MATERIJALI I MEHANIČKA SVOJSTVA MATERIJALA. Prof. dr. sc. Ivica Kladarić

Transcript

1 MATERIJALI I MEHANIČKA SVOJSTVA MATERIJALA Statički vlačni pokus Prof. dr. sc. Ivica Kladarić 1

2 UVOD Metalni materijali najviše se upotrebljavaju u tehničkoj praksi zbog povoljnih mehaničkih, tehnoloških, fizikalnih, kemijskih i drugih svojstava. U strojarstvu temeljna svojstva materijala su mehanička: čvrstoća, granica razvlačenja, istezljivost, žilavost, tvrdoća i sl. Mehaničko svojstvo materijala predstavlja mjerljivu veličinu materijala, koja se može brojčano odrediti pomoću normiranih metoda ispitivanja. Opća sistematizacija mehaničkih svojstava i uvjeta ispitivanja je: a) Prema načinu djelovanja opterećenja na: b) Prema brzini djelovanja opterećenja: - statičko i - dinamičko (udarno ili promjenljivo). c) Prema temperaturi ispitivanja na: - sobnoj (23±5 o C), - povišenoj i - sniženoj temperaturi. d) Prema trajanju djelovanja opterećenja na: - kratkotrajna i - dugotrajna. 2

3 Statičkim vlačnim pokusom utvrđuju se osnovna mehanička svojstva, kao što su: granica razvlačenja, vlačna čvrstoća, modul elastičnosti, istezljivost, suženje itd. Vlačni pokus se provodi uređajima (tzv. kidalice) na kojima se ispitni uzorak kontinuirano vlačno opterećuje do loma. Pri ispitivanju se kontinuirano mjere sila i produljenje ispitnog uzorka te se pisačem grafički registrira dijagram sila produljenje. Uređaji za ispitivanje mogu biti različite veličine obzirom na silu kojom mogu djelovati na uzorak, a imaju ove grupe dijelova: 1. kućište 2. mehanizam za prijenos sile na uzorak (mehanički ili hidraulički) 3. pristroj za držanje uzorka ( čeljusti ) 4. uređaj za registriranje sile i produljenja. Mehaničke stezne čeljusti Hidraulička kidalica Mehanička kidalica Pneumatske stezne čeljusti Uređaj za registriranje sile i produljenja 3

4 Kako bi se dobiveni rezultati mehaničkih svojstava mogli međusobno uspoređivati potrebno je ispitivanje provoditi prema važećim standardima. Standardi po kojima se izvodi vlačni pokus pri sobnoj temperaturi su: HRN C.A4.1, HRN C.A4.2 i HRN EN 12-1 Ovi standardi definiraju: a) oblik i mjere ispitnog uzorka, b) brzinu opterećenja, c) temperaturu prostora u kojem se izvodi ispitivanje i d) način provođenja ispitivanja i izračunavanja rezultata. Ispitni uzorci od lima Oblik i mjere ispitnog uzorka Ispitni uzorci mogu biti okruglog ili četvrtastog poprečnog presjeka. Mjesta uzimanja ispitnih uzoraka Ispitni uzorci od različitih materijala 4

5 Oblik i mjere ispitnog uzorka Razlikuju se dva osnovna tipa ispitnih uzoraka: normalni i proporcionalni. Po obliku su jednaki, ali se razlikuju po dimenzijama. U izvještaju o rezultatima ispitivanja uvijek se mora navesti i vrsta epruvete. 5

6 Brzina opterećenja ne smije prijeći vrijednosti S o x 1 N/mm 2 s. Temperatura prostora u kojem se izvodi ispitivanje treba iznosi 23±5 o C. Način provođenja ispitivanja Ispitni uzorak (d i L, mm) postavi se u čeljusti kidalice i vlačno optereti. Za vrijeme ispitivanja bilježi se sila na kojoj je došlo do tečenja materijala (F e, N) i maksimalno postignuta sila (F m, N). Nakon ispitivanja izmjeri se duljina ispitnog uzorka poslije kidanja (L u, mm) i promjer ispitnog uzorka nakon kidanja (d u, mm). Poslije vlačnog pokusa snimljen je dijagram sila produljenje. U dijagrama od ishodišta O do točke P ispitni uzorak se produžuje upravno proporcionalno s opterećenjem (F/ l=const.). U tome dijelu grafa imamo linearnu funkciju koja izražava Hookeov zakon. Točka P do koje vrijedi Hookeov zakon naziva se granica proporcionalnosti. Nagib Hookeova pravca α definira karakteristiku materijala Youngov modul ili modul elastičnosti. E = tgα,, za čelik iznosi E č =21 F, N F m F e O E P T α Jednolika deformacija 1 = 1 6 Pa 1 Pa = 1 N/m 2 ili 1 = 1 N/mm 2 M K Lokalna deformacija L, mm 6

7 Način provođenja ispitivanja Sljedeća karakteristična točka na dijagramu je točka E koja predstavlja granicu elastičnosti. Ona definira mjesto do kojega postoje samo elastične deformacije, prelaskom te točke javljaju se prve plastične (trajne) deformacije. Izračunavanje rezultata F, N F m F e E P T M Područje plastičnih deformacija Područje elastičnih deformacija K Pomoću rezultata vlačnog pokusa (d, L, F e, F m, d u i L u ) moguće je izračunati četiri mehanička svojstva. 1. Granica razvlačenja (tečenja) R e utvrđuje se izrazom: Granicu razvlačenja karakteriziraju dvije vrijednosti: O R F e e =, S R e označava ono naprezanje koje odvaja područje elastičnih od plastičnih deformacija. R eh gornja granica razvlačenja R el donja granica razvlačenja R R F = S eh eh, F S el el =, L, mm Vrijednosti granice razvlačenja koje su propisane u tehničkim uvjetima isporuke materijala (obično kao minimalne vrijednosti), odnose se na gornju granicu razvlačenja R eh. 7

8 Izračunavanje rezultata 2. Vlačna ili rastezna čvrstoća R m utvrđuje se izrazom: R F S m m =, R m je osnovno mehaničko svojstvo na temelju kojeg se materijali vrednuju prema njihovoj mehaničkoj otpornosti. 3. Istezljivost materijala A utvrđuje se izrazom: Lu L A = L 1, % S 2 d π = = a b, S u 4 2 u d π = = a 4 u b, u 2 mm 2 mm Istezljivost A označava relativno produljenje materijala u aksijalnom smijeru u odnosu na početnu mjernu duljinu L. Na osnovi istezljivosti A materijali se međusobno uspoređuju u pogledu deformabilnosti u uzdužnom smjeru ispitnog uzorka. 4. Suženje (kontrakcija) materijala Z utvrđuje se izrazom: S S Z = S u 1, % Suženje Z karakterizira deformabilnost materijala u smjeru poprečnom na djelovanje opterećenja i označava relativno suženje poprečnog presjeka ispitnog uzorka u odnosu na početni poprečni presjek. 8

9 Konvencionalni dijagram naprezanje - jedinično istezanje Veličine iz dijagrama sila-produljenje preračunavamo u naprezanje (σ) i jedinično istezanje (ε) prema izrazu: σ = F, S ε = L t L 1 = L Ucrtavajući izračunate vrijednosti naprezanja i istezanja u koordinatni sustav dobije se konvencionalni dijagram naprezanje jedinično istezane (σ - ε dijagram). σ, M R m K T R Područje klonulosti (loma) e OBRADA ODVAJANJEM ČESTICA Područje popuštanja OBRADA DEFORMIRANJEM α L L Područje elastičnosti KONSTRUKCIJE A α 1, ε, % Kod konvencionalnog dijagrama σ - ε, opterećenje se svodi na početni presjek S. % 9

10 Stvarni dijagram naprezanje - jedinično istezanje Kod stvarnog dijagrama σ - ε opterećenje se svodi na stvarni presjek S. σ = F, S ε = L t L 1 = L Ucrtavajući izračunate vrijednosti naprezanja i istezanja u koordinatni sustav dobije se stvarni dijagram naprezanje jedinično istezane. L L σ, 1, % M M K Stvarni dijagram K Konvencionalni dijagram α ε, % 1

11 Dijagrami i svojstva pri vlačnom ispitivanju Dijagrami različitih materijala mogu se podjeliti u četiri osnovna oblika: 1. s izraženom granicom razvlačenja (npr. meki i srednje tvrdi čelici) 2. s kontinuiranim prijelazom iz elastičnog u elastično/plastično područje deformacija (npr. bakar i aluminij). 3. bez područja elastično/plastičnih deformacija (krhki materijali koji se lome gotovo bez plastične deformacije, npr. sivi lijev ili zakaljeni čelik) 4. s entropijskom elastičnom deformacijom, npr. neki organski materijali i polimeri tipa elastomera σ, sivi lijev (3) zakaljeni čelik (3) srednje tvrdi čelik (1) meki čelik (1) Cu (odžaren) (2) Al (odžaren) (2) elastomer (4) ε, % 11

12 Statički vlačni pokus Konvencionalna granica razvlačenja Kod materijala kod kojih nije izražena granica razvlačenja određuje se TEHNIČKA ili KONVENCIONALNA GRANICA RAZVLAČENJA R p,2. R p,2 je ono naprezanje koje u materijalu izaziva trajnu deformaciju od,2 %. Kod određivanja R p,2 upotrebljava se grafička metoda na dijagramu naprezanje-jedinično istezanje. Ova se metoda zasniva na uvjetu da je nakon prestanka djelovanja opterećenja krivulja povratka ravna linija tj. Hookeov pravac. σ, R p,2 Kada se povuče paralelni pravac Hookeovom pravcu kroz istezanje od,2%, sjecište s krivuljom naprezanjejedinično istezanje dat će naprezanje R p,2. I I I I I,1,2,3,4 ε, % 12