KERAMIKA BETON I DRVO Podloge za vježbe

Transcript

1 FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE SVEUČILIŠTE U ZAGREBU Zavod za materijale KERAMIKA BETON I DRVO Podloge za vježbe prof. dr. sc. Lidija Ćurković izv. prof. dr. sc. Vera Rede Marijana Majić Renjo, mag. ing. mech. Student: Ak. god /2016.

2 Vježba 1. Ionske i kovalentne strukture Kod keramičkih materijala susrećemo dvije vrste kristala na osnovi primarnih (međuatomskih, kemijskih) veza: 1. IONSKI KRISTALI 2. KOVALENTNI KRISTALI UDIO IONSKOG KARAKTERA VEZE, % = {1-exp[-0,25(XA-XB) 2 ] }100 X A = elektronegativnost elementa A X B = elektronegativnost elementa B IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između većih aniona. Koordinacijski broj (KB) i vrsta praznine (koordinacijski poliedar) koji kationi popunjavaju ovisi o omjeru r (kationa)/r (aniona). r (K + )/r (A - ) KB vrsta praznine koju kationi popunjavaju koordinacijski poliedar < 0,155 2 linearni raspored 0,155 0,225 3 trigonalna praznina 0,225 0,414 4 tetraedarska praznina 0,414 0,732 6 oktaedarska praznina 0,732 1,000 8 kubična praznina > 1, kuboktaedarska praznina Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 1

3 ZA STABILNU KOORDINACIJU KATIONI I ANIONI MORAJU BITI U KONTAKTU! ANION KATION r (K + )/r (A - ) stabilno r (K + )/r (A - ) stabilno r (K + )/r (A - ) nestabilno ANION KATION MAKSIMALNI RADIJUS KATIONA? MINIMALNI RADIJUS KATIONA? Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 2

4 Zadatak 1. Izračunajte minimalni omjer radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 6 ili maksimalni omjer radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 4. Primjer: struktura NaCl. ANION KATION Zadatak 2. Izračunajte minimalni omjer radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 8 ili maksimalni omjer radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 6. Primjer: struktura CsCl. ANION KATION Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 3

5 Zadatak 3. Izračunajte teorijsku gustoću NaCl na temelju njegove kristalne strukture. M (Na) = 22,99 g/mol, M (Cl) = 35,45 g/mol, N A = 6, iona/mol r (Na + ) = 0,102 nm, r (Cl - ) = 0,181 nm Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 4

6 Vježba 2. Keramografija 1 Početak Rezanje uzorka Ulijevanje uzorka Brušenje Poliranje Ne Nagrizanje? Da Nagrizanje (najčešće): - toplinsko - kemijsko Uzorak nagrižen? Ne Da Uzorak previše nagrižen? Da Mjerenje: - poroznost - mikrotvrdoća - sekundarna faza Završetak Ne Mjerenje: - veličina zrna - oblik zrna Slika 1. Tijek priprave uzorka za keramografiju. Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 5

7 Određivanje poroznosti Zadatak 1. Na slici 2 prikazana je površina keramografskog uzorka aluminijeve oksidne keramike (99,8 %-tna -Al 2 O 3 ) u različitim stadijima pripreme. Na slici 3 vidi se mikrostruktura istog uzorka nakon zadnjeg stupnja poliranja. Potrebno je izmjeriti volumni udio pora u uzorku. Mjerenje obaviti metodom s točkama i linijskom metodom. (a) (b) (c) (d) Slika 2. Stanje površine 99,8 %-tne aluminijeve oksidne keramike: (a) nakon poliranja 15 m dijamantnom pastom; (b) nakon poliranja 6 m dijamantnom pastom; (c) nakon poliranja 3 m dijamantnom pastom i (d) nakon poliranja 1 m dijamantnom pastom. Slika 3. Mikrostruktura aluminijeve oksidne keramike u poliranom stanju. Rezultati mjerenja volumnog udjela pora Metoda: 1. mjerenje 2. mjerenje 3. mjerenje Srednja vrijednost Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 6

8 Određivanja tvrdoće metodom po Vickersu i Knoopu Slika 4. Shematski prikaz Vickersovog penetratora i otiska. Slika 5. Shematski prikaz Knoopovog penetratora i otiska. d 1 d d 2 c c Slika 6. Otisak dijamantne piramide nakon mjerenja metodom HV5 (SiC keramika). Slika 7. Otisak dijamantne piramide nakon mjerenja metodom HK5 (SiC keramika). HV F 2 d F primijenjena sila, N d srednja vrijednost dviju izmjerenih dijagonala otiska, mm α = 0,1891 (za Vickersov penetrator) c duljina pukotine od centra otiska do vrha pukotine, m* F HK 2 d F primijenjena sila, N d dulja dijagonala otiska, mm α = 1,451 (za Knoopov penetrator) c duljina pukotine od centra otiska do vrha pukotine, m* * Paziti! Duljina pukotine izražava se u metrima! Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 7

9 Zadatak 2. Na poliranoj površini uzorka SiC keramike odredite: (a) tvrdoću metodom po Vickersu (HV) i Knoopu (HK), pri sljedećim opterećenjima: 4,9 N, 9,81 N, 29,42 N, 49,03 N i 98,07 N. (b) u dijagramu na slici 8 prikazati dobivene rezultate (ovisnost tvrdoće o opterećenju). Rezultati mjerenja tvrdoće Opterećenje: Metoda: Broj mjerenja d 1, m d 2, m d, m Tvrdoća: Srednja vrijednost Minimalna vrijednost Maksimalna vrijednost Srednje vrijednosti mjerenja tvrdoće za sva opterećenja: Opterećenje HV Opterećenje HK 4,90 4,90 9,81 9,81 29,42 29,42 49,03 49,03 98,07 98,07 Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 8

10 Tvrdoća, HV, HK Keramika, beton i drvo (ak. god /2016.) Opterećenje (F), N Slika 8. Ovisnost tvrdoće o opterećenju Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 9

11 Određivanje lomne žilavosti metodom po Anstisu Metoda po Anstisu: K Ic lomna žilavost, F opterećenje, N, MPa m c duljina pukotine od centra otiska do vrha pukotine, m, E Youngov modul, GPa (za SiC E = 400 GPa), H tvrdoća po Vickersu, GPa ( H 0, HV ). Zadatak 3. Odredite lomnu žilavost SiC keramike (K Ic ), na temelju duljine pukotina koje nastaju iz vrhova otisaka kada se dijamantna piramida utiskuje na poliranu površinu uzorka, (nakon mjerenja tvrdoće po Vickersu, HV5), slika 6. Za određivanje lomne žilavosti (K Ic ) koristiti model po Anstisu. Broj mjerenja c 1, m c 2, m c, m Srednja vrijednost Lomna žilavost K Ic : Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 10

12 Vježba 3. Keramografija 2 Zadatak 1. Procijenite srednju veličinu zrna keramike prikazane na slici 1: a) metodom s crtom, b) metodom s krugom i c) metodom usporedbe. Usporedite dobivene vrijednosti veličine zrna metodom a), b) i c). 20 m Slika 1. Mikrostruktura -Al 2 O 3 keramike nakon toplinskog nagrizanja 20 min pri temperaturi od 1500 o C. Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 11

13 Zadatak 2. Odredite faktor oblika zrna (omjer širine i duljine zrna) mikrostrukture prikazane na slici 2. Slika 2. Mikrostruktura 96 %-tne Al 2 O 3 keramike (uz dodatak MnO 2 ) nakon toplinskog nagrizanja 3 min pri temperaturi od 1500 o C. Zadatak 3. Odredite okruglost zrna mikrostrukture prikazane na slici 2. Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 12

14 Vježba 4. Analiza vrijednosti savojne čvrstoće keramike Weibullovom razdiobom Weibull je razvio teoriju zasnovanu na konceptu otkazivanja funkcije najslabijeg člana, pomoću koje se može vrlo dobro objasniti rasipanje čvrstoće keramičkih materijala. Pri tome je važan preduvjet da je otkazivanje funkcije određeno jednim jedinim tipom pogreške (nehomogenost strukture). Weibull izabire poseban oblik razdiobe ekstremnih vrijednosti za opisivanje ponašanja čvrstoće, koja se kasnije prema njemu nazvala Weibullova razdioba. Nakon poznavanja parametara razdiobe dobiva se jednoznačna veza između opterećenja i vjerojatnosti loma. Weibullov modul (m) mjera je za rasipanje čvrstoće. Što je Weibullov modul veći, materijal je homogeniji (pogreške su raspodijeljene po cijelom volumen vrlo ravnomjerno), a time je i krivulja razdiobe rasipanja uža. Uobičajene vrijednosti Weibullova modula (m) su u rasponu 10 < m < 20. Ova vrijednost se kod keramičkih materijala određuje savojnim ispitivanjem u četiri točke, jer su vlačna ispitivanja na ispitnim tijelima od ovih materijala skupa. Jedino se razdioba čvrstoće keramike može opisati na razne načine. Jedna od danas najčešće korištenih razdioba je Weibullova razdioba. Ova dvoparametarska poluempirijska razdioba je dana izrazom: m-1 m f (x) = m (x) exp (-x ) (1) gdje je f(x) učestalost razdiobe slučajne varijable x, a m je faktor oblika, obično se odnosi na Weibullov modul. Kada je jednadžba 1 nacrtana kao na slici 1., širina i oblik krivulje ovise o m što je m veći, razdioba je uža (krivulja je uža). Slika 1. Utjecaj vrijednosti m na oblik Weibullove razdiobe Zadatak 1. Izmjerene vrijednosti savojne čvrstoće za 10 jednakih uzoraka keramike su: 400, 387, 340, 365, 325, 420, 300, 345, 410 i 355 MPa. a) Odredite m i 0 za ovaj materijal. b) Izračunajte orijentacijsko naprezanje koje će materijal izdržati sa sigurnošću od 0,999. Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb Zavod za materijale 13