ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA

Transcript

1 UNIVERZITET U ZENICI FAKULTET ZA METALURGIJU I MATERIJALE Dr. Ivan Vitez Dr. Mirsada Oruč Mr. Raza Sunulahpašić ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA - mehanička i tehnološka ispitivanja - Zenica, 2006.

2

3 Dr Ivan Vitez Dr Mirsada Oruč Mr Raza Sunulahpašić ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA - mehanička i tehnološka ispitivanja - Zenica, 2006.

4 Autori: Izdavač: Recenzenti: Lektor: Tiraž: Štampa: Dr. Ivan Vitez Dr. Mirsada Oruč Mr. Raza Sunulahpašić Fakultet za metalurgiju i materijale Zenica Univerzitet u Zenici Prof.dr. Tatjana Mihać, Redovni profesor Prirodno matematičkog fakulteta Sarajevo, Univerzitet u Sarajevu Prof.dr. Fuad Begovac Vanredni profesor Fakulteta za metalurgiju i materijale Zenica, Univerzitet u Zenici Doc.dr. Suada Bikić Docent Fakulteta za metalurgiju i materijale Zenica, Univerzitet u Zenici Dijana Hasanica 200 komada GRAFORAD, Zenica CIP Katalogizacija u publikaciji Nacionalna i univerzitetska biblioteka Bosne i Hercegovine, Sarajevo :620.1] (075.8) VITEZ, Ivan Ispitivanje metalnih materijala : mehanička i tehnološka ispitivanja / Ivan Vitez, Mirsada Oruč, Raza Sunulahpašić. Zenica : Fakultet za metalurgiju i materijale, str.: graf. prikazi ; 25 cm Bibliografija: str ISBN Oruč Mirsada, 2. Sunulahpašić, Raza COBISS.BH-ID Naučno-nastavno vijeće Fakulteta za metalurgiju i materijale u Zenici odobrilo je izradu ovog udžbenika Odlukom br / od godine.

5 U sjećanje na sve studente i inžinjere Metalurškog fakulteta Fakulteta za metalurgiju i materijale i Mašinskog fakulteta u Zenici koji nisu više među nama

6

7 PREDGOVOR Značaj ispitivanja metala za razvoj tehnike te današnja dostignuća na polju gradnje automobila, željeznica, svemirskih letjelica, brodova, turbina itd. je izvanredno veliki. Veoma rasprostranjena primjena metala kao gradivnih materijala pripisuje se prvenstveno njihovim veoma podesnim mehaničkim osobinama koje se ispituju jednim od mehaničkih postupaka ispitivanja. Ispitivanja materijala ne vrše se samo radi utvrđivanja osobina prilikom proizvodnje ili prijema već i u svrhu utvrđivanja načina upotrebe i odgovornosti ali i u cilju poboljšanja osobina kako bi se dobili materijali za nove proizvode, odnosno nova područja primjene. Svakodnevni tehnički razvoj prati izvođenje novih i usavršavanje postojećih metoda i postupaka ispitivanja, kao i opšta težnja za njihovu međunarodnu primjenu. Ovaj udžbenik je namijenjen studentima dodiplomskog studija tehničkih fakulteta kao i korisno pomagalo svim stručnjacima koji se susreću s ispitivanjima, izborom i primjenom materijala, te proizvodnjom, upotrebom i ispitivanjem metalnih proizvoda. Posebna pažnja pri pisanju udžbenika posvećena je nazivu i označavanju mehaničkih osobina koji su usklađeni sa EN, ISO standardima, koji su preuzeti. Tamo gdje ti standardi još nisu preuzeti ili ne postoje, navedeni su standardi koji se koriste i danas na području Bosne i Hercegovine ili njenom okruženju (Hrvatske, Srbije i Crne Gore itd). Autori

8

9 S A D R Ž A J UVOD 1 1. HISTORIJSKI PREGLED RAZVOJA ISPITIVANJA MATERIJALA 3 2. VRSTE ISPITIVANJA MATERIJALA 7 3. MEHANIČKA ISPITIVANJA Statičke metode ispitivanja Ispitivanje zatezanjem Ispitivanje pritiskom Ispitivanje savijanjem Ispitivanje smicanjem Ispitivanje uvijanjem Dinamičke metode ispitivanja Ispitivanje udarne radnje loma Utjecajni faktori na žilavost materijala Druge metode ispitivanja udarom Ispitivanje lomne žilavosti Razvoj i teorijske osnove mehanike loma Standardi i ostali propisi za određivanje parametara 76 mehanike loma Tok ispitivanja lomne žilavosti po ASTM E Ispitivanje zamaranjem Pojava zamaranja materijala i njegove posljedice Mehanizam oštećivanja materijala pri zamaranju Metoda ispitivanja i dijagrami dinamičke izdržljivosti 98 materijala Mašine za ispitivanje zamaranjem Korelacije dinamičke izdržljivosti i svojstava zatezanja Statička dugotrajna ispitivanja Ispitivanje puzanjem Karakteristike dijagrama puzanja Parametri procesa puzanja Definicije svojstava pri ispitivanju puzanjem Ispitivanje relaksacijom Ispitivanje tvrdoće Brinellova metoda Zavisnost između tvrdoće i zatezne čvrstoće 138

10 Mašine (aparati) za ispitivanje tvrdoće Vickersova metoda Ispitivanje mikro tvrdoće Rockwellova - metoda Ispitivanje tvrdoće dinamičkim dejstvom sile Ispitivanje tvrdoće padom Ispitivanje tvrdoće udarom Ispitivanje tvrdoće elastičnim odskakanjem Preračunavanje tvrdoće TEHNOLOŠKA ISPITIVANJA Ispitivanje savijanjem Ispitivanje bakra i bakarnih legura savijanjem Ispitivanje lakih metala i njihovih legura savijanjem Ispitivanje cijevi savijanjem Ispitivanje naizmjeničnim previjanjem Ispitivanje limova naizmjeničnim previjanjem Ispitivanje žica naizmjeničnim previjanjem Ispitivanje dubokim izvlačenjem Ispitivanje sabijanjem Raskivanje ili rastanjivanje metala Ispitivanje probijanjem Ispitivanje žice uvijanjem (torzijom) Ispitivanje žica namotavanjem u zavojnicu Ispitivanje opruga Ispitivanje cijevi spljošnjavanjem Ispitivanje cijevi proširivanjem sa cilindričnim 174 utiskivačem Ispitivanje cijevi posuvraćivanjem Ispitivanje cijevi proširivanjem koničnim 176 utiskivačem Ispitivanje cijevi gnječenjem Ispitivanje cijevi unutrašnjim hidrauličnim 178 pritiskom Ispitivanje cijevi proširivanjem prstena Ispitivanje čeličnih cijevi razvlačenjem prstena Ispitivanje čeličnih užadi 181 LITERATURA 185

11 UVOD Temelje savremenog naučno-tehničkog razvoja čine materijali, energetika i automatizacija. Značaj materijala je vrlo velik jer od njihovog razvoja zavisi i intenzitet razvoja energetike i automatizacije. Upravo zato se nauci o materijalima poklanja posebna pažnja. Nauka o materijalima povezuje fizikalnu hemiju i fiziku čvrstog stanja. Ona ustvari izučava uzročnu zavisnost između zakonitosti i procesa proizvodnje materijala i njihovih svojstava. Preciznije rečeno nauka o materijalima izučava zavisnost između hemijskog sastava, strukturne građe i svojstava materijala, kao i njihovo ponašanje pod djelovanjem mehaničkih, hemijskih i elektromagnetnih utjecaja. Ispitivanje materijala je područje nauke o materijalima (ili materijalike), koje je usko povezano s drugim naukama u inženjerstvu kao što su: mehanika čvrstog tijela, tehnika konstruisanja, tehnika proizvodnje i prerade i tehnika automatizacije. Temeljni zadaci ispitivanja materijala su: 1. Određivanje pogodnih veličina za karakterizaciju svojstava materijala i njihovo kvantitativno izražavanje u obliku upotrebljivih karakteristika; 2. Kontinuirana i široka automatizirana kontrola promjena svojstava materijala, koje nastaju kod proizvodnje, prerade i obrade materijala s otkrivanjem mogućih grešaka materijala; 3. Periodična kontrola stanja materijala nakon određenog vremena eksploatacije; 4. Istraživanje slučajeva raznih oštećenja i uzroka lomova mašinskih dijelova u eksploataciji; 5. Razvoj novih materijala itd. Opšta podjela svojstava materijala koji se primijenjuju u tehnici je na: - mehanička, - tehnološka, - hemijska, - fizička i - eksploataciona. Svojstva materijala su općenito posljedica njegovog strukturnog stanja. Pravilnim izborom određenog materijala i tehnološkog procesa postiže se ciljano strukturno stanje, koje daje materijalu potrebna mehanička, odnosno eksploataciona svojstva. S gledišta inžinjera (mašinaca, metalurga, građevinaca itd.) temeljna svojstva materijala su mehanička: čvrstoća, napon tečenja, modul elastičnosti, izduženje, žilavost, tvrdoća, dinamička izdržljivost. Svojstvo ili karakteristika 1

12 materijala predstavlja mjerljivu veličinu materijala, koja se može brojčano odrediti pomoću standardizovanih metoda ispitivanja, npr. zatezna čvrstoća nekog čelika, R m =700 MPa. Tehnološka svojstva materijala pokazuju njegovu sposobnost za obradu različitim postupcima, kao što su: livkost, deformabilnost u vrućem ili hladnom stanju, zavarivost, rezljivost odvajanjem čestica, sabijanje, savijanje, duboko izvlačenje lima, spljoštavanje cijevi, namotavanje žice oko jezgre i sl. Ocjenjivanje je opisno: zadovoljava ili ne zadovoljava, zavisno od toga da li je ispunjen propisani kriterij ili ne. itd. Hemijska svojstva su hemijski sastav i otpornost na koroziju. Fizička svojstva su električna, magnetna, toplotna, optička, mehanička Eksploataciona svojstva pokazuju otpornost materijalu u upotrebi. To su npr. otpornost na trošenje, mehanička svojstva proizvoda i slično. U ovom udžbeniku će se obraditi metode mehaničkih i tehnoloških ispitivanja metalnih materijala. 2

13 1. HISTORIJSKI PREGLED RAZVOJA ISPITIVANJA MATERIJALA Može se pretpostaviti da ispitivanja materijala, radi određivanja njihovih upotrebnih svojstava, počinje s razvojem ljudskog društva. O tome govore nazivi raznih etapa civilizacije vezani za nazive materijala dotičnih doba (kameno, bakarno, bronzano, željezno itd.). Smatra se da je čovjek pristupio ispitivanju materijala čim je odlučio da upotrijebi određeni materijal za gradnju. Ne može se odrediti tačan početak ispitivanja materijala, ali je sigurno da su drevne civilizacije Sumerana, Egipćana, Inka, Grka, Rimljana i dr. znale nešto o mehaničkim svojstvima, kao što su tvrdoća i čvrstoća materijala s kojima su gradili svoje monumentalne građevine. U početku su za gradnju bili više u upotrebi kamen i drvo, a znatno manje metali, koji su se postepeno otkrivali i razvijali napredovanjem zanatstva, nauke i tehnologije proizvodnje. Saznanja iz Starog vijeka o materijalima i vještinama gradnje uglavnom su izgubljena u Srednjem vijeku, a počela su se obnavljati pojavom Renesanse. Prvi pisani podaci o ispitivanju mehaničkih svojstava materijala potiču tek iz 16. vijeka, od čuvenog znanstvenika toga vremena Leonarda da Vincija* 1, koji je prvi izvodio opite ispitivanja čvrstoće žice i proučavao izdržljivost materijala. Kraći historijski pregled važnih godina i naučnika za razvoj pretežno mehaničkih ispitivanja materijala od 16. do druge polovine 20. vijeka dat je u tabeli 1. Vremenski period iza II svjetskog rata do kraja 20. vijeka može se smatrati periodom usavršavanja postojećih metoda ispitivanja materijala i razvojem novih metoda ispitivanja i tehnologija sve radi osiguravanja bolje pouzdanosti materijala u upotrebi. Novija metoda ispitivanja materijala naprimjer je elektronska mikroskopija, pomoću koje je moguće istraživanje grešaka kristalne rešetke, a na području mehaničkih ispitivanja - lomna žilavost. * 1 Leonardo da Vinci (izg. da Vinči ), veliki talijanski slikar, kipar, arhitekta i naučnik (mehanika i matematika). On je konstruisao više naprava i mašina. 3

14 Tabela 1. - Razvoj ispitivanja materijala od 16. do druge polovine 20. vijeka Godina Naučnik Doprinos u ispitivanju materijala Leonardo da Vinci Opisao ispitivanje zatezne čvrstoće žice radi određivanja njezine jačine; Galileo Galilei * 2 Postavio pitanje loma materijala na temelju eksperimenata savijanja grede; Robert Hooke * 3 Objavio zakon o proporcionalnosti opterećenja i deformacije elastičnog tijela; Edme Mariotte * 4 Hookeov zakon otkrio eksperimentom; Charles Augustin Coulomb * 5 Objavio analizu naprezanja, postavio hipotezu kidanja pri najvećem tangencijalnom naprezanju i uveo pojam klizanja kod smicanja; Thomas Young * 6 Uveo pojam modula elastičnosti (E) pri zatezanju i pritisku, ustanovio razliku između normalnih i tangencijalnih naprezanja; Simeon Denis Poisson * 7 Uveo koeficijent poprečne deformacije (µ), koji povezuje module E, G i K; Konstruisana je u Engleskoj prva velika horizontalna kidalica za ispitivanje elemenata dužine do 6 m s opterećenjima do 3000 kn; August Wöhler (izg. Veler) Na temelju 15 godišnjeg istraživanja formulisao je temeljne principe ispitivanja materijala zamaranjem (Wöhlerov dijagram); Poznate su klasične metode statičkih ispitivanja materijala zatezanjem, pritiskom i savijanjem; 4

15 Tabela 1. - Nastavak Godina Naučnik Doprinos u ispitivanju materijala J. Bauschinger (izg. Baušinger) Definisao zatezne karakteristike materijala i pojavu "Bauschingerovog efekta" pri ponavljanju opterećivanja u području elastične deformacije materijala; Na inicijativu Bauschingera utemeljeno je Internacionalno društvo za ispitivanje materijala (IVM), a već 1896.g. društvo Deutsche Verband für die Materialprüfung der Technik - DVM; Wilhelm Konrad Röntgen * 8 Otkrio X-zrake nazvane po njemu rendgenske zrake za ispitivanje materijala bez razaranja; J.A. Brinell (izg. Brinel) Šveđanin Brinell, poslije svjetske izložbe u Parizu, održao je predavanje o određivanju tvrdoće metala, (otada je poznata njegova metoda); G. Charpy (izg. Šarpi) Predstavio ispitivanje udarnog savijanja epruveta s zarezom na kongresu IVM 1901.g. u Budimpešti; A.F.Shore (izg. Šor) Uveo metodu dinamičkog ispitivanja tvrdoće odskokom za čelike koji se ne mogu ispitati po Brinellu; Max von Laue Postavio temelje strukturne analize pomoću rendgenskih zraka i rendgenografskog mjerenja naprezanja; Erichsen (izg. Eriksen) Patentirao postupak tehnološkog ispitivanja dubokim izvlačenjem tankih limova u hladnom stanju; 5

16 Tabela 1. - Nastavak Godina Naučnik Doprinos u ispitivanju materijala S.P. Rockwell (izg. Rokvel) Uveo postupak ispitivanja tvrdoće pomoću dijamantske kupe (tvrdoća HRC za tvrde čelike); R. Smith i G. Sandland - - Vickersov postupak Sokolow-ultrazvučno ispitivanje 6 Dat je prijedlog za "tačni postupak za ispitivanje tvrdoće metala", osobito veće tvrdoće. Prvi aparat za ovaj postupak izradila je firma Vickers- Armstrong; Rus Sokolow otkrio postupak ultrazvučnog ispitivanja materijala bez razaranja za otkrivanje unutrašnjih grešaka; A.H. Ruge i E.E. Simmons Razvili su mjerne trake za određivanje naprezanja pomoću promjene električnog otpora žice s promjenom dužine. * 2 Galileo Galilei (izg. Galilej, ), veliki talijanski fizičar, astronom, matematičar i eksperimentator, koji je gradio na iskustvu; * 3 Robert Hooke (izg. Huk, ), veliki engleski fizičar, pronalazač mikroskopa 1665.g., formulisao Hookeov zakon, bavio se matematikom, hemijom, astronomijom i biologijom; * 4 Edme Mariotte ( ), francuski fizičar koji je nezavisno od Boylea otkrio zakon o odnosu pritiska i volumena idealnog plina (P V=const.). On je ispitivao vodovodne cijevi pri gradnji dvorca u Versaillesu; * 5 Charles Augustin Coulomb (izg. Kulon, ), francuski fizičar i vojni inžinjer poznat po radovima s područja mehanike i nauke o elektromagnetizmu (Kulonov zakon privlačenja dva električna naboja); * 6 Thomas Young (izg. Jang, ), engleski fizičar, prirodnjak i liječnik, opisao talasnu teoriju svjetlosti, te nezavisno od Champolliona dešifrovao egipatske hijeroglife; * 7 Simeon Denis Poisson (izg. Puason, ), francuski matematičar i fizičar, radio na diferencijalnim jednačinama, te teorijama elastičnosti i toplote; * 8 Wilhelm Konrad Röntgen (izg. Rentgen, ), njemački fizičar, pronalazač rendgenskih zraka. Dobio Nobelovu nagradu za fiziku godine.

17 2. VRSTE ISPITIVANJA MATERIJALA Opšta podjela vrsta ispitivanja materijala s ciljevima data je u tabeli 2. Tabela 2. - Vrste ispitivanja materijala i ciljevi [1, 2] Red.br. Vrsta ispitivanja Rezultat ili saznanje 1. Mehanička Temeljna svojstva materijala kao: čvrstoća, žilavost, tvrdoća itd. 2. Tehnološka Upotrebna svojstva materijala kao: deformabilnost u vrućem ili hladnom stanju, i sl. 3. Bez razaranja Pukotine i ostale greške u materijalima kao: poroznost, lunker, dvoplatnost itd. 4. Metalografska Mikro i makrostruktura, veličina zrna, troskin broj, stanje termičke obrade itd. 5. Hemijska Sadržaj elemenata, otpornost prema koroziji itd. 6. Fizička Svojstva kao: toplotna, električna, magnetna, optička itd. U ovom udžbeniku obrađene su prve dvije navedene vrste ispitivanja materijala iz tabele 2. 7

18 3. MEHANIČKA ISPITIVANJA Opšta podjela mehaničkih svojstava i uslova ispitivanja je slijedeća: a) prema načinu djelovanja opterećenja na: zatezanje, pritisak, savijanje, uvijanje, smicanje te kombinacije kao zatezanje i pritisak itd; b) prema brzini djelovanja opterećenja na: statičko i dinamičko. Statička opterećenja na zatezanje, pritisak, savijanje, uvijanje i smicanje, obično su kratkotrajna (kada traju cca desetak minuta), a neka od njih mogu biti i dugotrajna kod ispitivanja puzanja i relaksacije (kada mogu trajati od 45 do sati). Dinamička opterećenja mogu biti udarna (brzina udara Charpyjeva klatna obično je 5,5 m/s) ili promjenljiva (s istosmjernim ciklusima na zatezanje ili pritisak i naizmjenična s kombinacijama zatezanje i pritisak). Dinamička promjenljiva opterećenja osim na zatezanje i pritisak, mogu biti još na savijanje i uvijanje; c) prema temperaturi ispitivanja: na sobnoj, na povišenoj i na sniženoj temperaturi. Najčešće se vrše ispitivanja na sobnoj temperaturi (između 10 i 35 o C), zatim pod kontrolisanim uvjetima na temperaturi 23±5 o C (npr. za puzanje, relaksacija itd.), te na sniženoj temperaturi (npr. udarne radnje loma na -20 o C) i na povišenoj temperaturi (npr. puzanje na temperaturama +400, +500, +600 o C itd.); d) prema trajanju djelovanja opterećenja na: kratkotrajna i dugotrajna, kako je to već obrađeno pod b) (slika 1.). Statičko mirno (puzanje, R m/1000/τ ) Statičko zatezanje (R eh, R m, A 5, Z) Dinamičko udarno (Charpy klatno, KV) Dinamičko promjenljivo, (R d ) (zamaranje N g ciklusa) - dugotrajno- Vrijeme, h - kratkotrajno - Vrijeme, min. - kratkotrajno - Vrijeme, s -dugotrajno Broj ciklusa, N Slika 1. Uporedni izgled statičkih i dinamičkih opterećenja [1] 8

19 3.1. Statičke metode ispitivanja Ispitivanje zatezanjem Ispitivanje zatezanjem ubraja se u najvažnija mehanička ispitivanja materijala, jer ono daje najviše važnih upotrebnih svojstava, kao što su: napon tečenja, zatezna čvrstoća, modul elastičnosti, izduženje (istezanje), suženje itd. Prve eksperimente zatezanjem na žici radi određivanja zatezne čvrstoće, kako je već navedeno, izvodio je i opisao Leonardo da Vinci. Važnost ispitivanja zatezanjem vidi se iz slijedećeg: - daje najbolji opis ponašanja materijala pod opterećenjem, - dobijeni podaci o svojstvima materijala najviše se koriste za proračun i dimenzionisanje elemenata mašina i konstrukcija, - dobijeni podaci omogućavaju jednostavnu kontrolu tehnoloških procesa raznih proizvoda i svojstava novih materijala, - iz svojstava otpornosti materijala mogu se približno odrediti i druga važna svojstva za praksu (kao tvrdoća, dinamička izdržljivost itd.), - jednostavno se izvodi i lako se izračunavaju temeljna svojstva. Zbog svega navedenog se u mehaničkim laboratorijima najčešće vrše ispitivanja zatezne čvrstoće i žilavosti materijala [2]. Mašine za ispitivanja zatezanjem Kod statičkih kratkotrajnih ispitivanja se ispitno tijelo, tzv. epruveta, izlaže u mašini za mehanička ispitivanja materijala postepenom porastu jednoosnog opterećenja sve do njezinog loma, odnosno kidanja. Pri tome mašina mora osigurati jednako prenošenje sile na epruvetu u uzdužnom pravcu uz istovremenu registraciju opterećenja na skali manometra s klatnom, kao i crtanje dijagrama na bubnju. Na slici 2. dat je izgled univerzalne mašine za statička ispitivanja metala s opterećenjem do 200 kn [3]. Na slici 3. data je jedna savremenija univerzalna kidalica do 200 kn. Ovakve mašine se najčešće sreću u mehaničkim laboratorijama širom svijeta, a pored ispitivanja zatezanjem mogu se koristiti i za ostala statička ispitivanja (uglavnom sva izuzev uvijanja). Donja stezna glava je pri ispitivanju nepokretna, a može se podešavati prije ispitivanja pomoću odgovarajuće ručice. Gornja stezna glava vezana je pomoću stubova za radni cilindar u kojem se kreće klip pomoću pritiska ulja. Pri ispitivanju zatezanjem pomiče se prema gore gornja stezna glava sve do loma epruvete uz istovremeno očitavanje opterećenja 9

20 na skali manometra i crtanje dijagrama u koordinatama F- L ili σ-ε (isti je oblik dijagrama) *. Prostor između radnog cilindra i gornje stezne glave koristi se za statička ispitivanja savijanjem i pritiskom, kao i za tehnološka ispitivanja sabijanjem. Za ispitivanje smicanjem koriste se stezne glave kao i kod ispitivanja zatezanjem. U njih se postavlja posebni uređaj za smicanje (princip izvlačenja "noža iz viljuške") s odgovarajućom cilindričnom epruvetom (obično φ5x50 mm) [4]. Slika 2. Univerzalna hidraulična mašina (kidalica) opterećenja do 200 kn [3] * F sila ili opterećenje, σ napon ili naprezanje L trenutno izduženje (deformacija) ε jedinično izduženje 10

21 Slika 3. Univerzalna mašina (kidalica) opterećenja do 200 kn [5] Na slici 4. dat je shematski prikaz univerzalne hidraulične kidalice s označenim važnim dijelovima. Glavni dijelovi univerzalne hidraulične kidalice su: - tijelo mašine (stabilni okvir s dva stuba, postoljem i traverzom) i - manometar s klatnom (uređaj za opterećivanje, uređaj za mjerenje sile i uređaj za automatsko crtanje dijagrama). Konstrukcija stabilnog okvira mašine mora biti takva da mu elastična deformacija bude što manja. Pri ispitivanju zatezanjem epruveta i mašina čine cjelinu, a rezultati ispitivanja zavise kako od materijala epruvete i uslova ispitivanja, tako i od karakteristika same mašine. [6] 11

22 radni cilindar traverza manometar s klatnom prostor za ispitivanje savijanjem i pritiskom skala opterećenja gornja stezna glava epruveta za ispitivanje zatezanjem donja stezna glava postolje uteg ručica Slika 4. Shema univerzalne hidraulične kidalice [3] mjerni cilindar uljna pumpa spremnik ulja Pri zateznom opterećenju epruvete prenosi se opterećenje i na dijelove mašine, koji se smiju samo elastično deformisati, dok se epruveta prvo deformiše elastično, a zatim plastično sve do loma. Mašine koje imaju veliku konstantu krutosti nazivaju se "tvrdim kidalicama" (obično su na mehanički pogon), npr. za ispitivanjem puzanjem, a mašine s malom konstantom krutosti su "meke kidalice" (mašine s hidrauličnim pogonom). Mašine s mehaničkim pogonom mogu registrovati brze promjene opterećenja, a s hidrauličnim ne mogu. Mehanički pogon se koristi za manja, a hidraulični za veća opterećenja i to: - do 10 kn, skoro isključivo mehanički pogon, - 10 do 100 kn mogu se koristiti oba načina pogona, - veća od 100 kn (obično do kn), isključivo hidraulični pogon. Mašine imaju više različitih mjernih područja koja omogućavaju precizna ispitivanja (u granicama točnosti ±1%) epruveta ili konstrukcionih dijelova raznih oblika i dimenzija (tabela 3.). Brzina pomjeranja klipa (obično u granicama od 0 do 50 mm/min) kod hidrauličnih mašina ostvaruje se pomoću otvaranja ventila, a moguće je i automatsko održavanje konstantnog opterećenja. Kod savremenih mašina postoje ugrađeni automatski regulatori pomoću kojih se može unaprijed programirati brzina opterećivanja [7]. Univerzalne kidalice imaju i dopunsku opremu za određivanje malih izduženja (npr. elektronski mjerač malih izduženja), za ispitivanje pri povišenim 12

23 (obično do o C) i sniženim (obično do -100 o C) temperaturama, za tanku žicu, lance i sl. Tabela 3. - Tipična mjerna područja kidalica [6] Najveće opterećenje, kn Ostala mjerna područja navedenih kidalica, kn Ispitivanja materijala moraju se vršiti uvijek pod istim vanjskim uslovima da bi se dobili jednaki rezultati za upoređivanje. Zbog toga su napravljeni dogovori sa međunarodnim tehničkim komitetima za vanjske uslove ispitivanja, koji su unešeni u norme i standarde kao konvencije. Takve konvencije su napravljene npr. za dimenzije epruveta, za tehničku granicu elastičnosti, za konvencionalni napon tečenja itd., a njih se moraju pridržavati sve laboratorije. Time je izbjegnuto veliko rasipanje rezultata, koje je postojalo prije konvencija [8]. Standardizacija kod ispitivanja materijala Potreba za izradom standarda i modificiranjem metoda za ispitivanje materijala uočena je odavno, a naročito krajem 19. stoljeća. Već godine osnovana je u Francuskoj Tehnička komisija *, koja je imala zadatak da proučava i utvrđuje metode za ispitivanje materijala, a godine održan je u Švicarskoj (Cirih) Internacionalni kongres naučnika po pitanju poznavanja i ispitivanja materijala. Na tom Kongresu osnovana je i prvo Internacionalno udruženje za ispitivanje materijala **. Danas postoji u Švicarskoj Internacionalno udruženje RILEM ***, koje okuplja mnoge laboratorije, institute i zavode za ispitivanja i istraživanja materijala. Uvođenje standardizacije postalo je prioritetno pitanje s razvojem industrije, tehnologije i međusobnog povezivanja radi održavanja kontrole kvaliteta i osiguranja kvaliteta proizvoda. Proizvođači širom svijeta nudili su tržištu mnogo raznih proizvoda, koji su bili toliko različiti, da se nisu mogli kombinovati u upotrebi. Neki trgovački karteli davali su još prije I svjetskog rata poticaje za standardizaciju mjera i jednakih predmeta od različitih proizvođača. * Commision des Methodes d'essai ** Association Internationale des Methodes d'essai des Materiaux *** Reunion Internationale des Laboratories des Essais des Materiaux 13

24 Tako je još godine osnovano u Velikoj Britaniji Britanska društvo za tehničku standardizaciju *. I svjetski rat je ubrzao uvođenje standardizacije u industriju jer se njezina prednost sastojala kako u smanjenju troškova, tako i u fleksibilnosti proizvodnje. Nacionalna udruženja za standardizaciju osnovana su u nekoliko razvijenih država svijeta kako slijedi: - Njemačka godine, - SAD godine, - Japan godine, - Rusija godine itd. Prva panamerička konferencija o standardizaciji održana je godine u cilju olakšanja međunarodne trgovine, a Međunarodno udruženje za standarde ** osnovano je godine ***. Tom prilikom usvojen je sporazum o standardnim mjerama, zatim nomenklatura proizvoda, a definisani su standardi izrade, standardi sigurnosti i metode ispitivanja [9]. Za standardizaciju vrlo je značajna i tipizacija, tj. smanjivanje broja i vrsta proizvoda. Tako je npr. u SAD tipizacijom svedeno 78 vrsta opruga za krevete i madrace na svega 4, takođe broj od 66 vrsta raznih opeka i kocki za pločnike na 11 vrsta itd. Sredinom 20.-tog stoljeća standardizacija je omogućila racionalizaciju proizvodnje, lakše planiranje i vođenje poslovanja u svim industrijskim razvijenim državama svijeta. Mlade države u tranziciji, u koje se ubrajaju i države bivše Jugoslavije, moraju pokazivati stalni interes za stanje i razvoj na području standardizacije i kvaliteta proizvoda radi što bržeg uključivanja u evropske i svjetske trendove. Te poslove u BiH vodi državni Zavod za standardizaciju, mjeriteljstvo i patente. Godine BiH je preuzela od bivše države standarde i propise, koji uređuju sistem standardizacije, sistem kvaliteta i sistem osiguranja kvaliteta proizvoda na domaćem tržištu, a koji su zatim metodama proglašavanja, prevođenja i preuzimanja zamijenjeni odgovarajućim evropskim (EN) ili ISO standardima i normama. Taj proces nije još okončan. Preuzeti standardi nose oznaku BAS kao prefiks. * British Engineering Standards Association ** International Standards Association-ISA, koja je 1946.god. prerasla u današnju *** International Organisation for Standardization-ISO, organizacija sa sjedištem u Ženevi, a usklađuje i ujedinjuje nacionalna društva. Ona je u godini imala 120 članica. 14

25 Hrvatske norme (standardi), oznaka HRN, obuhvaćaju problematiku cijele privrede, a podijeljene su na 15 osnovnih grana (standardi preuzeti od bivše države) i to kako slijedi [9]: A - Osnovne i opće norme, B - Rudarstvo i prerada minerala, uglja i nafte, C - Metalurgija i tehnologija prerade metala, D - Šumarstvo, drvna industrija i prerada drvenastih materijala, E - Poljoprivreda, ribarstvo i prehrambena industrija, F - Industrija vlaknastih materijala, G - Proizvodi prerade kože, gume, smole, prirodnih i vještačkih plastičnih masa i kostiju, H - Kemijska industrija, K - Radni i mjerni alati i pribor, L - Mjerni alati i proizvodi precizne mehanike, M - Mašinogradnja i metalna industrija, N - Elektrotehnika i elektroindustrija, P - Uređaji i vozila tračničkog prometa, U - Građevinarstvo i Z - Norme koje ne ulaze ni u jednu posebnu grupu normizacije. Svaka grana dijeli se na glavne grupe, koje su označene velikim slovima abecede i na podgrupe označene brojevima od 0 do 9. Svaka norma HRN nosi oznaku grane, glavne grupe, podgrupe i broja norme, pri čemu su one odvojene tačkama, kao npr. norma: HRN C.A4.002/85 - Ispitivanje vlakom (zatezanjem) što znači da norma (standard) spada u granu C, glavnu grupu A, podgrupu 4, nosi broj 002, a izdata je godine. Već godine Hrvatska je donijela Zakon o normizaciji (standardizaciji) ("Narodne novine" br. 55/96), kao i odgovarajuće dopunske propise iz te oblasti [9]. U Bosni i Hercegovini primjenjuju se i JUS standardi naslijeđeni od bivše Jugoslavije. Prema Zakonu o standardizaciji, standardi koji su u upotrebi u BiH na osnovu uredbe sa zakonskom snagom o preuzimanju zakonskih i podzakonskih akata bivše SFRJ, a nisu zamijenjeni BAS standardima, mogu se upotrebljavati u BiH do njihove zamjene. Prema BAS Uputstvu 4 Pripremanje i publiciranje bosanskohercegovačkih standarda, standarde pripremaju stručna tijela Instituta tehnički komiteti ("Glasnik" Standardi i mjeriteljstvo, XI 2005 broj 3). 15

26 Zadaci tehničkih komiteta (TC) su: - razmatranje inicijativa i utvrđivanje programa i planova rada u području djelovanja, - razmatranje i utvrđivanje metoda rada i aktivnosti na izvršavanju planova rada TC, - formiranje radnih grupa (WG), te definiranje njihovih područja rada i zadatka, - usklađivanje planova rada WG, - pripremanje i utvrđivanje nacrta i prijedloga BAS standarda, - razmatranje mišljenja, primjedbi i prijedloga dobijenih u toku javne rasprave, - analiza potreba i pripremanje prijedloga za preuzimanje međunarodnih i evropskih standarda, - pripremanje i prezentiranje stručnih mišljenja odgovarajućim međunarodnim i evropskim TC i SC u postupku pripreme i izdavanja međunarodnih i evropskih standarda, te korištenje drugih mogućnosti uključivanja u rad odgovarajućih tijela međunarodnih i evropskih organizacija za standardizaciju, - saradnja sa drugim tehničkim komitetima i subjektima koji se bave aktivnostima u vezi sa standardizacijom. Pregled postojećih tehničkih komiteta BAS/TC 1 Informaciona tehnologija BAS/TC 2 Zavarivanje i srodni postupci BAS/TC 3 Upravljanje kvalitetom i osiguranje kvaliteta BAS/TC 4 Čelik i čelični proizvodi BAS/TC 5 Telekomunikacije BAS/TC 6 Električni uređaji za eksplozivnu atmosferu BAS/TC 7 Okolina BAS/TC 8 Koordinacija izolacije, visokonaponska ispitivanja i mjerni transformatori BAS/TC 9 Cement, gips, kreč i drugi anorganski vezivni materijali BAS/TC 10 Oprema za mjerenje električne energije i upravljanje opterećenjem BAS/TC 11 Nafta i naftni derivati BAS/TC 12 Alati za mašinsku i ručnu obradu BAS/TC 13 Zaštita od požara BAS/TC 14 Lična zaštitna oprema BAS/TC 15 Elektromagnetna kompatibilnost BAS/TC 16 Tolerancije i nalijeganja, navoji, elementi za spajanje, metalne cijevi i fitinzi 16

27 BAS/TC 17 Tehničko crtanje, simboli i jedinice BAS/TC 18 Energetski transformatori, mjerni releji i zaštitna oprema BAS/TC 19 Električne instalacije u zgradama BAS/TC 20 Upravljačka i sklopna postrojenja BAS/TC 21 Beton i proizvodi od betona BAS/TC 22 Cestogradnja BAS/TC 23 Ljekovito i aromatično bilje BAS/TC 24 Ispitivanje bez razaranja BAS/TC 25 Tehnologija zaštite zdravlja BAS/TC 26 Ventilacija i prirodne opasnosti u rudarstvu (u mirovanju) BAS/TC 27 Čvrsta mineralna goriva BAS/TC 28 Eksplozivi za civilne namjene BAS/TC 29 Sredstva i uređaji za dizanje i prenošenje tereta BAS/TC 30 Električni kablovi BAS/TC 31 Gas i gasna tehnika BAS/TC 32 Oblo drvo, rezana građa i konstrukcije od drveta BAS/TC 33 Furnir, ploče na bazi drveta, otpaci od drveta, pluto i poluproizvodi od pluta BAS/TC 34 Vrata, prozori i namještaj BAS/TC 35 Cestovna vozila BAS/TC 36 Arhitektonske konstrukcije, tehnologija i organizacija građenja i fizika zgrade BAS/TC 37 Sigurnost građevina od požara BAS/TC 39 Zaštita materijala od korozije BAS/TC 40 Sigurnost mašina BAS/TC 41 Oprema pod pritiskom i kontejneri BAS/TC 43 Komitet za hranu Sve države imaju svoje nacionalne standarde sa odgovarajućim oznakama: bosanski standardi nose kraticu BAS, hrvatske norme ili standardi nose kraticu HRN, njemački DIN, američki ASTM, britanski BS, ruski GOST, japanski JIS, švedski SIS itd., a sve ih ujedinjuje međunarodno udruženje za standardizaciju ISO. Evropski standardi nose kraticu EN (međunarodni standardi za željeznicu su UIC). Za osiguranje i uvođenje sistema kvaliteta u pojedine firme koriste se međunarodni standardi iz serije ISO 9000 a neki od njih su: - EN ISO : Standardi za upravljanje kvalitetom i osiguravanje kvaliteta, 1. dio: Smjernice za izbor i upotrebu, 17

28 - EN ISO : Standardi za upravljanje kvalitetom i osiguravanje kvaliteta, 2. dio: Opšte smjernice za primjenu standarda EN ISO 9001 do EN ISO 9003, - EN 45001: Opšti kriteriji za rad ispitnih laboratorija, (zamijenjeni sa EN ISO/IEC 17025, tj. u BiH sa BAS EN ISO/IEC 17025) - ISO : Zahtjevi za osiguravanje kvaliteta mjerne opreme, 1. dio: Sistem mjeriteljskog potvrđivanja mjerne opreme. U tabeli 4. dat je uporedni pregled važnijih standarda iz oblasti ispitivanja materijala. Tabela 4. - Uporedni pregled važnijih standarda iz ispitivanja materijala Vrsta Oznake standarda ispitivanja ili metoda BiH hrvatske njemačke ruske međunarodne zatezanje na sobnoj temp. zatezanje na poviš. temp. udarna radnja loma BAS EN /02 HRN C.A4.001 HRN C.A4.002 DIN GOST 1497 ISO 6892 i EN BAS EN /01 - DIN GOST 9651 ISO 783 BAS EN zamaranje BAS ISO 1099/00, BAS ISO 1143/00 i BAS ISO 1352/00 HRN C.A4.004 HRN C.A4.025 DIN DIN HRN C.A4.035 DIN DIN GOST 9454 ISO 83; EN ISO 148 GOST 2860 ISO 1099, ISO 1143 i ISO 1352 puzanje BAS ISO 204/00 - DIN GOST ISO 204 Tvrdoća: -Brinell -Vickers (makro) -Vickers (mikro) -Rockwell Tehnološka: -savijanje -sabijanje -uvijanje -naizmjenično previjanje -izvlačenje BAS EN ISO /01 BAS EN ISO /01 BAS EN ISO 6508/01 BAS EN ISO BAS ISO 7800/99 BAS ISO 7801/99 BAS ISO 8490/99 - HRN C.A4.003 HRN C.A4.030 HRN C.A4.040 HRN C.A4.031 HRN C.A4.005 HRN C.A4.006 HRN C.A4.016 HRN C.A4.018 HRN C.A4.021 DIN DIN DIN DIN DIN DIN DIN DIN DIN GOST 9012 GOST 2999 GOST 9450 GOST 9013 GOST GOST 8817 GOST 1545 GOST 1579 GOST EN ISO EN ISO EN ISO sve skale ISO ISO 7800 ISO 7801 i ISO 7799 ISO

29 Uzorkovanje i epruvete Prema JUS C.A4.001, koji daje termine i definicije iz ispitivanja zatezanjem, definicije za uzorak i epruvete su: uzorak je komad metala odabran za ispitivanje, a epruveta ili ispitni uzorak je tijelo standardizovanog oblika i mjera izrađena od uzorka i pripremljena za ispitivanje. Neobrađena ili tehnička epruveta je komad šipke, lima, trake, žice, cijevi i sl. standardne dužine, koji je namijenjen ispitivanju u obliku i stanju u kojem se nalazi, a epruveta se dobije rezanjem i mašinskom obradom izabranog uzorka. Prema BAS ISO 377/02 (Čelik i čelični proizvodi. Položaj i pripreme uzoraka i epruveta za mehanička ispitivanja) termini i definicije su (slika 5.): uzorak je dovoljna količina materijala uzeta od uzorka proizvoda u cilju izrade jedne ili više epruveta; grubi uzorak je dio uzorka koji je mehanički obrađen u cilju izrade uzorka; epruveta je dio uzorka određenih dimenzija, mašinski obrađen ili neobrađen koji ispunjava zahtjeve stanja date kod ispitivanja. Slika 5. Primjeri termina definisanih prema standardu BAS ISO 377/02 Na slici 6. dat je način uzorkovanja prema JUS C.BO.500 i HRN C.BO.500 (opšti konstrukcioni čelici) iz različitih profila, te okruglih i pljosnatih poluproizvoda s dimenzijom većom od 40 mm. Vidi se da je kod ugaonika mjesto za uzorkovanje trećina stope, kod okruglog s promjerom do 40 mm - sredina, a s promjerom većim od 40 mm - trećina radijusa, odnosno šestina prečnika itd. Način uzorkovanja za neke profile i cijevi prema BAS ISO 377/02 dat je na slici 7. 19

30 preko 30 mm 1/3 2/3 < 2 1/2 1/2 ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Mjesto za uzorkovanje 1/3 2/3 a) g) 2/3 1/3 b) 1/3 2/3 h) - žlijeb smjer valjanja d < 25 d > 25 i) c) 2/3 1/3 d 2/31/3 d b < 25 b > 25 1/3 2/3 j) a b d > 16 b 2/3 1/3 a d) k1) d < 2 b > 12 e) k2) b 1/3 2/3 a f) l) 1/2 1/2 1/2 1/2 poprečna epruveta Slika 6. Način uzorkovanja po JUS C.BO.500 i HRN C.BO

31 Okrugla epruveta gdje je d 25mm Zavareni spoj zavarenih cijevi udaljen od epruvete Mjesto za uzorkovanje L uzdužna epruveta T poprečna epruveta Slika 7. Način uzorkovanja prema BAS ISO 377/02 za neke profile 21

32 b + 10 o ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Način uzorkovanja te ispitivanje opštih konstrukcionih čelika i pored zahtjeva za ispitivanje prema navedenom JUS, HRN se sve više traži prema EN ili ISO standardima koji su preuzeti u BiH pod oznakom BAS ISO 377/02. Iako nema većih razlika pri uzorkovanju između standarda, neke specifičnosti se moraju uzeti u obzir i na zahtjev naručilaca provesti tražena ispitivanja i uzorkovanja prema zahtjevanom standardu. Standardi za vruće valjane konstrukcione čelike koji se odnose na tehničke uslove isporuke su: BAS EN /05 i BAS EN /05. Na slici 8. a) dat je izgled okrugle epruvete s osnovnim oznakama, a na slici 8. b) dat je izgled pljosnate epruvete s označenim dimenzijama za glave (za pričvršćivanje u čeljustima mašina) za ispitivanje zatezanjem. L t L o L o + d o d /2 o a) a) okrugla epruveta (65) 15 b /2 o L + b o o L o a o b /2 o (65) 40 (50) b 15 (20) o L t = 35 b) pljosnata plosnata epruveta Slika 8. Okrugla i pljosnata epruveta U tabeli 5. dati su nazivi epruveta i oznake za zateznu čvrstoću i svojstva deformabilnosti. 22

33 Tabela 5. - Tipovi epruveta i oznake nekih svojstava * Tip ** epruvete Promjer Presjek Mjerna Oznake za d o, mm S o dužina L o zateznu izduženje a o,b o, mm mm 2 mm čvrstoću i suženje Normalna R m A, Z Proporcionalna, duga d o S o 10 d o R m A 10, Z 10 Proporcionalna, kratka Pljosnata proporcionalna, duga Pljosnata proporcionalna, kratka d o S o 5 d o R m A 5, Z 5 a o.b o S o 11,3 S R o m A 10, Z 10 a o.b o S o 5,65 S R o m A 5, Z 5 Epruveta za ispitivanje zatezanjem ima dvije glave za lakše pričvršćivanje u čeljustima mašina, kao i dio jednakog presjeka, označen s L o +d o odnosno L o +b o, za mjerenje deformacija. Pri tome su: L 0 - početna mjerna dužina epruvete, mm (između mjernih oznaka obilježenih na epruveti kao granice pri mjerenju) L t - ukupna dužina epruvete, mm L u - mjerna dužina epruvete poslije kidanja, mm d 0 - početni prečnik epruvete, mm d u - prečnik epruvete poslije kidanja, mm S 0 - početna površina poprečnog presjeka epruvete, mm 2 (kod okrugle 2 d π S = 0 0 4, a kod pljosnate S 0 = a 0 b 0 ) S u - najmanja površina poprečnog presjeka epruvete poslije kidanja, mm 2 a 0 - početna debljina pljosnate epruvete, mm b 0 - početna širina pljosnate epruvete, mm S - površina presjeka epruvete u trenutku ispitivanja, mm 2. * Sve oznake pri ispitivanju zatezanjem su u skladu sa standardom BAS EN /02, JUS C.A4.001 i HRN C.A ** Tip epruvete naveden je prema JUS C.A4.001 i HRN C.A Prema BAS EN podjela epruveta za ispitivanje je na proporcionalne i neproporcionalne epruvete. 23

34 Svojstva materijala koja se određuju neće se razlikovati ako se pri ispitivanju strogo vodi računa o utvrđenim konvencijama. Pri jednakim ostalim uslovima ispitivanja kod epruveta mora biti stalan odnos između mjerne dužine i kvadratnog korijena površine presjeka tj. L = k (1) o S o Konstanta k ima slijedeće vrijednosti: k=5,65 (za kratke); k=11,3 (za duge epruvete) prema standardu ISO 6892 *, a takođe i prema BAS EN To je potrebno zato što pri deformisanju epruvete ona stoji u stalnom odnosu s dimenzijama volumena u kojem se ta deformacija ostvaruje. Pri ispitivanju zatezanjem deformacije se ostvaruju u dijelu epruvete s najmanjom površinom. Glave epruvete se prilagođavaju steznim glavama kidalica s tim da su prijelazi od cilindričnog dijela ka glavama s blagim zaobljenjima (r 4 mm). Mjerni dio epruvete mora biti vrlo precizno izrađen, tj. poliran zbog spriječavanja koncentracije naprezanja. Pri izrezivanju uzorka iz materijala moraju se izbjeći moguće promjene teksture ili strukture. Zato pri izrezivanju uzorka plamenom rez mora biti udaljen najmanje 20 mm od konačnih dimenzija epruvete. Postoji više tipova epruveta za ispitivanje zatezanjem. Najviše su u upotrebi kratke proporcionalne epruvete promjera 10 mm za okrugle šipke i kratke proporcionalne pljosnate epruvete za limove i trake shodno navedenim standardima. Na slici 8. dat je izgled okrugle i pljosnate kratke proporcionalne epruvete prije ispitivanja, a na slici 9. izgled okrugle kratke proporcionalne epruvete poslije ispitivanja [6]. d u L u Slika 9. Okrugla kratka proporcionalna epruveta poslije ispitivanja [6] Za ispitivanje sivog liva koriste se okrugle epruvete s navojem bez mjerne dužine prema posebnom standardu JUS C.A4.013 i HRN C.A4.013, a dimenzije zavise od odgovarajuće debljine zida odlivka. Zato se kod ispitivanja sivog liva zatezanjem određuje samo zatezna čvrstoća [10]. Ispitivanje sivog liva definisano je standardom BAS EN 1561 koji je preuzeti evropski standard. * Od država članica ISO, jedino Australija i UK su zadržale svoje standarde, u kojima k=4, odnosno k=8 (duge epruvete). 24

35 Dijagram i svojstva pri ispitivanju zatezanjem Pri ispitivanju zatezanjem izabrana se epruveta izlaže opterećenju zatezanjem sve do loma i utvrđuju se svojstva otpornosti i svojstva deformacije [6]. Pregledno predstavljanje toka ponašanja materijala pri ispitivanju zatezanjem vrši se snimanjem dijagrama s koordinatama: 1. F- L, tj. na ordinati sila F u N, a na apscisi trenutno izduženje L u mm ili 2. σ-ε, tj. na ordinati naprezanje u MPa (N/mm 2 ), a na apscisi jedinično L izduženje ε = L o Mašine za ispitivanje zatezanjem obično imaju uređaj za neposredno crtanje dijagrama s koordinatama sila - trenutno izduženje. Nedostatak takvog dijagrama je zavisnost od dimenzija epruvete i nemogućnost preciznog očitavanja sile, a naročito izduženja (jer ono pored izduženja mjerne dužine epruvete L o sadrži i izduženje ostalih dijelova epruvete, elastična izduženja steznih glava, klizanje epruvete i sl.). Upravo zato je tačnije korištenje dijagrama s koordinatama naprezanje - jedinično izduženje, koji pokazuje ponašanje materijala nezavisno od dimenzija epruvete, jer je sila svedena na prvobitni presjek: F σ =, MPa (2) So a trenutno izduženje na mjernu dužinu, tj. L Lt Lo ε = = (3) Lo Lo Veza između naprezanja i deformacija pri ispitivanju zatezanjem data je na slici 10. za različite materijale (krte i duktilne metalne materijale, te za neke organske materijale), a na slici 11. za različite metalne materijale. σ P M krti materijali - (3) duktilni materijali - (2) (1) neki organski materijali - (4) ε Slika 10. Dijagram naprezanje-jedinično izduženje za različite materijale [10] 25

36 Sa slike 10. vidi se da različiti materijali imaju četiri osnovna oblika dijagrama i to [11]: (1) - s izraženim naponom tečenja (gornji i donji), npr. meki čelici (do cca 0,3 %C) i nelegirani čelici u normaliziranom stanju, (2) - s kontinuiranim prijelazom iz elastičnog u elastično/plastično područje deformacija, npr. bakar, aluminij, nehrđajući austenitni čelici. Duktilni materijali (1 i 2) imaju velike plastične deformacije prije loma, (3) - bez područja elastično/plastičnih deformacija. To su krti materijali koji se lome gotovo bez plastične deformacije, kao npr. sivi liv ili zakaljeni čelik i (4) - s entropijskom elastičnom deformacijom, npr. neki organski materijali i polimeri tipa elastomera. σ zakaljeni čelik - (3) srednje tvrdi čelik sivi (3) liv meki čelik - (1) Cu - (2) Al - (2) ε Slika 11. Dijagram σ-ε za različite metalne materijale (oblici 1 do 3) Na slici 12. dat je detaljan prikaz dijagrama F- L i σ-ε (konvencionalni i stvarni - isprekidana linija). 26

37 N Slika 12. Dijagram F- L i σ-ε (R-ε) za niskougljenični čelik [11] Prikazani dijagram pripada osnovnom tipu (1) dijagrama σ-ε. Na njemu je označeno nekoliko karakterističnih tačaka, važnih za definisanje svojstava materijala koja se određuju pri ispitivanju zatezanjem. Značenje karakterističnih tačaka je slijedeće: P - granica proporcionalnosti, tj. Fpr R pr =, MPa (4) So Pri opterećivanju od tačke O do P zavisnost produženja epruvete o sili je linearna, a deformacije su elastične, jer se pri rasterećivanju epruveta potpuno vraća u svoj prvobitni oblik i veličinu (vrijedi Hookeov zakon). Trenutna izduženja u tom području dijagrama vrlo su mala i mogu se mjeriti samo preciznim ekstenzometrima [12]. Najveće naprezanje do kojeg je izduženje proporcionalno naprezanju naziva se granicom proporcionalnosti. Pri porastu naprezanja iznad ove granične vrijednosti prestaje proporcionalnost između naprezanja i deformacije i izduženje počinje rasti brže. Precizno određivanje granice proporcionalnosti nije moguće ako nije u standardima propisana potrebna tačnost mjerenja. Zato se po pravilu granica proporcionalnosti određuje grafičkom interpolacijom iz dijagrama s vrijednostima σ-ε dobijenim pri ispitivanju. Za postizanje veće ujednačenosti rezultata ispitivanja Međunarodni kongres za ispitivanje materijala održan u Bruxellesu 1906.g. definisao je granicu proporcionalnosti kao naprezanje zatezanjem pri kojem se utvrdi trajna 27

38 deformacija od 0,001% mjerne dužine (nije ušlo u standarde). Unutar tačaka O do P, tj. samo u području elastične deformacije, određuje se i modul elastičnosti (po Youngu); Modul elastičnosti (E) σ E =, ε MPa; E = tgα (5) Ako se umjesto σ i ε unesu njihove vrijednosti; L i S L o F Lo E = S L (6) Za L=L o, F E = = σ, što znači da je modul elastičnosti naprezanje S potrebno da se dvostruko poveća dužina epruvete (fiktivno), odnosno on karakteriše otpornost materijala prema deformisanju ili drukčije rečeno njegovu krutost [13]. Kod materijala s izrazitom linearnom zavisnosti između naprezanja i jediničnog izduženja modul elastičnosti ima konstantnu vrijednost na sobnoj temperaturi, koju određuje tangens ugla α (jednačina 5.), a kod materijala bez takve zavisnosti (npr. bakar i njegove legure) modul elastičnosti se mijenja u zavisnosti od naprezanja. Konstante elastičnosti Modul elastičnosti je važna karakteristika otpornosti materijala, koju mašinski stručnjaci koriste za proračune i analizu stanja kod tzv. normalnih naprezanja (djeluju normalno na površinu presjeka, a uzrokuju ih zatezna, pritisna i savojna opterećenja). Slično tome postoji i modul smicanja ili klizanja G, koji uzrokuju tzv. tangencijalna naprezanja (djeluju u ravni presjeka, a uzrokuju ih smičuća i uvojna opterećenja) [11]: τ G =, MPa (7) γ gdje su: τ, MPa - tangencijalno naprezanje, a γ - ugaona deformacija u ravni okomitoj na smijer djelovanja opterećenja u području elastičnih deformacija Modul smicanja (ili Coulombov modul) određuje se obično pri statičkom ispitivanju uvijanjem. Vezu između ova dva modula daje treća konstanta elastičnosti, tzv. Poissonov faktor µ: E E G =, odakle µ = 1 (8) 2(1 + µ ) 2G 28

39 Poissonov faktor se naziva i koeficijentom poprečne deformacije. Naime pri ispitivanju zatezanjem povećanje dužine epruvete (izraženo kroz jedinično izduženje, ε) praćeno je istovremenim suženjem, odnosno prosječnom poprečnom deformacijom: d ε q = (9) d Eksperimentima je dokazano da postoji proporcionalnost između uzdužne i poprečne deformacije: d / d σ = E ε, ε q = -µ ε, µ = (10) L / L 0 Ovi izrazi predstavljaju Hookeov zakon za jednoosno stanje naprezanja. Kako su ε i ε q uvijek suprotnog predznaka, kod izotropnih materijala vrijedi: 0 µ 0,5. Za većinu metala i legura u području elastičnih deformacija približno je µ=0,3, a kod metala koji pri plastičnoj deformaciji ne mijenjaju volumen µ=0,5. U tabeli 6. date su vrijednosti za (E, G) * i µ za tehnički važne metalne materijale, kao i za staklo, beton i gumu. Tabela 6. - Konstante elastičnosti nekih materijala [3] Materijal E G µ GPa GPa - Ugljenični čelik ,24-0,28 Legirani čelik ,25-0,30 Liveno željezo ,25-0,27 Bakar ,31-0,34 Bronza ,32-0,35 Mjed (mesing) ,32-0,42 Aluminij i legure ,32-0,36 α-željezo 211,4 81,6 0,293 α-titan 115,7 43,8 0,321 Niobij 104,9 37,5 0,397 Tantal 185,7 69,2 0,342 Nikal ,312 Volfram ,170 Berilij ,050 Magnezij ,291 Kalaj (kositar) ,450 Kadmij ,300 Srebro 83 30,3 0,367 Zlato ,440 Sivi liv ,260 Olovo ,42 Staklo ,25 Beton ,08-0,18 Guma 0,01-0,47 * Vrijednosti za E i G date su u GPa zbog praktičnosti (tako rade obično građevinari - manje nula!); 1GPa=1 000 MPa=1 000 N/mm 2 29

40 Za elastično tijelo dovoljno je poznavati dvije konstante, jer se ostale mogu izračunati iz njih pomoću jednačine (8). Postoji i četvrta konstanta elastičnosti K, tj. volumenski modul elastičnosti ili modul kompresibilnosti: K 3 2 E 3K 2G G K =, µ = = 3(1 2 ) 6K 2G K (11) µ G Eksperimenti su pokazali da je volumenska deformacija kod linearnoelastičnih materijala proporcionalna jednakom pritisku u svim pravcima: 3p p = K ε v ; ε v = σ x + σ y + σ z ; σ x = σ y = σ z = p ; ε v = (1 2µ ) (12) E Iz jednačine (11) slijedi da Poissonov faktor µ određuje relativnu K sposobnost tijela da mijenja svoj volumen. Za K>>G, µ 0,5, a kada 0, G onda µ -1, što daje granice za µ: -1 < µ < 0,5 (13) N - granica elastičnosti i konvencionalni napon tečenja R p0,01 ili R p0,005 Fp0,01 R p 0,01 =, MPa (14) So Teoretska granica elastičnosti je granično naprezanje pri opterećivanju do kojeg ne nastaju nikakve trajne deformacije (tačka prijelaza iz područja elastične u područje plastične deformacije). Zbog poteškoća preciznog određivanja odavno je usvojena konvencija da se za praktičnu ili tehničku granicu elastičnosti usvoji naprezanje koje izaziva sigurno mjerljivu malu vrijednost trajnog izduženja mjerne dužine od 0,01 ili još preciznije od 0,005%. Za određivanje konvencionalnog napona tečenja R p0,01 potrebni su ekstenzometri s tačnosti očitavanja od 0,001% mjerne dužine ili najmanje 0,0005 mm. Ekstenzometri se pri ispitivanju postavljaju na mjernu dužinu epruvete, imaju povećanje od najmanje 100x i skidaju se poslije određivanja R p0,01 i R p0,2. Poznati ekstenzometri su Amslerov sat (povećanje 100x), Martensov aparat sa ogledalima (povećanje 500x), te elektronski mjerač izduženja (povećanje se može birati do 2000x) - slike 13. i

41 Slika 13. Martensov aparat sa ogledalima [14] - lijevo: dva pribora s ogledalima na epruveti - desno: stalak s durbinima i lenjirima Pri ispitivanju se stalak s durbinima obično postavlja na udaljenosti 1000 mm od lenjira, tako da se kod širine dvostranog noža od 4 mm dobije povećanje od 500x. Ispitivač gleda kroz durbin sliku lenjira s podiocima koja se dobije preko ogledala. Mjera za izduženje epruvete je ugao skretanja ogledala, dok ispitivač vidi u žičnom križu durbina skretanje svjetlosnog zraka pod dvostrukim uglom. Slika 14. Dijagram s elektronskog mjerača izduženja Konvencionalni napon tečenja R p0,01 ili konvencionalni napon tečenja R p0,2 mogu se lako grafički odrediti iz dijagrama snimljenog pomoću elektronskog mjerača izduženja (npr. pri povećanju 200, 500 ili 1000x). Radi se tako da se na rastojanju od 0,01 odnosno od 0,2% mjerne dužine epruvete povuče paralela s početnim pravolinijskim dijelom dijagrama F- L i u tačkama 31

42 presjeka (E ili T) odrede na ordinati odgovarajuće sile F p0,01 ili F p0,2 za izračunavanje R p0,01 ili R p0,2. Ako se koristi Amslerov sat obično se radi s postupkom višestrukog opterećivanja i rasterećivanja sve dok se ne odredi traženi iznos plastične deformacije nakon rasterećivanja (npr. koji odgovara R p0,2 ); T napon tečenja Kod dijagrama s kontinuiranim prijelazom iz elastičnog u područje plastične deformacije određuje se konvencionalni napon tečenja R p0,2 (ili tehnička granica razvlačenja) na opisani način za konvencionalni napon tečenja R p0,01 (slika 14.): Fp0,2 R p0,2 =, MPa (15) S o Kod dijagrama s izraženim naponom tečenja, određuje se u tački T gornji napon tečenja: F R = eh, MPa (16) eh So Gornji napon tečenja je najveće naprezanje pri kojem dolazi do naglog prijelaza iz elastičnog u područje plastične deformacije, a zapaža se po značajnom porastu izduženja uz istu silu (prvi zastoj kazaljke na skali manometra). Iza nje dolazi do prvog opadanja sile uz dalji porast izduženja; D donji napon tečenja F R el el, S MPa (17) o Donji napon tečenja je najmanje naprezanje u području tečenja, koje se ustali nakon rasta izduženja (čak 1 do 4%) bez porasta sile. Vrijednosti napona tečenja koje su propisane u tehničkim uslovima isporuke materijala (obično kao minimalne vrijednosti), odnose se na gornji napon tečenja R eh ili na konvencionalni napon tečenja R p0,2. Ti naponi tečenja su najviše zavisni od uslova ispitivanja u odnosu na druga svojstva, a naročito od brzine opterećivanja. Zato standardi, kao npr. ISO 6892:1998 i BAS EN :2001, propisuju zavisno od vrijednosti modula elastičnosti materijala slijedeće granice brzine opterećivanja: 1. za E < MPa, brzine od 2 do 20 MPa/s i 2. za E MPa, brzine od 6 do 60 MPa/s. 32

43 Ispitivanja zatezanjem do napona tečenja obično se izvode s brzinama opterećivanja do 10 MPa/s. Iza napona tečenja može se vršiti ispitivanje i većim brzinama opterećivanja, jer je manji utjecaj na zateznu čvrstoću. Pri velikim brzinama opterećivanja može napon tečenja porasti i do 100%, a zatezna čvrstoća do 50% uz odgovarajuće umanjivanje vrijednosti za izduženje i suženje. Radi dobijanja tačnijih rezultata ispitivanja zatezanjem standard DIN propisuje da najveća dopuštena brzina deformisanja iznad napona tečenja bude 0,4%/s. Gornji napon tečenja R eh i konvencionalni napon tečenja R p0,2 su vrlo važna svojstva otpornosti materijala, jer se upravo na njima i zateznoj čvrstoći R m temelje proračuni otpornosti i dimenzionisanje konstrukcija u mašinstvu [14]. M - zatezna čvrstoća F R = m m, MPa (18) S o Područje konvencionalnog dijagrama σ-ε od tačaka D do M (slika 12.) naziva se područjem jednolike deformacije (ili ojačavanja). Naprezanje koje odgovara maksimalnoj sili u tački M uslovno se naziva zateznom čvrstoćom R m, koja je fundamentalno svojstvo materijala. Nakon dostizanja točke M prelazi se u područje nejednolike (ili lokalizirane) deformacije epruvete i na jednom mjestu nastaje tzv. vrat s višeosnim stanjem naprezanja, te ubrzo dolazi do njezinog kidanja u tački K; K - konačno ili prekidno naprezanje F R = k, MPa (19) k So Ovo naprezanje nema veliko tehničko značenje kao naprezanja R eh, R p0,2, ili R m, izuzev kod tzv. stvarnih dijagrama σ-ε. Kod konvencionalnog dijagrama sva naprezanja se izračunavaju dogovorno svođenjem postignutih sila pri opterećivanju na početni poprečni presjek S o. U stvarnosti se s porastom opterećenja i produženjem epruvete vrši i postepeno smanjivanje poprečnog presjeka (naročito u području iznad napona tečenja sve do loma); Stvarno naprezanje i stvarna deformacija F R stv stv, S MPa (20) 33

44 te je U intervalu plastične deformacije vrijedi: V o = V, te je S o L o = S L, gdje je S stvarni presjek, mm 2 ; R stv = F F L = S S L o o = σ k L L o = σ k L o + L L = σ + k 1 Lo Lo R stv = σ k (1 + ε) (21) gdje je σ k - konvencionalno naprezanje Stvarni dijagram naprezanje-jedinično izduženje dat je isprekidanom linijom na slici 12. počevši od točke D, a dobije se tako da se svaka ordinata dijagrama kidanja (zatezna sila) dijeli sa stvarnom površinom poprečnog presjeka epruvete (što znači da se moraju u toku ispitivanja mjeriti promjene početnih dimenzija epruvete d o ili a o i b o ). Iz stvarnog dijagrama je vidljivo da se pri ispitivanju epruveta povećava naprezanje s deformacijom sve do loma [11]. Stvarna deformacija uzima u obzir stalnu promjenu dimenzija epruvete pri zateznom opterećivanju. Zato je stvarna linearna deformacija jednaka: ε stv = L L o dl L = ln L L o = ln (1 + ε) (22) Većina polikristalnih materijala pokazuje približno paraboličnu zavisnost između stvarnog naprezanja i stvarne deformacije u intervalu od R el do točke M' po Hollomanovoj jednačini: gdje je: R stv = k ε (23) n stv k - faktor proporcionalnosti (koeficijent čvrstoće), a n - indeks deformacionog ojačavanja Osim Hollomanove jednačine koriste se često i Ludwickova, te Swiftova jednačina: R R stv = R + k ε (Ludwick) (24) p0,2 n stv k ( εstv εo) n stv = (Swift) (25) gdje je: ε o - početna stvarna plastična deformacija. U tabeli 7. date su vrijednosti indeksa deformacionog ojačavanja za neke metalne materijale. 34

45 Tabela 7. - Indeks deformacionog ojačavanja [11] Materijal Vrijednost indeksa n Čisto željezo 0,05-0,15 Niskougljični čelik 0,14-0,32 Nehrđajući čelik 0,45-0,55 Bakar 0,30-0,35 Mjed (alfa) 0,35-0,40 Aluminij i njegove legure 0,15-0,25 Razlike između konvencionalnog (tehničkog ili inžinjerskog) dijagrama i stvarnog dijagrama naprezanje - deformacija zavise od svojstava plastičnosti materijala. Dok žilavi materijali imaju radi velike deformabilnosti znatnu razliku između zatezne čvrstoće i stvarnog naprezanja, krti materijali imaju vrlo malu razliku [15]. Dopušteno naprezanje i koeficijent sigurnosti Pri ispitivanju zatezanjem materijala određuje se niz važnih svojstava otpornosti i deformabilnosti, čije se vrijednosti obično nalaze u tabelama raznih priručnika. Ta svojstva su nužna za proračune pri dimenzionisanju konstrukcija i mašina. Stvarne vrijednosti svojstava materijala dobijene ispitivanjima mogu se znatno razlikovati od podataka u priručnicima i zato im treba uvijek davati prioritetnu važnost. Stvarno naprezanje u konstrukciji mora biti manje od čvrstoće materijala da ne bi došlo do njezinog loma. Kod duktilnih materijala stvarno naprezanje mora biti manje od napona tečenja, a kod krtih materijala znatno manje od čvrstoće. S obzirom da je vrlo teško odrediti opterećenje konstrukcije treba smatrati da je proračunsko naprezanje samo procjena stvarnog naprezanja. Zato se konstruktor mora osigurati da najveće proračunsko naprezanje bude manje od dopuštenog naprezanja: a) duktilni materijali σ dop R = b) krti materijali eh (ili R υ p0,2 ) ; τ dop R = υ eu (26) R m R mu (ili R mo) σdop = ; τdop = (27) υ υ gdje je: υ - koeficijent sigurnosti, najčešće je 1,5 υ 2,5, a može biti i >10; σ dop dopušteno naprezanje; τ dop dopušteno tangencijalno naprezanje; R eu granica uvijanja; R mu uvojna čvrstoća; R mo smicajna čvrstoća. 35

46 Tako npr. vrijednosti koeficijenta sigurnosti iznose za čelike kod nekih evropskih država: Njemačka i Engleska, duktilni materijali Francuska, krti materijali Engleska, krti materijali Švicarska (kuglasti spremnici, R m ) υ=1,5 υ=3,0 υ=2,35 υ=2,7 Često se za dopuštena naprezanja koriste i slijedeće korelacije: σ dop = ili R eh, te σdop = ili R m (28) Iz ovih podataka slijedi da dopuštena naprezanja moraju biti manja od konvencionalnog napona tečenja (R p0,01 ), tj. u području elastične deformacije. Stepen iskorištenja zatezne čvrstoće R (ili R ) eh p0,2 η m = (29) R m Kao dopunska mjera zaštite konstrukcionih dijelova od loma koristi se često stepen iskorištenja zatezne čvrstoće. Njegove vrijednosti jako zavise od stanja isporuke materijala. Obično se uzima da su slijedeće granice za η m : - liveno stanje 0,4 do 0,5 - vruće valjano 0,5 do 0,6 - termički obrađeno 0,7 do 0,9. Kod poboljšanih čelika ide se na optimalnu kombinaciju, tj. na što viši stepen iskorištenja zatezne čvrstoće (npr. η=0,9) i na garanciju minimalne potrebne žilavosti materijala kroz propisanu vrijednost izduženja (npr. A 5 15%); Svojstva deformabilnosti Pri ispitivanju zatezanjem mogu se određivati slijedeća svojstva deformabilnosti materijala: ukupno izduženje (A 5 ili A 10, odnosno A 11,3 ) i ukupno suženje (Z 5 ili Z 10 ), tabela 5., koji predstavljaju veoma značajne karakteristike deformabilnosti materijala pri ispitivanju zatezanjem. 36

47 Ako se epruveta mjerne dužine L 0 podvrgne dejstvu zatezne sile, izdužiće se na novu dužinu L t, pa će razlika između rastojanja mjernih tačaka u bilo kom trenutku ispitivanja i prvobitne mjerne dužine L=L t L 0 predstavljati priraštaj dužine i trenutno izduženje. Trenutno izduženje svedeno na prvobitnu mjernu dužinu, predstavlja jedinično izduženje ε Lt L ε = 0 L0 L = L0 Od naročitog značaja je određivanje izduženja pri prekidu. Izduženje pri prekidu je razlika između mjerne dužine prekinute epruvete L u i prvobitne mjerne dužine L 0 svedeno na prvobitnu mjernu dužinu i zove se izduženje, a izražava se u procentima: L L A u = o 100,% (30) Lo Vrijednosti izduženja ovise od položaja prekida epruvete. Najpouzdanije vrijednosti se dobiju ako je prekid nastao na sredini epruvete. (Ako se automatski mjeri izduženje nisu potrebne mjerne tačke na epruveti i izmjereno izduženje je ukupno izduženje, te se za određivanje procentualnog izduženja oduzima elastično izduženje osim ako i to nije određeno automatski). Procentualno suženje površine poprečnog presjeka epruvete je razlika između prvobitne površine poprečnog presjeka S 0 i površine poprečnog presjeka u bilo kom trenutku ispitivanja S k svedena na prvobitnu površinu poprečnog presjeka. Procentualno suženje površine presjeka pri prekidu je: S S Z 0 = u 100, % S0 gdje je S u površina najmanjeg poprečnog presjeka na mjestu prekida. Kod epruveta kružnog poprečnog presjeka mjeri se prečnik na najužem dijelu paralelne dužine (L 0 ) u dva, međusobno normalna pravca. Iz aritmetičke srednje vrijednosti izmjerenih prečnika izračunava se najmanja površina poprečnog presjeka epruvete poslije prekida (S u ). Deformacija epruvete iza dostizanja tačke T (slika 12.) sastoji se od elastične (ε el ), koja iščezava s rasterećenjem i od plastične (ili nepovratne ε pl ), koja ostaje trajno prisutna u materijalu. Iznos plastične deformacije nakon kidanja epruvete (tačka K) dobija se s dijagrama σ ε (R-ε) povlačenjem paralele s Hookeovim pravcem te nalaženjem presjeka sa apscisom (tačka K') ili jednostavnim sastavljanjem polomljenih dijelova epruvete, tj. mjerenjem veličine L u. 37

48 Ako uz oznaku za ukupno izduženje epruvete A nema oznake u indeksu, podrazumijeva se da se radi o izduženju A 5 (određenom na kratkoj proporcionalnoj epruveti). Vrijednost izduženja A 5 obično je za 20% veća od vrijednosti A 10, jer one zavise od dimenzije epruvete i suženja na mjestu prijeloma. Detalji opisa tačnog određivanja izduženja mogu se naći u standardu (ISO 6892, BAS EN /01,JUS C.A4.002, HRN C.A4.002). Ispitivanja zatezanjem vrše se po pravilu na sobnoj temperaturi, pod kojom se podrazumijeva raspon temperatura između 10 i 35 C. Ako se traže kontrolisani uslovi ispitivanja, npr. za ispitivanja relaksacijom ili udarne radnje loma, onda se misli na temperaturu od 23±5 C. Na slici 15. dat je izgled pokidanih epruveta od duktilnog čelika (a) i od krtog čelika (b). a) b) Č3108 (900A) Slika 15. Pokidane epruvete a) - duktilnog čelika b) - krtog čelika Teoretska i stvarna čvrstoća Teoretska čvrstoća materijala predstavlja čvrstoću atomskih veza, tj. čvrstoću idealnog materijala bez grešaka kristalne rešetke, kao što su vakansije, dislokacije, greške slaganja itd. Kada su godine Taylor, Polany i Orowan postulirali dislokacionu teoriju, iako se sve do otkrivanja elektronskog mikroskopa oko godine nije moglo dokazati prisustvo dislokacija, oni su tvrdili da velika razlika u čvrstoći (10 do 1000 puta) između idealnih i realnih materijala potiče zbog dislokacija [11]. 38

49 Teoretska smicajna čvrstoća razdvajanja dvaju susjednih atomskih ravni metala može se približno izraziti prema jednačini: G b τ r teor, (31) 2π d gdje je: b - Burgersov vektor *, d - razmak atomskih ravni, G modul smicanja. Ako se uzme da je b=d, tada jednačina (31) dobija oblik: τ r teor G =, odnosno za željezo 2π τ r teor Fe = = MPa , Zatezna čvrstoća ugljeničnog vruće valjanog čelika s 0,2 %C iznosi cca 410 MPa, a odgovarajuća smicajna cca 310 MPa. Odatle slijedi da je teoretska smicajna čvrstoća veća od realne za ovaj čelik približno: = 416, puta 310 Tačnije teoretske procjene uzimaju za metalne monokristale zavisnost naprezanja od rastojanja atoma izraženu preko periodične funkcije, odnosno: G τ r teor =, (32) što daje za kristale željeza τ r teor = = 2700 MPa, a za kristale aluminija τ r teor = = 900 MPa. Stvarno izmjerene vrijednosti na sobnoj 30 temperaturi, dale su vrijednosti za željezo 20 MPa, a za aluminij svega 1 MPa. Procjene pokazuju da teoretska čvrstoća razdvajanja susjednih atomskih ravni metala s normalnim naprezanjima iznosi: E 5 E > R r teor > (33) 10 Za željezo je E Fe = MPa, te će za savršene monokristale biti: R rteor Fe između i MPa, a za realne monokristale željeza maksimalna zatezna čvrstoća iznosi do MPa Realni materijali imaju mnogo nepravilnosti, koje je nemoguće obuhvatiti proračunom, te se zato * Burgersov vektor definiše veličinu klizanja, pravac i smijer klizanja i veličinu elastične deformacije oko dislokacione linije. 39

50 njihova mehanička svojstva moraju utvrđivati opitima, tj. različitim načinima ispitivanja Ispitivanje pritiskom Ispitivanje pritiskom je vrlo slično ispitivanju zatezanjem, jer sila djeluje također aksijalno, samo u suprotnom smjeru. Zbog toga su deformacije pri pritisku analogne pojave zatezanju: izduženju odgovara skraćenje, a suženju - proširenje. Epruvete su oblika valjka s promjerom d o =10 do 30 mm i početnom visinom h o =1 do 3 d o za metalne materijale ili oblika kocke za građevinske materijale (npr. za beton). Dodirne (nalijegajuće) površine epruveta i alata moraju biti paralelne i fino obrađene [16]. Zbog jednakog prenošenja pritiska obično gornja ploča ima loptasti zglob. Određivanje svojstava otpornosti pri ispitivanju pritiskom vrši se isključivo na krtim materijalima, koji se lome ili pucaju (npr. sivi liv, mjed i sl.). Na slici 16. a) dat je izgled epruvete od sivog liva za ispitivanje pritiskom nakon eksperimenta i dijagram pritisno naprezanje - jedinično skraćenje za dva metalna materijala, slika 16. b). sivi lijev liv sivi liv lijev niskougljenični niskougljični čelik d u h u naprezanje, σ t 1 2 R mt R et0,2 R et a) b) 40 jedinično skraćenje, ε t Slika 16. Epruveta od sivog liva za ispitivanje pritiskom nakon eksperimenta (a) i dijagram naprezanje - skraćenje pri pritisku (b) [11] Specifičnosti ispitivanja pritiskom su: - krti materijali pucaju ubrzo nakon prijelaza iz elastične u plastičnu deformaciju, određuje se pritisna čvrstoća R mt [16], - žilavi metalni materijali se ne kidaju pri sabijanju, te je takvo ispitivanje kod njih u stvari tehnološko (epruveta se sabija na polovinu ili trećinu početne visine, nakon čega se poslije vizuelnog pregleda utvrđuje da li deformabilnost zadovoljava ili ne

51 zadovoljava). U slučaju potrebe od svojstava otpornosti mogu se određivati: granice pritiska R et, konvencionalna granica pritiska R et0,2, tehnička granica elastičnosti pritiska R pt0,01 i sl. *, - otpornost materijala sabijanju i deformacija u toku ispitivanja zavise mnogo od odnosa početnih dimenzija epruvete h o /d o i zato se mogu upoređivati samo rezultati ispitivanja dobijeni s istim početnim dimenzijama epruveta (slika 17. a). Različiti tipovi pucanja epruvete pri pritisku dati su na slici 17. b. - na rezultate ispitivanja utiče mnogo i trenje koje se javlja na čelima epruvete. Ono prouzrokuje ispupčenje epruveta na plaštu. Naime sile trenja na čelima zadržavaju slojeve uz čela, te se epruvete najviše proširuju u srednjem visinskom pojasu [17]. Taj uticaj se smanjuje podmazivanjem čela epruvete prije ispitivanja, povećanjem početne visine epruvete ili upotrebom koničnih ploha na čelima epruvete s nagibom koji odgovara uglu trenja (kod čelika oko 3 o ). 1 - Ž 2 - K 3 - KP a) b) Slika 17. Dijagram F- L za različite vrijednosti odnosa h o /d o (a) i različiti tipovi pucanja epruveta pri pritisku (b) [10] Tip pucanja epruvete 1-Ž događa se po smjerovima dvaju suprotnih kupa, odlika je žilavog metala, tip 2-K po dijagonali epruvete, odlika je krtog metala, a tip 3-KP u više odlomaka po visini epruvete, odlika je podmazanog krtog metala. * Prema literaturi [6] R et se naziva i granica tečenja (σ pt ) a R et0,2 granica 0,2%. Prema standardu BAS EN 24506/01 koji se odnosi na ispitivanje pritisne čvrstoće za tvrde materijale, oznaka R et0,2 ima simbol R Co,2 i predstavlja 0,2 napon tečenja, pritisna čvrstoća R mt prema istom standardu ima oznaku R cm i označava pritisnu čvrstoću nakon loma. Prema EN 1561/97 koji se odnosi na ispitivanje sivog liva sve oznake za pritisnu i savojnu čvrstoću u osnovi imaju raniji simbol σ umjesto R (naprezanje). 41

52 Iz oblika dijagrama pri ispitivanju pritiskom (slika 16.b) za niskougljenični čelik vidi se da krivulja u početnom dijelu ima pravolinijski tok kao i kod ispitivanja zatezanjem gotovo do granice pritiska (ili granice gnječenja) R et ili konvencionalne granice pritiska R et0,2, koje se izračunavaju po jednačinama: F et R et =, MPa (34) So F et0,2 R et0,2 =, MPa (35) So S ovim veličinama se definiše otpornost žilavih materijala na lom kod ispitivanja pritiskom, jer se pritisna čvrstoća može odrediti samo kod krtih materijala: F R mt mt =, MPa (36) So Za određivanje konvencionalne granice pritiska R et0,2 ili tehničke granice elastičnosti pritiska R pt0,01 trebaju precizni ekstenzometri kao i kod ispitivanja zatezanjem ili kompjuterizovane mašine. S nastavljanjem pritiskivanja raste naprezanje uz jednovremenu znatnu deformaciju (spljoštavanje) epruvete bez pucanja. Pri tome poslije jednog pregiba krivulja se penje strmo sve dok se ne dostigne maksimalno opterećenje mašina, jer raste i otpornost deformaciji. Epruveta se jako deformiše i mogu nastati radijalne pukotine uslijed tangencijalnih naprezanja (tehnološko ispitivanje). Iz završnog toka dijagrama sabijanja niskougljeničnog čelika vidi se da su stvarna naprezanja manja od konvencionalnih, jer je površina presjeka epruvete poslije ispitivanja znatno veća od početne površine. Svojstvo deformabilnosti pri ispitivanju pritiskom su skraćenje ε t, odnosno konačno skraćenje i konačno proširenje epruvete: ho h u ε t = (37) h o Su So i Zt = 100, % (38) So Pritisna čvrstoća za tipični krti materijal - sivi liv znatno je veća od njegove zatezne čvrstoće zbog koncentracije naprezanja na krajevima grafitnih lamela. U tabeli 8. dati su podaci o vrijednostima osobina za nekoliko vrsta sivog liva. 42

53 Tabela 8. - Vrijednosti mehaničkih svojstava za sivi liv Oznaka vrste livova Vrijednosti mehaničkih osobina po po po R m R ms R mt E HBS JUS C.J2.020 HRN C.J2.020 DIN 1691 min. MPa min. MPa p r e p o r u k a SL 10 SL 100 GG SL 20 SL 200 GG SL 25 SL 250 GG SL 30 SL 300 GG SL 40 SL 400 GG gdje je: R m - zatezna čvrstoća, R ms-savojna čvrstoća, R mt -pritisna čvrstoća i E modul elastičnosti, sve u MPa; HBS-Brinell-ova tvrdoća (ispitivanje čeličnom kuglicom) * Uobičajene korelacijske formule za sivi liv su (BAS ISO 185/00): R mt = 3 do 6. R m (39) R p0,2 = 0,8 do 0,9. R m (40) HBS = RH (100+0,438. R m ) za R m 196 MPa (41) i HBS = RH (44+0,724. R m ) za R m < 196 MPa (42) gdje je: RH - relativna tvrdoća (0,8 do 1,2) **. Standard za ispitivanje pritiskom ili pritiskivanjem (metode i postupak) preuzet je u BiH od EN normi samo za sinterovane materijale osim tvrdih metala (BAS EN 24506/01) te je često u upotrebi DIN 50106/ Ispitivanje savijanjem Ispitivanje savijanjem radi određivanja savojne čvrstoće se slično ispitivanju pritiskom rijetko primjenjuje i to pretežito za krte metalne materijale, npr. za sivi liv (standardi JUS C.A4.014 i HRN C.A4.014). Najčešće se provodi opterećivanjem u tri tačke (slika 18. a), pri čemu sila djeluje na polovini raspona između oslonaca epruvete. Krti materijali se lome pri relativno malim uglovima * Ranija oznaka za zateznu čvrstoću prema JUS C.A σ M, za pritisnu čvrstoću σ pm, te za savojnu čvrstoću za sivi liv σ sm.oznake R ms, R mt uzete su prema literaturi [16] a preuzeti standardi su BAS ISO 3325/AMD1 za ispitivanje savojne lomne čvrstoće za sinterovane metale bez tvrdih metala a pritisne čvrstoće samo za tvrde metale BAS EN 24506/01. ** U standardu BAS ISO 185/00 na slici B.1. ovisno od R m i RH (od 0,8 do 1,2) date su vrijednosti za Brinellovu tvrdoću. Takođe, u istom standardu date su jednačine za izračunavanje RH. 43

54 moment savijanja M, J s ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA savijanja, a pored sile se mjeri i deformacija preko veličine ugiba. Žilavi materijali, kao čelici, obično se ne lome pri savijanju, te se kod njih određuje naprezanje pri kojem nastaju trajne deformacije. Zato se ispitivanje savijanjem žilavih metalnih materijala provodi znatno češće kao tehnološko ispitivanje radi utvrđivanja njegove sposobnosti deformisanja, a ocjenjuje se opisno na temelju propisanog ugla savijanja (obično 180 za obične konstrukcione čelike, 140 za zavarene spojeve i sl.). Na slici 18. data je shema ispitivanja savijanjem (a) i izgled dijagrama moment savijanja - ugib za žilave materijale (b). F Mf 0,2. s M= F L 4 L s a) f 0,2 progib ugib f, f, mm Slika 18. Shema ispitivanja savijanjem (a) i dijagram savijanja, M s -ugib (b) [14] Epruvete za ispitivanje savijanjem iz sivog liva se izrađuju s različitim promjerima (13, 20, 30 ili 45 mm) iz uzoraka izlivenih odvojeno od odlivaka zavisno o mjerodavnoj debljini zida (JUS C.A4.012 i HRN C.A4.012) *. Raspon između oslonaca iznosi L s =20 d, tako da dužina epruvete iznosi L s +(40 do 50) mm. Dimenzije dijelova uređaja za ispitivanje savijanjem zavise od prečnika epruvete i propisane su u navedenom standardu. Ispitivane epruvete su u neobrađenom stanju, a određuju se: - savojna čvrstoća, R ms - ugib pri prijelomu, f u, mm - krutost, K E i - faktor savijanja, K S Savojna čvrstoća se izračunava kao omjer maksimalnog momenta savijanja M s, utvrđenog pri lomu epruvete, i momenta otpora presjeka W: Ms R ms =, MPa (43) W Fms Ls Ms =, J ili Nmm (44) 4 b) * Često se ispitivanja izvode prema DIN (Ispitivanje sivog liva. Savojno ispitivanje) 44

55 3 πd 3 W =, mm (45) 32 te je: 8Fms Ls c Fms R ms = = (46) 3 π d 1000 gdje je: 8 L c = 1000, konstanta zavisna od prečnika epruvete (47) 3s π d Ugib pri prijelomu f u je najveći ugib u mm postignut pri ispitivanju. Mjeri se jednostavnim komparatorskim ili sličnim uređajem oslonjenim na epruvetu tokom ispitivanja. Kod ispitivanja žilavih materijala savijanjem, koji se ne lome, određuje se konvencionalna (ili tehnička) granica savijanja R es0,2 na temelju uslovno usvojene trajne deformacije od 0,2%. Krutost K E je dopunski pokazatelj pri savijanju: R d K ms E =, MPa (48) fu 30 Faktor savijanja K S je također dopunski pokazatelj svojstava materijala pri savijanju: R ms K S = (49) R m Za sivi liv vrijednost K S je oko 2. Pored ugiba može se kao mjera deformacije pri savijanju izračunati i savitljivost (jedinični ugib): fu savitljivost = 100, % (50) Ls Na slici 19. dat je izgled tri temeljna tipa dijagrama moment savijanja - ugib. M s M s M s f f a) b) Slika 19. Tipovi dijagrama moment savijanja ugib [6]: a - žilavi materijali b - krti materijali c - materijali s mješovitim prijelomom 45 c) f

56 Kod ispitivanja materijala savijanjem gornji slojevi epruvete su opterećeni na pritisak, a donji na zatezanje. Pri tome je unutar područja elastične deformacije linearna promjena naprezanja po presjeku, a nije linearna iznad granice elastičnosti materijala. Ako materijal nema ista svojstva naprezanje - deformacija za zatezanje i pritisak, onda se neutralna os mora premjestiti ka krućoj strani epruvete da bi se uspostavila ravnoteža rezultante sila zatezanja i pritiska. Teoretski gledano pri savijanju mogu nastati nejednolika naprezanja od jednoosnog zatezanja do jednoosnog pritiska, o čemu treba voditi računa jer su mašinski dijelovi često opterećeni na savijanje [18] Ispitivanje smicanjem Ispitivanje smicanjem vrši se radi određivanja smicajne čvrstoće materijala koji su u upotrebi izloženi smicajnom naprezanju (vijci, matice, prosijecanje limova itd.). Smicajno naprezanje se javlja kao rezultat istovremenog djelovanja dvaju suprotnih sila (zatezanja i pritiska) na malom razmaku. Ispitivanje se vrši po standardu DIN na viljuškastom uređaju u koji se epruveta postavlja horizontalno. Uređaj se sastoji iz alata za sječenje (nož) po dva presjeka i čahura sa što manjim zazorom. Za ispitivanje se koriste univerzalne kidalice, a samo smicanje epruvete (promjera obično 5 mm) vrši se pomoću zatezanja ili pritiska. Na slici 20. data je shema ispitivanja smicanjem (ili odrezom). Smicajna čvrstoća se određuje po jednačinama za slučajeve sa slike 20.: Fmo a) R mo =, So MPa (51) F b) R mo mo, 2So MPa (52) gdje je: F mo - maksimalna smicajna sila, N S o - površina poprečnog presjeka, mm 2 Između smicajne * i zatezne čvrstoće postoje korelacije: a) za meki čelik R mo =(0,75 do 0,8). R m (53) b) za sivi liv R mo =(1,0 do 1,1). R m (54) * oznaka za smicajnu čvrstoću data prema literaturi [16] 46

57 a) Ravan smicanja F c) F F Epruveta Nož Ravni smicanja b) F F Čahura d F F Slika 20. Shema ispitivanja smicanjem [5] a) - smicanje po jednom presjeku b) - smicanje po dva presjeka c) -uređaj s epruvetom za ispitivanje smicanjem putem zatezanja Pri ispitivanju smicanjem ne može se ostvariti čisti smik ili odrez zbog pojave momenta savijanja, koji prouzrokuje naprezanja veća od vrijednosti čvrstoće materijala. Zato se kod standardnog ispitivanja smicanjem (po dva presjeka) vide na površinama prijeloma tragovi deformacija od savijanja i smicanja kod žilavih materijala, dok se kod krtih ne vide. Osim toga na rezultate ispitivanja utiču i dimenzije epruveta. Zbog toga smicajna čvrstoća ima značaj uglavnom kao usporedno svojstvo materijala. Kod limova se umjesto ispitivanja smicanjem vrši ispitivanje probijanjem, a mogu se upoređivati samo rezultati dobijeni na istom uređaju. Probojna čvrstoća je jednaka: gdje su: F F R mo mo mo = =, MPa (55) So π ds d - promjer žiga za probijanje rupa, mm i S - debljina lima, mm. 47

58 Ispitivanje uvijanjem Ispitivanje uvijanjem radi određivanja uvojne čvrstoće nema veliku primjenu. Važno je za materijale koji se koriste za izradu mašinskih dijelova izloženih uvojnim (ili torzionim) opterećenjima, kao što su vratila, cijevi i slično. Znatno veću primjenu ima kao tehnološko ispitivanje za žicu [19]. Karakteristično za ispitivanje uvijanjem je to što epruveta tokom ispitivanja zadržava početni poprečni presjek, te je lakše praćenje promjene deformacije. Pri uvijanju ne nastaje lokalizacija deformacije epruvete, a svaki poprečni presjek pomjeren je za drugi presjek za ugao zakreta. Na slici 21. data je shema ispitivanja uvijanjem sa potrebnim oznakama. F F d A γ L b) F F C ϕ B moment uvijanja M, J u R eup R eu0,4 R mu a) τ max Slika 21. Shema ispitivanja uvijanjem [10] a) - naprezanje epruvete ugao kut zakreta uvijanja γ o γ, 0 b) - deformacije pri uvijanju γ i ϕ c) - dijagram pri uvijanju M u -ugao uvijanja c) Kod ispitivanja uvijanjem okrugle epruvete jedan kraj je učvršćen u čeljust mašina, a na drugi djeluje spreg sila, koji stvara moment uvijanja. Naprezanje uvijanja se prenosi jednako po dužini epruvete, a nejednoliko po njenom presjeku. Najveće tangencijalno naprezanje je na površini epruvete, gdje djeluje moment uvijanja, i ono se jednako umanjuje do nule prema središnjoj osi epruvete (slika 21.a). Tangencijalno naprezanje kod uvijanja jednako je: M τ u u =, MPa (56) Wp gdje je: M u - moment uvijanja, J ili Nmm, a W p - polarni moment, mm 3. 48

59 Za kružni presjek je: 3 3 p =, mm (57) W π d 16 Odgovarajuće naprezanje uvijanja se izračunava po: 16Mu τ u = (58) 3 π d Deformacija površinskog vlakna okrugle epruvete AB (slika 21.b) dobija helikoidalni oblik s malim uglom zakreta γ između dvije promatrane ravni na razmaku L. U oblasti elastičnih deformacija se ugao zakreta ϕ, izražen u stepenima, izračunava po: γ L 2γ L ϕ = = d / 2 d (59) a tangencijalno naprezanje je proporcionalno deformaciji preko modula smicanja G: τ u = γ G, MPa (60) = 32 MuL, MPa πd ϕ (61) G 4 Modul smicanja G i modul elastičnosti E ne zavise od hemijskog sastava legura i stanja termičke obrade, a povezani su poznatom korelacijom preko Poissonova faktora: E G = (62) 2 (1 + µ ) Dijagram pri ispitivanju uvijanjem (slika 19.c) pokazuje tri karakteristične tačke i to: 16 Meup 1. granicu proporcionalnosti R eup =, MPa (63) 3 π d 16 Meu0,4 2. konvencionalnu granicu uvijanja R eu0,4 =, MPa (64) 3 π d 16 M 3. uvojnu čvrstoću * u R mu =, MPa (65) 3 π d * oznaka za uvojnu čvrstoću prema [16] 49

60 Konvencionalna ili tehnička granica uvijanja se određuje pri trajnoj deformaciji od 0,4% prema opisanom principu kod ispitivanja zatezanjem, koja je kod uvijanja dva puta veća jer su deformacije znatno manje [6]. Mašine za ispitivanje uvijanjem konstruišu se s vertikalnom ili horizontalnom izvedbom, a uobičajeni maksimalni momenti uvijanja iznose od 500 do 1500 J. Na slici 22. dat je izgled mašine za ispitivanje uvijanjem s horizontalnom izvedbom firme "Amsler" Švicarska. Slika 22. Horizontalna mašina za ispitivanje uvijanjem * Na slici 23. dat je izgled okrugle epruvete promjera 10 mm (L=10 d) poslije ispitivanja iz jednog niskolegiranog čelika za poboljšavanje. Slika 23. Epruveta poslije ispitivanja uvijanjem * Mašina se nalazi na Metalurškom institutu Kemal Kapetanović Zenica 50

61 3.2. Dinamičke metode ispitivanja Ispitivanje udarne radnje loma Ispitivanje udarne radnje loma * zarezane epruvete po Charpyju je jedno od najstarijih (tabela 1.) mehaničkih ispitivanja materijala u eksploatacionim uslovima, a služi za utvrđivanje njegove otpornosti prema krtom lomu. Na Charpyjevu klatnu (slika 24.) ispituju se jednim udarcem s brzinom obično 5 do 5,5 m/s zarezane epruvete (s U-zarezom ili s V-zarezom - slika 25.). Radnja (energija) utrošena za lom epruvete (u J) je mjera žilavosti materijala. Njezino određivanje je propisano u svim normama za prijem i isporuku materijala, a zahtijeva se i kod razvoja novih materijala, kod provjere kvalitete gotovih dijelova, te kod analiza loma uslijed raznih kvarova u praksi [20]. Slika 24. Opšti izgled savremenog Charpyjevog klatna s osciloskopskim uređajem * Prema JUS standardima (JUS C.A4.004 i JUS C.A.025)upotrebljavani termin je utrošena energija udarnim dejstvom sile ili udarom. 51

62 a ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Oblici i dimenzije najčešće korištenih epruveta za ispitivanje udarne radnje loma dati su na slici , , ,6 b 1 +0, ,11 0,25 +0, , ,06 45 o +2 o Epruveta s U - zarezom Epruveta s V - zarezom (BAS EN ) (BAS EN ) (HRN C.A ) (ISO ) (HRN C.A ) (ISO ) a = 5 mm - normalno a = 3 (2) mm - plitki zarez + 0,09 mm b = 10 mm - normalno + 0,11 mm b = 7,5 (5) mm - uska epruveta Slika 25. Epruvete za ispitivanje udarom po Charpyju Pri ispitivanju epruveta se postavlja centrično na oslonac s razmakom od 40 mm (slika 26.a), a klatno slobodnim padom udara tačno u njezinu sredinu sa suprotne strane od zareza i lomi je jednim udarcem. U početnom položaju potencijalna energija Charpy-jeva klatna iznosi: E pot = F g h 1, obično 300, 150 i/ili 100 J (66) gdje su: F g - sila teže, N h 1 - početna visina, m. Nakon puštanja klatna njegova potencijalna energija pretvara se u kinetičku. Dio te energije utrošen na lom epruvete naziva se udarna radnja loma: E url = F g (h 1 h 2 ), J (67) gdje je h 2 - visina koju postigne klatno poslije loma epruvete, m. Udarna radnja loma metalnih materijala se ispituje na normiranim (standardizovanim) epruvetama kvadratnog ili pravouglog presjeka sa zarezom u obliku slova U (oznaku KU) ili slova V (oznaka KV), slika 25. Prema standardu BAS EN ispitivanje udarom se izvodi pod normalnim uslovima kada nazivna potencijalna energija klatna iznosi 300±10 J i kada se koriste normalne epruvete (10x10x55 mm) sa zarezom u obliku slova U dubine 5 mm ili u obliku slova V. 52

63 a) 2 +0, o+ 1 o a) detalj vrha klatna i položaj epruvete na osloncima 1 +0, ,5 0 b) F g r b) položaj klatna na početku i kraju ispitivanja udarom h1 α 1 α 2 h2 c) E url K I III II o Temperatura ϑ, C 53 c) opšti izgledi dijagrama zavisnosti udarne radnje loma E url od temperature ispitivanja Slika 26. Ispitivanje udarom po Charpy-ju [10] I - legure s FCC (PCK) rešetkom II - legure s BCC (VCK) rešetkom III - visokočvrsti materijali Za utvrđivanje važnog svojstva-žilavosti materijala ispituju se tri iste epruvete na propisanoj temperaturi, pri čemu ne smije biti veće rasipanje vrijednosti od 30% u odnosu na minimalnu propisanu vrijednost (samo jedna od njih može imati nižu vrijednost). U standardima za prijem i isporuku metalnih materijala propisane su minimalne srednje vrijednosti udarne radnje loma, npr. KU=min. 47 J ili KV=min. 27 J na temperaturi ispitivanja. Pošto je udarna radnja loma samo mjera za žilavost materijala, nekada se traži i brojčano iskazivanje žilavosti u jedinicama J/cm 2. Tako npr. za udarnu radnju loma KU=47 J, odgovarajuća žilavost iznosi 94 J/cm 2, a za udarnu radnju loma KV=27 J, žilavost je 34 J/cm 2 ili općenito žilavost K se izračunava po jednačini: KU (ili KV) 2 K =, J/cm S (68) gdje je S - površina lomnog presjeka epruvete, cm 2.

64 Kod epruvete s zarezom 5U površina iznosi: a kod epruvete s zarezom 2V: S = 1. (1-0,5) = 0,50 cm 2 (69) S = 1. (1-0,2) = 0,80 cm 2 (70) Za ispitivanje udarne radnje loma koriste se u praksi često još i epruvete s plićim U-zarezima, kao i uske V-epruvete (slika 25.) prema tabeli 9. Uske V-epruvete koriste se samo u slučajevima kada je debljina materijala manja od 10 mm. Tada se koriste debljine od 7,5 ili 5 mm, a odgovarajuća oznaka udarne radnje loma KV dopunjava se oznakama potencijalne energije klatna i debljine epruvete, na primjer: KV 300/7,5 ili KV 150/5 (71) Slično tome kada se koriste epruvete s plićim U-zarezom, dopunjava se oznaka udarne radnje loma KU odgovarajućim oznakama potencijalne energije i dubine zareza, npr. ovako: KU 300/3 ili KU 150/2 i sl. (72) Tabela 9. - Ostale epruvete žilavosti za metalne materijale Dimenzije, Naziv epruvete Oznaka mm Površina lomnog presjeka, cm 2 Epruveta njemačkog udruženja za ispitivanje DVM (3U) (1-0,30)=0,70 materijala Pravougaona epruveta njemačkog udruženja DVMF (4U) ,8. (1-0,40)=0,48 Mesnager epruveta Mes (2U) (1-0,20)=0,80 Mala epruveta njemačkog udruženja DVMK ,60. (0,60-0,20)=0,24 Epruveta udruženja švicarske mašinogradnje VSM (2,5U) (1-0,25)=0,75 Ako se tokom ispitivanja udarom epruveta deformiše bez loma, ne može se odrediti udarna radnja loma, a u izvještaju o ispitivanju mora se navesti da epruveta nije polomljena sa xj [21]. Epruvete s V-zarezom obavezno se koriste za određivanje udarne radnje loma opštih konstrukcijskih čelika (npr. Č 0561), a epruvete s U-zarezom kod ispitivanja svojstava kvalitetnijih čelika (npr. čelici za poboljšanje kao Č 1531, Č 4732 i sl.). Pri tome se za sada znatno više koriste epruvete s U-zarezom dubine 3 mm (DVM-epruveta) u Njemačkoj, Austriji i našim krajevima, nego epruvete s U-zarezom dubine 5 mm koje su propisane u savremenim normama EN i ISO. Epruvete s U-zarezom dubine 2 mm (Mesnager) koriste se u Rusiji, Italiji i Španjolskoj [22]. 54

65 Uticajni faktori na žilavost materijala Na žilavost materijala utiče čitav niz faktora, kao što su: - temperatura ispitivanja, - mikrostruktura (osobito veličina zrna), - oblik i dimenzije zareza, - dimenzije epruvete, - brzina udara itd. Temperatura ispitivanja ima najveći uticaj na žilavost, odnosno na udarnu radnju loma materijala. Žilavost materijala općenito opada sa snižavanjem temperature ispitivanja (slika 26.c). To je zbog toga što se snižavanjem temperature snižava i plastičnost, odnosno deformabilnost materijala. Kod vrlo žilavih metala s površinski centriranom kubnom kristalnom rešetkom (FCC rešetka: Al, Cu, Ni, austenitni čelici - krivulja I) to opadanje žilavosti je neznatno i postepeno, te su oni zato deformabilni u širokom temperaturnom intervalu, a imaju i visoku vrijednost izduženja (A 5 ). Krti materijali (npr. visokočvrsti čelici, staklo i keramika), imaju malu žilavost i deformabilnost bez obzira na temperaturu ispitivanja (krivulja II), a legure metala s prostorno centriranom kubnom rešetkom (BCC rešetka), kao što su većina konstrukcionih čelika, polimeri i keramika imaju vrlo karakterističnu krivulju III s jasno izraženom prijelaznom temperaturom ispitivanja. Prijelazna temperatura ispitivanja (T p ) na dijagramu K (ili KU, KV) - T, slika 27., odvaja područje žilavog od područja krtog ponašanja materijala. Prema tome ona je vrlo važan kriterij ponašanja materijala, jer se iznad nje očekuje žilavo, a ispod nje krto ponašanje. Određuje se kao prijelomna tačka (tačka infleksije) na krivulji u obliku izduženog integrala. Kod običnih konstrukcionih čelika, npr. tipa Č 0563 ili Č 0363 mora na temperaturi ispitivanja od -20 C biti minimalna udarna radnja loma u tački infleksije KV=27 J (kao srednja vrijednost od 3 epruvete). Slično tome kod Č 0562, odnosno Č 0362 mora biti zagarantovana ista vrijednost udarne radnje loma na 0 C, a kod Č 0561, odnosno Č 0361 kod temperature od +20 C. Ispitivanje udarne radnje loma vrši se po pravilu na temperaturi 23 ± 5 C ukoliko to nije precizirano u posebnim standardima za isporuku proizvoda [22]. Što je niža prijelazna temperatura to je veća garancija da se materijal može koristiti u nepovoljnim uslovima eksploatacije i na nižim temperaturama. Kriteriji karakterizacije materijala na temelju temperature ispitivanja su granična temperatura i temperatura nulte duktilnosti [19]. Granična temperatura se označava s T 50% ili T 85%, a ona je mjera žilavosti za temperature pri kojima nekristalni dio prijelomne površine epruvete iznosi 50% ili 85% ukupne površine. Ispituje se na epruvetama s zarezom s padajućim tegom po ASTM normi (ASTM E 208). 55

66 Temperatura nulte duktilnosti ili NDT-temperatura (NDT-Nil Ductility Transition) je također mjera žilavosti. To je najviša temperatura pri kojoj pukotina prodire kroz čitav presjek epruvete, tj. na njoj se gube svojstva plastičnosti kod čelika. Ispod NDT-temperature očekuje se krto ponašanje materijala iako je veličina nominalnog naprezanja niža od napona tečenja (slika 28.). Slika 27. Dijagram udarna radnja loma temperatura [16] Nominalno naprezanje, N/mm R m R eh R eh R eh R eh Veličina pukotine mm : 2a < 25 NDT : 54 N/mm 2 CAT - kriva FTE Prijelaz elastičnosti FTP Plastično područje Elastično područje Prijelaz plastičnosti Temperatura, o C Slika 28. Dijagram analize loma po Pelliniju [20] 56

67 Ispitivanje temperature nulte duktilnosti se izvodi padajućim tegom po Pelliniju za limove debljine preko 13 mm (Drop Weight Test-DWT). Ispitivanje po Pelliniju izvodi se na epruvetama s navarom u kojem je urezan zarez. Za određenu NDT-temperaturu, pri kojoj dolazi do krtog loma epruvete, može se konstruisati dijagram analize loma (Fracture Analysis Diagram - FAD). Na temelju tog dijagrama može se analizirati istovremeni uticaj veličina pukotine i temperature na razvoj loma [20]. Naprezanja između 34 i 54 MPa ne mogu dovesti do razvoja loma bez obzira na temperaturu nulte duktilnosti. CAT-kriva (Crack Arrest Temperature) označava temperature zaustavljanja pukotine, tj. na temperaturama iznad CAT nije moguće širenje pukotine. Isto tako nema razvoja pukotine ni u desnom području dijagrama ispod CAT-krive bez obzira da li je deformacija elastična ili plastična zbog uticaja radne temperature. Na temperaturi nulte duktilnosti i nižoj od nje, određen nivo naprezanja može dovesti do razvoja pukotine. Iznad napona tečenja na tim temperaturama se šire i pukotine kraće od 25 mm. Porastom temperature iznad NDT potrebno je veće naprezanje za razvoj pukotine; tako za porast temperature 17 C iznad NDT treba naprezanje od približno polovine napona tečenja, a za porast temperature za 34 C treba naprezanje napona tečenja. Tačka NDT + 34 C naziva se prijelaz elastičnosti jer su sve deformacije iznad ove temperature elastične i plastične, te do loma neće doći pri postojanju pukotine. Ova tačka označava se sa FTE (Fracture Transition Elastic), a predstavlja najvišu moguću temperaturu za nestabilni razvoj krtog loma. Tačka FTP (Fracture Transition Plastic) određuje prijelaznu temperaturu plastičnosti iznad koje je moguć samo plastični lom, čak i u prisustvu pukotina. U području temperatura između NDT i FTE moguć je razvoj loma za naprezanja iznad napona tečenja. Na prijelaznu temperaturu mnogo utiče i hemijski sastav čelika, a naročito stalnih primjesa ugljika, silicija, mangana, fosfora i dušika. Tako npr. istraživanja J. Veröa * su pokazala slijedeći uticaj elemenata na prijelaznu temperaturu: 0,10 %C povisuje T p za 25 C 0,10 %Si snižava T p za 3 C 0,10 %Mn snižava T p za 6 C 0,10 %P povisuje T p za 55 C 0,01 %N povisuje T p za 200 do 300 C Slika 29. pokazuje prijelaznu temperaturu (tačka I) kod čelika za željezničke šine tzv. normalnog kvaliteta s zateznom čvrstoćom R m =680 do 830 MPa, određenu na epruvetama sa V-zarezom (nestandardizovano ispitivanje). Vidi se da je prijelazna temperatura (+102 C) znatno viša od uobičajene radne temperature (cca -20 do +50 C u našim krajevima). Na sobnoj temperaturi od cca +20 C udarna radnja loma je oko 7 J i materijal se ponaša krto, naročito na temperaturama od 0 i -20 C. * J. Veröa: Az ipari vasötrozetek metallografiaja, Akademiai Kiado, Budapest,

68 KV, J ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA (27 J) (13,5 J) Č Č kvaliteta kvalitet (čelik za tračnice šine) Il x (6,8 J) x x 28 o 62 o 80 o 84 o 102 o 120 o i i i i i i i i i x temperatura, o C Slika 29. Prijelazna temperatura čelika Č 3107 [21] x x Srednja vrijednost: epruvete 6 sa do U 9 zarezom x epruvete 14 sa do V zarezom 16 svih epruveta iz 4 razne taline Mikrostruktura ima također veliki uticaj na žilavost materijala. Naročito povoljno utiče na žilavost smanjivanje veličine zrna za većinu metalnih materijala. Tako smanjivanje veličine zrna za jedan stepen po ASTM-skali snižava prijelaznu temperaturu za 15 o C. Veću žilavost, odnosno nižu prijelaznu temperaturu ima i deformisani materijal zbog anizotropne strukture, naročito u uzdužnom pravcu. Oblik i dimenzije zareza također znatno utiču na žilavost. Zarezi izazivaju koncentraciju približno trodimenzionalnih naprezanja. Normalna naprezanja djeluju pri tome na zatezanje i têže da razdvoje materijal pod uglom od 90 u odnosu na pravac naprezanja, a tangencijalno naprezanje izaziva klizanje pod uglom od 45. Odnos između normalnih i tangencijalnih naprezanja se znatno mijenja s promjenom oblika i dubine zareza. Najveću vrijednost žilavosti daje polukružni zarez (4U kod DVMF-epruvete), zatim zarezi 2U, 3U i 5U, a najmanju zarez u obliku slova V koji je izveden pod uglom 45 s radijusom podnožja zareza r=0,25 mm. Dimenzije epruvete različito utiču na žilavost materijala. Najmanje utiče dužina epruvete, dok širina i debljina utiču slično na smanjivanje žilavosti. Pri tome najvažniji je odnos dubine zareza prema debljini epruvete, koji treba biti manji od 0,3 ako se želi manje smanjivanje žilavosti (empirijski podatak prema teoriji klizanja kod plastične deformacije). Zbog toga standardi za prijem i isporuku opštih konstrukcionih čelika JUS C.B0.500, HRN C.B0.500, odnosno DIN propisuju manje vrijednosti udarne radnje loma KV kod uskih epruveta: - kod normalne širine 10 mm, kriterij je min. 27 J, - kod uske širine 7,5 mm, kriterij je min. 20,5 J, a - kod uske širine 5 mm, kriterij je min. 13,5 J (prema slici 30.). 58

69 udarna radnja loma za prijelom KV, J ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA , ,5 5 7, širina epruvete, mm Slika 30. Zavisnost udarne radnje loma za prijelom od širine epruvete Brzina udara Charpyjeva klatna nema znatnijeg uticaja na žilavost materijala ako je u rasponu 3 do 7 m/s. Znatno veće brzine udara (20-50 m/s) smanjuju žilavost zbog smanjenog udjela plastične deformacije. U standardu DIN dati su rasponi brzina udara Charpyjeva klatna od potencijalnih energija (tabela 10.). Tabela Standardne potencijalne energije klatna i brzine udara Brzina udara v, m/s Potencijalna energija Charpyjevog klatna E pot, J 5,0-5, ,6-4,0 7, ,8-3,1 0, v = 2gh1 = 2g L (1 cos α1) gdje su: h 1 - početna visina, m α 1 - početni ugao pada, ; α 1 min = 145 L - dužina Charpyjeva klatna, m Početni ugao pada kod normalnih Charpyjevih klatana za metalne materijale s E pot =150, odnosno 300 J obično je 160 o, a potencijalna energija zavisi od mase tega s nožem na klatnu. 59

70 45 o+ 2 o o+ 1 o 98 ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Iz tabele 10. vidi se da su manje brzine udara (3,6-4,0 m/s) propisane za klatna s manjom potencijalnom energijom (7,5-50 J), a najmanje brzine udara (2,8-3,1 m/s) koriste se za polimerne materijale Druge metode ispitivanja udarom Pored ispitivanja udarom po Charpyju koriste se u nekim državama i druge standardne ili nestandardne metode ispitivanja udarom. To su: - po Pelliniju, - po Izodu, - po Bruggeru, - tehnološko ispitivanje itd. Pellinijeva metoda ispitivanja padajućim tegom već je ukratko predstavljena pod opisom temperature nulte duktilnosti NDT (tačka ). Iako su ispitivanja NDT dalje razvijana i usavršavana ipak nije dobijen potpun odgovor o ponašanju materijala u prisustvu početnih pukotina. Kompleksno sagledavanje pojava na vrhu pukotine opterećenog dijela otežano je djelovanjem niza uticajnih faktora, što će biti predmet izučavanja mehanike loma. Metoda po Izodu koristi za ispitivanje također klatno s maljem, a epruveta nije oslonjena horizontalno na dva krajnja oslonca kao kod Charpyja, već je uglavljena vertikalno s jedne strane kao konzola (slike 31. i 32.). 5 o 75 o , , ,25 r + 0, ,42 0,25 r + 0, , a) b) 10 Slika 31. Položaj epruvete pri ispitivanju po Izodu [6] , , , , ,025 Slika 32. Dimenzije epruvete po Izodu sa dva zareza [6] a) za čelike b) za neželjezne metale ,05 60

71 -0,1 ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Sa slike 31. slijedi da kod metode Izoda klatno maljem udara epruvetu sa strane zareza na udaljenosti od 22 mm pod određenim uglom. Epruvete imaju zarez u obliku slova V, a često se proizvode tzv. produžene epruvete s dva ili s tri zareza na različitim stranama radi uštede na materijalu i obradi. Kod postupka po Izodu raspodjela napona nije simetrična u odnosu na poprečni presjek epruvete ispod zareza, a na rezultate ispitivanja mogu uticati i veličina sile kojom je epruveta stegnuta u stezaču. Najveći mogući ugao savijanja iznosi 60, tako da se epruvete od jako žilavih materijala ne mogu sasvim prelomiti. Ova metoda je standardizovana i koristi se nešto više u Engleskoj i u Americi (USA), a za temeljnu potencijalnu energiju uzima se 150 J. Metoda po Bruggeru nije standardizovana, a koristi se mnogo u Njemačkoj i u Švicarskoj za ispitivanje čelika koji služe za izradu zupčanika za mjenjače (npr. ZF * -čelici s oznakama ZF-6, ZF-7, ZF-7B, ZF-51). Epruvete za ispitivanje po Bruggeru su okrugle s prečnikom 25 mm i dužinom 60 mm, koje imaju na krajevima zube dimenzije 7x20 mm. Zubi na krajevima epruvete odgovaraju zubima zupčanika, tako da se pri ispitivanju dobiju uporedivi rezultati za propisanu dinamičku silu loma. Epruveta se ispituje u cementiranom stanju (obično u čvrstom sredstvu), pri čemu svaki zub daje jedno mjerenje (slike 33. i 34.) , , ,1 1,25 r 25 φ 1,25 r 7 +0, ,05 1,25 r Slika 33. Bruggerova epruveta sa zubima[21] * ZF-čelici po čuvenoj firmi Zahnradfabrik Friedrichshafen 61

72 Slika 34. Dijagram F din t [21] Pri ispitivanju epruveta je čvrsto pritegnuta u podnožju klatna s maljem (obično s energijom udara od 150 J) pod uglom od 30. Klatno je povezano s osciloskopom i pri ispitivanju se snima dijagram, dinamička sila loma - vrijeme (slika 34.), a kao kriterij zagarantovane žilavosti materijala postavlja se uslov da dinamička sila loma zuba epruvete mora biti F din 50 kn za navedene ZF-čelike. ZF-čelici su mikrolegirani s borom i uspješno zamjenjuju čelike legirane s kromom i niklom. Tehnološko ispitivanje udarom na uzorcima isječenim iz gotovih proizvoda za željeznicu je obavezno utvrđivanje otpornosti na udarna opterećenja, a provodi se po propisima međunarodnog željezničkog udruženja UIC, standardima HRN i dr. na: - šinama, - vagonskim osovinama i - obručima za željezničke kotače. Ispitivanje otpornosti prema udaru izvodi se pomoću malja mase 1000 kg s vođicama koje moraju biti krute, ravne i vertikalne. Pri tome vrh malja mora biti cilindrično zaobljen s poluprečnikom r = 100 mm kao i vrhovi oslonaca. Masa metalnog podmetača mora biti najmanje kg, a udaljenost oslonaca mm (za šine), odnosno mm (za osovine). Obruči se ispituju preko podmetača mase 20 kg, čija nalijegajuća površina mora odgovarati profilu obruča. 62

73 Pri ispitivanju udarom temperatura uzorka mora biti između 10 i 25 C, a uzorci se ne smiju slomiti niti pokazati pukotine. Uzorak željezničke šine dužine min mm (slika 35.) mora izdržati udar malja s visine, koja se izračunava po jednačini: H = 0,150. P, m (73) gdje je P - masa šine po dužnom metru, kg/m. 90 o r = o r = min o Slika 35. Ispitivanje šina udarom [21] Tako npr. visina pada malja iznosi 7,35 m za šine mase 49 kg/m, a 9,00 m za šine mase 60 kg/m, a udara se glava uzorka. Vagonske osovine moraju izdržati po dva savijanja i ispravljanja, a visina pada malja se izračunava po jednačini: gdje su: 0,30 D H = P 2,m D - stvarni prečnik osovine, mm, a P - stvarna masa malja, kg. 63 (74) Kod obruča se ispitivanje vrši s više udaraca malja sve dok se ne postigne propisano ulegnuće, tj. smanjenje unutrašnjeg prečnika obruča bez loma ili pojave pukotine. Ispitivanje žilavosti kod krtih materijala, kao sivi liv ili legure cinka, vrši se na epruvetama bez zareza (glatkim). Osim utvrđivanja otpornosti materijala prema krtom lomu, ispitivanje žilavosti se često koristi i za proučavanje procesa starenja materijala, za kontrolu pravilnosti izvršene termičke obrade, kao i za ispitivanje zavarenih spojeva. Epruvete žilavosti za ispitivanje otpornosti materijala prema starenju obrađuju se na dimenzije 10x11,1 mm. Viša stranica se deformiše hladnim sabijanjem za 10%, a zatim se epruvete termički tretiraju držanjem 30 minuta na

74 temperaturi 250 C i ohlade se na zraku. Zarez mora ležati na jednoj od nesabijenih stranica epruvete. Ovo ispitivanje je vrlo važno za čelike otporne na starenje (JUS C.B0.508, HRN C.B0.508), odnosno općenito za čelike izložene djelovanju povišenih temperatura, kao i za utvrđivanje preostale radne sposobnosti materijala, za analize kod raznih slučajeva lomova i oštećenja materijala u eksploataciji itd. Temelj za ocjenu sklonosti prema starenju, odnosno stanja materijala nakon određenog vremena eksploatacije je razlika dobijenih vrijednosti ispitivanja na starenim i nestarenim epruvetama (uporedba s propisanim vrijednostima u standardu). Na slici 36. dat je prikaz svih uticajnih faktora na krti lom materijala. Slika 36. Uticajni faktori na krti lom [23] 64

75 Treba napomenuti da ne postoji jednoznačna veza između žilavosti i ostalih mehaničkih svojstava materijala, ali je sigurno da obično materijal s visokom žilavošću ima niske vrijednosti za čvrstoću, a visoke za izduženje i suženje [23] Ispitivanje lomne žilavosti Lomna ili pukotinska žilavost K Ic (Risszähigkeit, Plane Strain Fracture Toughness) je novije važno mehaničko svojstvo materijala, koje najbolje definiše njegovu otpornost prema nestabilnom rastu pukotine u njemu pod precizno određenim uslovima. Drugačije rečeno lomna žilavost je kritična vrijednost koncentracije naprezanja na vrhu pukotine pri kojoj nastupa nestabilni rast pukotine pod uslovima stanja ravanske deformacije (RD): gdje su: K Ic = σ πa, N / mm 3 / 2 ili MPa σ - radno naprezanje, MPa a - dužina pukotine, mm m * (75) Uslove zavisnosti rasta pukotine između njezine dužine i naprezanja propisuje linearno elastična mehanika loma (LEML). Mehanika loma (Bruchmechanik, Fracture Mechanics) proučava nastajanje, širenje i razvoj pukotine u materijalu sve do loma pomoću zakona mehanike. Polazna tačka mehanike loma je činjenica da nema idealnih materijala, tj. materijala bez grešaka, već da u njima postoje greške tipa pukotine. Smisao mehanike loma najbolje ilustruje izreka poznatog njemačkog znanstvenika Alberta Kochendörfera: Filozofija mehanike loma znači živjeti s greškama, ali s njima treba tako ovladati da ne dovedu do katastrofa. Mehanika loma je znači novija naučna grana, koja se pored nauke o materijalima, koristi u zadnjih godina za rješavanje pouzdanog proračuna radnog i preostalog vijeka konstrukcija još u fazi projektovanja, na temelju mehaničkih svojstava izabranih materijala i naprezanja kojima je izložena u upotrebi. Mehanika loma se nadograđuje na ispitivanje žilavosti materijala, važnog svojstva koje globalno karakterizira otpornost prema krtom lomu. Ekstrapolacijom na granična stanja, kao što su uslovi ravanske deformacije, vrh pukotine s radijusom bliskim nuli itd., pomoću mehanike loma definisane su kvantitativne karakteristike otpornosti materijala prema nestabilnom razvoju pukotine (K Ic, J Ic i druge). Na taj način mehanika loma je omogućila da se dovoljno pouzdano odredi kritična veličina greške tipa pukotine, koja kada se jednom dostigne dovodi do loma konstrukcije uslijed njezinog nestabilnog rasta. Time je mehanika loma postala veoma važna kako za korisnike, tako i za proizvođače raznih konstrukcionih materijala, jer ona u pogledu tradicionalnih * Vrijedi korelacija: 1 MPa 3 / 2 m = 31,63 N / mm, uz 1MPa m = 1MN / m 65 3 / 2

76 metoda ispitivanja materijala daje pouzdaniju karakterizaciju oštećenja i ocjene materijala u uslovima upotrebe. Koristeći jednačinu za lomnu žilavost (75), moguće je na temelju poznavanja dvije poznate veličine lako izračunati treću, npr. ako su poznati lomna žilavost i vanjsko naprezanje, onda je kritična dužina pukotine jednaka: a c un 2 1 KIc K Ic 0,318, mm 2 = = (76) π σ dop σdop za unutrašnje greške, a za površinske je: a c pov 1 2 K Ic K Ic 0,263, mm 2 1,21 = = (77) π σ dop σdop Ove dvije jednačine koriste se uspješno za vrijednosti lomne žilavosti u granicama K Ic =50 do 200 MPa m, odnosno 1580 do 6320 N/mm 3/2. Svakako za konkretne slučajeve mora se uvijek uzimati u obzir i faktor geometrije, odnosno oblika greške Y. Iz gore datih jednačina slijedi da je unutrašnja greška u materijalu veća za 21% od površinske. Na slici 37. dat je pregled naučnih područja koje obuhvaća mehanika loma. Vidi se da ona pored temeljnih nauka (fizika i metalurgija) obuhvaća i savremeno inženjerstvo (mehanika i teorija konstrukcija). 2 2 Mjerilo (m) fizika metalurgija mehanika teorija konstrukcija temeljne nauke inženjerstvo Slika 37. Pregled naučnih područja mehanike loma [24] Na slici 38. dat je postupak provjere elemenata konstrukcije s pukotinom. 66

77 KONSTRUKCIJA LABORATORIJSKA ISPITIVANJA ULAZNI PODACI REALNE KONSTRUKCIJE ULAZNI PODACI LABORATORIJSKIH ISPITIVANJA MATERIJALA OPTEREĆENJE KONSTITUTIVNE JEDNAČINE VELIČINA GEOMETRIJA PUKOTINE OKOLINA OKOLINA TROOSNO STANJE NAPREZANJA PRORAČUN a PRORAČUN KARAKTERISTIČNIH PROVJERA STANJA BRZINA ŠIRENJA PARAMETARA PUKOTINE K, NAPREZANJA PUKOTINE K max 3D / 2D da = F ( K, K*) c dn PUKOTINSKA ŽILAVOST K* VELIČINA PLASTIČNE ZONE MJERENJE K* GRANIČNO OPTEREĆENJE K * max UPOREDBA RELEVANTNIH KRITERIJA MEHANIKE LOMA LOM NESTABILNO ŠIRENJE PUKOTINE BROJ CIKLUSA DO LOMA Slika 38. Postupak provjere elemenata konstrukcije s pukotinom [25] Razvoj i teoretske osnove mehanike loma Teoretske osnove mehanike loma razvijene su na temelju proučavanja iznenadnih i katastrofalnih lomova i oštećenja zavarenih konstrukcija mostova, ratne serije američkih brodova Liberty (slika 39.), pilotskih kabina mlaznih aviona, velikih spremnika za naftu, plinovoda, posuda pod pritiskom, dalekovodnih stubova itd. [13]. Začetnikom savremene elastične mehanike loma (LEML) smatra se poznati američki znanstvenik G. Irwin, koji je mnogo radio sa saradnicima na analizi problema gore navedenih lomova. Teška oštećenja i lomovi brodova nastajali su zbog nedovoljne prijelazne temperature žilavosti brodskih limova [23]. 67

78 Slika 39. Krti lom broda na dva dijela [24] Irwin je još godine predložio osnovni pristup LEML, koji je razradio s Kissom 1954.g. u tri temeljne ideje: - usmjerena je pozornost na progresivno širenje vrha pukotine gdje lokalno naprezanje postaje veće od napona tečenja zbog koncentracije naprezanja (važnost uloge plastične deformacije), - sila razvoja pukotine (označena s G u počast A. Griffithu) po jedinici priraštaja pukotine u neposrednoj je vezi s faktorom intenzivnosti naprezanja prema jednačinama: 2 K 2 G = (1 µ ) za ravansku deformaciju RD (78) E 2 K i G = za ravansko naprezanje RN, (79) E gdje je: K - faktor intenzivnosti naprezanja, E - modul elastičnosti, µ - Poissonov koeficijent. Faktor intenzivnosti naprezanja jednak je: K σ πa 3 / 2 =, N / mm (80) Eksperimentalni postupak za određivanje sile razvoja pukotine dao je Irwin 1958.g. i nazvao ga Kalibracija popustljivosti, - otpornost prema razvoju pukotine odgovara brzini rasipanja energije zbog plastične deformacije u blizini vrha pukotine. 68

79 A. Griffith je postavio kriterij za krti lom idealno krtog materijala još 1920.g., zbog čega ga smatraju začetnikom mehanike loma. Njegova teorija pretpostavlja da je lomna čvrstoća ograničena postojanjem početnih pukotina u materijalu. Kritično potrebno zatezno naprezanje za nestabilni rast najveće početne pukotine računa se uporedbom raspoložive elastične i površinske energije. Griffithova teorija bila je eksperimentalno potvrđena ispitivanjem balona od stakla s prethodno nanesenim pukotinama. Vjerojatno njegovi rezultati nisu izazvali šire zanimanje zbog toga što su potvrđeni na staklu, koje se lomi krto, gotovo bez plastične deformacije oko vrha pukotine, što nije slučaj kod većine metalnih materijala. Teorija dislokacija između i 1950.g. omogučila je bolje razumijevanje procesa loma, a osobito obimna laboratorijska ispitivanja uzroka krtih lomova konstrukcionih dijelova. Tako je utvrđeno da krti lom potpomažu: - koncentracija naprezanja oko zareza, pukotina, otvora, prijelaza i sl., - velike brzine opterećivanja, jer za plastičnu deformaciju treba izvjesno vrijeme, - upotreba konstrukcija na temperaturama nižim od temperature nulte duktilnosti (vidjeti tačku ), - uslovi ravanske deformacije u konstrukcionim elementima (sredina debele ploče), - područja grube i promijenjene mikrostrukture od zavarivanja, navarivanja, itd. Kod ispitivanja lomne žilavosti jedan od temeljnih uslova ispitivanja je da epruveta mora imati dovoljnu debljinu B da bi bila u stanju ravanske deformacije (RD): 2 K Ic B 2,5, mm ; stanje RD (81) R p0,2 što osigurava krto ponašanje, slika 40. Suprotan zahtjev je kad se želi osigurati da u konstrukciji vlada ravansko naprezanje (RN), za koje mora biti ispunjen slijedeći uslov debljine epruvete: 2 1 K Ic B, mm ; stanje RN (82) π R p0,2 69

80 100 3/2 80 L om sa deformacijom I c L omna ` ilavost K, N/mm Lomna žilavost KIc, Stanje R N K c 20 0 K Ic B 1 B c B 2 Stanje R D Debljina epruvete, B, B mm Slika 40. Zavisnost K Ic od debljine epruvete (B) [24] Kod ravanskog naprezanja (površina epruvete) znatno je veća (do 9 puta) plastična zona ispred vrha pukotine nego kod ravanske deformacije. U sredini debele ploče vlada troosno stanje naprezanja i otežano je plastično tečenje materijala, dok na površini ploče vlada dvoosno stanje. Zato epruvete srednje debljine pucaju krto u sredini presjeka, a na rubovima duktilno s izraženim odreznim usnama. Na slici 41. dat je izgled plastične zone ispred vrha pukotine. sredina ravan pukotine površina vrh pukotine y z a a rn površina - RN - x a rd ravanska deformacija (sredina debele ploče) - RD - ravansko naprezanje (površina, bok) Slika 41. Plastična zona ispred vrha pukotine [23] 70

81 Za važeće određivanje lomne žilavosti mora biti ispunjen uslov da epruvete pucaju krto sa zanemarljivim odreznim proširenjima. Postoje tri karakteristična načina otvaranja pukotina pri lomu i to: - I ili cijepanje, II ili klizanje i III ili smicanje (slika 42.) - cijepanje - - klizanje - - smicanje - I II III Slika 42. Načini otvaranja pukotina pri lomu [26] I ili način cjepanjem otvaranja pukotina najopasniji je i najviše proučen. Kod načina otvaranja pukotina II i III klize površine loma jedna po drugoj, a kod načina I udaljavaju se međusobno površine loma. Poznavanje vrijednosti K Ic umjesto K IIc i K IIIc dovoljno je za utvrđivanje granica sigurnosti pri proračunima budući da između njih vrijedi slijedeća relacija: K Ic < K IIc < K IIIc (83) Koeficijenti intenzivnosti naprezanja kod složenijih oblika pukotina moraju se određivati numeričkim metodama pomoću uzimanja u obzir faktora oblika tijela kroz funkciju Y: a K = Y σ πa, (84) b a gdje je: Y - funkcija oblika tijela, b a - poludužina pukotine, mm b - poluširina konačne ploče, mm. Za jednostavne oblike tijela s pukotinama mogu se naći u udžbenicima mehanike izrazi zavisnosti K I od funkcije Y. Na slici 43. dato je rješenje funkcije Y za slučaj uske eliptične pukotine u sredini ploče konačne širine. 71

82 σ K = Y σ I πa 2a 4 Y b σ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 λ = a / b ,5λ + 0,362λ Y = 1 λ 2, λ = Slika 43. Funkcija oblika za pukotinu u sredini ploče konačne širine [27] Linearno-elastična mehanika loma se ne može primijeniti za slučajeve kada prije loma dolazi do plastičnih deformacija na velikim površinama materijala. To je slučaj kod većine konstrukcionih materijala, na primjer kod čelika normalne i povišene čvrstoće pod uobičajenim radnim uslovima (izuzeci su vrlo niske temperature ili velike debljine materijala). Za rješavanje problema loma kod ovih materijala razvijena je tzv. elasto-plastična mehanika loma, koja tumači širenje pukotina kod materijala s izraženom plastičnom deformacijom pred vrhom pukotine prije loma. Problem određivanja deformacija i naprezanja na elasto-plastičnoj granici u opterećenom dijelu je vrlo složen. Zbog toga se za ova izračunavanja koriste metode približnih i numeričkih rješenja. Najsavremenija metoda je metoda konačnih elemenata, čiji je osnovni princip da se tijelo posmatra kao konstrukciona rešetka elemenata jer je neprekidna sredina [26]. Noviji proračuni uz primjenu ove metode potvrdili su da postoji uzajamna veza između otvaranja pukotine, dužine pukotine, naprezanja i granice tečenja materijala. Praktično značenje ove uzajamne veze prvi je dao Wells. On je uzeo kritičnu vrijednost otvaranja pukotine kao kriterij za propagaciju pukotine kod plastične deformacije analogno kritičnom faktoru intenzivnosti naprezanja po LEML-u. Ovo kritično otvaranje pukotine δ c je karakteristika žilavosti sa realnom fizičkom podlogom. Teoretsko polazište elasto-plastične mehanike loma je model širenja pukotine prema Dugdaleu. Kod pukotine s širom plastičnom zonom postoji konačni otvor pri vrhu, koji je nazvan CTOD a b

83 pomakom (Crack Tip Opening Displacement). Analitički izraz za CTOD * ili δ prema Burdekinu i Wellsu je slijedeći: gdje su: 8 R eh πσ δ = a ln sec, mm E 2R (85) π eh δ=ctod - otvor pri vrhu pukotine, σ - nominalno naprezanje, a - dužina pukotine, R eh napon tečenja materijala, E - modul elastičnosti. Razvojem funkcije ln sec (z) u red i zadržavanjem samo prvog člana, dobija se za ovaj izraz za δ: 2 π σ a KI G δ =, odnosno δ = =, (86) E R E R R eh gdje je: G - sila razvoja pukotine. Ako se pri razvoju funkcije ln sec (z) u red zadrže prva dva člana, dobije se: 2 2 π σ a 1 σ δ =, gdje je a' = a 1 + E R, tj. (87) eh 2 R eh a - korigirana vrijednost dužine pukotine. Korigirana dužina pukotine vrijedi za slučajeve nešto veće plastične zone ispred vrha pukotine i za male vrijednosti σ/r eh. Osim Wellsa i Cottrell je uočio da veličina otvaranja pukotine prije njenog razvoja može biti karakteristika područja pukotine. Cottrell je ispitivao zbog čega se kod malih epruveta uzetih iz velikih ploča lom javlja poslije potpune plastičnosti, a prijelom je žilav, dok je kod velikih ploča pretežno krt s 90%-tnim ravnim prijelomom. Za određenu dužinu pukotine a i za određenu veličinu COD, odgovor na pitanje da li će lom nastupiti prije ili poslije potpune plastične deformacije zavisi od udaljenosti suprotnog brida od vrha pukotine. Ako je ona bliska pukotini, plastična zona će se razviti preko čitavog presjeka prije nego što se dostigne kritična veličina COD (δ c ) na vrhu pukotine i dio je plastičan, a ako je suprotni brid toliko udaljen od pukotine da se prvo postigne veličina δ c, dio loma je krt. Ipak je veličina otvora pukotine u svim slučajevima gotovo ista, pa se zato δ c može uzeti kao parametar loma. 2 eh eh * CTOD često zamjenjuje izraz COD 73

84 Opterećenje ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Cottrell je analizirao otvaranje pukotine pri nejednolikoj deformaciji i dokazao da će se korištenjem jednačine (85) pri zateznom naprezanju uz pretpostavku σ=r m, doći do slijedeće zavisnosti: R m E R eh δc =, gdje je (88) π a R m - zatezna čvrstoća materijala. Shematski prikaz proširenja primjene mehanike loma s konceptom COD prema Lotteru data je na slici 44. Krhki Krti lom lom Približno krhki krti lom Lom sa deformacijom i/ili plastičnom nestabilnošću K Ic δ c B Makroskopsko tečenje A C Ravninska deformacija COD ravansko ravninsko naprezanje 0 Veličina otvaranja pukotine, δ Slika 44. Područja primjene mehanike loma Drugi parametar loma koji se koristi za opis otvaranja pukotine kod veće plastične deformacije na vrhu pukotine je J-integral (otpornost lomu). To je zatvoreni linijski integral uzduž vrha pukotine koji ne zavisi od puta integracije i zato on predstavlja mjeru lomne žilavosti materijala. Koncept J-integrala uveli su 1972.g. Begley i Landes u eksperimentalnu mehaniku loma. Ovaj integral mnogi označavaju kao Rice-ov, jer je Rice-ovo teoretsko razmišljanje poslužilo kao temelj za njegovo uvođenje. Za izračunavanje J-integrala koriste se slijedeće jednačine: J = J el + J pl (89) U a i J = f ', (90) B (W a) W gdje su: U - radnja deformacije dobijena integracijom krive F-δ, B - debljina epruvete, W - širina epruvete, a - ukupna dužina pukotine. 74

85 Izračunavanje J-integrala prema jednačini (89) vrši se prema standardima ASTM E399 i ASTM E813, pri čemu J el je dio vrijednosti od linearno elastičnog ponašanja (vrijedi jednačina 78. uz G=J el ), a J pl je dio od plastičnog ponašanja. Kritični koeficijent intenziteta naprezanja pri udaru K ID Interes za povezivanjem ispitivanja udarne žilavosti po Šarpi metodi sa mehanikom loma usmjerio je određivanje K ID. Očito da dimenzija epruveta, a posebno širina, ne zadovoljavaju osnovne uslove za ostvarivanje ravanskog deformacionog stanja, zbog čega rezultati izračunatih vrijednosti imaju veće odstupanje. Drugi problem u procesu osciloskopskih ispitivanja je dešifrovanje dijagrama sila udara vrijeme odnosno sila udara ugib, obzirom na vrijeme trajanja procesa loma koje se kreće do par stotina milionitih dijelova sekunde. Ta činjenica uslovljava primjenu visokofrekventne opreme koja se sastoji od mosta za uravnoteženje osjetljivosti 100 khz i osjetljivog osciloskopa. Pri ispitivanju vrši se snimanje polaroidnom kamerom. Sa snimljenih oscilograma, preko razmjera prethodno određenih baždarenjem, određuje se maksimalna sila pri lomu P s, a vrijednost K ID se izračunava na osnovu izraza: gdje je: 2 [ MPa m ] 1/ Pud Y KID = (91) 1/ 2 BW P ud maksimalna sila udara, B širina epruvete, W visina epruvete, Y funkcija zavisna od načina ispitivanja, dubine zamorne pukotine i visine epruvete. Vrijednost funkcije Y za uslove ispitivanja savijanjem u u tri tačke, kao što je slučaj ispitivanja udarne žilavosti po Šarpi metodi, određena je izrazom: Y = 11,58 (a/w) 1/2 18,42 (a/w) 3/2 + 87,18 (a/w) 5/2 150,66 (a/w) 7/ ,80 (a/w) 9/2. (92) Ilustracije radi na slici 45. dat je izgled oscilograma sa izgledom prijeloma epruvete sa zamornom pukotinom. Na oscilogramu se uočavaju dva traga elektronskog snopa obzirom sa su dinamometri postavljeni na dva oslonca. 75

86 Slika 45. Izgled oscilograma pri ispitivanju K ID [7] Standardi i ostali propisi za određivanje parametara mehanike loma Sve veći značaj i primjena parametara mehanike loma u tehničkoj praksi odrazili su se u zadnjih tridesetak godina na razvoj i uvođenje više prijedloga standarda, normi i ostalih propisa za njihovo određivanje. Za određivanje lomne žilavosti K Ic, N/mm 3/2 ili MPa m 1/2 (Plane Strain Fracture Toughness, odnosno K-Fracture Toughness) koriste se slijedeći standardi i propisi: 1. ASTM E (prednacrt bio ASTM E-24/69.), 2. BS (prednacrt bio BS DD ), 3. MSZ (Mađarska), 4. GOST , 5. ČSN (Čehoslovačka), 6. JUS C.A4.084., 7. ISO , 8. SEV RS (prednacrt bivših država SEV-a) i 9. ESIS P2-92 (ESIS * Procedure for Determining the Fracture Behavior of Materials from the linear elastic regime to the fully plastic regime), tj. Propisi za ispitivanje ponašanja materijala pri lomu (od linearno elastičnog do potpuno plastičnog ponašanja-k Ic, J i δ). 10. BAS EN ISO 12737/05 Osim gore navedenih standarda i propisa za određivanje lomne žilavosti K Ic (statička), postoji u zadnjih 20 godina i nekoliko standarda za ispitivanje dinamičke lomne žilavosti K ID pomoću instrumentiranog Charpy-jevog klatna (Impact Fracture Toughness). Te metode se nazivaju i metodama udarnih * ESIS - European Structural Integrity Society 76

87 reakcionih krivulja, a ispitivanja se vrše na klasičnim epruvetama s V-zarezom i pretpukotinom zamaranja. Razvijene su i patentirane u Njemačkoj i u SAD [24]: 1. Prednacrt ASTM E , 2. ASTM E , 3. ASM-85: The Concept of Impact Response Curves (autor Kalthoff, J.F.), 4. Patenti No. P /1980. i P /1983. od Kalthoff, J.F., 5. DVM Merkblatt 0001, Entwurf 3.86., 6. ASTM E (J Ic i J Id ), 7. Prednacrt 11W-Doc.X Za određivanje otvaranja pukotine COD, CTOD (δ) u mm i otpornosti lomu J Ic (Rice-ov J-integral) u N/mm ili MPa m koriste se slijedeći standardi i propisi: 1. BS , (prednacrt BS DD ), - za COD - 2. MSZ , - za COD - 3. ČSN , - za COD - 4. ASTM E , - za CTOD (COD) - 5. ASTM E (prvo izdanje 1981.), - za J Ic - 6. Prednacrt GOST RD , - za J Ic 7. JSM ES (Japan), - za J Ic - 8. ČSN , - za J Ic - 9. Prednacrt NTD (Interatomenergo), - za J Ic - i 10. ESIS P1-92 (ESIS Recommendations for Determining the Fracture Resistance of Ductile Materials), tj. Preporuke za ispitivanje otpornosti lomu žilavih materijala (J ili δ=ctod). Važni standardi za produbljivanje spoznaja iz mehanike loma još su: 1. ASTM E (za određivanje stabilnog rasta pukotine pri konstantnoj amplitudi, da/dn), 2. Prednacrt GOST RD (također da/dn), 3. ASTM E (za određivanje krivih otpornosti pukotini, R-kriva), 4. ASTM E (za određivanje J-R krivih), 5. JUS C.A4.083 (osnovni pojmovi i veličine u mehanici loma), 6. ASTM E (standardna terminologija pri ispitivanju loma) i 7. ESIS D1-92 (Fracture Control Guidelines for Stress Corrosion Cracking of High Strength Alloys), tj. Uputstva za kontrolu loma pri pucanju visokočvrstoćnih legura od naponske korozije - SCC (određivanje parametara za osiguravanje od rasta naponske korozije u upotrebi: σ th * -prag naprezanja SC i K Iscc -faktor intenzivnosti naprezanja od naponske korozije). * σ th R eh /3 77

88 S i l a ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Iz ovog pregleda standarda i ostalih propisa za određivanje parametara mehanike loma s više od 30 različitih svjetskih propisa može se naslutiti kolika se važnost poklanja ovim ispitivanjima. Kraći pregled temeljnih ciljeva mehanike loma najbolje je rezimirao istaknuti njemački naučnik iz ove oblasti Blumenauer H. u trokutu povezanih zavisnosti: a) parametara mehanike loma koji se određuju pri mehaničkom ispitivanju materijala (K Ic, COD, J Ic ), b) veličine, položaja i oblika grešaka koje se određuju pri ispitivanju materijala bez razaranja (ultrazvukom i sl. ), c) analize naprezanja proučavanjem parametara oko vrha pukotine u materijalu (K, COD, J). Pomoću navedene tri povezane zavisnosti moguće je definisati ciljeve ispitivanja mehanike loma kako slijedi: 1. sigurnost od loma, 2. preostali vijek konstrukcije s pukotinom ili greškom, 3. razvoj i optimiranje materijala, 4. osiguranje kvaliteta, 5. tehnička dijagnostika i 6. analize različitih slučajeva složenih oštećenja konstrukcija. Na slici 46. dat je pregledno prikaz područja određivanja najvažnijih parametara mehanike loma na dijagramu sila-otvaranje pukotine: J u, δ u J c, δ c J 0,2/BL, δ 0,2/BL J 0,2, δ 0,2 K c K Ic Otvaranje pukotine Slika 46. Dijagram sila-otvaranje pukotine s najvažnijim parametrima mehanike loma [26] 78

89 Parametar loma ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Zavisnost najvažnijih parametara loma od temperature ispitivanja kod feritnih čelika data je na slici 47. Krto Krhko Prijelaz Žilavo J u, δ u J 0,2, δ 0,2 K c J c, δ c J 0,2/BL, δ 0,2/BL K Ic Te m p e r a t u r a Slika 47. Zavisnost parametara loma od temperature [28] Tok ispitivanja lomne žilavosti po ASTM E Standard ASTM E399 uveden je kao prednacrt još 1968.god., prvo izdanje bilo je 1979.g. kao ASTM E399-70T, drugo izdanje već 1972.god. zbog naglog razvoja mehanike loma itd. sve do najnovijeg godine. On je poslužio kao osnova za sve prethodno navedene standarde i prednacrte za određivanje parametara mehanike loma. Iz pregleda standarda i propisa u , slijedi da su se aktivno uključile u razvoj i primjenu mehanike loma i ostale zemlje svijeta, kao Engleska, Japan, Mađarska, bivša Čehoslovačka, Rusija, kao i međunarodne institucije za zavarivanje i za nuklearnu energiju. Određivanje lomne žilavosti K Ic se vrši najčešće ispitivanjem epruvete savijanja u tri tačke ili epruvete zatezanja (slike 48. i 49.). Na epruvete mora biti prethodno nanesena pukotina zamaranja minimalne dubine od 1,5 mm. Pri ispitivanju snima se automatski dijagram opterećenje - pomjeranje (širenje) otvora pukotine. Bitno je odrediti opterećenje koje odgovara 2% povećanju širenja pukotine, koje se utvrđuje odstupanjem od linearnog dijela dijagrama. Vrijednost od 2% prirasta pukotine pri ispitivanju odgovara graničnom iznosu za stanje elastične deformacije (tj. da do tog postotka ne može biti efekta plastične deformacije i važi linearno-elastična mehanika loma - LEML). 79

90 H H ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA - B = debljina - širina W = 2 B, - s = razmak oslonca epruvete - širina zareza N = max. 0,06 W ili max. 1,5 mm za W < 25 mm - efektivna dužina zareza M = min. 0,40 W - efektivna dužina pukotine a 0 = 0,50 do 0,65 W - pretpukotina zamaranja a 0 > 0,05 a 0 ili >1,5mm Slika 48. Epruveta savijanja u tri tačke s zarezom s jedne strane [7] B = debljina ; W = širina neto = 2B Q = ukupna širina = 1,25 W + 0,01 W H = pola širine = 0,60 W + 0,05 W d = promjer rupe = 0,25 W + 0,004 W 0 d a o M a o 0,4 0,275 W 60 o N 0,4 Z B W Q x Završna obradba površine u m µ N = 0,06 W max. ili 1,5 mm max. za W < 25 mm M = efektivna duljina dužina zareza = min. 0,40 W a o = efektivna duljina dužina pukotine a o = 0,45 do 0,65 W ; a o > 0,05 a o ili > 1,5 mm Slika 49. Kompaktna epruveta za zatezanje s otvorenim zarezom [7] 80

91 To opterećenje obično se utvrđuje na temelju skretanja krive sila - otvaranje epruvete pomoću postupka sekante (slika 50.), koja se povlači pod uglom manjim za 5% od nagiba početnog dijela dijagrama. Lomna žilavost pri ravanskoj deformaciji - K Ic može se izračunati iz tog opterećenja korištenjem jednačina, koje su prethodno izvedene za odgovarajući tip epruvete. Ona karakterizira otpornost na lom ispitivanog materijala u neagresivnoj sredini i u prisustvu oštre pukotine, tako da je stanje naprezanja na vrhu pukotine pretežno troosno (ravanska deformacija), a plastična deformacija je ograničena. Vjeruje se da karakteristika K Ic predstavlja donju graničnu vrijednost lomne žilavosti. Ona se može upotrijebiti za procjenu odnosa između naprezanja loma i veličine oštećenja za materijal u eksploataciji kod koga vladaju gore navedeni uslovi. Mogućnosti primjene ove metode su slijedeće: 1. Kod istraživanja i razvoja za određivanje uticaja metalurških varijabli, kao što su hemijski sastav, metoda termičke obrade na operacije izrade kao zavarivanje ili oblikovanje, na lomnu žilavost novih ili postojećih materijala; 2. Kod procjene za eksploataciju pri određivanju pogodnosti materijala za specifične primjene sa propisanim uslovima naprezanja i kod kojih se sigurno mogu odrediti maksimalne veličine oštećenja; 3. Kod tehničkih uslova prijema i kontrole kvaliteta, ali samo u slučaju kada postoje osnove za specifikaciju minimalne K Ic vrijednosti i kada su dovoljne dimenzije uzorka za određivanje važeće K Ic vrijednosti. Vrijednost K Ic materijala je funkcija brzine ispitivanja, temperature, okolne sredine i geometrije epruvete. Samo ispitivanje lomne žilavosti je utoliko karakteristično, što se sve do dobijanja podataka o dužini pukotine ne može unaprijed tvrditi da li je dobijena vrijednost za K Ic i važeća. A v F Q = F s A A S i l a, F N F Q v 1 F 0,8 F Q F s F Q F < F s Q F s 5% 5% 5% F Q = F max Tip I Tip II Tip III Otvaranje epruvete, V mm Slika 50. Osnovni tipovi dijagrama sila-otvaranje epruvete [7] 81

92 Mašina za određivanje lomne žilavosti mora imati elektronski uređaj osjetljiv na promjenu sile, tako da se signal sile prenosi na automatski x-y pisač u zavisnosti od mjerača otvaranja pukotine. Tačnost određivanja potrebne sile za izračunavanje F Q s dijagrama (slika 50.) mora biti ±1%. Zato je nužna upotreba mašina s računarima koji su po mogućnosti snabdjeveni s programskim paketima iz mehanike loma (slika 51.). Slika 51. Savremena mašina za određivanje parametara mehanike loma Jednačine za izračunavanje veličine K Q (na temelju sile F Q ) vrlo su komplicirane i zavise od oblika i mjera epruvete. Tako npr. za epruvete savijanja vrijede ove jednačine: FQ s ao 1/ 2 KQ = f, MPa m 3 / 2 (93) B W W s - razmak oslonaca epruvete, mm f 1/ 2 2 a o a o a o a o a o 3 1,99 1 2,15 3,93 2,7 2 a W W W + W W o = (94) 3 / 2 W a o a o W W Vrijednosti funkcije f (a o /W) su izračunate za dopuštene odnose od 0,450 do 0,550 i kreću se u granicama od 2,29 do 3,14 (za srednju vrijednost a o /W=0,5 iznosi 2,66). 82

93 Dopušteni porast statičkog opterećivanja epruvete mora biti takav da porast intenziteta naprezanja bude u granicama 0,55 do 2,75 MPa m 1/2 /s. Potrebna veličina epruvete za ispitivanje može se približno izračunati na osnovu procijenjene vrijednosti K Ic materijala i jednačine (81). Tako dobijena vrijednost debljine epruvete - B može se provjeriti po alternativnoj jednačini zavisnosti minimalne debljine od odnosa napona tečenja i modula elastičnosti: B min 1000 R eh = f, mm (95) E koje su date u standardu, npr. B min =75 mm za f=5 do 5,7 odnosno B min =6,5 mm za f 10. Za razliku od drugih mehaničkih ispitivanja materijala, ispitivanje karakteristike K Ic mora da se izvrši te analiziraju rezultati uz vrlo precizna mjerenja prije nego što se ustanovi da li je dobijena vrijednost K Ic važeća po standardu ili nije. Analiza rezultata ispitivanja vrši se u više etapa. Prvo se izvrši određivanje sile F Q po postupku sekante, a zatim se iz nje izračunava pretpostavljena žilavost loma K Q. Zatim se provjerava da li izračunata vrijednost K Q zadovoljava za žilavost loma K Ic. Provjera da li izračunata vrijednost K Q zadovoljava za K Ic vrši se na slijedeći način: - debljina epruvete i dužina pukotine moraju zadovoljiti uslov dat u jednačini (81): - dužina pukotine na bočnim površinama epruvete ne smije biti manja od 0,9 a; - razlike izmjerenih vrijednosti dužine pukotine ne smiju se razlikovati od prosječne vrijednosti za više od 5%; - po čitavoj debljini epruvete treba da se dobije dužina pukotine zamaranja 1>1,3 N; - pukotina zamaranja i ravan zareza ne smiju se međusobno razlikovati za više od 10 ; - prema snimljenom dijagramu treba biti zadovoljen odnos F max /F Q 1,1; - koeficijent intenziteta naprezanja pri zamaranju treba da zadovolji uslov: K If 0,60 K Q, odnosno 0,67 K Q ; - ako se stvaranje pukotine zamaranja i ispitivanje epruvete vrše na različitim temperaturama, mora biti zadovoljen i slijedeći uslov: K If 0,60 K Q R R p0,2 p0,2 (na temperaturi zamaranja) (na temperaturi ispitivanja) 83

94 U slučaju da su zadovoljeni svi ovi uslovi, onda je K Q =K Ic, a ako nisu onda treba za naredna ispitivanja promijeniti okolnosti mjerenja. Ako za to nema mogućnosti onda treba kod davanja rezultata ukazati na to da izračunata vrijednost K Q odstupa od stvarne vrijednosti K Ic materijala. Ukoliko se mora odrediti ipak odgovarajući parametar mehanike loma, tada se preporučuje ispitivanje integrala J Ic po standardu ASTM E , koji predstavlja mjeru lomne žilavosti u elastično-plastičnom području, a definiran je pri vrijednosti od 5% prirasta pukotine. Ispitivanje Browna i Srawleya izvršena na čelicima visoke čvrstoće pokazala su da za postizanje važeće vrijednosti moraju biti ispunjene slijedeće relacije: K - debljina (B) i efektivna dužina pukotine (a o ) 2,5 R K - širina epruvete (W) 5 R Ic p0,2 2 Ic p0,2 2 (96) (97) K Ic - ukupna dužina epruvete savijanja (min. 4,5 W) 15 (98) R p0,2 Standard ESIS P2-92 daje slijedeće jednačine za važeću K Ic vrijednost: FQ KQ = f (a o / W) (99) B W ao W a o B Kmax = R p0,2 = R p0,2 = R p0, 2 (100) 2,5 2,5 2,5 i ako je K Q <K max, tada je K Q =K Ic lomna žilavost. Također se navode radi boljeg informisanja i slijedeće korelacije: K Iscc K Ic /2 (po standardu ESIS D1-92) (101) i K Ic 1,40 K Id, odnosno K Id 0,71 K Ic (102) Na slici 52. dat je detalj ispitivanja lomne žilavosti epruvete savijanja u tri tačke s pričvršćenim mjeračem otvaranja pukotine firme MTS za snimanje dijagrama. Za tačnije određivanje lomne žilavosti nekog materijala preporučuje se ispitivanje najmanje tri iste epruvete. 2 84

95 Slika 52. Ispitivanje K Ic na epruveti savijanja [23] Na slici 53. dat je izgled površine prijeloma tri epruvete savijanja poslije ispitivanja lomne žilavosti od čelika za šine Č 3107 (vrsta 700 po standardu UIC 860V). B=28 mm, W=56 mm L uk =240 mm R p0,2 =472 MPa R m =740 MPa K Ic =1 656 N/mm 3/2 odnosno 52,34 MPa m a o sr 28 mm Slika 53. Prijelomi epruveta savijanja od Č 3107 pri određivanju K Ic [23] Na slici 54. dati su rasponi vrijednosti lomne žilavosti za nekoliko različitih vrsta ugljeničnih i legiranih čelika: 85

96 Vrsta čelika Lomna žilavost, K IC, N/mm 3/2 DIN-HRN-JUS St 37-3 = Č0363 St 52-3 = Č0563 St E St E Ck 22 = Č1331 Ck 45 = Č CrMo 4 = Č CrMo 4 = Č CrMo 4 = Č CrNiMo 8 = Č NiCrMo NiCrMo 74 = Č MnMoNi X38 CrMoV 51 = Č X44 CrMoV minimalne vrijednosti maksimalne vrijednosti Slika 54.-Rasponi vrijednosti K Ic za neke vrste ugljeničnih i legiranih čelika [23] 86

97 Ispitivanje zamaranjem Pojava zamaranja materijala i njegove posljedice Zamaranje je pojava postepenog oštećivanja materijala uslijed dugotrajnog djelovanja periodičnih promjenljivih opterećenja odnosno naprezanja. Ponašanje materijala pri zamaranju najlakše se izučava ispitivanjem na posebnim uređajima zamaralicama. Na serijama od desetak poliranih epruveta ili pak konstrukcionih dijelova provodi se sinusna promjena amplituda naprezanja oko nepromjenljivog srednjeg naprezanja [29]. Epruvete od metalnih materijala ispituju se pri frekvencijama od 10 do 400 Hz, a za granični broj ciklusa N g uzima se obično 10 miliona ciklusa (raspon vrijednosti N g kod visokocikličnog zamora je uglavnom između 2 do 100 miliona ciklusa). Krivulja koja prikazuje zavisnost broja izdržanih ciklusa od primijenjenog naprezanja pri ispitivanju naziva se Wöhler-ova ili S-N krivulja (Stress-Number curve). Naprezanja mogu biti savojna, zatezno-pritisna i torziona. Prema definiciji razlikuju se naizmjenična dinamička izdržljivost (R diz s koeficijentom asimetrije ciklusa R=-1) i istosmjerna dinamička izdržljivost (R dis ). Kod zateznog ciklusa R=0, a kod pritisnog R= ±. Dinamička izdržljivost ili dinamička čvrstoća, po definiciji je ono najveće primijenjeno naprezanje pod kojim ispitivana epruveta izdrži propisani ili beskonačan broj ciklusa bez pojave loma ili nekog drugog propisanog učinka (slike 55. i 56.). Wohlerova.. krivulja 2 MPa Naprezanje ili, N/mm g a σ σ σ an x σ N linija oštećenja x x x x x x σ = a σ = sr σ g σ 2 σ g + σ 2 d d N = 10 do 10 g R d 7 8 0,5 R R = (0,25-0,60) R d. m ciklusa ili. m R d σ sr log N x 10 6 min Broj ciklusa σ sr σ a log N 10 7 Slika 55. Wöhlerova krivulja (zavisnost σ-log N) [6] g σ = const. sr log N 87

98 min d max g σ = σ σ = σ σ + σ σ a a t - σ σ min σ d R - koeficijent asimetrije ciklusa; R = σ = max σ g σ max + σ A - omjer amplitude naprezanja; σ = min sr 2 ; σ max σ σ = min a 2 ; A = σ a σ sr - < R < -1 R = + 1 < R < 0 < R < 1 R = 0-1 < R < 0 R = -1 R = 1 - A 1 + A ; A = 1 - R 1 + R ciklus Jednosmjerno promjenljivo naprezanje Naizmjenično Izmjenično promjenljivo naprezanje Jednosmjerno promjenljivo naprezanje Slika 56. Osnovni tipovi promjenljivih naprezanja (sedam karakterističnih ciklusa) [6]

99 Pojavi zamaranja izložen je ogroman broj dijelova i/ili mašinskih konstrukcija i transportnih sredstava. Zato čak 80 do 90% svih lomova kod mašinskih dijelova imaju karakter loma usljed zamaranja materijala. Zbog toga je obradi fenomena zamaranja materijala posvećeno više hiljada publiciranih radova, a njihov broj stalno raste. To je sasvim normalno, jer su u eksploataciji izloženi promjenljivim opterećenjima ne samo osovine, vratila, radilice, prijenosne poluge, vijci i sl., već i dijelovi izloženi abraziji. Tu se mogu ubrojati zupčasti i lančani prijenosnici, kotrljajući ležajevi, valjkasti i sferni dijelovi koji rade pod uslovima abrazivnog trošenja itd. Uticaj promjenljivih opterećenja na dijelove može biti praćen i s agresivnim djelovanjem tečnih ili plinskih medija, niske ili visoke temperature (korozija, termički šokovi itd.). Ta opterećenja mogu biti i znatno niža od statičkih zateznih svojstava (zatezne čvrstoće, napona tečenja, pa čak i granice elastičnosti). Lomovi uslijed zamaranja materijala su vrlo opasni za praksu jer se prije njih ne pojavljuje plastična deformacija čak ni kod žilavih materijala. Naime početne (inicijalne) pukotine zamaranja su najoštrije prirodne pukotine koje se teško mogu otkriti prije loma. Lom uslijed zamaranja materijala počinje s mjesta gdje je najveća koncentracija naprezanja zbog bilo kakvog površinskog oštećenja iz tzv. žarišta ili inicijalnog mjesta (slika 57.a i 57.b) ili pak zbog unutrašnjeg oštećenja (slika 57.c). Slike 57. pokazuju da se lom od zamaranja materijala širi od žarišta u koncentričnim kružnicama, tzv. linijama odmaranja (slično godovima kod presjeka drveta) sve dok preostali dio presjeka ne može prenijeti naprezanje ni statički. Na slici 58. pokazan je tok razvoja loma od zamaranja kod tri različita načina savojnih naprezanja. 89

100 žarište (Ž) glatki postepeni lom (D) nagli krti lom (N) a) zona umaranja (D) žarište (Ž) c) krta zona loma (N) b) Slika 57. Izgled lomova od zamaranja materijala a) shematski prikaz žarišta, glatkog dijela loma uslijed zamaranja i preostalog naglog dijela loma s krtim karakterom [7] b) lom uslijed zamaranja tehničkih epruveta od rebrastog betonskog čelika s jasno vidljivim razdvojnim površinama zona od zamaranja i krtog dijela loma * c) iznenadni lom šine zamaranjem na sedam mjesta pri prolazu voza (tzv. bubrežasti lom) uslijed unutrašnjih grešaka flokni u čeliku [23] * Ispitivanja na Metalurškom institutu Kemal Kapetanović Zenica 90

101 Ž 1 D D Ž 1 D N N D D D D Ž 1 a) b) c) Slika 58. Tok razvoja loma zamaranjem pri savijanju [14] a) dvostrano savijanje (ako je samo jedna zona D, onda se radi o jednostranom savijanju ili zatezanju) b) ekscentrično savijanje c) centrično savijanje (rotirajuće savijanje) Slika 59. pokazuje tipični lom zamaranjem epruvete izazvan dvostranim savijanjem, pri čemu je žarište Ž 1, bilo veće od Ž 2, a slika 60. pokazuje izgled loma zamaranja izazvan torzionim naprezanjem, koji se obično pojavljuje u površinama pod uglom od 45 o s obzirom na presjek. Ž 1 D 1 N Ž 2 D 2 Slika 59. Tipični lom zamaranja uslijed dvostranog savijanja Slika 60. Tipični lom zamaranja uslijed torzionog naprezanja (ugao 45 o ) * * Ispitivanja na Metalurškom institutu Kemal Kapetanović Zenica 91

102 Lomovi uslijed zamaranja materijala mogu biti vrlo opasni zbog iznenadnog pojavljivanja i prouzročiti velike štete s ugrožavanjem ljudskih života. Zato se mora u svim slučajevima kod konstrukcija izloženih zamaranju materijala vršiti periodično ispitivanje defektoskopskim metodama (ultrazvuk, radiografija i sl. ) radi utvrđivanja stanja i osiguravanja njihove pouzdanosti u upotrebi. Stručnjaci za istraživanje materijala mogu na temelju posmatranja (vizualno, pod lupom ili mikroskopom) približno odrediti vrstu, smjer i raspodjelu naprezanja, kao i veličinu opterećenja mašinskog dijela pri eksploataciji. Takva posmatranja i po potrebi dopunska laboratorijska i fraktografska ispitivanja materijala uzoraka prijelomne površine omogućavaju donošenje zaključaka o uzrocima lomova. Uzroci lomova uslijed zamaranja materijala mogu biti eksploatacioni, konstrukcioni i tehnološki Mehanizam oštećivanja materijala pri zamaranju Objašnjenje mehanizma procesa zamaranja vrlo je složeno i u uskoj je vezi s ponašanjem grešaka u kristalnoj rešetki. Broj radova u svijetu iz ove oblasti je vrlo velik, ali se smatra da potpuno zadovoljavajuće objašnjenje još nije nađeno. Veliki doprinos objašnjavanju mehanizma procesa zamaranja daju istraživanja savremenim tehnikama elektronske mikroskopije, od kojih su najviše u upotrebi: skanirajuća (SEM), transmisiona (TEM) i jonska (JEM). No i pored velikog napretka učinjenog zadnjih 30-tak godina u tom pogledu, još uvijek su mnoge strukturne promjene pri procesu zamaranja nepoznate. Najrealnija objašnjenja mehanizma procesa zamaranja su ona koja se daju uz posmatranje makropojava i promjena u mikrostrukturi. Pri tome se uvijek polazi od pretpostavke o postojanju inicijalnih pukotina u realnim metalima u koje se mogu uvrstiti svi diskontinuiteti mikrostrukture. Pod djelovanjem vanjskog opterećenja nastaju nakon nekoliko hiljada ili stotina hiljada ciklusa linije klizanja, što je znak da se izvršila lokalna plastična deformacija u kristalima koji se nalaze na vrhu inicijalne pukotine, odnosno greške u materijalu. Pojavom linija klizanja, odnosno plastične deformacije javlja se i ojačavanje na tim mjestima. Mjestimična preopterećenja izazivaju porast ojačavanja i krtosti na vrhu pukotine, te se prisutni naponi ne mogu relaksirati. Ako je komponenta naprezanja zatezanjem dovoljno velika nakon izvršene plastične deformacije i pojave ojačavanja, proces propagacije inicijalne pukotine se nastavlja sve dok se nosivi presjek ne smanji toliko da maksimalna vrijednost promjenljivog naprezanja može izazvati trenutni lom. Prva pojava linije klizanja naziva se ranim ili prvim stadijem zamaranja. On traje u zavisnosti od materijala i amplitude naprezanja između 0,5 i 5% od ukupnog trajanja dijela. Do ojačavanja dolazi u slučajevima kada je naprezanje blizu napona tečenja materijala. Klizanje se tada lokalizira, nastaju grube brazde 92

103 klizanja, a na površini se istovremeno javljaju ispupčenja i udubljenja (ekstruzije i intruzije, slika 61.). To je već drugi stadij zamaranja u kome se klizne trake šire spontano, a u nekim brazdama klizanja se javljaju mikropukotine. Njihova pojava je prvi znak narušavanja mikrostrukture, a nastaju već poslije 1 do 10% od ukupnog trajanja. Treći stadij zamaranja obuhvaća mehanizam širenja pukotina, a pretpostavlja se da se i on odvija na sličan način, kao nukleacija pukotine. Ipak, istraživanja u oblasti mehanizma procesa zamaranja se intenzivno nastavljaju i stare teorije se često zamjenjuju novim. Inicijalne pukotine uvijek nastaju na slobodnoj površini i reda su veličine 10 do 100 nm. Žarište budućeg loma može biti bilo kakvo površinsko oštećenje, tvrdi nemetalni uključak ispod površine ili neki drugi diskontinuitet [25]. Pored teorije nastajanja ekstruzija i intruzija, koja je najšire prihvaćena za tumačenje iniciranja pukotina, mnogi koriste i brojne dislokacijone teorije. Dislokacione teorije tumače iniciranje pukotina uslijed nagomilavanja dislokacija kod prepreke koja blokira njihovo kretanje. Prepreke mogu biti različite: zrna, subzrna, međufazne granice, nehomogena struktura, nemetalni uključci itd. zatezanje pritisak ekstruzija slobodna površina intruzija Slika 61. Shema nastajanja ekstruzija i intruzija [13] Prema teoriji čuvenog znanstvenika Cottrell-a prepreka je nepokretna dislokacija nastala na mjestu presjeka dviju običnih dislokacija u kliznoj ravni, slika 62. Nepokretna dislokacija zaustavlja klizanje u ravnima koje se sijeku, što izaziva visoku koncentraciju naprezanja dovoljnu za stvaranje kritičnog naprezanja odnosno mikropukotine [11]. Proces zamaranja materijala u području nukleacije pukotine može se podijeliti na slijedeće faze: - stabilna (podkritična) propagacija pukotine i - nestabilna (nadkritična) propagacija pukotine. 93

104 Unutar faze stabilne propagacije pukotine postoji područje nukleacije mikroskopske pukotine pri broju ciklusa N R1 i područje nukleacije tehnički mjerljive mikropukotine pri broju ciklusa N R2 (slika 63.). Kada pukotina dostigne kritičnu veličinu a c pri broju ciklusa N B, počinje faza nestabilne propagacije koja brzo dovodi do loma materijala. 1/2 a (101) a (001) a o 1/2 a (101) a) b) c) d) mikropukotina Slika 62. Shema stvaranja mikropukotine po Cottrellu [11] a) presjek dislokacija u kliznoj ravni, b) prepreka klizanju (nepokretna dislokacija) c) zaustavljanje klizanja nepokretnom dislokacijom d) koncentracija naprezanja stvaranje mikropukotine mm a c - kritična veličina pukotine, mm N B - broj ciklusa pri početku nestabilne propagacije pukotine N R1 - broj ciklusa pri nukleaciji mikroskopske pukotine a c N R2 - broj ciklusa pri nukleaciji tehničke pukotine nestabilna propagacija pukotine veličina pukotine, a nukleacija tehničke pukotine nukleacija mikroskopske pukotine stabilna propagacija pukotine N R1 N R2 N B broj ciklusa, N Slika 63. Faze procesa zamaranja materijala u području nukleacije pukotine [23] 94

105 brzina rasta pri 50 HZ ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Za odabrani materijal može se proračunati vijek trajanja uz prisutno poznavanje svih relevantnih uslova pod kojima će konstrukcija raditi. Kod istraživanja propagacije pukotine zamaranja polazi se općenito od mjerenja dužine pukotine a u funkciji od broja ciklusa N, pri čemu se određuje brzina propagacije pukotine da/dn tačku po tačku diferenciranjem krive a N, slika 64. Na slici 64. po Radonu date su pregledno tri karakteristične oblasti ponašanja pukotine zamaranja pri propagaciji s mehanizmima i njihovim karakteristikama. Logaritamska krivulja zavisnosti da/dn i K ima tipični sigmoidalni oblik s oblastima 1, 2 i 3. mm/ciklusu Brzina propagacije pukotine da/dn, mm/cikl Režim A: DISKRETNI MEHANIZMI rastojanje rešetke po ciklusu Režim B: NEPREKIDNI MEHANIZMI Oblast 1 Oblast 2 Oblast 3 Prag rasta pukotine zamaranja umaranja K th log K K max = K Ic - 1 mm min - 1 mm sat - 1 mm dan Pojedine oblasti krive pokazuju slijedeće: - Oblast 1 određuje prag propagacije pukotine zamaranja K th ( K o ), ispod koje nema vidljive (mjerljive) propagacije. Prag vrijednosti K se pojavljuje pri brzinama propagacije veličine m/ciklusu ili manjim. Mjerenje propagacije pukotina vrši se raznim tehnikama kao što su optičke, ultrazvučne, vrtložne struje, metode električnog potencijala ili akustične emisije. 95 K ' c lom Veliki uticaj: utjecaj: Mali uticaj: utjecaj: I mikrostrukture I mikrostrukture II srednjeg naprezanja II debljine III okoline Režim C: Veliki uticaj: utjecaj: MEHANIZMI III nekih kombinacija STATIČKOG LOMA okoline, srednjeg naprezanja i frekvencije Veliki utjecaj: uticaj: da dn = C. K m I mikrostrukture II srednjeg naprezanja B m III debljine Mali uticaj: utjecaj: IV okoline Razlika faktora intenziteta naprezanja K = K max - K min, N/mm 3/2-1 mm 7 dana Slika 64. Tri karakteristične oblasti ponašanja pukotine zamaranja pri njezinoj propagaciji [23]

106 U ovoj oblasti djeluju diskretni mehanizmi sa velikim uticajem, kao što su mikrostruktura, srednje naprezanje i okolina. Veličina K th raste sa veličinom zrna, odnosno opada sa naponom tečenja materijala. To je u skladu sa poznatom Hall-Petchovom jednačinom zavisnosti napona tečenja od veličine zrna (R eh je obrnuto proporcionalna kvadratnom korijenu prečnika zrna d): R eh = σ o + k d -1/2 (Hall-Petch) (103) gdje su: σ o... naprezanje potrebno za kretanje dislokacija, k... konstanta d... prečnik zrna - Oblast 2 pokazuje u osnovi linearni odnos između log da/dn i log K, koji su Paris i saradnici godine izrazili pomoću jednačine brzine propagacije pukotine: da m = C K (104) dn gdje su: m - nagib krive (konstanta zavisna od materijala), C - koeficijent koji se određuje produženjem prave linije do K (apscise) U oblasti 2 djeluju neprekidni mehanizmi na koje veliki uticaj imaju kombinacije okoline pri ispitivanju, srednje naprezanje i frekvencija, a mali uticaj je od mikrostrukture i debljine. - Oblast 3 karakteriše velika brzina propagacije pukotine, te je u njoj moguće samo kratko trajanje zamaranja. Tu djeluju mehanizmi statičkog loma, na koji imaju veliki uticaj mikrostruktura, srednje naprezanje i debljina, a mali okolina. Ova oblast je uglavnom definisana lomnom žilavošću K C i K IC i ima najmanje značaja u većini slučajeva kod pojave zamaranja. Uticaj srednjeg naprezanja na ponašanje pukotine pri propagaciji veći je u oblastima 1 i 3, a manji u oblasti 2, koja je najvažnija za određivanje vijeka materijala. Njegov uticaj se općenito izražava preko faktora odnosa minimalnog i maksimalnog naprezanja, tj.: σ R min Kmin =, odnosno R = (105) σ max Kmax koji se naziva koeficijentom asimetrije ciklusa pri zamaranju. Vrijednosti koeficijenta R se kreću između ±, a najčešće se koriste između 1 do +1. Prema Stivensu * najviše podataka o uticaju srednjeg naprezanja na propagaciju pukotine ima za slučaj * Stephens J. Rolf: Proračuni širenja zamorne pukotine i preostalog vijeka za livene čelike pri konstantnoj i promjenljivoj amplitudi spektra opterećenja na sobnoj tamperaturi i na 45 C, Predavanje, Monografija 4., Međunarodna ljetna škola u Dubrovniku,

107 jednosmjerno-promjenljivog zatezanja, tj. pri R>0. Po njemu porast odnosa R sa 0 na 0,8 (stepenice po 0,2) ima tendenciju povećanja brzine propagacije pukotine u svim oblastima S-krive, što je ujedno i uticaj porasta srednjeg naprezanja. Navedena promjena faktora odnosa R može da dovede do opadanja praga propagacije pukotina K th za cca 1,5 do 3 puta. Uticaj negativnih faktora odnosa R, što uključuje naizmjenično-promjenljive cikluse i istosmjernopromjenljivi pritisak nije još dovoljno istražen. Proračuni propagacije pukotine zamaranja i njezino ponašanje u realnim konstrukcijama ne zavise samo od faktora intenziteta naprezanja, već i od ranijeg stanja materijala, kao što su zaostala naprezanja i sl. Tako zaostala naprezanja pritiska mogu dovesti do usporavanja ili čak do zaustavljanja propagacije pukotine, a zaostala naprezanja zatezanja mogu ubrzati njezinu propagaciju. Tačnost postojećih modela varira od izuzetno dobre do izuzetno loše, te prema tome kod njih ne mogu da budu isključena simuliranja ili stvarna ispitivanja u radnim uslovima. Pored opisanog koncepta linearno elastične mehanike loma, koji se koristi za propagaciju pukotine zamaranja, razvijaju se i modificirani koncepti plastične mehanike loma, kao i koncepti niskocikličnog zamaranja materijala. Koncept niskocikličnog zamaranja obuhvaća kontrolu mehanizma iniciranja pukotine u ravni klizanja pri brojevima ciklusa reda veličine 10 3 do 10 5 i pri veličini pukotine od minimalno 0,2 mm. Za praktičnu primjenu je često važno i određivanje broja ciklusa do loma, koji može materijal izdržati pri datim uslovima. Pri odnosu R=konst. za slučajeve jednosmjerno-promjenljivih opterećenja u oblasti 2, može se poći od Parisove jedačine i odrediti broj ciklusa do loma integracijom, kako slijedi [23]: da dn ( m m m = C K = C σ π a ) (106) odakle je dalje: dn = da (107) m C σ ( πa ) m N a a m da 1 dn = = 2 m m a da (108) N a C σ a 0 0 m m ( πa ) C σ ( πa ) gdje je: N o... broj ciklusa za stvaranje pukotine dužine a o. o Veličina pukotine a o određuje se iz uslova za lom K max =K c, tj.: a 1 K 2 c c = π σ (109) max 97

108 Obzirom da je uticaj materijala na brzinu propagacije pukotine poznat, postoje već standardizovani odnosi da/dn preko izraza K/E za čelike, aluminij i legure titana, te se može izraziti Parisova jednačina približno u obliku: da dn 3 / 4 9 K 10 (110) E Lom elementa konstrukcije izloženog promjenljivom opterećenju teško je predvidjeti, jer je on posljedica postepenog oštećivanja materijala, a nastaje tek kad naprezanje u preostalom dijelu presjeka postigne vrijednost njegove zatezne čvrstoće Metoda ispitivanja i dijagrami dinamičke izdržljivosti materijala Wöhlerov dijagram U tački date su temeljne definicije u pogledu procesa zamaranja materijala, kao i opšti izgled Wöhler-ove krive (slika 55.). Wöhlerova krivulja (ili dijagram) konstruiše se za jedan od odabranih tipova promjenljivog naprezanja (slika 56.) na temelju podataka o izvršenom ispitivanju. Za svaki nivo naprezanja kod ispitivanja zamaranjem potrebno je 6 do 10 epruveta, a za kompletni Wöhlerov pokus treba koristiti najmanje pet nivoa naprezanja. Sve epruvete korištene za jedan Wöhlerov pokus ili za jednu seriju ispitivanja zamaranjem moraju biti fino obrađene (brušene ili čak polirane) jer i najmanje oštećenje površine može biti inicijalno mjesto budućeg loma. Dalje one moraju biti identične u pogledu materijala, oblika i dimenzija. Broj epruveta potreban za ispitivanje zamaranjem može biti vrlo različit u zavisnosti od podataka koji se traži. Tako za statistička ispitivanja treba znatno veći broj epruveta nego za ispitivanja skupih konstrukcijskih dijelova. Za jedno ispitivanje s običnim epruvetama treba najmanje 10 epruveta *. Oblik i dimenzije epruveta za normalna ispitivanja zamaranjem propisani su u odgovarajućim standardima u zavisnosti od načina i cilja ispitivanja (slika 65.). Ispitivanje zamaranjem aksijalnim opterećenjem provodi se prema BAS ISO 1099/00, BAS ISO 1143/00 za ispitivanje rotirajuće šipke na zamor savijanjem, BAS ISO 1352/03 za ispitivanje na zamor uvijanjem. * Kod materijala s nepoznatim svojstvima uzima se 12 do 16 epruveta za jedno ispitivanje, a 8 epruveta kod poznatih svojstava. 98

109 a) b) c) d) Slika 65. Epruvete za normalna ispitivanja zamaranjem * a) za rotaciono savijanje b) za zatezno-pritisne eksperimente na visokofrekventnom pulzatoru firme Amsler c) tipično mjesto prijeloma epruvete b) d) netipično mjesto prijeloma epruvete b) na finom navoju M22x1 mm (u čeljusti!), iako je promjer na poliranom dijelu svega φ7,98 mm (a propisani je φ11,3 mm) * dimenzije epruveta prema JUS C.A4.035 i HRN C.A

110 Za posebna ispitivanja koriste se epruvete sa specijalnim oblicima (npr. sa žljebovima, zavarenim spojevima, prijelazima, provrtima i sl.), koje su slične obliku konstrukcionog dijela. Umjesto epruveta često se za ispitivanje zamaranjem koriste i konstrukcioni dijelovi proizvoljnog oblika, pri čemu se određuje tzv. pogonska čvrstoća (njem. Betriebsfestigkeit). Sve epruvete pripremljene za jedan Wöhlerov pokus ispituju se najčešće sa: - konstantnim srednjim naprezanjem, - konstantnim donjim naprezanjem, - konstantnom amplitudom naprezanja. Kod konstrukcije Wöhlerove krive ucrtava se naprezanje epruvete u linearnom mjerilu na ordinatu, a broj izdržanih ciklusa u logaritamskom mjerilu na apscisu (slika 55.). Spajanje pojedinih eksperimentalnih tačaka daje Wöhlerovu krivulju. Što su veća naprezanja σ g ili σ a epruvete izdržavaju manji broj ciklusa do loma i obratno. Wöhlerova krivulja se asimptotski približava naprezanju R d za koje materijal izdržava beskonačan broj ciklusa bez loma i koje se naziva dinamičkom izdržljivošću. Zbog praktičnosti se za bazu ispitivanja materijala zamaranjem uzima konvencionalna dogovorena vrijednost za izdržani granični broj ciklusa promjenljivog naprezanja, N g [23]. Granični broj ciklusa iznosi: a) N g = ciklusa za čelike (111) b) N g = ciklusa za bakar i njegove legure (112) c) N g = ciklusa za lake metale (113) d) N g = 0 za polimerne materijale (114) Granični broj ciklusa kod čelika može se po potrebi smanjiti na ciklusa kod ugljeničnih čelika ili povećati na kod nisko- i srednjelegiranih čelika na sobnoj temperaturi. Slično tome često se kod lakih metala koriste manji granični brojevi ciklusa: (10 do 50) Čelici izloženi koroziji i polimerni materijali nemaju dinamičku izdržljivost. Slično tome čelici pri povišenim i visokim temperaturama također nemaju izraženu dinamičku izdržljivost, tj. Wöhlerova krivulja opada konstantno s porastom broja ciklusa (slika 66.). Dinamička izdržljivost, R d izražava se obično na dva načina: gdje izraz R d = σ SR ± σ A, MPa (115) i σ SR + σ A predstavlja gornje granično naprezanje, a σ SR - σ A donje granično naprezanje R d = gornje granično naprezanje pri srednjem naprezanju, npr. R d = 200 MPa, pri σ SR = 100 MPa (116) σ A = amplituda naprezanja 100

111 Naprezanje, MPa N/mm i 10 5 i 10 6 i 10 7 i 10 8 Bro j c iklusa, N 20 o C 650 o C čelik X10 NiCrWTi ε = ε + ε, % uk el pl čelik 22 CrMo o C i i i i I I Bro j c iklusa, N 300 o C a) b) Slika 66. Uticaj temperature ispitivanja na broj ciklusa [30] a) kod visokocikličnog zamaranja (N g = n 10 6 ciklusa) b) kod niskocikličnog zamaranja (N g = 10 4 ciklusa) Uz oznaku dinamičke izdržljivosti R d dodaju se još podaci o tome da li se radi o naizmjeničnoj (R diz s koeficijentom asimetrije ciklusa R = 1) ili o istosmjernoj (R dis ; pri R=0 je pritisni ciklus, a pri R= ± je zatezni ciklus). U zavisnosti od vrste naprezanja, koriste se slijedeće oznake za dinamičku izdržljivost (u daljnjem DI): R d zatezno pritisna DI, MPa, R sd savojna DI, MPa, R ud uvojna DI, MPa. Njemačka norma za ispitivanje zamaranjem DIN traži da se uz oznaku za odgovarajuću DI uvrsti u indeksu i granični broj ciklusa, npr.: R diz (10 7 ) = ± 350 MPa, pri R = -1 ; R dis ( ) = ± 250 MPa, pri R = 0 itd. Na slici 55. ucrtana je i linija oštećenja (njem. Schadenslinie), koja se nalazi ispod Wöhlerove krive, a koja predstavlja proširenje Wöhlerovog dijagrama u području vremenske čvrstoće. Naime ispod nje nema oštećivanja materijala do nivoa naprezanja R d, a između linije oštećenja i Wöhlerove krive počinje oštećivanje materijala s pojavom mikropukotina. Početak oštećivanja može se otkriti metalografskim ispitivanjem zbog mijenjanja različitih svojstava: trajne čvrstoće (metoda po Frenchu), udarne žilavosti (metoda Oshibe), deformacije (metoda Bollenratha), prigušenja (metoda Kariusa) itd. Wöhlerova krivulja vrijedi za određeni materijal i poznato stanje strukture. Slično kao i kod ispitivanja žilavosti materijala postoji znatno rasipanje vrijednosti rezultata ispitivanja zamaranjem (obično 10 do 30%). Radi postizanja veće sigurnosti i pouzdanosti dinamičko opterećenih konstrukcija uvijek se preporučuje ispitivanje zamaranjem na većem broju epruveta [31]. 101

112 Na lom zamaranjem utiču radna naprezanja i otpornost mašinskog dijela, koja najviše zavise od projektovanja, proizvodnje i svojstava materijala. Za izbjegavanje loma moraju biti tačno definisani radni uslovi. Ako oni nisu tačno poznati tada se moraju tačno razmotriti svi uticajni faktori. Najveći značaj za pravilno projektovanje, izbor materijala i proizvodni proces ima upotreba odgovarajućeg spektra naprezanja i uslova okoline. Sve navedeno treba garantovati zahtijevanu radnu izdržljivost i pouzdani radni vijek proizvoda jer akumulacija oštećenja ne smije izazvati lom [32]. vijeka. Na slici 67. data je shematski relacija između radnih naprezanja i radnog 1 - konstantnoj amplitudi; 2 - promjenljivoj amplitudi.. (Wohler-krivulja) kriva) (Gassner-krivulja) kriva) σ a Izdržljivost pri: σ a Naprezanje, (log) σ x x Statička čvrstoća Fa ktor sigurnosti Sp e kta r naprezanja 1 t k Ra sip a nje 90% 50% 10% 3 1/4 10 ciklusa N-konst. amplituda N-promj. amplituda Radni vijek (log) Slika 67. Relacija između spektra radnih naprezanja i radnog vijeka (logaritamska) [30] Sa slike 67. se vidi da na izdržljivost i radni vijek proizvoda pored ostalog utiče da li je amplituda naprezanja promjenljiva ili konstantna. Obzirom na različite vrste dinamičkog opterećivanja, mogu se ispitivanja zamaranjem podijeliti prema više aspekata (tabela 11.). 102

113 Tabela 11. Razni aspekti kategorizacije ispitivanja zamaranjem [30] 1. Mogućnosti opterećivanja: istosmjerno, naizmjenično, radno, pogonsko 2. Vrste opterećivanja: zatezanje-pritisak, savijanje, rotaciono savijanje, uvijanje 3. Parametar opterećivanja: naprezanje, istezanje 4. Stanje naprezanja: jednoosno ili višeosno 5. Frekvencija ispitivanja: niska (<5Hz), srednja (5 do 30Hz), visoka (>30Hz) 6. Objekt ispitivanja: glatka epruveta, epruveta s zarezom, konstrukcioni dio, oblikovani detalj, postrojenje sobna temperatura, visoka odnosno niska 7. Uslovi okoline: temperatura, vlažnost zraka, vakuum, korozioni mediji, zračenje Na slici 68. dat je izgled cikličkih promjena naprezanja za tri slučaja iz prakse. σ g σ sr σ d 1 obrtaj osovine R = σ d σ g a) 1 s σ g b) σ a σ sr σ d c) vrijeme, s Slika 68. Tipične ciklične promjene naprezanja [30] a) kod osovine b) kod vratila c) kod krila aviona 103

114 Iz logaritamskog oblika Wöhlerove krive (slika 55.) može se izraziti slijedeća zavisnost: σ N = const. = R N (117) m N gdje je m eksponent nagiba pravca Wöhlerove krive m d Ako su amplitude cikličnog naprezanja vrlo visoke, tj. ako se ponavljaju pri naponu tečenja materijala ili iznad njega u području ojačavanja tada nastaju makroplastične deformacije, koje prouzrokuju lom pri znatno manjim brojevima ciklusa (N L = 10 1 do 10 4 ciklusa). To je oblast tzv. niskocikličnog (ili oligocikličnog) zamaranja (engl. Low Cycle Fatigue LCF, slike 69., 70. i 71. To se često događa kod uključivanja i isključivanja energetskih postrojenja kod kojih brze promjene temperatura prouzrokuju zaostala termička naprezanja, odnosno pojavu pukotina koje dovode do loma pri malom broju ciklusa. Za niskociklično zamaranje vrijedi Manson-Coffinova relacija: gdje su: N g ε C (118) n L pl = N L broj ciklusa do loma ε pl amplituda plastične deformacije C, n konstante koje se eksperimentalno određuju. Na slici 69. dat je prikaz područja niskocikličnog i visokocikličnog zamaranja ovisno od broja ciklusa i naprezanja. MPa N/mm 2 A Naprezanje R a B C E Kvazistatički lom Oblast niskocikličnog zamaranja umaranja D Prijelazna oblast F Oblast visokocikličnog zamaranja umaranja HCF LCF R d G H N kr Broj ciklusa log N Slika 69. Oblasti niskocikličnog i visokocikličnog zamaranja materijala [30] 104

115 Sa slike 69. se vidi koja područja naprezanja i brojevi ciklusa odgovaraju niskocikličnom i visokocikličnom zamaranju. Eksperimenti niskocikličnog zamaranja izvode se s konstantnom amplitudom naprezanja (± σ a = 2σ a ) ili s konstantnom amplitudom deformacije ( ε t ): ε uk = ε el + ε pl (119) gdje su: ε uk - konstantna ukupna amplituda deformacije ε el - elastična amplituda deformacije ε pl - plastična amplituda deformacije Broj ciklusa kod niskocikličnog zamaranja zavisi najviše od materijala i parametara opterećenja. Obično iznosi do ciklusa. Jak uticaj pri niskocikličnom zamaranju imaju frekvencija i prigušenje materijala zbog većeg udjela plastične deformacije. Zato se ovakva ispitivanja izvode sa znatno manjim frekvencijama nego kod oblasti visokocikličnog zamaranja (Wöhlerov pokus). Pored visokocikličnog (ili megacikličnog) zamaranja na bazi 10 6 ciklusa, koristi se po potrebi i oblast supervisokocikličnog (ili gigacikličnog) zamaranja materijala na bazi 10 9 ciklusa. Naime ispitivanje dinamičke izdržljivosti pri 10 9 ciklusa kod čelika za kotrljajuće ležajeve pokazalo je da je ona bila manja za 20 do 100 MPa od one pri 10 6 ciklusa. To ukazuje na činjenicu da nemetalni uključci i poroznost ukoliko su prisutni što standardima nije dozvoljeno, mogu inicirati propagaciju pukotina, odnosno lom i pri 10 9 ciklusa, što dovodi u pitanje koncept o definiciji dinamičke izdržljivosti. σ ε 2 σ a ε pl ε uk Slika 70. Niskociklično zamaranje (1 puni ciklus) [30] 105

116 Deformacija, ε ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Sa slike 70. se vide odnosi ukupne amplitude deformacije i plastične amplitude deformacije pri konstantnoj amplitudi naprezanja, dok sa slike 71. se vidi zavisnost plastične i elastične deformacije od broja ciklusa kod niskocikličnog zamaranja. 1,000-0,100 - ε pl ε uk = ε el + ε pl 0,010 - ε el 0,001 I I I I I I I I Broj c iklusa, N Slika 71. Plastična i elastična deformacija u zavisnosti od broja ciklusa kod LCF [30] Smithov dijagram Vrijednosti naprezanja iz Wöhlerovog dijagrama zamaranja vrijede samo za jednu vrijednost srednjeg ili donjeg naprezanja, koje su konstantne za cijeli opit. Mašinski dijelovi su u uslovima upotrebe izloženi različitim vrstama promjenljivih opterećenja (naizmjeničnih-kombinacije zatezanje-pritisak ili istosmjernih-zatezanje ili pritisak, slika 56.). Za pregledno prikazivanje dinamičke izdržljivosti materijala u zavisnosti od srednjeg naprezanja, gornjeg ili donjeg naprezanja ili amplitude, koriste se Smithovi dijagrami (njem. Schleifendiagramm), slika 72. Smithov dijagram daje zavisnost gornjeg i donjeg naprezanja od srednjeg naprezanja. Za njegovo konstruisanje treba prethodno izvršiti seriju Wöhlerovih pokusa zamaranjem za različite vrijednosti srednjeg naprezanja. Vrijednosti srednjeg naprezanja nanose se na apscisu, a gornjeg i donjeg naprezanja na ordinatu. Obično se zadovoljava s četiri Wöhlerova dijagrama, a moraju se poznavati vrijednosti napona tečenja (R e ili R p0,2 ) i zatezne čvrstoće (R m ) materijala. Svaki Wöhlerov dijagram predstavlja u Smithovom dijagramu samo jednu ordinatu, npr. 1-1, 2-2, 3-3 i 4-4 na slici 71. Prvo se iz 106

117 Wöhlerovog dijagrama sa srednjim naprezanjem σ sr =0 konstruišu prve tačke Smithovog dijagrama na ordinati 1-0-1, a zatim tačke 2-2, 3-3 i 4-4 za npr. σ sr =50, 100 i 150 MPa. zatezni ciklus naizmjenični Slika 72. Smithov dijagram za pozitivne vrijednosti srednjeg naprezanja Radi lakše konstrukcije i analize Smithovog dijagrama povlači se iz koordinatnog početka pravac pod uglom α=45 o. Spajanjem tačaka 1, 2, 3 i 4 dobije se linija gornjeg graničnog naprezanja LGGN, a spajanje tačaka 1, 2, 3 i 4 daje liniju donjeg graničnog naprezanja LDGN. Ove linije ograničavaju područje promjenljivih naprezanja koje materijal može izdržavati bez lomova, tj. to je područje sigurnosti (šrafirano). Područje sigurnosti zatvara s gornje strane povučena horizontala iz tačke 5 vrijednosti napona tečenja do presjecišta s LGGN jer se materijal ne smije u praksi opteretiti više od R eh. U praksi se koriste pored Smithovih dijagrama za zatezanje-pritisak (crte 1-1, 2-2 su slučajevi naizmjeničnih naprezanja, a crte 3-3 i 4-4 su slučajevi istosmjernih zateznih naprezanja) i Smithovi dijagrami za savijanje (koji daju najveća područja sigurnosti), te Smithovi dijagrami za uvijanje (koji daju najmanja područja sigurnosti, slika 73.). Vrijednost zatezne čvrstoće materijala (tačka 6) predstavlja teoretski završetak Smithovog dijagrama, te područje predstavljeno isprekidanom linijom ne garantuje više sigurnost od loma. 107

118 MPa σ +σ, N/m m R eh MPa σ +σ, N/m m R p0, σ sr -200 σ sr Č0561 a) 1 savijanje, 2 zatezanje-pritisak, 3 - uvijanje 1 - savijanje, 2 - vlak - tlak, 3 - uvijanje Č Slika 73. Smithovi dijagrami za dva čelika pri različitim naprezanjima [33] a) opšti konstrukcioni čelik Č 0561 b) niskolegirani čelik za poboljšanje Č4734 (sa cca 2,5 %Cr; 0,20 %Mo i 0,15 %V) Kod proračuna mašinskih konstrukcija, zbog praktičkih razloga, često se koristi tzv. uprošteni Smithov dijagram. Naime za njegovo kontruisanje dovoljno je imati samo slijedeće: podatke iz Wöhlerovog dijagrama s naizmjeničnim simetričnim ciklusom (koji materijal najteže podnosi- označeno sa 1-1 ), podatke otpornosti iz zateznog opita (R e i R m ) i ugao α, za koji se obično koriste vrijednosti od 40 ± 3 o. Smithovi dijagrami se primjenjuju za sve metalne konstrukcione materijale, kao i za ojačane polimerne materijale. Oni služe za ocjenu otpornosti materijala dugotrajnim dinamičkim opterećenjima, kao i za uporedbu dinamičkih izdržljivosti kod različitih materijala. Ipak treba napomenuti da su vrijednosti iz Smithovih dijagrama početne i da ih valja umanjiti zavisno od oblika dijela, stanja površine, zareza, otvora, dimenzija, uticaja radnog medija itd. Osim Wöhlerovog i Smithovog dijagrama standard DIN navodi još i dijagrame dinamičke izdržljivosti po: Haighu, Gerberu, Launhardt-Weyrauchu, Goodmanu, Kommerellu i Rošu (oblici A i B), Pohlu, kombinacija po Smithu i Pohlu, te po Moore-Kommers-Jasperu. b)

119 Kod dimenzionisanja mašina i konstrukcija uvijek se mora voditi računa, pored drugih uticajnih faktora, o tri različite vrste opterećenja: I - mirno statičko (R eh, R m ), II - istosmjerno promjenljivo (R dis zatezno ili pritisno) i III - naizmjenično promjenljivo (R diz ). Za ove tri vrste opterećenja vrijede slijedeći odnosi trajnih čvrstoća: I : II : III = 2 : 1, 7 : 1 (120) a dopuštena naprezanja u pogledu napona tečenja i stepena sigurnosti stoje u odnosu: I : II : III = 1 : 2 : 3 (121) Savremeni razvoj tehnologije i nauke traži optimalna rješenja i na području dimenzionisanja zbog čega su često za dinamički opterećene konstrukcije i sklopove nužno potrebna specijalna ispitivanja s modeliranjem i simulacijama Mašine za ispitivanje zamaranjem Mašine za ispitivanje materijala zamaranjem su mnogo složenije konstrukcije od mašina za statička ispitivanja. Zbog mogućeg uticaja na rezultate ispitivanja zamaranjem mora se strogo pridržavati propisa o montaži i uputstvima za rad mašine. Proizvođači mašina moraju osigurati dovoljno čvrste okvirove, prikladnu konstrukciju uređaja za promjenljiva opterećenja, kao i tačnost svih mjernih uređaja. se na: U zavisnosti od vrste naprezanja mašine za ispitivanje zamaranjem dijele mašine za promjenljiva zatezno-pritisna opterećenja (pulzatori), mašine za promjenljiva savojna opterećenja, mašine za promjenljiva uvojna opterećenja i mašine za promjenljiva kombinirana opterećenja (savijanjeuvijanje). Prema načinu ostvarivanja promjenljivog opterećenja mašine za ispitivanje zamaranjem dijele se na: mašine s hidrauličnim pogonom i mašine s mehaničnim pogonom. Mašine s hidrauličkim pogonom nazivaju se hidrauličkim pulzatorima. Promjenljivo opterećenje u epruvetama ostvaruje se pomoću pulzatorske pumpe s ekscentarskim uređajem. Frekvencija opterećenja zavisi od broja okretaja pulzatorske pumpe i kreće se obično oko 5 do 20Hz (odnosno 300 do

120 obrtaja u minuti). Opterećenja kod takvih mašina kreću se obično od 200 do kn, a mogu se koristiti i za statička ispitivanja. Na slici 74. dat je opšti izgled hidrauličkih pulzatora. Slika 74. Izgled hidrauličkih pulzatora - lijevo: za opterećenja do 500/250 kn (MUP-Rusija) - desno: za opterećenja do 600/400 kn (Losenhausen-Njemačka) Veće opterećenje kod hidrauličkih pulzatora je za statička, a manje za ispitivanja zamaranjem. Mašina na slici lijevo koristi se kod zamaranja za istosmjerna zatezna ispitivanja, a mašina na slici desno može se koristiti za sva zatezno-pritisna ispitivanja, jer ima dopunski uređaj za izjednačenje pritiska. Mašine s mehaničkim pogonom dijele se dalje na: 1 mašine s direktnim opterećenjem utezima ili oprugama (slika 75.a), 2 mašine s polužnim ili bregastim mehanizmom, 3 mašine koji rade na principu rezonancije (slika 75.b) Kod mašina s direktnim opterećenjem utezima (slika 75.a) epruveta je jednim krajem stegnuta u obrtnu čeljust (konzolno), a pokreće je elektromotor. Mašina može istovremeno ispitivati dvije epruvete (sa slike 65.a). Frekvencija je obično 50 ili 100 Hz, tj ili obrtaja u minuti. Ispitivanje se izvodi rotacionim savijanjem, a svaka sekcija ima svoj brojač ciklusa. 110

121 a) b) Slika 75. Mašine za zamaranje s mehaničkim pogonom * a) mašina za rotaciono savijanje (UKI-10M, Rusija) b) visokofrekventni pulzator (Amsler, Švicarska) Kod visokofrekventnog pulzatora ostvaruje se pobuđivanje opruge za opterećivanje elektromagnetski s naponom visoke frekvencije (60 do 300 Hz). Princip rada visokofrekventnog pulzatora s opterećenjima 100 kn, odnosno 20 kn (izmjenljivi dinamometri) dat je na slici 76. Epruveta 3 (za zatezno-pritisna ispitivanja slika 65.b, c, d) učvršćena je između dinamometra 4 i utega za opterećivanje 1 (glavne mase). Protiv-masa je od betona 2 postavljena na podložne gumene opruge 7 da bi cijeli sistem vibracija bio slobodan u prostoru. Pogonski elektromagnet 14 napaja se istovremeno s naizmjeničnom i istosmjernom strujom da bi privlačio oprugu za opterećivanje u tačno rezonantnoj frekvenciji. Opterećenje se podešava i očitava na dinamometrijskoj skali 9 pomoću optičkog sistema 8 i ogledala 16. Najveća opterećenja kod visokofrekventnih pulzatora su do 450 kn, a osim zatezno-pritisnih naprezanja, mogu se koristiti još savojna i uvojna naprezanja. * Mašina Metalurškog instituta Kemal Kapetanović Zenica 111

122 Glavna masa 10. Blenda 2. Protiv masa 11. Fotoćelija 3. Uzorak za ispitivanje 12. Klizač fotoćelije 4. Dinamometar 13. Pobudni generator 5. Prednaponska opruga magneta 14. Pogonski magnet 6. Vreteno 15. Pojačivač 7. Podložne opruge 16. Ogledalo 8. Optički sistem 17. Komparativna traka 9. Dinamometrijska skala 18. Stezna glava Slika 76. Shema visokofrekventnog pulzatora Amsler opterećenja do 100 kn 112

123 Korelacije dinamičke izdržljivosti i zateznih svojstava Tehnički uslovi isporuke materijala ili dijelova konstrukcija redovno propisuju kontrolu kvaliteta pomoću hemijskih, mehaničkih i metalografskih ispitivanja. Od mehaničkih ispitivanja materijala najčešće se traži određivanje svojstava pri zateznom ispitivanju (zatezna čvrstoća, napon tečenja, izduženje i suženje) i udarne radnje loma (KV ili KU). Samo u vrlo rijetkim slučajevima (na primjer kod opruga, torzionih osovina, dijelova aviona i sl.) propisano je i ispitivanje zamaranjem radi određivanja dinamičke izdržljivosti materijala [32]. Obzirom na činjenicu da su ispitivanja zamaranjem dugotrajna i skupa, a zahtijevaju i veći broj epruveta, mnogi naučnici su istraživali korelacije između zateznih svojstava i dinamičke izdržljivosti kod različitih vrsta čelika. U literaturi se može naći oko 20 različitih korelacijskih formula najčešće za savojnu naizmjeničnu dinamičku izdržljivost (R sdiz =R sd ), jer se većina ispitivanja zamaranjem provodi na uzorcima opterećenim na čisto naizmjenično savijanje, vidi tabelu 12. Formule korelacijskih zavisnosti date u tabeli 12. pokazuju da između savojne dinamičke izdržljivosti i zatezne čvrstoće čelika postoji linearna zavisnost. Pri tome se obično navodi rasipanje vrijednosti u granicama ±10 do 30% i naglašava velika zavisnost o vrsti istraživanog čelika, o režimu termičke obrade, o stanju površine, o mikrostrukturi, o čvrstoći čelika itd. Poznati istraživač ovakvih korelacija profesor A. Buch, utvrdio je da najbolja korelacija postoji između savojne dinamičke izdržljivosti i zatezne čvrstoće čelika, ali uvijek se mora voditi računa o svim uticajnim faktorima. Pomanjkanje korelacije mogu izazvati npr. nemetalni uključci, zaostala naprezanja i odugljičenje površine, koji snižavaju dinamičku izdržljivost, a ne utiču na zateznu čvrstoću. Starenje povećava zateznu čvrstoću, a ne utiče na dinamičku izdržljivost, dok površinsko otvrdnjavanje znatno povećava dinamičku izdržljivost, a ne utiče na zateznu čvrstoću. Problem uticaja zatezne čvrstoće na dinamičku izdržljivost još je kompliciraniji kod konstrukcionih dijelova zbog povezanog djelovanja više različitih faktora, kao što su tehnološki, metalurški i geometrijski. Pri tome postoji bolja korelacija kod jednostavnijih oblika dijelova (npr. osovine), a lošija kod kompliciranijih oblika, o čemu se mora voditi računa i uzeti u obzir sve uticaje. Zato u tabeli 12. postoje veća rasipanja rezultata kod autora korelacijskih formula koji nisu vodili računa o hemijskom sastavu ili termičkim tretmanima. Slične formule su i kod R. Hänchena, koje se odnose na polirane epruvete prečnika 7,5 mm (red. br. 15, 18 i 20 u tabeli 12.) i one vrijede za zatezne čvrstoće do 1500 MPa. Inače prema W. Schmidtu čelici imaju približno konstantan omjer R sd /R m =0,5 do cca 1100 MPa. Povećanje zatezne čvrstoće preko 1100 MPa djeluje na smanjivanje toga omjera tj. dalje je manji prirast dinamičke izdržljivosti. 113

124 Tabela 12. Pregled korelacijskih formula između dinamičke izdržljivosti* i zateznih svojstava čelika [23] R. br. Korelacijska zavisnost Autor 1. R sd = 0,47 R m ± (10 do 15)% Lehr 2. R sd = 0,285 (R eh +R m ) ± (10 do 20)% Stribeck 3. R sd = 0,25 (R eh + R m ) + 50 ± 21% Mailänder 4. R sd = 0,20 (R eh + R m + Z) ± 12% Jünger 5. R sd = 0,17 (R eh + R m ) ± 10% Stribeck 6. R sd = 0,35 R m Žukov 7. R sd = 0,287 R m + 83 ± 2% Buch 8. R sd = 0,30 R eh Schmidt 9. R sd = 0,25 R m (1 + 1,35 Z) Markovec, Žukov 10. R sd = 0,65 R eh ± 30% Mailänder 11. R sd = 0,49 R m ± 20% Mailänder 12. R sd = 0,352 R m + 91 ± 5,5% Buch 13. R sd = 0,175 (R eh + R m A ) Leguis,Buchholz,Schulz 14. R sd = 0,40 R eh + 0,25 R m Rogers 15. R sd =(0,45 do 0,55) R m za polir. epruv. Hänchen φ7,5mm 16. R sd = 0,413 R m + 53 ± 12% Kronmarck 17. R d = 0,7 R sd ± 11% Lehr 18. R d = (0,30 do 0,45) R m = 0,90 R sd Hänchen 19. R ud = 0,575 R sd = 0,285 R m ± 10% Hempel 20. R ud = 0,580 R sd = (0,20 do 0,35) R m Hänchen * Dinamičke izdržljivosti, MPa Zatezna svojstva čelika: R sd savojna R m zatezna čvrstoća, MPa R d zatezno-pritisna R eh napon tečenja, MPa R ud uvojna Z suženje, % A 5 istezanje, % Na slici 77. data je zavisnost različitih dinamičkih izdržljivosti (savojne, zatezno-pritisne i uvojne-ordinata) od zatezne čvrstoće (apscisa) po standardu TGL (Istočna Njemačka, 1964.). 114

125 d 2 ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA, MPa Naizmjenična: Izmjenična: 1.Savijanje 2.Vlak-tlak Zatezanje-pritisak 3.Uvijanje Dinamičke izdržljivosti, R u N/mm Istosmjerna: 1.Savijanje 2.Vlak Zatezanje 3.Uvijanje Zatezna Vlačna čvrstoća, R u N/mm 2 m, MPa Slika 77. Zavisnost dinamičkih izdržljivosti od zatezne čvrstoće po standardu TGL Na slici 78. data je zavisnost različitih dinamičkih izdržljivosti od zatezne čvrstoće za različite vrste čelika i za čelični liv. Ovakve korelacije daju vrlo korisne informacije o dinamičkoj izdržljivosti bez ispitivanja, ali treba voditi računa o tome da su to samo orijentacione vrijednosti, da postoji znatno rasipanje i zato se one mogu koristiti samo s velikom rezervom nakon uzimanja u razmatranje svih uticajnih parametara. 115

126 700 Cr-Mo čelici 600 MPa 500 Cr-Ni-Mo čelici Dinamičke izdržljivosti, N/mm Cr-Ni čelici Ugljični čelici Čelični lijev liv Savijanje Zatezanje-pritisak Vlak - tlak Uvijanje Vlačna Zatezna čvrstoća, N/mm R 2 m, MPa Slika 78. Zavisnost dinamičkih izdržljivosti od zatezne čvrstoće različitih vrsta čelika i čeličnog liva [6] 3.3. Statička dugotrajna ispitivanja Kod statičkih dugotrajnih ispitivanja materijala su vrlo važni parametri vrijeme i temperatura ispitivanja. Tokom ispitivanja su konstantni naprezanje i temperatura, a vremenske baze iznose obično: 45, 120, 1 000, , , ili sati. To su: - ispitivanje puzanjem i - ispitivanje relaksacijom. 116

127 Ispitivanje puzanjem Puzanje je pojava postepene spore deformacije materijala, koja nastaje uslijed dugotrajnog djelovanja konstantnog statičkog opterećenja pri povišenoj temperaturi. Naprezanja koja dovode do ove pojave obično su nešto manja od napona tečenja materijala, a temperature puzanja su više od 40% temperature topljenja, tj. T p > 0,40 T t (122) gdje je: T t temperatura topljenja u K. Temperatura puzanja kod metala praktično je ravna temperaturi rekristalizacije. Zato čelici pužu na temperaturama višim od +450 o C, legure bakra na temperaturama višim od +270 o C, a polimerni materijali već na sobnim temperaturama. Puzanje materijala je odlučujuće za ocjenu ponašanja, proračun dimenzija i za njegov izbor za datu namjenu u uslovima eksploatacije. Pojave puzanja s dopuštenim trajnim deformacijama obično od 0,1; 0,2; 0,5 ili 1% i relaksacije, odnosno opadanja naprezanja, s vremenom su karakteristične za idealizirano visokoelastično čvrsto tijelo. Zato su navedena granična izduženja glavni kriterij u toku trajanja mašinskog dijela pri radu na povišenim temperaturama. Kada se dostigne dopuštena granična deformacija, mora se mašinski dio zamijeniti novim. Puzanje je vrlo kompleksna pojava koja uključuje: vrijeme, temperaturu, naprezanje i deformaciju, te se njenom poznavanju i određivanju potrebnih parametara mora posvetiti posebna pažnja Karakteristike dijagrama puzanja Ispitivanje puzanjem provodi se pretežno na seriji jednakih najčešće dugih proporcionalnih okruglih epruveta s navojnim glavama prečnika 10 mm i s prstenastim završecima mjerne dužine radi mjerenja trajne deformacije postignute poslije određenog vremena pri konstantnim uslovima, slika 79. Slika 79. Oblik i dimenzije epruvete za ispitivanje puzanjem na puzalicama firme Amsler 117

128 Opšti izgled uređaja za ispitivanje puzanjem dat je na slici električna mufolna peć (obično do o C) mehanizam za opterećenje utezima 3-uređaj za kontrolu temperature na gornjem, srednjem i donjem dijelu epruvete 4-ekstenzometri postavljeni na prstenaste završetke mjerne dužine epruvete 5-epruveta za ispitivanje puzanjem Slika 80. Opšti izgled uređaja za ispitivanje puzanjem [14] Epruvete se prvo postepeno ugriju na propisanu temperaturu ispitivanja u mufolnoj peći, koja se održava konstantnom tokom cijelog ispitivanja pomoću posebnog automatskog regulatora, a zatim se optereti na zatezanje s konstantim naprezanjem. Mjerenje trajne deformacije izvodi se povremeno shodno propisima. Prema standardima ASTM propisani su prečnici epruveta od 6,5; 9 i 13 mm, a najmanja mjerna dužina je 50 mm. Za svaku zadanu temperaturu ispitivanja koristi se obično 4 do 5 epruveta s različitim opterećenjima i za svaku od njih crta se kontinuirano dijagram puzanja s koordinatama deformacijavrijeme. Ispitivanje puzanjem sa naprezanjem na zatezanje (postupak ispitivanja) provodi se po preuzetom standardu oznake BAS ISO 204/00. Na slici 81. dat je izgled praktične puzalice firme Amsler -Švicarska s pet peći i opterećivanjem utezima. 118

129 deformacija ε ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA Slika 81. Petostruka puzalica firme Amsler [6] Ispitivanja puzanjem su dugotrajna od nekoliko dana (100 sati = 4,2 dana) do desetak godina ( sati = 11,4 godine), o čemu se mora voditi računa pri postavljanju uslova na svojstva materijala. Na slici 82. dat je izgled tipičnog dijagrama puzanja. Dijagram ili krivulju puzanja karakteriziraju tri stadija procesa puzanja. ε l σ = konst. Tϑ = konst. lom 4 1' deformacija pri puzanju 3 t ε ε poč 1 2 2' V p = ε t konst.. brzina puzanja V p = ε 3' 4' I II III vrijeme t, h Slika 82. Tipični dijagram puzanja ε - t [7] 119

130 I-stadij puzanja predstavlja početno ili primarno puzanje. Kod njega dijagram ne počinje iz ishodišta već iz tačke 1, kod koje ε poč. označava spontanu deformaciju nastalu u trenutku nanošenja opterećenja. U I-stadiju puzanja (tačke 1-2) raste puzanje znatno sve dok se ne postigne konstantna brzina, dok opada brzina puzanja (tačke 1-2 ). Deformacija je velika u početku zbog nesređenosti kristalne rešetke, a kasnije se smanjuje zbog ojačavanja materijala uslijed nagomilavanja dislokacija. II-stadij puzanja je stacionarno ili jednakomjerno puzanje s približno konstantnim gradijentom puzanja (tačke 2-3, pravac), tj.: ε V p = = konst. (123) t gdje je: V p minimalna brzina puzanja (ili ε ). Kod ovog stadija vlada ravnoteža između ojačavanja zbog nagomilavanja dislokacija i omekšavanja zbog termičkog aktiviranja dislokacija (snižavanje njihove gustoće). II-stadij traje znatno duže nego I- i III-stadij. Materijal je otporniji prema puzanju što je manji gradijent puzanja, tj. što je manji nagib pravca (V p 0). III-stadij puzanja započinje nakon postizanja određenog nivoa deformacije. Kod njega rastu ubrzano i deformacije (nema više linearnosti između izduženja i vremena) i brzina puzanja sve do loma (tačke 3-4, odnosno 3-4 ). Treći stadij se odlikuje pojavom lokalnog suženja poprečnog presjeka na budućem mjestu loma uslijed trajnih promjena u materijalu tokom vremena na povišenoj temperaturi. On nema značenja za praksu i treba ga izbjegavati kod realnih konstrukcija. Ponašanje materijala pri puzanju može se shvatiti kao interakcija procesa deformacionog ojačavanja i oporavljanja strukture, a na višim temperaturama procesa rekristalizacije i slabljenja materijala zbog lakšeg kretanja dislokacija. Proces puzanja zavisi kako od stanja naprezanja, tako i od temperature tokom ispitivanja ili upotrebe (slika 83.). S porastom naprezanja ili temperature povećava se deformacija, a smanjuje II-stadij (interval puzanja) i prije počinje III-stadij. Pri malim naprezanjima ili niskoj temperaturi mala je deformacija i vrlo velika dužina II-stadija puzanja, a III-stadij se ne pojavljuje. 120

131 visoka temperatura ili naprezanje d e f o r m a c i j a, ε porast temperature ili naprezanja niska temperatura ili naprezanje v r i j e m e, t Slika 83. Promjene dijagrama puzanja s variranjem temperature i naprezanja [34] Parametri procesa puzanja Proces puzanja ima veliko značenje za mašinske dijelove izložene dugotrajnom opterećenju pri povišenim temperaturama, kao što su npr. turbinske lopatice, dijelovi parnih kotlova i nuklearnih reaktora, cijevni elementi parovoda itd. Poznavanje parametara procesa puzanja potrebno je za određivanje radnog vijeka, odnosno trajanja takvih dijelova u složenim uslovima upotrebe. Za proces puzanja vrlo su bitni difuzioni procesi u materijalu izazvani naprezanjem i temperaturom. Puzanje izaziva nastajanje velikog broja vakansija (praznina) u materijalu, koje tokom vremena okrupnjavaju u mikropukotine odnosno pukotine. U III-stadiju puzanja znatno je narušena mikrostruktura materijala i deformabilnost, te dolazi do loma. Proces puzanja izazivaju različiti oblici naprezanja: zatezno, pritisno, savojno ili uvojno, a parametri puzanja određuju se najčešće pomoću jednoosnog zateznog naprezanja. Kod dimenzionisanja mašinskih dijelova izloženih puzanju strogo se vodi računa o dopuštenim promjenama dimenzija tokom radnog vijeka. Najvažniji parametar procesa puzanja je minimalna brzina puzanja, tj. nagib u II-stadiju puzanja (slika 82., jednačina 123). Ukupna deformacija pri puzanju za jednoosno zatezno ili pritisno naprezanje, data je jednačinom: ε uk = ε poč. + ε p (124) gdje je ε p plastična deformacija uslijed puzanja. 121

132 gdje znače: Spontana deformacija u početku djelovanja opterećenja jednaka je: ε poč. = ε el + ε vl + β T (125) ε el elastična deformacija materijala (σ/e) ε vl trenutna deformacija uslijed zateznog konstantnog opterećenja β T prirast deformacije uslijed temperature (β - linearni koeficijent termičke dilatacije, T temperaturna razlika) Brzina puzanja tokom vremena određuje se izrazom: dε uk Vp =,odnosno (126) dt dεp L / Lo Vp = =,mm / mm / h (127) dt t s obzirom da veličina deformacije ε poč. ne zavisi od vremena. Jedinice za brzinu puzanja su: mm/mm/h i %/h. Brzina puzanja kreće se u granicama: 10-6 do 10-7 mm/mm/h, odnosno 10-4 do 10-5 %/h. Najčešće se govori o graničnoj brzini puzanja 10-6 mm/mm/h. Cilj ispitivanja puzanjem je određivanje karakteristika otpornosti materijala puzanja: granice puzanja i statičke izdržljivosti, a po potrebi i odgovarajućih karakteristika deformabilnosti - izduženja i suženja. Za određivanje tih svojstava treba ispitati na svakoj zadatoj temperaturi četiri do pet epruveta pod različitim naprezanjima i za svaku od njih konstruisati dijagram puzanja ε-t. Iz svakog dijagrama (krive) puzanja treba odrediti nagib krive u IIstadiju puzanja, tj. brzinu puzanja V p. Analogno tome treba izvršiti i ispitivanja puzanjem za promjenljiva naprezanja pri konstantnoj temperaturi. Prema njemačkom standardu DIN za određivanje vremenskih granica puzanja treba precrtati krive puzanja u novi dijagram (slika 84.) obično u dvostrukom logaritamskom mjerilu. S ovakvog dijagrama mogu se očitavati željene vrijednosti vremenskih granica puzanja npr. pri zaostalom izduženju od 0,1; 0,2; 0,5; 1 i 2%, te statička izdržljivost iz granične linije loma (gornji dio dijagrama), te prekidna vremenska izduženja pri naprezanjima od 200, 300 i 400 MPa (ucrtane tačke na graničnoj liniji loma donji dio dijagrama). 122

133 2 istezanje, % (log) naprezanje, N/mm (log) ISPITIVANJE METALNIH MATERIJALA 10 3 MPa 6 4 granična linija loma zaostalo istezanje 2% 2 1 0,5 0, % 0,1% 10 granična linija loma izduženje, N/mm naprezanje 100 N/mm vrijeme, h (log podjela) Slika 84. Dijagram σ-h (gornji dio) i ε-h (donji dio) za određivanje vremenskih granica puzanja odnosno statičke izdržljivosti [33] Na slici 85. dat je izgled dijagrama statičke izdržljivosti vatrootporne legure nikla na temperaturama 650, 750 i 800 o C. 123

134 10 3 naprezanje, N/mm (log) 2 MPa R m / t / 650 R m / t / 750 R m / t / o C 750 o C 800 o C vrijeme, h (log. podjela) Slika 85. Dijagram statičke izdržljivosti vatrootporne legure nikla na različitim temperaturama [35] Definicije svojstava pri ispitivanju puzanjem - Granica puzanja R pε/t/t označava zatezno naprezanje koje pri temperaturi ispitivanja T nakon propisanog vremena ispitivanja t ostavlja u epruveti definisanu trajnu deformaciju A. Tako npr. R p0,5/10 000/650 označava naprezanje koje je nakon sati ispitivanja pri temperaturi 650 o C izazvalo trajnu deformaciju od 0,5%. Uobičajene granice puzanja su: R p0,1/t/t, R p0,2/t/t, R p0,5/t/t i R p1/t/t ; - DVM granica puzanja R DVM označava naprezanje koje pri određenoj temperaturi ispitivanja T izaziva brzinu puzanja od %/h unutar 25 i 35 sati eksperimenta, uz uslov da nakon 45 sati od početka ispitivanja ne nastupi trajna deformacija veća od 0,2%; - Statička izdržljivost R m/t/t je ono trajno zatezno naprezanje koje nakon zadatog trajanja ispitivanja t pri temperaturi T uzrokuje lom epruvete. Primjer R m/ /550 je naprezanje koje dovodi do loma epruvete nakon sati ispitivanja pri temperaturi od 550 o C; - Trajno lomno izduženje ili vremensko izduženje A 5/t/T označava lomno izduženje epruvete nakon zadatog trajanja ispitivanja t pri temperaturi T; - Trajno lomno suženje ili vremensko suženje Z 5/t/T označava lomno suženje epruvete nakon zadatog trajanja ispitivanja t pri temperaturi T. 124

135 Standardizovana vremena za statička trajna ispitivanja puzanjem su: 45, 100, , , i sati. Često se ispitivanja puzanjem do 100 sati nazivaju kratkotrajnim, ispitivanja do sati dugotrajnim, a ispitivanja od sati i više super dugotrajnim. Postupak određivanja DVM-granice uveden je u Njemačkoj godine, a koristi se za ispitivanje čelika i čeličnog liva pri trajnom opterećenju na temperaturama o C. Iskustvo je pokazalo da je pouzdanije osloniti se na rezultate dugotrajnijih ispitivanja. Zato su u različitim državama u upotrebi i drugi kratkotrajni ili dugotrajni postupci ispitivanja. Tako npr. u Engleskoj je National Physical Laboratory uveo postupak za naprezanje kod granične brzine puzanja kao najveće naprezanje pri kojem brzina puzanja ne prelazi iznos od %/24 sata poslije pokusa u trajanju od sati. U SAD se ekstrapolacijom određuju naprezanja koja izazivaju zaostale deformacije: 0,1% nakon 100 do sati, odnosno 1% nakon sati ili 1 do 10% nakon sati. gdje su: Tok krive puzanja može se po Mc Vettyju izraziti jednačinom: V p = V o + C -αt (128) V p brzina puzanja, a V o, C i α - konstante materijala za odnosno naprezanje i temperaturu. Izraz za ukupnu deformaciju dobija se nakon integracije jednačine (125) u obliku: C αt ε uk = εo + Vo t C (129) α Porastom vremena t ova deformacija, koja predstavlja linije puzanja se približava asimptotski nekoj konstantnoj vrijednosti, npr. 0,2%, tj. jednačini linearnog oblika: ε uk = ε o + V o t (130) Danas se često koristi postupak aproksimacije po kojem se naprezanje za određenu temperaturu nanosi u dvostrukom logaritamskom sistemu zavisno od brzine puzanja zbog pravolinijske zavisnosti i tako se iz relativno kratkotrajnih pokusa dobiju podaci za dugotrajne. Brojni ekstrapolacijski postupci temelje se na grafičkim, grafičkonumeričkim ili samo numeričkim metodama. Ovakve metode uključuju podatke o vremenu i temperaturi u jednačinu koja je zavisna od naprezanja. Za koreliranje podataka naprezanje-lom najšire se koriste slijedeće metode: - Larson-Millerova - Dornova i - Manson-Haferdova. 125

136 Prvi korak ovih metoda je da se nakon dobijanja podataka o ispitivanjima crtaju izotermne krive naprezanje - lom. Drugi korak je određivanje optimalnih vrijednosti konstanti potrebnih za parametarske jednačine s dijagrama log σ-t (za konstantno logaritamsko vrijeme). Larson-Millerov parametar P 1 izveden je iz Fickovih zakona difuzije i izražava se pomoću jednačina: ili P 1 = T (log t + C) (131) P 1 = (1,8 T + 492) (log t + C) (132) gdje su: P 1 Larson-Millerov parametar T temperatura, K t trajanje, h C konstanta (za čelike 15 do 30, obično se uzima 20). Parametar P ima višu vrijednost za bezbroj kombinacija i temperatura, jer vrijedi jednačina: T 1 (log t 1 + C) = T 2 (log t 2 + C) =... = T n (log t n + C) (133) Na slici 86. dat je prikaz nomogramske primjene Larson-Millerovog parametra na visokolegirani čelik s oznakom X10NiCrWTi za temperaturu T=625 o C i C=20 te različita dopuštena naprezanja i vremena upotrebe dijela. Jednačina za Dornov parametar P 2 je slijedeća: α P 2 = log t (134) T Konstanta materijala α je nagib krive log t 1/T. Parametar P 2 ima negativnu vrijednost. Manson-Haferdov parametar je razvijen na empiriji, a omogućava mnogo tačnije predviđanje izdržljivosti u pogledu druge dvije metode. Njegova jednačina je slijedeća: P T T a 3 = (135) log t log t a gdje su T a i log t a koordinate tačke presjeka različitih naprezanja. Za svaku datu vrijednost P 3 (također negativna) u zavisnosti od vremena i temperature može se naći odgovarajuće naprezanje [36]. Dopuštena zatezna naprezanja za trajni rad trebaju biti uvijek za 20 do 30% manja od statičke izdržljivosti R m/ /T. Za proračune treba poznavati temeljna svojstva mehaničke otpornosti metala, kao što su: napon tečenja, granica puzanja, statička izdržljivost i dinamička izdržljivost materijala. 126

137 σ dop , N/mm MPa X10 NiCrWTi i i i i i i P. o 1 10 T, 3 ϑ, C C h 1000 h h 550 i i i i i i P Primjeri: h 1. t = h, T=660 o C i σ dop =250 MPa, 2. t = h, T=625 o C i σ dop =250 MPa i 3. t = h, T=625 o C i σ dop =200 MPa. Slika 86. Primjer upotrebe Larson-Millerova parametra P 1 =T(log t+c) [35] 127

138 Ispitivanja relaksacijom Relaksacija je pojava samoproizvoljnog snižavanja naprezanja u napregnutom mašinskom dijelu ili ispitivanoj epruveti pri konstantnoj početnoj deformaciji posebno pri povišenoj temperaturi. Relaksaciono naprezanje se utvrđuje mjerenjem sniženja sile tokom vremena na posebnim uređajima s automatskim podešavanjem i registracijom. Relaksacija nastaje zbog toga što se dio elastične deformacije pretvara u plastičnu uslijed puzanja materijala i ona raste s porastom temperature. Određivanje vrijednosti relaksacije je važno za dimenzionisanje mašinskih dijelova koji trebaju tokom dužeg vremena zadržati neku deformaciju pri povišenim temperaturama ili pri sobnoj temperaturi, kao što su npr. pritegnuti vijci, čelična žica visoke čvrstoće, čelična užad, čelične šipke od betonskog čelika i sl. Uređaji za ispitivanje relaksacije mogu biti s različitim konstrukcijama. Na slici 87. dat je izgled uređaja za ispitivanje relaksacije žice za prednapregnuti beton. Osnova uređaja je kruti okvir A s podesnim kotvama C za učvršćivanje krajeva žice tako da deformacija ostane konstantna tokom ispitivanja. Uzorak žice za ispitivanje E učvršćen je u kotvama C i oslonjen na oslonce O. Za određivanje naprezanja u žici koristi se zavisnost između naprezanja i frekvencije titranja žice. Mjerenje frekvencije titranja žice vrši se pomoću elektronskog mjerača u određenim vremenskim intervalima. C E O A O C Slika 87. Shema uređaja za ispitivanje relaksacije žice za prednapregnuti beton s krutim okvirom [6] Na slici 88. data je shema uređaja za ispitivanje relaksacije s električnim regulatorom. 128

139 električni kontakt peć D A F motor epruveta C G mjerač izduženja istezanja motor E B električni regulator električni kontakt H Slika 88. Shema uređaja za ispitivanje relaksacije s električnim regulatorom [6] Epruveta AB s mjernom dužinom C opterećuje se pomoću opruge D, koja je povezana s motorom E preko pužastog prijenosa. Mjerač izduženja pričvršćen na krajevima mjerne dužine F i G ima osjetljivi električni kontakt H, čijim otvaranjem se zaustavlja motor pri skupljanju epruvete zbog smanjivanja opterećenja. Na temelju promjene dužine određuje se pad naprezanja koji se automatski registruje. Izražavanje vrijednosti relaksacijskog naprezanja R r/t vrši se na slijedeće načine: - R r/t =f(t) za definisano početno naprezanje i zadatu temperaturu T i - R r/t =f(t) za definisanu temperaturu T i zadatu deformaciju. Osnovni parametri pri ispitivanju relaksacije su temperatura, vrijeme i naprezanje (najčešće zatezno). Ispitivanje se obično izvodi na više različitih temperatura (najmanje tri) i predstavljaju grafički u obliku dijagrama naprezanje-vrijeme (σ-t). Vremenske baze za ispitivanje relaksacijom su obično: 24, 120 i sati. Relaksacijska postojanost pri prvoj temperaturi ispitivanja T 1 jednaka je razlici početnog i krajnjeg naprezanja tokom vremena: σ = σ o - σ kn (136) Kod druge temperature ispitivanja T 2 >T 1 bira se proizvoljno početno naprezanje ili se uzima da je ono jednako krajnjem naprezanju za prvu 129

140 temperaturu itd. Niz krivulja relaksacije određenih pri različitim temperaturama daje cjeloviti prikaz o ponašanju materijala pri uslovu konstantne deformacije: ε o = ε el + ε pl = konst. (137) Za ocjenu relaksacijske postojanosti materijala pri povišenim temperaturama može se koristiti i brzina relaksacije. Kod čelika za prednaprezanje konstrukcija (žica, užad i šipke) propisano je ispitivanje izotermičke relaksacije po normi HRN C.K6.035, a standardu JUS C.K Izotermička relaksacija predstavlja gubitak početne sile prednaprezanja u čeliku pri konstantnoj dužini i temperaturi, a izražava se u postotcima od početnog opterećenja. Početne vrijednosti opterećenja pri ispitivanju relaksacije u proizvodnji su: gdje su: F i = 0,6 F max ; 0,7 F max i 0,8 F max (138) F i početna vrijednost prednaprezanja, N a F max prekidna sila susjednog uzorka za zatezno ispitivanje, N. Pri redovnim ispitivanjima koristi se najmanje 6 uzoraka, a pri kontrolnim 3 uzorka. Temperatura ispitivanja je 20 ± 1 o C. Prvo početno opterećenje mjeri se poslije 1 minute od uključivanja instrumenta, a ako nema automatske registracije onda se mora vršiti očitavanje dovoljno često u početku ispitivanja tako da relativna deformacija ne bude veća od Zato se obično očitava opterećenje na svakih: 1, 3, 6, 9, 15 i 30 minuta, poslije toga na 1, 2, 4, 8, 24 sata, a zatim svakih 24 sata do kraja ispitivanja od sati. Pad napona poslije 48 sati u zavisnosti od početnog napona kod niskougljeničnog čelika dat je na slici 89. Slika 89. Pad napona poslije 48 h u zavisnosti od početnog napona čelika sa 0,11 %C pri različitim temperaturama [6] 130

141 U tabeli 13. dat je pregled najvećih dopuštenih vrijednosti relaksacije za čelične žice, šipke i užad za prednaprezanje, koje se određuju pri početnom opterećenju od 60, 70 i 80% graničnog opterećenja za sati na temperaturi od 20 ± 1 o C prema Pravilniku o tehničkim normama za navedene proizvode. Tabela 13. Najveće dopuštene vrijednosti relaksacije za čelične žice, šipke i užad za prednaprezanje konstrukcija [35] Najveća dopuštena relaksacija za h Vrsta i naziv proizvoda u % pri početnom opterećenju od 60, 70 ili 80% od stvarne prekidne sile pri: 60% 70% 80% 1. Čelična žica i čelična užad - normalni čelik - stabilizirani čelik 4,5 1,0 8,0 2,5 12,0 4,5 2. Čelične šipke od glatkog ili rebrastog betonskog čelika 1,5 4,0 6, Ispitivanje tvrdoće Ispitivanje tvrdoće je vjerovatno najraširenija i najsvestranija metoda ispitivanja materijala, koja omogućava brzo, lako i jednostavno određivanje važnog mehaničkog svojstva tvrdoće na malom uzorku praktično bez njegovog razaranja. U nekim slučajevima kao što su npr. ispitivanja tvrdoće tankih površinskih slojeva u inžinjerstvu površina i ispitivanje tvrdoće strukturnih konstituenata je jedini način utvrđivanja tog važnog svojstva materijala. Tvrdoća je otpornost ispitivanog materijala prema prodiranju u njega drugog znatno tvrđeg tijela (opšta najprihvatljivija tehnička definicija). Da bi se rezultati ispitivanja tvrdoće mogli međusobno upoređivati, moraju biti tačno definisani, odnosno standardizirani uslovi ispitivanja, kao što su utiskivač (ili indentor), sila i vrijeme njezinog djelovanja na tijelo [37]. Prvu metodu mjerenja tvrdoće razvio je njemački mineralog Friedrich Mohs 1822.g., koji je uspostavio skalu tvrdoće na uporedbi deset relativno čestih minerala. Prema Mohsovoj skali (slika 90.) načinjena je podjela minerala u 10 razreda tako da svaki naredni član ove skale mora zaparati površinu prethodnog člana (npr. fluorit 4 može zaparati kalcit 3). Međutim intervali u Mohsovoj skali tvrdoće između minerala nisu jednaki. Tako npr. apsolutna vrijednost između tvrdoće razreda 9 za korund i razreda 10 za dijamant mnogo je puta veća od cijelog preostalog dijela skale. Tvrdoća materijala po Mohsovoj skali naziva se fizikalnom, a njome se osim mineraloga služe još geolozi, hemičari i drugi. 131

142 dijamant (10) apsolutna tvrdoća korund (9) topaz (8) kremen (7) ortoklas (6) apatit (5) fluorit (4) kalcit (3) gips (2) talk (1) Mohsova skala Slika 90. Uporedba Mohsove skale tvrdoće s apsolutnim vrijednostima tvrdoće dotičnih minerala [35] U tabeli 14. data je uporedba tvrdoća minerala i strukturnih konstituenata metalnih materijala u jedinicama Vickersa. Za mjerenje tvrdoće tehničkih materijala razvijen je u 20. vijeku čitav niz metoda ispitivanja tvrdoće (npr. Brinellova, Vickersova, Rockwellova, Shoreova, Poldijeva itd.). Za inženjersku praksu vrlo je važno što je tvrdoća u korelaciji s nekim drugim svojstvima materijala, npr. s zateznom čvrstoćom kod nekih čelika i livova, s otpornošću na abrazijsko trošenje itd. Uređaji za ispitivanje tvrdoće su znatno jednostavniji i jeftiniji od kidalica za univerzalna statička ispitivanja materijala, a također i uzorci za ispitivanje nisu posebni ispitni uzorci već manji ili po potrebi veći komadi ili dijelovi koji se moraju ispitati. Bitno je samo izvršiti odgovarajuću pripremu površina za ispitivanje tvrdoće da se može što tačnije izmjeriti veličina ili dubina otiska ili pak visina odskoka utiskivača. Utiskivači za mjerenje plastične deformacije (otisci) su oblika kuglice, kupe ili piramide od vrlo tvrdih materijala (kaljeni čelik, tvrdi metal za kuglice, a dijamant za kupe i piramide). 132

143 Tabela 14. Uporedba mikrotvrdoća minerala i strukturnih konstituenata metalnih materijala [35] Minerali (abrazivi) Mikrotvrdoća, HV Materijali (strukturni konstituenti) Gips, CaSO 4 x2h 2 O (2)* Ferit, čisto Fe Kalcit, CaCO 3 (3) 140 Fluorit, CaF 2 (4) Austenit, 12% Mn Perlit, nelegirani Austenit, niskolegirani Dolomit, (3,5 do 4) Perlit, nelegirani Austenit, livovi s visokim %C Staklo (4,5 do 6,5) Martenzit Apatit, Ca 5 [F 2 (PO 4 ) 3 ] (5) 540 Feldspat (6) Kremen, SiO 2 (7) Cementit, Fe 3 C Kvarc, SiO 2 (7) Cr-karbid, (Fe, Cr) 7 C 3 Topaz, Al 2 (F 2 SiO 4 ) (8) Fe-borid, Fe 2 B 1500 Mo-karbid, Mo 2 C 1650 Cr-karbid, Cr 23 C 6 Korund, Al 2 O 3 (9) Cr-karbid, (Fe, Cr) 23 C Fe-borid, FeB Cr-borid, CrB Nb-karbid 2150 Cr-Borid, CrB 2200 Cr-karbid, Cr 7 C Cr-karbid, Cr 3 C W-karbid, WC 2700 W-borid, W 2 B 5 Karborundum, SiC (9,5) Cr-karboborid, Cr 2 (BC) V-karbid, VC 3000 W-karbid, W 2 C 3200 Ti-karbid, TiC 3400 Ti-borid, TiB B-karbid, B 4 C 3750 W-borid, WB Dijamant, C (10)* * (2 do 10) razredi Mohsove skale tvrdoće 133

144 Najveću upotrebu u praksi imaju tzv. statičke metode ispitivanja tvrdoće koje su standardizovane širom svijeta: Brinellova, Vickersova i Rockwellova, kod kojih se ispitivanje tvrdoće izvodi statičkim djelovanjem sile na mašinama stacioniranim u laboratorijima za kontrolu kvaliteta naročito poslije termičkih tretmana, hemijsko-termičkih obrada, razvoja novih materijala i proizvoda ili poslije izvršenih tehnoloških obrada. Nešto manju upotrebu imaju tzv. dinamičke metode ispitivanja tvrdoće koje pretežno nisu standardizovane i kod kojih se ide na teren u pogone s malim prijenosnim uređajima s dinamičkim djelovanjem sile (udarnim) po raznim autorima (Baumann, Poldi, Shore, Lessen). Pri ispitivanju tvrdoće statičkim dejstvom sile utiskivač je izložen dejstvu sile za neko određeno vrijeme, a kod ispitivanja tvrdoće dinamičkim dejstvom sile kuglica ili valjčić udaraju sa izvjesnom kinetičkom energijom na ispitivani komad. Uređaji za ispitivanje tvrdoće dinamičkim dejstvom sile jednostavniji su i jeftiniji od aparata za statičke postupke, te su tako pogodniji za određivanje tvrdoće velikih komada i materijala u skladištima. Kao osnova za određivanje tvrdoće služi ili nastali otisak (tvrdoća padom ili udarom) ili visina odskoka (postupak elastičnim odskakanjem) [6] Brinellova metoda Šveđanin J.A. Brinell objavio je godine postupak prema kojem se tvrdoća definiše odnosom određene sile, kojom se u ispitivani materijal utiskuje tvrda čelična kuglica određenog prečnika, i površine nastalog otiska u materijalu. Otisak ima oblik kalote (slika 91.) čija je površina: 2 πd πd S = πdh = D d (139) gdje je h - dubina otiska, mm, D - prečnik kuglice, mm, d - prečnik otiska, mm. Prema tome, tvrdoća po Brinellu (HB) data je izrazom: 2F HB = 0,102 (140) π 2 2 D(D D d ) Za praktično izračunavanje koriste se tablice u kojima se za svaki prečnik otiska nalazi odgovarajuća vrijednost tvrdoće po Brinellu. 134

145 Slika 91. Ispitivanje tvrdoće utiskivanjem čelične kuglice [6] Na sličan način određuje se i tvrdoća po Mejeru (HM), iz odnosa sile utiskivanja i površine projekcije otiska, tj. 4F HM = (141) 2 π d Pošto je površina kalote uvijek veća od površine njene projekcije, to je Mejerova tvrdoća, za isti materijal, uvijek izražena većom brojčanom vrijednošću od Brinellove tvrdoće. Ova razlika je utoliko veća ukoliko su otisci dublji. U oba slučaja znači treba da bude zadovoljen isti uslov, tj. da odnos F 2 D bude konstantan. Pri praktičnim ispitivanjima ne postoji mogućnost da se uvijek održi isti ugao ϕ, već se toleriše da se odnos d/d kreće u granicama 0,2 0,6. Mada je sa fizičkog stanovišta tvrdoća po Mejeru tačnija, znatno širu primjenu ima tvrdoća po Brinellu. Postupak ispitivanja tvrdoće po Brinellu propisan je tačno određenim normama i standardima kao što su HRN C.A4.003 i JUS C.A4.003 (za čelik), HRN C.A4.103 i JUS C.A4.103 (za lake metale i njihove legure), HRN C.A4.153 i JUS C.A4.153 (za olovo i olovne legure) i HRN C.A4.203 i JUS C.A4.203 (za bakar i bakarne legure), a danas važeći standard u BiH je BAS EN ISO /01 koji se odnosi na metodu ispitivanja i BAS EN ISO /01 za verifikaciju i kalibraciju ispitnih uređaja. Kuglice koje se koriste za ispitivanje tvrdoće po Brinellu treba da su izrađene od kaljenog čelika, tvrdoće najmanje 850 HV. Površina kuglice mora biti polirana. Standardne vrijednosti prečnika kuglica navedene su u tabeli

146 Tabela 15. Vrijednosti prečnika kuglica [6] Prečnik kuglice (mm) 1 2 2, Dozvoljeno odstupanje u mm ± 0,0035 ± 0,0035 ± 0,0035 ± 0,0040 ± 0,0045 Dozvoljena odstupanja odgovaraju 6. stepenu ISA sistema (ISA bilten 25) odnosno JUS M.Al.120. Kuglice za kuglične ležaje zadovoljavaju ove tolerancije. Zavisno od utiskivača oznaka za tvrdoću po Brinellu može biti: HBS - tvrdoća kada se koristi utiskivač čelična kuglica HBW - tvrdoća kada se koristi utiskivač od tvrdog metala. Brojčana vrijednost utvrđene tvrdoće se unosi ispred oznake za tvrdoću, a iza oznake, u indeksu, unose se uslovi ispitivanja po redoslijedu [6]: - prečnik kuglice D u mm; - sila utiskivanja F u N (0,102 F) - vrijeme utiskivanja u sekundama. Primjer oznake: 195 HBS 2,5/187,5/15 Da bi uticaj nehomogenosti materijala na rezultate ispitivanja bio što manji, ispitivanje treba vršiti sa najvećom kuglicom koja se, u zavisnosti od uslova ispitivanja, može upotrijebiti. Eventualno deformisanje kuglice pri ispitivanju tvrdih materijala dovelo bi do pogrešnih rezultata, pa se preporučuje da se po Brinellovom postupku ne ispituju materijali, čija je tvrdoća po Brinellu veća od 450. F Vrijednost konstante D 2 zavisi od vrste materijala koji se ispituje, F odnosno od njegove tvrdoće. U tabeli 16. date su vrijednosti konstante 2 D odnosno veličine sile i prečnici kuglice za tehnički najvažnije materijale. Sila utiskivanja treba da se povećava posebno i bez trzaja dok se ne dostigne propisana vrijednost. Kod tvrđih materijala konačna veličina otiska dostiže se relativno brzo pa je dozvoljeno da se sila utiskivanja održava 10 do 15 sec. Za aluminijum i legure aluminijuma propisano je trajanje utiskivanja 30 ± 2 sec, a za magnezijum i njegove legure 120 ± 5 sec [6]. 136

147 F Tabela 16. Vrijednosti konstante 2 prema BAS EN ISO /01 D Vrsta materijala Legure aluminijuma, meki bakar, legure Mg Tvrđe legure, Culegure, Ni-legure Čelik, sivi liv, Tilegure, Ni-Co legure Odnos sile i prečnika kuglice 0,102 F/D Sila u N za prečnik kuglice D (mm) MPa , ,5 49, ,9 98, ,2 Podloga na koju se stavlja uzorak koji se ispituje treba da je stabilna i omogući da smjer sile utiskivanja bude normalan na površinu koja se ispituje. Površina uzorka na kojoj se vrši utiskivanje mora biti glatka i ravna da bi se prečnik otiska mogao tačno izmjeriti. Pri pripremanju površine uzorka treba izbjegavati postupke kojima se mijenja stanje materijala, kao što su, na primjer, zagrijavanje ili hladna prerada. Uslijed deformisanja na hladno, materijal u okolini otiska otvrdnjava. Da bi se izbjegao uticaj otvrdnjavanja na izmjerene vrijednosti tvrdoće potrebno je da uzorak ima određenu najmanju debljinu i da otisci budu na određenom međusobnom odstojanju, kao i na određenom odstojanju od ivica uzorka. Prema praktičnim podacima, uticaj otvrdnjavanja neće se odraziti na rezultate ispitivanja ako je debljina uzorka veća od osmostruke dubine otiska i ako je odstojanje centra susjednih otisaka najmanje 4 d, a odstojanje centra otiska od ivice uzorka najmanje 2,5 d. Za lake metale i njihove legure odstojanja centra dva susjedna otiska treba da iznosi najmanje 6 d, a odstojanje centra otiska od ivice uzorka najmanje 3 d. Prema Sibelu, najmanje debljine uzoraka treba da D F iznose S min = 165 za materijale čija je konstanta 30 2 HB D =, a D F S min = 55 za materijale čija je konstanta = 10 prema [6]. 2 HB D Otisci će imati pravilan kružni oblik ukoliko ispitivani materijala ima homogenu strukturu sačinjenu iz mnoštva sitnih kristala, jer u takvim slučajevima različiti otpori deformisanja, uslovljeni anizotropijom kristala, bivaju izjednačeni nepravilnim položajem kristala. Kod materijala sa krupnozrnastom strukturom otisci često nemaju pravilan oblik i konture im nisu dovoljno oštre. To se često zapaža i kod sivog liva, kao posljedica malih šupljina i grafitnih listića. U takvim slučajevima je tačnost očitavanja ograničena, pa je za procjenu tvrdoće potreban veći broj otisaka. Prema H. Reiningerumu, za

148 iznalaženje dovoljno tačne srednje vrijednosti tvrdoće mašinskog liva, pri upotrebi kuglice prečnika 5 mm, potrebno je 7 pojedinačnih otisaka, a sa kuglicom prečnika 10 mm 5 otisaka. Izgled pravilnog (a) i nepravilnog (b i c) otiska dat je na slici 92. Slika 92. Vrste otisaka [14] Otisak b) je nastao uslijed veće sile utiskivanja, a c) je otisak kod vrlo tvrdih materijala [29]. Kod hladno valjanih limova od obojenih i lakih metala otisci imaju oblik elipse sa većim prečnikom u pravcu valjanja. Otisci će imati nepravilan oblik i u slučaju ako površina uzorka na kojoj se vrši utiskivanje nije ravna. Stoga je standardima propisano da se za određivanje tvrdoće po Brinellu uzima srednja vrijednost prečnika otiska, dobijena mjerenjem prečnika otiska u dva međusobno normalna pravca. Za mjerenje prečnika otisaka najčešće se koristi mikroskop sa mikrometarskim zavrtanjem. Mikroskop, ili drugi mjerni sistem koji se koristi za mjerenje, treba da omogući mjerenje prečnika otiska sa tačnošću ± 0,25 % prečnika kuglice. Prema standardu BAS ISO /01 oznaka tvrdoće po Brinellu je HBW ili HBS ali može biti zamjenjena samo sa HB. Primjer prema BAS EN ISO : 600 HBW 1/30/20 Brinellova tvrdoća od 600 je određena sa kuglicom promjera 1 mm, silom od 294,2 N za vrijeme od 20 s. (ispitna sila se množi sa 9,81, tj. 30 9,81=294,2) Zavisnost između tvrdoće i zatezne čvrstoće Praktičnim ispitivanjem utvrđeno je da kod većeg broja žilavih materijala, prije svega kod čelika, postoji jednostavna zavisnost između zatezne čvrstoće i tvrdoće po Brinellu: R m = k HB (142) Vrijednost koeficijenta k različita je za razne vrste materijala. Kod čelika koeficijent k iznosi 3,4 do 3,6 i u velikoj mjeri zavisi od odnosa napona tečenja prema zateznoj čvrstoći [6]. G.Finke je na osnovu svojih ispitivanja na čelicima odredio zavisnost R m i HB za odnose R e / R m 100: ispod 65%, 65% - 80% i preko 80%. Za praktične potrebe G. Finke je izradio tabelu za preračunavanje (tabela 17.). 138

149 Tabela 17. Preračunavanje tvrdoće po Brinellu u zateznu čvrstoću prema Finkeu [6] Tvrdoća po Brinellu HB Zatezna čvrstoća R m MPa za (R e :R m ) 100= Tvrdoća po Brinellu HB Zatezna čvrstoća R m MPa za (R e :R m )

150 Ako odnos napona tečenja prema zateznoj čvrstoći nije poznat, preporučljivo je da se preračunavanje vrši sa koeficijentom 3,5. Ova mogućnost preračunavanja tvrdoće po Brinellu u zateznu čvrstoću u praksi je od velikog interesa. U mnogim slučajevima zatezna čvrstoća se izračunava iz tvrdoće čije je određivanje jednostavnije. Potrebno je, međutim, napomenuti da pri ovakvim preračunavanjima razlika između stvarne i iz tvrdoće izračunate zatezne čvrstoće može biti osjetna, pa dobijene vrijednosti mogu poslužiti samo orijentaciono. Standard ISO/TR za čelik daje konverziju vrijednosti tvrdoće u vrijednosti zatezne čvrstoće Mašine (aparati) za ispitivanje tvrdoće Aparati za ispitivanje tvrdoće dati su na slici 93. i 94. Slika 93. Šema uređaja za ispitivanje tvrdoće [14] Konstruktivna rješenja aparata za ispitivanje tvrdoće ostvaruju statičko dejstvo odgovarajućih sila na utiskivač koji se utiskuje, preko sistema poluga, u uzorak postavljen na postolje aparata (slika 93.) Nove konstrukcije aparata za mjerenje tvrdoće (slika 94.) olakšavaju izbor sile utiskivanja kao i očitavanje vrijednosti otisaka zahvaljujući novim tehničkim rješenjima. 140

151 Slika 94. Izgled uređaja za ispitivanje tvrdoće Ovaj aparat koristi se za mjerenje tvrdoće i po Vickersu zamjenom utiskivača i izborom potrebnog opterećenja ( N). Postupak pri ispitivanju je slijedeći: - Električnim prekidačem (3) uključi se lampa i osvijetli se površina uzorka. - Pripremljeni uzorak se postavi na postolje aparata (4), koje je podešeno prema obliku uzorka odnosno radnog predmeta, i priteže uz nosač utiskivača (5) pomoću zavojnog vretena (6). - Slika površine uzorka mora da se jasno projektuje na ekran (7), što se postiže podešavanjem navrtke (8). - Pritiskom na odgovarajuće dugme za puštanje u rad (1) aparat se aktivira i tada počinje utiskivanje utiskivača. - Vrijeme trajanja utiskivanja (t 2 ), koje se odabira prema vrsti materijala, mjeri se od trenutka kada poluga (9) prestane da se podiže odnosno kada dođe u gornji radni položaj. - Pritiskom na polugu (9) izvrši se rasterećivanje. Pri tome dolazi do automatske zamjene utiskivača sa objektivnom optičkog sistema (10), koji omogućava projekciju uvećanog otiska na ekranu aparata (7). - Mjerenje prečnika otiska se vrši na jedan od opisanih načina. 141

152 Vickersova metoda R.I.Smith (Smit) i G.E.Sanderland (Sanderland) predložili su da se umjesto kuglica, kao utiskivač pri ispitivanju tvrdoće, koristi piramida kako bi otisci bili geometrijski slični, bez obzira na veličinu primjenjenog opterećenja. Prema firmi koja je prva počela da proizvodi aparate sa piramidom kao utiskivačem, ovaj postupak je poznat kao tvrdoća po Vickersu (Vikersu). Utiskivač ima oblik prave piramide sa kvadratnom osnovom i uglom između naspramnih stranica od 136 (slika 95.). Pri navedenom uglu strane piramide dodirivaće kuglicu prečnika D u tačkama čije je odstojanje d = 0,375 D, koliko iznosi srednja vrijednost dozvoljenih prečnika otiska (d/d = 0,2-0,5) pri ispitivanju tvrdoće po Brinellu (slika 96.). Slika 95. Oblik utiskivača i otiska kod ispitivanja tvrdoće po Vickersu [6] Slika 96. Geometrijska veza između kuglice prečnika D i piramide sa uglom između naspramnih strana od 136 [6] 142

153 Pod dejstvom opterećenja piramida će u ispitivanom materijalu ostaviti otisak čija se površina može izračunati iz srednje dužine dijagonala (d), po obrascu: 2 d d d S d 1 + =, = sin 2 2 (143) Tvrdoća po Vickersu (HV) definisana je, kao i tvrdoća po Brinellu, odnosom primijenjene sile utiskivanja F (u N) i površine nastalog otiska A (u mm 2 ) Fsin F HV = 0102, 2 = 01891, (144) 2 2 d d gdje je 0,102 konstanta = 1 9,81 Za praktično izračunavanje koriste se tablice u kojima se za svaku dijagonalu otiska nalazi odgovarajuća vrijednost tvrdoće po Vickersu. Do sada je postupak ispitivanja propisan standardima i normama HRN C.A4.030 i JUS C.A4.030 (za čelik), HRN C.A4.104 i JUS C.A4.104 (za lake metale i njihove legure) i HRN C.A4.204 i JUS C.A4.204 (za bakar i bakarne legure). Međutim, novi prihvaćeni standard u BiH za metodu ispitivanja je BAS EN ISO /01, za verifikaciju uređaja za ispitivanje BAS EN ISO /01 i za kalibraciju referentnih pločica BAS EN ISO /01. Prema navedenim standardima, utiskivač je prava dijamantska piramida sa kvadratnom osnovom i uglom između naspramnih strana od 136 ±0,5. Sve četiri strane piramide moraju se sjeći u jednoj tački, odnosno linija veze između dviju suprotnih strana ne smije biti duža od 0,002 mm (slika 97.). Utiskivač mora da bude dobro poliran i da je bez površinskih grešaka. Slika 97. Izgled vrha piramide jako uvećan [6] 143

154 Površina uzorka koji se ispituje treba da je ravna i glatka, da bi se dijagonale otiska mogle tačno izmjeriti. Pri pripremanju površine uzorka treba izbjegavati postupke kojima se mijenja stanje materijala (zagrijavanje, hladna prerada i sl.). Najbolje je da se priprema površine uzorka obavi turpijanjem i poliranjem. Otvrdnjavanje površine uzorka, koje nastaje pri mehaničkom poliranju, može se izbjeći primjenom elektrolitičkog poliranja. Ispitivanje zaobljenih površina može se vršiti ako je radijus krivine veći od 5 mm. Da bi se izbjegao uticaj ojačavanja uslijed deformisanja materijala u blizini otiska, debljina čeličnih uzoraka mora da iznosi najmanje 1,2 d, a debljina uzorka od obojenih i lakih metala najmanje 1,5 d gdje je d dijagonala otiska. Poslije ispitivanja na poleđini uzorka ne smije postojati nikakva vidljiva deformacija. Odstojanje od centra otiska do ivice uzorka, ili do konture bilo kog drugog otiska, treba da je najmanje 2,5 puta veće od dijagonale otiska. Prema W.Bischoff (Bišofu) i B.Wenderott (Vanderotu), deformisana zona oko otiska najmanje je jednaka jednoj polukugli čiji je radijus jednak dijagonali otiska, a njena srednja tačka leži u sredini otiska. S obzirom na geometrijsku sličnost otiska, vrijednosti tvrdoće ne zavise od veličine primijenjene sile utiskivanja bar ne kod većih sila koje se primjenjuju za standardna ispitivanja ( makroispitivanja). Za ispitivanje čelika obično se primjenjuje sila od 294 N, mada standardi dopuštaju i upotrebu drugih opterećenja, pod uslovom da nisu manja od 49 N niti veća od 981 N. Za ispitivanje lakih metala i njihovih legura normalno se upotrebljava sila od 98 N, a mogu se upotrebiti i druga opterećenja od 9,8 N do 981 N. Za ispitivanje bakra i njegovih legura propisane su vrijednosti sile od 25 N do 490 N. Dozvoljeno odstupanje sile iznosi ± 1%. Izbor sile utiskivanja zavisi od vrste materijala, odnosno od dimenzija uzorka koji se ispituje. Ispitivanje se izvodi tako što se utiskivač, postavljen normalno na površinu koja se ispituje, bez trzaja utiskuje u materijal, sve dok sila utiskivanja ne dostigne određenu vrijednost. Ova sila se održava 10 do 15 s, a kod lakih metala 30 s. Za izračunavanje tvrdoće uzima se aritmetička sredina zbira dijagonala otiska. Dužina dijagonala kraćih od 0,2 mm treba mjeriti sa tačnošću ± 0,001 mm, a dužih od 0,2 mm sa tačnošću ± 0,002 mm. Tvrdoću po Vickersu obilježavaju sila utiskivanja i vrijeme trajanja dejstva sile. Na primjer, 130 HV 10/30 označava tvrdoću po Vickersu od 130 HV za čije je određivanje primijenjena sila od 10 9,81=98,1 N u trajanju od 30 s. 144

155 Ispitivanje mikro tvrdoće Usljed tupog ugla između strana utiskivača, čak i pri relativno velikoj dijagonali otiska, dubina otiska je srazmjerno mala, pa je ovaj postupak ispitivanja naročito podesan za ispitivanje tankih limova i tankih slojeva (cementiranih, nitriranih i slika ), ili pojedinih dijelova mikrostrukture, pri čemu se primjenjuju sile utiskivanja manje od 1N. Za ovu svrhu se izrađuju posebni aparati sa mikroskopom i mikrometarskim zavrtnjem za pomjeranje postolja. Uzorci za tu svrhu moraju biti brušeni i polirani. Dok u makropodručju tvrdoću treba posmatrati praktično nezavisnom od sile utiskivanja, u mikropodručju vrijednosti tvrdoće rastu s opadanjem sile utiskivanja (slika 98.)., 10-2 N Slika 98. Uticaj načina pripreme površine uzorka na tvrdoću po Vickersu kod mekog čelika [6] Na vrijednost mikrotvrdoće utiču i način pripreme površine uzorka, trenje između utiskivača i ispitivanog materijala, potresi aparata, očvršćivanje materijala u blizini otiska i dr. Ne postoji slaganje između mikrotvrdoće i iste Vickersove tvrdoće. Korigovana Vickersova formula u svrhu računanja mikrotvrdoće je: 1,854 E HV=, E - modul elastičnosti, (145) 2 (d + c) 1,854 E 1 tj. HV = x ( d + c) 2 gdje je x = = 0, 102 9,81 te se ovim izjednačuju mikro i makro tvrdoća. Veličina c je konstanta za svaki materijal i zavisi od modula elastičnosti i konvencionalnog napona tečenja. Konstanta c se može odrediti jednostavno mjerenjem pod dva različita opterećenja F 1 i F 2 dijagonala d 1 i d 2. Pod pretpostavkom da su obje tvrdoće iste, izjednače se vrijednosti za tvrdoću iz formule (145) i iz nastale jednačine se izračuna c [33]. 145

156 Pored ispitivanja mikrotvrdoće po Vickersu koristi se ispitivanje mikrotvrdoće po Knoopu (Knupu) i Grozdinskom. Knoopova i Vickersova tvrdoća se označavaju sa HK i HV i one su približno ekvivalentne. Knoop se koristi češće za ispitivanje krtih materijala kao što su keramike. Za ispitivanje mikrotvrdoće koristi se standard ASTM E 384: Standard Test for Microhardness of Materials. Mjerilo mikrotvrdoće je odnos između sile i otiska koji je u obliku deltoida jer dijamantska piramida ima osnovu romba i otisak je manje dubine. Poređenje nekoliko skala (tipova) tvrdoće dato je na slici 99. a na slici 100. dat je otisak pri mjerenju mikrotvrdoće. 146 Tvrdoća po Mohsu Slika 99. Poređenje nekoliko različitih skala tvrdoće (prema G.F. Kinney, Engineering Properties and aplications of Plastics )

157 Slika 100. Otisak pri mjerenju mikrotvrdoće Metoda po Grozdinskom mikrotvrdoća se računa kao količnik sile i površine projekcije otiska koga ostavlja utiskivač oblika zarubljene kupe. Metoda je namjenjena za još tanje uzorke nego navedene prethodne metode Rockwellova (Rokvelova) - metoda Za razliku od tvrdoće po Brinellu i tvrdoće po Vickersu koje se izražavaju odnosom sile utiskivanja i površine nastalog otiska, tvrdoća po Rockwellu određuje se na osnovu trajanja dubine otiska koji načini utiskivač u obliku konusa ili kuglice u ispitivanom materijalu. Površina uzorka, i pored brižljive obrade, sadrži neravnine koje mogu uticati na rezultate mjerenja dubine otiska; stoga se kao osnova za određivanje tvrdoće po Rockwellu koristi razlika dviju dubina nastalih prema dvjema različitim silama utiskivanja. Ispitivanje se izvodi tako što se utiskivač najprije optereti početnom silom F o pri kojoj će dubina otiska iznositi h 1 (slika 101.). Tada se komparater, kojim se mjeri dubina prodiranja, dovode u početni položaj, pa se nanese glavna sila F 1 pri kojoj će utiskivač prodrijeti u materijala za dubinu h 2. Poslije završetka tečenja materijala, tj. kad se kazaljka komparatera zaustavi, ukloni se glavna sila (rastereti), uslijed čega se kazaljka komparatera automatski vrati za iznos elastične deformacije ispitivanog materijala i postolja mašine. Nastala trajna dubina otiska h 2, izražena u jedinicama po 0,002 mm, uzima se kao mjera tvrdoće. Da bi vrijednosti tvrdoće po Rockwellu tekla u istom smislu kao i 147

158 veličine brojeva, tj. da bi se za veće tvrdoće dobile veće brojčane vrijednosti, trajna dubina otiska oduzima se od jednog konstantnog broja. Za slučaj ispitivanja konusom, konstanta ima vrijednost 100, a za ispitivanje kuglicom 130. Slika 101. Ispitivanje tvrdoće po Rockwellu sa utiskivačem u obliku konusa[6] Kod uobičajenog ispitivanja tvrdoće po Rockwellu, kao utiskivač za tvrde materijale koristi se dijamantski konus sa zaobljenjem na vrhu r = 0,2 mm i uglom konusa od 120, a za meke materijale čelična kuglica. Početna sila u oba slučaja iznosi 98 N, a glavna 1373 N odnosno 882 N, tako da ukupno opterećenje iznosi 1471, odnosno 980 N. Postupak ispitivanja konusom skraćeno se obilježava sa HRC (C - cone - konus) a kuglicom sa HRB (B-Ball-kugla). Prema tome, tvrdoća po Rockwellu pri ispitivanju konusom data je izrazom: h3 HRC= 100 (146) 0,002 a pri ispitivanju kuglicom h HRB= (147) 0, 002 Oblik vrha i veličina radijusa utiskivača imaju znatan uticaj na vrijednosti Rockwellove tvrdoće. Prema standardu JUS C.A4.031 i normi HRN C.A4.031 (ispitivanje tvrdoće po Rockwellu - skale C i B), ugao konusa iznosi 120 o ± 0,5 o a odstupanje ose konusa od ose utiskivača ne smije preći 0,5 o. Profil vrha konusa ne smije da odstupa za više od 0,002 mm od teoretskog profila. 148

159 Dozvoljeno odstupanje prečnika kuglice od nazivne mjere (1/16"=1,59 mm) iznosi ± 0,0035 mm. Ova tolerancija prečnika odgovara 6. kvalitetu ISA sistema, odnosno standardu JUS M.Aa.120. Tvrdoća kuglice treba da iznosi najmanje 850 HV. Greška uslijed najvećeg dozvoljenog odstupanja mjera utiskivača iznosiće pri upotrebi konusa 0,0-1,3 HRC (u zavisnosti od tvrdoće ispitivanog materijala), dok će pri upotrebi kuglice biti manja od 0,3 HRB. Ispitivanje tvrdoće - metoda ispitivanja prema usvojenom BAS EN ISO /01 (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) uglavnom je u saglasnosti sa ranijim JUS standardima i HRN normama s tim da se verifikacija i kalibracija uređaja za ispitivanje vrši prema BAS EN ISO /00. Dozvoljeno odstupanje početne sile iznosi ±2 N, a glavne ± 7 N za postupak HRC, odnosno ± 4,5 N za postupak HRB. Prema tome, ukupna sila za postupak HRC iznosiće: a postupak HRB: F = F o + F 1 = 1471 N ± 9 N (148) F = F o + F 1 = 98 N ± 6,5 N (149) Greške pri određivanju tvrdoće sa opterećenjem koje odstupa od nazivne vrijednosti za ± 1% biće manja od ±0,5 HCR, odnosno manja od ± 0,8 HRB. Debljina uzorka, odnosno debljina sloja koji se ispituje, mora biti najmanje 8 puta veća od trajne debljine otiska h 3. Primjer: HRC = 60. Dubina prodiranja h 3 je (100-60) 0,0002 mm = 0,08 mm. Najmanja debljina uzorka, odnosno ispitivanog sloja, biće S min = 8 h 3 = 8 0,08 = 0,64 mm. Odstojanje centra otiska od ivice uzorka, ili međusobno odstojanje centra dva susjedna otiska, treba da iznosi najmanje 3 mm. Postupak sa konusnim utiskivačem (skala C) upotrebljava se, po pravilu, za materijale čija je tvrdoća HRC 20, a postupak sa kuglicom (skala B) za materijale čija je tvrdoća HRB između 25 i 100. U nekim zemljama prije svega u SAD, pored opisanih postupaka ispitivanja tvrdoće po Rockwellu (skale C i B), u upotrebi su i drugi sa nešto izmijenjenim uslovima ispitivanja. U tabeli 18. navedeni su postupci ispitivanja tvrdoće po Rockwellu [16]. Pri izboru postupka treba se rukovoditi vrstom ispitivanog materijala njegovom tvrdoćom i debljinom. Postupci po Brinellu i Vickersu daju tačnije vrijednosti tvrdoće, međutim i ispitivanje po Rockwellu, zahvaljujući svojoj jednostavnosti, odnosno mogućnosti brzog mjerenja, ima široku primjenu u praksi, naročito za pogonska ispitivanja. 149

160 Tabela 18. Ispitivanje tvrdoće po Rockwelovom metodom [16] metoda C A B F oblik utiskivača kupa s uglom od 120 kupa s uglom od 120 kuglica prečnika 1,5875 mm kuglica prečnika 1,5875 mm materijal utiskivača dijamant dijamant kaljeni čelik kaljeni čelik F 0, N F 1, N maks. dubina prodiranja 0,200 0,200 0,260 0,260 oznaka tvrdoće HRC HRA HRB HRF utvrđivanje 100-e 100-e 130-e 130-e tvrdoće područje mjerenja primjena metode HRC HRA HRB HRF termički obrađeni čelici vrlo tvrdi materijali (tvrdi metal) normalizovani čelici, Cu-legure hladno valjani limovi od čelika i Cu-legura Primjer (Rockwelova tvrdoća za skale A, C, D): 59 HRC=Rockwelova tvrdoća mjerena za skalu C iznosi 59. Prema tehničkom izvještaju ISO TR 14577/95 propisano je uvjetno ispitivanje tvrdoće metalnih materijala po metodi koja je pogodna za sve materijale i koja je još u fazi prikupljanja iskustava iz prakse. Naime, metode po Brinellu i Vickersu imaju nedostatak zbog potrebe za mjerenjem veličine otiska. Kod Rocwellove metode nema tog nedostatka ali je niska rezolucija tvrdoće i smanjuje se sa porastom tvrdoće ispitivanog materijala. Savremeno mjerenje dubine otiska omogućava kreiranje nove metode za mjerenje tvrdoće koja je pogodna za sve materijale Ispitivanje tvrdoće dinamičkim dejstvom sile Pri ispitivanju tvrdoće statičkim dejstvom sile utiskivač je izložen dejstvu sile za neko određeno vrijeme, a kod ispitivanja tvrdoće dinamičkim dejstvom sile kuglica ili valjčić udaraju sa izvjesnom kinetičkom energijom na ispitivani komad. Uređaji za ispitivanje tvrdoće dinamičkim dejstvom sile jednostavniji su i jeftiniji od aparata za statičke postupke. Kao lako pokretljivi uređaji, podesni su, prije svega za određivanje tvrdoće velikih komada i uopšte materijala na skladištima. Pri ispitivanju tvrdoće dinamičkim dejstvom sile raspoloživa energija se može raščlaniti: 1) u energiju promjene oblika za nastajanje otiska; 2) u energiju odskoka tijela koje pada i 3) u izgubljenu energiju, kao npr. toplotu ili rad oscilovanja. 150

161 Shodno tome, kao osnova za određivanje tvrdoće služi ili nastali otisak kao kod ispitivanja tvrdoće padom ili udarom), ili visina odskoka (kao kod postupka ispitivanja tvrdoće elastičnim odskakanjem) Ispitivanje tvrdoće padom Ako se kugla određene mase pusti sa izvjesne visine da padne na površinu ispitivanog komada, između prečnika nastalog otiska (d) i energije pada (A) postojače zavisnost, slična Mejerovom zakonu potencije za statičko ispitivanje kuglicom, naime A = a d n (150) gdje su a i n konstante. Za razliku od statičkog ispitivanja tvrdoće kuglicom, gdje je n funkcija otvrdnjavanja materijala uslijed njegovog deformisanja na hladno, pri dinamičkom dejstvu sile eksponent n ima stalno vrijednost 4, pa se može smatrati da je zapremina nastalog otiska (V) funkcija upotrebljene energije (A). A = a V (151) A Prema tome, tvrdoća padom (HF) može se izračunati iz odnosa HF=. V Zakonitost A = a d 4 važi u širokom opsegu; međutim, zapremina nije stalno srazmjerno jednaka četvrtom stepenu prečnika otiska, pa će zavisnost A = a V važiti samo dok je odnos V/d 4 približno nepromjenljiv, što je slučaj kod malih prečnika otiska. Tvrdoća pada HF = A/V ipak nije sasvim nezavisna od visine pada, mase i prečnika kugle. Tako pri jednakim masama kugli tvrdoća malo opada sa povećanjem visine pada, i to kod manjih kugli više nego kod većih. Na slici 102. prikazana je zavisnost između tvrdoće padom i tvrdoće po Brinellu. Za ispitivanje tvrdoće padom upotrebljena je kugla mase 10,78 grama, a visina pada iznosila je 284 mm. Tvrdoća po Brinellu Slika 102. Zavisnost između tvrdoće padom i tvrdoće po Brinellu [6] 151

162 Ispitivanje tvrdoće udarom Ispitivanje tvrdoće udarom izvodi se pomoću aparata sa oprugom (postupci po Baumann-Steinrücku, Wilku i dr.). Dejstvom prethodno zategnute opruge čelična kuglica (prečnika 5 ili 10 mm) udara određenom silom na površinu ispitivanog komada. Pomoću baždarenih vrijednosti aparata i izmjerenih prečnika otisaka iznalaze se odgovarajuće vrijednosti tvrdoće po Brinellu. Kod druge vrste aparata, umjesto oprugom, utiskivanje kuglice vrši se udarom čelika (Poldijev aparat, Brinelmetar, Morinov aparat i dr). Postupak ispitivanja Poldijevim aparatom (slika 103.) sastoji se u jednovremenom utiskivanju kuglice (a) u ispitivani materijal (b) i u etalon (c) poznate tvrdoće. Slika 103. Poldijev aparat za ispitivanje tvrdoće [6] Slika Shorov skleroskop [6] Pošto su oba otiska dobijena dejstvom iste sile F, to se diobom izraza za tvrdoću po Brinellu ispitivanog materijala H u 2F = (152) 2 πd(d D d sa izrazom za tvrdoću po Brinellu etalona 2 u 2F He = (153) 2 πd(d D d 2 e 152

163 dobija izraz za tvrdoću ispitivanog materijala gdje je: H u 2 2 D D de = He (154) 2 D D d 2 e H u - tvrdoća ispitivanog materijala, H e - tvrdoća etalona, d u - prečnik otiska u ispitivanom materijalu. d e - prečnik otiska u etalonu Ispitivanje tvrdoće elastičnim odskakanjem Kao mjera tvrdoće kod postupka elastičnog odskakanja služi odskok tega mase koji sa određene visine pada na površinu ispitivanog komada. Pošto je odskok u velikoj mjeri zavisan od elastičnih svojstava ispitivanog materijala, to se tvrdoće određene ovim postupcima mogu međusobno upoređivati samo kod materijala koji imaju približno jednake module elastičnosti. Vrijednosti tvrdoće određene postupcima elastičnog odskakanja zavise i od oblika vrha tega, mase tega, visine pada, od veličine ispitivanog komada i kvaliteta obrade površine koja se ispituje. Sa povećanjem mase tega pri jednakoj visini pada, ili sa povećanjem visine pada pri jednakoj masi tega, kao i pri porastu specifične energije, tj. smanjenju površine dodira tega i ispitivanog komada relativna visina odskoka biće manja, tj. srazmjerni dio energije koji se pretvara u trajnu deformaciju u odnosu na ukupnu energiju raste. Kod najčešće primjenjivanih uređaja za ispitivanje tvrdoće elastičnim odskakanjem navedene uticajne veličine su različite, pa se time objašnjavaju relativno znatne razlike u tvrdoći koju pokazuju pojedini uređaji. Vrijednosti tvrdoće određene ovakvim postupkom obično se izražavaju odgovarajućim baždarenim vrijednostima HRC. Od uređaja za ispitivanje tvrdoće postupkom elastičnog odskakanja najčešće se koristi Shorov skleroskop (slika 104.). U staklenoj cijevi, uz koju je pričvršćena skala sa 140 jednakih podeoka (Šorovih jedinica), nalazi se čelični teg male mase sa zaobljenim dijamantskim vrhom. Pri ispitivanju teg se pusti da pada sa visine h 1 = 254 mm na površinu ispitivanog komada, pri čemu se na skali očitava visina odskoka h 2, odnosno tvrdoća po Shoru. Zbog velikog broja uticajnih faktora rezultati ispitivanja nisu sasvim pouzdani, pa se tvrdoća na ovaj način rijetko određuje. Duroskop je konstruisan na istom principu kao skleroskop. Sastoji se od jednog udarnog čekića u obliku klatna (1) koji se izvodi iz ravnotežnog položaja, te pušta da slobodno pada, pri čemu udara u utiskivač (2) koji prenosi udar na uzorak (3). Zavisno od tvrdoće uzorka čekić se odbija i odskače do nove visine h 2 čiju vrijednost registruje kazaljka. Upotrebljava se za tvrdoću svih materijala i daje precizne rezultate (slika 105.) 153

164 Slika 105. Ispitivanje tvrdoće pomoću duroskopa [10] Preračunavanje tvrdoće Preračunavanje vrijednosti tvrdoće dobijenih po jednom postupku u jedinici nekog drugog postupka sadrži uvijek grešku u sebi; stoga ovakva pretvaranja treba izbjegavati, sem u specijalnim slučajevima, kad je pouzdana osnova za preračunavanje dobijena uporednim ispitivanjima. U praksi se, međutim, takva preračunavanja često vrše radi sticanja orijentacione predstave o tvrdoći izraženoj u jedinicama nekog drugog postupka. Kao osnova za preračunavanje služe brojne krive dobijene uporednim ispitivanjima. Uslijed različitih sastava upotrebljenih materijala i njihovih elastičnih svojstava pojedine objavljene krive znatno se međusobno razlikuju. U tabeli 19. date su uporedne vrijednosti tvrdoće prema DIN

165 Tabela 19. Približan odnos različitih mjera tvrdoće i čvrstoće čelika [19] Tvrdoća po Čvrstoća čelika u MPa Brinellu Vickersu Rockwellu HB HV HRB HRC C Cr Cr-Ni

166 Nastavak tabele 19. Tvrdoća po Brinellu Vickersu Rockwellu Čvrstoća čelika u MPa HB HV HRB HRC C Cr Cr-Ni

167 4. TEHNOLOŠKA ISPITIVANJA Tehnološka ispitivanja predstavljaju najstariji način ispitivanja metala. Ona imaju za cilj da se ustanovi prednost materijala za različite uslove primjene. Postupci ispitivanja su jednostavni, ne zahtijevaju složene uređaje i aparature ni skupu pripremu uzoraka. Vremenom su ova ispitivanja usavršena tako da danas za većinu postupaka postoje propisi i standardi koji tačno definišu uslove ispitivanja, kao i uslove koje pojedini standardizovani proizvodi treba da ispune. Činjenica da tehnološka ispitivanja i danas imaju puni značaj objašnjava se time što mnogi faktori koji utiču na svojstva materijala nisu pogodni za direktno mjerenje pa je od interesa utvrđivanje njihovog skupnog dejstva. Uslovi ispitivanja se tako podešavaju da što je moguće više odgovaraju uslovima primjene. Uzorci za ispitivanje moraju biti u stanju u kakvom će biti primijenjeni. Ovakvim ispitivanjima podvrgavaju se limovi, žice, cijevi i drugi metalurški proizvodi s ciljem da im se ustanovi sposobnost za deformisanje. Najčešće primjenjivana tehnološka ispitivanju su: ispitivanje limova savijanjem i izvlačenjem, ispitivanje žice previjanjem, uvijanjem i namotavanjem, ispitivanje cijevi gnječenjem, proširivanjem, posuvraćanjem, sabijanjem itd ISPITIVANJE SAVIJANJEM Ispitivanje savijanjem je postupak koji se često primjenjuje za utvrđivanje ponašanja materijala prilikom savijanja pri uslovima kakvim će materijal, odnosno njihovi proizvodi, biti izloženi u eksploataciji. Ovim postupkom se, uglavnom, ispituju čelični limovi, ali i proizvodi od legura bakra i aluminijuma. Prema standardu JUS C.A4.005 (i normi HRN C.A4.005) koji se odnosi na ispitivanje čelika savijanjem *, ispitivanje se vrši tako što se epruveta kružnog ili češće poligonalnog poprečnog presjeka postavlja na dva paralelna oslonca i u sredini savija pomoću valjka (slika 106.). Savijanje se vrši dotle dok oba kraka epruvete ne dostignu propisani ugao. Pri savijanju do 180 krakovi epruvete mogu, u zavisnosti od zahtjeva u standardu za posmatrani proizvod, naleći jedan * Ovaj standard je zamijenjen standardom BAS EN ISO 7438/01 157

168 na drugi ili biti paralelni na propisanom odstojanju; radi kontrole odstojanja često se koristi umetak odgovarajuće debljine (slika 107.). Najčešće se ispituju epruvete pravougaonog poprečnog presjeka širine 20 do 55 mm. Preporučuje se da dužina epruvete iznosi L = 5a+150 mm (a debljina epruvete). Ivice epruvete treba da su zaobljene sa radijusom zaobljenja do 1/10 debljine. Slika 106. Ispitivanje savijanjem (prva faza) [6] Slika 107. Ispitivanje savijanjem (druga faza) [6] Za limove i profile debljina epruvete je jednaka debljini materijala koji se ispituje. Ako je debljina izvaljanog materijala veća od 25 mm, obradom samo jedne strane, epruveta se može svesti na propisanu debljinu, ali ne manju od 25 mm. Pri savijanju, neobrađenu površinu epruvete treba staviti na spoljnu stranu pregiba. Za poluproizvode i kovane komade debljina epruvete obično iznosi 20±5 mm. Na čelicima kružnog ili poligonalnog poprečnog presjeka ispitivanje se može izvršiti na uzorku onakvom kako je isječen iz šipke, pod uslovom da prečnik kružnog poprečnog presjeka, odnosno prečnik upisanog kruga poligonalnog poprečnog presjeka, ne prelazi 50 mm. Kada je pomenuti prečnik veći od 30 mm može se svesti, a ako je veći od 50 mm mora se svesti na podesnu veličinu između 20 i 50 mm. Dužina oslonca na koje se postavlja epruveta i dužina valjka kojim se vrši pritiskivanje mora biti veća od širine epruvete. Radijusi oslonca R i radijus valjka D/2 (slika 104.), obično su propisani u standardu proizvoda: ako to nije slučaj, uzima se da je R=25 mm za epruvete debljine a 12 mm, odnosno R= 50 mm za epruvete debljine iznad 12 mm. Rastojanje između oslonca, ukoliko nije propisano u standardu proizvoda, treba da iznosi približno D+3a (slika 106.). Za manje vrijednosti propisanog ugla (α) savijanje se izvodi u jednoj fazi (slika 106.). Ako se na opisani način epruveta ne može saviti do željeznog 158

169 ugla, savijanje se dovršava direktnim pritiskivanjem krakova epruvete (druga faza); epruveta se u tom slučaju stavlja pod presu i laganim stiskanjem krakova savija dalje do propisanog ugla (slika 107.). Ako je potrebno, može se upotrijebiti umetak odgovarajuće debljine (slika 108.). Treba napomenuti da je ovakvim postupkom teško održati propisani radijus krivine r (slika 107.). Za ocjenu sposobnosti savijanja uzima se veličina ugla α (slika 106.) do pojave pukotine, ili savitljivost K koja se određuje po obrascu: a K= 50 (155) ρ gdje je: a debljina epruvete, a ρ - poluprečnik krivine neutralne ose epruvete. Slika 108. Ispitivanje savijanjem sa umetkom [6] U standardima za pojedine proizvode propisane su vrijednosti ugla α, savitljivosti K, kao i izgled pregibnih površina. Ispitivanje savijanjem limova i traka od lakih metala i njihovih legura (JUS C.A4.005), kao i proizvoda od bakra i bakarnih legura (JUS C.A4.205) vrši se praktično po opisanom postupku koji se primjenjuje za čelične limove Ispitivanje bakra i bakarnih legura savijanjem [14] Ispitivanje se vrši na isti način kao i ispitivanje čelika savijanjem, s tom razlikom da se za serijska ispitivanja mogu primijeniti i uređaji za savijanje oblika V-bloka. Oblik i dimenzije V-bloka za savijanje epruveta dati su na slici 109. Prostorni ugao (α ) V- bloka odgovara propisanom uglu savijanja sa dozvoljenim odstupanjem ±

170 Slika 109. Šema savijanjem [14] Slika 110. Savijanje lima [14] Ispitivanje lakih metala i njihovih legura savijanjem Ispitivanje lakih metala i njihovih legura savijanjem može se vršiti na jedan od slijedeća tri načina: Prvi način: Isto kao i ispitivanje čelika savijanjem. Drugi način: Kraj epruvete, širine 20 mm i manje, steže se između dvije paralelne ploče (od kojih je jedna zaobljena propisanim poluprečnikom zaobljenja R) i savija se rukom na stranu zaobljene ploče (vidi sliku 110.). Treći način: Ispitivanje tankog materijala se vrši ručnim savijanjem do oblika slova U i dopunskim savijanjem stegom, dok se ne postigne razmak između unutrašnjih površina krakova jednakih prečnika savijanja Ispitivanje cijevi savijanjem Ispituju se cijevi prečnika do 115 mm. Dužina uzorka je 200 mm ili 10.D. Cijev se savija dok ose krakova ne zaklope ugao od 90 o. Ako su zidovi tanki, cijev se ispuni pijeskom, parafinom ili Pb. Ne smije se pojaviti ubiranje sa unutrašnje niti pukotine sa spoljne strane (slika 111.). Ispitivanje cijevi savijanjem (cijev u punom presjeku) vrši se prema BAS EN ISO 8491/

171 Slika 111. Ispitivanje cijevi savijanjem [10] 4.2. Ispitivanje naizmjeničnim previjanjem Ispitivanje limova naizmjeničnim previjanjem Limovi i trake nazivne debljine ispod 3 mm ispituju se naizmjeničnim previjanjem (HRN C.A4.020 i JUS C.A4.020). Ispitivanje se sastoji u naizmjeničnom previjanju epruvete za 90, preko valjaka određenog poluprečnika, na jednu, pa zatim na drugu stranu, u istoj ravni, do loma ili do propisanog broja previjanja. Jedno previjanje sastoji se u previjanju epruvete, u bilo kom smjeru, za ugao od 90 i njenom vraćanju u prvobitni položaj (smjer O-A-O ili O-B-O, slika 112.). Slika 112. Ispitivanje naizmjeničnim previjanjem (shematski) [6] Broj previjanja se zaokružava na 0,5, pri čemu se ne ubraja posljednja polovina previjanja u kojoj se dogodio lom. 161

172 Brzina previjanja treba da je tolika da zagrijavanje epruvete ne utiče na rezultat ispitivanja: u svakom slučaju, brzina ne smije biti veća od jednog previjanja u sekundi. Broj previjanje do preloma propisuje odgovarajući standard proizvoda. Epruveta ima oblik pravougaonika širine 15 do 20 mm. Debljina epruvete jednaka je debljini lima, odnosno debljini trake iz koje je uzeta. Površine epruvete treba da ostanu netaknute, a ivične zone, na koje je uticala hladna obrada, moraju biti odstranjene mehaničkom obradom ili turpijanjem. Slika 113. Uređaj za ispitivanje naizmjeničnim previjanjem [6] Na slici 113. prikazana je shema uređaja za ispitivanje. Osa epruvete mora biti upravna na ravan u kojoj leže ose valjaka. Ose valjaka su međusobno paralelne i upravne na ravan u kojoj se vrši previjanje. Između epruvete i svakog valjka mora da postoji zazor, ali ne veći od 0,1 mm. Čeljusti kojima se epruveta steže i valjci treba da imaju tvrdoću HV 7500 MPa. Prečnici su standardizovani i iznose 2,5, 10, 15 i 20 mm Ispitivanje žica naizmjeničnim previjanjem Žice nazivnih prečnika iznad 0,3 mm ispituju se naizmjeničnim previjanjem (HRN C.A4.018 i JUS C.A4.018), te BAS ISO 7801/99. Ispitivanje se sastoji u naizmjeničnom previjanju epruvete za 90, preko valjaka određenog poluprečnika, na jednu, pa zatim na drugu stranu u istoj ravni, 162

173 do loma ili do propisanog broja previjanja. Kao jedno previjanje računa se previjanje epruvete u bilo kom smjeru za ugao od 90 i njeno vraćanje u prvobitni položaj (smjer O-A-O ili O-B-O, slika 114.). Broj previjanja se zaokružava na cio broj, pri čemu se ne ubraja posljednje previjanje u kojem se dogodio lom. Ispitivanje je adekvatno ispitivanju limova naizmjeničnim previjanjem te je i shematski prikaz za obje vrste ispitivanja isti. Slika 114. Ispitivanje žice naizmjeničnim savijanjem (shematski) [6] Epruveta je komad žice ili jedna nit raspletenog užeta, dovoljne dužine da se može smjestiti u uređaj za ispitivanje (slika 112.); preporučljivo je da epruveta bude prava, ali može biti i savijana ako joj krivina leži u ravni u kojoj se previja pri ispitivanju. Ispravljanje epruvete, ukoliko je potrebno, treba vršiti ručno, bez bilo kakvog oruđa. Ako to nije moguće, ispravljanje treba vršiti pomoću čekića čiji je materijal mekši od materijala epruvete, tako da se sa sigurnošću izbjegnu oštećenja epruvete (drveni, bakarni ili čekić od plastičnog materijala). Shema uređaja za ispitivanje prikazana je na slici 115. i slici 116. Osa epruvete mora biti normalna na ravan u kojoj leže ose valjaka. Ose valjaka moraju biti međusobno paralelne i normalne na ravan u kojoj se vrši previjanje. Između epruvete i svakog valjka mora postojati zazor ne veći od 0,1 mm, mjereno u ravni previjanja. Slika 115. Shema uređaja za ispitivanje žice naizmjeničnim previjanjem [6] 163

174 Slika 116. Uređaj za ispitivanje žice [14] Osa obrtanja treba da je paralelna sa osama valjaka, da leži u ravni simetrije i da bude postavljena za 1 mm iznad vršnih izvodnica valjaka, mjereno u ravni simetrije. Površine valjaka i površine čeljusti moraju imati tvrdoću po Vickersu od najmanje 7500 MPa i ne smiju imati tragove plastičnog deformisanja. Radijusi krivina valjaka (R) su standardizovani i iznose:2,5; 5,0; 7,5; 10; 15 i 20 mm; no, mogu imati i druge vrijednosti ako je to u standardu materijala propisano. Odstojanje h zavisi od debljine epruvete i treba da se kreće u granicama od 25 do 50 mm za epruvete prečnika do 2,5 mm, odnosno od 50 do 75 mm za epruvete prečnika iznad 2,5 mm. Brzina kojom se vrši previjanje treba da je tolika da zagrijavanje epruvete ne utiče na rezultat ispitivanja; u svakom slučaju, brzina ne smije biti veća od jednog previjanja u sekundi. Da bi se prilikom ispitivanja osigurao dodir epruvete sa valjcima, može se upotrijebiti zatezna sila koja, međutim, ne smije prouzrokovati napon u epruveti veći od 2% zatezne čvrstoće ako je u pitanju čelik, odnosno veći od 5% zatezne čvrstoće ako se ispituju ostali metali Ispitivanje dubokim izvlačenjem Proizvodi koji se dobijaju postupkom dubokog izvlačenja, kao npr. posuđe, čahure, karoserije za automobile i dr., izrađuju se od tankih limova čija se podobnost za ovu svrhu ispituje po metodi Erichsena (Eriksen). 164

175 Prema standardu HRN C.A4.021 i JUS C.A4.021, limovi i trake debljine od 0,2 do 2,0 mm ispituju se izvlačenjem po modificiranoj Eriksonovoj metodi *. Rezultati ispitivanja dobijeni po jednoj ili drugoj metodi vrlo su bliski, ali je njihovo rasipanje manje po ovoj modificiranoj metodi. Ispitivanje se vrši na za tu svrhu konstruisanom uređaju (slika 117.), tako što se uzorak lima, stegnut između matrice i prstenastog pritezača, pomoću kuglastog utiskivača izvlači sve dok ne nastanu pukotine. Kao mjera podobnosti materijala za izvlačenje uzima se visina kalote dobijene opisanim postupkom. Konstrukcija uređaja mora biti takva da se trenutak prskanja epruvete može tačno odrediti. Izgled glavnog dijela uređaja sa mjerama i tolerancijama mjera dat je na slici 117. Slika 117. Ispitivanje lima izvlačenjem po modificiranoj metodi Eriksena [6] Matrica, prstenasti pritezač i utiskivač moraju biti dovoljno otporni da se ne deformišu pri ispitivanju; njihove radne površine moraju imati tvrdoću po Vickersu najmanje 750. Površine matrice i prstenastog pritezača, koje dolaze u dodir sa površinom epruvete, treba da su ravne, polirane, međusobno paralelne i normalne na pravac kretanja utiskivača. Radna površina utiskivača je sferična i treba takođe da bude polirana. Postupak ispitivanja: prije ispitivanja obje površine epruvete i površina utiskivača premažu se tankim slojem grafitne masti; epruveta se zatim stegne * Bosanskohercegovački standard za ovo ispitivanje ima oznaku BAS ISO 8490/

176 između matrice i prstenastog pritezača pritisnom silom od oko 10 kn; utiskivač se bez udara dovede u dodir sa epruvetom, poslije čega se utiskuje brzinom od 5 mm/min do 20 mm/min; pri završetku utiskivanja brzinu treba smanjiti prema donjoj granici da bi se trenutak početka prskanja uzorka mogao tačno odrediti. Kao početak pucanja uzorka smatra se pojava dovoljno otvorene pukotine kroz cijelu debljinu uzorka, tako da kroz cijelu pukotinu ili njen dio može da prođe svjetlost. Uopšte uzev, početak cijepanja praćen je padom sile kojom se epruveta opire, a često i primjetnim šumom. U tom trenutku utiskivanje se prekida, a zatim očita dubina prodora utiskivača (oznaka k na slici 117.) sa tačnošću od 0,1 mm. Ova dubina, izražena u mm, daje broj koji predstavlja indeks dubine izvlačenja "IE" uzorka. Dubina izvlačenja propisuje odgovarajući standard proizvoda. - Očitavanje dubine prodiranja utiskivača (k) se vrši na linearu sa tačnošću 0,01 mm i predstavlja sposobnost ispitivanog lima za izvlačenje. Dopunska ocjena je i izgled površine kalote otiska i oblik razaranja kalote lima. Pod dobrom površinom se smatra glatka površina kalote, a nepovoljna je hrapava i krupnozrna. - Utiskivanje se vrši u sredinu epruvete. U slučaju primjene limenih traka međusobno odstojanje centra mora da je min. 90 mm. - Za svaki materijal proizvođač lima garantuje dubinu izvlačenja (k), prema odgovarajućem standardu, koju daje u obliku dijagrama (slika 118.) ili u katalozima svojih proizvoda. ZADATAK: Dubina izvlačenja lima od čelika Č 0148 pri debljini lima 0,7 mm je k = 10,6 mm. Utvrditi kvalitet. Slika 118. Zavisnost tražene dubine izvlačenja i debljine lima [14] 166

177 Rješenje: Kako je vrijednost minimalne dubine izvlačenja, sa dijagrama na slici 118. manja od dobijene vrijednosti k = 10,6 mm, to je lim dobrih sposobnosti za duboko izvlačenje Ispitivanje sabijanjem Ispitivanje sabijanjem (HRN C.A4.006 i JUS C.A4.006) vrši se u cilju ispitivanja obradivosti materijala u hladnom stanju ili na temperaturi vruće prerade. Uzorak za ispitivanje ima obično okrugao presjek sa visinom h o koja je jednaka dvostrukom prečniku (h o =2d). U izuzetnim slučajevima uzorak može imati i drugi presjek (3d); u tom slučaju odnos visine h o prema dimenzijama presjeka određuje se prema dogovoru. Bočna površina uzorka po pravilu se ne obrađuje, ali može biti i obrađena. Ispitivanje se vrši tako što se uzorak sabija lakim i čestim udarcima čekića ili na presi, dok se ne dobije propisana visina, odnosno dok se na bočnoj površini (omotaču) ne pojeva pukotine. Pri ispitivanju u hladnom stanju sabijanje se, po pravilu, vrši na 1/2 prvobitne visine, a pri ispitivanju na temperaturi vruće prerade na 1/3 prvobitne visine. Rezultat ispitivanja smatra se zadovoljavajućim ako se pri navedenim ili dogovorenim uslovima ispitivanja ne pojave prskotine (slika 119.). Slika 119. Ispitivanje sabijanjem [39] 4.5. Raskivanje ili rastanjivanje metala Ovom probom se provjerava sposobnost čelika i drugih materijala da se oblikuju na toplo. Komad čelika određene debljine "a" i širine "b" se grije na temperaturi vruće obrade (oko 800 o, crveno usijanje). Za jedan kraj se drži, a drugi kraj se na određenoj dužini l raskiva (slika 120.). Može biti određen stepen raskivanja ili određene dimenzije a 1, b 1 ili l 1. a a a 1 b b % = 100 ili b 1 l l % = 100 ili l 1 % = 100 a b l 167

178 Slika 120. Proba raskivanja [29] Proba raskivanja se može izvoditi i na temperaturi C (plavo usijanje). Ako se u oba slučaja ne pojave pukotine ili risevi materijal je dobar za obradu kovanjem Ispitivanje probijanjem Vrši se na toplo. Probijanje je često povezano sa kovanjem. Na slici 121. je data skica probe i probojca. Čeona strana probojca ima prečnik 2a dok tijelo probojca ima prečnik 4a. Koničnost probojca iznosi 1:10. Pri ispitivanju probojac stvara rupu, a zatim se probija dok ne prođe cio probojac. Oko rupe ne smiju da se pojave pukotine (slika 121.). Slika 121. Shema probe i probojca [29] 4.7. Ispitivanje žice uvijanjem (torzijom) Ispitivanje žice uvijanjem (HRN C.A4.016 i JUS C.A4.016) vrši se na žicama nazivnih prečnika, odnosno debljine 0,5 mm i više. Ono se može primijeniti i na žice debljine 0,3 do 0,5 mm ako se to posebno dogovori ili ako se to u standardu materijala navede (usvojeni standard za ovo ispitivanje je BAS ISO 7800/05). 168

179 Ispitivanje se sastoji u uvijanju epruvete, uvijek u istom smjeru, oko sopstvenog ose, do loma ili do propisanog broja uvijanja, bez savijanja ili drugih naprezanja, izuzev zatezanja koje smije da iznose najviše do 2% zatezne čvrstoće za čelične epruvete, odnosno 5% zatezne čvrstoće za epruvete od ostalih metala. Jedno uvijanje odgovara obrtaju od 360. Svrha ispitivanja je da se ustanovi kako se žica ponaša pri uvijanju, odnosno da se provjeri homogenost. Obično se ispituju nove žice, ali, radi poređenja sa novim žicama iste vrste, ispituje se i korištenje žice (pohabane, sa mehaničkim oštećenjima ili korodiranom površinom). Mehanička oštećenja površine žice uslijed habanja, uvijanja i slika, kao i tragovi korozije naglo smanjuju broj uvijanja a sem toga, dovode i do neravnomjernog uvijanja; neravnomjerno uvijanje duž epruvete isto tako može biti posljedica nehomogenosti materijala, nepravilnosti procesa izrade itd. Uzorci koji se ispituju treba da su pravi, a dužina između čeljusti (slika 122.) uzima se u zavisnosti od prečnika žice, prema podacima navedenim u tabeli 20. Slika 122. Epruveta za ispitivanje uvijanjem [6] Tabela 20. Dužina između čeljusti [6] Nazivni prečnik epruvete Slobodna dužina epruvete d o l o 0,5 do d o 1 do d o od 5 i više 50 d o Ako se ispituje žica iz užeta, uzorak užeta treba brižljivo rasplesti, a zatim svaku nit koja služi za ispitivanje odvojeno ispraviti. Ispravljanje epruvete treba vršiti ručno, bez bilo kakvog oruđa. Ako to nije moguće, ispravljanje se vrši pomoću čekića čiji je materijal mekši od materijala epruvete, tako da se sa sigurnošću izbjegne oštećenje epruvete (drveni, bakarni ili čekić od plastičnog materijala). Preporučljivo je prije ispitivanja epruvetu premazati nekom vidljivom bojom u pravcu jedne izvodnice, kako bi pravilnost uvijanja bila vidljiva. Uređaj za ispitivanje treba da je tako konstruisan da se za vrijeme ispitivanja ne sprečava promjena odstojanja između čeljusti. Čeljusti treba da 169

180 leže u istoj osi, koja je ujedno i osa epruvete i osa uvijanja. Jedna od čeljusti treba da je tako konstruisana da se može obrtati oko ose epruvete, a druga ne smije biti izložena bilo kakvom uglu zaokretanja, sem ako je to potrebno radi mjerenja momenta. Broj uvijanja registruje se automatskim brojačem koji prestaje sa brojanjem čim nastane prijelom epruvete. Brzina uvijanja ne smije biti tolika da izazove zagrijavanje epruvete koje bi uticalo na rezultat ispitivanja. U svakom slučaju, brzina uvijanja epruvete ne smije da prekorači vrijednost navedene u tabeli 21. Ako se pri ispitivanju postigne propisani broj uvijanja, smatra se da je ispitivanje zadovoljilo, bez obzira na mjesto gdje se dogodio prijelom. Ako prelom nastane prije propisanog broja uvijanja, i to na udaljenosti od čeljusti koje nije veće od 2 d o ako su žice od aluminijuma ili njihovih legura, smatra se da ispitivanje nije punovažno pa ga treba ponoviti. Tabela 21. Brzina uvijanja [6] Nazivni prečnik epruvete Najveća brzina uvijanja epruvete d o mm broj uvijanja/sekundama ispod 1 3 od 1 do ispod 1,5 1,5 od 1,5 do ispod 3 1 za l od 3 do ispod 5 o = 100 d o 0,5 za l o = 50 d o 0,25 za l od 5 do ispod 7 o = 50 d o 0,25 za l o = 30 d o 0, Ispitivanje žica namotavanjem u zavojnicu Ispitivanje žica namotavanjem u zavojnicu (HRN C.A4.019 i JUS C.A4.019) sastoji se u namotavanju žice propisani broj puta oko jezgra prečnika propisanog u odnosnom standardu materijala. Ovo ispitivanje isto tako može da obuhvati i odmotavanje propisanog broja zavojaka. Epruveta je odsječeni komad žice dovoljne dužine da se može izvesti propisano ispitivanje. Uređaj za ispitivanje treba da je tako konstruisan da se epruveta može namotavati tijesno preko jezgra i sa zavojima tijesno pripijenim jedan uz drugi. Kao jezgro može da služi i komad žice koja se ispituje, pod uslovom da je propisani prečnik jezgre ravan prečniku žice. Brzina navijanja (ako je propisano odmotavanje onda i brzina odmotavanja) mora da je konstantna i ne toliko velika da izazove zagrijavanje 170

181 žice koje bi moglo da utiče na rezultat ispitivanja; u svakom slučaju, ona ne smije da bude veća od jednog zavoja u sekundi. Da bi se obezbijedilo da navoji bude tijesno priljubljeni, može se upotrijebiti zatezna sila, koja ne smije izazvati naprezanje epruvete veće od 2% njene zatezne čvrstoće ako je ona čelična, odnosno veća od 5% ako je od ostalih metala. Poslije završenog ispitivanja epruveta se podvrgava vizuelnom pregledu da bi se ustanovilo da li na površini postoje pojave cijepanja ili lokalnog kidanja materijala. Epruvete ispitane namotavanjem mogu se, ukoliko je to predviđeno odnosnim strandardom za dotičnu vrstu žice, naknadno podvrgnuti drugim vrstama ispitivanja (npr.: opterećenju epruvete u navijenom stanju određenom aksijalnom silom, ispitivanju odmotane epruvete zatezanjem itd.). Postupak ispitivanja žice namotavanjem u zavojnicu (HRN C.A4.019 i JUS C.A4.019) a) Epruveta određene dužine se namotava oko jezgra određenog prečnika ili oko sopstvenog komada žice. Namotaji treba da su gusto zbijeni jedan do drugoga. Pregleda se površina koja ne smije da pokaže tragove deformacije. Može da se propiše i ispitivanje poslije odvijanja žice sa trna. Potpuno isti uslovi su propisani i standardima: JUS C.A4.119 na žici od Al ili lakih legura i JUS C.A4.219 za žicu od bakra i njegovih legura. b) Često se primjenjuje ispitivanje žice navijanjem na toplo. Žica se namotava oko određenog trna ili jezgra u tamnocrvenom usijanju. Skine se i ponovo zagrije, a zatim se sabije. Ne smije da popuca na mjestu savijanja. (Slika 123.) Slika 123. Ispitivanje žice navijanjem na toplo [29] 4.9. Ispitivanje opruga Pri ispitivanju se određuju samo karakteristike opruga, a ne i svojstva materijala od kojeg je opruga izrađena. Uslovi ispitivanja opruge se sastoje u primjeni vrste i veličine opterećenja (na pritisak, na zatezanje, na savijanje i slika ) i mjerenja promjene drugog geometrijskog parametra, tj. hoda opruge. 171

182 Primjer: Ispitivanje zavojne opruge napregnute na pritisak (i zatezanje) Tehnika ispitivanja opruge se zasniva na njenom statičkom opterećenju na posebnim mašinama i jednovremenom mjerenju njenog skraćenja, odnosno izduženja (mogu da posluže i univerzalne mašine za ispitivanje). Za slučaj da se opterećivanje opruge vrši u području njene elastičnosti, to se za odabrane vrijednosti opterećenja dobijeni hodovi opruge mijenjaju pravolinijski, kako u slučaju opterećenja (1) tako i pri rasterećivanju opruge (2) (slika 124.) Nepodudaranje prave 1 i 2 posljedica je trenja opruge i oslonca. Karakteristika opruge prolazi između prave 1 i 2 i njen nagib prema apscisi daje konstantu opruge tzv. krutost opruge, čija se veličina određuje po obrascu: F C = f N / mm (156) gdje je: F (N) - opterećenje f (mm) - hod opruge Sila F, N Hod opruge f, mm Slika 124. Šema ispitivanja [14] Ovo ispitivanje ima za cilj da utvrdi odnos između sile i prouzrokovane elastične deformacije opruge. Vrijednost ovog odnosa zove se konstanta opruge C. F C= kod spiralnih opruga, a kod gibnjeva l F C = gdje je f oznaka za f ugib. Ako sila djeluje na istezanje mjeri se izduženje, a ako na pritisak mjeri se skraćenje. Dimenzije su N/mm a konstanta opruge pokazuje opterećenje potrebno za svaki mm deformacije opruge (slika 125.). 172

183 Slika 125. Ispitivanje opruga [29] Ispitivanje cijevi spljošnjavanjem Postupak ispitivanja čeličnih cijevi spljošnjavanjem je propisan standardom HRN C.A4.007 i JUS C.A4.007, te BAS EN 10233/00 i BAS EN ISO 8492/05. Za cijevi od aluminijuma i njihovih legura mjerodavan je standard JUS C.A4.107, a za cijevi od bakra i njegovih legura standard HRN C.A4.207 i JUS C.A Osnovnim standardima za pojedine proizvode propisuju se najveći prečnici i debljine cijevi na koje se ovo ispitivanje može primijeniti. Ispitivanje se sastoji u tome što se kraj cijevi, ili odsječeni komad cijevi epruveta propisane dužine, spljoštava upravo na produžnu osu cijevi (slika 126.). Slika 126. Ispitivanje cijevi spljoštavanjem [6] Ispitivanje se vrši dok odstojanje između ploča prese x, mjereno pod opterećenjem u pravcu spljoštavanja, ne dostigne vrijednost propisanu odnosnim standardom proizvoda (slika 126.-b). Pod potpunim spljoštavanjem podrazumijeva se ono pri kome poslije završenog ispitivanja dužina dodira unutrašnjih površina epruvete b o iznosi najmanje polovinu unutrašnje dužine epruvete, odnosno b o = 0,5 b (slika 126.-c). 173

184 Dužina epruvete (ili kraja cijevi koje se spljoštava) treba da je 1,5 puta veća od unutrašnjeg prečnika cijevi, ali ne manja od 10 mm niti veća od 100 mm. Širina ploča prese između kojih se vrši spljoštavanje treba da je u svakom slučaju veća od širine cijevi poslije spljoštavanja. Brzina pomjeranja ploča prese ograničena je na najviše 25 mm/min. Veličina spljoštavanja i interpretacija vidljivih pojava na uzorku, poslije ispitivanja, propisuju se standardom za odnosni proizvod. Obično se smatra da je ispitivanje zadovoljilo ako pri propisanoj veličini spljoštavanja ne nastanu pukotine Ispitivanje cijevi proširivanjem sa cilindričnim utiskivačem Postupak ispitivanja kod nas je bio propisan normom HRN C.A4.008 i standardom JUS C.A4.008, te standardom BAS EN 10234/00 i BAS EN ISO 8493/05. Ispitivanje se sastoji u proširivanju cijevi u hladnom stanju cilindričnim utiskivačem, čiji vrh može biti konačan ili zaobljen. Svrha ispitivanja je da se ustanovi da li pri propisanim uslovima nastaju prskotine. Epruveta je odsječeni komad cijevi sa ravnim presjecima upravnim na osu cijevi. Ivice epruvete treba da su lako zaobljene turpijom. Proširivanje se vrši tako što se, presom ili čekićem, cilindrični dio uglačanog i podmazanog utiskivača utjeruje u cijev do dubine od najmanje 30 mm (slika 127.). Prečnik cilindričnog dijela utiskivača, odnosno prošireni unutrašnji prečnik cijevi, propisuje se odnosnim standardom za dotični materijal. Slika 127. Ispitivanje proširivanjem sa koničnim utiskivačem [6] 174

185 4.12. Ispitivanje cijevi posuvraćivanjem Ovim postupkom ispituju se čelične cijevi prečnika do 150 mm i debljine zida do 9 mm (HRN C.A4.009 i JUS C.A4.009). Važeći standard je BAS EN 10235/00 i BAS EN ISO 8494/05. Ispitivanje se sastoji u tome da se na kraju cijevi, ili na kraju epruvete isječene iz cijevi, obrazuje prirubnica u ravni normalnoj na osu cijevi. Prečnik prirubnice treba pri tom da dostigne minimalnu vrijednost propisanu u odnosnom standardu proizvoda. Dužina epruvete treba da je tolika da poslije ispitivanja ostatak cilindričnog dijela ima dužinu veću od polovine prečnika cijevi. Ivice epruvete mogu biti zaobljene turpijom. Oblikovanje prirubnice počinje utjerivanjem, pod pritiskom, koničnog utiskivača (ugao konusa α = 90 ) u epruvetu; utiskivač se utjeruje dotle dok prečnik proširene cijevi ne dostigne vrijednost potrebnu za oblikovanje prirubnice propisanog prečnika (slika 128.-a). Prvi utiskivač (slika 128.-a) zamjenjuje se zatim drugim utiskivaččem (prema slika 128.-b) koji mora da ispuni slijedeće uslove: - prečnik cilindričnog dijela utiskivača mora da je za oko 1 mm manji od unutrašnjeg prečnika cijevi, tj. približno d 1 mm - ravan koncentrični dio utiskivača mora da je normalan na osu utiskivača i da ima prečnik ne manji od spoljnog prečnika propisane prirubnice, tj., najmanje D 1 = x; - radijus zaobljenja utiskivača R 1 mora biti toliki da dobijeni radijus zaobljenja prirubnice R bude manji ili jednak vrijednosti propisanoj u odnosnom standardu proizvoda. Slika 128. Ispitivanje cijevi posuvraćivanjem [16] 175

186 Oblikovanje prirubnice završava se utjerivanjem ovog drugog utiskivača pritiskom u aksijalnom pravcu u epruvetu dok se ne obrazuje prirubnica propisanog prečnika, upravna na osu epruvete. Oba utiskivača moraju biti od čelika podesne tvrdoće, polirani i dobro podmazani. Brzina prodiranja utiskivača ograničena je na najviše 50 mm/min. Izgled epruvete poslije ispitivanja ocjenjuje se prema uslovima postavljenim u odnosnom standardu proizvoda Ispitivanje cijevi proširivanjem koničnim utiskivačem Ispitivanja čeličnih cijevi proširivanjem koničnim utiskivačem vrši se na cijevima prečnika do 150 mm i debljine zida do 9 mm (HRN C.A4.010 i JUS C.A4.010). Ovo ispitivanje se vrši prema BAS EN ISO 8493/05. Ispitivanje se sastoji u proširivanju kraja cijevi ili kraja epruvete pomoću koničnog utiskivača (slika 129.). najveći prečnik ovako proširene cijevi treba pri tome da dostigne vrijednost propisanu u odnosnom standardu proizvoda. Slika 129. Ispitivanje cijevi proširivanjem koničnim utiskivačem [16] Epruveta je komad cijevi čija dužina treba da bude dvostruko veća od spoljnog prečnika cijevi D ako je ugao utiskivača α = 30, odnosno treba da bude 1,5 puta veća od prečnika ako je ugao utiskivača 45, 60 ili 120 ; u svakom slučaju, dužina epruvete ne smije biti manja od 50 mm. U slučaju da navedeni uglovi nisu podneseni, može se upotrebiti nagib 1:10 ili 1:20. Ispitivanje se može izvršiti i na jednom od krajeva same cijevi, bez isijecanja epruvete. Kraj epruvete, odnosno kraj cijevi koji se ispituje, mora biti odsječen normalno na podužnu osu cijevi. Ivice epruvete mogu biti blago zaobljene turpijom. 176

187 Utiskivač treba da je od čelika odgovarajuće tvrdoće, da bude poliran i podmazan. Konus utiskivača treba da je pod uglom koji je propisan odnosnim standardom proizvoda. Utiskivač se pod pritiskom utjeruje u epruvetu sve dok spoljni prečnik kraja x ne dostigne propisanu vrijednost. Brzina prodiranja utiskivača ograničena je na najviše 50 mm/min. Izgled epruvete poslije ispitivanja ocjenjuje se prema uslovima postavljenim u standardu odnosnog proizvoda. Obično se smatra da je ispitivanje zadovoljilo ako na proširenom dijelu epruvete, odnosno cijevi ne nastanu vidljive prskotine. Epruveta za ovo ispitivanje ima dimenzije zavisne od vrste materijala (tabela 22.), a ivice blago zaobljene turpijom. Pri ispitivanju utiskivač mora prethodno biti podmazan i ne smije se obrtati, kao ni epruveta. Tabela 22. Dimenzije epruveta [14] Dimenzije epruvete (mm) Vrsta cijevi δ D L α D Čelične cijevi < 9 < 150 Cijevi od bakra i bakrenih legura Cijevi od lakih metala i njihovih legura 2D ,5 D Brzine prodiranja mm/min < 50 - < 100 2D 3D 45 < 25 < 10 < 100 2D prema standardu proizvoda < Ispitivanje cijevi gnječenjem Ispitivanje se sastoji u gnječenju epruvete pritiskivanjem u pravcu ose, u hladnom stanju (HRN C.A4.011 i JUS C.A4.011). Svrha ovog ispitivanja je da se ustanovi da li pri navedenim uslovima nastaju pukotine. Epruveta je odsječeni komad cijevi sa presjecima ravnim i normalnim na osu cijevi. Dužina epruvete propisuje se standardom za dotični materijal (slika 130.). Gnječenje se vrši na sobnoj temperaturi, pritiskivanjem epruvete presom između dvije ravne i paralelne ploče, dok se dužina epruvete ne smanji na vrijednost propisanu za dotični materijal u odnosnom standardu. 177

188 Brzina gnječenja treba da se kreće u granicama od 5 do 20 mm u minuti. Slika 130. Epruveta za ispitivanje gnječenjem [14] Ispitivanje cijevi unutrašnjim hidrauličnim pritiskom Ispitivanjem se provjerava nepropustivost cijevi svih dimenzija i kvaliteta pod dejstvom unutrašnjeg hidrauličnog pritiska (slika 131.). Pri ispitivanju se ne smiju pojaviti razaranja ili trajne deformacije. Slika 131. Šema ispitivanja [14] Pritisak ispitivanja u instalaciji određen je u odgovarajućim standardom za proizvod ili se određuje na osnovu izraza: 200 c δ R eh p = MPa (157) d gdje je: c konstanta, kreće se prema dogovoru 0,5 0,9 R eh napon tečenja u MPa δ - debljina zida cijevi u mm d spoljni prečnik cijevi u mm. Pri ispitivanju moraju se zadovoljiti slijedeći uslovi: - Vrijeme držanja pod pritiskom uobičajeno je 10 s, ako se drugačije ne dogovori. - Kao medijum za prenošenje pritiska koristi se hladna voda. - U instalaciji ne smije biti vazduha. - Porast pritiska mora biti ravnomjeran. - Preporučuje se lagano kucanje čekićem (mase 0,5 kg) duž ispitivane cijevi.. 178

189 4.16. Ispitivanje cijevi proširivanjem prstena Ovim ispitivanjem se vrši makroskopska provjera unutrašnjih i spoljnih grešaka na čeličnim cijevima svih dimenzija, odnosno provjera strukture preloma i sposobnosti za plastičnu deformaciju. Za ispitivanje se isjeca prstenasta epruveta dužine 10 mm (za debljine δ>10 mm, L = δ), koja se proširuje do loma koničnim utiskivačem sa uglom konusa 1:5 do 1:10 (slika 132.). Način i uslovi ispitivanja su isti kao i kod ispitivanja proširivanjem koničnim utiskivačem. Slika 132. Ispitivanje čeličnih cijevi proširivanjem prstena [29] Svrha ovog ispitivanja je da se ustanovi eventualno postojanje unutrašnjih i spoljnih grešaka u materijalu cijevi, npr. dvoplatnosti, prevaljenosti, školjki, pukotina i brazdi, kao i da se procijeni struktura prijeloma. Takođe se na osnovu ovog ispitivanja može izvesti zaključak o sposobnosti cijevi da se plastično deformišu. Prema normi HRN C.A4.022 i standardu JUS C.A4.022, ovim postupkom ispituju se cijevi prečnika 18 mm do 152,4 mm, i debljine zida iznad 2 mm. Epruveta ima oblik prsten dužine 10 mm ako se ispituju cijevi debljine zida do 10 mm. Ako se ispituju cijevi debljine zida iznad 10 mm, dužina epruvete treba da je jednaka debljini zida cijevi. Epruveta se odsijeca od kraja cijevi, po pravilu, od komada cijevi proizvodne (valjaoničke) dužine, i to tako da površine presjeka na krajevima epruvete budu među sobom paralelne i upravne na podužnu osu cijevi. Ivice epruvete moraju biti lako zaobljene odgovarajućim podesnim alatom. Utiskivač ima oblik konusa 1:5, izrađuje se od čelika podesne tvrdoće i treba da je dobro poliran. Prije ispitivanja, dodirne površine epruvete i utiskivača treba dobro podmazati. Utiskivač se pod pritiskom i bez trzaja utiskuje u epruvetu proširujući je do loma. Brzina utiskivanja utiskivača ograničena je na najviše 30 mm/sec. 179

190 Poslije ispitivanja epruveta se pregleda golim okom, a ocjena rezultata ispitivanja donosi se prema uslovima postavljenim u standardu proizvoda Ispitivanje čeličnih cijevi razvlačenjem prstena Čelične cijevi spoljnog prečnika iznad 152,4 mm i debljine zida do 40 mm ispituju se razvlačenjem prstena prema normi HRN C.A4.023 i standardu JUS C.A Svrha ispitivanja je da se ustanovi eventualno postojanje unutrašnjih i spoljnih grešaka u materijalu cijevi, npr. dvoplatnosti, prevaljanosti, pukotina, brazdi i dr., kao i da se procijeni struktura preloma. Ispitivanje se vrši tako što se epruveta, oblika prstena isječenog sa jednog kraja cijevi, podvrgava zatezanju do loma pomoću dva svornjaka (slika 133.). Slika 133. Ispitivanje čeličnih cijevi razvlačenjem [29] Dužina epruvete iznosi 10 do 15 mm. Ako se ispituju cijevi debljine zida iznad 15 mm, dužina epruvete može biti jednaka debljini zida cijevi. Epruveta se odsijeca od kraja cijevi, po pravilu, od komada cijevi proizvodne (valjaoničke) dužine, i to tako da površine presjeka na krajevima epruvete budu među sobom paralelne i upravne na podužnu osu cijevi. Ivice epruvete moraju biti lako zaobljene odgovarajućim podesnim alatom. Svornjaci, potrebni za ispitivanje po ovom postupku, treba da imaju prečnik najmanje trostruko veći od debljine zida cijevi koja se ispituje. Prije ispitivanja, u cilju ubrzanja postupka, epruveta se može u presi spljoštiti na ovalni oblik. Zatim se u mašini za ispitivanje zatezanjem epruveta zateže i razvlači do loma, preko svornjaka umetnutih u epruvetu i poprečno postavljenih na pravac zatezanja. Brzina razvlačenja ograničena je na najviše 5 mm/sec. Poslije ispitivanja epruveta se pregleda golim okom, a ocjena ispitivanja donosi se prema uslovima postavljenim u odnosnom standardu proizvoda. 180

191 4.18. Ispitivanje čeličnih užadi Čelična užad odlikuje se relativno malom težinom po dužnom metru, velikom nosivošću i gipkošću; omogućavaju rad sa velikim brzinama jer rade mirno i bešumno; kod preopterećenja ili istrošenosti prekidi ne nastaju naglo već postepeno. Zahvaljujući navedenim svojstvima čelična užad su našla primjenu u mnogim granama industrije; u rudarstvu, brodogradnji, građevinarstvu, mašinogradnji, elektroprivredi, industriji nafte, poljoprivredi itd. U zavisnosti od namjene i uslova rada, užad su izložena različitim statičkim i dinamičkim opterećenjima, habanju i dejstvu korozije. Njihov vijek trajanja je, prema tome, funkcija brojnih faktora koji se ponekad ne mogu predvidjeti. Kako se vijekom trajanja užadi u uskoj vezi stoji sigurnost pri radu, koja se često odnosi na ljudske živote, jasno je da se izboru i ispitivanju užadi mora posvetiti puna pažnja. Na kvalitet čeličnih užadi utiče, prije svega vrsta upotrijebljenog čelika, odnosno postupak njegovog dobijanja, zatim mehaničko-tehnološka svojstva žice, način pletenja, odnosno vrsta konstrukcije, kvaliteta uložaka i maziva. Za postizanje i utvrđivanje kvaliteta užadi potrebno je izvršiti niz hemijskih, metalografskih, mehaničkih i tehnoloških ispitivanja. Neka od ovih ispitivanja propisana su nacionalnim standardima pojedinih zemalja ili, pak, propisima brodarskih klasifikacionih društava i krupnih potrošačkih organizacija i ustanova i vrše se kako u toku fabrikacije, tako i na gotovim užadima. Svi ovi standardi i propisi uglavnom se odnose na ispitivanje nosivosti, odnosno zatezne čvrstoće pojedinih žica, ispitivanje nekih tehnoloških svojstava žice (previjanje, uvijanje) i ispitivanje zaštitnih prevlaka na žicama. Na osnovu rezultata ovih ispitivanja može se samo djelimično ili posredno utvrditi kvaliteta užeta, odnosno mehaničko-tehnološka svojstva užeta kao cjeline. Ispitivanja cijelih užadi, pri uslovima jednakim onim u eksploataciji, tj. uključujući, često istovremeno, statička i dinamička zatezna, savojna, torziona i pritisna naprezanja, habanje i dejstvo korozije, dala bi, svakako, potpuniju sliku o kvalitetu pojedinih vrsta užadi. Ovakva ispitivanja iziskuju mnogo vremena i skupu opremu, te se gotovo i ne vrše. Istina, ponekad se vrše ispitivanja na užadima koja su bila u eksploataciji, no to su, uglavnom, ranije pomenuta standardna ispitivanja, koja imaju za cilj da se, iz poređenja sa rezultatima dobijenih na istim užadima prije upotrebe, dobije slika o uticaju eksploatacionih uslova na kvalitet užeta, odnosno na njegovu nosivost. Kao kriteriju za klasifikaciju užadi služe, uglavnom karakteristike koje se iznalaze pomenutim, standardnim postupcima ispitivanja. Nosivost užeta može se ustanoviti ispitivanjem uzorka užeta kao cjeline (stvarna nosivost) ili ispitivanjem pojedinačnih žica (izračunata nosivost). Razumljivo je da će se za nosivost užeta izračunatu sabiranjem nosivosti svih pojedinačnih žica dobiti veća vrijednost nego pri ispitivanju nosivosti užeta kao 181

192 cjeline. Ukoliko su žice u užetu ravnomjernije napregnute, utoliko će ova razlika biti manja, pa će, prema tome, ona zavisiti kako od konstrukcije užeta, tako i od postupka ispitivanja užeta kao cjeline. U praksi se primjenjuju oba postupka, bilo da propisi za pojedine vrste užadi zahtijevaju jedan ili drugi postupak, bilo da to diktiraju tehničke mogućnosti. Prema njemačkom standardu DIN 6890, izračunata nosivost može biti za 5% manja od računske nosivosti (računska nosivost jednaka je proizvodu nazivne zatezne čvrstoće i površine poprečnog presjeka svih nosećih žica u užetu). Prema istom standardu, stvarna nosivost kod užeta sa 6 strukova, sa brojem žica do 222, kod običnog uzdužnog ili unakrsnog pletenja, može biti manje od računske nosivosti užeta za najviše 20%, a kod užadi sa 6 strukova sa preko 222 žice i kod svih konstrukcija sa linijskim dodirom živa za najviše 25%, pod uslovom da je zatezna čvrstoća žica manja od 1800 MPa. Uticaj konstrukcije na pomenutu razliku mogao bi se ustanoviti ako se postupkom ispitivanja nosivosti užeta kao cjeline obezbjedi potpuno ravnomjerno naprezanje svih žica u užetu. Uticaj postupka ispitivanja na pomenutu razliku može se ustanoviti ako se isto uže paralelno ispituje sa različitim postupcima pripreme užeta za ispitivanje u cjelini. Pri ispitivanju nosivosti uzorka užeta kao cjeline, krajeve uzorka treba ukliještiti u čeljust mašine za ispitivanje zatezanjem tako, da sve žice u užetu budu što ravnomjernije napregnute. Uklještanjem se može izvesti na više načina; na primjer: a) zalivanjem raspletnih krajeva uzoraka užeta nekom lako topljivom legurom. Za ovu svrhu najčešće se koristi legura olovo (87%) - antimon (13%). Bolje ali skuplje legure su: olovo (79%) - kalij (12%) - antimon (9%) ili olovo (25%) - kalaj (25%) - bizmut (50%). Tačka topljenja ove posljednje je oko 90 C. Krajevi uzorka užeta treba prethodno rasplesti, dobro odmastiti, svaku žicu pojedinačno posuvratiti (slika 134.), zatim pobakarisati pa pokalajisati. Ovako pripremljen kraj uzorka stavi se u kalup podesnog oblika i zalije rastopljenom legurom. Izgled uzorka pripremljenog za ispitivanje prikazan je na slici 135.). Slika 134. Uzorak užeta sa raspletenim krajevima [6] 182

193 Slika 135. Uzorak užeta sa zalivenim krajevima [6] Pri nejednakoj brzini hlađenja, odnosno očvršćavanja legure za zalijevanje, biće nejednaka raspodjela napona na pojedinačne žice prilikom ispitivanja. Razumljivo je da će u takvom slučaju maksimalna sila zatezanja biti manja od stvarne nosivosti užeta. Isto tako, više temperature legure za zalivanje mogu biti od uticaja na maksimalnu silu zatezanja b) zalivanjem krajeva uzorka užeta na hladno. Krajevi uzorka užeta se pripreme kao u prethodnom slučaju, pri čemu nije potrebno bakarisanje. Pripremljen kraj uzorka stavi se u kalup i zalije aralditom u tečnom stanju. Potrebno vrijeme za očvršćavanje zavisiće od sastava araldita, kao i od temperature sredine. Na sobnoj temperaturi očvršćavanje se uglavnom završi za 24 časa, a grijanjem u sušilici za 2-5 časova, u zavisnosti od visine temperature. Krajevi uzorka užeta mogu se, umjesto rasplitanja, stepenasto zasjeći, kao na slici 136. Pošto se izvrši odmašćivanje, na stepenasto zasječene krajeve navuku se čahure od aluminijuma, ili mekog čelika, pa se zatim izvrši nalivanje. Unutrašnji prečnik čahura treba da je 5-10 mm veći od prečnika užeta. Pri ispitivanju užadi većeg prečnika preporučljivo je tečan araldit izmiješati sa čistim kvarcnim pijeskom. Zalivanje aralditom otklanja uticaj zagrijavanja, ali ne i mogućnost nejednake raspodjele napona uslijed različite brzine stvrdnjavanja pojedinih dijelova nalivene mase. Slika 136. Priprema uzorka užeta za zalivanje krajeva aralditom [6] c) presovanjem krajeva uzorka užeta u aluminijskim čahurama. Na prethodno odmašćene krajeva uzorka užeta navuku se čahure od mekog aluminijuma. Krajevi se zatim u podesnom kalupu izlože bočnom pritisku od nekoliko stotina ili hiljada kilonjutni, što zavisi od dimenzija 183