Ispitivanje materijala ispitivanje materijala

Udarni rad loma KU ili KV Ovo ispitivanje se provodi na Charpyevom batu, to je kratkotrajno dinamičko ispitivanje.Cilj je utvrditi ponašanje materijala u uvjetima udarnog opteredenja.Udarni rad loma je pokazatelj žilavosti i otpornosti na krhki lom. Žilavost je sposobnost materijala da se plastično deformira i na taj način poveda otpornost na lom. Ispitivanje ud rad loma provodi se na sobnoj ili snizenim temp. Ispitni uzorci: s V zarezom i s U zarezom. Na osnovu razlike potencijalne energije bata u početnom i krajnjem položaju određuje se energija utrošena na lom ispitnog uzorka(udarni rad loma). KV ili KU(V)=Fg(h1-h2),J. KV ili KU-udarni rad loma, Fg-težina bata, h1-početna visina bata, h2-krajnja. Izgled prelomne površine: Žilavi lomsitnozrnata vlaknasta struktura bez sjaja, vidljivi tragovi plastične deformacije. Krhki lomkrupnozrnata struktrura, svijetla boja, nema tragova plastične deformacije. Udarni rad loma razmjeran je površini ispod krivulje u stvarnom dijagramu naprezanje-istezanje. Materijal je žilaviji što mu je površina ispod krivulje veda. Žilavost se smanjuje snižavanjem temp. Utjecajni čimbenici na žilavost materijala: temp ispitivanja, mikrostruktura, oblik i dimenzije zareza, dimenzije ispitnog uzorka, brzina udara Utjecaj temperature na žilavost materijala Ima najvedi utjecaj na žilavost(udarni rad loma). Sa smanjenjem temp snižava se plastičnost i deformabilnost, smanjuje se žilavost. Legure metala s FCC reš (Al,Cu, austenitni čelici) imaju velike vrijednosti udarnog rada loma koji se neznatno i postupno smanjuje sa smanjenjem temp. Visokočvrsti materijali (visokočvrsti čelici, stakla) imaju niske vrijednosti udarnog rada loma na svim temp. Udarni rad loma metala s BCC reš. (vedina konstruk. Čelika, polimeri) značajno ovisi o temp: pri višim tem su visoke vrijednosti udarnog rada loma, a na niskima su male(mat postaju krhki). Temp koja odvaja područje žilavosti od područja krhkosti naziva se prijelazna temp. Što je niža prijelzna temp materijal se moze koristiti u nepovoljnijim uvjetima eksploatacije. Dinamičke metode ispitivanja Ispitivanje udarne radnje loma: po Charpyu, Izodu, Pelliniju, Bruggeru, tehnološko ispitivanje, ispitivanje lomne žilavosti, ispitivanje umarenjem Ispitivanje udarne radnje loma po Izodu: Kratkotrajno dinamičko ispitivanje, princip sličan Charpyu, za ispitivanje se koristi bat s njihalom, ispitini uzorci: normalni s V zarezom, produženi s dva ili tri zareza na različitim stranama, ispitni uzorak je uglavljen vertikalno s jedne strane, zarez je okrenut prema batu. Uređaj izgleda isto kao i Charpyev a razlika je u tome što epruveta stoji vertikalno, i ovdje bat udara u stranu sa zarezom. Udarni rad loma određuje se na osnovu potencijalne energije utrošene za lom ispitnog uzorka, izvodi se na sobnoj ili sniženim temp. Ispitivanjem po Izodu moguce je odrediti granicnu temp, to je ona mjera zilavosti pri kojoj nekristalni dio prijelomne povrsine iznosi 50 ili 85% Rezultati ispitivanja po Izodu nisu pogodni za proračune nego samo za uspredbu žilavosti različitih mat na raz temp Ispitivanje po Bruggeru –ovo ispitivanje nije standardizirano, ispituju se čelici za izradu zupčanika, uzroci su u cementiranom stanju a na kraju uzoraka su izrađeni zubi, uspoređuju se rezultati s propisanom dinamičkom silom loma. Tehnološko ispitivanje udarom –ispitiju se uzorci isječeni iz gotovih proizvoda za željeznicu (tračnice, vag osovine i obruči za kotače), uzorci se ne smiju slomiti niti napuknuti. Ispitivanje padajućim utegom po Pelliniju- u obzir se uzima dinamička naprezanja niska temp i postojanje pukotina. Pomocu ovog ispitivanja određuje se temp nulte duktilnosti ili NDT, to je najviša temp pri kojoj pukotina prodire kroz presjek ispitnog uzorka tj na njoj se gube sva svojstva plastičnosti čelika. Moguce je u ovisnosti o temp odrediti kritičnu veličinu pukotine i kritične iznose naprezanja. Ispitivanje umora materijala- umor mat predstavlja proces postupnog razaranja materijala usred dugotrajnog djelovanja periodičkih promjenjivih naprezanja koja mogu biti aksijalna (vlak,tlak) , savojna, torzijska. Smatra se da 80-90% svih lomova strojnih dijelova ima kakakter loma usljed umora mat. Ovi lomovi su izuzetno opasni jer se prije njih ne pojavljuje plastična def čak ni kod žilavih materijala. Umor mat se razvija u tri faze: 1. Pojava pukotine u području velike koncentracije naprezanja(mikropukotine, zarezi, nagle promjene poprečnog presjeka). Pukotina se često javlja puno kasnije od početka naprezanja. 2 faza: Postepeni rast pukotine dok se opt neprestano ponavlja. Na površini od žarišta se šire koncentrične kružnice, tzv linije odmaranja. 3 faza: Pukotina dostiže kritičnu veličinu, preostali presjek mat je premali i ne može podnijeti opt te dolazi do naglog pucanja materijala. Začetak trajnog loma(žarište) nalazi se na mjestu gdje iz nekog razloga doslo do koncentracije naprezanja: Koncetratori nap mogu biti: Konstrukcijskog podrijetla, Tehnološkog pod, Nastali u ekspolataciji, Greške u strukturi mat. Metode ispitivanja umaranjem provode se na umaralicama ili pulzatorima koji za razliku od klasicnih kidalica omoguduju promjenjivo opteredenje ispitinih uzoraka ili strojnih elemenata. Promjena naprezanja u jedinici vremena može biti različita i iznosi 10-400 Hz Promjena naprezanja pri ispitivanju sinusoidnog je karaktera Postoji 7 osnovnih tipova sin promjene naprezanja za područje vlaka i tlaka. Pored vlačno tlačnog načina opteredivanja ispitni uzorci mogu biti opteredeni i na savijanje i torziju. Rotacijska umaralica- jedan kraj ispitnog uzorka je pričvršden u steznu glavu a na drugi kraj je ovješen teret. Površina ispitnog uzorka de uslijed okretanja biti izložena periodičnim cikličnim naprezanjima vlak-tlak. Ispitni uzorak se izrađuje prema standardu i njihova površina mora biti polirana. Broj okretaja umaralice pokazuje koliko se puta okrenuo probni uzorak prije puknuda. Rezultati se prikazuju dijagramski pomodu Wohlerovog dijagrama. Wohlerova krivulja: za jedan od odabranih tipova promjenjivog naprezanja provodi se ispitivanje na umaralici. Ispitivanje se provodi na najmanje 5 razina naprezanja, a za svaku razinu potrebno je u pravilu 6-10 ispitnih uzoraka. Svi ispitni uzorci ispituju se najčešde s konstantnim, srednjim, donjim ili amplitudnim naprezanjem. Woh krivulja se asimptotski približava vrijednosti naprezanja koje materijal može izdržati praktički beskonačan broj ciklusa bez loma. Ovo naprezanje se naziva dinamička izdržljivost ili dinamička čvrstoda Rd i predstavlja ono najvede periodično promjenjivo naprezanje koje materijal izdržava uz propisan ili beskonačan broj ciklusa bez pojave loma. Dinamička izdržljivost je mehaničko svojstvo koje karekterizira otpornost materijala prema umoru mat. Prilikom ispitivanja nije moguce ispitivati beskonačno dugo zbog toga se određuje Ng granični broj ciklusa, za koji se smatra da su ispitni uzorci dinamički izdržljivi ako izdrže taj borj ciklusa. Vrijednost graničnog broja ciklusa za metalne materijale: za čelik Ng=10na7 ciklusa. Smithov dijagram: prikazuje dinamičku izdržljivost ovisno o srednjem naprezanju, gornjem ili donjem naprezanju te o amplitudi. LGGN i LDGN ograničavaju područje sigurnosti tj područje primjenjivih naprezanja koje materijal može izdržati bez loma. S gornje strane je Smithov dijagram ograničen s vrijednošdu granice razvlačenja jer materijal ne smije udi u područje plastičnih deformacija. Faktori koji utječu na dinamičku čvrstoću: Metalurški utjecaji (način proizvodnje čelika, lijevanje kristalizacija stupanj čistode kemijski sastav) , Tehnološki utjecaji (topla i hladna deformacija, stupanj i brzina def, toplinska obrada, zavarivanje), Mehanička svojstva (granica razvlačenja, vlačna čvrtoda istezljivost tvrdoda zaostala naprezanja), Utjecaji ispitnih uzoraka (uzorkovanje, priprema, oblik, veličina, kvaliteta površine), Utjecaji koncentratora zareza (vrste naprezanja, temp, tip naprezanja, učestalost promijene naprezanja) Ispitivanje lomne žilavosti lomna ili pukotinska žilavost je svojstvo mat koje definira njegovu otpornost prema nestabilnom rastu pukotine pod precizno određenim uvjetima. Lomna žilavost je kritična vrijednost koncentracije naprezanja na vrhu pukotine pri kojoj nastupa nestabilni rast pukotine pod uvjetima stanja ravninske deformacije: K1c= II a Mpa m a-duljina pukotine,mm radno naprezanje,Mpa. Ne postoje idealni mat, odnosnou mat postoje greške tipa pukotine. Mehanika loma omogudila je dovoljno pouzdano određivanje kritične veličine pukotine, koja ga se dosegne dovodi do loma konstrukcije usljed njenog nestabilnog rasta. Uvjete ovisnosti između rasta pukotine i njene duljine i naprezanja propisuje linearno elastična mehanika loma (LEML). Osnovni faktori koji potpomažu krhki lom: Konc naprezanja oko zareza, velika brzinska opt, temp eksploatacije niža od NDT temp, uvjeti ravninske def u konstrukcijskim elementima. Postoje tri načina otvaranja pukotine pri lomu: 1.otjecpni- površine se međusobno udaljavaju, 2.smični 3.vijčani- površine loma klize jedna po drugoj. 1. Način je najopasniji. Lomna žilavost najčešde se određuje ispitivanjem savijanjem u tri točke ili vlačno. Na uzorke se prethodno nanosi pukotina umaranja min dubine 1,5mm Pri ispitivanju snima se dijagram sila-pomicanje otvora pukotine. Na osnovu ispitivanja određuje se opteredenje koje odg povedanju širine pukotine od 2% (do tu nema plast def LEML) Na osnovu te sile računa se pretp lomna žilavost i provjerava se da li izračunata vrijednost zadovoljava za lomnu žilavost. Ispitivanje puzanjem: Puzanje materijala je pojava postupne spore trajne def mat koja nastaje uslijed djelovanja dugotrajnog konstr. statičkog opt pri povišenoj temp. Naprezanja koja dovode do puzanja obično su manja od granice razvlačenja a temp su više od 40% temp tališta Tp=0,4xTt Čelici pužu na temp višim od 450 C, legure bakra na višim od 270 C, a polimeri ved pri sobnoj temp. Puzanje, otpornost puzanju mat je svojstvo vrlo bitno kod dijelova izloženim dug opt na povišenim temp, kao što su turbinske lopatice, cijevnih i ostalih elemenata kotlovskih postrojenja, dijelova atomskih reaktora, raketnih motora, Ispitivanje otpornosti puzanja: Spada u skupinu statičkih dugotrajnih ispitivanja. Provodi se na uređajima koji se nazivaju puzalice. Ispitni uzorci uglavnom su jednaki ispitnim uzorcima za statički vlačni pokus. Najčešde se koriste proporcionalno dugi uzorci okruglog presjeka s navojnim glavama. Ispitni uzorci se u pedima najprije ugriju na temp ispitivanja koja se tijekom ispitivanja održava konst. Nakon sto je ispitni uzorak ugrijan optereti se vlačno utezima ili sustavom poluga. Prilikom ispitivanja u zadanim vremenskim razmacima utvrđuje se produljenje uzorka. Za svaku ispitnu temp rabi se 4-5 uzoraka. Ova isptivanja otp puzanju su dugotrajna i traju 100-100,000h. Pri tome se ispitivanje puz u trajanju od 100h nazivaju kratkotrajnim. Od 100 do 10,000h su dugotrajna, a do 25,000 na dalje super dugotrajna Karakteristični dijagram puzanja 3 karakteristična stadija: 1.Primarno ili početno puzanje. Krivulja ne počinje iz ishodišta jer jer deformacija nastala u trenutku kad je ispitni uzorak optereden. U prvom stadiju (točke1-2) raste puzanje dok se ne postigne konstantna brzina, dok opada brzina puzanja točke (1'-2') 2.stadij Stacionarno ili jednakomjerno puzanje s (približno) konstantnom brzinom puzanja. U tom stadiju je dijagram približno pravac s koef smjera Ʌel Ʌt brzinom puzanja. Nagib tog pravca govori o otpornosti materijala prema puzanju, što je mat otporniji na puzanje manji je nagib pravca. Ako je paralelan s apcisom materijal je potpuno otporan na puzanje. Drugi stadij vremenski traje puno dulje nego 1 i 3 stadij. 3 stadij: Završni je stadij gdje ubrzano rastu deformacije (ne postoji linearna ovisnost izmjerenog istezanja i vremena) i brzina puzanja. Dolazi do pojave lokalnog sniženja pop presjeka te na kraju i do loma. 3 stadij nema značenja za praksu i treba ga izbjegavati. S porastom temp ili naprezanja povedava se deformacija, skraduje 2 stadij te da prije počinje 3.stadij. Pri malim naprez ili niskim temp mala je def, vrlo je velika duljina 2 stadija, a stadij 3 se ne pojavljuje. Svojstva materijala pri ispitivanju puzanjem: cilj ovog ispitivanja je određivanje karakteristika otpornosti materijala puzanja, granice puzanja i statičke izdržljivosti a po potrebi i odg karakteristika deformabilnosti i suženja. Mehanička svojstva koja karakteriziraju otpornost materijala puzanju su : Granica puzanja Rpε/t/ϑ predstavlja vlačno naprezanje koje pri temperaturi ispitivanja ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja "t" ostavlja u epruveti definiranu trajnu deformaciju ε. Najčešde je ona: 0,1; 0,2; 0,5 ili 1 %. Primjerice Rp0,2/1000/500 predstavlja naprezanje koje je nakon 1000 h ispitivanja pri 500 °C trajno produljilo epruvetu za 0,2 %. Statička izdržljivost Rm/t/ϑ je ono vlačno naprezanje koje pri temperaturi ϑ nakon zadanog trajanja ispitivanja "t" dovodi do loma epruvete. Npr. Rm/100000/475 je naprezanje koje dovodi do loma epruvete nakon 100000 h ispitivanja pri 475 °C. Zbog dogotrajnosti primjenjuju se i kratkotrajna ispitivanja kojima je mogude odrediti granicu puzanja Rdvm/ϑ. Rdvm/ϑ predstavlja ono konstantno naprezanje koje između 25. i 35. sata ispitivanja izaziva brzinu puzanja Δε/Δt=10-3 %/h, a dodatno nakon rasteredenja trajnu deformaciju εpl.<0,2 % Ispitivanje mikrotvrdoće: tvrdoda predstavlja otpornost materijala prema prodiranju nekog drugog znatno tvrđeg tijela. Mjerenje tvrdode je jedan od najraširenijih postupaka na području ispitivanja mehaničkih svojstava. Razlog tome je sto tvrdoda u odnosu s nekim drugim meh svojstvima npr. S vlačnom vrstodom. Mjerenje tvrdode je jednostavnije i brže od ispitivanja nekih drugih meh svojstava. Za mjerenje tvrdoce nisu potrebni posebno izrađeni uzorci vec je mjerenje moguce na poluproizvodima ili gotovim proizvodima. Metode ispitivanja mogu biti: statičke:Brinellova, Vickersova, Rockwellova i dinamičke: Poldijeva, Skleroskopska, Duroskopska. Kod statičkih metoda sila ispitivanja koja djeluje na utiskivač postupno raste do max vrijednosti. Kod dinamičkih ispitivanja sila na utiskivač ostvaruje se udarom, ili se tvrdoda određuje na osnovu elastičnog odskoka utiskivača od površine koja se ispituje. U praksi se najčešde koriste statičke metode ispitivanja. Prema veličini sile za ustiskivanje razlikuju se postupci ispitivanja: makro, semimikro i mikrotvrdoda. Veličina sile utiskivanja ovisi o debljini uzorka i vrsti materijala. Semimikro metoda se koristi za mjerenje tankih slojeva, a metoda mikrotvrdoce za mikrostrukturu konstituenata(ferila, perlita). Vickersova metoda isp mikrotvrdoće: Vickers je svojom metodom uklonio glavne nedostatke Brinell-ove metode, pa je po ovoj metodi mogude mjeriti i najtvrđe materijale, a nadalje kod Vickersa tvrdoda nije ovisna o primijenjenoj sili. Prvi nedostatak uklonjen je primjenom najtvrđeg materijala - dijamanta za penetrator, a drugi geometrijom penetratora. Naime kod Vickersa je penetrator istostrana četverostrana piramida s kutem između stranica od 136°. Ovakav kut nije odabran nasumce, ved se utiskivanjem penetratora s tim kutem, dobivaju vrijednosti tvrdode neovisne o primijenjenoj sili, pa se tvrdoda mekanih materijala i tvrdih materijala može mjeriti primjenom iste sile, a isto tako se tvrdoda istog materijala može mjeriti s različitim opteredenjima. Utiskivanjem ovakvog penetratora u materijalu ostaje otisak oblika piramide. Kod Vickersa se kao i kod Brinella na tvrdodu zaključuje na osnovi veličine otiska Tvrdoda se određuje po izrazu :HV = F/S gdje su :F - primijenjena sila, S - površina šuplje piramide nastale u materijalu. Prednosti Vickersove metode : - tvrdoda je neovisna o primijenjenoj sili - mogude mjerenje tvrdode i najtvrđih materijala - mogude je mjerenje tvrdode vrlo tankih uzoraka te čak tvrdoda pojedinih zrna (kristala) jasno primjenom male sile - Vickersova metoda jedina je primjenjiva u znanstveno istraživačkom radu na području materijala - otisak je vrlo malen pa ne ošteduje površinu (važno pri mjerenju tvrdode gotovih proizvoda). Nedostaci: - potrebna brižljiva priprema površine uzorka na kojoj se obavlja mjerenje - za mjerenje veličine otiska potreban je mjerni mikroskop. Knoopova metoda isp mikrotvrdoće: razvijena kao alternativa Vickersovoj metodi i koristi se za isp tvrdode vrlo tankih slojeva. Mjerne sile za mjerenje mikrotvrdode krecu se u raponu od 0,098N do 0,981N. Kao utiskivač koristi se dijamantna piramida s rombocedarskom osnovom i višim kutevima 172,5 i 130. Otisak je romb kojemu je dulja dijagonala 7 puta dulja od krade. Sam postupak se provodi na isti način kao i kod Vickersa, no za razliku od njega tvrdoca se određuje samo na osnovu dulje dijagonale. Prednosti Knoopve metode u odnosu na Vick: Knoopov utiskivač u materijal prodire duplo plide, duljina glavne dijagonale otiska po Knoopu je oko 3 puta dulja od Vickersove, mogude je gušde mjerenje, Vick metoda je osjetljivija na pogreske u mjerenju, Knoop metoda pogodnija je za vrlo tvrde i krhke materijale, te vrlo tanke slojeve.