje nastaje djelovanjem sile (F)

na poetni presjek epruvete ( 0A ) i iznosi: 0A

F= . Deformacija je definirana kao:

0l

l= .

a) Dijagram sila-produljenje b) Dijagram naprezanje-deformacija

Ako se po prestanku djelovanja sile epruveta vraa na poetne dimenzije onda govorimo o podruju elastinih deformacija. Tu vrijedi Hook-eov zakon koji glasi: = E .....gdje je: E= Young-ov modul elastinosti. Kada sila prijee granicu elastinosti, nakon rastereenja ostaje trajno produljenje epruvete l .


Upisana slova na slici oznaavaju kako slijedi: - Pr = granica proporcionalnosti - E = granica elastinosti - P = granica plastinosti (poputanja) - M = maksimalno naprezanje materijala - L = lomno naprezanje

Praktino do toke E = granica elastinosti je podruje u prednjim dijagramima, u kojem je produenje linearno ovisno o sili. Ovo podruje protee se zapravo do kraja pravca za koji vrijedi zakon proporcionalnosti, a zavretak ovog podruja naziva se granica proporcionalnosti. Ova toka u dijagramima nije ucrtana, jer se nalazi neznatno ispod toke E i s njom se praktino poklapa. Na donjoj slici vidimo dijagrame rastezanja za razliite materijale:

Izgled Hookeovog dijagrama za razliite materijale

Tvrdi i krhki materijali ne pokazuju izraenu granicu plastinosti, a na mjestu loma ne dolazi do suenja presjeka. ilavi materijali meutim imaju izraenu granicu plastinosti i znatno suenje epruvete na mjestu loma (npr. meki elici) . Svojstva i karakteristike pri vlanoj probi:

[ ]%1000

=l

lA k - konano relativno produljenje epruvete nakon loma (elongacija), gdje je:

[ ]mmlll kk 0= - konano produljenje epruvete nakon loma

[ ]%1000

0

=A

AAZ k - konano relativno suenje presjeka nakon loma (kontrakcija)

=2

0 mm

N

A

FR ee - granica elastinosti

=2

0 mm

N

A

FR

p

p - granica plastinosti (poputanja)

=2

0 mm

N

A

FR mm - vlana (rastezna) vrstoa materijala

[N/mm2]

[%]

1 2

3 4

1 tvrdi elik 2 meki elik 3 sivi lijev 4 Al legura


Za materijale koji nemaju izraenu granicu plastinosti, uzima se u svakodnevnoj strojarskoj praksi konvencionalna granica plastinosti koja predstavlja naprezanje pri trajnoj deformaciji od 0,2% nakon rastereenja, i iznosi:

=2

0

2,02,0

mm

N

A

FR

p

p

Ako veliine raspoloivih komada nisu dovoljni za izradu standardne epruvete najee se koriste proporcionalne epruvete (duge ili kratke). Profili, uad, lanci, cijevi, ice ispituju se u obliku u kojem se koriste, a vlane probe nazivaju se tehnoloke.

Zadatak: 1. Izvriti vlanu probu dvije cilindrine epruvete iz elika za poboljavanje HRN 2C45

(stara oznaka .1531) s 0,46%C. Na jednoj epruveti je provedena toplinska obrada poboljavanja (kratkotrajno zagrijavanje na temp. iznad A3 linije i naglo hlaenje u vodi uz naknadno poputanje na temp. 550C u trajanju 30 minuta). Druga epruveta je omekana (arenjem na temp. iznad A3 linije uz naknadno sporo ohlaivanje u ugaenoj pei).

2. Rezultate ispitivanja prikazati tablino i Hooke-ovim dijagramom! 3. U dijagramu oznaiti karakteristine veliine (vlanu vrstou materijala, granicu

elastinosti i granicu poputanja) te odrediti njihove vrijednosti! 4. Izraunati elongaciju i kontrakciju zadanih materijala!




MATERIJALI I

VJEBA br.12


ISPITIVANJE TVRDOE

METODA PO BRINELL-u, VICKERS-u i POLDY-u


Split, 2013.


Vjeba br. 12 ISPITIVANJE TVRDOE po BRINELL-u i po VICKERS-u Vanu ulogu u praksi i primjeni razliitih metala ima svojstvo tvrdoe. Zapravo je tvrdoa mjera odraza faznog sastava i strukture u metalu. Dakle: to je tvrdoa vea to je materijal otporniji na troenje! Na temelju poznate tvrdoe, esto se priblino moe odrediti i vlana vrstoa Rm. Najee primjenjivani naini mjerenja tvrdoe u strojarskoj praksi su: Stacionarni aparati (laboratorijski ili radioniki):

- Postupak mjerenja tvrdoe po Rockwell-u (HRC i HRB) - Postupak mjerenja tvrdoe po Brinell-u (HB) - Postupak mjerenja tvrdoe po Vickers-u (HV)

Prenosivi (terenski) aparati:

- Postupak mjerenja tvrdoe po Poldy-u (HB) - Postupak mjerenja tvrdoe po Shore-u

Suvremeni sofisticirani prenosivi aparat je tvrdomjer na principu ultrazvunog odjeka, s monitorom za oitanje npr. pripadajue tvrdoe HV, prema donjoj slici:

Prednost ovog ureaja je to ne ostavlja ni najmanji otisak (esto nepoeljnu ozljedu)! Tvrdoe dobivene razliitim postupcima mogu se konvertirati pomou usporednih tablica.


a) ISPITIVANJE TVRDOE HB po BRINELL-u Tvrdoa po Brinell-u je mjera otpornosti ispitivanog materijala prodiranju kuglice promjera D pritiskane silom F, prema slici. HB je omjer izmeu sile i povrine otiska tj. kugline kalote promjer d. Izvod izraza za HB:

A

FHB = ; gdje je F=sila pritiska; A=povrina kugline kalote-otiska

Izvod izraza za HB: Openito je povrina kugline kalote: hDA =

Prema slici je: 442

22 dDh

D= , tj.dubina otiska: 22

2

1

2dD

Dh = ,

odnosno: ( )

2

22 dDDh

= , pa je:

( )2

22 dDDDA

= ; odnosno:

( )222

dDDD

FHB

=

Budui da se sila ita u [N], treba stari izraz korigirati, tj. [N]-e vratiti u naputene [kp]-e dijeljenjem s 9,81. Konano se dobije:

( )22204.0

dDDD

FHB

=

[stupnjeva Brinell-ove skale]


Brinell-ova metoda pogodna je za ispitivanje tvrdoe mekih metala (npr. konstrukcijski elik, obojeni metali). Prema tablicama u strojarskom priruniku, nakon utiskivanja zakaljene kuglice promjera D u povrinu uzorka, za oitani otisak promjera d, naemo pripadajuu tvrdou HB. Uobiajeni promjer kuglice D=10mm i sila F=29420[N], a moe se upotrijebiti i manji: D=5mm uz F=7355[N] ili D=2,5mm uz F=187,5[N]. Ovo ovisi o debljini uzorka, tj. za manje debljine upotrebljavaju se proporcionalno manje kuglice i sile. Kod standardnih aparata sila pritiska raste do nazivne F kroz 2 8 [s], a njeno djelovanje traje 10 15 [s]. Nakon rastereenja oita se pripadajui promjer otiska d. Ukoliko je sila premalena otisak je mali pa ga je teko izmjeriti. Prevelika sila opet preduboko utisne kuglicu, i po rubu kalote istisne dosta materijala, pa je teko odrediti toan promjer otiska. Najbolje rezultate dobivamo s onim silama utiskivanja kod kojih je promjer otiska Dd 4,03,0 . Promjer otiska se mjeri povealom s ugraviranom mjernom skalom s tonou 0,05 mm. Za konstrukcijske elike na temelju izmjerene Brinell-ove tvrdoe HB moemo priblino odrediti vlanu (rasteznu) vrstou Rm: za ugljini elik: [ ]2/....6,3 mmNHBRm za elik legiran s Cr: [ ]2/....5,3 mmNHBRm i za elik legiran s Cr Ni: [ ]2/....4,3 mmNHBRm Radi meusobne usporedbe na vjebi se ispituju tvrdoe razliitih metalnih materijala (npr. elika, istog Cu i njegovih slitina, istog Al i njegovih slitina). Budui da je standardna kuglica od zakaljenog elika, preporua se mjerenje za 400HB . Napomena: Svi ovi podaci i preporuke s tabelarnim podacima mogu se nai i u: B.Kraut: Strojarski prirunik, u poglavlju ISPITIVANJE TVRDOE.


b) ISPITIVANJE TVRDOE HV po VICKERS-u Tvrdoa po Vickers-u je mjera otpornosti ispitivanog materijala prodiranju etverostrane dijamantne piramide s vrnim kutom 136 pritiskane silom , prema slici. HV je omjer izmeu sile i povrine otiska etverostrane piramide:

A

FHV = ; gdje je F=sila pritiska

A=povrina otiska ( 14 A )

srednja veliina dijagonale je: 2

21 ddd+

= [mm]

Izvod izraza za HV: Promotrimo li izgled otiska nakon rastereenja dobivamo slijedeu sliku:

Prema gornjoj slici je: 2

da = ;

oo 68sin2268sin2 =

=

dav ; odnosno

o

o

68sin8268sin222

2

2

1 =

=

=

d

dd

vaA ; a ukupna povrina otiska A je:

oo 68sin268sin844

22

1 =

==

ddAA ; odnosno:

228544,1

68sin2

d

F

d

F

A

FHV =

==

o

F

v

a/2 a/2

d/2

d/2

68 68

A1 h

a

a


Budui da se sila ita u [N], treba stari izraz korigirati, tj. [N]-e vratiti u naputene [kp]-e dijeljenjem s 9,81. Konano se dobije:

2189,0

d

FHV = [stupnjeva Vickers-ove skale]

Vickers-ova metoda pogodna je za ispitivanje tvrdoe razliitih metalnih materijala od najmanje (npr. olova) do najvee (npr. tvrdih metala). Optereenje F moe biti razliito: (30 ili 10) x 9,81 ..[N], a bira se ovisno o tvrdoi ispitivanog materijala (manje optereenje za meke materijale, da otisak ostane unutar mjerne skale, tj. da ne bude prevelik). Ovim postupkom se mogu ispitivati mikrotvrdoe, ali u tom sluaju optereenje je reda veliine do samo nekoliko [N], a dijagonale se mjere na istom aparatu pomou poveala s ugraviranom mjernom skalom i tonou od 0,001 mm.

Napomena: Svi ovi podaci i preporuke s tabelarnim podacima mogu se nai i u: B.Kraut: Strojarski prirunik, u poglavlju ISPITIVANJE TVRDOE. Do veliine tvrdoe cca 350 HB, Vickers-ove i Brinell-ove tvrdoe se brojano podudaraju.


c) ISPITIVANJE TVRDOE po POLDY-u Zakaljena elina kuglica promjera 10mm utiskuje se istovremeno u povrinu uzorka materijala kojem mjerimo tvrdou s donje strane i u etalon poznate vrstoe s gornje strane, prema slici. Udarcem ekia zakaljena kuglica ostavlja otisak i na etalonu i na povrini metala kojem mjerimo tvrdou. Ovim postupkom se zapravo mjeri tvrdoa po Brinell-u HB uz poznatu tvrdou etalona HBet koje stoje u omjeru:

( )

( )212

22

2

204,0

204,0

dDDD

F

dDDD

F

HB

HB

et

uz

=

, odakle je

22

2

21

2

dDD

dDDHBHB etuz

=

Iz tablica priloenih uz ovaj ureaj, lako se nae tvrdoa ispitivanog materijala nakon oitanja promjera otiska 1d na etalonu i 2d na povrini uzorka. Standardni etalon ima vrstou 7.68681,970 ==Rm [N/mm2], tj. tvrdou HBet= 197. Kako svi etaloni (probni tapovi) nemaju istu vrstou, uveden je korekcioni faktor f koji je

omjer stvarne i standardne vrstoe etalona: ._tan

._var

etdardnogs

etnogst

Rm

Rmf =

Ako je stvarni etalon od vreg i tvreg elika, npr. 706,3281,972 ==Rm [N/mm2], onda je korekcioni faktor:

1,0291,028577,686

32,706

81,970

81,972

._tan

._var ==

==etdardnogs

etnogst

Rm

Rmf (UTISNUTO NA ETALONU),

kojim mnoimo vrijednost tvrdoe oitane iz tablica!




MATERIJALI I

VJEBA br.13


ISPITIVANJE TVRDOE

PO METODI ROCKWELL-B, ROCKWELL-C i SHORE


Split, 2013.


Vjeba br. 13 ISPITIVANJE TVRDOE PO ROCKWELL-u Ispitivanje ovom metodom dijelimo u dvije grupe ovisno o tvrdoi materijala kojeg ispitujemo:

A) TVRDOA HRC PO ROCKWELL-u Mjera otpornosti nekog materijala spram prodiranju vrha dijamantnog stoca s vrnim kutom 120 koji je optereen definiranim optereenjem ukupno [ ]NF 5,1471= . Prodiranje i povrat dijamantnog penetratora prati se preciznim komparatorom (krunim mjernim satom):

- uzduno kretanje penetratora je posebnim prijenosnim mehanizmom pretvoreno (i to multiplicirano) u kruno kretanje kazaljke. Mjerna skala komparatora je ve oznaena u jedinicama HRC, iako mjeri uzduni pomak penetratora od maksimalno 0,2 mm. Kako je mjerna skala podijeljena na ukupno 100 dijelova, jedna podjela iznosi 0,002 mm, prema slici.

- da bi se izbjegla pogreka zbog nehomogenosti povrine uzorka (a), najprije se

podizanjem uzork upire u oprugu koja pritie penetrator do razine (b) pod silom predoptereenja [ ]NF 1,981 = to se kontrolira pomakom pomone kazaljke za predoptereenje.

- na toj poziciji usklauje se kraj mjerne skale (brojka 100) s radnom kazaljkom. Tada se pridoda jo i glavno optereenje [ ]NF 1373,42 = koje s predoptereenjem daje ukupnu silu [ ]NF 5,1471= . Naravno penetrator prodire koliko mu materijal doputa do razine (d).

- nakon rastereenja od djelovanja glavnog optereenja 2F ostvari se elastini povrat i penetrator se zaustavi na razini (e). Ako je poetak (brojka 0) mjerne skale na razini (c) onda nam razmak od razine (c) do pozicije zaustavljenog penetratora (e) (predoptereenje stalno djeluje) predstavlja traenu tvrdou u stupnjevima hrc, prema slici.

Ova metoda primjenjuje se za sve metalne materijale ija je tvrdoa od 20 HRC do 70 HRC. Preciznost mjerenja kod radionikih aparata iznosi 1,5 HRC. Radi meusobne usporedbe na vjebi se ispituju tvrdoe poboljanih elika i alatnih elika. Dobiveni rezultati se usporeuju s rezultatima mjerenja tvrdoe prema VICKERS-u koritenjem usporednih tablica.


B) TVRDOA HRB PO ROCKWELL-u Na istom aparatu za mjerenje tvrdoe mekih metalnih materijala, dijamantni stoac se zamijeni s penetratorom koji ima na vrhu zakaljenu kuglicu 116. Postupak je potpuno analogan prethodnom, ali se na istom aparatu sada podeava:

- sila predoptereenja ostaje ista, tj. [ ]NF 1,981 = ; - glavno optereenje sada iznosi [ ]NF 9,8822 = ; - ukupna sila je dakle smanjena na [ ]NF 981= .

Mjerna skala je produena na 0,26 mm, ali je podijeljena na 130 dijelova po 0,002 mm. Time je omogueno koritenje istog ve ugraenog na aparatu preciznog komparatora (krunog mjernog sata).


Nakon rastereenja od djelovanja glavnog optereenja 2F ostvari se elastini povrat i penetrator se zaustavi na razini (e). Ako je poetak (brojka 0) mjerne skale na razini (c) onda nam razmak od razine (c) do pozicije zaustavljenog penetratora (e) (predoptereenje stalno djeluje) predstavlja traenu tvrdou u stupnjevima HRB, prema slici. Ova metoda primjenjuje se za sve metalne materijale ija je tvrdoa od 35 HRB do 100 HRB. Preciznost mjerenja kod radionikih aparata iznosi 2 HRB. Radi meusobne usporedbe na vjebi se ispituju tvrdoe razliitih konstrukcijskih elika. Dobiveni rezultati se usporeuju s rezultatima mjerenja tvrdoe prema VICKERS-u koritenjem usporednih tablica.


C) TVRDOA PO SHORE-u Skleroskopom po SHORE-u putamo uteg s (uvijek iste) odreene visine (h1) da udari u povrinu uzorka, prema slici. Zavisno o modulu elastinosti (E) uzorka dobije se manja ili vea visina odskoka (h2). Rezultat kod ovog dinamikog postupka ovisi jo o masi i obliku uzorka. Ova metoda je pogodna u serijskoj proizvodnji istovrsnih izradaka, pogotovo kaljenih (npr. radilice motora). Odskok oitan u [mm] u priloenoj tablici uz instrument nudi priblinu tvrdou u [HB] i [HRC] itd. Napomena: Ako tvrdou definiramo kao mjerilo otpornosti prema zadiranju u povrinu dotinog materijala, onda ova metoda nije eksplicitna! Ureaj se sastoji od cijevi u kojoj se nalazi uteg sa kuglastim vrhom. Skleroskop postavljamo okomito na povrinu kojoj mjerimo tvrdou. Uteg se postavlja na visinu 1h , prema slici. Konica zadrava uteg na ovoj visini. Nakon otputanja konice uteg pada kroz cijev i odbija se od povrine materijala na visinu odskoka 2h , gdje se zadri. Tvrdoa je tim vea im je

vea visina odbijanja 2h za uvijek istu poetnu visinu 1h . Za oitanu vrijednost 2h , iz tabele koja se nalazi u priboru ureaja oitava se pripadajua vrijednost tvrdoe. Da bi mjerenje bilo valjano povrina mora biti glatka i okomita na smjer padanja utega. Masa ispitivanog komada mora biti to vea kako bi sva energija udarca ostala u ispitivanom komadu.

odskok

UTEG


Na slijedeim slikama daje se pregled nekoliko primjera pravilnog i nepravilnog koritenja ovog ureaja:




MATERIJALI I

VJEBA br.14


ISPITIVANJE DINAMIKE IZDRLJIVOSTI ISPITIVANJE UDARNE ILAVOSTI PO CHARPY-u


Split, 2013.


Vjeba br. 14 ISPITIVANJE DINAMIKE IZDRLJIVOSTI I UDARNE ILAVOSTI A) ISPITIVANJE DINAMIKE IZDRLJIVOSTI Rd Dinamika izdrljivost se definira kao najvee naprezanje kod kojeg materijal epruvete izdri beskonani ili propisani broj ciklusa bez pojave pukotine. a) IZMJENINA DINAMIKA IZDRLJIVOST Rdiz Epruveta od tretiranog materijala izvrgnuta je istom izmjeninom optereenju (npr. vlak-tlak), prema sl. a.1. Pripadajua Whlerova krivulja prikazana je na slici a.2.

b) ISTOSMJERNA DINAMIKA IZDRLJIVOST Rdis Epruveta od tretiranog materijala izvrgnuta je poetnom istosmjernom optereenju (npr. na vlak), prema sl. b.1. Pripadajua Whlerova krivulja prikazana je na slici b.2.

Osim vrijednosti za dinamiku izdrljivost, treba navesti i podatak o odgovarajuem broju ciklusa te izgledu i dimenziji epruvete.

+

a

a

0=srtrajanje

naprezanjaamplitudaa _naprezanjesrednjesr _

.1._ aSlika

dizR

adR =

.2._ aSlika

a

asr =

trajanje

naprezanjegornjeg _

ga

disR

adR = 2

Broj ciklusa N (u log. mjerilu)

0

0

Slika b.1.

Broj ciklusa N (u log. mjerilu) Slika b.2.


c) MEHANIZAM LOMA Uslijed raznih nepravilnosti u grai materijala i nehomogenosti strukture, te povrinskih hrapavosti dolazi do koncentracije naprezanja na tim mjestima to moe rezultirati inicjalnim mikropukotinama. Ponavljanjem optereenja ova pukotina se iri glatko i valovito kroz podruje tzv. trajnog loma (I). Time se nosivi presjek smanjuje i kada naprezanje dosegne lomnu vrstou materijala, dolazi do pucanja i preostalog presjeka u podruju trenutnog loma (II), prema sl.c. I Podruje trajnog loma (glatko i eventualno

valovito) II Podruje trenutnog loma (zrnasti prijelom) Prigodom konstruiranja treba voditi rauna da je dinamika izdrljivost konstrukcije manja od izdrljivosti dobivene ispitivanjem glatke i polirane epruvete od istog materijala. Ova smanjenja nastaju uslijed raznih koncentratora naprezanja (povrinska hrapavost, promjena debljine, otri rubovi, greke u materijalu) i vanjskih utjecaja (korozija, temperatura). d) UREAJ ZA ISPITIVANJE IZMJENINE DINAMIKE IZDRLJIVOSTI Realiziran je jednostavnom izvedbom koja se sastoji od elektromotora s adaptiranom stegom za uvrenje jednog kraja epruvete u produetku osovine. Na drugom kraju modificirane epruvete za vlanu probu, preko kotrljajueg leaja omoguen je ovjes s utezima. Rotacijom osovine elektromotora, konzolno optereena epruveta ima izvodnice naizmjenino optereene na vlak kada je izvodnica u gornjem poloaju, odnosno na tlak kada je izvodnica u donjem poloaju.

G

Primjenom veeg naprezanja, npr. 1 epruveta izdri manji broj ciklusa N1. Smanjenjem naprezanja poveava se broj ciklusa koje epruveta izdri. Kada se naprezanje smanji na

Slika c. Izgled presjeka loma

f

1

2

3

OSOVINA ELEKTROMOTORA

EPRUVETA

+

-

Rd

UTEG

Slika d.2. Konstrukcija WHLER-ove krivulje

STEZNA NAPRAVA

a

N1 N2 N3 pripadajui broj ciklusa

Slika d.1. Ureaj za ispitivanje


razinu dinamike izdrljivosti Rd, epruveta praktino moe izdrati beskonaan broj ciklusa. Naprezanje kao funkciju broja ciklusa kojeg materijal izdri do loma prikazuje Wohler-ova krivulja na slici d.2. Vidimo da se ona kod odreenog broja titraja asimptotski pribliava vrijednosti Rd (praktino za elik broj ciklusa do loma uzima se

710=N , za lake metale 810=N ). Dakle, najvee naprezanje Rd[N/mm

2] kod kojeg ispitivana epruveta izdri 710=N za elik, odnosno 810=N za lake metale, nazivamo dinamika izdrljivost (ili

granica umora) materijala.

ZADATAK Pomou rotacione umaralice izvriti ispitivanje izdrljivosti na tri epruvete iz elika EN C45N (stara oznaka HRN .1531). Svaku epruvetu opteretiti razliitom teinom i odrediti broj promjena ciklusa do loma umnokom izmjerenog vremena i broja okretaja umaralice n. Dobivene rezultate prikazati u Wohler-ovom dijagramu - log N! Karakteristine dimenzije ispitivanja:

Maksimalno naprezanje izraunati prema izrazu:

gdje je: M moment u najmanjem presjeku: M=Fl Wy moment inercije presjeka koji za kruni presjek iznosi Pripadajui broj promjena ciklusa do loma izraunati mnoenjem poznatog broj okretaja rotacione umaralice n=2820 okr/min i izmjerenog vremena do loma epruvete.

yW

M=

32

3dW

=

l=105 mm d=6 mm F1=77,98 N F2=81,9 N F3=88,42 N


B) ISPITIVANJE UDARNE ILAVOSTI PO CHARPY-U Ispitivanje udarne ilavosti spada u dinamika ispitivanja materijala. Na donjim slikama vidimo lijevo ureaj za ispitivanje udarne ilavosti Charpy-ev bat, a desno je prikazan nain postavljanja zarezane epruvete. Bat u obliku klatna podie se na odgovarajuu visinu 1h i puta da udari u epruvetu (sa suprotne strane zareza). Kod ispitivanja nakon loma epruvete mora doi do prolaska bata na suprotnu stranu. U protivnom pokus nije valjan. Mjeri se visina 2h koju bat ostvari nakon loma epruvete.

Udarna ilavost je definirana kao radnja utroena za prelamanje epruvete standardnih dimenzija (10x10x55 mm). Vrijednost radnje W odreuje se kao razlika potencijalne energije bata prije 1W i nakon loma 2W .

)( 212121 hhGhGhGWWW === ili preko kuta nagiba bata:

)cos(cos 12 = RGW [Nm] ili [J]

Odreivati emo ilavost materijala za dvije razliite temperature i to sobnu i -7C. Promotriti izgled i vrstu prijeloma (krti i ilavi lom)

Na gornjem dijagramu vidimo ovisnost ilavosti raznih materijala o temperaturi. Objasniti kako temperatura, a kako zarezno djelovanje utie na ilavost.


Literatura 1. Deeli, R.: Metali u strojogradnji, FESB, Split, 1985. 2. Maleevi, N.: Metali I, II, III, IV, FSB, Zagreb, 1968. 3. Anzulovi, B.: Metali 1, FESB, Split, 1990. 4. paniek, .; urkovi L.: MATERIJALI I, FSB, Zagreb, 2005. 5. Kolumbi Z.; Tomac N.: MATERIJALI, Filozofski fakultet, Rijeka, 2005. 6. Tehnika enciklopedija, razni lanci, JLZ, Zagreb, 1967. 7. Frantz, M.: MEHANIKA SVOJSTVA MATERIJALA, FSB, Zagreb, 2005. 8. Filetin, T.; Kovaiek, F.; Indof, J.: Svojstva i primjena materijala, FSB, Zagreb, 2011. 9. Kraut, B: Strojarski prirunik, Tehnika knjiga, Zagreb, razna izdanja 10. Metals Handbook, Vol I - XI, Metals Park, 1981 - 1980. 11. Callister, W: Materials Science and Engineering, 8th Edition, Wiley & Sons, New York,

2011.

Documents

Praktikum Materijali 1