KERAMIKA, BETON I DRVO

Transcript

1 KERAMIKA, BETON I DRVO Vježba 2. Keramografija 1 prof. dr. sc. Lidija Ćurković prof. dr. sc. Vera Rede dr. sc. Marijana Majić Renjo

2 Početak Tijek priprave uzorka za keramografiju 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 2

3 Tvrdoća keramike Utjecaj opterećenja na tvrdoću (engl. indentation size effect ISE): - Normalan utjecaj opterećenja na tvrdoću: vrijednost tvrdoće smanjuje se porastom opterećenja većina materijala - Obrnuti utjecaj opterećenja na tvrdoću (engl. reverse indentation size effect RISE): vrijednost tvrdoće povećava se porastom opterećenja neke legure Meyerov zakon: =Kd n - primijenjena sila, N - K koeficijent ovisan o materijalu, N mm -2 - d srednja vrijednost dijagonala, mm - n Meyerov indeks. - Za Meyerov indeks n 2 (n<2 ili n>2) tvrdoća ovisi o primijenjenom opterećenju. Analogno, za n=2 primijenjeno opterećenje nema utjecaja na izmjerenu tvrdoću. Za keramičke materijale vrijednosti n kreću se u rasponu od 1,5 do 2,0. Shematski prikaz utjecaja opterećenja na tvrdoću 3

4 indentor (pravilna četverostrana piramida) uzorak otisak Shematski prikaz mjerenja tvrdoće Vickersovom metodom 4

5 Metoda po Vickersu Metoda po Knoopu Shematski prikaz Vickersovog penetratora i otiska Shematski prikaz Knoopovog penetratora i otiska primijenjena sila, N d srednja vrijednost dviju izmjerenih dijagonala otiska, mm α= 0,1891 za Vickersov penetrator. primijenjena sila, N d dulja dijagonala otiska, mm α = 1,451 za Knoopov penetrator. 5

6 Prikaz anomalija otisaka - Vickersova metoda Knoop Vickers Prikaz usporedbe otisaka penetratora kod Vickersove i Knoopove metode 6

7 Lomna žilavost keramike Lomna žilavost (engl. fracture toughness): - pokazatelj naprezanja potrebnog za propagaciju postojeće nesavršenosti, - važan parametar u predviđanju ponašanja strukturnih materijala u eksploataciji, - obično se koristi za definiranje otpornost na lom za krhke materijale - Razlikujemo sljedeće načine loma: I II III odcjepni način smicanje poprečno smicanje aktor intenzivnosti naprezanja (engl. stress intensity factor) predstavlja veličinu naprezanja oko vrha pukotine. Vrijednost se utvrđuje analizom pukotina koje se javljaju uslijed djelovanja opterećenja, pri čemu za prvi način otvaranja pukotine vrijedi: Gdje je K I faktor intenzivnosti naprezanja na vrhu pukotine, MN m -3/2, naprezanje, N mm -2, Y bezdimenzijska konstanta, ovisna o geometriji uzorka i vrsti pukotine, a polovica ukupne duljine pukotine, m. 7

8 Lomna žilavost keramike K Ic - kritični faktor intenzivnosti naprezanja (engl. critical stress intensity factor), odn. lomna žilavost (engl. fracture toughness) - vrijednost K I pri kojoj dolazi do kolapsa konstrukcije - postoji nekoliko normiranih eksperimentalnih metoda za određivanje lomne žilavosti - promatranje propagacije pukotine definirane geometrije - investicijski troškovi relativno visoki, a priprava keramičkih uzoraka komplicirana indirektna metoda - metoda utiskivanja (engl. indentation technique) - širenje pukotina iz vrhova otiska prilikom mjerenja tvrdoće - prikladno za određivanje lomne žilavosti keramičkih materijala, biomaterijala, bioloških tkiva i sl. 8

9 d c Otisak dijamantne piramide nakon mjerenja tvrdoće metodom HV5 (SiC keramika) Otisak dijamantne piramide nakon mjerenja tvrdoće metodom HK5 (SiC keramika) Veza između duljine pukotina i lomne žilavosti krhkih materijala?? - Razvijeni brojni empirijski i semi-empirijski matematički modeli - Definirano više vrsta pukotina najčešće se pojavljuju Palmqvistove (radijalne) i medijan (medijalne) pukotine. - Palmqvistove pukotine su pliće i površinske. Obično se javljaju pri nižim opterećenjima. - Medijan pukotine formiraju se pri višim opterećenjima te propagiraju duboko ispod površine iz Vickersovog otiska. 9

10 Palmqvist i medijan sustav pukotina razvijenih iz Vickersovog otiska 10

11 Palmqvist pukotina c/a < 2.5 Medijan pukotina c/a > 2.5 Palmqvist i medijan sustav pukotina razvijenih iz Vickersovog otiska, prije i poslije poliranja. 11

12 Tablica 1. Modeli za određivanje lomne žilavosti metodom utiskivanja Casellas autori Palmqvist Shetty et al. Niihara et al. Anstis Evans i Charles Tanaka Niihara et al. K Ic = 0,024 jednadžba c 1,5 E HV K Ic = 0,0028 HV 0,5 T K Ic = 0,0319 K Ic = 0,0089 E HV 0,5 0,5 vrsta pukotine (1) Palmqvist (2) Palmqvist a l 0,5 (3) Palmqvist 0,4 za 0,25 < l/a < 2,5 K Ic = 0,016 c 1,5 E HV a l 0,5 0,5 (4) Palmqvist (5) medijan K Ic = 0,0752 (6) medijan c 1,5 K Ic = 0,0725 K Ic = 0,0309 E HV Lankford K Ic = 0,0782 HV a 0,5 c 1,5 (7) medijan 0,4 E HV c 1,5 (8) medijan 0,4 c a 1,56 (9) obje vrste 12

13 Tablica 2 Značenje simbola iz tablice 1 oznaka mjerna jedinica značenje N primijenjeno opterećenje pri određivanju tvrdoće po Vickersu c m duljina pukotine od centra otiska do vrha pukotine l m duljina pukotine (od vrha otiska do vrha pukotine) T m ukupna duljina pukotina: T=l 1 +l 2 +l 3 +l 4 E GPa modul elastičnosti HV GPa tvrdoća po Vickersu a m polovica dijagonale otiska Vickersovog indentora d 2 13

14 Metoda po Anstisu: K IC E 0,016 H K Ic lomna žilavost, MPa m 1/2, sila utiskivanja, N, c duljina pukotine od središta otiska do vrha pukotine, m, E Youngov modul, GPa, H tvrdoća po Vickersu, GPa (H=0, HV) c 3 Metoda po Casellasu: K IC 0,024 E H c 3 E (SiC) = 400 GPa E (Al 2 O 3 ) = 300 GPa 14

15 Zadatak: 1. Odredite: (a) tvrdoću SiC keramike metodom po Vickersu i Knoopu pri sljedećim opterećenjima: HV0,5; HV1; HV3; HV5 i HV10 HK0,5; HK1; HK3, HK5 i HK10 (b) Meyerov indeks n 2. Odredite lomnu žilavost (K Ic ) SiC keramike na temelju mjerenja duljine pukotina koje nastaju iz vrhova otisaka kada se dijamantna piramida utiskuje na ispoliranu površinu uzorka silicij karbida. Za određivanje lomne žilavosti (K Ic ) koristiti model po Anstisu i Casellasu. 15