Vežba broj 6

ISPITIVANJE UDARNE ŽILAVOSTI NA SOBNOJ I SNIŽENIM TEMPERATURAMA

Žilavost (eng. toughness) se može definisati kao energija koju je potrebno utrošiti da bi se izazvalo razaranje strukture materijala, odnosno da bi se ostvario lom. Ako je taj energetski iznos manji, materijal je krtiji (veća krtost), a ako je veći, materijal je žilaviji (veća žilavost).

Žilavost se najčešće određuje testom za ispitivanje udarne žilavosti (eng. impact toughness) po Šarpiju

(Charpy) koji je obuhvaćen u svim važnijim standardima. Na pr.:

JUS C. A4. 004 i JUS C. A4.025 Ispitivanje udarne žilavosti

EN 10045 Part 1 Test Method

EN 10045 Part 1 Verification of Impact Testing Machines

UREĐAJ ZA ISPITIVANJE

Konstruktivno izvođenje uređaja je u formi fizičkog klatna kod koga se kinetička energija kretanja malja troši na razaranje (lom) epruvete fiksirane na osloncima.

Georges Augustin Albert CHARPY

(1865-1945) francuski inženjer

Shema Šarpijevog klatna

Osnovna varijanta Šarpijevog klatna data je na slici gore i sadrži: telo uređaja sa postoljem, polugu ili šipku klatna, teg ili malj, element za blokiranje klatna u početnom položaju -visina h, epruvetu, oslonce epruvete i skalu sa kazaljkama.

1

Kod starijih uređaja merni deo uređaja omogućavao je očitavanje samo uglova α i β koji su srazmerni početnoj (ukupnoj) raspoloživoj energiji (visina H) i preostaloj enrgiji (visina h). Do potrebnih rezultata dolazi se naknadnim preračunavanjem. Kasnije je primenjena izbaždarena (kalibrisana) skala sa energetskom podelom i mogućnošću očitavanja raspoloživog i preostalog rada ili direktnog očitavanja utrošenog rada.

Skica uređaja (Šarpijevog klatna)

Savremeni uređaji sa kompjuterskom podrškom direktno daju konačne rezultate uz niz pogodnosti i prednosti u odnosu na klasične. U središnjem delu malja je nožasti profil sa zaobljenim vrhom koji udara u epruvetu i razara je. Funkcionisanje uređaja je jednostavno. Epruveta se pravilno postavi na oslonce, a zatim se teg ručno ili uz pomoć dopunskih uređaja postavi u početni položaj koji odgovara maksimalnoj raspoloživoj energiji (radu) (visina H). Posle aktiviranja slobodnog pada malja dolazi do udara u epruvetu i njenog loma. Teg prolazi vertikalu koja ide kroz osu obrtanja i pravi otklon koji odgovara preostaloj (neutrošenoj) energiji (visina h). Zavisno od karakteristika mernog dela uređaja vrši se očitavanje energija i eventualno izračunavanje parametra žilavosti. Na sledećim slikama date su skice i razne varijante Šarpijevog klatna.

Položaj epruvete

Na Mašinskom fakultetu u Kragujevcu koristi se Šarpijevo klatno tipa MK-30A Ruske-Sovjetske proizvodnje sa maksimalnom energijom 30 Kpm (približno 30 daJ, odnosno 300 J). Skale su energetske a uređaj omogućava podešavanje različitih vrednosti početne energije.

2

Šarpijevo klatno (foto) Skala na Šarpijevom klatnu

Savremena varijanta Šarpijevog klatna male energije

Savremena varijanta Šarpijevog klatna veće energije

3

Epruvete

Oblik i dimenzije epruvete suštinski utiču na rezultate ispitivanja žilavosti. U narednoj tabeli dat je pregled različitih epruveta koje je moguće koristiti. Najveći uticaj ima žljeb na sredini epruvete. Poseban oprez potreban je pri upoređenju rezultata koje ima smisao samo ako je korišćena potpuno ista epruveta.

Standard JUS C. A4. 004 predviđa uobičajenu upotrebu epruveta sa „U” žljebom dubine 5 mm, ali dozvoljava i dubine žljeba od 2 ili 3 mm.

4

Standard JUS C. A4. 025 predviđa upotrebu „V” žljeba dubine 2 mm. Dozvoljena je i promena dimenzija poprečnog preseka (uz promenu raspoložive energije klatna), ali se to u oznaci parametra žilavosti obavezno mora navesti.

Izgled polomljene i cele epruvete (gore) i isecanje epruveta (dole)

Karakteristike i tok ispitivanja Brojna vrednost parametra žilavosti za isti materijal zavisi od niza faktora pa pri ispitivanju treba obratiti pažnju na sledeće:

• Oblik i dimenzije epruvete (ne smeju se upoređivati rezultati dobijeni na različitim epruvetama), • Treba striktno poštovati standard pri izradi epruveta, a posebno tolerancije za žljeb, • Brzina klatna treba da bude 5-5,5 m/s (izuzetno 5-7 m/s) što garantuje proizvođač uređaja;

ponekad treba izvršiti proveru preko izraza: v = (2gH)1/2 . • Provera energetskih gubitaka uređaja (trenje u ležištima, otpor vazduha) vrši se aktiviranjem

uređaja „na prazno” i upoređenjem energija. Gubitak ne sme da bude veći od 1%. • Sobna temperatura podrazumeva 23±5°C. Ukoliko je ustanovljeno odstupanje u izveštaju se

posebno naglašava. Na drugim temperaturama tolerancija je ± 2°C. • Epruveta mora da zauzme odgovarajući položaj na osloncima klatna što se postiže pažljivim

podešavanjem uz pomoć šablona ili bez njih. Naročito je bitno da se osa žljeba i osa klatna poklapaju i da ivica profilisanog dela malja dodiruje epruvetu po celoj vertikalnoj strani.

• Tačnost očitavanja energija na skali treba da bude do 1%. • Ispitivanje se izvodi sa najmanje 2 epruvete, pri čemu epruveta tokom eksperimenta mora

potpuno da prođe između oslonaca. Ukoliko se to ne desi, povećava se početna energija ili menja tip epruvete.

5

Posle pripreme epruveta i uređaja, tok ispitivanja obuhvata

• Postavljanje epruvete na oslonce (malj se izvede iz ravnotežnog položaja toliko da se oslobodi dovoljno prostora za pažljivo postavljanje epruvete uz pomoć šablona ili vizuelno).

• Klatno se podiže do početnog položaja (visina H) i tu fiksira.

• Aktivira se pad klatna koje udara u epruvetu, razara je, a zatim se zaustavlja kočnicom uređaja.

• Na skali se očita položaj obe kazaljke (početna raspoloživa i preostala energija) ako je uređaj tipa MK-30A ili sličan. Ako je uređaj drugačiji, očitavanje je u skladu sa skalom mernog dela.

• Prema odgovarajućem izrazu vrši se izračunavanje parametra žilavosti.

Zbog udarnog karaktera opterećenja i načina rada Šarpijevog klatna potrebno je preduzeti posebne mere predostrožnosti kako bi se izbegao bilo kakav rizik od povrede. Iz tih razloga, savremeni uređaji većih energija (300 J i više) imaju kompletne zaštitne komore.

Određivanje parametra žilavosti

Kao pokazatelj žilavosti koristi se parametar koji predstavlja brojnu vrednost utrošene energije (rada) za lom epruvete, izražene u Nm, odnosno J.

Brojnu oznaku prati slovna oznaka koja označava tip epruvete (KU ili KV). Ako se koristi standardni preporučeni oblik i dimenzije epruvete sa U žljebom i ako klatno ima

raspoloživu početnu energiju 300 J, pokazatelj (parametar) žilavosti ima osnovnu formu. Na pr.: 52 KU, što znači da je utrošena energija za lom epruvete 52 J. Ako se promeni dubina žljeba i

raspoloživa energija pokazatelj ima formu, npr.: 45 KU 150/3 , što znači da je utrošena energija na lom 45 J, klatno ima početnu raspoloživu energiju

od 150 J, a dubina žljeba je 3 mm. Ako se koristi standardni preporučeni oblik i dimenzije epruvete sa V žljebom i ako klatno ima

raspoloživu početnu energiju 300 J, pokazatelj (parametar) žilavosti ima sledeću osnovnu formu: 52 KV Promena širine epruvete i početne energije naznačava se u pokazatelju žilavosti prema sledećem

primeru: 45 KV 150/7,5; što znači da je utrošena energija za lom 45 J, početna energija 150 J, a širina

epruvete, odnosno V žljeba 7,5 mm.

Ako je skala na Šarpijevom klatnu energetska (slično uređaju MK-30A) utrošena energija za razaranje epruvete (E0) je razlika početne (E1) i preostale energije (E2):

E0 = E1 - E2, J Ako je skala na Šarpijevom klatnu sa ugaonim stepenima (samo na starijim uređajima) potrebno je

poznavati masu malja (G) i radijus klatna (R) pa je: E1 = GR (1-cos α 1), J E2 = GR (1-cos α2), J

Izveštaj o ispitivanju mora da sadrži podatke o materijalu, načinu uzimanja uzorka, uslovima ispitivanja i pravilno dat parametar (pokazatelj) žilavosti gde je brojna vrednost utrošene energije zaokrugljena na bliži ceo broj.

6

ISPITIVANJE ŽILAVOSTI NA SNIŽENIM TEMPERATURAMA

Zapaženo je da sa padom temperature mnogi metalni materijali pokazuju osobinu naglog pada žilavosti (na pr. ugljenični i niskolegirani čelici). S druge strane, nerđajući čelici, nikl i aluminijum ne pokazuju takav efekat.

Sam postupak ispitivanja žilavosti odgovara ispitivanju na sobnoj temperaturi uz potrebu za hlađenjem epruvete do željene temperature.

Na višim temperaturama odgovarajuće čelike karakteriše tzv. plastični ili žilavi lom sa karakterističnim izgledom vlaknaste strukture i jako deformisanim presekom na mestu preloma epruvete.

Sa padom temperature dolazi se do krtog loma sa izraženom zrnastom kristalnom strukturom i vrlo malo deformisanim presekom.

Vrste preloma: krti (levo) i žilavi (desno)

Prelom sa krtom (levo), žilavom (u sredini) i prelaznom zonom (desno)

Cilj ispitivanja žilavosti na sniženim temperaturama je formiranje zavisnosti pokazatelja žilavosti od temperature i definisanje temperature naglog pada žilavosti (prevojna tačka krive – prelazna temperatura) ili provere pada žilavosti po kriterijumu koji je predviđen za odgovarajući element ili konstrukciju.

7

Kriva pada žilavost

Krt Žilav

Materijali velike jačine

Prelazna temperatura

Rešetka A1

Metali rešetke A2,keramika, polimeri

Temperatura

Ener

gija

uda

ra

Zavisnost udarne žilavosti od temperature za različite materijale

Za ispitivanje na vrlo niskim temperaturama, od približno -100oC do blizu apsolutne nule (oko 1 K) hlađenje epruveta se obavlja u specijalnim uređajima - kriostatima koji mogu biti različitih konstrukcija, ali je gotovo uvek u njihovom sastavu tzv. Djuarov sud (Dewar vessel), veoma dobro izolovana (najčešće visokim vakuumom) posuda u kojoj se nalazi ogovarajući gas u tečnom stanju (vazduh, kiseonik, vodonik, azot ili helijum). Za ispitivanje na temperaturama od 0 do -80oC najčešće nije potrebno imati specijalne uređaje već

samo odgovarajuću keramičku posudu sa alkoholnim termometrom. U posudu treba sipati tečnost ili smešu za ostvarenje zahtevane temperature i to: za 0oC smešu vode i leda (1:1), do -12oC smešu vode, leda i kuhinjske soli (NaCl), do -80oC smešu acetona ili metil alkohola sa ugljen dioksidom u čvrstom stanju (tzv. „suvim ledom”). CO2 u čvrstom stanju se dobija naglom ekspanzijom gasa u zatvoren prostor (najčešće od jelenske kože).

Uslovi ispitivanja u konkretnom primeru predviđaju da se epruveta prohlađuje 5-30 min i brzo postavi na oslonce Šarpijevog klatna (vremenski interval od vađenja iz rashladne tečnosti do loma na klatnu maksim. 5 sec). Zbog nagle promene temperature pri prenosu obično se epruveta hladi na 3 do 6oC nižu temperaturu. Pri vrlo tačnim ispitivanjima vrši se merenje promene temperature pri prenosu epruvete uz pomoć termoparova i posebne aparature.

Ispitivanje treba da obuhvati sledeće temperature: 20, 0, -10, -20, -30, -40, -50 i -60oC. Za

svaku temperaturu određuje se parametar žilavosti i zatim formira dijagram zavisnosti pokazatelja žilavosti od temperature. Na krivoj se definiše prevojna tačka i očitava kritična temperatura pada žilavosti.

Prelazna temperatura

Žilav lom Krt lom

8

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Predmet: Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Student: _______________________________

Br. indeksa: ____________ Grupa: __________

ISPITIVANJE ŽILAVOSTI NA SOBNOJ I SNIŽENIM TEMPERATURAMA Vežba br. 2

Vrsta materijala koji se ispituje: ________________ Oznaka materijala: ________________

Tip i dubina žljeba: _________________________ Tip Šarpijevog klatna: ________________

Temperatura ispitivanja: ____________________ Raspoloživa energija: ________________

Pokazatelj žilavosti: _________________________ Sredstvo za hlađenje: ____________________ Izgled epruvete:

Pregled svih dobijenih rezultata:

Temperatura u °C: 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60

Žilavost u J: Dijagram zavisnosti parametra žilavosti od temperature

300

250

200

150

100

50

0-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

Temperatura, °C

Žilavost, J

Datum: Overa:

9