SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE
MATERIJALI U ZRAKOPLOVSTVU
- Interna skripta -
šk. god. 2010. / 11.
Danko Ćorić Tomislav Filetin
1
SADRŽAJ
1. UVOD 4
2. PREGLED RAZVOJA 5
3. ZAHTJEVI NA MATERIJAL I KRITERIJI IZBORA 14
4. SVOJSTVA MATERIJALA 16
4.1. Gustoća 16
4.2. Čvrstoća 17
4.3. Krutost 19
4.4. Dinamička izdržljivost 21
4.5. Lomna žilavost 23
4.6. Otpornost na koroziju 25
4.7. Mehanička otpornost pri povišenim i visokim temperaturama -
otpornost na puzanje
26
4.8. Specifična čvrstoća i specifična krutost 29
4.9. Sigurnost 30
5. VRSTE ZRAKOLOPLOVNIH MATERIJALA 31
6. MEHANIZMI OČVRSNUĆA 33
7. VISOKOČVRSTI ČELICI 36
7.1. Niskolegirani niskopopušteni čelici 37
7.2. Visokolegirani Cr-Mo-V visokopopušteni čelici 37
7.3. Termomehanički obrađeni čelici 38
7.3.1. Postupak ausforming 39
7.3.2. Postupak TRIP 40
7.3.3. Postupak perliforming 42
7.3.4. Postupak isoforming 42
2
7.3.5. Postupak marforming 43
7.4. Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici 44
7.5. Čelici "maraging" 46
7.6. Hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici 48
8. ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE 49
8.1. Svojstva aluminija i aluminijskih legura 49
8.2. Aluminijske legure 50
8.2.1. Sustav označivanja gnječenih legura 51
8.2.2. Oznake stanja 51
8.2.3. Postupci očvrsnuća aluminijskih legura 53
8.2.3.1. Očvrsnuće hladnom deformacijom 54
8.2.3.2. Precipitacijsko očvrsnuće 54
8.2.4. Vrste gnječenih legura i njihova svojstva 59
8.2.4.1. Durali - serija 2xxx 59
8.2.4.2. Konstruktali - serija 7xxx 66
8.2.4.3. Legure aluminija i litija - serija 8xxx 72
9. TITAN I NJEGOVE LEGURE 74
9.1. Svojstva titana i titanovih legura 75
9.2. Titanove legure 78
9.2.1. α legure 78
9.2.2. α+β legure 80
9.2.3. β legure 82
9.3. Postupci prerade 83
9.3.1. Kovanje 83
9.3.2. Ekstruzija 83
9.3.3. Toplo i hladno oblikovanje 84
9.3.4. Obrada odvajanjem čestica 84
9.3.5. Zavarivanje 84
9.3.6. Metalurgija praha 85
3
9.3.7. Lijevanje 85
10. SUPERLEGURE 87
10.1. Svojstva superlegura 87
10.2. Niklove superlegure 88
10.3. Kobaltove superlegure 93
11. KONSTRUKCIJSKA KERAMIKA 96
11.1. Vrste konstrukcijske keramike 96
11.2. Postupak proizvodnje 97
11.3. Svojstva konstrukcijske keramike 99
11.4. Primjena 105
12. POLIMERNI MATERIJALI 106
12.1. Mehanička svojstva 108
12.2. Toplinsko-mehanička svojstva 111
13. KOMPOZITNI MATERIJALI 112
13.1. Vlaknima ojačani polimerni kompoziti 114
13.1.1. Proizvodnja vlaknima ojačanih kompozita 120
13.2. Kompoziti s česticama 123
13.3. Slojeviti kompozitni materijali 123
13.4. Sendvič konstrukcije 125
13.5. Kompoziti s metalnom matricom 128
13.6. Kompoziti s keramičkom matricom 128
13.7. Ugljik-ugljik kompoziti 129
13.8. Hibridni kompoziti 130
14. INTERMETALNI SPOJEVI 131
15. DRVO 132
15.1. Građa i svojstva drva 132
4
1. UVOD
Znanost o materijalima i inženjerstvo materijala – znanstvena disciplina koja se
intenzivno bavi materijalima i pripadajućim tehnologijama, nastala sintezom temeljnih
grana znanosti: fizike i kemije te inženjerskih struka: metalurgije, kemijskog inženjerstva,
strojarstva, graditeljstva i dr., smatra se uz genetiku, informatiku i telekomunikacije
generičkom vrstom znanosti. Rezultati istraživanja na ovom području prenose se u druge
grane znanosti i tehnike: elektroniku, strojarstvo, zrakoplovstvo, svemirsku tehnologiju,
automobilsku industriju, brodogradnju, medicinu i dr., te dovode do razvoja novih
proizvoda boljih svojstava. Zahvaljujući brojnim inovacijama na području razvoja
postojećih materijala i stvaranjem novih vrsta materijala omogućen je razvoj brojnih
područja pa tako i zrakoplovstva koje je zahvaljujući tomu bitno uznapredovalo od svojih
prvih početaka do danas.
Jedan od primjera razvoja i primjene novih materijala zasnovanih na znanstvenim
istraživanjima jesu i polimerni kompoziti koji se danas masovno koriste za gradnju
zrakoplova, ali i sportske opreme i brojnih drugih proizvoda. Tako je npr. specifična
čvrstoća (omjer čvrstoće i gustoće) današnjih polimernih kompozita ojačanih ugljičnim
vlaknima preko četiri puta viša od aluminijskih i titanovih legura, a specifična krutost
(omjer modula elastičnosti i gustoće) dva puta viša. Upravo ova dva svojstva omogućila
su bolje tehničke karakteristike današnjih zrakoplova.
Slika 1 prikazuje usporedni razvoj zrakoplova koji je doživio bitne promjene oblika
i tehničkih karakteristika zahvaljujući razvoju i primjeni suvremenih materijala (polimera,
kompozita, lakih i čvrstih legura i sl.) te pripadajućih tehnologija.
Slika 1. Zrakoplovi nekad i danas
5
2. PREGLED RAZVOJA
Najstariji spomen o pokušaju letenja nalazi se u grčkoj legendi o Dedalu i Ikaru,
koji su pokušali letjeti krilima sastavljenim od labudovih pera slijepljenih voskom.
U 15. stoljeću pojavljuje se u povijesti zrakoplovstva čuveni talijanski umjetnik
Leonardo da Vinci koji je skicirao više različitih konstrukcija letećih naprava i konstrukciju
prvog padobrana.
U 18. i 19. stoljeću dolazi do razvoja aerostatičkih konstrukcija, odnosno balona,
koji su vladali približno 150 godina sve do početka 20. stoljeća.
Sa napretkom znanosti i razvojem industrije počinju se javljati pokušaji izvedbe
aerodinamičkog zrakoplova i postavljaju osnove aerodinamike. Braću Orvillea i Wilbura
Wrighta povijest pamti kao pionire zrakoplovstva koji su 17. prosinca 1903. godine izveli
prvi upravljani let zrakoplovom na motorni pogon. U letu koji je trajao samo 12 sekundi
preletjeli su tada fantastičnih 37 metara. Zrakoplov Flyer imao je raspon krila od 12 m,
površinu krila od 47 m2 i težio je 283 kg. Bio je načinjen od tradicionalnih materijala,
čvrstih i krutih vrsta drva: jasena i bijele omorike te čeličnih žica i cijevi, lake aluminijske
legure oznake (AlCu9), a za izmjenjivač topline uporabljen je kositar, slika 2.
Slika 2. Zrakoplov Flyer
O izumu braće Wright Bill Gates je rekao sljedeće: “Braća Wright tvorci su najveće
kulturne moći od vremena izuma pisma. Zrakoplov Flyer bio je prvi World Wide Web,
povezao i zbližio ljude, jezike, ideje i vrijednosti.“ Zrakoplov Flyer danas se nalazi
izložen u Nacionalnom zrakoplovnom i svemirskom muzeju zaklade Smithsonian u
Washingtonu.
6
Sljedećih nekoliko godina težište zrakoplovnih aktivnosti prenosi se u Francusku
gdje je Henri Farman načinio ozbiljan iskorak prema daljnjem razvitku zrakoplova
preletjevši unaprijed određenu rutu. Kada je kratko vrijeme iza toga Louis Bleriot 1908.
godine uspio planski preletjeti kanal između Francuske i Engleske razbijene su sve
sumnje u vrijednost zrakoplova kao prometnog sredstva budućnosti.
Općeniti značaj zrakoplova i mogućnost praktične primjene prvo je uočen u vojnoj
industriji. Tijekom Prvog svjetskog rata uloženi su veliki napori u daljnje usavršavanje, te
je u tom razdoblju brzina zrakoplova porasla preko 2 puta, a snaga motora za oko 4
puta.
Između dva rata razvoj se odvijao u više etapa od kojih su najvažnije: prijelaz na
metalnu konstrukciju sa slobodno nosećim krilom, primjena metalnih elisa, uvlačenje
stajnog mehanizma i dr.
U razdoblju Drugog svjetskog rata potvrđena je značajna uloga zrakoplova kao
vojnog oružja i u toku tih pet godina razvoj je bio neusporedivo brži nego u doba mira. U
zrakoplove se ugrađuju različiti materijali, od kojih neke susrećemo i danas, poboljšanih
karakteristika. Tipični predstavnik zrakoplova tog vremena je engleski lovac Hawker
Hurricane (slika 3) s rasponom krila od 11,27 m, duljinom 9,75 m, visinom 2,65 m,
masom od 3495 kg te snagom motora 1650 KS i najvećom brzinom 510 km/h.
Slika 3. Hawker Hurricane Mark I
Trup zrakoplova načinjen je u obliku rešetkaste konstrukcije od okruglih čeličnih cijevi sa
djelomično žičanim zategama, a spojevi su ostvareni zakovicama. Krila su prvotno bila
od čeličnih rebara i duraluminijskih elemenata, prevučena lanenim platnom. Platno se
koristilo i kao obloga trupa zrakoplova te na njegovim repnim površinama. Vanjske
platnene površine premazivale su se posebnim premazom na bazi acetil-celuloze
7
rastvorene u acetonu čime se povećala čvrstoća. Kasnije se prešlo na uobičajenu
koncepciju krila izvedenog u potpunosti od lake aluminijske legure i prekrivenog
metalnim pločama.
Zrakoplov Hornet F.Mk.1 (slika 4) predstavlja primjer uspješne konstrukcijske
izvedbe kombiniranom primjenom drveta i metala u dijelovima poput trupa i krila.
Slika 4. Hornet F.Mk.1
Trup zrakoplova izveden je od potpuno noseće vanjske oplate bez unutarnjeg kostura,
koja se sastojala od dva sloja drvene ljepenke između kojih se nalazilo lako drvo balza
debljine 15 mm. Krila su načinjena od drvenih rebara na koje su nalijepljeni metalni
nosači. Donji pokrov krila bio je metalan, a gornji od drva i to od dva sloja drvene
ljepenke između kojih su posložene drvene letvice slično konstrukciji panel ploča. Sve
veze između drva i metala ostvarene su uporabom sintetičkih ljepila.
Motori zrakoplova tog vremena prvotno su bili od sivog lijeva, a kasnije od
aluminijske legure. Time se uspješno reducirala težina zrakoplova i ostvarilo bolje
odvođenje topline.
Spremnici goriva najčešće su rađeni od aluminijskog lima prevučenog specijalnim
omotačem od gume koji je imao funkciju stezanja rupe nastale prošupljivanjem
spremnika i time onemogućiti jače curenje goriva.
Poslije Drugog svjetskog rata otpočinje razvoj civilnog zrakoplovstva. Neki od
putničkih zrakoplova tog vremena još i danas, nakon dugog niza godina, uspješno lete.
Na slici 5 prikazana je kronologija razvoja zrakoplova Boeing.
8
Slika 5. Kronološki slijed zrakoplova Boeing
Jedan on najpoznatijih putničkih aviona na mlazni pogon Boeing 707, razvijen 50-tih
godina 20. stoljeća, još i danas nalazi se u uporabi zahvaljujući pouzdanosti i trajnosti
ugrađenih materijala. Ovaj zrakoplov, kao i kasnije razvijen Boeing 727 i širokotrupni
Boeing 747, te donedavno najmoderniji Boeing serije 777 bazirani su prvenstveno na
uporabi lakih aluminijskih legura visoke čvrstoće i male gustoće. Kako su aluminijske
legure vremenom bivale sve bolje i kvalitetnije zrakoplovi su postajali veći i lakši i mogli
primati sve više putnika što je pogodovalo troškovnoj isplativosti. Zahvaljujući
kontinuiranom razvoju aluminijskih materijala i primjeni suvremenih materijala poput
kompozita na primjeru zrakoplova Boeing 777 (slika 6) ostvarene su visoke uporabne
karakteristike u pogledu brzine, nosivosti, veličine, težine, sigurnosti i trajnosti.
Slika 6. Boeing 777–300ER
9
Kako je tekao razvoj aluminijskih materijala zorno prikazuje dijagram na slici 7.
Mehanička otpornost kontinuirano je rasla tako da je granica razvlačenja od prvotnih 276
N/mm2 porasla na današnjih 600 N/mm2.
Slika 7. Porast mehaničke otpornosti aluminijskih legura
U početku su to bile toplinski obrađene legure aluminija s bakrom i magnezijem iz grupe
durala (legure serije 2xxx) koje međutim nisu mogle zadovoljiti sve složenije
eksploatacijske zahtjeve te je 50-tih godina prošlog stoljeća u uporabu ušla nova skupina
aluminijskih legura s cinkom, magnezijem i bakrom poznatih kao konstruktali (legure
serije 7xxx). Jedna od prvih primjena konstruktala, mehanički otpornijih i korozijski
postojanijih od legura serije 2xxx, zabilježena je kod zrakoplova Boeinga 707 gdje je
uporabljen konstruktal u toplinski očvrsnutom stanju, granice razvlačenja 552 N/mm2.
Modificiranjem svojstava različitim postupcima termomehaničke obrade konstruktali su s
vremenom postajali sve čvršći što je omogućilo razvoj zrakoplova poput Boeinga 757 i
767. Kod Boeinga 777 ostvaren je maksimum čvrstoće i granice razvlačenja (600
N/mm2) i dalje se ne ide jer bi svakim daljnjim povećanjem porasla opasnost od
napetosne korozije i dodatno se otežala deformabilnost materijala.
Danas zrakoplovna industrija teži ne samo poboljšavanju postojećih materijala
već i razvoju novih s optimalnim svojstvima za određenu primjenu. Jedan od takvih
suvremenih materijala svakako su i kompoziti. Zahvaljujući ciljanom projektiranju
kompozita koji svojim svojstvima uspješno udovoljavaju složenim eksploatacijskim
Godina 1920 1940 1980 2000
Godina prve uporabe 1960
100
200
300
400
500
600G
rani
ca ra
zvlače
nja,
N/m
m2
10
zahtijevima primjena ovih materijala u stalnom je uzletu. Prvi predstavnici kompozitnih
materijala bili su polimeri ojačani staklenim vlaknima koji su se prvotno koristili za manje
opterećene elemente zrakoplova, ali zahvaljujući kontinuiranom napretku počinju se
rabiti i za složenije konstrukcijske elemente poput oplate krila i trupa zrakoplova. Jedna
od prvih primjena zabilježena je prije 40 godina kod borbenih zrakoplova F14 (slika 8) i
F15. Vlaknima ojačana polimerna smola koristila se za izradu oplate repnog kormila.
Početno je maseni udjel kompozita bio vrlo mali tako da je kod zrakoplova F14 iz 1970.
godine on iznosio samo oko 1 %. Osam godina kasnije uporaba kompozita toliko je
porasla da je njihov udjel narastao na skoro 19 % kod zrakoplova F18 (slika 9). Trup,
krila i repna struktura ovog zrakoplova najvećim dijelom su izvedeni od kompozita
epoksidne matrice i ugljičnog ojačanja.
Slika 8. F-14 Tomcat Slika 9. F/A-18 Hornet Osim kompozitnih materijala uporabljene su i očvrsnute aluminijske legure, čelični
materijali te legure na bazi titana, slika 10.
Slika 10. Konstrukcijski materijali zrakoplova F/A-18
Maseni udjel, % F/A-18C/D F/A-18E/F
Aluminij....................49...................31
Čelik.........................15...................14
Titan.........................13....................21
Ugljično epoksidni
kompozit.................10....................19
Ostalo.......................13...................15
100 100
F/A-18
11
Udjeli pojedinih skupina materijala s vremenom su se mijenjali na račun povećane
potrošnje kompozita i titanovih materijala te istovremenog smanjenja potreba za
aluminijskim legurama.
Kod zrakoplova F-22 (slika 11) iz 1990. godine kompozitni materijali masovno su
korišteni u izradi oplate krila i oplate trupa tako da čine 24 % ukupne težine konstrukcije
zrakoplova. Visoko opterećeni elementi trupa i okvira izvedeni su od titanovih legura,
stajni trap građen je od visokočvrstog čelika, a repne površine od kompozitnih panela
aluminijske jezgre.
Slika 11. F-22 Raptor
Na primjeru "nevidljivog" bombardera B2 (slika 12) laki kompozitni materijali su
uspješno primijenjeni u proizvodnji primarnih konstrukcijskih elemenata i na taj je način
anulirana nešto veća masa letjelice nastala prevlačenjem oplate specijalnim materijalom
koji apsorbira radarsko zračenje.
Slika 12. B-2 Spirit
Kompoziti polimerne matrice dodatno ojačane vlaknima podesni su konstrukcijski
materijal i u izgradnji transportnih zrakoplova, slika 13. Svojim povoljnim svojstvima, u
prvom redu malom masom, doprinose povećanju korisne nosivosti i time boljoj
troškovnoj isplativosti.
12
Slika 13. C-17
Zahvaljujući svojim prednostima kompoziti su našli svoje mjesto i u civilnom
zrakoplovstvu. Prva značajnija uporaba zabilježena je 1983. godine i to Airbusovih
putničkih zrakoplova A300 i A310 gdje se polimerni kompozit prvotno koristio u izradi
kormila, a dvije godine kasnije i za repni vertikalni stabilizator, slika 14.
Slika 14. Airbus A300 Slika 15. Airbus A320
Kod Airbusa A320 (slika 15) od kompozita je građena cijela repna struktura te
brojni drugi konstrukcijski elementi uključivo i podnu oblogu (staklenim vlaknima ojačan
polimer). Laki kompozitni materijali ukupno čine 28 % mase zrakoplova što je osim
značajne uštede na težini omogućilo i kraće vrijeme proizvodnje te manju osjetljivost na
različite oblike oštećenja.
Danas su kompoziti široko zastupljeni u proizvodnji novog Airbusa A380 (slika 16)
gdje se rabe za gornje i donje panele oplate zrakoplova, za potpornje krila, nosače poda
gornjeg kata (palube) te čitav niz drugih konstrukcijskih elemenata. Osim polimernih
13
kompozita primijenjeni su i tzv. “glare“ laminati koji se sastoje od aluminijskih limova
dodatno ojačanih staklenim vlaknima.
Slika 16. Airbus A380 Slika 17. Boeing 787 Dreamliner
Kao najbolji primjer opsežnog korištenja novih materijala razvijenih upravo za
potrebe zrakoplovstva svakako treba istaknuti i novi Boeing 787 Dreamliner (slika 17).
Njegova prednost nije u veličini nego u tehnologiji. Airbus A380 i dalje je najveći
zrakoplov na svijetu, a Dreamliner se ističe svojim tehnološkim inovacijama. To je prvi
zrakoplov koji se koristi u komercijalne svrhe, a da mu je 50 % dijelova od kompozitnih
materijala. Oko 80 % trupa izrađeno je iz jednog komada od grafitnim vlaknima ojačane
epoksidne smole. Prema tehničkim podacima za njegovu proizvodnju utroši se 35 tona
grafitnih vlakana. Osim kompozitnih materijala u izgradnji ovog zrakoplova korištene su i
aluminijske legure zastupljene s 20 %, legure titana s udjelom od 15 %, čelik koji čini 10
%, te ostali materijali u ukupnom iznosu od 5 %. Odabirom novih suvremenih materijala
znatno je smanjena buka u zrakoplovu unatoč činjenici što ga pokreću dva snažna Rolls-
Royceova motora Trent 1000 koji stvaraju veliku buku. Osnovna je prednost Dreamlinera
što je vrlo lagan i fleksibilan te troši oko 20 % manje goriva od zrakoplova slične
kategorije npr. Boeinga 767. Masa zrakoplova kreće se od 101 do 115 tona ovisno o
tipu, a zahvaljujući manjoj potrošnji goriva dolet mu je do 15750 km što znači da može
bez prekida letjeti od New Yorka do Manile ili od Moskve do Sao Paula.
Neka predviđanja govore da će u skoroj budućnosti kompozitni materijali imati
dominirajuću ulogu u zrakoplovnoj industriji te će zahvaljujući svojim brojnim
prednostima zamijeniti "konvencionalne" metalne materijale koji još uvijek imaju velik broj
različitih primjena.
14
3. ZAHTJEVI NA MATERIJAL I KRITERIJI IZBORA
Kako je istaknuto u prethodnom poglavlju zrakoplov je primjer proizvoda gdje se
danas više nego ikada masovno koriste novi materijali. Razlozi za to su sljedeći:
1. poboljšanje uporabnih karakteristika zrakoplova u pogledu veličine, težine,
brzine, nosivosti, sigurnosti i trajnosti;
2. promjena uvjeta rada i zahtjeva koji se postavljaju na strojni dio ili element
konstrukcije;
3. kvarovi tijekom uporabe uzrokovani materijalom – deformacije, lomovi,
prekomjerno trošenje ili korozija;
4. primjena novih zakona, propisa i normi;
5. smanjenje troškova i postizanje bolje konkurentnosti.
Neke procjene govore da udjel materijala u cijeni zrakoplova iznosi otprilike 60 %.
Iz tog razloga javlja se potreba i opravdanost za razmatranjem poboljšanja performansi
zrakoplova, uz istovremeno što manju cijenu, na način da se smanjuju ukupni troškovi
materijala. Sve strože zahtjeve koji se postavljaju na zrakoplovne dijelove klasični
materijali ne ispunjavaju u potpunosti. Stoga se javlja potreba za novim i poboljšanim
materijalima (ciljano razvijene legure aluminija, magnezija ili titana, čelici povišene i
visoke čvrstoće, kompoziti i dr.) koji uspješno udovoljavaju kompleksnim
eksploatacijskim zahtjevima. Svaka od skupina pruža dovoljno prednosti u primjeni kao
što su npr. mala masa, dobra otpornost pri niskim i visokim temperaturama, postojanost
prema koroziji, visoka čvrstoća, dinamička otpornost i slično.
Problem izbora materijala je općenito problem optimiranja kroz primjenu metoda
optimizacije korištenjem klasičnih podloga i pomagala (katalozi proizvođača, priručnici,
norme, interni propisi i preporuke) odnosno računalnih informacijskih sustava.
S gledišta funkcionalnih i eksploatacijskih zahtjeva od zrakoplovnih materijala
traži se sljedeće:
1. mala masa;
2. visoka mehanička otpornost u uvjetima statičkog opterećenja;
3. zadovoljavajuća krutost; 4. otpornost umoru;
5. otpornost na naglo širenje pukotina;
6. korozijska postojanost;
15
7. mehanička otpornost pri visokim temperaturama (otpornost na puzanje); 8. otpornost na gorenje;
9. apsorpcija buke i vibracija.
Osim ovih osnovnih zahtjeva definiranih određenim svojstvom materijala u obzir
se moraju uzeti i izvedeni kriteriji koji uključuju više svojstava:
1. specifična čvrstoća - omjer vlačne čvrstoće (granice razvlačenja) i gustoće
materijala;
2. specifična krutost - omjer modula elastičnosti i gustoće;
3. sigurnost - umnožak granice razvlačenja i lomne žilavosti.
Pored funkcionalnih i eksploatacijskih svojstava za optimalni izbor materijala
važna su i njegova tehnološka svojstva koja opisuju sposobnost materijala za obradu ili
oblikovanje nekim tehnološkim postupkom (livljivost, rezljivost, oblikovljivost
deformiranjem, zavarljivost, toplinska obradljivost i sl.). Na izbor materijala također utječe
raspoloživost i nabavljivost te danas sve važnija recikličnost materijala. Na temelju
navedenih zahtjeva definiraju se tražena svojstva koja materijal mora posjedovati i
pristupa se njegovu izboru. Kod toga se traži gotovo uvijek kompromisno ispunjenje više
različitih zahtjeva pa izbor materijala predstavlja složeni problem traženja optimuma
poželjnih svojstava - najpovoljnijeg rješenja u postojećim uvjetima. Tako npr. materijali
visoke čvrstoće imaju lošija neka druga svojstva pa se pri izboru materijala traži
zadovoljavajuće rješenje između više, često i oprečnih zahtjeva.
16
4. SVOJSTVA MATERIJALA 4.1. Gustoća
Jedan od najvažnijih zahtjeva koji se postavljaju na zrakoplovni materijal jest što
manja masa te se preferiraju materijali niske gustoće kao što su npr. polimeri,
kompozitni materijali, aluminijske ili magnezijske legure. Primjenom lakih vlaknima
ojačanih kompozita može se ostvariti značajna ušteda na težini zrakoplovne
konstrukcije, a kako to izgleda kada se težina smanji za 10 % najbolje ilustrira primjer na
slici 18.
Slika 18. Utjecaj težine zrakoplovne konstrukcije na troškovnu isplativost
Ako se pretpostavi da je konstrukcija 50 % ukupne težine zrakoplova, preostalih 50 % u
jednakim dijelovima čine korisna nosivost te gorivo i maziva. Smanjenjem težine
konstrukcije za 10 %, nosivost je veća za 20 % što bitno utječe na ekonomsku
isplativost. S druge strane manja težine konstrukcije za istu nosivost omogućuje velike
uštede goriva i time opet niže operativne troškove. Laki kompozitni materijali visoke
čvrstoće i krutosti danas se uspješno primjenjuju kao alternativa klasičnim metalnim
materijalima više gustoće i veće mase. Tablica 1 sadrži vrijednosti gustoće osnovnih
skupina tehničkih legura.
50 % Konstrukcija 25 % Teret 25 % Gorivo
Konstrukcija od vlaknima ojačanog kompozita
45 % Konstrukcija -10 % 30 % Teret +20 % 25 % Gorivo
17
Tablica 1. Gustoće konstrukcijskih legura
Materijal Gustoća kg/m3
Aluminijske legure 2700 Titanove legure 4500 Sivi lijev 7250 Čelik 7850 Niklove legure 8900 Bakarne legure 8930
Čelik, niklove legure i legure bakra jesu materijali visoke gustoće, za razliku od legura
titana i osobito aluminija, što ovim potonjim daje veliku prednost u najvećem dijelu
zrakoplovnih primjena. Ostale skupine tehničkih materijala poput keramike, kompozita,
polimera i drva u pravilu su niže gustoće i to slijedom kako su navedeni.
4.2. Čvrstoća
Materijal od kojeg se izrađuju dijelovi zrakoplova mora biti odgovarajuće
mehaničke otpornosti da bi mogao izdržati svekolika opterećenja koja se javljaju tijekom
eksploatacije. Mehaničku otpornost u uvjetima djelovanja konstantnog opterećenja
određuje granica razvlačenja (konvencionalna granica razvlačenja pri povišenim
temperaturama) i čvrstoća materijala. Granica razvlačenja jest ono naprezanje prema
kojem se uz odabrani stupanj sigurnosti utvrđuje dopušteno naprezanje pri radu strojnih
dijelova i elemenata konstrukcije. Djelujuće naprezanje ni u kom slučaju ne smije prijeći
vrijednost (konvencionalne) granice razvlačenja zbog pojave plastične (trajne)
deformacije s konačnim ishodom loma materijala.
Na slici 19 predočena je ovisnost mehaničke otpornosti i gustoće različitih
skupina konstrukcijskih materijala. Otpornost duktilnih (žilavih) materijala iskazana je
granicom razvlačenja, a krhkih materijala vlačnom čvrstoćom. Konstrukcijske legure
poput čelika i niklovih legura visoke su čvrstoće, ali i visoke gustoće. Titanove legure su
značajno lakše i podjednako čvrste te su u prednosti pred mnogim drugim inženjerskim
materijalima. Aluminij i njegove legure s gustoćom od samo 2700 kg/m3, danas sve boljih
mehaničkih i proizvodnih svojstava predstavljaju gotovo idealan materijal za mnoge
18
zrakoplovne primjene. Moguće je proizvesti toplinski očvrsnute aluminijske legure
čvrstoće podjednake čeliku.
Slika 19. Ovisnost čvrstoće/granice razvlačenja o gustoći materijala
U poredbi s metalima konstrukcijska keramika (keramički materijali koji se koriste
u inženjerske svrhe) posjeduje višu čvrstoću pri nižoj gustoći. Konstrukcijsku keramiku
općenito karakterizira visoka tlačna i savojna čvrstoća, osobito pri povišenim
temperaturama te niska vlačna čvrstoća. Za keramiku je karakteristično veliko rasipanje
vrijednosti čvrstoće kao rezultat još uvijek neujednačene kvalitete proizvoda zbog
nedovoljno usavršenih proizvodnih procesa.
Konstrukcijski polimeri (polimerni materijali namijenjeni konstrukcijskoj primjeni),
poput plastomera: poliamid (PA), poli(metil-metakrilat) (PMMA), polistiren (PS),
poli(vinilklorid) (PVC), poli(tetrafluoretilen) (PTFE) u pravilu su materijali niske mehaničke
otpornosti. Svojstva polimera pa tako i čvrstoća ovisna su o nizu utjecajnih veličina i
variraju u širokom području. Općenito su određene skupine polimera kao što su duromeri
i plastomeri veće čvrstoće od elastomera.
Kompoziti su, kako je već istaknuto, jedan od sve prisutnijih materijala u
zrakoplovstvu zahvaljujući povoljnim svojstvima poput visoke čvrstoće i male mase što
Gra
nica
razv
lače
nja
/ vlačn
a čv
rstoća
, N/m
m2
Gustoća, ⋅103 kg/m3
19
im daje izrazito povoljnu specifičnu čvrstoću. Čvrstoću i krutost moguće je postići
ojačalima u obliku staklenih (GFRP) i ugljičnih vlakana (CFRP).
Drvo, tradicionalni i obnovljivi konstrukcijski materijal niske gustoće posjeduje
osrednju čvrstoću. Vlačna čvrstoća drva proporcionalna je gustoći tako su drva veće
gustoće poput jasena i hrasta čvršća za razliku od bora i jele drvnih vrsta niže gustoće i
manje čvrstoće. Kako drvo po svojoj građi nije homogeno čvrstoća varira s obzirom na
položaj vlakana prema smjeru opterećenja. Paralelno s vlaknima čvrstoća je najveća,
dok je okomito na vlakna minimalna.
4.3. Krutost
Da bi se spriječilo izvijanje dijelova zrakoplovnih konstrukcija materijal mora biti
ne samo čvrst već i krut. Različite skupine konstrukcijskih materijala posjeduju veću ili
manju krutost o čemu je potrebno voditi računa prilikom dimenzioniranja. Krutost
materijala određuje modul elastičnosti (Youngov modul). Veličina ove elastične
konstante izravno ovisi o čvrstoći veze između strukturnih jedinica u kristalnoj ili amorfnoj
strukturi. Ako je veza vrlo čvrsta onda je i visoka vrijednost modula elastičnosti. Što je
čvrstoća veze slabija niže su i vrijednosti ove elastične konstante te materijal pokazuje
manju krutost.
Slika 20 predočava krutost osnovnih skupina konstrukcijskih materijala s obzirom
na gustoću. Dijagram kvalitativno nalikuje prikazu na slici 19, te je očito da su čvršći
materijali ujedno i krući. Metali poput čelika i niklovih legura vrlo su visoke krutosti
određene vrijednošću modula elastičnosti od 210000 N/mm2. Krutost legura na bazi
bakra odnosno titana znatno je niža. Youngov modul za bakarne legure iznosi 105000
N/mm2 , a za titanove legure 110000 N/mm2. Lake aluminijske legure karakterizira još
niža krutost i modul elastičnosti od “samo“ 70000 N/mm2. Stoga su aluminijski dijelovi
znatno gipkiji (elastičniji) u poredbi s istovrsnim konstrukcijama izrađenim od čelika o
čemu je potrebno voditi računa.
Keramički materijali s niskom žilavosti i duktilnosti izrazito su kruti, što je nažalost
vrlo često njihov nedostatak. Od svih tehničkih materijala najveću krutost pokazuje
umjetni dijamant s modulom elastičnosti od približno 1000000 N/mm2.
20
Slika 20. Ovisnost modula elastičnosti o gustoći materijala
U poredbi s ovim materijalima konstrukcijski su polimeri znatno niže krutosti.
Njihova krutost, jednako kao i čvrstoća, varira u širokom području s obzirom na velik broj
različitih skupina polimernih materijala. Najveću krutost među polimerima pokazuju
duromeri, zatim slijede plastomeri dok su elastomeri s izraženim svojstvima elastičnosti
vrlo niske krutosti.
Kompozitne materijale općenito karakterizira visok modul elastičnosti, posebice
ako se radi o visokočvrstim i visokokrutim ugljičnim vlaknima kao ojačalima. Nešto manje
kruti kompoziti staklenog ojačanja još uvijek su dovoljno kruti za većinu konstrukcijskih
primjena. Za razliku od vlaknastih kompozita čija su svojstva anizotropna te je krutost
najveća u smjeru vlakana, laminirane kompozitne konstrukcije su ujednačenijih svojstava
zbog višeslojnog polaganja ojačanja i orijentacije vlakana u pojedinim slojevima.
Krutost drva, analogno čvrstoći, određena je gustoćom pojedinih vrsta te
smjerom opterećenja s obzirom na položaj vlakana. Vrlo guste, čvrste i krute vrste drva
su primjerice jasen i hrast, dok su bor i jela drva niske gustoće, a time i krutosti. Krutost
Gustoća, ⋅103 kg/m3
Mod
ul e
last
ično
sti,
kN/m
m2
21
pojedinih vrsta drva može se poboljšati opterećivanjem usporedo s vlaknima. Okomito
na vlakna krutost je slaba.
4.4. Dinamička izdržljivost
Često dijelovi zrakoplova nisu napregnuti statičkim naprezanjem već
promjenjivim (dinamičkim) naprezanjem koje se mijenja tijekom vremena. Unatoč tome
što je iznos takvog dinamičkog naprezanja niži od granice razvlačenja, nakon nekog
vremena može doći do loma. Zato dimenzioniranje dinamički opterećenih dijelova i
konstrukcija korištenjem podataka o mehaničkim svojstvima određenih statičkim
ispitivanjem nije valjano. Posljedica dinamičkog opterećenja je pojava umora materijala,
odnosno postupnog razaranja materijala uslijed dugotrajnog djelovanja promjenjivog
naprezanja što rezultira prijelomom dijela. Tablica 2 prikazuje učestalosti različitih oblika
oštećenja u zrakoplovstvu te je vidljivo da je daleko najveći boj oštećenja uzrokovan
upravo pojavom lomova nastalih umorom materijala.
Tablica 2. Učestalost oštećenja zrakoplovnih dijelova u eksploataciji
Vrsta oštećenja Zastupljenost, % Opća korozija 3 Lom od umora 61 Preopterećenje 18 Visokotemperaturna korozija 2 Napetosna korozija 9 Trošenje abrazijom i erozijom 7
Zbog toga se dinamički opterećene konstrukcije moraju dimenzionirati na vrijednost
dinamičke izdržljivosti. Dinamička izdržljivost je ono najveće dinamičko naprezanje
koje materijal izdrži bez pojave loma nakon teoretski beskonačnog broja promjena
opterećenja (ciklusa), a realno uz neki granični broj ciklusa. Slika 21 prikazuje Wöhlerove
krivulje različitih metalnih materijala na temelju kojih se određuje vrijednost dinamičke
izdržljivosti. U poredbi s lakim i obojenim metalima čelični su materijali općenito otporniji
na djelovanje dinamičkih naprezanja (otporniji na umor). Dinamička izdržljivost čelika
može se dodatno poboljšati toplinskom obradom kaljenja i visokotemperaturnog
popuštanja (poboljšavanje). Zbog toga se dijelovi koji nisu izvrgnuti jačem trošenju, a
22
dinamički su visoko opterećeni redovito prethodno poboljšavaju. Svojstva poboljšanog
materijala bit će tim bolja što je veći sadržaj ugljika u čeliku i viši stupanj legiranosti. Vrlo
niska dinamička izdržljivost sivog lijeva rezultat je mikrostrukturnog stanja tj. listića
(lamela) grafita koji djeluju kao koncentratori naprezanja.
Slika 21. Dinamička izdržljivost metalnih materijala
Za metalne materijale, a posebice konstrukcijske čelike, karakteristično je da se
Wöhlerova krivulja asimptotski približava vrijednosti dinamičke izdržljivosti dok kod nekih
polimera i polimernih kompozita to nije slučaj pa se ne može pouzdano utvrdit iznos
dinamičke izdržljivosti, slika 22.
Slika 22. Ponašanje materijala pri dinamičkom opterećenju
Nap
reza
nje,
N/m
m2
Broj promjena opterećenja (log)
Nap
reza
nje,
N/m
m2
Broj promjena opterećenja (log)
Cr-Ni-poboljšan čelik
1,2 %C-poboljšan čelik
opći konstrukcijski čelik-valjan
Al-Cu-legura Cu-vučen, žaren
Sivi lijev
0,53 %C-poboljšan čelik
23
4.5. Lomna žilavost
Jedan od bitnih zahtijeva koji se postavljaju na zrakoplovni materijal jest
otpornost prema pojavi i širenju pukotina. Materijal zrakoplovnih konstrukcija mora biti
otporan na naglo širenje pukotina da bi se izbjegli različiti lomovi i havarije koji u
konačnici mogu uzrokovati neželjeno rušenje zrakoplova. Različite pukotine, ali isto tako
i pogreške u mikrostrukturi materijala predstavljaju mjesta koncentracije naprezanja kada
se uslijed višestrukog porasta naprezanja na tim izdvojenim lokalitetima javlja inicijalna
pukotina koja se vremenom širi (propagira). Osobito je opasno naglo širenje pri kojem
pukotina napreduje velikom brzinom (nestabilno širenje) jer se lom teško može
predvidjeti. Iz tog razloga važno je poznavati veličinu naprezanja oko vrha pukotine ili
nekog mikrostrukturnog koncentratora naprezanja. Polje (raspored) naprezanja oko
pukotine opisuje veličina koja se naziva faktor intenziteta naprezanja i označava sa K.
Faktor intenziteta naprezanja fizikalno predstavlja mjerilo intenziteta porasta naprezanja
u blizini vrha pukotine. Slika 23 prikazuje utjecaj faktora intenziteta naprezanja na brzinu
rasta pukotine. U području I gdje su mala naprezanja oko pukotine vrijednosti faktora
intenziteta naprezanja su niske i pukotina sporo napreduje malom brzinom, ali ona
postepeno raste s prijelazom u II stadij. Pri višim vrijednostima faktora intenziteta
naprezanja u području II započinje stabilno širenje pukotine većom i konstantnom
brzinom. Nestabilno propagiranje u području III označava širenje pukotine velikom
brzinom. Brzina rasta eksponencijalno raste približavanjem točki loma.
Slika 23. Utjecaj faktora intenziteta naprezanja na brzinu širenja pukotine
Faktor intenziteta naprezanja, N/mm3/2
Brz
ina
šire
nja
puko
tine,
mm
/cik
lusu
I II III
24
Prema mogućem načinu otvaranja pukotine, slika 24, razlikuju se faktori
intenziteta naprezanja KI, KII i KIII.
Slika 24. Načini otvaranja pukotine
Modus I ima najveće značenje u praksi posebice kod dijelova s vanjskim i unutarnjim
pukotinama, opterećenih vlačnim ili savojnim opterećenjem, te kod konstrukcija
podvrgnutih unutarnjem pritisku. U slučaju modusa II pukotina se javlja uzdužnim
smicanjem, a kod modusa III poprečnim smicanjem.
Kritična veličina faktora intenziteta naprezanja pri kojem pukotina nastala
jednostavnim otvaranjem (modus I) započinje nestabilno širenje u uvjetima ravninskog
stanja deformacije naziva se lomna ili pukotinska žilavost i označava sa KIC. Pojava
ravninskog stanja deformacije karakteristična je za debelostjene dijelove.
Nestabilno širenje pukotine u uvjetima napetosne korozije nastupa pri kritičnoj
vrijednosti faktora intenziteta naprezanja KISCC (SCC Stress-Corrosion Cracking).
Na temelju vrijednosti lomne žilavosti može se odrediti kritično naprezanje pri
kojem dolazi do loma statički opterećenih dijelova konstrukcija, uzimajući u obzir
pogreške u materijalu nastale tijekom izrade ili eksploatacije. Na taj se način može
provjeriti pouzdanost konstrukcije za poznato naprezanje i veličinu pogreške.
Poznavanjem lomne žilavosti moguće je proračunati i kritičnu veličinu pukotine
(pogreške u materijalu) koja će dovesti do loma pri zadanom naprezanju. Posebnu
primjenu u tom smislu nalazi ova vrijednost kod proračuna elemenata zrakoplovnih
konstrukcija.
Veličina tolerirane pukotine ili pogreške ovisi o omjeru lomne žilavosti i granice
razvlačenja. Što je taj omjer viši, to se dozvoljava veća pukotina bez opasnosti od loma.
Materijali poput legura aluminija odnosno titana i posebno visokočvrstih čelika smiju
sadržati vrlo malu dozvoljenu veličinu pogreške. Visokočvrsti čelici kao što su TRIP i
“maraging“ čelici te niskolegirani poboljšani odnosno precipitacijski očvrsnuti korozijski
postojani čelici (PH-čelici) od kojih se izrađuju visokoopterećene tankostjene konstrukcije
osjetljivi su na propagaciju pukotina, naročito u uvjetima vlačnog opterećenja jer
Modus I Modus II Modus III
25
djelujuća naprezanja lako dosežu kritičan iznos pri kojem se pukotina nestabilno širi.
Stoga se kod materijala osjetljivih na zarezno djelovanje dimenzioniranje i proračun
konstrukcije temelji na lomnoj žilavosti, dok uobičajeni pristup proračunu nosivosti s
pomoću faktora sigurnosti i dopuštenih naprezanja nije prihvatljiv posebice u slučajevima
velikih dimenzija dijela, niske radne temperature, promjenjivog ili udarnog opterećenja te
agresivne okoline. Lomnu žilavost navedenih skupina materijala prikazuje slika 25.
Porastom granice razvlačenja vrijednosti lomne žilavosti se smanjuju, što je istovjetno
odnosu čvrstoće i “klasične“ žilavosti određene po Charpyju (udarni rad loma).
Slika 25: Ovisnost lomne žilavosti i konvencionalne granice razvlačenja
4.6. Otpornost na koroziju
Korozija predstavlja spontano razaranje materijala pod djelovanjem okolnog
medija čime se narušava integritet konstrukcije, tj. njezina mehanička i fizikalna svojstva.
Stoga materijali zrakoplovnih konstrukcija moraju biti postojani na koroziju. Između
više različitih pojavnih oblika korozije posebno su opasne u zrakoplovstvu napetosna
korozija i korozija ljuštenjem.
Napetosna korozija je oblik selektivne korozije koja ne nastupa jednolično po
cijeloj površini već samo lokalno na izdvojenim mjestima. Napetosna korozija javlja se u
uvjetima istovremenog djelovanja agresivnog medija i vlačnog naprezanja. Pod pojmom
Konvencionalna granica razvlačenja, N/mm2
Lom
na ž
ilavo
st K
IC, N
/mm
3/2
TRIP čelici
Čelici maraging
Niskolegiranipoboljšani
čeliciTitanove legure
PH-čelici
Titanove legure
Aluminijskelegure
26
naprezanje podrazumijeva se ono nastalo djelovanjem vanjskih sila, ali i zaostala
naprezanja kao rezultat hladnog oblikovanja deformiranjem, naglog gašenja, zavarivanja
i slično. Stoga ovaj tip korozije najčešće nastupa na hladno deformiranim lokalitetima jer
tamo zaostaju napetosti (zaostala naprezanja) te u okolini zavarenih mjesta gdje su
zaostala naprezanja uvedena grijanjem i hlađenjem. Naprezanja zajedno s djelovanjem
agresivnog medija izazivaju pukotine transkristalnog karaktera, strogo okomite na smjer
naprezanja. Pojavi ove vrst korozije podložniji su materijali veće mehaničke otpornosti.
Za razliku od austenitnih i martenzitnih čelika koji su općenito osjetljivi na napetosnu
koroziju, feritni čelici nisu. Da bi se smanjile predispozicije za pojavu ovog tipa korozije
potrebno je provesti žarenje za redukciju zaostalih naprezanja.
Drugi oblik korozije je ljuštenje materijala kada se na površini stvaraju različiti
produkti kemijskih reakcija u interakciji s okolišem (najčešće oksidi). Ako produkti nisu
dovoljno kompaktni da bi spriječili daljnju difuziju i porast debljine sloja s vremenom
dolazi do ljuštenja uslijed tlačnih naprezanja. Na sloju ispod ponovo se formiraju kemijski
produkti i nakon nekog vremena i taj sloj otpada. Višestruko raslojavanje materijala
prema vani se očituje kao ljuštenje.
4.7. Mehanička otpornost pri povišenim i visokim temperaturama - otpornost na puzanje
Dijelovi zrakoplova kao što su oplata, motor i turbina izloženi su tijekom uporabe
visokim radnim temperaturama. Temperatura može biti i viša od 1000 ºC pa
konstrukcijski materijali moraju zadržati mehaničku otpornost pri tako visokim
temperaturama.
S porastom temperature smanjuje se granica razvlačenja i vlačna čvrstoća, a
istezljivost materijala raste. Snižava se također modul elastičnosti pa je potrebno voditi
računa o krutosti konstrukcije. Osim toga niže su i vrijednosti dinamičke izdržljivosti na
što je također potrebno obratiti pažnju.
Pri visokim temperaturama u uvjetima konstantnog naprezanja može doći do
pojave puzanja materijala. Puzanje je toplinski aktiviran, ireverzibilan proces deformacije
materijala koji nastaje u uvjetima dugotrajnog djelovanja konstantnog opterećenja pri
nekoj povišenoj temperaturi. Otpornost prema puzanju definira granica puzanja i
statička izdržljivost. Granica puzanja Rpε/t/ϑ je ono vlačno naprezanje koje pri
27
temperaturi ispitivanja ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja (t) ostavlja u epruveti
određenu trajnu deformaciju ε. Statička izdržljivost Rm/t/ϑ je vlačno naprezanje koje pri
temperaturi ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja (t) uzrokuje lom epruvete.
Slika 26 prikazuje statičku izdržljivost različitih skupina materijala nakon 10000
sati ispitivanja. Porastom temperature statička se izdržljivost smanjuje i lom nastupa pri
sve nižim naprezanjima. Najmanje otporni puzanju su polimeri koji mogu puzati već na
okolišnoj temperaturi. Otpornost puzanju općenito određuje temperatura tališta i
mikrostrukturno stanje materijala. Tako su primjerice aluminijski materijali koji se tale na
relativno niskoj temperaturi (Tt=660 °C) ograničeno primjenjivi pri povišenim
temperaturama. Otpornost se može dodatno poboljšati legiranjem materijala. Kada je
riječ o čelicima oni se legiraju elementima koji se otapaju u kristalu mješancu i time
smanjuju pokretljivost atoma ili onim legirnim elementima koji tvore teško topive spojeve
(karbide, nitride, intemetalne faze) precipitirane u obliku sitnih čestica koje otežavaju
gibanje dislokacija.
Slika 26. Statička izdržljivost materijala
Legure na osnovi nikla odnosno kobalta poznate kao superlegure, te osobito metali i
legure visokog tališta (W, Ta, Nb, Mo, Cr) odnosno metalni kompoziti predstavljaju
materijale izrazito otporne na puzanje.
Za visokotemperaturne primjene podesna je i konstrukcijska keramika zahvaljujući
visokoj temperaturi tališta i kovalentnim vezama između atoma. Značajnu primjenu u tom
smislu nalazi neoksidna keramika visoke čvrstoće, tvrdoće i krutosti, slika 27. Neoksidna
keramika poput vruće prešanog silicijeva nitrida (HPSN), silicij-aluminij-oksinitrida
Stat
ička
izdr
žljiv
ost (
Rm
/100
00),
N/m
m2
Temperatura, °C
28
(SIALON), vruće prešanog silicijeva karbida (HPSiC) te reakcijski povezanog silicijeva
karbida (RBSiC) izdržava temperature do 1200 °C i više. Karbidnu keramiku u pravilu
obilježava izvanredna mehanička otpornost pri visokim temperaturama. U tom pogledu
keramički materijali su u znatnoj prednosti pred metalima pa čak i superlegurama, no
kod keramike se javlja problem velike krhkosti pri nižim temperaturama.
Slika 27. Ovisnost savojne čvrstoće neoksidne keramike o temperaturi
Temperaturna područja primjene metalnih i nemetalnih materijala različitog
omjera čvrstoće i gustoće ilustrira slika 28.
Slika 28. Područja radnih temperatura nekih metalnih i nemetalnih materijala
Aluminijske legure relativno niske specifične čvrstoće mogu se koristiti do najviše
150...200 °C. Za primjene u području viših temperatura prednost se daje titanovim
materijalima koji su postojani do temperature 500 °C ako se radi o α legurama. Zbog
Om
jer č
vrst
oća/
gust
oća
Temperatura, °C
Sav
ojna
čvr
stoć
a, N
/mm
2
Temperatura, °C
α-SiC - α-silicijev karbid HPSiC - vruće prešan silicijev karbid HPSN - vruće prešan silicijev nitrid RBSiC - reakcijski povezan silicijev karbidRBSN - reakcijski povezan silicijev nitrid SIALON - silicij-aluminij-oksinitrid
SIALON
Ni-Cr superlegure
HPSN
α-SiC
HPSiC
RBSiC
RBSN
SIALON
29
slabe toplinske postojanosti polimerne matrice polimerni su kompoziti (PMC), inače
povoljnog omjera čvrstoće i gustoće, u pravilu primjenjivi do temperature 250 °C. Stoga
su kompoziti metalne matrice (MMC) u znatnoj prednosti, posebice ukoliko je riječ o
visokotemperaturnim metalnim kompozitima. Ugljik-ugljik kompoziti, relativno nova
skupina kompozitnih materijala, primjenjivi su u području najviših temperatura.
4.8. Specifična čvrstoća i specifična krutost Specifična čvrstoća i specifična krutost (specifični modul elastičnosti) predstavljaju
izvedena svojstva materijala definirana s obzirom na gustoću. Specifična čvrstoća krhkih
materijala prikazuje se omjerom čvrstoće i gustoće, a duktilnih materijala omjerom
granice razvlačenja i gustoće. Za zrakoplovne materijale koji općenito moraju biti što
čvršći i što krući te ujedno i što manje mase zahtjeva se visoka specifična čvrstoća i
visoka specifična krutost. Specifična krutost iskazana je omjerom modula elastičnosti
(E) i gustoće (ρ), a ovisno o načinu opterećenja i obliku dijela može se definirati i kao
E1/3/ρ. Na slici 29 uspoređena je specifična krutost i specifična čvrstoća nekih metala i
kompozita.
Slika 29. Usporedba specifičnog modula elastičnosti i
specifične čvrstoće metala i kompozita
Metali su općenito niže specifične krutosti i specifične čvrstoće naspram kompozita. Dok
je specifična krutost aluminija, čelika i titana gotovo podjednaka specifična čvrstoća je
najveća kod titanovih materijala, a najmanja za aluminij. Čvrstoća i krutost kompozita
kada se razmatraju u odnosu na gustoću, iako variraju u širokom području kao rezultat
Spe
cifič
na č
vrst
oća,
⋅106
m2 s-1
Specifična krutost, ⋅108 m2s-1
30
različitih vrsta materijala matrice i ojačala u principu su povoljniji nego za metale,
posebno kod kompozita metalne matrice.
4.9. Sigurnost
Kako je već istaknuto materijali zrakoplovnih konstrukcija moraju biti čvrsti i
otporni na pojavu plastične (trajne) deformacije (visoka konvencionalna granica
razvlačenja, Rp0,2) kao i na širenje pukotina (visoka lomna žilavost, KIC). Budući da se
radi o oprečnim svojstvima koja su u obrnuto proporcionalnom odnosu (visoka granica
razvlačenja - niska lomna žilavost i obrnuto), sigurnost ili pouzdanost konstrukcijskog
dijela iskazuje se kroz umnožak vrijednosti ova dva svojstva (Rp0,2 ⋅KIC).
31
5. VRSTE ZRAKOLOPLOVNIH MATERIJALA
Današnji zrakoplov se sastoji od velikog broja dijelova načinjenih od različitih
materijala – metala, polimera, kompozita, keramike i dr., slika 30.
Od metalnih materijala prevladavaju aluminijske legure iz grupe durala i konstruktala
koje se koriste za izradu najvećeg dijela oplate trupa i krila zrakoplova, dok se određeni
dijelovi motora mehanički i toplinski visokoopterećeni rade od titanovih legura visoke
specifične čvrstoće. Primjena čeličnih materijala u zrakoplovstvu uvjetovana je nizom
prednosti od kojih su najvažnije: raspoloživost sirovina, povoljna cijena, mogućnost
modificiranja svojstava i veliko iskustvo u radu s ovim materijalom. Pretežno su
upotrebljavaju specijalne vrste kao što su visokočvrsti odnosno nehrđajući čelici.
Primjena visokočvrstih čelika ograničena je za visokoopterećene dijelove pouzdanih
konstrukcija (zupčanici, nosivi sklop kotača, osovina helikoptera i sl.) koji svojim
dimenzijama moraju biti što manje mase. Legure bakra, osobito bronce, namijenjene su
za prijenosnike (zupčanike), dok je olovna i olovnokositrena bronca, izvanredne
otpornosti na trošenje i velike otpornosti na zaribavanje specijalno namijenjena za klizne
ležajeve. Niklove i kobaltove superlegure zahvaljujući dobroj toplinskoj postojanosti pri
visokim temperaturama primjenjive su za dijelove poput zrakoplovne plinske turbine. Za
specifične visokotemperaturne primjene rabe se i intermetalni spojevi, visoke čvrstoće i
krutosti te visoke otpornosti oksidaciji pri temperaturama preko 1100 ºC. Magnezijske
legure općenito male mase i velike sposobnosti prigušenja vibracija koriste se npr. za
TiV10Fe2Al3 Al 2xxx-T3, -T42, -T36Al 7055-T77 Al 7150-T77 TiAl6V4 ELI TiV15Cr3Al3Sn3 TiMo15Nb3Al3Si TiAl6Sn2Zr4Mo2
Legure:
Kompoziti: Ugljičnim vlaknima ojačani polimeri
Slika 30. Konstrukcijski materijali zrakoplova Boeing 777
32
izradu pilotskog sjedala (slika 31) dok su određene legure vrlo dobre livljivosti posebno
namijenjene za tlačni lijev (slika 32).
Slika 31. Pilotsko sjedalo Slika 32. Tlačni odljevak za borbeni zrakoplov
Premda su metalni materijali koji su razvijani i poboljšavani dugi niz godina s ciljem
kontinuiranog unapređenja karakteristika zrakoplova još uvijek nezamjenjivi u
zrakoplovnim konstrukcijama s brojnim primjerima primjene značajne prednosti koje
pružaju nemetalni materijali poput keramike, polimera i kompozita, koje danas nisu još u
potpunosti iskorištene, daljnjim će produbljivanjem spoznaja i njihovim razumijevanjem
doprinijeti će sve većoj ulozi ovih materijala. Područje uporabe konstrukcijske keramike
određeno je dominantnim uvjetima u eksploataciji kao i osobitim svojstvima ove skupine
materijala. Danas se nastoje poboljšati nepovoljna svojstva keramike (visoka krhkost,
niska vlačna čvrstoća, slaba reproducibilnost kvalitete i dr.) i proširiti područje primjene
od uvjeta rada gdje se tehnička keramika ponajprije koristi, određenih djelovanjem
agresivnog medija i visokih temperatura, do mehanički i posebice tribološki opterećenih
dijelova. Polimerni materijali su zahvaljujući maloj gustoći, korozijskoj postojanosti i
velikoj trajnosti primjenjivi za unutrašnje uređenje zrakoplova, ali i kao pjenasti (porozni)
materijal za zvučnu i toplinsku izolaciju te u izradi suvremenih polimernih kompozita.
Među polimernim kompozitima prevladavaju oni epoksidne matrice ojačane staklenim ili
ugljičnim vlaknima. Radi se o laminiranim (slojevitim) strukturama namijenjenim izradi
oplate zrakoplova. Za specifične radne uvjete razvijene su i druge vrste kompozitnih
materijala kao što su "glare" laminati te kompozitni sendviči s jezgrom u obliku pčelinjeg
saća odnosno specijalne vrste metalnih ili keramičkih kompozita čija su svojstva
posebno prilagođena određenoj namjeni. Danas se kompoziti koriste u izradi sve
složenijih konstrukcijskih elemenata, te njihov značaj raste ne samo kao rezultat
poboljšanja svojstava, već i ljudske domišljatosti i iznalaženja brojnih novih područja
primjene gdje kompoziti predstavljaju uspješnu alternativu klasičnim materijalima.
33
6. MEHANIZMI OČVRSNUĆA Poznato je nekoliko mehanizama ili načina na koje je moguće očvrsnuti metalne
materijale. Svi mehanizmi očvrsnuća temelje se na stvaranju prepreka u mikrostrukturi
materijala koje otežavaju gibanje dislokacija. Time se otežava plastično tečenje
materijala što se prema vani očituje povišenjem granice razvlačenja dok vlačna čvrstoća
ne mora nužno rasti. Kod očvrsnuća je potrebno postići optimalni kompromis između
granice razvlačenja (čvrstoće) i duktilnosti materijala te je zato dislokacije potrebno
učiniti teško pokretnim, ali ne i posve nepokretnim.
Osnovni mehanizmi očvrsnuća (povišenja granice razvlačenja) jesu sljedeći:
1. Očvrsnuće kristalima mješancima (očvrsnuće legiranjem) Ovaj mehanizam otežavanja kretanja dislokacija temelji se na postojanju
točkastih zapreka - atoma legirnih elemenata otopljenih u rešetci osnovnog metala,
čime nastaju intersticijski ili supstitucijski kristali mješanci.
U slučaju legiranja čistog željeza značajna je razlika u djelovanju intersticijskih
elemenata (npr. ugljik, fosfor, dušik) u odnosu na supstitucijske (npr. molidben i krom).
Intersticijski elementi uzrokuju jako očvrsnuće, ali i veliku krhkost. Zato su nužni i
supstitucijski dodaci među kojima dovoljnu žilavost pružaju mangan i nikal. Stoga na
porast čvrstoće čelika najjače djeluje povišenje masenog udjela ugljika, a povoljno je i
djelovanje dušika, no time opadaju svojstva duktilnosti.
Od svih načina očvrsnuća ovaj daje najmanje efekte.
2. Očvrsnuće martenzitnom tranasformacijom Martenzitnu transformaciju kod čelika i željeznih ljevova obilježava preklopna
pretvorba austenita u martenzit koja uzrokuje očvrsnuće uslijed:
- stvaranja kristala mješanaca - prisilno otapanje ugljika u α-željezu (točkaste
zapreke). Prisilna otopina ugljika u α-željezu (martenzit) postiže se brzim
ohlađivanjem - gašenjem (u vodi, ulju itd.) kojim se sprečava difuzija ugljika
prethodno otopljenog u γ-željezu (austenit). Martenzit ima visoku čvrstoću
zahvaljujući tetragonalnoj distorziji rešetke α-željeza (transformacija BCC u
BCT rešetku) uslijed intersticijskog ulaza atoma ugljika, ali i zbog
- povećanja gustoće dislokacija izvitoperenjem kristalne rešetke (očvrsnuće
umnažanjem dislokacija, linijskih zapreka).
34
Martenzitnom transformacijom povisuje se tvrdoća i čvrstoća, ali pada istezljivost i
žilavost pa je nužno dodatno provesti popuštanje.
3. Očvrsnuće hladnom deformacijom
Hladnim plastičnim oblikovanjem u materijal se unose nove dislokacije te se ovaj
mehanizam također temelji na povišenju gustoće dislokacija (linijskih zapreka) koje
u interakciji s već postojećim dislokacijama otežavaju gibanje. Što je viši stupanj
deformacije veća je gustoća dislokacija i više su vrijednosti granice razvlačenja, ali se
time znatno smanjuje žilavost materijala. Stoga je ovaj mehanizam vrlo učinkovit s
obzirom na iznos očvrsnuća, ali ako se pri unošenju novih dislokacija njihova gustoća
približi graničnoj nastupa koncentracija naprezanja koja vodi pojavi pukotina i loma. Na
ovaj način posebno su očvrstljivi metali i legure s kubičnom plošno centriranom
strukturom (npr. austenitni čelici, α-aluminijske i bakrene legure).
4. Očvrsnuće granicama zrna (usitnjenjem zrna)
Mehanizam kočenja gibanja dislokacija pomoću granica zrna (površinskih zapreka) nije najefikasniji s obzirom na stupanj očvrsnuća, ali je najprikladniji jer uz
umjereno očvrsnuće izaziva sniženje prelazne temperature i povisuje žilavost. Djelovanje granica zrna je povoljnije u odnosu na ostale vrste zapreka zbog toga
što je broj dislokacija koje se gomilaju na velikokutnim granicama zrna ograničen i prije
nego što se dostigne kritična gustoća koja bi mogla uzrokovati nastanak inicijalne
mikropukotine dolazi do procesa sklizanja dislokacija preko granice u drugo zrno ako je
ono povoljno orijentirano. Stoga su učinkovitija sitnija zrna jer je time veća vjerojatnost
povoljne orijentacije susjednih zrna.
Usitnjenje zrna se obično kombinira s ostalim načinima očvrsnuća.
5. Očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom) i disperzijom faza Radi se izlučivanju prostornih zapreka gibanju dislokacija kao što su precipitati
intermetalnih spojeva (npr. Ni3Al, Ni3Ti), dispergirane čestice u obliku karbida i
nitrida (npr. VC, Mo2C, W6C, VN) te prijelazne faze iz homogene mikrostrukture (kod
Fe-materijala iz ferita, austenita ili martenzita). Ove faze nastaju kada se prekorači
granica topljivosti atoma legirnih elemenata u rešetci osnovnog metala. Njihovo
djelovanje ogleda se kroz raspodjelu i vrstu (koherentne ili nekoherentne čestice), srednji
35
promjer i međusobnu udaljenost. Nailaskom na ove faze dislokacije ih mogu odrezati ili
zaobići (slika 33) na što se troši određena energija pri djelovanju vanjskog opterećenja,
energija koja bi se inače utrošila na deformaciju.
a) b)
Slika 33. Shematski prikaz mehanizma precipitacijskog očvrsnuća
a) tvrdi precipitati – dislokacija zaobilazi čestice (jako očvrsnuće);
b) meki precipitati – odrez čestica (slabije očvrsnuće)
Za precipitacijsko očvrsnuće povoljnije je prisustvo što većeg broja sitnih tvrdih čestica
koje dislokacije ne mogu odrezati već ih zaobilaze tako da se pod djelovanjem smičnog
naprezanja τ dislokacija najprije progiba između dvije čestice i potom formira
dislokacijske prstene oko precipitata i time nastavlja svoje gibanje.
Očvrsnuće materijala u principu rijetko uzrokuje samo jedan mehanizam, nego
dva ili više njih. Međutim njihov ukupni efekt na očvrsnuće nije uvijek jednak zbirnom
učinku pojedinih mehanizama.
Sm
jer g
iban
ja
disl
okac
ije τ τ
36
7. VISOKOČVRSTI ČELICI
Visokočvrsti (ultračvrsti) čelici jesu čelici visoke mehaničke otpornosti s granicom
razvlačenja preko 1000 N/mm2. Očvrsnuti su kombinacijom različitih mehanizama:
usitnjenjem zrna, martenzitnom transformacijom, precipitacijom, deformacijom.
Jedno od glavnih područja primjene ultračvrstih čelika je gradnja zrakoplova te
raketna i svemirska tehnika i to zbog boljeg iskorištenja materijala i mogućnosti izvedbe
lakih konstrukcija. Tako npr. nosači uređaja za slijetanje zrakoplova, poprečne spojnice
nosača kotača zrakoplova, tlačni spremnici goriva itd. trebaju imati vlačnu čvrstoću od
1400 do 2400 N/mm2 uz što manje dimenzije, a time i masu.
Razvoj ultračvrstih čelika obuhvaća i istovremeno postignuće drugih važnih
svojstava kao što su:
- dovoljna duktilnost i otpornost na krhki lom;
- niska prijelazna temperatura;
- dobra lomna žilavost;
- dovoljna otpornost na umor i niska zarezna osjetljivost;
- zadovoljavajuća korozijska postojanost;
- čvrstoća pri povišenim i visokim radnim temperaturama;
- laka rezljivost (obradljivost odvajanjem čestica);
- zadovoljavajuća zavarljivost.
Proizvodnja ovih čelika je skuplja u odnosu na druge vrste jer se primjenjuju
posebne metode pretaljivanja i pročišćavanja, te toplinske i termomehaničke obrade
kako bi se postigla visoka čistoća čelika, s malim udjelima neželjenih primjesa i
uključaka, te homogena sitnozrnata mikrostruktura. Stoga je njihova primjena opravdana
samo za dijelove visokoopterećenih, pouzdanih konstrukcija.
Ultračvrsti čelici mogu se svrstati u sljedeće skupine:
1. niskolegirani niskopopušteni čelici; 2. visokolegirani Cr-Mo-V visokopopušteni čelici; 3. termomehanički obrađeni čelici; 4. korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici; 5. čelici "maraging";
6. hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici.
37
7.1. Niskolegirani niskopopušteni čelici
Čelici iz ove skupine legirani su silicijem ili niklom te kombinacijama krom-
molibden-vanadij. Značajka je toplinske obrade ovih čelika srednjetemperaturno
popuštanje koje se inače ne preporuča zbog pojave niskotemperaturne krhkosti. Silicij
pomiče područje niskotemperaturne krhkosti k višim temperaturama (>400 °C) i time
omogućuje popuštanje pri temperaturi oko 300 °C bez opasnosti od krhkosti. Osim toga
silicij djeluje i neposredno na povišenje granice razvlačenja. U čelicima bez silicija
dovoljnu žilavost, unatoč srednjetemperaturnom popuštanju, osigurava sadržaj nikla
odnosno istovremena kombinacija udjela kroma, molibdena i vanadija.
Radi se o čelicima koji imaju nisko- ili srednjepopušteni martenzit, no dobra se
mehanička svojstva postižu i izotermičkim poboljšavanjem na bainitnu mikrostrukturu pri
temperaturi 250 do 350 °C.
Zbog postizanja dovoljne lomne žilavosti i dinamičke izdržljivosti čelici moraju biti
visoke čistoće. Vrijednosti granice razvlačenja sežu do 2000 N/mm2.
Tipični primjeri primjene ove skupine čelika ograničeni su na one slučajeve kada
se traži mala masa, tj. za lake konstrukcije kao što su:
- visokotlačni spremnici u transportnim zrakoplovima;
- visokonapregnute konstrukcije trupa zrakoplova;
- dijelovi tijela svemirskih raketa;
- dijelovi rampi za lansiranje.
7.2. Visokolegirani Cr-Mo-V visokopopušteni čelici
Radi se o čelicima sastava: ≈0,4 % ugljika, ≈1 % silicija, ≈5 % kroma, 1,3 do 2 %
molibdena i 0,4 do 1,0 % vanadija. Toplinski se obrađuju kaljenjem i
visokotemperaturnim popuštanjem. Prema sastavu i načinu toplinske obrade poznati su i
kao alatni čelici za topli rad. Najpoznatija vrsta je čelik oznake X37CrMoV5-1.
Nakon kaljenja ovi čelici sadrže visok udjel zaostalog austenita koji se
popuštanjem pri temperaturi 500 do 550 °C raspada i izlučuju se karbidi popuštanja tipa
Cr7C3, Mo2C, VC, V4C3. Time se snižava sadržaj ugljika i legirnih elemenata u austenitu
čime se podižu temperature martenzitne pretvorbe i hlađenjem s temperature
popuštanja zaostali se austenit transformira u sekundarni martenzit. Tako iz jedne
38
relativno mekane faze kao što je austenit nastaju bitno tvrđe faze (karbidi popuštanja,
sekundarni martenzit) koje uzrokuju povišenje tvrdoće u odnosu na tvrdoću nakon
kaljenja. Ovaj porast tvrdoće poznat je kao "sekundarno otvrdnuće".
Na efekt otvrdnuća učinkovito djeluju legirni elementi molibden, vanadij i volfram,
dok krom, iako izaziva određeno otvrdnuće, njegovi karbidi popuštanja brzo koaguliraju i
time mu utjecaj slabi. Udjel kroma ponajprije osigurava prokaljivost pa se kod ovih čelika
postiže dobra prokaljenost i u slučaju dijelova velikih dimenzija (promjera i do 300 mm).
Čelici ove skupine primjenjivi su za dugotrajni rad na povišenim temperaturama
koje moraju biti niže od temperature popuštanja.
Maksimalne vrijednosti vlačne čvrstoće ovih čelika su oko 2000 N/mm2. Do tih
vrijednosti dinamička izdržljivost iznosi ≈50 % vlačne čvrstoće, dok se iznad 2000 N/mm2
omjer Rd/Rm naglo smanjuje.
Negativna strana ovih, ali gotovo i svih drugih visokočvrstih čelika je njihova
zarezna osjetljivost pa treba voditi računa o čistoći materijala i neoštećenosti površine.
7.3. Termomehanički obrađeni čelici
Termomehanički obrađeni čelici jesu čelici već postojećih sastava obrađeni
kombinacijom postupaka mehaničke (oblikovanje deformiranjem) i toplinske obrade
(kaljenje, izotermičko poboljšavanje) u svrhu istovremenog postizanja visoke granice
razvlačenja i vlačne čvrstoće uz relativno dobru plastičnost (duktilnost) odnosno visoku
sigurnost od krhkog loma.
Deformiranje se može odvijati prije ili za vrijeme transformacije mikrostrukture
(termomehanička obrada) odnosno nakon faznih pretvorbi (mehanotermička obrada).
Termomehaničkom obradom kaljivih čelika do očvrsnuća dolazi zbog:
- povećavanja gustoće dislokacija pri oblikovanju austenita i pri njegovoj
pretvorbi u martenzit;
- promjene sastava i morfologije martenzita;
- stvaranja razgranate mreže granica podzrna u toplo deformiranom austenitu i
njihovog prijelaza u martenzit pri kaljenju;
- izlučivanja sitnih jednolično raspoređenih karbida tijekom popuštanja.
39
Očvrsnuće precipitacijski očvrstljivih čelika ostvaruje se kroz slične
mehanizme, uz dodatan efekt uzrokovan izlučivanjem intermetalnih faza tijekom
dozrijevanja (starenja). Stoga se ovi čelici obrađuju jednim od sljedećih postupaka:
- rastvornim žarenjem + oblikovanjem + gašenjem + dozrijevanjem;
- potpunom toplinskom obradom (rastvornim žarenjem, gašenjem i
dozrijevanjem) + oblikovanjem;
- rastvornim žarenjem + gašenjem + oblikovanjem + dozrijevanjem.
Danas se primjenjuju sljedeće termomehaničke ili mehanotermičke obrade:
1. ausforming postupak;
2. postupak TRIP (engl. Transformation Induced Plasticity);
3. perliforming postupak;
4. isoforming postupak;
5. marforming postupak.
7.3.1. Postupak ausforming
Za ovu obradu prikladni su čelici sa što duljim vremenom inkubacije pothlađenog
austenita tj. sa što većim područjem tromosti metastabilnog austenita na pretvorbu, slika
34.
Slika 34. Ausforming postupak u TTT dijagramu
Tem
pera
tura
Vrijeme
gašenje
ε=40-80 %
Ms≈200 °C
Ac3 A+K
A
M
40
Austenitizirani čelik hladi se do temperature gdje je vrijeme inkubacije najduže (obično
između 350 i 600 °C), plastično deformira pri toj temperaturi (tzv. regulirano valjanje) i
nakon toga gasi da bi se inducirala pretvorba u martenzit. Očvrsnuće nastupa zbog
velike gustoće dislokacija unesenih deformacijom koje ostaju prisutne i nakon pretvorbe
u martenzit. Stupanj oblikovanja optimalno iznosi ≈70 %.
Ovaj je postupak primjenjiv na mnogobrojne vrste čelika, od onih za poboljšavanje
do visokolegiranih (brzoreznih) čelika.
Nakon ausforming obrade granica razvlačenja raste za otprilike 30 % i seže do
2600 N/mm2 uz vlačnu čvrstoću do 3000 N/mm2, a da se pri tome se ne pogoršava
istezljivost koja iznosi do 20 %. Ovom obradom također se povisuje i dinamička
izdržljivost koja se kreće u rasponu 35 do 40 % vlačne čvrstoće uz istovremeno visoku
lomnu žilavost.
Slika 35 prikazuje efikasnost ausforminga na primjeru ležaja mlaznog zrakoplova
čija se trajnost može znatno povećati, posebno kod viših stupnjeva deformacije.
Slika 35. Utjecaj ausforming obrade na trajnost ležaja mlaznog motora
7.3.2. Postupak TRIP
Postupak TRIP sličan je ausforming obradi samo što se očvrsnuti austenit ne
transformira u martenzit gašenjem već djelovanjem plastične deformacije. Primjenjuje
za austenitne čelike precizno reguliranog sastava (tzv. TRIP čelici) kod kojih je moguća
pretvorba prethodno precipitacijski očvrsnutog austenita u deformacijski martenzit valjanjem pri okolišnoj temperaturi, slika 36.
Broj okretaja, ⋅106
100
50
30
20
10
5
3
2
1
Udj
el n
eisp
ravn
ih le
žaja
, %
klasična toplinska obrada
ausforming obrada, ε=40 % ausforming obrada, ε=70 % ausforming obrada, ε=80 %
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
41
Slika 36. Postupak TRIP
Precizno reguliran kemijski sastav ovih čelika osigurava da je Md temperatura (najviša
temperatura pri kojoj može nastupiti deformacijom inducirana martenzitna
transformacija) niža od temperature plastičnog oblikovanja čime se omogućuje
deformiranje pri temperaturi ≈500 °C bez opasnosti od stvaranja deformacijskog
martenzita. Uz to temperatura Ms mora biti niža od okolišne da pri gašenju ne bi nastao
toplinski induciran martenzit. Ugrijavanjem austenita nakon rastvornog žarenja na
temperaturu višu od Md i njegovim oblikovanjem on očvršćuje uslijed precipitacije i
umnažanja dislokacija. Time se povisuje Md temperatura i snižava Ms temperatura. Dalje
očvrsnuće ostvaruje se kroz postupak hladnog oblikovanja na temperaturi između Md i
Ms (tzv. "zerolling" valjanje) kada se dislokacijski i precipitacijski otvrdnuti austenit
transformira u martenzit.
Deformacijski martenzit može se javiti i tijekom eksploatacije, ako je radna
temperatura veća od Ms i manja od Md, te ako je naprezanje veće od granice razvlačenja
austenita, dakle tek ako je strojni dio plastično deformiran što je naravno rijedak slučaj u
praksi.
Optimalni je sastav ovih čelika: >0,2 % ugljika, 16 do 20 % kroma, 8 do 12 % nikla
i eventualno do 4 % molibdena.
T
empe
ratu
ra
Vrijeme
Deformacijski martenzit
Područje radnih temperatura
Precipitacijski očvrsnuti austenit “Zerolling“
valjanje
Precipitacijski očvrsnuti austenit
Austenit
Gašenje
Rastvorno žarenje
Md
Ms
Md'
Ms'
42
7.3.3. Postupak perliforming
Perliforming je postupak mehanotermičke obrade, deformiranja u
temperaturnom području perlita nakon njegove kontinuirane ili izotermičke pretvorbe iz
austenita, slika 37. Očvrsnuće perlita ostvaruje se toplim deformiranjem pri temperaturi
500 do 700 °C.
Slika 37. Perliforming postupak u TTT dijagramu
a) nakon kontinuiranog gašenja
b) nakon izotermičke pretvorbe
Ovaj se postupak primjenjuje za konstrukcijske nelegirane ili legirane čelike
podeutektiodnog ili eutektoidnog sastava.
Očvrsnuće je u odnosu na “klasične” feritno perlitne strukture tim jače, što je niža
temperatura oblikovanja i viši stupanj deformacije. Deformiranu strukturu perlita
karakterizira nestanak lamela cementita koje prelaze u globule, te nastanak sitne
poligonalne podstrukture ferita čija zrna poprimaju dimenzije reda veličine 1 μm.
7.3.4. Postupak isoforming
Isoforming postupak sadrži deformiranje pri konstantnoj temperaturi (500 do 700
°C), i to prije, za vrijeme i nakon fazne pretvorbe austenita u perlit, slika 38.
a) b)
Ms
A1
A3
Tem
pera
tura
Vrijeme
A
Oblikovanje 500 do 700 °C
A1
A3
Tem
pera
tura
Oblikovanje 500 do 700 °C
A
Vrijeme
43
Slika 38. Isoforming postupak u TTT dijagramu
Oblikovanje prije početka austenitno perlitne transformacije je najefikasnije s obzirom na
očvrsnuće, a najmanje je učinkovito ono tijekom same pretvorbe. Ukupni stupanj
deformacije kreće se oko 70 %, s time da u zadnjem stadiju oblikovanja iznosi 40 do 50
%. Optimalna temperatura isoforminga je oko 600 °C.
Struktura isoforming obrađenog čelika slična je onoj kod perliforminga. Lamele
cementita djelomično prelaze u globule očvršćujući poligonalnu podstrukturu ferita. Što je
struktura sitnija tim su svojstva čvrstoće i duktilnosti bolja.
7.3.5. Postupak marforming
Kod marforming obrade deformira se martenzitna mikrostruktura između dva
popuštanja zakaljenog čelika (deformacijsko popuštanje), slika 39, ili tijekom popuštanja
(dozrijevanja) zakaljenog čelika (dinamičko deformacijsko starenje), slika 40.
Slika 39. Postupak marforming – Slika 40. Postupak marforming–
deformacijsko popuštanje dinamičko deformacijsko starenje
A1
A3 A
Tem
pera
tura
Vrijeme
Vrijeme Vrijeme
Tem
pera
tura
Tem
pera
tura
kaljenje kaljenje
popuštanje popuštanje popuštanje
150 do 300 °C 150 do 300 °C
150 do 300 °Cε=0,5 do 5 %
ε=0,5 do 5%
44
Razlika između ovih varijanti je u tome što se pri deformacijskom popuštanju oblikovanje
provodi na okolišnoj temperaturi između dva popuštanja, a kod dinamičkog
deformacijskog starenja istovremeno s popuštanjem. Oba postupka uzrokuju znatno
povišenje granice razvlačenja uz neznatno sniženje istezljivosti.
7.4. Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici
Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici (PH – čelici, engl. Precipitation
Hardenable ili Precipitation Hardened) jesu čelici visoke granice razvlačenja uz
istovremeno visoku korozijsku postojanost.
Njihovim razvojem došla je do izražaja spoznaja o štetnom djelovanju ugljika pa
su to čelici sa vrlo niskim sadržajem ugljika i visokim stupanjem legiranosti. Dodatno
očvrsnuće, osim kristalima mješancima i dislokacijama, ostvaruje se precipitacijom
intermetalnih spojeva.
S obzirom na mikrostrukturu prije precipitacije razlikuju se sljedeće skupine čelika:
- martenzitni PH-čelici;
- poluaustenitni PH-čelici;
- austenitni PH-čelici.
Martenzitni PH-čelici pored niskog masenog udjela ugljika (≈0,05 %) sadrže
visoke udjele kroma (14 do 17 %) i nikla (4 do 6 %) uz dodatak bakra (≈3 %), molibdena
i eventualno niobija (<0,4 %) i aluminija.
Da bi se postigla visoka granica razvlačenja i vlačna čvrstoća ove čelike treba
rastvorno žariti pri temperaturi ≈1050 °C gasiti u ulju ili na zraku, te umjetno dozrijevati
pri 400 do 600 °C. Gašenjem na okolišnu temperaturu transformira se 90 do 95 %
austenita u martenzit, a zaostali austenit pretvorit će se u martenzit tijekom hlađenja s
temperature dozrijevanja. Unutar martenzitne matrice dozrijevanjem se izlučuju sitni
precipitati bakra koji dodatno očvršćujuću osnovnu strukturu martenzita.
Postizive vrijednosti granice razvlačenja sežu do 1350 N/mm2.
Poluaustenitni PH-čelici imaju sličan osnovni sastav kao martenzitni PH-čelici.
Sadrže 0,05 do 0,1 % ugljika, 13 do 17 % kroma, 7 do 9 % nikla te neke od dodataka:
molibden, titan, aluminij, vanadij i dušik.
45
U gašenom stanju ovi čelici imaju austenitno-feritnu mikrostrukturu koja je dobro
obradljiva odvajanjem čestica. Austenit kojeg u strukturi ima 60 do 90 % pretvara se u
martenzit na jedan od sljedećih načina:
a) ohlađivanjem s temperature žarenja pri čemu nastaje sekundarni martenzit;
b) hladnim oblikovanjem kada se formira deformacijski martenzit;
c) dubokim hlađenjem (ispod temperature Mf).
Destabilizacija austenita obično se provodi žarenjem (pri 920 do 960 °C ili 720 do
760 °C) koje omogućuje izlučivanje Cr23C6 karbida iz austenita. Time austenit
osiromašuje kromom i ugljikom uslijed čega dolazi do porasta Ms temperature te se
hlađenjem s temperature žarenja austenit transformira u sekundarni martenzit slično kao
u završnom stadiju popuštanja. Postupak nastanka martenzita destabilizacijskim
žarenjem učinkovitiji je nego niskotemperaturno gašenje jer se transformira gotovo sav
austenit, dok kod dubokog hlađenja to nije slučaj. Destabilizacija austenita hladnim
deformiranjem rezultira formiranjem deformacijskog martenzita, ako je oblikovanje
provedeno ispod Md temperature, što je za ove visoko legirane čelike gotovo uvijek
slučaj. Naravno, nakon destabilizacije austenita i njegove pretvorbe u martenzit potrebno
provesti dozrijevanje. Tijekom dozrijevanja najprije u feritu, a zatim u martenzitu izlučuju
se precipitati: Ni3Al, Ni3Ti, Fe2Mo, VN, ovisno o sastavu čelika.
Vrijednosti granice razvlačenja ovih čelika iznose do 1800 N/mm2, ovisno o
temperaturi dozrijevanja.
Austenitni PH-čelici su niskougljični (≤0,10 % ugljika) visokolegirani s kromom
(14 do 18 %) i niklom (≥25 %), uz dodatak jednog ili više elemenata: molibdena (1 do 2,5
%), titana (<2 %), bakra (<3 %), aluminija (<0,35 %), niobija (<0,45 %), fosfora (<0,25
%), vanadija, mangana, silicija i dušika.
Toplinski se obrađuju rastvornim žarenjem pri temperaturi 950 do 1200 °C i
dozrijevanjem pri 700 do 800 °C u trajanju od 15 do 20 sati.
Kako kod ovih čelika nema pretvorbe austenita u martenzit zbog vrlo niske Ms
temperature, dozrijevanjem se postiže relativno skromno očvrsnuće (Rp0,2 do 900
N/mm2) i to pretežno precipitacijom koherentne faze Ni3Al koja se vrlo brzo izlučuje te
nekoherentne faze Ni3Ti koja se izlučuje sporije, dijelom i po granicama zrna, a djeluje
jako očvršćujuće, ali povećava krhkost pa se sadržaj titana zato ograničava na
46
maksimalno 2 %. U manjoj mjeri izlučuju se i sljedeće faze: FeCr, FeMo, Fe2Mo,
Fe36Cr12Mo10, Cr2N, VC i VN, ovisno o kemijskom sastavu čelika.
Unatoč postojanju precipitata, austenitni čelici su visoko otporni na opću koroziju
nakon dozrijevanja, ali nisu postojani na napetosnu koroziju.
Ovi čelici su prikladni za primjenu pri niskim temperaturama jer zbog austenitne
mikrostrukture nisu osjetljivi na gubitak žilavosti sniženjem temperature.
Najpoznatiji austenitni PH-čelik X5NiCrTi26-15 primjenjiv je i za rad pri visokim
temperaturama (do 700 °C) u uvjetima dugotrajnog vlačnog opterećenja.
7.5. Čelici "maraging"
Čelici "maraging" čiji naziv dolazi iz engleskog "martensit aging" (dozrijevanje
martenzita) zadovoljili su već 60-tih godina XX stoljeća zahtjeve za:
- visokim vrijednostima vlačne čvrstoće i granice razvlačenja;
- dobrim plastičnim svojstvima;
- osrednjom postojanošću pri niskim (ispod 0 °C) i povišenim temperaturama
(najmanje do 300 °C);
- dobrom otpornosti na krhki lom;
- stabilnosti pri toplinskoj obradi (male deformacije);
- zavarljivosti.
te su našli široku primjenu i doživjeli vrlo intenzivan razvoj.
Radi se o niskougljičnim čelicima (<0,03 % ugljika) posebno visokolegiranim u
ternarnim sustavima Fe-Ni-Co ili Fe-Ni-Cr i Fe-Co-Cr s dodacima molibdena, titana,
aluminija i kobalta te eventualno bora i cirkonija. Uobičajeno sadrže: ≈18 % nikla, 7 do
14 % kobalta, 3 do 6 % molibdena, 0,15 do 2 % titana, 0,05 do 0,2 % aluminija.
Toplinski se obrađuju rastvornim žarenjem pri temperaturi oko 820 °C i
dozrijevanjem pri oko 480 °C, slika 41. Nakon rastvornog žarenja čelik se gasi u vodi,
ulju ili na zraku čime nastaje masivni (ne igličasti) nikal-martenzit takvog stupnja
prezasićenja da se naknadnom toplinskom obradom lako postiže raspad prezasićene
otopine te sa takvom dispergiranošću legirnih elemenata koja omogućava da čestice
intermetalnih spojeva koje se izlučuju tijekom dozrijevanja budu vrlo brojne i sitne, a time
i učinkovitije s obzirom na očvrsnuće. Prezasićeni nikal-martenzit počinje se formirati pri
≈250 °C (Ms), a završava pri ≈200 °C (Mf) tako da je udjel zaostalog austenita mali.
47
Slika 41. Postupak toplinske obrade čelika “maraging”
Ovakav martenzit sadrži brojne defekte u kristalnoj rešetci te je vrlo dobro obradljiv
hladnim deformiranjem ili odvajanjem čestica, a također je i dobro zavarljiv.
Zagrijavanjem prezasićenog nikal-martenzita na povišenu temperaturu (između Ms i As)
u njemu precipitira niz fino dispergiranih intermetalnih spojeva čiji sastav ovisi o sastavu
čelika. To mogu biti primjerice spojevi: Ni3Al, Ni3Ti, Ni3(Ti,Al), Ni3Mo, Fe2Mo, (Fe,Co)2Mo,
FeCr, Fe7Mo6 i dr.
Ove faze visoke tvrdoće učinkovito koče gibanje dislokacija. Te su čestice
pretežno koherentne s martenzitnom matricom i uzrokom su visoke granice razvlačenja
(Rp0,2>2200 N/mm2) i vlačne čvrstoće (Rm=1900 do 2900 N/mm2). Pri tako visokim
vrijednostima granice razvlačenja još su uvijek vrlo povoljne vrijednosti lomne žilavosti
(KIC=2850 do 5700 N/mm3/2) zahvaljujući djelovanju nikla koji omogućava visoku
pokretljivost dislokacija. Osim visoke granice razvlačenja, čvrstoće i lomne žilavosti,
“maraging“ čelici imaju bolja tehnološka svojstva u odnosu na ostale ultračvrste čelike.
Pri toplinskoj obradi pokazuju male deformacije i nema opasnosti od razugljičenja i
oksidacije, lako su obradljivi odvajanjem čestica i hladno deformabilni nakon rastvornog
žarenja, te su dobro zavarljivi zahvaljujući niskim udjelima ugljika, fosfora i sumpora.
Čelici “maraging“ primjenjivi su za mehanički visokoopterećene dijelove
zrakoplova i helikoptera kao što su pogonsko vratilo, okvir pilotskog sjedala, hidraulični
odbojnici, opruge, oklopi, spremnici za tekuće gorivo i dr.
Gašenje (zrak,ulje, voda)
T
empe
ratu
ra
≈820 °C
ε≈30 % ε≈30 %
ili obrada odvajanjem čestica
Vrijeme
≈480 °C
48
7.6. Hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici
Očvrsnuće hladnom deformacijom je dobro poznata metoda za postizanje visoke
čvrstoće, iznad 1600 N/mm2. Uzrok povišenja granice razvlačenja i vlačne čvrstoće je
umnažanje dislokacija u strukturi materijala. Pri hladnom oblikovanju gustoća dislokacija
dostiže vrijednosti do 1010 mm-2. U praksi se tako očvršćuju tanke žice za užad, žice za
opruge, tanki limovi i trake i sl. Međutim, ovaj mehanizam očvrsnuća snizuje duktilnost i
povisuje prijelaznu temperaturu, pa je zato njegova primjena djelomično ograničena.
Ultravisoka čvrstoća (1600 N/mm2 do 3000 N/mm2) postiže se postupkom
patentiranja čelične žice. Patentiranjem tj. izotermičkom obradom pri temperaturi 460 do
520 °C nakon austenitizacijskog žarenja pri oko 950 do 980 °C formira se
tankolamelarna feritno-karbidna mikrostruktura (sorbit) koja je vrlo prikladna za daljnje
oblikovanje s ciljem postizanja visokih vrijednosti mehaničkih svojstava i traženih
dimenzija žice. Čvrstoća hladnovučene patentirane žice može se izračunati pomoću
empirijske formule po Pickeringu:
Rm=315+720⋅(% C)+17,68⋅103⋅(% N)+176⋅lnε, N/mm2.
Za visoku čvrstoću potrebno je oblikovati sa što višim stupnjevima deformacije (ε=98 do
99 %) koji su ostvarivi samo na tankim žicama promjera manjeg od 0,1 mm. Sadržaj
ugljika u čelicima za hladnovučene patentirane žice mora biti oko eutektoidnog udjela
tako da ne dolazi do izlučivanja sekundarnog cementita. Ovi čelici moraju biti visoke
čistoće, bez nemetalnih uključaka i plinova, pa se koriste kvalitetni ili plemeniti čelici koji
se obično pretaljuju u vakuumu. Kvalitetni čelici sadrže ≤0,035 % fosfora i ≤0,035 %
sumpora ili je njihov zbirni udjel ≤0,60 %, dok se za plemenite čelike sadržaj fosfora
odnosno sumpora ograničava na maksimalno 0,030 % ili ukupan sadržaj mora biti manji
od 0,40 %.
49
8. ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
8.1. Svojstva aluminija i aluminijskih legura
Neka od važnijih svojstva aluminija i njegovih legura su: mala masa, veliki raspon
fizikalnih i mehaničkih svojstava, dobra obradivost, korozijska postojanost, recikličnost.
Gustoća aluminija iznosi 2700 kg/m3, tri puta manje od čelika (7850 kg/m3) što
osigurava vrlo dobar omjer čvrstoće i gustoće (specifična čvrstoća) posebno kada se
koristi u obliku neke od svojih legura.
Svojstva aluminijskih materijala mogu varirati u širokom području kao rezultat
kemijskog sastava i mikrostrukturnog stanja na koje se može utjecati toplinskom
obradom. Postupkom toplinskog očvrsnuća moguće je proizvesti aluminijske legure
čvrstoće kao i mnogi čelici.
Aluminij i njegove legure s kubičnom plošno centriranom strukturom (FCC) dobro
su oblikovljive deformiranjem u toplom i hladnom stanju te se lako obrađuju kovanjem,
valjanjem i prešanjem, ali je potrebno voditi računa da hladnim oblikovanjem očvršćuju.
Dobra otpornost na atmosfersku koroziju temelji se na postojanju gustog
nepropusnog oksidnog sloja na površini metala. Tanki film Al2O3 oksida debljine oko
0,01 μm koji nastaje na zraku i vodenim otopinama učinkovito štiti od korozije. Ukoliko se
oksidni sloj ošteti odmah se oksidacijom nadomješta novim. Aluminij je neotporan na
tvari koje razaraju zaštitni oksidni film, kao npr. lužine koje ga otapaju.
Uz dobru korozijsku postojanost aluminij ima i visoku električnu i toplinsku
vodljivost.
Zbog sklonosti stvaranju oksida aluminijske legure su relativno loše zavarljive te ih
je potrebno zavarivati u inertnoj atmosferi.
Niski modul elastičnosti koji iznosi 70000 N/mm2, što je tri puta manje nego kod
čelika, čini aluminijske konstrukcije znatno gipkijima i elastičnijima.
Materijali na bazi aluminija ograničeno su primjenjivi pri povišenim
temperaturama. Zbog niske temperature tališta 660 °C dozvoljava se njihova uporaba na
temperaturama do 150 °C, najviše 200 °C.
Na kraju treba istaknuti, ne manje važno, da se radi o metalu koji je moguće
reciklirati. Za recikliranje je potreban znatno manji utrošak energije nego za samu
primarnu proizvodnju. Pretaljivanjem aluminija i aluminijskih legura koje su već bile u
uporabi dobiva se tzv. sekundarni aluminij koji se pretežno koristi u izradi odljevaka.
50
Kako je aluminij relativno mekan s niskom vlačnom čvrstoćom, za inženjersku
primjenu upotrebljava se u pravilu u legiranom stanju.
8.2. Aluminijske legure
Legiranjem aluminija ponajprije se poboljšavaju mehanička svojstva (granica
razvlačenja, vlačna čvrstoća, tvrdoća), ali je moguće unaprijediti i svojstva poput krutosti,
rezljivosti, ponekad žilavosti ili livljivosti. Međutim, legiranjem se snižava toplinska i
električna vodljivost.
Legure aluminija se mogu klasificirati kako slijedi:
- prema tehnološkoj preradi:
- gnječene legure;
- lijevane legure;
- prema kemijskom sastavu: Najvažniji legirni elementi su bakar (Cu), magnezij (Mg), silicij (Si), cink (Zn) i
mangan (Mn) koji tvore sljedeće skupine dvokomponentnih legura: Al-Si, Al-
Mn, Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn. Kompleksnije legure nastaju njihovom međusobnom
kombinacijom i uz dodatak drugih legirnih elemenata koji poboljšavaju svojstva
osnovne legure. Svi legirni elementi su pri dovoljno visokim temperaturama
potpuno topljivi u rastaljenom aluminiju. Međutim, njihova topljivost ograničena
je u kristalima mješancima aluminija. Neotopljeni elementi stvaraju vlastite
faze ili intermetalne spojeve. Topljivost legirnih elemenata u aluminiju, kao i
udio, veličina, oblik i raspodjela intermetalnih spojeva određuju svojstva
aluminijskih materijala.
- prema mogućnosti toplinske obrade:
- toplinski neočvrstljive legure;
- toplinski očvrstljive legure.
U zrakoplovstvu se pretežno koriste gnječene legure koje su općenito boljih
mehaničkih svojstava od lijevanih legura. Radi se o legurama razvijenim iz
51
dvokomponentnih skupina Al-Cu i Al-Zn koje su dodatno toplinski očvrsnute postupkom
rastvornog žarenja i dozrijevanja.
8.2.1. Sustav označivanja gnječenih legura
Prema američkom načinu označivanja gnječene aluminijske legure označuju se s
četiri znamenke kako je prikazano tablicom 3.
Tablica 3. Označivanje gnječenih aluminijskih legura
Najzastupljeniji legirni element
Oznaka serije
Bakar (Cu) 2xxx Mangan (Mn) 3xxx Silicij (Si) 4xxx Magnezij (Mg) 5xxx Magnezij (Mg) i silicij (Si) 6xxx Cink (Zn) 7xxx Drugi elementi 8xxx
Seriju tj. grupu aluminijskih legura određuje legirni element s najvećim masenim udjelom.
Iznimka je serija 6xxx gdje dominiraju dva legirna elementa magnezij i silicij. Ukoliko
više legirnih elementa ima jednake udjele, grupu određuje legirni element koji je prvi u
nizu slijedom kako je navedeno: bakar, mangan, silicij, magnezij, cink. Druga znamenka
u oznaci odnosi se na modifikaciju legure. Ako je znamenka 0 radi se o originalnoj leguri,
u protivnom je njena modifikacija. Na temelju zadnje dvije znamenke oznake
identifikaciju se različite legure iste serije.
8.2.2. Oznake stanja
Oznake stanja primjenjuju se na sve aluminijske legure (lijevane i gnječene) osim
ingota. Sustav oznaka temelji se na mehaničkih i/ili toplinskih obradama kojima se
postižu različita metalurška stanja.
Oznaka stanja slijedi iza oznake legure odvojena crticom (npr. 2014-T6). Osnovna
stanja označuju se velikim slovom, a podskupine s jednim ili dva broja koji se navode
52
odmah iza oznake osnovnog stanja. Oznake podskupine označuju specifični redoslijed
postupaka kojima s postižu određene kombinacije svojstava.
Oznake stanja jesu sljedeće:
F – Primarno stanje: hladno ili toplo oblikovano ili lijevano pri čemu nije primijenjena
posebna kontrola toplinskog procesa ili procesa deformiranja. O – Oporavljeno (potpuno žareno): Primjenjuje se za gnječene poluproizvode koji se
žare radi smanjenja čvrstoće ili za odljevke koji se žare da bi se povećala duktilnost i
dimenzijska stabilnost. H - Hladno deformirano: Odnosi se na toplinski neočvrstljive gnječene legure koje su
očvrsnute postupkom hladnog deformiranja sa ili bez dodatne toplinske obrade kojom se
naknadno može smanjiti čvrstoća. W – Rastvorno žareno: Označava nestabilno stanje koje se koristi za rastvorno žarene
legure koje spontano očvršćuju pri sobnoj temperaturi tijekom perioda od više mjeseci ili
čak godina. T – Toplinski obrađeno: Koristi se za legure čija čvrstoća se stabilizira unutar nekoliko
tjedana nakon rastvornog žarenja sa ili bez precipitacijskog očvrsnuća. Primjenjuje se za
legure tipa 2xxx, 6xxx i 7xxx. Iza slova T slijedi jedan ili više brojeva koji označuju
redoslijed provedenih postupaka:
T1 - Hlađeno s povišene temperature preoblikovanja i prirodno dozrijevano;
T2 - Hlađeno s povišene temperature preoblikovanja, hladno oblikovano
(deformirano) i prirodno dozrijevano;
T3 - Rastvorno žareno (homogenizirano), hladno oblikovano i prirodno
dozrijevano;
T4 - Rastvorno žareno i prirodno dozrijevano;
T5 - Hlađeno s povišene temperature preoblikovanja i umjetno dozrijevano;
T6 - Rastvorno žareno i umjetno dozrijevano;
T651 - Rastvorno žareno, oslobođeno zaostalih naprezanja istegnućem
za kontroliranu veličinu deformacije i umjetno dozrijevano;
T7 - Rastvorno žareno i stabilizirano;
T73 - Rastvorno žareno, umjetno predozrijevano da se postigne najbolja
53
otpornost na napetosnu koroziju;
T76 - Rastvorno žareno, umjetno predozrijevano da se postigne dobra
otpornost na koroziju ljuštenjem;
T7651 - Rastvorno žareno, oslobođeno zaostalih naprezanja istegnućem
za kontroliranu veličinu deformacije i umjetno predozrijevano da
se postigne dobra otpornost na koroziju ljuštenjem;
T8 - Rastvorno žareno, hladno oblikovano i umjetno dozrijevano;
T9 - Rastvorno žareno, umjetno dozrijevano i hladno oblikovano.
8.2.3. Postupci očvrsnuća aluminijskih legura
S obzirom na način očvrsnuća, gnječene aluminijske legure dijele se na one koje
očvršćuju hladnom deformacijom te one toplinski obradive očvrstljive precipitacijskim
mehanizmom, tablica 4.
Tablica 4. Podjela gnječenih aluminijskih legura prema načinu očvrsnuća
Vrsta legure Oznaka serije
Način očvrsnuća
Al-Mn 3xxx
Deformiranjem u hladnom stanju
Al-Si 4xxx Al-Mg 5xxx Al-Fe 8xxx Al-Fe-Ni 8xxx Al-Cu 2xxx
Precipitacijom
Al-Cu-Mg 2xxx Al-Cu-Li 2xxx Al-Mg-Si 6xxx Al-Zn 7xxx Al-Zn-Mg 7xxx Al-Zn-Mg-Cu 7xxx Al-Li-Cu-Mg 8xxx
54
8.2.3.1. Očvrsnuće hladnom deformacijom
Aluminijske legure s kubičnom plošno centriranom strukturom (FCC) osobito su
sklone očvrsnuću koje nastaje deformiranjem materijala u hladnom stanju. Ono se
temelji na umnažanju dislokacija u mikrostrukturi materijala čime se koči gibanje
pokretnih dislokacija i otežava plastično tečenje materijala. Deformiranje u hladnom
stanju može se provesti na više načina obradama kao što su hladno valjanje, vučenje,
prešanje i sl. postupci. Svima njima je zajedničko da uzrokuju porast granice razvlačenja,
čvrstoće i tvrdoće. Većina aluminijskih legura očvrstljivih ovim mehanizmom ima
mikrostrukturu koja se sastoji od čvrste otopine bez intermetalnih faza. To je dodatan
čimbenik koji ide u prilog njihovoj visokoj duktilnosti. Željena mehanička svojstva postižu
se u zadnjoj fazi oblikovanja reguliranjem stupnja ugnječenja. Glavni nedostatak hladno
očvrsnutih aluminijskih legura proizvedenih na konačne dimenzije je u tome da se
njihova mehanička svojstva ne mogu više mijenjati osim postupkom žarenja kada
materijal mekša.
8.2.3.2. Precipitacijsko očvrsnuće
Precipitacijsko očvrsnuće zajednička je pojava mnogim legurama u kojima dolazi
do promjene topljivosti legirnih elemenata u osnovnom metalu promjenom temperature,
ali se najviše koristi kod toplinski očvrstljivih aluminijskih legura. Pojavu je prvi uočio
njemački istraživač A. Wilm, koji je 1906. godine primijetio da aluminijska legura s 4,5
%Cu i 0,5 %Mg, gašena u vodi s temperature 450 °C, očvršćava dužim stajanjem na
okolišnoj temperaturi. Ta prva legura patentirana je pod nazivom dural ili duraluminij. Prva značajna uporaba durala bila je tijekom Prvog svjetskog rata i to za nosivu
konstrukciju zračnog broda "Zeppelin". U Drugom svjetskom ratu duraluminij se masovno
koristio u izradi konstrukcijskih elemenata borbenih zrakoplova.
Očvrsnuće precipitacijskim mehanizmom ostvaruje se kroz postupak rastvornog žarenja i dozrijevanja. Karakteristika je ovog mehanizma da nema alotropskih
modifikacija kristalne rešetke kao kod kaljenja čelika već je porast čvrstoće i tvrdoće
direktno povezan sa stvaranjem koherentnih precipitata unutar kristalne rešetke α kristala mješanca aluminija. Do izlučivanja precipitata dolazi zbog promjene topljivosti
atoma legirnih elemenata u α mješancu.
Za precipitacijsko očvrsnuće potrebni su određeni polazni uvjeti koji moraju biti
55
ispunjeni da bi materijal mogao očvrsnuti. Ovi uvjeti slijede iz dijagrama stanja neke
aluminijske legure (slika 42):
1. legura mora biti takvog kemijskog sastava da sadrži heterogenu strukturu
sačinjenu od α kristala mješanaca aluminija i kristala druge faze;
2. maseni udio legirnih elemenata mora biti što viši, ali ne smije prekoračiti
granicu maksimalne topljivosti u α mješancu (rmax) kako bi se mogla postići
potpuna apsorpcija stranih atoma rastvornim žarenjem;
3. druga faza mora u polaznom stanju biti neki intermetalni spoj (CuAl2, Mg2Si,
Al2CuMg, Al3Mg2, MgZn2) kako bi tijekom promjena koje se zbivaju, došlo do
ponovnog postupnog izlučivanja intermetalnog spoja, ali u koherentnom obliku.
U svrhu precipitacijskog očvršćivanja leguru je potrebno zagrijati do temperature
prijelaza u homogeno stanje, zadržati pri toj temperaturi do potpune homogenizacije i
naglo hladiti (gasiti) na okolišnu temperaturu, slika 42.
Slika 42. Prikaz općeg dijagrama stanja i postupka precipitacijskog očvršćivanja
Ako se legura koja sadrži X % legirnog elementa B, polazne strukture sačinjene od
čestica intermetalnog spoja β (AxBy) i α kristala mješanaca u kojima je otopljeno rs %
elementa B zagrije na dovoljno visoku temperaturu čestice intermetalnog spoja postupno
će se apsorbirati u kristalu mješancu aluminija. Na temperaturi prijelaza u homogeno
stanje nastaje čvrsta otopina koja sadrži samo α kristale mješance u kojima je sada
T
empe
ratu
ra, °
C
y
Udjel elementa B, % mase
Tem
pera
tura
, °C
Vrijeme
56
rastvoreno X % elementa B. Zasićenje rešetke α mješanaca atomima legirnog elementa
B i prazninama posljedica je velike difuzijske pokretljivosti atoma zbog blizine solidus
linije. Kada bi se ova legura sporo hladila do okolišne temperature ravnoteža bi se
postigla pri svakoj temperaturi i čestice intermetalnog spoja izlučivale bi se kao
nekoherentni precipitati. Time bi se ponovo dobila dvofazna α+β mikrostruktura koja bi
uzrokovala slaba mehanička svojstva legure te bi ona bila prilično krhka zbog postojanja
velikih čestica intermetalne faze. Zato je potrebno leguru gasiti s temperature rastvornog
žarenja kako bi se legirni element B zadržao otopljen u α kristalu mješancu tvoreći
prezasićenu čvrstu otopinu. Legura nakon gašenja zadržava monofaznu α strukturu, ali u
neravnotežnom stanju zbog pojave prezasićenja. Prezasićenje je uzrokovano znatno
većim udjelom elementa B otopljenog u α čvrstoj otopini nego što je to ravnotežna
koncentracija. U α kristalima mješancima otopljeno je X % elementa B dok maksimalna
rastvorljivost atoma ovog elementa za ravnotežno stanje i okolišnu temperaturu iznosi rs.
Stoga se prezasićenje metastabilne legure može iskazati razlikom neravnotežnog i
ravnotežnog masenog udjela elementa B (X-rs). Osim prezasićenja atomima legirnog
elementa α mješanci su prezasićeni i prazninama. U ovom stadiju legura je lako hladno
oblikovljiva te se zakovice koje se koriste za spajanje zrakoplovnih elemenata zakivaju
odmah nakon gašenja s temperature rastvornog žarenja. Zakovice se moraju oblikovati
prije dozrijevanja, jer kada očvrsnuće jednom započne, svaki pokušaj zakivanja
rezultirati će raspucavanjem zakovice.
Zbog prezasićenja α mješanaca javlja težnja izlasku atoma legirnog elementa B iz
čvrste otopine. Tijekom prvog stadija dozrijevanja oni zaposjedaju položaje unutar
kristalne rešetke aluminija tako da tvore klice (nukleuse) budućih čestica. Atomi
elementa B sele iz područja veće napetosti rešetke u područja prezasićenosti
prazninama i stvaraju se nakupine rastvorenih atoma legirnog elementa unutar rešetke α
mješanca. Te klice su prisutne kao koherentni precipitati (slika 43a) kontinuirano
povezani s rešetkom α mješanca. Oko njih dolazi, uslijed izvitoperenosti kristalne
rešetke, do pojave unutarnjih naprezanja. To koči gibanje dislokacija radi čega raste
čvrstoća i tvrdoća legure. Osim toga bitno se povećava istezljivost jer više nema krhke β
faze.
57
Slika 43. Tipovi precipitata
Postupak povišenja čvrstoće i tvrdoće držanjem legure na temperaturi okoline poznat je
kao prirodno dozrijevanje. Ono traje od nekoliko dana pa sve do nekoliko mjeseci.
Budući da je osnova dozrijevanja difuzija koja se ubrzava povišenjem temperature to se
umjetnim dozrijevanjem može ostvariti veći porast čvrstoće i tvrdoće. S druge strane
hlađenjem legure na nisku temperaturu difuzijski se procesi usporavaju i na taj način
sprječava dozrijevanje. Tako se već spomenute zakovice odmah nakon rastvornog
žarenja i gašenja prenose u hladnjak na temperaturu –15 °C kako ne bi očvrsnule te
tako uskladištene drže se sve do trenutka ugradnje. Zakovice se izrađuju od legure koja
dozrijeva na sobnoj temperaturi (prirodno dozrijevanje) budući da je nemoguće
precipitacijski očvrsnuti cijelu zakovanu konstrukciju toplinskom obradom u peći. Kod
umjetnog dozrijevanja legura se zagrijava na povišenu temperaturu 100 do 200 °C kroz
kraći vremenski period u trajanju od pola sata do nekoliko dana. Tijekom umjetnog
dozrijevanja povećava se količina koherentnog precipitata porastom temperature i brzine
difuzijskih procesa. Zbog visokog stupnja izvitoperenosti kristalne rešetke dolazi do
mjestimičnog prekida veze između matrice i precipitata te nastaje polukoherentni
precipitat s matricom povezan samo na nekim čvorovima rešetke (slika 43b). Time rastu
unutarnja naprezanja što vodi do još jačeg kočenja dislokacija čime se postiže
maksimalna granica razvlačenja, čvrstoća i tvrdoća, a snižava istezljivost i
antikorozivnost. Izlučivanje polukoherentnih precipitata je moguće samo pri povišenoj
temperaturi te kod prirodnog dozrijevanja ovog stadija nema. Ako se legura zagrije na
još višu temperaturu zbog ubrzanja difuzije mikrostruktura se brzo vraća u ravnotežno
stanje i koherentne i polukoherentne čestice prelaze u nekoherentni precipitat, fazu
a) koherentni b) polukoherentni c) nekoherentni
58
potpuno izdvojenu od matrice (slika 43c). Time nestaje izvitoperenja kristalne rešetke
matrice i precipitata, oni rastu i smanjuje se njihov broj što za posljedicu ima pad
čvrstoće i tvrdoće uz zadržavanje niske istezljivosti.
Na slici 44 prikazan je utjecaj temperature i vremena dozrijevanja na vlačnu
čvrstoću prethodno rastvorno žarene i gašene aluminijske legure.
Slika 44. Ovisnost čvrstoće o temperaturi i vremenu dozrijevanja
Tijekom prirodnog dozrijevanja pri temperaturi 20 °C vlačna čvrstoća sporo raste i
dostiže svoj maksimum od oko 380 N/mm2 nakon približno 100 sati (krivulja A).
Umjetnim dozrijevanjem iznad 100 °C postižu se više vrijednosti čvrstoće u kraćem
vremenskom periodu (krivulja B). Optimalno je leguru obrađivati pri temperaturi 165 °C u
vremenu od oko 10 sati jer se time ostvaruje najveće očvrsnuće. Međutim, ako se
vrijeme produži dolazi do pada čvrstoće zbog precipitacije nekoherentnih čestica (krivulja
C). Daljnji porast temperature (200 °C) vodi vrlo brzom stvaranju nekoherentnih
precipitata i njihovom rastu što rezultira ubrzanim smanjenjem čvrstoće već nakon
kratkog izlaganja ovoj temperaturi (krivulja D).
Mehanizam precipitacijskog očvršćivanja najviše se koristi kod aluminijskih legura
s bakrom (do očvrsnuća dolazi zbog precipitacije intermetalnog spoja Al2Cu), te onih s
magnezijem i silicijem (Mg2Si), odnosno cinkom, magnezijem i bakrom (MgZn2 i
Al2CuMg).
Vlačn
a čv
rstoća
, N/m
m2
Vrijeme, h
59
8.2.4. Vrste gnječenih legura i njihova svojstva
U zrakoplovstvu se uglavnom koriste aluminijske legure serije 2xxx i 7xxx. Radi
se o precipitacijski očvrstljivim legurama iz skupine durala (serija 2xxx) odnosno
konstruktala (serija 7xxx). Tablica 5 sadrži najvažnija mehanička svojstva odabranih
durala i konstruktala.
Tablica 5. Mehanička svojstva durala i konstruktala
Vrsta legure Kemijski sastav Granica
razvlačenja N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
% 2014-T4 (AlCu4SiMg)
4,4 %Cu; 0,4 %Mg; 0,8 %Si; 0,8 %Mn 290 427 20
2014-T6 414 483 13 2014-T3 platirano Al 276 434 20 2017-T4 (AlCu4MgSi)
4,0 %Cu; 0,6 %Mg; 0,5 %Si; 0,7 %Mn 276 427 22
2024-T4 (AlCu4Mg1)
4,4 %Cu; 1,5 %Mg; 0,6 %Mn 324 469 20
2024-T3 345 483 18 2024-T6 395 475 10
7001-T6 (AlZn7Mg3Cu2)
7,4 %Zn; 3,0 %Mg; 2,4 %Cu 627 676 9
7010-T76 (AlZn6MgCu)
6,2 %Zn; 2,5 %Mg; 1,7 %Cu; 0,14 %Zr 484 544 12
7050-T76 6,2 %Zn; 2,25 %Mg; 2,3 %Cu; 0,1 %Zr 476 545 12 7075-T6 (AlZn5,5MgCu)
5,6 %Zn; 2,5 %Mg; 1,6 %Cu 503 572 11
7079-T6 4,8 %Zn; 3,3 %Mg; 0,6 %Cu; 0,2 %Mn 469 538 14 7150-T651 6,4 %Zn; 2,35 %Mg; 2,2 %Cu; 0,11%Zr 572 607 12 7178-T6 6,8 %Zn; 2,7 %Mg; 2,0 %Cu; 0,3 %Cr 538 607 11
8.2.4.1. Durali - serija 2xxx
Glavni legirni element u duralima je bakar, dok je najčešći prateći magnezij pa su
to općenito legure oblika Al-Cu-Mg.
Svojstva durala, pa tako i mehanička svojstva, ovise o vrsti i udjelu legirnih
elemenata kao i tehnološkoj obradi u vidu mehaničkih i/ili toplinskih postupaka kojima se
60
postiže određeno mikrostrukturno stanje. Za optimalnu mehaničku otpornost durale je
potrebno toplinski obraditi rastvornim žarenjem i dozrijevanjem. Očvrsnuće postignuto
precipitacijom veće je od onoga uvedenog hladnim deformiranjem pa je precipitacijski
mehanizam osnovni postupak za povećanje čvrstoće i tvrdoće ovih legura. Moguće je
kombinirati obadva mehanizma očvrsnuća ukoliko se legura još i hladno oblikuje prije ili
nakon dozrijevanja. Time se dodatno poboljšava granica razvlačenja i vlačna čvrstoća
što je vidljivo na primjeru legure 2024 iz prethodne tablice (stanje T3 i T4). Durali se
mogu očvrsnuti držanjem na okolišnoj temperaturi (prirodno dozrijevanje) odnosno nekoj
povišenoj temperaturi (umjetno dozrijevanje). Ovisno o načinu dozrijevanja nakon
gašenja s temperature rastvornog žarenja postižu se bolja ili lošija mehanička svojstva.
Maksimalno očvrsnuće ostvaruje se dozrijevanjem pri povišenoj temperaturi kada
vrijednosti čvrstoće dosežu 480 N/mm2. Očvrsnuće se može povećati dodatkom
magnezija koji ubrzava proces očvrsnuća stvaranjem intermetalnih spojeva i time
pojačava njegov efekt.
Zbog povećanog udjela bakra ova serija aluminijskih legura nije otporna na
koroziju kao drugi aluminijski materijali. S ciljem poboljšanja korozijske postojanosti
često se na površinu materijala nanosi tanki sloj aluminija visoke čistoće ili sloj neke
druge legure otporne na koroziju. Taj se postupak naziva platiranje, a izvodi se tijekom
proizvodnje limova i profila.
Aluminijske legure serije 2xxx vrlo su prikladne za dijelove i elemente konstrukcije
zrakoplova koji zahtijevaju dobru specifičnu čvrstoću, kao npr. strukturne dijelove poput
trupa i oplate krila.
U nastavku su dana detaljna mehanička i fizikalna svojstva te primjeri primjene
nekih aluminijskih legura iz grupe durala.
2014 (Al-Cu-Si-Mn-Mg)
Kemijski sastav
3,9 do 5,0 %Cu; 0,5 do 2 %Si; 0,4 do 2 %Mn; 0,2 do 0,8 %Mg; maks. 0,7 %Fe; maks.
0,25 %Zn; maks. 0,15 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 %
drugi elementi (ukupno); ostatak Al
61
Tablica 6. Mehanička svojstva aluminijske legure 2014
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Tvrdoća
HB
Smična čvrstoća N/mm2
Dinamička izdržljivost
N/mm2 O 97 186 18 45 125 90 T4 290 427 20 105 260 140 T6 414 483 13 135 240 125
Tablica 7. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2014
Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost % IACS
Temperatura žarenja
°C
Temperatura dozrijevanja
°C O 192 50 413 - T4 134 34 413 - T6 155 40 413 160 (18 h)
Poissonov koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 - 0,33 72400 28000 2800
Primjena
Upotrebljava se za proizvodnju kotača, strukturnih elemenata i drugih visokoopterećenih
dijelova zrakoplova, za konstrukciju booster raketa space shuttle-a i dr.
2024 (Al-Cu-Mg-Mn)
Kemijski sastav
3,8 do 4,9 %Cu; 1,2 do 1,8 %Mg; 0,3 do 0,9 %Mn; maks. 0,5 %Si; maks. 0,5 %Fe;
maks. 0,25 %Zn; maks. 0,15 %Ti; maks. 0,1 %Cr; maks. 0,05 % drugi elementi
(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 8. Mehanička svojstva aluminijske legure 2024
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Tvrdoća
HB
Smična čvrstoća N/mm2
Dinamička izdržljivost
N/mm2 T3 345 483 18 120 285 140 T4 324 469 20 120 285 140
T361 395 495 13 130 290 125
62
Tablica 9. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2024
Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost % IACS
Temperatura žarenja
°C
Temperatura dozrijevanja
°C T3, T361 120 30 413 -
T6 151 38 413 191 (8 do 16 h) Poissonov
koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 - 0,33 72400 28000 2770
Primjena
Primjenjuje se za strukturne elemente trupa zrakoplova, visokoopterećene elemente
krila, rebra i dijelove koji zahtijevaju dobru čvrstoću i dinamičku izdržljivost.
2048 (Al-Cu-Mg-Mn)
Kemijski sastav
2,8 do 3,8 %Cu; 1,2 do 1,8 %Mg; 0,2 do 0,6 %Mn; maks. 0,15 %Si; maks. 0,2 %Fe;
maks. 0,25 %Zn; maks. 0,1 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks.
0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 10. Mehanička svojstva aluminijske legure 2048
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Smična čvrstoća N/mm2
T851 416 457 8 271
Tablica 11. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2048
Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost
% IACS
Poissonov koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 T851 159 42 0,33 70000 2750
Primjena
Visokoopterećeni strukturni elementi zrakoplova i svemirskih letjelica.
63
2049 (Al-Cu-Li-Ag-Mg-Zr) Kemijski sastav
4,5 %Cu; 1,3 %Li; 0,4 %Ag; 0,4 %Mg; 0,14 %Zr; ostatak Al
Tablica 12. Mehanička svojstva aluminijske legure 2049
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
% T3 407 529 16,6 T4 438 591 15,7 T6 680 720 3,7 T8 692 713 5,3
Tablica 13. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2049
Modul elastičnosti N/mm2
Gustoća pri 20 °C kg/m3
76000 2700
Primjena
Legura pripada skupini aluminijskih legura s litijem. Razvijena je s ciljem da zamjeni
leguru 2024 zbog svojih superiornih svojstava: manje gustoće i veće čvrstoće. Zbog
vrhunskih mehaničkih svojstava pri niskim temperaturama primjenjuje se za zavarivanje
spremnika tekućeg goriva i kisika kod space shuttle-a.
2090 (Al-Cu-Li-Zr)
Kemijski sastav
2,4 do 3,0 %Cu; 1,9 do 2,6 %Li; 0,08 do 0,15 %Zr; maks. 0,25 %Mg; maks. 0,15 %Ti;
maks. 0,12 %Fe; maks. 0,1 %Si; maks. 0,1 %Zn; maks. 0,05 %Mn; maks. 0,05 %Cr;
maks. 0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno);
ostatak Al
64
Tablica 14. Mehanička svojstva aluminijske legure 2090
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
% T81 517 550 8 T83 517 550 6 T84 470 525 5
Tablica 15. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2090
Koeficijent toplinske vodljivosti pri 25 °C
W/mK
Električna vodljivost % IACS
Poissonov koeficijent
Modul elastičnosti
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 84 do 92,3 17 do 19 0,34 76000 2590
Primjena
Legura pripada skupini aluminijskih legura s litijem. Upotrebljava se tamo gdje je
presudna visoka čvrstoća. Zbog 8 do 10 % manje gustoće i do 10 % većeg modula
elastičnosti od sličnih aluminijskih legura, koristi se za ukrutu podnih pregrada
zrakoplova kako bi se ostvarila ušteda na masi. Legura se primjenjuje i za pregrade
trupa i okvira zrakoplova te za zahtjevnije konstrukcijske elemente poput oplate i
potpornja krila.
2091 (Al-Cu-Mg-Li-Zr)
Kemijski sastav
1,8 do 2,5 %Cu; 1,7 do 2,3 %Li; 1,1 do 1,9 %Mg; 0,04 do 0,16 %Zr; maks. 0,3 %Fe;
maks. 0,25 %Zn; maks. 0,2 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,1 %Cr; maks. 0,1 %Ti; maks.
0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 16. Mehanička svojstva aluminijske legure 2091
Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
% 420 470 8
65
Tablica 17. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2091
Koeficijent toplinske vodljivosti pri 25 °C
W/mK
Modul elastičnosti
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 84 77900 2580
Primjena
Legura pripada skupini aluminijskih legura s litijem. Razvijena je s ciljem supstituiranja
legure 2024. Otporna je na oštećenja uz 8 % manju gustoću i 7 % veći modul elastičnosti
u odnosu na spomenutu leguru. Njena primarna namjena je za zrakoplovne konstrukcije
koje moraju biti male mase i visoke otpornosti na pojavu oštećenja.
2124 (Al-Cu-Mg-Mn)
Kemijski sastav
3,8 do 4,9 %Cu; 0,3 do 0,9 %Mg; 1,2 do 1,6 %Mn; maks. 0,2 %Si; maks. 0,3 %Fe;
maks. 0,25 %Zn; maks. 0,1 %Ti; maks. 0,1 %Cr; maks. 0,05 % drugi elementi
(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 18. Mehanička svojstva aluminijske legure 2124
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
% T851 450 485 8
Tablica 19. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2124
Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost
% IACS
Poissonov koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 152 39 0,33 72000 2770
Primjena
Legura se upotrebljava za proizvodnju ploča debljine 40 do 150 mm te je primarno
namijenjena za pregrade trupa i oplatu krila vojnih zrakoplova visokih performansi.
66
8.2.4.2. Konstruktali - serija 7xxx
Glavni legirni element je cink s masenim udjelom do 8%, uz dodatak male
količine magnezija koji doprinosi porastu čvrstoće. Od drugih legirnih elementa obično je
prisutan bakar pa su to najčešće legure oblika Al-Zn-Mg-Cu. Dodatak kroma ovim
legurama pospješuje precipitacijsko očvrsnuće.
U pravilu su konstruktali mehanički otporniji materijali od legura iz skupine durala.
To su materijali s najvišim vrijednostima čvrstoće među svim aluminijskim legurama.
Radi se o precipitacijski očvrstljivim legurama čiji legirni elementi stvaraju intermetalne
spojeve s aluminijem (Al2CuMg) ili međusobno (MgZn2). Visoka granica razvlačenja,
čvrstoća i tvrdoća postižu se umjetnim dozrijevanjem nakon rastvornog žarenja. U
precipitacijski očvrsnutom stanju srednja vrijednost čvrstoće iznosi oko 550 N/mm2, a
ovisno o kemijskom sastavu i metalurškom stanju čvrstoća može dostići i 676 N/mm2 kao
npr. kod toplinski očvrsnute legure oznake 7001-T6 (vidi tablicu 5).
Budući da su to legure visoke čvrstoće one imaju smanjenu otpornost na pucanje
uslijed napetosne korozije, pa je zbog toga razvijen niz termomehaničkih postupaka kako
bi se uklonile predispozicije za pojavu selektivnih oblika korozije. S ciljem pouzdane
primjene u zrakoplovstvu ova skupina legura se nakon rastvornog žarenja može umjetno
predozrijevati (stanje T73) kako bi se postigla bolja kombinacija čvrstoće, korozijske
otpornosti i lomne žilavosti. Umjetnim predozrijevanjem prethodno rastvorno žarene
legure može se poboljšati ne samo otpornost napetosnoj već i koroziji ljuštenjem.
Smanjenje predispozicija za pojavu napetosne korozije provodi se i istezanjem materijala
za kontroliranu veličinu deformacije čime se reduciraju zaostala naprezanja.
Ove legure visoke mehaničke otpornosti osjetljive su na pojavu i širenje pukotina.
Na slici 45 prikazana je brzina rasta pukotine za dvije tipične aluminijske legure:
konstruktalu oznake 7075-T6 te duralu 2024-T3. Pri istim vrijednostima faktora
intenziteta naprezanja pukotina brže napreduje u konstruktalu te je očito da su oni
manje otporni na inicijaciju i propagiranje pukotina.
67
Slika 45. Brzina širenja pukotine kod durala i konstruktala
Legure serije 7xxx prvenstveno se koriste za konstrukcijske dijelove zrakoplova
kod kojih se traži visoka specifična čvrstoća kao što su okvir i dijelovi oplate trupa te
oplata krila zrakoplova.
U daljnjem tekstu prikazana su mehanička i fizikalna svojstva nekih odabranih
konstruktala te istaknuti najvažniji primjeri primjene.
7050 (Al-Zn-Mg-Cu-Zr)
Kemijski sastav
5,7 do 6,7 %Zn; 1,9 do 2,6 %Mg; 2,0 do 2,6 %Cu; 0,08 do 0,15 %Zr; maks. 0,15 %Fe;
maks. 0,12 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,06 %Ti; maks. 0,04 %Cr; maks. 0,05 % drugi
elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 20. Mehanička svojstva aluminijske legure 7050
Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Tvrdoća
HB
Smična čvrstoća N/mm2
Dinamička izdržljivost
N/mm2 489 552 11 150 324 180
Brz
ina
šire
nja
puko
tine,
mm
/cik
lusu
Faktor intenziteta naprezanja, MPa⋅m1/2
7075-T6
2024-T3
68
Tablica 21. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7050
Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost
% IACS
Poissonov koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 154 39,5 0,33 70300 26900 2830
Primjena
Ova se legura upotrebljava za konstrukciju okvira i pregrada trupa zrakoplova. Također
se koristi za oplatu krila i ploče deblje od 50 mm.
7075 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)
Kemijski sastav
5,1 do 6,1 %Zn; 2,1 do 2,9 %Mg; 1,2 do 2,0 %Cu; 0,18 do 0,28 %Cr; maks. 0,5 %Fe;
maks. 0,4 %Si; maks. 0,3 %Mn; maks. 0,2 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi
(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 22. Mehanička svojstva aluminijske legure 7075
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Tvrdoća
HB
Smična čvrstoća N/mm2
Dinamička izdržljivost
N/mm2 O 103 228 17 60 152 -
T73 434 503 - - - 159 T651 462 524 11 150 331 159
Tablica 23. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7075
Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost % IACS
Temperatura žarenja
°C
Temperatura dozrijevanja
°C T73 155 38,5 415 106 do 177
T651 130 33 415 120 Poissonov
koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C kg/m3
- 0,33 71000 26900 2800
69
Primjena
Primjenjuje se za strukturne elemente zrakoplova gdje se traži kombinacija visoke
čvrstoće i korozijske postojanosti, najčešće oplata krila i ploče debljine do 100 mm.
7150 (Al-Zn-Mg-Cu-Zr)
Kemijski sastav
5,9 do 6,9 %Zn; 2,0 do 2,7 %Mg; 1,9 do 2,5 %Cu; 0,08 do 0,15 %Zr; maks. 0,15 %Fe;
maks. 0,12 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,06 %Ti; maks. 0,04 %Cr; maks. 0,05 % drugi
elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 24. Mehanička svojstva aluminijske legure 7150
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Smična čvrstoća N/mm2
T6151 552 593 9 317 T7751 524 565 8 324
Tablica 25. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7150
Poissonov koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 0,33 71000 26900 2820
Primjena
Koristi se za ukrućene gornje panele krila i donje panele horizontalnog stabilizatora kod
civilnih i vojnih zrakoplova. Također služi za gornju oplatu krila kod velikih putničkih
zrakoplova i ukrepe trupa.
7175 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)
Kemijski sastav
5,1 do 6,1 %Zn; 2,1 do 2,9 %Mg; 1,2 do 2,0 %Cu; 0,18 do 0,28 %Cr; maks. 0,2 %Fe;
maks. 0,15 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,1 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi
(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
70
Tablica 26. Mehanička svojstva aluminijske legure 7175
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Tvrdoća
HB
Smična čvrstoća N/mm2
Dinamička izdržljivost
N/mm2 T66 524 593 11 150 324 159 T736 455 524 11 145 290 159
Tablica 27. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7175
Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost % IACS
Temperatura žarenja
°C
Temperatura dozrijevanja
°C T66 142 36 415 120 do 175
T736 155 40 415 120 do 175 Poissonov
koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 - 0,33 72000 - 2800
Primjena
Ova se legura upotrebljava za strukturne elemente zrakoplova koji moraju biti visoke
čvrstoće, lomne žilavosti i dinamičke izdržljivosti te postojani prema napetosnoj koroziji.
7178 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)
Kemijski sastav
6,3 do 7,3 %Zn; 2,4 do 3,1 %Mg; 1,6 do 2,4 %Cu; 0,18 do 0,35 %Cr; maks. 0,5 %Fe;
maks. 0,4 %Si; maks. 0,3 %Mn; maks. 0,2 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi
(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 28. Mehanička svojstva aluminijske legure 7178
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Smična čvrstoća N/mm2
Tlačna čvrstoća N/mm2
T651 538 607 11 305 530 T7651 505 570 11 295 460
71
Tablica 29. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7178
Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost
% IACS
Temperatura žarenja
°C
Temperatura dozrijevanja
°C T6, T651 127 32 415 121 (24 h)
T76, T7651 152 39 415 121 (24 h) Poissonov
koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 - 0,33 71700 27500 2830
Primjena
Legura je namijenjena za izradu zrakoplovnih dijelova visoke mehaničke otpornosti u
uvjetima tlačnog opterećenja.
7475 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)
Kemijski sastav
5,2 do 6,2 %Zn; 1,9 do 2,6 %Mg; 1,2 do 1,9 %Cu; 0,18 do 0,25 %Cr; maks. 0,12 %Fe;
maks. 0,1 %Si; maks. 0,06 %Mn; maks. 0,06 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi
(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al
Tablica 30. Mehanička svojstva aluminijske legure 7475
Stanje Granica razvlačenja
N/mm2
Vlačna čvrstoća N/mm2
Istezljivost
%
Smična čvrstoća N/mm2
Tlačna čvrstoća N/mm2
T61 496 552 12 296 476 T761 462 524 12 269 414
Tablica 31. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7475
Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C
W/mK
Električna vodljivost
% IACS
Temperatura žarenja
°C
Temperatura dozrijevanja
°C T61 142 36 415 120 do 175
T761 155 40 415 120 do 175 Poissonov
koeficijent pri 20 °C
Modul elastičnosti
N/mm2
Modul smicanja
N/mm2
Gustoća pri 20 °C
kg/m3 - 0,33 70000 27000 2800
72
Primjena
Legura se upotrebljava za kritične komponente zrakoplova visokih performansi. To su
dijelovi koji zahtijevaju visoku lomnu žilavost kao npr. oplata trupa i krila, ramenjače i
pregrade trupa zrakoplova.
8.2.4.3. Legure aluminija i litija - serija 8xxx
Tijekom 80-tih godina dvadesetog stoljeća intenzivno se razvijaju aluminijske
legure s litijem. Litij kao prateći legini element može biti prisutan u duralima, kao
primjerice u legurama 2049 (Al-Cu-Li-Ag-Mg-Zr), 2090 (Al-Cu-Li-Zr) i 2091 (Al-Cu-Mg-Li-
Zr), ili to mogu biti posve nove aluminijske legure oblika Al-Li-Cu-Mg (serija 8xxx) u
kojima je litij glavni legirni element. U tablici 32 naveden je kemijski sastav jedne legure
serije 8xxx oznake 8090.
Tablica 32. Kemijski sastav aluminijske legure 8090
Vrsta legure
Kemijski sastav, % mase Li Cu Mg Zr Si Fe Mn Cr Zn Ti
8090 2,2 do 2,7 1,0 do 1,6 0,6 do 1,3 0,04 do 0,16 ≤0,2 ≤0,3 ≤0,1 ≤0,1 ≤0,25 ≤0,1
Litij je općenito poznat kao najlakši metal, s gustoćom od 534 kg/m3, pa se
dodatkom svega 2 do 3 % litija smanjuje gustoća za 8 do 10 % u odnosu na
konvencionalne aluminijske materijale korištene u zrakoplovstvu. Uporabom legura
aluminija i litija učinkovito se smanjuje težina zrakoplovne konstrukcije čime se ostvaruje
ušteda goriva ili je moguće povećati korisnu nosivost za istu težinu letjelice što opet
znatno smanjuje operativne troškove. Uz to ove legure imaju i do 10 % veći modul elastičnosti koji osigurava poboljšanu krutost zrakoplovnih dijelova. Ostala svojstva
slična su legurama iz grupe durala i konstruktala.
Legure aluminija s litijem pripadaju skupini toplinski očvrstljivih legura.
Maksimalna rastvorljivost litija u kristalima mješancima aluminija iznosi oko 6 % pri
temperaturi 600 °C. U tehničkoj primjeni nalaze se legure sa sadržajem litija do 4 % koje
precipitacijski očvršćuju izlučivanjem čestica intermetalne faze Al3Li u postupku
dozrijavanja. Precipitati Al3Li faze učinkovito koče gibanje dislokacija i time povećavaju
granicu razvlačenja do vrijednosti 630 N/mm2.
73
Nedostatak legura serije 8xxx u odnosu na ostale aluminijske materijale jest
smanjena žilavost i neotpornost napetosnoj koroziji. Dodatno se žilavost ovih legura
smanjuje dugotrajnom eksploatacijom na okolišnoj temperaturi ili kratkotrajnom
uporabom na povišenim temperaturama. Na okolišnoj temperaturi izvjestan gubitak
žilavosti javlja se tek nakon više godina eksploatacije, dok se na temperaturi 120 do 150
°C taj isti gubitak može očekivati već nakon samo dva dana izlaganja. Zato je malo
vjerojatna primjena ovih legura u izradi nadzvučnih zrakoplova gdje dolazi do jačeg
zagrijavanja konstrukcije. Porast krhkosti materijala, prema najširem tumačenju,
posljedica je gomilanja dislokacija na Al3Li česticama čime se stvaraju inicijalne pukotine.
Kao mogući razlog navodi se i prisustvo tekuće faze na bazi alkalijskih elemenata (Na,
K, Cs, Rb) koji se unose pretežno putem litija i difundiraju na granice zrna gdje tvore
ternarni eutektikum Na-K-Cs koji ostaje djelomično tekuć sve do temperature –78 °C.
Budući da je ta faza tekuća i mala količina može pokriti veliku površinu po granici zrna i
time doprinosi krhkosti. Nadalje, prisustvo vodika je također nepoželjno jer on difundira
na granice zrna i ulazi u tekući eutektikum te povisuje krhkost. Stoga su razvijene
metode rafinacije taljevine u vakuumu kako bi se smanjio sadržaj alkalijskih nečistoća i
ujedno reducirao sadržaj vodika čime se djelomično poboljšava žilavost ovih legura.
Legure serije 8xxx prvenstveno su namijenjene zrakoplovnoj industriji. Koriste se
za izradu ploča debljine do 150 mm i u ekstrudiranom obliku za dijelove promjera do 100
mm. Tako se npr. legura 8090 upotrebljava se za limove oplate i otkivke konstrukcije
helikoptera Westland-Agusta tip EH-101.
74
9. TITAN I NJEGOVE LEGURE
Titan i njegove legure svoju komercijalnu primjenu mogu zahvaliti nizu odličnih
svojstava: visokoj čvrstoći, dobroj žilavosti, niskoj gustoći (maloj masi) te odličnoj
korozijskoj postojanosti pri niskim i povišenim temperaturama. Zahvaljujući ovim
svojstvima titanovi se materijali uglavnom koriste u zrakoplovnoj industriji i proizvodnji
različitih projektila gdje predstavljaju tehnički superiorniji i isplativiji konstrukcijski
materijal od čelika i niklovih legura. Visoka čvrstoća pri niskoj gustoći omogućila je
uporabu titanovih materijala u izradi mehanički i toplinski opterećenih zrakoplovnih
dijelova koji istovremeno moraju biti i što manje mase. Jedna od prvih primjena
zabilježena je u svemirskim brodovima Apollo i Mercury nakon čega se nastavlja za
potrebe vojnog zrakoplovstva i u programima američke svemirske agencije NASA.
Danas se ove legure uspješno koriste i u civilnom zrakoplovstvu gdje zahvaljujući svojim
povoljnim svojstvima uspješno doprinose reduciranju mase zrakoplovne konstrukcije i
time omogućuju poboljšanje letnih performansi.
Titanovi materijali susreću se u većini suvremenih letjelica gdje čine 20 do 30 %
mase mlaznog motora (slika 46a), osobito kada je riječ o kompresoru.
a) b)
Slika 46. Primjeri primjene titanovih legura
a) dijelovi mlaznog motora
b) dio helikoptera
Od ovih se legura izrađuju lopatice kompresora, mlaznice, glavine, kućišta motora i dr.,
ali i visokoopterećeni dijelovi drugih letjelica kao npr. helikoptera (slika 46b).
Upotrebljavaju za dijelove motora i elemente konstrukcija izložene povišenim
eksploatacijskim temperaturama do maksimalno 550 °C. Materijali na bazi titana s
čvrstoćom do 1200 N/mm2 podesni su za izradu velikog broja raznih dijelova od malih
zatezača koji teže svega nekoliko grama pa sve do nosača krila koji teže do tonu.
Zahvaljujući osnovnim prednostima maloj masi u kombinaciji s izuzetnom pouzdanošću i
75
korozijskom postojanošću ovi se materijali danas rabe u izradi primarnih konstrukcijskih
elemenata kao što je trup vojnih i putničkih zrakoplova. Uporaba titanovih legura u
zrakoplovnoj industriji svakim danom je sve veća. Primjerice kod Boeinga 777 ovi su
materijali zastupljeni s oko 10 % mase zrakoplovne konstrukcije. Na slici 47 prikazan je
zrakoplov Blackbird koji je bio prvi avion u cijelosti načinjen od titana. Krila i trup ovog
zrakoplova prekriveni su oplatom u potpunosti izvedenom od lakih i čvrstih titanovih
legura.
Slika 47. Blackbird SR-71
9.1. Svojstva titana i titanovih legura
Titan je polimorfan metal koji se podvrgava alotropskoj transformaciji na
temperaturi 885 °C mijenjajući kristalnu strukturu iz heksagonske gusto slagane (HCP)
koja se naziva α faza u kubičnu prostorno centriranu (BCC) poznatiju kao β faza koja
ostaje nepromijenjena sve do tališta 1670 °C.
To je relativno lagan metal s gustoćom od 4500 kg/m3. U usporedbi s drugim
konstrukcijskim legurama njegova gustoća približno iznosi 60 % gustoće čelika, dok je s
obzirom na aluminij titan i veće gustoće.
Modul elastičnosti titanovih materijala iznosi 110000 N/mm2 što u većini slučajeva
osigurava dovoljnu krutost zrakoplovnih dijelova. Elementi načinjeni od titana krući su od
istovrsnih aluminijskih elemenata, ali su manje kruti u usporedbi s čelikom.
Titanove legure posjeduju vrlo dobru mehaničku otpornost određenu visokim
vrijednostima granice razvlačenja i vlačne čvrstoće, slika 48. Čvrstoća pada na
temperaturama iznad 450 °C pa titan nije toplinski čvrst metal.
76
Slika 48. Vrijednosti vlačne čvrstoće titanovih legura
Titan i njegove legure odlikuje vrlo povoljna specifična čvrstoća i to u širokom
rasponu temperatura od -200 do 550 °C što im daje značajnu prednost pred mnogim
drugim konstrukcijskim materijalima.
Zahvaljujući visokoj temperaturi tališta ove su legure značajno otporne na pojavu
puzanja. Slika 49 predočava statičku izdržljivost nekih titanovih legura nakon 150 sati
ispitivanja u području povišenih temperatura.
Slika 49. Vrijednosti statičke izdržljivosti titanovih legura
Temperatura, °C
Temperatura, °F
Stat
ička
izdr
žljiv
ost,
N/m
m2
552
414
276
138
TiAl6Sn2Zr4Mo6
TiAl6V6Sn2
TiAl6V4
TiAl8Mo1V1
TiAl5Sn2,5
TiAl6Sn2Zr4Mo2
500 600 700 800 900 1000 1100
315 321 426 482 537
Temperatura, °C
Vlačn
a čv
rstoća
, N/m
m2
1172
1034
896
758
620
482
TiAl6Sn2Zr4Mo6
TiAl6V6Sn2
TiAl6Sn2Zr4Mo2
TiAl6V4
TiAl8Mo1V1TiAl5Sn2,5
93 204 315 426 537
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperatura, °F
77
Osim mehaničke otpornosti u uvjetima statičkog opterećenja ovi materijali
izdržavaju i dugotrajna dinamička opterećenja bez opasnosti od pojave umora. S
povišenjem temperature dinamička izdržljivost ne opada značajno sve dok se ne
dostignu temperature veće od 315 ºC.
α legure titana s heksagonskom kristalnom strukturom zadržavaju žilavost i pri
sniženim temperaturama.
Titan i njegove legure su nemagnetične i vrlo dobro provode toplinu.
Niski koeficijent toplinske rastezljivosti, niži nego kod čelika i dvostruko manji u
poredbi s aluminijem, jamči visoku dimenzionalnu stabilnost.
Titanovi su materijali ujedno i odlične korozijske otpornosti. Visoko su postojani u
različitim agresivnim medijima kao što su kloridne otopine, morska voda i kiseline
zahvaljujući vrlo stabilnoj i postojanoj, čvrsto prionjenoj oksidnoj prevlaci koja se formira
na površini metala u oksidirajućoj okolini. Ovaj oksidni sloj nositelj je otpornosti na
koroziju. Ukoliko dođe do oštećenja zaštitnog sloja on se iznova obnavlja. Otpornost
titanovih materijala na kloridne soli, pogotovo natrijev klorid, postepeno opada s
porastom temperature pa iznad 260 ºC može doći do pojave rupičaste korozije (pitting)
ili čak do pucanja pod djelovanjem visokih tlačnih naprezanja. Podložnost napetosnoj
koroziji određena je kemijskim sastavom materijala i postupkom naknadne toplinske
obrade. Dodatak aluminija općenito smanjuje otpornost prema ovom obliku korozije i
legure koje sadrže više od 6 % aluminija osjetljive su na napetosnu koroziju. Dodaci
kositra, magnezija i kobalta su također štetni dok molibden, vanadij i niobij poboljšavaju
postojanost prema ovom obliku selektivne korozije. Kod kontaktne (galvanske) korozije
koja nastupa u spoju titana s drugim metalima titan obično ubrzano ne korodira osim u
reducirajućoj okolini. U reducirajućim uvjetima titan ima elektropotencijal sličan
aluminijevom te ubrzano korodira u spoju s više plemenitim metalima. U većini drugih
otopina titan je katodni član galvanskog para koji usporeno korodira. Titan i njegove
legure izvanredno su otporne na koroziju erozijskog tipa. Osim toga postojane su i na
kavitacijsku koroziju pri čemu pokazuju visoku otpornost na pojavu kavitacijskih
oštećenja.
Titanovi materijali ne smiju se izlagati temperaturama višim od 950 ºC radi velikog
afiniteta titana prema kisiku, vodiku, dušiku i ugljiku. Pri toplinskoj obradi ili obradi
deformiranjem na zraku površina metala prekriva se oksidnom prevlakom koju je
potrebno mehanički ukloniti obradom odvajanjem čestica. Stoga se sitni dijelovi toplinski
obrađuju u vakuumu ili zaštitnoj atmosferi inertnog plina.
78
Materijali na bazi titana teško su obradljivi odvajanjem čestica jer su vrlo žilavi, a
javlja se i opasnost od zapaljenja strugotine.
Zbog kristalne građe ograničeno su hladno oblikovljivi i bolje toplo oblikovljivi.
Sve vrste legura su dobro zavarljive u zaštitnoj atmosferi ili u vakuumu.
Naposljetku riječ je o relativno skupom metalu čija je cijena 10 do 20 puta viša u
poredbi s aluminijskim legurama. Proizvodni troškovi i naročito troškovi prerade danas
još uvijek vrlo visoki, što u velikoj mjeri diktira primjenu.
9.2. Titanove legure Titanove legure dijele se prema mikrostrukturi koja je stabilna na sobnoj
temperaturi na α, β i (α+β) legure. Glavni stabilizatori α faze su ugljik, kisik, dušik,
aluminij i kositar, elementi koji pomiču α/β prekristalizaciju u područje viših temperatura.
β stabilizatori kao krom, nikal, mangan, molibden, željezo, tantal i vanadij snizuju
temperaturu α/β transformacije i time stabiliziraju β fazu pri nižim temperaturama. Većina
α legura sadrži i minimalni udjel β faze kao rezultat prisutnosti željeza a ponekad i β
stabilizatora koji se dodaju zbog povećanja obradivosti (npr. molibden i vanadij u leguri
TiAl8Mo1V1). α+β legure koje sadrže α fazu te sačuvanu ili transformiranu β fazu
predstavljaju kompromis između monofaznih α i β legura. Toplinski su očvrstljive i
oblikovljive deformiranjem, a mogu se i zavarivati iako se pri tomu mogu javiti određene
poteškoće.
9.2.1. α legure
α legure koje sadrže aluminij, kositar i cirkonij preferiraju se za uporabu pri
povišenim temperaturama 370 do 550 °C. Ove su legure otpornije puzanju pri višim
temperaturama nego α+β i β legure jer su manje osjetljivije na djelovanje kisika, dušika i
ugljika, elemenata koji uzrokuju krhkost. Brzina difuzije ovih elemenata znatno je manja
u odnosu na legure s kubično prostorno centriranom (BCC) strukturom što daje prednost
α legurama kod eksploatacije pri višim temperaturama.
Za razliku od α+β i β legura ove se legure ne mogu očvrsnuti postupkom toplinske obrade unatoč postojanju α/β prekristalizacije koja se odvija smicanjem, nalik
79
formiranju martenzita kod čelika. α legure su općenito dobro zavarljive. Heksagonska
gusto slagana struktura jamči dobru žilavost i čvrstoću i pri sniženim temperaturama, ali
su to ujedno relativno slabo hladno oblikovljive legure. Otpornost na oksidaciju i
koroziju jednaka je kao kod β i α+β legura.
Ovu grupu titanovih materijala čine legure s aluminijem kao glavnim legirnim
elementom, te kositrom. Najčešća je legura TiAl5Sn2,5 koja se već dugi niz godina
uspješno koristi u zrakoplovnoj industriji. Glavna su joj obilježja: oksidacijska i korozijska
postojanost i odlična svojstva pri niskim temperaturama. Koristi se u kovanom i lijevanom
stanju za dijelove zrakoplova i svemirskih letjelica.
α legure koje sadrže mali dodatak β stabilizatora (npr. TiAl8Mo1V1,
TiAl6Nb2Ta1Mo0,8) ponekad se klasificiraju kao približno α legure. Iako sadrže
zaostalu β fazu većinom su α fazne strukture i više se ponašaju kao α nego α+β legure.
Ostale α i približno α legure, razvijene za dijelove motora, imaju dobru
kombinaciju vlačne čvrstoće i granice puzanja na temperaturama 370 °C do 550 °C, kao
i zadovoljavajuću žilavost i dinamičku izdržljivost. To su npr. legure TiAl7Zr12,
TiAl5Sn5Zr5 i TiAl7Nb2Ta1.
Tablica 33 sadrži svojstva i kemijski sastav nekih α i približno α legura.
Tablica 33. Sastav i svojstva α i približno α legura titana
Vrsta legure Granica
razvl. N/mm2
Vlačna čvrstoćaN/mm2
Maks. sadržaj nečistoća %
Sadržaj legirnih elemenata
%
N C H Fe O Al Sn Zr Mo Ostali
TiMo0,3Ni0,8 380 480 0,03 0,10 0,015 0,30 0,25 - - - 0,3 0,8 Ni
TiAl5Sn2,5 760 790 0,05 0,08 0,020 0,50 0,20 5 2,5 - - -
TiAl8Mo1V1 830 900 0,05 0,08 0,015 0,30 0,12 8 - - 1 1 V
TiAl6Sn2Zr4Mo2 830 900 0,05 0,05 0,013 0,25 0,15 6 2 4 2 0,08 Si
TiAl6Nb2Ta1Mo0,8 690 790 0,02 0,03 0,013 0,12 0,10 6 - - 1 2 Nb, 1 Ta
TiAl2,25Sn11Zr5Mo1 900 1000 0,04 0,04 0,008 0,12 0,17 2,25 11 5 1 0,2 Si
80
9.2.2. α+β legure α+β legure sadrže jedan ili više α stabilizirajući legirni element plus jedan ili više β
stabilizator. U rastvorno žarenom stanju ove legure sadrže veći udjel β faze nego
približno α legure. Udjel β faze ovisi o količini β stabilizirajućih legirnih elemenata i
toplinskoj obradi.
α+β legure se mogu očvrsnuti postupkom homogenizacijskog žarenja i dozrijevanja. Rastvorno žarenje se provodi pri visokoj temperaturi u dvofaznom α+β
području u blizini temperature α/β prekristalizacije pri čemu je udjel β faze velik, a α faze
malen. Homogenizacijsko žarenje popraćeno je gašenjem u vodi, ulju ili nekom drugom
prikladnom sredstvu za gašenje. β faza koja je prisutna na temperaturi rastvornog
žarenja gašenjem se može očuvati sve do okolišne temperature ili može nastupiti
djelomična ili potpuna transformacija u martenzitnu (igličastu) α' fazu, slika 50.
Martenzitna pretvorba javlja se kod legura s masenim udjelom legirnog elementa B ispod
kritičnog(Ck).
Slika 50. Toplinsko očvrsnuće α+β legura titana: 1. rastvorno žarenje,
2. gašenje, 3. dozrijevanje, 4. hlađenje (zrak ili voda)
Ukoliko je temperatura Mf koja označava završetak β/α' prekristalizacije niža od okolišne,
a Ms temperatura (početak prekristalizacije) viša od okolišne, tada se sva β faza neće
transformirati u α' fazu te se gašenjem javlja i određena količina metastabilne β faze. Pri
gašenju legura s masenim udjelom legirnog elementa B većim od kritičnog (Ck) ne
dostiže se Ms temperatura i mikrostruktura sadrži netransformiranu β fazu. Međutim u
k
ω
Tem
pera
tura
Tem
pera
tura
Vrijeme
metastabilni β
% B stabilni β
81
tom području koncentracija odvija se brza promjena stanja koja može dovesti do
stvaranja metastabilne prijelazne ω faze. ω faza koja može nastati gašenjem ili pri
naknadnom dozrijevanju nepoželjna je zbog velike krhkosti. Nakon rastvornog žarenja i
gašenja leguru je potrebno dozrijevati na temperaturi 480 do 650 °C pri čemu dolazi do
precipitacije α faze i nastajanja mješavine α i α' faze uz eventualnu prisutnost
netransformirane β faze.
Rastvornim žarenjem i dozrijevanjem čvrstoća α+β legura može se povisiti za 30
do 50 % pa čak i više. Legure s niskim udjelom β stabilizatora (npr. TiAl6V4), slabije
prokaljivosti, moraju se brzo gasiti da bi efekt očvrsnuća bio veći. Kod legure TiAl6V4
gašenje u vodi nije dovoljno intenzivno da bi došlo do značajnijeg očvrsnuća dijelova
debljih od 25 mm. S povećanjem udjela β stabilizatora prokaljivost se povećava, a time
rastu i vrijednosti čvrstoće i tvrdoće. Čvrstoća koja se postiže toplinskom obradom
također je funkcija udjela β faze na temperaturi rastvornog žarenja. Stoga se sastav
legure, temperatura rastvornog žarenja i uvjeti dozrijevanja moraju pažljivo odabrati da bi
se ostvarila tražena mehanička svojstva gotovog proizvoda.
α+β legure predstavljaju glavni dio proizvodnje titanovih legura. Najvažnija α+β
legura je TiAl6V4 koja čini 45 % ukupne proizvodnje titana i njegovih legura. Na ostale
legure otpada 25 % dok nelegirani (tehnički) titan čini 30 % od ukupne proizvodnje.
U tablici 34 navedene su najvažnije α+β legure s pripadajućim sastavom i
svojstvima.
Tablica 34. Sastav i svojstva α+β legura titana
Vrsta legure Granica
razvl. N/mm2
Vlačna čvrstoćaN/mm2
Maks. sadržaj nečistoća %
Sadržaj legirnih elemenata
%
N C H Fe O Al Sn Zr Mo Ostali
TiAl6V4 830 900 0,05 0,10 0,013 0,30 0,20 6 - - - 4 V
TiAl6V6Sn2 970 1030 0,04 0,05 0,015 1,0 0,20 6 2 - - 0,75 Cu,
6 V
TiAl6Sn2Zr4Mo6 1100 1170 0,04 0,04 0,013 0,25 0,15 6 2 4 6 -
TiAl5Sn2Zr2Mo4Cr4 1055 1125 0,04 0,05 0,013 0,3 0,13 5 2 2 4 4 Cr
TiAl6Sn2Zr2Mo2Cr2 970 1030 0,03 0,05 0,013 0,25 0,14 5,7 2 2 2 2 Cr,
0,25 SiTiAl3V2,5 520 620 0,015 0,05 0,015 0,30 0,12 3 - - - 2,5 V
82
9.2.3. β legure β legure su bogatije β stabilizirajućim legirnim elementima i oskudnije α
stabilizatorima u poredbi s α+β legurama. To su visoko prokaljive legure s potpuno β faznom mikrostrukturom nakon rastvornog žarenja i gašenja. Unatoč svome nazivu β
legure su metastabilne iz razloga što pri okolišnoj ili malo povišenoj temperaturi može
doći do djelomične transformacije β faze u α fazu.
β legure mogu postići visoku čvrstoću toplinskom obradom, osobito u hladno
očvrsnutom stanju. U svrhu toplinskog očvrsnuća ove se legure rastvorno žare i
dozrijevaju na temperaturama 450 do 650° C pri čemu čestice α faze precipitiraju u β
matrici. Time se postižu iznosi čvrstoće usporedivi ili bolji od α+β legura što osigurava
vrlo povoljnu specifičnu čvrstoću unatoč nešto višoj gustoći ove skupine titanovih legura.
Glavni nedostatak β legura u odnosu na α+β legure je spomenuta gustoća koja je
povišena zbog dodatka kroma i vanadija, teških metala više gustoće, koji se dodaju radi
stabilizacije β faze pri okolišnoj temperaturi te općenito slabija otpornost puzanju i niža
žilavost zbog kubično prostorno centrirane (BCC) strukture. Iako je žilavost niža, lomna
žilavost precipitacijski očvrsnutih β legura u pravilu je viša od precipitacijski očvrsnutih
α+β legura usporedive vlačne čvrstoće.
U rastvorno žarenom stanju (100 % β) β legure imaju dobru duktilnost i žilavost,
relativno nisku čvrstoću i izvrsnu sposobnost hladnog oblikovanja. Budući da rastvorno
žarene legure započinju precipitirati α fazu pri malo povišenim temperaturama ove su
legure neprikladne za primjene pri povišenim temperaturama bez prethodne
stabilizacije. Do temperature 300 °C β legure zadržavaju još uvijek znatan dio čvrstoće
koju su imale na sobnoj temperaturi, ali duljim izlaganjem iznad 320 °C one postupno
gube stabilnost.
Osnovne prednosti β legura su: visoka prokaljivost, izvrsna kovljivost i
sposobnost hladnog valjanja u rastvorno žarenom stanju te zavarljivost.
Najčešća β legura je TiV13Cr11Al3 s visokom čvrstoćom u toplinski očvrsnutom
stanju. Razvijen je i niz drugih β legura s povećanom postojanošću pri višim
temperaturama (TiV8Fe5Al1) i povećanom otpornošću na napetosnu koroziju
(TiMo12Sn6). U posljednje vrijeme razvijene su i nove legure za posebne namjene u
zrakoplovnoj industriji i svemirskoj tehnici kao npr. TiV10Fe2Al3, TiAl3V8Cr6Zr4Mo4,
TiMo15Nb3Al3Si.
Tablica 35 sadrži neke β legure, njihov sastav i svojstva.
83
Tablica 35. Sastav i svojstva β legura titana
Vrsta legure Granica
razvl. N/mm2
Vlačna čvrstoćaN/mm2
Maks. sadržaj nečistoća %
Sadržaj legirnih elemenata
%
N C H Fe O Al Sn Zr Mo Ostali
TiV10Fe2Al3 1100 1170 0,05 0,05 0,015 2,5 0,16 3 - - - 10 V
TiAl3V8Cr6 Zr4Mo4 830 900 0,03 0,05 0,020 0,25 0,12 3 - 4 4 6 Cr, 8 V
TiV15Cr3Al3Sn3 965 1000 0,05 0,05 0,015 0,25 0,13 3 3 - - 15 V, 3 Cr
TiMo15Nb3Al3Si 793 862 0,05 0,05 0,015 0,25 0,13 3 - - 15 2,7 Nb,0,2 Si
9.3. Postupci prerade
Postupcima prerade kao što su kovanje, ekstruzija, hladno i toplo oblikovanje,
obrada odvajanjem čestica, valjanje i zavarivanje poluproizvodi od titana oblika žice,
cijevi i ploče oblikuju se u gotove proizvode. Navedeni postupci mogu znatno utjecati na
svojstva materijala bilo samostalno ili u kombinaciji s drugim tehnološkim obradama.
9.3.1. Kovanje
Kovanje je najčešći tehnološki postupak prerade titanovih legura. Njime se postiže
kombinacija mehaničkih svojstava koju nije moguće postići primarnom preradom,
oblikovanjem ingota u poluproizvod. Kovanjem se povisuje vlačna čvrstoća, otpornost na
puzanje, dinamička izdržljivost i žilavost. U kombinaciji s toplinskom obradom može se
regulirati mikrostruktura i mehanička svojstva gotovog proizvoda.
9.3.2. Ekstruzija
Tehnološki postupak ekstruzije koristi se pri proizvodnji dugačkih dijelova
konstantnog presjeka. Sam proces ekstruzije odvija se na temperaturama višim od
temperature β/α transformacije pa se ovime postiže potpuno transformirana β faza čime
84
se svojstva gotovih ekstrudiranih proizvoda razlikuju se od drugih preradbenih
postupaka. 9.3.3. Toplo i hladno oblikovanje
Sposobnost hladnog oblikovanja titanovih materijala ograničena je radi
heksagonske strukture kristalne rešetke i ako su potrebni veći stupnjevi deformacija
nužna su i česta međužarenja. Hladnim se deformiranjem u pravilu povisuje čvrstoća i
granica razvlačenja, a neznatno snižava žilavost.
Pri povišenim temperaturama ovi se materijali dobro oblikuju zahvaljujući kubičnoj
prostorno centriranoj strukturi. Oblikovanjem u području temperatura 595 do 815 °C
olakšava se deformacija materijala uz istovremeno eliminiranje naprezanja zaostalih u
materijalu. Radi velikog afiniteta titana prema kisiku, vodiku, dušiku i ugljiku temperatura
oblikovanja ne smije se prijeći 950 °C. U odnosu na deformiranje u hladnom stanju toplo
oblikovanje ima značajno manji utjecaj na svojstva gotovog proizvoda.
9.3.4. Obrada odvajanjem čestica
Žilavi titanovi materijali teško su obradljivi odvajanjem čestica i zahtijevaju veće
sile rezanja nego čelik. Posebno su teško obradljive β legure titana. Kod velikih brzina
rezanja javlja se opasnost od zapaljenja strugotine.
9.3.5. Zavarivanje
Kvaliteta zavarenog spoja ovisi o sastavu materijala, postupku zavarivanja i
toplinskoj obradi. Zavarivanjem se općenito povisuje tvrdoća i čvrstoća, a smanjuje
žilavost. Žilavost zavarenog spoja naknadno se može poboljšati toplinskom obradom,
žarenjem pri visokoj temperaturi i sporim ohlađivanjem.
Titan i njegove legure mogu se zavarivati TIG postupkom koji se koristi za tanje
stjenke te MIG postupkom za deblje stjenke. Osim toga zavarljive su elektronskim
snopom i laserom.
85
Zavarivanje mora biti strogo kontrolirano da bi se izbjegle uključine kisika, vodika i
dušika koje mogu dovesti do stvaranja krhkih faza. Stoga se zaštita provodi inertnim
plinovima argonom ili helijem odnosno u vakuumu kod zavarivanja elektronskim snopom.
Zavar mora ostati pod zaštitom sve do potpunog hlađenja. Kvaliteta zavara jednostavno
se kontrolira mjerenjem tvrdoće jer svako povećanje udjela kisika ili dušika uzrokuje
porast tvrdoće.
9.3.6. Metalurgija praha
Metalurgija praha (PM) omogućuje proizvodnju titanovih legura u obliku praha te
oblikovanje dijelova iz takvih prahova postupkom sinteriranja (srašćivanja). Sve je veći
značaj titanovih legura proizvedenih PM tehnologijom, uz primjenu hladnog ili toplog
izostatičkog prešanja. Često je njihova prednost pred otkivcima u točnosti dimenzija i
manjim proizvodnim troškovima. Dijelovi oblikovani metalurgijom praha imaju jednaka ili
bolja svojstva od klasičnih preradbenih postupaka. Prahovi, pogotovo fini, zahtijevaju
vrlo brižljivo rukovanje zbog velike sklonosti prema kisiku koji nepovoljno utječe na
svojstva proizvoda.
TiAl6V4 legura proizvedena miješanjem elementarnih prahova rabi se u
zrakoplovnoj industriji za dijelove letjelica kao što su aksijalni rotor i lopatice kompresora.
Slika 51. Dio od titana oblikovan metalurgijom praha
9.3.7. Lijevanje
Glavni razlog lijevanja titanovih legura naspram kovanja je veća isplativost bilo
kroz povećanu konstrukcijsku fleksibilnost, bolju iskoristivost materijala ili manje troškove
obrade.
86
Lijevane titanove legure imaju sličan kemijski sastav kao i kovane jer ne postoje
komercijalno razvijene legure posebno namijenjene lijevanju. Dominantna lijevana legura
je TiAl6V4. Mogu se lijevati i druge α+β legure poput TiAl6V6Sn2 i TiAl6Sn2Zr4Mo6.
Odljevci se također izrađuju od α legura: TiAl5Sn2,5, TiAl6Sn2Zr4Mo2, te β legura:
TiAl3V8Cr6Zr4Mo4, TiV15Cr3Al3Sn3.
Odljevci od titana imaju jednaku ili gotovo jednaku čvrstoću kao i kovani dijelovi
istog kemijskog sastava, dok im je žilavost niža.
Lijevane titanove legure uglavnom se primjenjuju za dijelove složenog oblika
(slika 52). Međutim, proizvodnja odljevaka još je uvijek mala te oni čine svega 1 do 2 %
ukupne količine gotovih proizvoda.
Slika 52. Precizni odljevak od titana
87
10. SUPERLEGURE
Superlegure jesu materijali na bazi nikla odnosno kobalta koji se primjenjuju pri
visokim radnim temperaturama. U usporedbi s ostalim metalnim materijalima ove se
legure koriste za najviše radne temperature, do ≈1100 °C.
10.1. Svojstva superlegura
Glavno obilježje superlegura na bazi nikla i kobalta je kubična plošno centrirana
(FCC) kristalna struktura u području povišenih i visokih temperatura.
Ove legure imaju visoku gustoću, oko 8900 kg/m3, što je značajno više u poredbi
s aluminijskim i titanovim legurama, pa i čelikom.
Tale se pri relativno visokim temperaturama. Talište čistog nikla iznosi 1453 °C, a
kobalta 1495 °C.
To su materijali visoke krutosti određene vrijednošću modula elastičnosti koji za
niklove legure iznosi 210000 N/mm2, dok je kod kobaltovih legura Youngov modul samo
neznatno niži, 209000 N/mm2.
Većina superlegura, osim nekih na bazi kobalta, toplinski je očvrstljiva postupkom
homogenizacijskog žarenja, gašenja i naknadnog dozrijevanja. Mehanizmom
precipitacijskog očvrsnuća znatno se može povisiti čvrstoća.
Visoku mehaničku otpornost ove legure zadržavaju i u području povišenih i
visokih temperatura te pokazuju vrlo veliku otpornost puzanju.
I nikal i kobalt su metali s feromagnetičnim svojstvima. S time je povezana
magnetostrikcija koja označava malu promjenu volumena koja se javlja uslijed magnetne
uzbude.
Legure na bazi nikla izvanredno su postojane na koroziju. Otporne su na
atmosferske utjecaje, postojane u morskoj vodi, neoksidirajućim hladnim kiselinama,
lužnatim otopinama i rastaljenim jakim lužinama. Zbog kristale građe zadržavaju žilavost
pri niskim temperaturama, hladno su oblikovljive, ali se zbog velike brzine hladnog
očvrsnuća moraju odžarivati tijekom prerade.
Kobaltove superlegure su dobro toplo oblikovljive i ograničeno hladno oblikovljive.
Otežana deformacija u hladnom stanju posljedica je klizanja samo po baznim ravninama
heksagonske jedinične ćelije.
88
Ovi se materijali najviše prerađuju lijevanjem, kovanjem i valjanjem, a moguća je i
proizvodnja metalurgijom praha.
Visoka cijena superlegura posljedica je visoke cijene legirnih elemenata i
složenog procesa proizvodnje da bi se dobio materijal visoke čvrstoće u području
povišenih i visokih temperatura.
10.2. Niklove superlegure
Niklove legure su ponajprije razvijene radi njihove otpornosti na koroziju i
mehaničke otpornosti pri visokim temperaturama. Kako se vremenom povećavala
potražnja za materijalima koji izdržavaju sve više radne temperature, došlo je do razvoja
grupe materijala pod imenom superlegure.
Korozijski postojane i toplinski otporne legure nikla, koje se nalaze u tehničkoj
primjeni, općenito se mogu podijeliti prema legirnim elementima u skupine s
odgovarajućim trgovačkim nazivima, tablica 36.
Tablica 36. Podjela niklovih legura
Skupina Trgovačko ime 1. Nikal-bakar Monel (Nicorros) Nikal-krom Nimonic (Nicrofer)
2. Nikal-molibden-krom Hastelloy (Nimofer) 3. Nikal-krom-željezo Inconel (Nicrofer) Nikal-željezo-krom Incoloy (Nicrofer)
4. Nikal-krom-aluminij-titan-kobalt-volfram-molibden-ugljik Različite vrste superlegura
Višekomponentne superlegure sadrže pored nikla i kobalta visoke udjele kroma i manje
udjele visokotaljivih elemenata molibdena i volframa, te titana i aluminija. Njihovo je
glavno obilježje visoka čvrstoća pri povišenim i visokim temperaturama te
otpornost puzanju sve do temperatura 0,7⋅Tt (Tt – talište u K). Otpornost puzanju
temelji se na visokoj temperaturi tališta, FCC kristalnoj građi i precipitacijski očvrsnutoj
mikrostrukturi. Kako je puzanje toplinski aktiviran proces koji u ovim legurama značajnije
nastupa u području temperatura viših od 0,7⋅Tt to će ovi materijali s visokom
temperaturom taljenja biti u prednosti pred drugim konstrukcijskim legurama kod kojih
89
puzanje nastupa već pri temperaturama iznad 0,3⋅Tt (Tt – talište u K). Osim temperature
tališta temperaturno područje primjene superlegura ograničava i temperatura koagulacije
precipitata. S obzirom na kristalnu građu ove legure zadržavaju kubičnu plošno
centriranu rešetku koju općenito karakterizira 100 puta manji koeficijent difuzije u odnosu
na kubičnu prostorno centriranu strukturu. Time je pokretljivost atoma u FCC
strukturama manja i otežano je gibanje dislokacija što uzrokuje manju sklonost
plastičnom tečenju pri visokim temperaturama. Treći čimbenik presudan za pojavu
puzanja je mikrostruktura koja mora biti dodatno očvrsnuta da bi materijal mogao izdržati
visoke radne temperature. Kako je osnovni princip dobivanja visokočvrstih materijala
stvaranje zapreka gibanju dislokacija, dva mehanizma očvrsnuća osobito su djelotvorna
u području visokih temperatura:
- očvrsnuće kristalima mješancima (očvrsnuće legiranjem) i
- očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom).
Mehanička otpornost superlegura ostvaruje se otapanjem legirnih elemenata u kristalima mješancima matrice i precipitacijom intermetalnih spojeva i/ili karbida u
austenitnoj matrici koja se najčešće označava s γ. Na slici 53 prikazan je doprinos
visokotemperaturnih mehanizama očvrsnuća na statičku izdržljivost niklovih odnosno
kobaltovih superlegura nakon 100 sati ispitivanja.
Slika 53. Utjecaj mehanizma očvrsnuća na statičku izdržljivost superlegura
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
649 760 871 982 1093 1204
Stat
ička
izdr
žljiv
ost,
N/m
m2
Temperatura, °C
Temperatura, °F
828
690
552
414
276
138
0
Precipitacijom (γ' ili γ'') očvrsnute niklove superlegure
Karbidima očvrsnute kobaltove superlegure
Kristalima mješancima očvrsnute niklove i kobaltove superlegure
90
Na očvrsnuće kristalima mješancima najjače djeluje kobalt, ali tek iznad 16 %. Na
očvrsnuće precipitacijskim mehanizmom djeluju:
- krom (uz otapanje u austenitnoj matrici) stvaranjem karbida Cr23C6;
- aluminij i titan stvaranjem koherentne γ' intermetalne faze (Ni3Al) kubično
plošno centrirane strukture i nekoherentne η intermetalne faze (Ni3Ti)
heksagonske rešetke;
- niobij stvaranjem γ'' intermetalne faze (Ni3Nb) tetragonalne prostorno
centrirane (BCT) rešetke i δ intermetalne faze (Ni3Nb) ortorompske rešetke;
- molibden, tantal i vanadij stvaranjem karbida.
Osim navedenih legirnih elemenata superlegure mogu sadržavati još i lantanide i
magnezij, kao i manji udjele bora i cirkonija koji otežavaju klizanje po granicama zrna,
što povećava otpornost puzanju. Tablica 37 sadrži najčešće legirne elemente niklovih
superlegura s pripadajućim udjelima.
Tablica 37. Legirni elementi niklovih superlegura
Krom Molibden Volfram Aluminij Titan Kobalt Niobij Tantal Renij maseni %
5 do 25 maks. 12 maks. 12 maks. 6 maks. 6 maks. 20 maks. 5 maks. 12 maks. 6
U tablici 38 prikazane su dvije tipične niklove superlegure, njihov kemijski sastav,
parametri toplinske obrade i mehanička svojstva.
Tablica 38. Sastav, parametri toplinske obrade i svojstva
niklovih superlegura NiCr20TiAl i NiCr20Co18Ti
Oznaka legure
Sastav ostalo
%
Toplinska obrada Vlačna čvrstoća
min. N/mm2
Istezljivost min.
%
Žilavost KU
min. J
Tempera-tura
primjene°C
Rastvorno žarenje
°C
Dozrije-vanje
°C
NiCr20TiAl Nimonic 80A
2,5 Ti 1,5 Al ≤3 Fe
1080/zrak 710/16 h 1130 20 55 do 800
NiCr20Co18Ti Nimonic 90
2,5 Ti 1,5 Al ≤5 Fe
1080/zrak 710/16 h 1250 25 55 do 900
91
Toplinski se obrađuju homogenizacijskim (rastvornim) žarenjem, gašenjem i
naknadnim dozrijevanjem u svrhu precipitacijskog očvrsnuća (slika 54). Legure žarene
pri 1080 °C hlade se na zraku do okolišne temperature i potom dozrijevaju pri 710 °C
kada započinje precipitacija intermetalnih faza Ni3Al i Ni3Ti koje uspješno otežavaju
gibanje dislokacija i time povisuju granicu razvlačenja na 750 N/mm2.
Slika 54. Postupak precipitacijskog očvrsnuća niklovih
superlegura NiCr20TiAl i NiCr20Co18Ti
Austenitna matrica očvrsnuta precipitatima zadržava čvrstoću i u području visokih
temperatura. Tablica 39 sadrži mehanička svojstva NiCr19NbMo legure koja je
zahvaljujući precipitatima toplinski postojana do temperature 700 °C.
Tablica 39. Sastav i mehanička svojstva niklove superlegure NiCr19NbMo
Oznaka legure Sastav ostalo
%
Mehanička svojstva Rm
N/mm2Rp0,2 (N/mm2) pri temp. (°C) A5
%20 500 600 700 800 NiCr19NbMo Inconel 718
Nicrofer 5219 Nb
17 do 20 Fe; 4,8 do 5,5 Nb2,5 do 3,5 Mo; 0,4 do 0,7 Al
0,7 do 1,2 Ti 1240 1035 950 900 810 630 12
Niklove superlegure smiju se trajno opteretiti do temperature najviše 1100 °C. Međutim,
sposobne su kratkotrajno izdržati i više temperature čak do 1400 °C pa služe za izradu
toplinski i mehanički visokoopterećenih dijelova kao što je primjerice zrakoplovna plinska
turbina, slika 55.
Vrijeme
Tem
pera
tura
rastvorno žarenje dozrijevanje
zrak
zrak
710 °C/16 h
1080 °C/8 h
92
Slika 55. Zrakoplovna plinska turbina
Lopatica turbine predstavlja tipičan primjer uspješnosti primjene niklove superlegure jer
treba podnijeti velika naprezanja pri visokim temperaturama koja uzrokuju puzanje, a
mora biti otporna i na pojavu mehaničkog i toplinskog umora uslijed čestih oscilacija
naprezanja pri radnoj temperaturi i čestih temperaturnih promjena. Kako kod puzanja
granice zrna predstavljaju slabija mjesta u odnosu na unutrašnjost kristala, krupnozrnata
mikrostruktura je bolja u odnosu na sitnozrnatu. Još je povoljnija u tom pogledu
monokristalna struktura. Tako je od niklove superlegure izrađena monokristalna
turbinska lopatica sačinjena samo od jednog kristala. Dodatno se otpornost puzanju
može poboljšati usmjeravanjem kristalne rešetke tako da najveća vlačna naprezanja
djeluju u smjeru najveće otpornosti rešetke. Kako orijentacija kristala niklove superlegure
(9 %Cr, 10 %Co, 2 %Ti, 5 %Al, 12,5 %W, 0,05 %Zr, 0,015 %B, 0,15 %C, ostalo Ni)
utječe na otpornost puzanju pokazuje dijagram na slici 56.
Slika 56. Dijagrami puzanja za različite smjerove naprezanja monokristalne lopatice
770 °C / 700 N/mm2
Vrijeme, h 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
21
18
15
12
9
6
3
Def
orm
acija
, %
93
Najbolja otpornost puzanju postiže se u smjeru kristalne ravnine (001), a najslabija u
smjeru (011). Korištenjem takve anizotropije može se znatno povisiti trajnost turbinskih
lopatica.
10.3. Kobaltove superlegure
Kobalt se javlja u dvije alotropske modifikacije. Skrućuje pri temperaturi 1495 °C
kao β modifikacija s kubičnom plošno centriranom (FCC) strukturom koja pri
temperaturi 417 °C prelazi u stabilnu heksagonsku α modifikaciju. Ova prekristalizacija
odvija se preklopnim mehanizmom pa se može opisati kao martenzitna pretvorba.
Toplinski otporne lijevane, kovane i sinterirane kobaltove superlegure postojane pri temperaturama do 1000 °C upotrebljavaju se za slične namjene kao i toplinski
postojane legure nikla, jer kod jednih i drugih kubični plošno centrirani (FCC) kristali
mješanci posjeduju bolju čvrstoću na visokim temperaturama od struktura s kubičnim
prostorno centriranim (BCC) kristalima mješancima. Razlog tome su više temperature
opravka i rekristalizacije i manja difuzijska pokretljivost atoma u FCC rešetci.
Za razliku od niklovih superlegura kod kojih se čvrstoća pri visokim
temperaturama prvenstveno postiže precipitacijom intermetalnih spojeva, kod legura na
bazi kobalta izlučuju se većinom karbidi. Sastav kobaltovih superlegura kreće se u
granicama: 30 do 65 % kobalta, 15 do 30 % kroma, 0 do 20 % željeza, 0 do 32 % nikla i
do 1,1 % ugljika. Ostali legirni elementi: volfram, molibden, vanadij, titan, niobij, tantal,
cirkonij i bor dodaju se s isključivom svrhom stvaranja karbida i karbonitrida (TiC, NbC,
TaC, BC, ZrC, Cr7C3, Cr23C6, Mo6C i W6C). Visok sadržaj kroma u ovim legurama
osigurava antikorozivnost i pospješuje očvrsnuće otapanjem u kristalima mješancima
matrice i stvaranjem kromovih karbida (Cr7C3, Cr23C6). Udjel kroma može se smanjiti ako
se ne zahtijeva znatnija otpornost na koroziju pri visokim temperaturama. Nikal u ovim
legurama ima dvostruko djelovanje: očvršćuje kristale mješance i stabilizira kubičnu
plošno centriranu mikrostrukturu.
Primjeri dvije kobaltove superlegure dani su tablici 40.
94
Tablica 40. Sastav, parametri toplinske obrade i svojstva
kobaltovih superlegura CoCr20W15Ni i CoCr20Ni20W
Oznaka legure
Sastav ostalo
%
Toplinska obrada Vlačna čvrstoća
min. N/mm2
Istezljivost min.
%
Žilavost KU
min. J
Tempera-tura
primjene°C
Rastvorno žarenje
°C
Dozrije-vanje
°C
CoCr20W15Ni Haynes 25
10 Ni 0,1 C ≤3 Fe 1,5 Mn
1230/voda - 850 50 35 do 950
CoCr20Ni20W
4 Mo 4 W 4 Nb
0,38 C ≤4 Fe
1175/voda 760/16 h 1000 25 20 do 900
Mehanička svojstva većine kobaltovih superlegura postižu se rastvornim žarenjem,
gašenjem i dozrijevanjem kao primjerice legure CoCr20Ni20W koja je žarena pri
temperaturi 1175 °C kada se otapaju intermetalni spojevi i karbidi i prelaze u čvrstu
otopinu, a nakon gašenja u vodi dodatno zagrijana na 760 °C čime se omogućuje
izlučivanje sitnih karbida koji usporavaju gibanje dislokacija i otežavaju klizanje po
granicama zrna, slika 57.
Slika 57. Postupak precipitacijskog očvrsnuća
kobaltove superlegure CoCr20Ni20W
Vrijeme
Tem
pera
tura
rastvorno žarenje dozrijevanje
zrak
voda
760 °C/16 h
1175 °C/1 h
95
Kod nekih kobaltovih legura nije uvijek potrebno provoditi dozrijevanje jer je dostatan
mehanizam očvrsnuća legiranje kao primjerice kod legure CoCr20W15Ni koja u
rastvorno žarenom i gašenom stanju već posjeduje zadovoljavajuću čvrstoću.
Toplinski otporne kobaltove legure primjenjuju se za nerotirajuće dijelove plinskih
turbina i mlaznih motora jer im je čvrstoća pri visokim temperaturama nešto niža nego za
legure na bazi nikla. Ove se legure upotrebljavaju za radne temperature do 1000 °C.
Superlegure na bazi kobalta kao i one na bazi nikla ne preporučuje se upotrebljavati
iznad 1000 °C (1100 °C) jer dolazi do ponovnog otapanja precipitata i karbida u čvrstoj
otopini ili koagulacije čime padaju vrijednosti čvrstoće.
Legure na bazi kobalta općenito su otporne na koroziju i pojavu umora. Pretežno
se lijevaju zbog otežane oblikovljivosti i obradljivosti odvajanjem čestica. To su ujedno i
dobro zavarljive legure. Legura poznata kao Stellite 6B (61,5 %Co, 30 %Cr, 4,5 %W, 1
%Ni, 1 %Fe, 1 %C) koristi za navarivanje dijelova otpornih na abrazijsko trošenje.
96
11. KONSTRUKCIJSKA KERAMIKA
Keramički anorganski materijali sastavljeni su od metalnih i nemetalnih elemenata
povezanih ionskim i/ili kovalentnim vezama. To su tvrdi i krhki materijali s niskom
žilavošću i duktilnošću. Obično su dobri električni i toplinski izolatori zbog odsutnosti
vodljivih elektrona. Keramika posjeduje visoku kemijsku postojanost u odnosu na mnoge
agresivne sredine. Zbog ovih svojstava keramički su materijali prijeko potrebni za mnoge
inženjerske primjene. Vrste keramike namijenjene konstrukcijskoj primjeni poznate su
kao tehnička keramika, inženjerska keramika ili konstrukcijska keramika.
Nažalost, sadašnja razina znanja o konstrukcijskoj keramici još ne dopušta
njezinu masovnu primjenu. Unatoč značajnim ulaganjima u istraživanje i razvoj, ostaje
još niz ozbiljnih problema. Principi konstruiranja s keramikom bitno su različiti od onih za
metalne materijale, a još nije u potpunosti objašnjeno ponašanje pod djelovanjem
udarnog i promjenjivog mehaničkog opterećenja, kao npr. kako utrošiti višak unesene
energije a da ne dođe do loma. Nadalje, radi izrazitog utjecaja kvalitete polazne sirovine i
parametara tehnološkog procesa na konačna svojstva keramičkih izradaka, javlja se
veliko rasipanje vrijednosti svojstava i općenito nije moguće dobivanje više serija
istovjetne kvalitete. Proučavanjem sastava, mikrostrukture i procesa oblikovanja danas
se nastoje unaprijediti nepovoljna svojstva poput krhkosti, nepredvidivosti ponašanja u
uvjetima složenog opterećenja i osjetljivosti na pukotine. Širenje pukotina velikom
brzinom posljedica je nepostojanja procesa razgradnje većih naprezanja, takvih koji
djeluju kod duktilnih metala tijekom plastične deformacije.
11.1. Vrste konstrukcijske keramike
Na osnovi kemijskog sastava razlikuju se tri osnovne skupine konstrukcijske
keramike:
- silikatna;
- oksidna;
- neoksidna. Silikatna keramika je najstarija vrsta keramike. Glavne sirovine ovih višefaznih
materijala su glina i kaolin, glinenci i talk kao nosioci silicija. Sinterirani izradak sadrži
97
osim kristalnih faza i velik udio staklene faze (>20 %) čiji je glavni sastojak silicijev oksid
(SiO2). Silikatna keramika je bitno jeftinija i pristupačnija od oksidne i neoksidne
keramike zbog relativno niskih temperatura sinteriranja, dobre kontrole procesa i velike
dostupnosti prirodne sirovine.
Oksidna keramika podrazumijeva materijale koji se uglavnom sastoje od
jednokomponentnih i jednofaznih metalnih oksida (>90 %). Ovi materijali imaju izuzetno
nizak ili nikakav udio staklene faze. Sirovine se proizvode sintetičkim putem i visokog su
stupnja čistoće. Sinteriranjem pri visokim temperaturama nastaje vrlo ujednačena
mikrostruktura koja je odgovorna za poboljšana svojstva.
Primjeri jednokomponentnih vrsta oksidne keramike su: aluminijev oksid (Al2O3),
magnezijev oksid (MgO), cirkonijev oksid (ZrO2), titanov oksid (TiO2). U
višekomponentnu oksidnu keramiku ubraja se npr. aluminijev titanat i olovni cirkonij-
titanat.
Najznačajnija tipična svojstva oksidne keramike su lomna žilavost, otpornost na
trošenje i na visoke temperature kao i korozijska postojanost.
U neoksidnu keramiku pripadaju materijali na temelju spojeva bora, ugljika,
dušika i silicija. Neoksidna keramika u pravilu ima velik udio kovalentnih veza što
omogućuje primjenu pri visokim temperaturama, osigurava velik modul elastičnosti,
veliku čvrstoću i tvrdoću te dobru otpornost na trošenje i koroziju.
Proces dobivanja neoksidne keramike od sirovine do gotovog proizvoda je puno
skuplji nego kod oksidnih vrsta jer se sirovina mora vrlo fino usitniti a sam proces
sinteriranja provodi se u atmosferi bez prisutnosti kisika (vakuum ili inertni plin) pri
temperaturama do 2000 °C.
Najvažniji predstavnici neoksidne keramike jesu: silicijev karbid (SiC), silicijev
nitrid (Si3N4), aluminijev nitrid (AlN), bor-karbid (B4C) i kubični bor-nitrid (BN).
11.2. Postupak proizvodnje Keramički materijali se u pravilu oblikuju pri sobnoj temperaturi iz sirove mase te
postižu svoja tipična svojstva nakon postupka pečenja, odnosno sinteriranja, pri visokim
temperaturama i tlakovima. Odabirom sirovine i postupka proizvodnje može se bitno
98
utjecati na svojstva keramičkih materijala. Osnovna sirovina je prah, koji mora biti visoke
čistoće, i koji se dalje prerađuje u gotovi keramički izradak kroz nekoliko faza kako je to
prikazano slikom 58.
Slika 58. Postupak proizvodnje keramike
Sinteriranje je najvažnija faza u proizvodnji keramičkih dijelova jer se keramička
veza između čestica praha, a time i veća čvrstoća, postiže tek pečenjem pri visokim
temperaturama pri kojima nastupa spajanje čestica praha reakcijama u čvrstom stanju.
Na mjestu dodira čestica praha dolazi do njihovog povezivanja formiranjem vrata (slika
59) što vodi očvrsnuću i postizanju maksimalno moguće gustoće smanjenjem poroznosti.
Slika 59. Sinteriranje praha
Polazno stanje Rast kontakta Zatvaranje pora
granica zrna
zrno
poroznost
99
Konačan rezultat sinteriranja je čvrsta keramička tvorevina koja posjeduje uporabna
mehanička svojstva i koja je sposobna podnijeti mehanička opterećenja u primjenama
kojima je namijenjena.
11.3. Svojstva konstrukcijske keramike
Mnogostruke mogućnosti primjene keramičkih proizvoda temelje se na
specifičnim svojstvima keramičkih materijala koja često nisu dostižna ostalim skupinama
konstrukcijskih materijala.
U dobra svojstva konstrukcijske keramike ubraja se:
- visoka tvrdoća,
- visoka čvrstoća,
- visoke dopuštene radne temperature,
- visoka krutost (velik modul elastičnosti),
- korozijska postojanost,
- otpornost na atmosferilije,
- otpornost na trošenje,
- vrlo dobra električna izolacijska svojstva,
- mala gustoća,
- mala ili velika toplinska vodljivost.
Osnovni nedostaci tehničke keramike jesu sljedeći:
- mala žilavost, visoka krhkost,
- niska otpornost toplinskom umoru,
- niska vlačna čvrstoća,
- veliko rasipanje vrijednosti mehaničkih svojstava,
- visoki troškovi sirovina i postupaka oblikovanja.
Ocjena konstrukcijske keramike u odnosu na metale i polimere predočena je
usporedbom najvažnijih svojstava na slici 60.
100
Slika 60. Usporedba svojstava keramike, metala i polimera
Gustoća
Gustoća keramike iznosi 20 do 70 % gustoće čelika. Time postoje velike
mogućnosti za smanjenje mase, što je osobito značajno kod izrade zrakoplovnih
dijelova. Ovisno o gustoći pojedinih vrsta keramike variraju mehanička svojstva. Veća
gustoća omogućuje postizanje dobrih mehaničkih svojstava kako je ilustrirano
dijagramom na slici 61 koji predočava ovisnost između savojne čvrstoće i gustoće
keramičkih materijala.
Slika 61. Orijentacijska područja savojne čvrstoće i gustoće keramike i metala
Sav
ojna
čvr
stoć
a, N
/mm
2
Gustoća, g/cm3
Tendencija nižim vrijednostima Tendencija višim vrijednostima
101
Čvrstoća
Čvrstoća keramičkih materijala određena je nizom faktora od kojih su
najznačajniji:
- kemijski sastav,
- mikrostruktura (poroznost, uključci, veličina zrna),
- stanje površine (površinske pukotine nastale završnom obradom).
Nadalje, utjecajni faktori su i temperatura te vrsta i način djelovanja naprezanja. Za
keramičke materijale je karakteristično da se vrijednosti čvrstoće statistički vrlo jako
rasipaju ovisno o navedenim čimbenicima.
Tehnička keramika posjeduje vrlo visoku savojnu i tlačnu čvrstoću koja pri visokim
temperaturama nadmašuje čvrstoću metalnih superlegura, te su to materijali
predodređeni za visokotemperaturne primjene. Tlačna čvrstoća keramike je 5 do 10 puta
veća od savojne dok je vlačna čvrstoća vrlo niska, često i do 20 % manja od savojne.
Modul elastičnosti
Modul elastičnosti je kod gotovo svih materijala iz skupine oksidne i neoksidne
keramike veći nego kod čelika, slika 62.
Slika 62. Orijentacijska područja tvrdoće i modula elastičnosti keramike i metala
Pri istom opterećenju kruti i tvrdi keramički dijelovi pokazuju 30 do 50 % manje
deformacije nego istovjetni dijelovi načinjeni od čelika.
Tvrd
oća,
HV
10
Modul elastičnosti, GPa
102
Tvrdoća
Tvrdoća ukazuje na otpornost prema deformiranju, i tim je veća što je veći modul
elastičnosti. Dijelovi od konstrukcijske keramike velike krutosti i stabilnosti oblika zato
pokazuju visoku tvrdoću, i do nekoliko puta veću u odnosu na metale (slika 63).
Slika 63. Orijentacijska područja savojne čvrstoće i tvrdoće keramike i metala
Visoka tvrdoća tehničke keramike jamac je znatne otpornosti na trošenje. Cijena
povećane tvrdoće keramičkih materijala je slaba mogućnost plastične deformacije i
razgradnje koncentracije naprezanja. Tvrdi i krhki keramički materijali s niskom lomnom
žilavošću osjetljivi su na zarezno djelovanje i često pucaju bez prethodne najave (tablica
41).
Tablica 41. Usporedba tvrdoće, lomne žilavosti i gustoće pojedinih vrsta keramike
Vrsta keramike Tvrdoća, HK Lomna žilavost MPa m
Gustoća g/cm3
Aluminijev oksid 1551 3 do 4 3,96 Silicijev karbid 2800 4 3,10 Silicijev nitrid 1500 6 3,31 Bor-karbid 3000 3 do 4 2,50 Cirkonijev oksid 1200 11 5,75
Sav
ojna
čvr
stoć
a, N
/mm
2
Tvrdoća, HV 10
103
Puzanje
Konstrukcijska keramika je izrazito otporna na puzanje, pojavu plastične
deformacije u uvjetima dugotrajnog statičkog opterećivanja pri visokim temperaturama. U
tom pogledu keramika je u znatnoj prednosti pred metalima jer puzanje nastupa pri
temperaturama iznad 1000°C. Na proces puzanja keramike utječu, osim opterećenja i
kemijskih veza, strukturne karakteristike materijala (veličina i oblik zrna, poroznost,
granice zrna).
Toplinska vodljivost
Toplinska vodljivost keramičkih materijala je uglavnom manja nego kod čelika i
bakra. Takvi keramički materijali, niske toplinske vodljivosti, primjenjuju se kao izolatori
topline. Međutim, određene vrste keramike, kao silicijev karbid ili aluminijev nitrid ipak
posjeduju relativno veliku toplinsku vodljivost što utječe na njihovu primjenu.
Slika 64. Orijentacijska područja toplinske rastezljivosti
i toplinske vodljivosti keramike i metala
Toplinska rastezljivost
Toplinska rastezljivost konstrukcijske keramike je, osim kod cirkonijeva oksida,
manja nago kod čelika i bakra (vidi sliku 64) što treba uzeti u obzir kod konstrukcija
načinjenih od keramike i drugih različitih materijala.
Topl
insk
a ra
stez
ljivos
t, ⋅1
0-6 K
Toplinska vodljivost, W/mK
104
Korozija
Za razliku od metala, keramički materijali su korozijski postojani. Brzina njihove
korozije značajno je manja u usporedbi s metalima. Međutim i tu postoje određene
razlike između pojedinih skupina keramičkih materijala (silikatna, oksidna, neoksidna
keramika) kao i različitih materijala unutar određene skupine kada se razmatra njihova
kemijska inertnost.
Trošenje
Zbog vrlo dobre otpornosti na trošenje keramički su materijali primjenjivi za
visokoopterećene dijelove tribosustava. U usporedbi s metalnim materijalima keramika
posjeduje značajno bolju otpornost na različite mehanizme trošenja, posebno kada je
riječ o abraziji, slika 65.
Slika 65. Utjecaj tvrdoće na otpornost trošenju keramike i metala
Adhezijski mehanizam trošenja kod keramike se može zanemariti jednako kao i
tribokorozija zbog nepostojanja kemijskih reakcija u interakciji s okolišem. Preduvjeti
visoke otpornosti na spomenute mehanizme trošenja su prije svega velika tvrdoća, ali i
velika krutost (modul elastičnosti), visoka tlačna čvrstoća i lomna žilavost. Daljnja
povoljna svojstva u tom pogledu su mala gustoća, mala toplinska rastezljivost, otpornost
na visoke temperature i koroziju. Nasuprot dobroj otpornosti abraziji, adheziji i
tribokoroziji keramički materijali, osobito oni niske lomne žilavosti, podložni su trošenju
uslijed umora površine.
R
elat
ivna
otp
orno
st n
a tro
šenj
e
Relativna tvrdoća, HV
105
11.4. Primjena
Konstrukcijska keramika se primjenjuje zbog svojih posebnih svojstava i njihovih
kombinacija koje nisu ostvarive kod ostalih skupina tehničkih materijala. Područja
primjene tehničke keramike kao inženjerskog materijala vrlo su različita: dijelovi izloženi
abrazijskom trošenju, koroziji i eroziji: kuglični i klizni ležaji, mlaznice, brtveni prstenovi
(slika 66), vodilice itd. te dijelovi suvremenih zrakoplovnih motora (slika 67) izloženi
visokim radnim temperaturama čime se ostvaruju jednostavnije konstrukcije zbog
mogućnosti uporabe nehlađenih komponenti uz istovremeno smanjenje potrošnje goriva
i smanjenje težine.
Slika 66. Klizni i brtveni prsteni Slika 67. Rotor turbopunjača od sinteriranog
od silicijeva karbida silicijeva karbida
106
12. POLIMERNI MATERIJALI
Čisti polimeri rijetko se primjenjuju u tehničke svrhe posebice kada se radi o
konstrukcijskoj primjeni s izraženim mehaničkim opterećenjem. Dodavanjem različitih
dodataka čistom polimeru kao npr. punila, omekšavala, ojačala, stabilizatora, bojila,
pigmenata i sl. dobiva se polimerni materijal koji je upotrebljiv u tehničke svrhe.
Danas je poznat velik broj različitih vrsta polimernih materijala koji posjeduju širok
raspon svojstava što omogućuje njihovu primjenu na najrazličitijim područjima. Uporaba
polimernih materijala znatno je raširenija nego što se to čini. Od polimera se izrađuju
razni konstrukcijski dijelovi za unutrašnje uređenje zrakoplova, a često se koriste kao
pjenasti materijali za zvučnu i toplinsku izolaciju te za lijepljenje drugih materijala,
odnosno u proizvodnji suvremenih kompozita čiju osnovu predstavljaju polimerne smole.
Osim toga polimeri se rabe i u izradi strukturnih kompozita kao što su laminati te sendvič
konstrukcije s polimernom jezgrom.
Jedna od značajki bitnih za primjenu polimernih materijala jest njihovo ponašanje
pri zagrijavanju. S tim u vezi polimeri se općenito mogu svrstati u tri skupine:
- plastomeri (zagrijavanjem mekšaju i tale se, ponovnim hlađenjem očvršćuju);
- elastomeri (zagrijavanjem mekšaju, ali se ne tale);
- duromeri (zagrijavanjem ne mogu omekšati).
Uz navedene tri skupine u posljednje vrijeme se spominju i tzv. elastoplastomeri koji se
mekšaju i tale kao plastomeri (prerađuju kao plastomeri), ali imaju izraženo svojstvo
elastičnosti poput elastomera. Karakteristično ponašanje polimernih materijala pri
zagrijavanju rezultat je njihove strukture, tablica 42.
Tablica 42. Obilježja osnovnih skupina polimernih materijala
Naziv Makromolekulna struktura
Vrste makromolekulnih veza
Ponašanje pri zagrijavanju
Plastomeri Linearne makromolekule Slabe sekundarne veze Mekšanje i taljenje
Elastomeri Rahlo umrežene makromolekule
Slabe sekundarne i jake primarne veze
Mekšanje
Duromeri Potpuno (gusto) umrežene makromolekule Jake primarne veze Mekšanje nije
moguće
Slika 68 prikazuje osnovne oblike makromolekulnih struktura plastomera, elastomera i
duromera.
107
Slika 68. Prikaz makromolekulne strukture osnovnih skupina polimernih materijala
Kod plastomera koji su vrlo osjetljivi na porast temperature treba voditi računa da
se pri višim temperaturama povećava deformabilnost i smanjuje mehanička nosivost.
Najpoznatiji plastomeri su: polietilen (PE), polipropilen (PP), polistiren (PS),
poli(vinilklorid) (PVC), poli(tetrafluoretilen)-teflon (PTFE), poli(oskimetilen) (POM),
poli(metil-metakrilat) (PMMA), poliuretan (PUR), polikabronat (PC), poliamid (PA),
poli(etilen-tereftalat) (PET).
Najznačajnije svojstvo elastomernih materijala je sposobnost velikog reverzibilnog
istezanja (do više stotina % prije vulkanizacije i ugradnje primarnih veza). Nakon
dovršenog umrežavanja i formiranja rahlo umrežene strukture istezljivost se smanjuje na
oko 100 %, ali se poboljšavaju neka svojstava značajna za primjenu.
Duromerima, koji posjeduju svojstvo mekšanja i taljenja samo u fazi prerade kada
ih se oblikuje, pripadaju različite vrste smola od kojih su najpoznatije: fenol-
formaldehidna smola (PF), melamin-formaldehidna smola (MF), urea-formaldehidna
smola (UF), nezasićena poliesterska smola (UP), epoksidna smola (EP).
Fizikalna svojstva polimernih materijala općenito su određena nizom faktora.
Utjecanjem u prvom redu na granatost makromolekula i molekulnu masu kao i na
uređenost strukture (stupanj kristalnosti) može se varirati niz svojstava značajnih za
tehničku primjenu. S gledišta primjene ovih materijala u zrakoplovnoj industriji svakako
treba istaknuti njihove prednosti kao što su mala gustoća, otpornost na koroziju, dobra
izolacijska svojstva te ekonomski isplativa proizvodnja velikog broja dijelova složenog
oblika, dok je osnovni nedostatak niska čvrstoća i krutost koji se mogu poboljšati
ojačalima. Tablica 43 sadrži prednosti i nedostatke polimernih materijala u odnosu na
druge konstrukcijske materijale.
Linearne makromolekule
Rahlo umrežene makromolekule Potpuno umrežene makromolekule
108
Tablica 43. Prednosti i nedostaci polimernih materijala
Prednost Nedostatak Mala gustoća Ovisnost svojstava o raznim faktorima Dobra kemijska postojanost Veća toplinska rastezljivost Dobra otpornost na trošenje Nizak modul elastičnosti Mali faktor trenja Mala površinska tvrdoća Dobra sposobnost prigušenja vibracija Podložnost starenju Dobra toplinska i elektroizolacijska svojstva Mala toplinska vodljivost Preradljivost deformiranjem pri relativno malo povišenim temperaturama Utjecaj prerade na svojstva
Ekonomična serijska proizvodnja Neekonomična maloserijska proizvodnja
12.1. Mehanička svojstva
Sa stajališta konstruiranja s polimernim materijalima, odnosno s gledišta njihove
konstrukcijske primjene, osobito su značajna mehanička svojstva koja proizlaze iz građe
polimernih materijala i pojava viskoelastičnog ponašanja.
Viskoelastični efekt predstavlja kombinaciju elastičnog i viskoznog ponašanja
materijala. Kako je struktura polimera uvijek sačinjena od kombinacije kristalnih i amorfnih područja kristalni će dio strukture pod djelovanjem opterećenja reagirati
uglavnom elastično, dok je viskozna komponenta puno značajnija kod amorfnog dijela
strukture. Viskoelastičnost, osim što utječe na mehanička svojstva koja su izrazito ovisna
o temperaturi i vremenu, važna je i zbog ponašanja polimernih taljevina pri preradi.
Na slici 69 predočeni su karakteristični dijagrami naprezanje-istezanje osnovnih
skupina polimernih materijala.
Slika 69. Dijagrami naprezanje–istezanje osnovnih skupina polimernih materijala
Duromeri
Plastomeri (kristalni)
Elastomeri
N
apre
zanj
e, σ
Istezanje, ε
109
Iz dijagrama je vidljivo da polimeri nemaju tako jasno izraženo linearno područje
elastičnosti predočeno Hookeovim pravcem kao što je to kod metala. Nagib Hookeova
pravca, koji je određen vrijednošću modula elastičnosti, pokazuje da su duromeri vrlo
kruti polimerni materijali, kristalni plastomeri nešto manje kruti, dok su elastomeri izrazito
niske krutosti – visoke elastičnosti. Orijentacijske vrijednosti vlačnog modula elastičnosti
dane su u tablici 44.
Tablica 44. Orijentacijske vrijednosti modula elastičnosti polimernih materijala
Supina polimernih materijala
Modul elastičnosti, N/mm2
Plastomeri Amorfni 2100 do 3500 Kristalni 150 do 3200
Elastomeri 50 do 150 Duromeri 5000 do 12000
Svojstva polimera pa tako i vrijednosti modula elastičnosti nisu konstante vrijednosti već za isti kemijski sastav svojstva mogu varirati ovisno o čimbenicima kao što su:
- stupanj polimerizacije;
- stupanj kristalnosti (uređenosti strukture).
Kao primjer navodi se polietilen koji može biti niske gustoće (PELD) i niskog modula
elastičnosti (200 N/mm2 do 500 N/mm2) odnosno visoke gustoće (PEHD) i time većeg
modula elastičnosti (700 N/mm2 do 1400 N/mm2).
Za primjenu polimera, osim poznavanja ponašanja materijala u uvjetima
kratkotrajnog opterećenja, značajno je i njihovo ponašanje pri dugotrajnom
opterećivanju. U uvjetima dugotrajnog djelovanja konstantnog opterećenja javlja se
puzanje materijala, a pri dugotrajnom dinamičkom opterećenju umor materijala. Prikaz
na slici 70 opisuje ponašanje nekog polimernog materijala u uvjetima dugotrajnog
konstantnog opterećenja. Na dijagramu se jasno mogu uočiti 4 stadija puzanja:
1. stadij (OP): početno elastično istezanje koje se javlja u trenutku opterećivanja;
2. stadij (primarno puzanje, PQ): brzi prirast istezanja koji se usporava prelaskom
u 3. stadij;
3. stadij (hladno tečenje, QR): konstantna brzina puzanja;
4. stadij (RS): brzi prirast istezanja sve do loma.
110
Slika 70. Dijagram puzanja polimernog materijala
Puzanje može nastupiti već na sobnoj temperaturi zbog izrazito niske temperature tališta
materijala. Na osnovi krivulja puzanja za različite iznose statičkog opterećenja definira se
značajka koja se naziva statička izdržljivost i koja opisuje otpornost polimera prema
puzanju.
U vezi s dugotrajnim statičkim opterećivanjem pri sobnoj, te osobito pri povišenim
temperaturama, kod ovih se materijala definira i tzv. kritično istezanje, kao vrijednost
istezanja pri kojem niti nakon vrlo dugog trajanja opterećenja ne dolazi do pojave
mikroskopskih oštećenja. Tablica 45 sadrži orijentacijske vrijednosti kritičnog istezanja
nekih polimernih materijala. Stoga je kod konstrukcijske primjene potrebno voditi računa
o dozvoljenom kritičnom istezanju kako bi se izbjeglo oštećivanje materijala i s tim u vezi
pojava lomova i havarija.
Tablica 45. Kritična istezanja nekih polimernih materijala
Polimerni materijal Kritično istezanje, % Stanje
Poli(vinilklorid) 0,8 do 1,0
Amorfno Poli(metil-metakrilat) 0,8 do 1,0 Polikarbonat 0,8 do 1,0 Polistiren 0,2 do 0,3 Poli(oskimetilen) 2,0
Kristalno Polipropilen 2,0 Polietilen niske gustoće 4,0 Polietilen visoke gustoće 2,0 do 3,0
Iste
zanj
e, ε
Vrijeme, t
1. stadij
2. stadij
3. stadij
4. stadij
lom
111
Ponašanje polimernih materijala pri dinamičkom opterećivanju dugotrajnog
karaktera u suštini je vrlo složena pojava jer dolazi do preklapanja mehaničkog
djelovanja i drugih utjecaja kao što je npr. toplinsko djelovanje. Naime, djelovanjem
promjenljivog opterećenja inducira se znatnije generiranje topline zbog slabe toplinske
vodljivosti polimernih materijala što onda utječe na sveukupno ponašanje. Stoga se
Wöhlerova krivulja za polimerne materijale značajno razlikuje od krivulja za čelike i
obojene metale, slika 71.
Slika 71. Prikaz ponašanja polimernih materijala pri dinamičkom opterećenju
Dok se kod čelika, pa čak i obojenih metala dinamička izdržljivost (Rd) može relativno
lako utvrditi kod nekih polimera kod kojih je izraženo asimptotsko približavanje
Wöhlerove krivulje apscisi ne može se sa sigurnošću odredit vrijednost dinamičke
izdržljivosti. Ovakvo ponašanje pri dugotrajnom dinamičkom opterećenju rezultat je
djelovanja vremenskog i temperaturnog faktora.
12.2. Toplinsko-mehanička svojstva
Ponašanje polimernih materijala pri istovremenom djelovanju topline i mehaničkog
opterećenja definirano je toplinsko-mehaničkim svojstvima. Kod plastomera, koji
zagrijavanjem mekšaju, primjenu pri povišenim temperaturama određuje značajka
poznata kao temperatura omekšavanja. Ponašanje duromera u uvjetima istovremenog
djelovanja topline i mehaničkog opterećenja ocjenjuje na osnovi postojanosti oblika pri
povišenim temperaturama.
Nap
reza
nje,
σ
Broj promjena opterećenja, log N
čelici
obojeni metali
polimeri
112
13. KOMPOZITNI MATERIJALI
Kompoziti su tvorevine dobivene umjetnim spajanjem dvaju ili više različitih
materijala s ciljem postizanja specifičnih karakteristika i svojstava, kakva ne posjeduje
niti jedan materijal (komponenta) sam za sebe. U odnosu na “tradicionalne” materijale
kompoziti posjeduju brojne prednosti:
- otpornost na koroziju;
- mala gustoća i mala masa;
- povoljan odnos čvrstoće i gustoće (specifična čvrstoća);
- povoljan odnos modula elastičnosti i gustoće (specifična krutost);
- mogućnost proizvodnje dijelova složenog oblika;
- jednostavno i jeftino održavanje;
- dulji vijek trajanja;
- mogućnost “dizajniranja” svojstava.
Njihova primjena u zrakoplovstvu prvenstveno je uvjetovana niskom gustoćom, visokom
čvrstoćom i krutošću s obzirom na gustoću kao i odličnim fizikalnim svojstvima.
Uporabom kompozitnih materijala u izradi zrakoplovnih konstrukcija značajno se može
smanjiti težina zrakoplova i time ostvariti manja potrošnja goriva ili je moguće povećati
korisnu nosivost na račun manje težine što opet povoljno utječe na troškovnu isplativost.
Sljedeća je prednost kompozita mogućnost njihova oblikovanja u izratke složenog oblika
čime se smanjuje ne samo broj pozicija nekog sklopa, već i potreba za pričvršćivanjem i
spajanjem. Prednosti su dvostruke: uz manji broj pozicija skraćuje se vrijeme potrebno
za montažu, ali se smanjuje i broj potencijalno opasnih mjesta iniciranja pukotine budući
da elementi kao što su vijci i različiti provrti djeluju kao koncentratori naprezanja. U
odnosu na konvencionalne konstrukcijske materijale kompoziti su manje osjetljivi na
pojavu različitih oblika oštećenja što doprinosi njihovoj trajnosti. I napokon treba istaknuti
da su to materijali koji se mogu dizajnirati (projektirati) u cilju postizanja upravo onakvih
svojstava kakva se traže kod određene primjene, a koja nisu ostvariva kod materijala
komponenata. Zbog svega toga kompoziti predstavljaju uspješnu alternativu
konvencionalnim metalnim materijalima u izradi konstrukcijskih elemenata kao što su
oplata krila i trupa te brojni drugi elementi zrakoplova. Razvoj modernih zrakoplova
velikim djelom uvjetovan je primjenom upravo kompozitnih materijala čiji udjel
113
neprekidno raste kako je to prikazano tablicom 46 na primjeru tri serije Boeingovih
zrakoplova.
Tablica 46. Primjena polimernih kompozita kod Boeinga
Tip zrakoplova Ukupna masa polimernih kompozita, kg Ušteda mase, kg
Boeing 737 681 272 Boeing 757 1516 676 Boeing 767 1535 636
Kompozitni dijelovi u pravilu su 20 % do 30 % lakši u odnosu na istovrsne metalne
dijelove. Na slici 72 dan je pregled različitih pozicija zrakoplova Boeing 777-200
izrađenih od kompozita.
Slika 72. Dijelovi zrakoplova Boeing 777-200 izrađeni od polimernih kompozita
Ukupna masa kompozitnih materijala ugrađenih u ovaj zrakoplov iznosi 7540 kg od čega
71% čine polimerni kompoziti ugljičnog ojačanja, a preostali dio kompoziti staklenog
ojačanja.
Svaki kompozitni materijal u osnovi sadrži ojačalo i matricu. Stoga je ukupno
ponašanje kompozita određeno sljedećim:
- svojstvima materijala matrice i ojačala;
- veličinom i rasporedom (raspodjelom) konstituenata;
Vrata Oplata motora
Glavna vrata Stražnja
oplata
Zakrilca
Zakrilca
Rub krila
Horizontalni stabilizator
Kljun
Krilo Kormilo
Oplata krila Oplate
Spojleri
Oplata trupa
TCVertikalni
stabilizator
114
- volumnim udjelom konstituenata;
- oblikom konstituenata;
- prirodom i jakošću veza među konstituentima.
Osnovna zadaća matrice je povezivanje ojačala, prijenos opterećenja na ojačala i
njihova zaštita od površinskog oštećenja. Prema vrsti materijala matrica može biti
polimerna (polimerni kompozit-PMC), metalna (metalni kompozit-MMC) i keramička (keramički kompozit-CMC). Općenito, metali i polimeri rabe se kao materijali matrice da
bi se ostvarila tražena duktilnost, dok se keramičke matrice dodatno ojačavaju radi
poboljšanja lomne žilavosti. Danas se javlja i nova skupina kompozitnih materijala, a riječ
je o ugljik/ugljik kompozitima načinjenim ulaganjem ugljičnih vlakana u piroliziranu
ugljičnu matricu. Nadalje, značajni su i hibridni kompoziti koji sadrže ojačanje od barem
dvije vrste različitih vlakana. Prema obliku ojačala razlikuju se kompoziti s česticama,
vlaknima ojačani kompoziti, slojeviti kompoziti (laminati) i sendvič konstrukcije
(kompozitni sendviči), slika 73. Slojeviti kompoziti i sendvič konstrukcije pripadaju skupini
tzv. strukturnih kompozita.
a) b) c)
Slika 73. Osnovni tipovi kompozita prema obliku ojačala
a) kompozit s česticama, b) kompozit s vlaknima, c) slojeviti kompozit
Kompoziti s vlaknima sadrže vlaknasta ojačala koja mogu biti u obliku viskera (vrlo
tanke niti keramičkih monokristala visoke čistoće s velikom omjerom duljina/promjer),
vlakana i žica (tipični materijali: čelik, molibden, volfram).
13.1. Vlaknima ojačani polimerni kompoziti
Polimerni kompoziti sačinjeni su od polimerne smole kao matrice i ojačala
uglavnom u obliku vlakana. Tipično sadrže relativno čvrsta, kruta vlakna u duktilnoj i
žilavoj polimernoj smoli. Vrlo česti kompoziti staklenog i ugljičnog ojačanja sadrže kruta i
115
čvrsta, ali krhka vlakna ugrađena u polimernu matricu, koja nije osobito ni kruta niti
čvrsta.
Uobičajeno je da su materijali matrice žilavi i duktilni kako bi prenosili opterećenje
na vlakna, a s druge strane spriječili da pukotine između prekinutih vlakana napreduju
kroz cijeli kompozit. No naravno, matrica mora biti i dovoljno čvrsta kako bi pridonijela
ukupnoj čvrstoći kompozita. S obzirom na ponašanje pri povišenim temperaturama
polimerne se matrice mogu podijeliti na plastomerne kod kojih dolazi do promjena pod
utjecajem topline i duromerne koje se ne mijenjaju povišenjem temperature. Duromerne
matrice koriste se za zahtjevnije strukturne primjene, a najčešće se rabe epoksidne
smole koje su otpornije prema vlazi i imaju bolja mehanička svojstva u odnosu na
plastomere, slika 74.
83
55
112
53
0
20
40
60
80
100
120
Poliester Poliamide Epoksi Poliimide
Matrica
Vlač
na č
vrst
oća,
N/m
m2
4100
3200
900
2000
0
500
1000
1500
20002500
3000
3500
4000
4500
Poliester Poliamide Epoksi Poliimide
Matrica
E,N
/mm
2
Slika 74. Prikaz vlačne čvrstoće i modula elastičnosti različitih vrsta matrica
U novije vrijeme razvijaju se i plastomerne matrice postojane pri visokim temperaturama
kao što su npr. poliimidi čija temperaturna granica dugotrajne primjene iznosi 250 do 300
°C. Tu su i drugi visokotemperaturni plastomeri koji imaju potencijal za buduće primjene
u zrakoplovstvu i koji mogu uspješno zamijeniti epoksidne smole koje su još uvijek
najčešće matrice polimerno kompozitnih elemenata zrakoplova.
Vlakna kao sastavna komponenta polimernih kompozita imaju funkciju povećati
čvrstoću i krutost materijala matrice u svrhu zadovoljenja određenih konstrukcijskih
zahtjeva. U principu, vlakna kao nositelj opterećenja trebaju biti što čvršća i kruća te
poliester poliamid epoksid poliimid poliester poliamid epoksid poliimid
Mod
ul e
last
ično
sti,
N/m
m2
116
istovremeno i male mase. Stoga se za vlakna preferiraju materijali visoke specifične
čvrstoće i visoke specifične krutosti (specifični modul elastičnosti).
Vlakna se mogu rasporediti na različite načine kako je prikazano slikom 75.
a) b) c) d)
Slika 75. Različiti načini rasporeda vlaknastih ojačala
a) kontinuirana jednosmjerna vlakna b) slučajno usmjerena diskontinuirana vlakna
c) ortogonalno raspoređena vlakna d) višesmjerno usmjerena vlakna
Ovisno o njihovom rasporedu variraju svojstva kompozita. U slučaju kontinuiranih
usmjerenih vlakna svojstva kompozita mogu biti vrlo anizotropna tako da je u smjeru
vlakna čvrstoća visoka, a okomito na njih značajno niža. Izotropnija svojstva susreću se
kod kompozita ojačanih slučajno usmjerenim kratkim vlaknima.
Danas su u uporabi vrlo raznoliki materijali za izradu vlakana. Kada je riječ o
polimernim kompozitima oni se najčešće ojačavaju staklenim, ugljičnim ili aramidnim
vlaknima. Staklo je vrlo popularan materijal za ojačavanje iz nekoliko razloga:
1. lako se izvlači iz rastaljenog stanja u obliku visokočvrstih vlakana;
2. ekonomična je proizvodnja kompozita ojačanog staklom;
3. ugrađivanjem čvrstih staklenih vlakana u polimernu matricu dobiva se
kompozit vrlo visoke specifične čvrstoće;
4. mogućnost kombiniranja staklenih vlakana s različitim polimernim matricama
čime se postiže kemijska inertnost i omogućuje primjena u korozivnoj okolini.
Staklena vlakna su bijele ili prozirne boje, visoke su čvrstoće, ali nisu osobito
kruta što djelomično ograničava njihovu primjenu. Nadalje, područje uporabe staklom
ojačanih polimernih kompozita ograničeno je temperaturom od najviše 200 °C. Pri višim
temperaturama većina polimera počinje teći ili dolazi do znatne degradacije svojstava.
Za zrakoplovne primjene rabe se visokočista staklena vlakna koja u kombinaciji s
visokotemperaturnom polimernom matricom, kao što su poliimidne smole, mogu
podnijeti temperature do 300 °C.
117
Osim staklenih vlakana kao ojačala se mogu koristiti i aramidna vlakna koja su
visokočvrsta i visokokruta, vrlo dobrog omjera čvrstoće i gustoće. Prva aramidna vlakana
proizvedena su 1965. godine u laboratorijima kompanije Du Pont pod komercijalnim
nazivom Kevlar. Vlakna su poznata su i pod trgovačkim nazivom Nomex. Postoji više
raznih tipova aramidnih vlakana (Kevlar 29, 49, 149) koja se razlikuju po mehaničkim
svojstvima.
Aramidna vlakna čije ime dolazi od aromatični poliamidi pripadaju skupini
plastomera, ali za razliku od plastomera koji se mekšaju i tale pri povišenim
temperaturama ova su vlakna stabilna u području povišenih temperatura. Aramidna
vlakna zadržavaju mehaničku otpornost pri temperaturama od -200 do 200 °C. Vlakna
su karakteristične žute boje, higroskopna, relativno slabe adhezijske veze s matricom,
skuplja od staklenih vlakana, nemagnetična, osjetljiva na ultraljubičasto zračenje te na
djelovanje kiselina i lužina, ali su relativno inertna prema drugim otapalima i
kemikalijama. Osim toga poznata su po svojoj krutosti i žilavosti, otpornosti na udar,
otpornosti na puzanje kao i na pojavu umora.
Aramidna vlakna koriste se za ojačavanje fenolne matrice u izradi strukturnih
elemenata zrakoplova bombardera kao što su primjerice vrata otvora za bombe koja
moraju biti čvrsta, otporna na udar i ne manje važno otporna zapaljenju.
Treću skupinu vlaknastih ojačala čine ugljična vlakna koja se najčešće rabe za
ojačanje suvremenih polimernih kompozita. Razlozi za to su sljedeći:
1. ugljična vlakna imaju najveću specifičnu krutost i najveću specifičnu čvrstoću
od svih vlaknastih ojačala;
2. visoki vlačni modul elastičnosti i visoku čvrstoću zadržavaju i pri povišenim
temperaturama;
3. vlakna su otporna na vlagu i niz otapala, kiselina i lužina;
4. razvijeni su relativno jeftini postupci proizvodnje vlakana i kompozita.
Ugljična vlakna po svojoj strukturi nisu u cijelosti kristalna, već se sastoje od
grafitnih i nekristalnih područja koja ne sadrže trodimenzionalni raspored atoma ugljika u
obliku heksagonske kristalne rešetke karakteristične za grafit.
Prema krutosti ova se vlakna mogu podijeliti u četiri skupine:
- standardnog modula elastičnosti (220 GPa);
- srednjeg ili prijelaznog modula elastičnosti (240 GPa);
118
- visokog modula elastičnosti (300 GPa);
- ultravisokog modula elastičnosti (450 GPa).
Ugljična vlakana ultravisokog modula elastičnosti posjeduju najvišu krutost od svih
vlaknastih ojačala, a ona srednjeg modula elastičnosti najviše su čvrstoće među svim
poznatim vlaknima, tablica 47.
Za ojačavanje se koriste ugljična vlakna promjera između 4 i 10 μm koja mogu biti
kontinuirana ili rezana. Vlakna se uobičajeno prevlače zaštitnim epoksidnim slojem koji
poboljšava adheziju s polimernom matricom.
Kompoziti ugljičnog ojačanja koriste se primjerice za izradu namotavanih Kučiša
raketnih motora kao i brojnih drugih konstrukcijskih elemenata vojnih i komercijalnih
letjelica (npr. dijelovi krila, trupa, stabilizatora i komponenti za upravljanje).
Tablica 47. Karakteristična svojstva vlakana
Vlakno Gustoća, g/cm3
Modul elastičnosti,N/mm2
Vlačna čvrstoća, N/mm2
Staklena vlakna E-vlakno 2,54 76 000 – 79 000 3100 - 3800 S-vlakno 2,48 88 000 – 91 000 4400 Kvarc 2,15 69 000 3400 Aramidna vlakna LM* 1,39 70 000 3000 IM** 1,45 121 000 3100 HM*** 1,47 179 000 3500 Ugljična vlakna SM¹ 1,74 228 000 3600 HT² 1,82 294 000 7100 UHM³ 2,18 966 000 3100
* niski modul elastičnosti, ** srednji modul elastičnosti, *** visoki modul elastičnosti,
¹ standardni modul elastičnosti, ² srednji modul elastičnosti, ³ ultravisoki modul elastičnosti
Na slici 76 dana je usporedba mehaničkih svojstava raznih vrsta vlakana.
119
85000123000
231000
344000
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
Staklena Aramidna Ugljična Grafitna
Vlakna
E,N
/mm
2
Slika 76. Prikaz vlačne čvrstoće i modula elastičnosti raznih vlakana
Osim staklenih, ugljičnih i aramidnih vlakana, koja su najčešća ojačala polimernih
kompozita, mogu se koristiti i druge vrste kao što su vlakna bora, vlakna na osnovi
silicijeva karbida (SiC) ili ona na bazi aluminijeva oksida (Al2O3). Kompozit s vlaknima
bora koristi se npr. u izradi specifičnih komponenata vojnih zrakoplova, ali i za izradu
elisa helikoptera, dok se SiC i Al2O3 vlakna primjenjuju u izradi kućišta raketa.
Osim pojedinačnim vlaknima ojačanje se može ostvariti i različitim tkaninama
odnosno trakama napravljenim od vlakana. Slojevi traka različito se usmjeravaju pa
ovisno o načinu polaganja i vrsti tkanja mijenjaju se svojstva kompozita. Tkanje općenito
predstavlja način prepletanja niti (vlakana) pod određenim kutom. Najčešće vrste tkanja
prikazane su slikom 77. Slika 77a predočava ravno tkanje (engl. plain) gdje jedno vlakno
naizmjence prolazi ispod i iznad vlakna osnove čime se postiže maksimalna mehanička
otpornost. Jednolično tkanje na slici 77b (engl. leno) koristi se pri izradi laganih
membrana, a za zakrivljene dijelove zrakoplova i projektila primjenjuje se savitljivo tkanje
(engl. eight-harness satin weave), slika 77c, u kojem vlakno nakon podvlačenja ispod
jedne niti osnove prelazi preko sedam osnovnih niti. Za manje zakrivljene površine
podesno je i tkanje prikazano na slici 77d (engl. four harness satin - crowfoot) koje je još
uvijek dovoljno oblikovljivo budući da vlakno prije podvlačenja prelazi iznad tri niti
osnove.
4585
3520 3655
2205
0
5001000
15002000
2500
30003500
40004500
5000
Staklena Aramidna Ugljična Grafitna
Vlakna
Vlać
na č
vrst
oća,
N/m
m2
Mod
ul e
last
ično
sti,
N/m
m2
120
Slika 77. Vrste tkanja
13.1.1. Proizvodnja vlaknima ojačanih kompozita
Vlaknima ojačani kompoziti polimerne matrice mogu se proizvesti različitim
postupcima, od kojih su najčešći: namotavanje, lijevanje i pultrudiranje.
Namotavanje
Namotavanje (engl. filament winding) je postupak pri kojem se kontinuirana
vlakna koja služe kao ojačalo namotavaju na model (obično cilindrični) tako da oblikuju
šuplji dio. Vlakna se najprije vode kroz kupku koja sadrži smolu, a zatim se kontinuirano
namotavaju na cilindrični model, često primjenom automatizirane opreme za
namotavanje. Postoji više tipova namotavanja: vijčano, prstenasto (obodno) i polarno o
čemu ovise i mehanička svojstva, slika 78. Nakon nanošenja niza slojeva slijedi
otvrdnjavanje u peći ili pri sobnoj temperaturi, nakon čega se model odstranjuje. Kao
alternativa mogu se namotavati tanki preprezi. Namotavanjem se postiže vrlo visoki
omjer čvrstoće i gustoće te visoki stupanj orijentiranosti vlakna. Uobičajene namotavane
konstrukcije su oplate (kućišta) raketnih motora, spremnici i dr.
121
Slika 78. Prikaz vijčanog, prstenastog (obodnog) i polarnog namotavanja
Prednosti ove tehnike su brzina i ekonomičnost postupka te kontrola brzine
namotavanja, dok se nedostaci očituju kroz nemogućnost uzdužnog polaganja vlakna te
u prilično nedorađenoj vanjskoj površini dijelova isključivo konveksnog oblika.
Lijevanje
Polimerni kompoziti mogu se proizvesti različitim postupcima lijevanja. Ovisno o
načinu kako se kapljevina polimerne smole unosi među vlakna razlikuje se kapilarno
djelovanje, tlačno lijevanje, vakuumsko infiltriranje ili kontinuirano lijevanje, slika 79.
a) b) c) d)
Slika 79. Proizvodnja kompozita lijevanjem
a) kapilarno djelovanje, b) tlačno lijevanje,
c) vakuumsko infiltriranje, d) kontinuirano lijevanje
122
Na slici 80 prikazan je način tlačnog lijevanja poznat kao RTM postupak (engl. resin
transfer moulding). Polimerna smola ulijeva se pod tlakom u kalupnu šupljinu i
raspoređuje oko ojačala, a nakon polimerizacije potaknute zagrijavanjem kalup se
uklanja i dobiva izradak gotovog oblika.
Slika 80. RTM postupak
Na ovaj način mogu se lijevati epoksidne, poliesterske, vinilesterske i fenolne
smole, a kao ojačala koriste se razna vlakana.
Prednosti su RTM tehnike: veliki volumni udjel ojačala, niski sadržaj uključaka
zraka, dobri radni uvjeti te mogućnost automatizacije procesa, dok su nedostaci: visoka
cijena alata i ograničenje na izratke malih dimenzija.
Pultrudiranje
Pultrudiranje se primjenjuje za proizvodnju kompozitnih proizvoda konstantnog
poprečnog presjeka (npr. štapovi, cijevi, grede itd.). Ovim postupkom, shematski
prikazanim na slici 81, snop kontinuiranih vlakna prethodno impregniran (natopljen)
duromernom smolom provlači se kroz alat odgovarajućeg oblika i nakon toga slijedi
otvrdnjavanje čime se dobiva konačan oblik. Uređaj za izvlačenje vuče izradak kroz alate
te time određuje brzinu procesa.
Slika 81. Prikaz postupka pultrudiranja
123
Primjenom odgovarajućih alata mogu se proizvesti cijevi, šuplji elementi ili različiti drugi
proizvodi konstantnog oblika. Glavna ojačala su staklena, ugljična te aramidna vlakna
uobičajenih udjela od 40 do 70 vol. %. Najčešće se kao matrice rabe poliesterske,
vinilesterske te epoksidne smole.
13.2. Kompoziti s česticama
Za ojačanje kompozitnog materijala mogu se koristiti ne samo vlakna već i čestice
od tvrdog i krhkog materijala koje su jednolično raspoređene u mekanijoj i duktilnijoj
matrici. S obzirom na veličinu čestica i način na koji utječu na ukupna svojstva
razlikujemo kompozite s disperzijom (čestice <0,1 μm) i kompozite s velikim
česticama (čestice >1 μm). Kod kompozita s disperzijom volumni se udjel čestica kreće
do 0,15, a za kompozite s velikim česticama taj je udjel veći od 0,2.
Jedna od najvažnijih razlika između kompozita s česticama i onih s vlaknima
direktno proizlazi iz njihove građe. Kompoziti s česticama općenito su izotropni, tj.
njihova svojstva (čvrstoća, krutost itd.) identična su u svim smjerovima, za razliku od
kompozita s vlaknima koji su često anizotropni te svojstva variraju s obzirom na položaj
vlakna. Anizotropnost se može djelomično prevladati slaganjem više slojeva ojačanja
različite orijentacije pri čemu se dobiva slojeviti kompozit.
13.3. Slojeviti kompozitni materijali
Slojeviti kompoziti ili laminati sadrže više slojeva ojačanja položenih u matricu.
Laminati su, osim u vrlo specifičnim slučajevima, još uvijek anizotropni, ali razlika između
svojstava za različite smjerove nije toliko značajna kao kod kompozita s jednosmjernim
vlaknima. Na temelju ovog pristupa razvijaju se laminati s tako orijentiranim slojevima
koji osiguravaju najbolja svojstva u smjeru djelovanja opterećenja. Time se ostvaruje
ušteda na materijalu i prema tome na težini što je čimbenik od primarne važnosti u
zrakoplovnoj industriji.
U zrakoplovstvu se često rabe slojeviti kompoziti poznati kao "glare" laminati, slika
82. "Glare" laminati sadrže aluminijske limove dodatno ojačane staklenim vlaknima.
Polaganjem preprega (staklene tkanine natopljene polimernom smolom) između
aluminijskih limova dobiva se višeslojna struktura koja sadrži nekoliko redova ojačanja.
124
Nakon polaganja vlakana limovi se međusobno spajaju i nakon oblikovanja u kalupu
materijal se izlaže povišenoj temperaturi i tlaku kako bi polimerna smola omekšala i
polimerizirala čvrsto vezujući aluminijske slojeve. Mehanička svojstva ovakvog
kompozita određena su smjerom orijentacije vlakana u pojedinim slojevima. Zato se kod
ugradnje "glare" laminati moraju tako orijentirati da imaju najveću mehaničku otpornost
upravo u smjeru djelovanja najvećih vanjskih opterećenja. Višeslojno ojačane "glare"
laminate u principu odlikuje značajno viša čvrstoća u odnosu na klasične aluminijske
legure uz zadržavanje male mase.
Osim veće mehaničke otpornosti "glare" laminati pokazuju i poboljšanu otpornost
na pukotine. Ako se u aluminijskim limovima javi pukotina snop staklenih vlakana
uspješno premošćuje pukotinu i na taj način usporava ili sprječava njeno širenje, slika
83.
Slika 83. "Glare" laminat - premošćivanje pukotine slojem staklenih vlakana
Delaminirana površina Aluminijski
slojevi
Slojevi vlakana
Premošćivanje opterećenja preko pukotine
Otvaranje pukotine
Aluminijski limovi
Stakleni prepreg
Nastavci/spojevi
Kalup Autoklav
Konačni oblik
Slika 82. Postupak proizvodnje "glare" laminata
125
"Glare" laminati masovno su zastupljeni u izradi Airbusova zrakoplova A380 gdje
se rabe za dijelove oplate trupa zrakoplova, za bočne panele (ploče), gornje dijelove
krila, te krmene dijelove trupa, slika 84.
Slika 84. Airbus A380
Ugrađeni laminati sadrže četiri ili više aluminijska lima debljine 0,38 mm između kojih se
nalazi vezni sloj smolom natopljenih staklenih vlakana. Uporabom ovakvih laminata
ostvarena je značajna ušteda na težini zrakoplova, čak do 30% u odnosu na klasične
aluminijske legure.
13.4. Sendvič konstrukcije
Sendvič konstrukcije sastoje se od dva čvrsta i kruta tanka vanjska sloja između
kojih se nalazi laki materijal koji čini jezgru. Zahvaljujući maloj masi odlikuje ih visoka
specifična čvrstoća i visoka specifična krutost.
Kao materijali jezgre rabe se:
1. polimerne pjene od polivinil-klorida (PVC), polistirena (PS), poliuretana (PUR),
polieterimida (PEI), akrilne pjene; primjenjuju se pjene gustoće od 40 do 200
kg/m3 i debljine 5 do 50 mm;
2. aluminij ili polimerni kompoziti (aramidna vlakna u kombinaciji s
akrilnitril/butadien/stirenskom (ABS), polikarbonatnom (PC), polipropilenskom
(PP) ili polietilenskom (PE) matricom) u izradi saća;
3. drvo (balza, cedar).
126
Površinski slojevi mogu biti, a često i jesu, načinjeni od materijala veće čvrstoće i
krutosti. Za vanjske slojeve preferiraju se legure aluminija, polimerni kompoziti ojačani
vlaknima, titanove legure i čelik.
U zrakoplovstvu je osobito značajna struktura sendvič konstrukcije u obliku
pčelinjeg saća koja sadrži aluminijsku jezgru oblika saća položenu između tankih
vanjskih slojeva, najčešće aluminijske folije (limova) ili laminata, slika 85. Time se
dobiva vrlo postojan, krut, čvrst i izuzetno lagan sendvič koji je zahvaljujući svojim
prednostima široko primjenjiv u izradi zrakoplovnih konstrukcija.
Slika 85. Kompozitni sendvič s jezgrom u obliku pčelinjeg saća
Slika 86 prikazuje način proizvodnje saćastih aluminijskih jezgri postupkom
profiliranja.
Slika 86. Proizvodnja saćastih aluminijskih jezgri profiliranjem
valjak profilirajući valjci
profilirana traka
profilirana jezgra
127
Valjane aluminijske folije ili limovi oblikuju se provlačenjem kroz profilirajuće valjke i tako
profilirani međusobno spajaju tvoreći strukturu sa šesterokutno oblikovanim ćelijama.
Osim heksagonskog oblika ćelija mogući su i drugi oblici ovisno već o načinu profiliranja,
slika 87.
Slika 87. Oblici jezgre aluminijskog kompozitnog sendviča
Jezgra mora biti položena tako da je os ćelija okomita na ravninu površinskih slojeva da
bi se postigla krutost u ravnini okomitoj na vanjski sloj.
Saćasta jezgra se može izraditi i lijepljenjem tankih aluminijskih traka na izoliranim
(pojedinačnim) mjestima. Tako povezani slojevi zatim se razvlače u određenom smjeru
čime nastaje ćelijasta struktura, slika 88.
Slika 88. Proizvodnja saćastih aluminijskih jezgri razvlačenjem
Kompozitni sendviči saćaste aluminijske jezgre široko su primjenjivi kod oplate
krila, trupa i repa zrakoplova odnosno u izradi svih onih konstrukcijskih elemenata koji
moraju biti visoke čvrstoće i visoke krutosti te istovremeno male mase. Oko 100 takvih
aluminijskih sendvič panela korišteno je kod Airbusova zrakoplova A380 u izradi
izbočenih dijelova oplate koji spajaju trup i krilo.
traka
valjak
razvučena jezgra
128
13.5. Kompoziti s metalnom matricom
Radi se o kompozitima kod kojih je matrica metalna (u pravilu duktilna). Kao
materijali matrice mogu se koristit razni metali poput superlegura na bazi nikla i kobalta,
titanovih legura, te lakih magnezijskih i aluminijskih legura posebno prikladnih u
zrakoplovstvu. Ojačavanjem metalne matrice ojačalima u obliku čestica, kontinuiranih i
diskontinuiranih vlakana modificiraju se svojstva matrice i ono što je osobito značajno
povećava specifična čvrstoća i specifična krutost te poboljšava otpornost puzanju.
Materijali kontinuiranih vlaknastih ojačala mogu biti ugljik, silicijev karbid, bor, aluminij i
tvrdi metali, dok se kao materijali diskontinuiranih vlakana koriste ugljik i aluminij.
Značajna prednost metalnih kompozita u odnosu na polimerne je mogućnost njihove
primjene pri znatno višim radnim temperaturama. Međutim, ovi su kompoziti znatno
skuplji od polimernih pa je njihova uporaba prilično ograničena.
Prerada kompozita s metalnom matricom u načelu se sastoji od najmanje dva
koraka. Prvi korak predstavlja sjedinjenje (npr. ulaganje ojačala u matricu), a drugi je
oblikovanje. U tu svrhu razvijene su mnoge metode od kojih su neke prilično
sofisticirane, dok se npr. metalni kompoziti s diskontinuiranim vlaknima oblikuju
uobičajenim postupcima kao što su kovanje, valjanje i ekstrudiranje.
Za specifične zrakoplovne primjene posebno su razvijeni metalni kompoziti s
aluminijskom matricom dodatno ojačanom česticama pretežno nemetalnih materijala.
Tako se primjerice aluminijska legura oznake 6061 ojačava česticama silicijeva karbida
čime se postiže znatno veća krutost (E=230000 N/mm2) i vlačna čvrstoća (Rm=1480
N/mm2) uz samo neznatno višu gustoću (ρ=2930 kg/m3) u odnosu na klasičnu neojačanu
leguru. Za potrebe zrakoplovstva ova se legura može ojačati i vlaknima bora (letjelica
”Space Shuttle Orbiter”) čime se također postiže velika krutost i čvrstoća (E=207000
N/mm2, Rm=1515 N/mm2).
13.6. Kompoziti s keramičkom matricom
Ovi kompoziti sadrže keramičku matricu dodatno ojačanu česticama ili viskerima.
Za ojačanje se koriste čestice cirkonijeva oksida (ZrO2) ili aluminijeva oksida (Al2O3)
odnosno silicijev karbid (SiC) i silicijev nitrid (Si3N4) ako se radi o viskerima.
129
Keramika je općenito poznata kao materijal otporan puzanju koji zadržava dobru
mehaničku otpornost pri visokim temperaturama, dok je njen osnovni nedostatak
sklonost krhkom lomu zbog izrazito niske lomne žilavosti u odnosu na metale što se
nastoji prevladati razvojem suvremenih keramičkih kompozita. Ugradnjom čestica ili
viskera jednog keramičkog materijala u matricu od druge vrste keramike lomna žilavost
se može povećati i do 10 puta. To se postiže međudjelovanjem propagirajuće pukotine i
ojačala pri čemu čestice ili viskeri sprečavaju napredovanje pukotine. Općenito je
poznato nekoliko tehnika za zaustavljanje ili usporavanje propagiranja pukotine. U
slučaju keramičkih kompozita ojačanih česticama cirkonijeva oksida usporavanje je
posljedica naprezanjem inducirane fazne transformacije čestica ZrO2 u neposrednoj
blizini pukotine što rezultira pojavom tlačnih naprezanja pri čemu se pukotina zatvara.
Kod kompozita ojačanih keramičkim viskerima usporavanje se temelji na zaobljavanju
vrha pukotine, premošćivanju pukotine, apsorbiranju energije tijekom razvlačenja pri
čemu se viskeri odvajaju od matrice ili dolazi do preraspodjele naprezanja u rubnim
područjima pukotine. Prednost viskerima ojačanih keramika u odnosu na neojačane
keramičke materijale je i znatno manje rasipanje čvrstoće materijala. Osim toga, tako
ojačani keramički kompoziti izuzetno su otporni na pojavu puzanja i toplinske šokove
uzrokovane naglim promjenama temperature.
Kompoziti keramičke matrice proizvode se postupcima vrućeg prešanja (HP),
vrućeg izostatičkog prešanja (HIP) i sinteriranja.
Keramički kompoziti se primjenjuju za mehanički i tribološki opterećene dijelove
izložene visokim radnim temperaturama (>1600 ºC) kao što su primjerice pojedini dijelovi
motora.
13.7. Ugljik-ugljik kompoziti
Ugljik-ugljik kompoziti su, kako i samo ime govori, kompozitni materijali u kojima
su matrica i ojačalo od ugljika. Radi se o relativno novim i vrlo skupim materijalima.
Razlog visoke cijene je u vrlo složenom postupku proizvodnje kojim se čista ugljična
vlakna ugrađuju u piroliziranu ugljičnu matricu. Izrazita svojstva ove skupine kompozita
su prije svega visok vlačni modul elastičnosti i visoka vlačna čvrstoća (čak i na
temperaturama iznad 2000 °C), otpornost puzanju te relativno visoka lomna žilavost.
Osim toga oni pokazuju malu toplinsku rastezljivost i visoku toplinsku vodljivost. Njihov
130
osnovni nedostatak je sklonost oksidaciji pri visokim temperaturama. Primjenjuju se u
raketnim motorima i konstrukcijama suvremenih vojnih zrakoplova.
13.8. Hibridni kompoziti
Hibridni kompoziti se dobivaju uporabom više vrsta vlakana, kao ojačala u
jedinstvenoj matrici. Velika prednost ovakvih kompozita je znatno bolja kombinacija
svojstava, nego što je to kod kompozita ojačanih samo jednom vrstom vlakana. Postoje
razne kombinacije vlakana i matrica, ali ipak najčešće se koriste ugljična i staklena
vlakna u polimernoj matrici. Ugljična vlakna imaju relativno visoku čvrstoću i krutost te
nisku gustoću, ali i visoku cijenu koja često ograničava njihovu primjenu. Nasuprot njima
staklena vlakna imaju lošija mehanička svojstva, ali im je cijena znatno povoljnija.
Kombiniranjem spomenutih vlakana dobiva se kompozit veće čvrstoće i žilavosti, te
relativno povoljne cijene.
Zbog vrlo velikog broja načina slaganja vlakana u matrici svojstva ovih kompozita
mogu biti vrlo različita. Tako, na primjer, vlakna mogu biti usmjerena u jednom smjeru ili
orijentirana u različitim smjerovima, laminati se mogu slagati iz različitih slojeva pri čemu
je svaki sloj sastavljen od drugog tipa ojačala.
Značajna primjena hibridnih kompozita susreće se kod zrakoplova Boeing gdje se
koriste za izradu konstrukcijskih elemenata oplate. U tablici 48 navedeni su neki primjeri
hibridnih kompozita i njihova svojstva.
Tablica 48. Svojstva hibridnih kompozita
Kompozit s ugljičnim i aramidnim vlaknima
- dobra žilavost i vlačna čvrstoća od aramida; - dobra tlačna i vlačna čvrstoća od ugljičnih vlakana; - niska gustoća ali relativno visoka cijena
Kompozit s aramidnim i staklenim vlaknima
- mala gustoća, dobra žilavost i vlačna čvrstoća od aramida; - tlačna i vlačna čvrstoća od stakla; - niska cijena
Kompozit s ugljičnim i staklenim vlaknima
- dobra tlačna i vlačna čvrstoća, krutost i niska gustoća od ugljičnih vlakana; - niska cijena
131
14. INTERMETALNI SPOJEVI
Intermetalni spojevi predstavljaju metalne, višekomponentne sustave koji se u
osnovi razlikuju od klasičnih legura. Radi se o spoju dva elementa u pet mogućih
stehiometrijskih kombinacija. Neki od čestih spojeva jesu: Ni3Al, Ti3Al, TiAl, NiAl, FeAl,
Nb3Al, MoSi2, Cr2Nb, Mg2Si i dr.
Intermetalni spojevi posjeduju izvanrednu kombinaciju mehaničke otpornosti pri
visokim temperaturama (visoka temperatura tališta), relativno niske gustoće, visokog
modula elastičnosti, visoke otpornosti oksidaciji pri temperaturama preko 1100 ºC, a
osnovni im je nedostatak niska žilavost. Dobra svojstva ovih materijala posljedica su
kovalentno vezanih atoma.
Danas se u primjeni uglavnom nalaze dva spoja: nikal-aluminid i titan-aluminid.
Na slici 89 prikazani su dijelovi proizvedeni od nikal-aluminida i obloga svemirske
letjelice X-33 načinjena od titan-aluminida.
a) b)
Slika 89. Primjeri primjene intermetalnih spojeva
a) dijelovi od nikal-aluminida
b) obloga svemirske letjelice
Intermetalni spojevi proizvode se proizvodnim tehnologijama: metalurgijom praha,
lijevanjem i toplim oblikovanjem. U razvoju novih spojeva koriste se nove tehnike taljenja
i lijevanja u vakuumu pri čemu se pažljivo proučava učinak legiranja na pojavu
metastabilnih faza. Primjenom praškaste metalurgije u proizvodnji kompozita omogućuje
se postizanje boljih mehaničkih svojstava.
132
15. DRVO
Zbog svoje niske gustoće pri relativno visokoj čvrstoći i krutosti te lake obradivosti
drvo kao tradicionalni tehnički materijal nekada se u velikoj mjeri koristilo u izradi
elemenata zrakoplovnih konstrukcija no danas se ono nastoji zamijeniti materijalima
boljih karakteristika kao što su primjerice laki metali, polimerni materijali, kompoziti i sl.
Drvo je obnovljivi prirodan materijal koji se u zrakoplovstvu isključivo primjenjuje u
mehanički obrađenom stanju (piljenjem, blanjanjem, tokarenjem, mljevenjem, spajanjem,
tlačenjem itd.). Razlikuju se tri osnovne vrste drva:
- lišćari (drvo bjelogorice);
- četinari (drvo crnogorice);
- strana (egzotična) finija drva.
Lišćari mogu biti tvrdi (hrast, bukva, cer, brijest, grab, jasen, javor, orah, bagrem, trešnja,
kruška, dud, lijeska itd.) i meki (breza, lipa, topola, joha, divlji kesten, vrba itd.). Četinari
su ariš, bor, jela, smreka, tisa, čempres i dr., a egzotična drva mahagonij, cedar,
ebanovina, palisander itd.
15.1. Građa i svojstva drva
Po svojoj građi drvo nije homogeno. Ono se pretežno sastoji od celuloze, lignina i
smola. Zbog svoje vlaknaste strukture sačinjene od usmjerenih celuloznih vlakana
međusobno povezanih ligninom, tvari koja sliči duromernim smolama, drvo se ubraja u
prirodan kompozitni materijal.
Jedno od temeljnih svojstava drva je gustoća. Gustoća pojedinih drvnih vrsta
ponajprije ovisi o debljini stjenke celulozne cijevi u odnosu prema šupljini. Osim gustoće
za konstrukcijsku primjenu važna je čvrstoća. Tablica 49 sadrži podatke o osnovnim
svojstvima nekih vrsta drva.
Tablica 49. Čvrstoća i gustoća nekih vrsta drva
Vrsta drva Gustoća kg/m3
Čvrstoća, N/mm2 Tlak Vlak
Lipa, jela, omorika, bor 450 do 550 40 do 50 70 do 110 Orah, jabuka, kruška, bukva, hrast, javor 700 do 850 55 do 63 115 do 135
Ebanovina 1230 105 -
133
Mehanička svojstva drva u principu su vrlo anizotropna. Čvrstoća uvelike ovisi o smjeru
djelovanja opterećenja s obzirom na položaj vlakana. Opterećivanjem u smjeru vlakana
postižu se najveće vrijednosti vlačne čvrstoće, a okomito na vlakna čvrstoća je značajno
niža. Kako je vlačna čvrstoća drva razmjerna gustoći, drvne vrste veće gustoće ujedno
su i čvršće. Zbog izvijanja vlakana pod djelovanjem tlačnog opterećenja vrijednosti
tlačne čvrstoće pojedinih drvnih vrsta niže su od vlačne čvrstoće. Pod tlačnim
opterećenjem vlakna lako pucaju te tlačna čvrstoća u smjeru vlakana iznosi oko 1/3
vlačne čvrstoće. Tlačna čvrstoća okomito na vlakna iznosi približno samo 1/10 vlačne i
1/5 tlačne čvrstoće u smjeru osi vlakna. Pri smičnom opterećenju veće se čvrstoće
postižu opterećivanjem okomito na vlakna. Zbog navedenih neujednačenosti svojstava
drva kao tehničkog materijala dopuštena naprezanja se određuju uz primjenu relativno
visokih faktora sigurnosti. Tablica 50 sadrži detaljnije podatke o gustoći i čvrstoći važnijih
vrsta drva.
Tablica 50. Čvrstoća važnijih vrsta drva
Vrsta drva
Gustoća kg/m3
Smjer s obzirom na vlakna
Čvrstoća, N/mm2 Vlak Tlak Savijanje Odrez
Brijest 500 do 850 = 60 do 120 30 do 60 50 do 160 7 ⊥ 4 10 - 25
Bukva 500 do 900 = 60 do 180 40 do 80 60 do 180 5 do 20 ⊥ 7 10 - 35
Grab 500 do 850 = 50 do 200 40 do 80 50 do 140 10 ⊥ 6 10 - 30
Jasen 500 do 900 = 30 do 220 30 do 60 50 do 180 7 ⊥ 7 10 - -
Hrast 400 do 950 = 50 do 180 40 do 60 70 do 100 5 do 15 ⊥ 5 10 - 30
Orah 600 do 750 = 100 40 do 70 80 do 140 - ⊥ 4 10 - -
Bor 300 do 900 = 40 do 190 30 do 80 40 do 200 5 do 15 ⊥ 3 10 90 20
Jela 300 do 700 = 50 do 120 30 do 50 40 do 100 5 ⊥ 2 4 - 25
Smreka 300 do 700 = 40 do 240 30 do 70 40 do 120 5 do 10 ⊥ 3 5 do 10 - 25
134
Krutost drva, vrlo bitna za njegovu konstrukcijsku primjenu, poput čvrstoće
određena je gustoćom pojedinih drvnih vrsta te položajem vlakana s obzirom na smjer
opterećenja. Najveću krutost pokazuju guste vrste drva kao npr. jasen, hrast i bukva, a
najmanje su kruta laka drva poput jele i smreke. Krutost se poboljšava opterećivanjem u
smjeru vlakana dok je okomito na njih ona značajno niža.
Mehanička svojstva drva determinirana su i stupnjem vlažnosti. Na zraku sušeno
drvo sadrži oko 10 do 15 % vlage. Povišenjem sadržaja vlage čvrstoća se osjetno
smanjuje. Nepoželjno svojstvo drva je da ono mijenja svoju vlažnost u odnosu na
okolišne uvjete. Drvo se širi u vlažnoj okolini, a skuplja u suhoj. Drugim riječima ono
bubri ili se skuplja ovisno o tome prima li ili otpušta vlagu. Promjena čvrstoće u smjeru
paralelnom s vlaknima za svaki postotak promjene sadržaja vlage približno iznosi:
- 0,3 do 2 % za vlačnu čvrstoću;
- 4 do 6 % za tlačnu čvrstoću.
Drvo s 40 % vlage ima oko 2/3 vlačne čvrstoće i oko polovicu tlačne čvrstoće sušenog
drva s oko 10 % vlage.
Ako je drvo stalno suho ili stalno ispod vode, ono može trajati vrlo dugo. Vlažan
zrak i izmjenjivanje suhoće i vlažnosti dovode do truljenja drva. Stoga je propadanje u
vlažnoj okolini značajan nedostatak drva kao konstrukcijskog materijala.
Velika mana drvnog materijala je i njegova laka zapaljivost pa se izbjegava
primjena drva za unutarnje uređenje interijera zrakoplova. U cilju smanjenja gorivosti
upotrebljavaju se razni premazi i impregnacije.
Svojstva drva mogu se poboljšati rezanjem na tanke ploče (furnire) te njihovim
sljepljivanjem. Na taj se način proizvodi tzv. ukočeno drvo, te stolarske ploče (panel
ploče). Piljenjem, rezanjem ili ljuštenjem drvo se razdvaja na tanke furnire koji se nakon
toga međusobno lijepe, a svojstva ovako dobivenog materijala ovise o načinu slaganja
slojeva. Pri slaganju istosmjernih traka dobiva se slojevito drvo s dobrim svojstvima u
smjeru vlakana. Ako se trake polažu pod kutom od 90° (ukočeno drvo) ili pod kutom od
45° (zvjezdasto drvo) postižu se jednolična svojstva čvrstoće neovisno o smjeru.
Stolarske ploče (panel ploče) u nutrini se sastoje od slijepljenih drvenih letvica (većinom
drvo četinara), a obostrano su furnirane. Ovako dobivene drvene ploče čvršće su od
masivnog drveta i manje se savijaju. Osim toga danas se sve češće susreću i ploče
iverice.