SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VJEŽBE Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013.
Sadržaj VJEŽBA br. 1 - VRSTE I SVOJSTVA TEHNIČKIH MATERIJALA... 3 VJEŽBA br. 2 - KRIVULJA GRIJANJA I HLAĐENJA ČISTOG METALA... 9 VJEŽBA br. 3 - ALOTROPSKE MODIFIKACIJE / TOPLINSKA VODLJIVOST MATERIJALA... 15 VJEŽBA br. 4 - KRIVULJE GRIJANJA I HLAĐENJA LEGURA... 20 VJEŽBA br. 5 - METALOGRAFIJA... 24 VJEŽBA br. 6 - EUTEKTIČKI DIJAGRAMI SLIJEVANJA... 29 VJEŽBA br. 7 - EUTEKTIČKI DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I POTPUNE NERASTVORIVOSTI U KRUTNINI / DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I KRUTNINI... 36 VJEŽBA br. 8 - PERITEKTIČKI DIJAGRAM SLIJEVANJA... 42 VJEŽBA br. 9 - STABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe C... 46 VJEŽBA br.10 - METASTABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe Fe 3 C... 53 VJEŽBA br.11 - VLAČNA PROBA... 59 VJEŽBA br.12 - ISPITIVANJE TVRDOĆE: METODA PO BRINELL-u, VICKERS-u i POLDY-u... 63 VJEŽBA br.13 - ISPITIVANJE TVRDOĆE: PO METODI ROCKWELL-B, ROCKWELL-C i SHORE... 70 VJEŽBA br.14 - ISPITIVANJE DINAMIČKE IZDRŽLJIVOSTI ISPITIVANJE UDARNE ŽILAVOSTI PO CHARPY-u... 76 2
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.1 VRSTE I SVOJSTVA TEHNIČKIH MATERIJALA Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 3
Svrha vježbe je upoznavanje materijala koji se susreću u praksi i načina na koji se ti materijali mogu raspoznavati. U drugom dijelu vježbe opisana su mehanička svojstva materijala i kvalitativni načini usporedbe tih svojstava kod različitih materijala. A.) VRSTE MATERIJALA I NJIHOVO RASPOZNAVANJE A1.) VRSTE TEHNIČKIH MATERIJALA Materijali koji se najčešće susreću u strojarskoj i brodograđevnoj praksi: - metali - polimeri - keramike - kompoziti (kombinacije gore navedenih materijala) - drvo Metali: - gvožđa (legure na bazi željeza i ugljika kao osnovnih legirnih elementa za nelegirane i legirane čelike te ljevove uz dodatke legirnih elemenata Cr, Ni, Mn, Si, V, Cu, Al, Ti, Nb, Mo, ) - aluminijske legure (vučeni i valjani proizvodi te ljevovi) - legure bakra (mjedi i bronce) - ostale legure (na bazi titana, nikla, magnezija ) Polimerni materijali: - elastomeri (guma) - plastomeri ili termoplasti (zagrijavanjem omekšavaju i mogu mijenjati oblik kojeg nakon hlađenja zadržavaju PVC, polietilen, politetrafluoretilen ili teflon, aramid ili kevlar) - duromeri ili duroplasti ili termostabili (zagrijavanjem ne mogu mijenjati oblik nego se na određenim temperaturama raspadaju bakelit, epoksidi, polieseteri, poliamidi i silikoni) 4
Keramike: - tradicionalne o proizvodi od gline (lonci, posuđe) o konstrukcijski materijali u građevinarstvu (opeka, crijep, beton) o stakla (boce, laboratorijska oprema) o vatrootporni materijali (kuhinjsko posuđe, opeke u pećima šamot) o bijela keramika (sanitarije, emajl) - industrijske o termokeramika (lonci za taljenje na visokim temperaturama) o elektrokeramika (poluvodiči, izolatori) o magnetokeramika (keramike sa izraženim magnetskim svojstvima) o mehanokeramika (elementi strojeva podložni habanju, rezni alati) o kemokeramika (kemijske instalacije) o biokeramika (ortopedska i stomatološka protetika) o optokeramika (prozorska stakla) Keramike su u osnovi karbidi, oksidi ili nitridi (kamen, porculan, rezne pločice) Kompoziti: Osnovu kompozita predstavlja matrica ojačana vlaknima ili česticama (armirani beton, stakloplastika, drvo, aluminij ojačan staklenim vlaknima, keramika ojačana česticama silicija karbida.) Razlikujemo prirodne i umjetne, te mikro i makro kompozite. Vlastita zapažanja ad A1.): 5
A2.) RASPOZNAVANJE MATERIJALA Tehnički materijali se mogu raspoznavati kako vizualno tako i izvođenjem određenih ispitivanja. Najčešće se raspoznaju prema nekima od navedenih svojstava: - boja površine vizualno - specifična težina mjerenjem volumena i vaganjem - refleksija svijetla (metalna površina) vizualno - magnetičnost pomoću magneta - toplinska i električna vodljivost pomoću izvora topline - mehanička svojstva materijala (tvrdoća, čvrstoća, žilavost, rastezljivost ) tvrdoća - grebanjem uzoraka iz različitih materijala jedan po drugom i usporedba otisaka (tvrđi materijal ostavlja trag na mekšemu, čvrstoća i rastezljivost kidalica, žilavost Sharpyev bat) - prigušenje zvuka nakon udara o površinu predmeta udarcem čekića o površinu uzorka i mjerenjem vremena prigušenja zvuka - sposobnost obrade na sobnoj, sniženoj ili povišenoj temperaturi deformiranjem uzoraka na različitim temperaturama (savijanjem u škripcu) - oblik i namjena predmeta (odljevci, otkivci ) razni dijelovi strojeva iz svakodnevnog života Vlastita zapažanja ad A2.): 6
B.) SVOJSTVA MATERIJALA Tehnički materijali se međusobno razlikuju po svojim svojstvima i to: - mehaničkim (tvrdoća, čvrstoća, žilavost, elastičnost) - fizikalnim (gustoća, talište, viskozitet) - tehnološkim (daju informaciju o njegovoj obradivosti sposobnost deformiranja u hladnom i toplom stanju, zavarljivost, livljivost, toplinska obradivost) KRUTOST ČVRSTOĆA ŽILAVOST MASA SVE U REDU! NISKA KRUTOST! NISKA ČVRSTOĆA! NISKA ŽILAVOST! VELIKA MASA (GUSTOĆA)! 7
B1.) TVRDOĆA MATERIJALA Tvrdoća materijala jest otpornost na prodiranje stranog predmeta u njegovu površinu. Ovo mehaničko svojstvo se može odrediti kvalitativno usporednom metodom: - zadiranjem jednog materijala u drugi (dali materijal ostavlja trag u drugom materijalu nakon pokušaja zadiranja u njega usporedbom učinaka zadiranja možemo odrediti koji je materijal tvrđi) - te utiskivanjem penetratora uz pomoć tvrdomjera istom silom i usporedbom veličine otiska U tehničkoj praksi tvrdoća materijala se mjeri kvantitativno koristeći razne standardizirane metode i opremu za mjerenje tvrdoće. B2.) SPECIFIČNA MASA (GUSTOĆA) Vaganjem i mjerenjem volumena valjčića iz različitih materijala možemo odrediti njihovu specifičnu masu prema izrazu ρ lake i teške. m( masa) kg V ( volumen) m. Na osnovu gustoće metale dijelimo na = 3 B3.) SPOSOBNOST PREVIJANJA Pokus se izvodi pomoću naprave prikazane na slici preko zakaljenih čeličnih valjaka. Shematski prikaz pokusa previjanja žice Pod jednim previjanjem smatra se savijanje iz početnog položaja za 90 u jednu stranu, te natrag do početnog položaja. Važno je previjanje obaviti u pravilnim vremenskim intervalima (jedno previjanje u jednoj sekundi) zbog utjecaja zagrijavanja uslijed unutrašnjeg trenja materijala žice. Ukupan broj previjanja do prekida predstavlja mjeru sposobnosti za izmjenično previjanje. 8
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.2 KRIVULJA GRIJANJA I HLAĐENJA ČISTOG METALA Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 9
A) ELASTIČNOST Elastičnost materijala jest njegova sposobnost da se nakon prestanka djelovanja opterećenja vrati u prvobitni položaj. Trake iz različitih materijala postavljamo u napravu prema slici 1. i opterećujemo različitim opterećenjima. Točno na sredini i ispod trake postavi se komparator koji mjeri veličinu progiba za različita opterećenja. Nakon rasterećenja treba provjeriti dali se komparator vratio u početni položaj. Ako se komparator vrati na početni položaj deformacija trake je bila u elastičnom području. Treba uočiti razlike u opterećenju za postizanje istog progiba za različite materijale, te razlike u elastičnim deformacijama za ista opterećenja. Također donijeti zaključak o elastičnosti različitih materijala. Ukoliko se poslužimo izrazima iz nauke o čvrstoći materijali korištenjem rezultata pokusa za elastično područje deformacija može se odrediti Young-ov modul elastičnosti za ispitivane materijale. Izraz za progib sredine grede slobodno oslonjene na dva oslonca i opterećene u središnjem djelu silom F može se pronaći u priručnicima. U tablici 2 prikazani su izrazi za različite slučajeve učvršćenja i opterećenja grede. 10
Tablica 1. Tablica 2. Dakle za promatrani slučaj izraz za progib glasi: [1] gdje je: udaljenost oslonaca grede Young-ov modul elastičnosti (svojstvo materijala) moment inercije plohe (prema tablici 1) Dakle: [2] gdje je: širina poprečnog presjeka grede visina poprečnog presjeka grede Uvrštavanjem izraza [2] u [1] te sređivanjem slijedi: Uvrštavanjem podatka dobivenih pokusom odrediti približnu vrijednost modula elastičnosti čelika, bakra, aluminija i nehrđajućeg čelika dimenzije presjeka 30x3 mm, te za aluminij dimenzije presjeka 50x3 mm. 11
B) KRIVULJA GRIJANJA I HLAĐENJA ČISTOG METALA Prema shematskom prikazu na slici treba izvršiti zagrijavanje olova u loncu pomoću plamenika. Talište olova je na 327 C. Zagrijavanje pratiti do temperature 400 C. Koristiti se satom i digitalnim termometrom s uronjivim termoparom te u pravilnim vremenskim razmacima očitavati temperature prilikom grijanja i hlađenja. Dobivene podatke o vremenu i temperaturi unositi u tablicu. Tablične podatke prikazati u dijagramu τ-t. Uočiti slijedeće pojave i objasniti: Shematski prikaz grijanja metala - mjesto pojave prve taline kod grijanja - stojište na temperaturi taljenja - zašto je preostala krutnina potonula u talini prilikom grijanja - mjesto nastajanja prve krutnine prilikom hlađenja - stojište na temperaturi skrutišta - usahlinu u sredini lonca nakon skrućivanja - razliku temperatura tališta i skrutišta (temperaturnu histerezu) min Utjecaj brzine hlađenja na stojište a vrlo sporo hlađenje; b vrlo sporo zagrijavanje; c brže hlađenje; d vrlo brzo hlađenje. d. 12
a) b) a klice i početak skrućivanja; b c napredovanje skrućivanja; d završetak skrućivanja. c) d) Kristalizacija metala Nakon završetka pokusa nacrtati dijagrame grijanja i hlađenja prema podacima u tablici. Utjecaj brzine hlađenja na brzinu nastajanja klica kristalizacije i brzinu rasta kristala Utjecajni faktori na veličinu i oblik zrna: - brzina hlađenja - brzina nastajanja klica kristalizacije (umjetne klice cjepiva) - brzina rasta klica kristalizacije - usmjereno hlađenje 13
Poligonalni štapićasti igličasti pločasti Neki češći oblici kristalnih zrna u metalu Bakrena šipka zaobljenih rubova Bakrena šipka oštrih rubova hlađene mlazovima vode kod skrućivanja hlađenje: grijanje: t [ C] Kristali dendriti često se nalaze u unutrašnjosti odljevka τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] 0 345 11 0 290 11 0,5 11,5 0,5 11,5 1 12 1 12 1,5 12,5 1,5 12,5 2 13 2 13 2,5 13,5 2,5 13,5 3 14 3 14 3,5 14,5 3,5 14,5 4 15 4 15 4,5 15,5 4,5 15,5 5 16 5 16 5,5 16,5 5,5 16,5 6 17 6 17 6,5 17,5 6,5 17,5 7 18 7 18 7,5 18,5 7,5 18,5 8 19 8 19 8,5 19,5 8,5 19,5 9 20 9 20 9,5 20,5 9,5 20,5 10 21 10 21 10,5 21,5 10,5 21,5 11 22 11 22 14
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.3 ALOTROPSKE MODIFIKACIJE TOPLINSKA VODLJIVOST MATERIJALA Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 15
Vježba br. 3 A1.) ALOTROPSKE MODIFIKACIJE (promjene u krutnini) Pojedini metali pokazuju sklonost da modificiraju svoju kristalnu rešetku pri određenim temperaturama kod grijanja ili hlađenja. Metali koji pokazuju ovo svojstvo, a najčešće ih susrećemo u praksi su željezo, kositar, kobalt, nikal, mangan i titan. Promjena rešetke vezana je uz promjenu nekih svojstava metala: specifični volumen (plošno centrirana kubna rešetka ima veću popunjenost od prostorno centrirane kubne rešetke), čvrstoća, tvrdoća, električna vodljivost Na slici (strana 14) je prikazana krivulja hlađenja čistog željeza sa obilježenim temperaturama alotropske modifikacije. Na vježbama izvesti pokus alotropskih modifikacija čelične žice promjera 2,5 mm. U napravi prema slici vršiti ćemo zagrijavanje čelične žice pomoću izmjeničnog izvora električne struje. I=50-100A U=20 V ~ 3 mm Naprava za pokus alotropskih modifikacija Uslijed električnog otpora u žici dolazi do zagrijavanja, zbog čega raste njezin volumen, a time se povećava i njena duljina. Ovo produljenje ćemo mjeriti pomoću komparatora. Obratiti pažnju na promjenu boje žice za vrijeme zagrijavanja. Zagrijavanje ćemo izvršiti do otprilike 1000 C, nakon čega ćemo isključiti izvor struje i pratiti skraćenje žice uslijed njenog hlađenja. Temperature procijeniti usporedbom s bojama užarenog čelika! U izvještaju navesti podatke o izmjerenim rezultatima te ukratko opisati ovisnost promjene mikrostrukture i volumena (duljine) žice. 16
A2.) CURIE-EVA TOČKA KOD NISKOUGLJIČNIH ČELIKA Promjena magnetskih svojstava niskougljičnog čelika kod grijanja i hlađenja. ČELIČNA ŽICA MAGNET OSLONAC OSLONAC PLAMENIK POSTOLJE Pokus za verifikaciju Curie-eve točke Kod zagrijavanja niskougljičnih čelika do temperature crvenog sjaja (za čisto željezo 768 C) magnetična α rešetka (prostorno centrirana kubna rešetka) prelazi u nemagnetičnu α rešetku (prostorno centrirana kubna rešetka). Kako smo vidjeli u prethodnoj vježbi alotropskih modifikacija, na krivulji grijanja, odnosno hlađenja na toj temperaturi imamo stojište. Pokus izvodimo na način prema slici tako se jedna žica ne jednom kraju osloni na magnet, a drugim krajem se dovede u dodir sa drugom žicom. Voditi računa da žica koja je na magnetu mora biti sa gornje strane. Budući da se radi o feromagnetičnim materijalima magnetske silnice se prenose sa magneta na žice i tako sprječavaju da jedna od njih padne. Plamenom zagrijavamo mjesto spoja dviju žica tako dugo dok se vrhovi ne zagriju do temperature crvenog sjaja što odgovara temperaturi prelaska iz magnetičnosti u nemagnetičnost. Dostizanjem ove temperature (Curie-eva) jedna žica će pasti. Nakon hlađenja magnetska sila će opet djelovati. 17
MAGNETIČNO NEMAGNETIČNO 18
B.) TOPLINSKA VODLJIVOST MATERIJALA Ispitujemo kvalitativno toplinsku vodljivost za različite tehničke materijale i to: ugljičnog čelika, nehrđajućeg (CrNi) čelika, mjedi, bakra i aluminija. Pokus izvodimo zagrijavanjem jednog kraja trake presjeka 3 x 30 mm i duljine 300 mm pomoću izvora topline (električno kuhalo). Mjerenje temperature provodimo u pravilnim vremenskim intervalima na drugom kraju trake. Potrebno je osigurati iste uvjete za svih pet uzoraka (intenzitet grijanja, mjerno mjesto). Vremensku promjenu temperature prikazati tabelarno i u istom dijagramu za svih pet uzorka te kvalitativno zaključiti o toplinskoj vodljivosti ispitanih materijala. Mjer. br. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Vrijeme [s] Ugljični čelik Temp.[ C] CrNi čelik Temp.[ C] Mjed Temp.[ C] Bakar Temp.[ C] Aluminij Temp.[ C] t [ C] Vlastita zapažanja ad B): vrijeme [s] 19
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.4 KRIVULJE GRIJANJA I HLAĐENJA LEGURA Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 20
Vježba br. 4 A.) KRIVULJE GRIJANJA I HLAĐENJA LEGURA A1.) PRIMJER POTPUNE RASTVORIVOSTI (u talini i u krutnini) Karakteristika kod ovih legura prigodom grijanja i hlađenja, za razliku od čistih metala jest taljenje i skrućivanje u temperaturnom intervalu. Izvođenjem pokusa grijanja i hlađenja različitih koncentracija ovakvih legura, tj. dobivanjem njihovih krivulja hlađenja, omogućena nam je izrada faznog dijagrama određene legure, kako se to može vidjeti na primjeru dobivanja binarnog dijagrama slijevanja Cu-Ni: % Ni Do nastajanja legura dolazi miješanjem metala s metalima, ali i drugim elementima (komponente). Različiti elementi se različito miješaju tj. tvore: a) kristale mješance supstitucijskog tipa atomi rastvorene komponente zamjenjuju na pojedinim mjestima atome rastvarača, dimenzije atoma obje komponente se ne razlikuju više od 8%, element rastvarača daje tip rešetke legure b) kristale mješance intersticijskog tipa atomi rastvorene komponente se uključuju u međuprostore kristalne rešetke rastvarača, atomi rastvorene komponente su znatno manjih dimenzija od atoma rastvarača, velike deformacije rešetke i kod malog sadržaja rastvorene komponente, element rastvarača daje tip rešetke c) kristale intermetalnog spoja tvore nove kristalne rešetke različite od rastvarača i rastvorene komponente, karakterističan točan omjer atoma komponenti u spoju d) mehaničke smjese kristala kod skrućivanja na stalnoj temperaturi nastaje fina smjesa kristala komponenata koja se može promatrati kao jedna faza eutektikum eutektoid 21
A2.) PRIMJER DJELOMIČNE RASTVORIVOSTI U KRUTNINI Verifikaciju konkretnog binarnog dijagrama slijevanja se izvodi pomoću četiri uzorka dvokomponentne legure Pb Sn (olovo kositar zbog relativno niskog tališta). Ove legure se u praksi često koriste kao lemovi. Uzorci legura za koje ćemo snimati krivulje hlađenja su odabranog sastava i to: Uzorak br.1 100% Pb Uzorak br.2 80% Pb 20% Sn Uzorak br.3 40% Pb 60%Sn Uzorak br.4 1% Pb 99%Sn τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] τ [min] t [ C] 0 0 0 0 t [ C] τ [min] Ucrtane krivulje hlađenja tretiranih legura 22
Realni binarni dijagram slijevanja Pb Sn (eutektički) (preslikano s interneta) Nakon završenog snimanja krivulja hlađenja sva četiri uzorka, izvršiti verifikaciju crtanjem vertikala pripadajućih koncentracija u ponuđeni realni dijagram slijevanja i usporediti očitane karakteristične temperature s točkama na krivuljama hlađenja. - Komentirati pojavu vremenskog intervala usporenja pada temperature kod hlađenja legura. - Komentirati pojavu temperature stojišta. Zadatak: Dobivene rezultate snimanja krivulja hlađenja prikazati tablično i dijagramom. Dati kratki osvrt o pojavama na krivuljama hlađenja za različite legure! Objasniti pojavu stojišta na krivulji hlađenja i pojavu usporenog hlađenja! 23
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.5 METALOGRAFIJA Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 24
Vježba br. 5 METALOGRAFSKO ISPITIVANJE METALA 1.) UVOD Metalografija (opisivanje metala) je dio znanosti o metalima koji se bavi vezom između dijagrama slijevanja, strukture i svojstava metala i legura. Osnovni zadatak metalografije je da pri određenom kemijskom sastavu iz pregleda makro i mikro strukture odredi svojstva i ponašanje materijala pri danim uvjetima opterećenja i da ukaže na najpovoljniju strukturu za određeni proces prerade ili područje primjene. Osim toga metalografija je najvažniji postupak kontrole tekuće proizvodnje. Premda metalografski postupci ispitivanja ne mogu dati odgovore na sva pitanja i probleme vezane uz materijale, bez njih se suvremeno ispitivanje metala i legura ne može ni zamisliti. 2.) MIKROSTRUKTURNA ANALIZA Analiza mikrostrukture pomoću svjetlosnog mikroskopa je jedan od najčešće primjenjivanih metalografskih postupaka ispitivanja. Cilj analize mikrostrukture je što vjernije i jasnije prikazati strukturu nekog materijala i odrediti vrstu, veličinu i količinu pojedinih mikro konstituenata (faza) te njihovu raspodjelu. Jedan od uvjeta za kvalitetnu analizu mikrostrukture jest kvalitetna priprema ispitnih uzoraka. 3.) PRIPREMA METALOGRAFSKIH UZORAKA Kvalitetan ispitni uzorak za analizu mikrostrukture pomoću svjetlosnog mikroskopa mora imati potpuno ravnu i glatku površinu. Priprema takvog uzorka može se podijeliti u nekoliko faza koje slijede jedna za drugom, što je shematski prikazano na slici 1. Brušenje Rezanje Zalijevanje Promatranje Poliranje Slika 1 Shematski prikaz procesa pripreme metalografskog uzorka 25
4.) SADRŽAJ VJEŽBE Ovisno o cilju ispitivanja prvo treba odrediti na kojem dijelu ispitivanog komada i u kojem položaju treba biti površina ispitnog uzorka, nakon čega slijedi rezanje uzorka. Uzorci su relativno malih dimenzija (oko 15x15x10mm), ali ovisno o potrebama i raspoloživoj opremi za pripremu i analizu dimenzije uzoraka mogu biti i veće. Rezanje treba obaviti uz intenzivno odvođenje topline kako ne bi došlo do strukturnih promjena ispitivane površine. Slika 2 Uređaj za rezanje uzoraka Nakon rezanja uzorak se zalijeva u umjetnu smolu. Zbog malih dimenzija, nepravilnog oblika, ali i potrebe uvida u mikrostrukturu na rubovima uzorka najčešće se uzorci prije brušenja trebaju zaliti u posebna sredstva koja omogućuju njihov prihvat i kvalitetnu pripremu. Zalijevanje može biti toplo, prešanjem s granulatom na povišenim temperaturama do 180 o C i tlaku do 4 bara, (npr bakelit, termoplaste na akrilnoj bazi, epoksidna smola), ili hladno uz pomoć dvo ili tro komponentnih sredstava (npr. acryl, polyester, epoxidne smole). Na slici 3 nalazi se nekoliko primjera toplo (a) i hladno (b) zalivenih uzoraka. Slika 2 Primjeri toplo (a) i hladno (b) zalivenih metalografskih uzoraka 26
Priprema se dalje nastavlja brušenjem i poliranjem površine ispitnog uzorka. Brušenje je najagresivniji postupak odnošenja materijala u postupku pripreme uzorka. Kod brušenja abraziv je učvršćen na podlogu, najčešće papir ili platno. Brusni papir je gradiran prema veličini abrazivnog zrna. Oznake na brusnim papirima se odnose na broj rupica na situ u duljini 1 inča - 25,4 mm (npr. na brusnom papiru oznake P240 abrazivna zrnca su prosijana kroz sito koje na duljini 1 inča ima 240 rupica). Za pripremu uzoraka koriste se brusni papiri finoće od P120 do P2000. Pri brušenju se u svakom sljedećem stupnju koristi se brusno sredstvo sa sve finijim česticama. Brušenje se može obavljati ručno ili pomoću posebnih uređaja za pripremu uzoraka. Slika 3. Uređaj za ručnu pripremu uzoraka Slika 4. Uređaj za poliranje uzoraka Poliranje je najčešće završni korak u pripremi uzoraka pri kojem se uklanjaju ogrebotine i postiže visoko sjajna površina. Abraziv (najčešće u obliku paste) se slobodno giba između uzorka i fine tkanine za poliranje. Koji će se postupak primijeniti i s kojom granulacijom abraziva ovisi o materijalu uzorka. Najčešći postupci su ipak grubo i fino brušenje te završno poliranje. Ti postupci mogu biti provedeni ručno ili strojno, slika 3,4 i 5. Slika 5 Uređaj za brušenje i poliranje uzoraka. 27
Često se koristi i i elektrolitičko poliranje površine. U odnosu na mehaničko poliranje ovo je bolji postupak jer se površina uzorka plastično ne deformira, a skraćuje se i vrijeme pripreme. Ispitni uzorci se poslije poliranja peru u toploj ili hladnoj vodi, ispiru u alkoholu i suše u struji toplog zraka. Razvijanje strukture Ponekad je dovoljno promatranje površine uzorka pri manjim ili većim mikroskopskim povećanja u poliranom stanju, ali u najvećem broju slučajeva, ipak je potrebno učiniti vidljivim pojedine konstituente i/ili faze, tj. potrebno je razviti strukturu. To se postiže primjenom različitih sredstava i postupaka za nagrizanje površine ispitnih uzoraka. Prema načinu na koji djeluje svako nagrizanje se može svrstati u: Zadatak - nagrizanje po granicama zrna pri kojem se nagrizaju isključivo granice zrna metala ili legure, a pojedina zrna se ne razlikuju po obojenju, ili - površinsko nagrizanje zrna poslije kojeg se kristali pojedinih faza razlikuju po izgledu. Prema opisanom postupku izvršiti pripremu metalografskog uzoraka te obaviti mikroskopsko promatranje strukture jednog uzorka iz nelegiranog čelika i drugog iz sivog lijeva. 28
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.6 EUTEKTIČKI DIJAGRAMI SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I DJELOMIČNE RASTVORIVOSTI U KRUTNINI Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 29
EUTEKTIČKI DIJAGRAM SLIJEVANJA Promatramo primjer eutektičkog sustava Cu Ag sa djelomičnom rastvorivošću u krutnini. Dobivanje dijagrama snimanjem krivulja hlađenja za različite koncentracije. Karakteristična područja u dijagramu: - homogeno područje taline T iznad linije A-B-C - heterogeno područje α + T u području A-B-D - heterogeno područje β + T u području B-C-E - homogeno područje α u području A-D-F- 0% - homogeno područje β u području H-E-C-100% e e - heterogeno područje α + ( α + β ) u području F-D-B-G e e - heterogeno područje β + ( α + β ) T u području B-G-H-E A C D B E F G H Karakteristične linije: - likvidus linija A-B-C - solidus linija A-D-B-E-C - linija rastvorivosti atoma Cu u α mješancu A-D-F - linija rastvorivosti atoma Ag u β mješancu C-E-H Eutektička koncentracija (oko 30%) koncentracija B (skrućivanje pri konstantnoj temperaturi) 30
31
Polužni zakon faza: Uzmemo li isječak iz dijagrama slijevanja: prva K (T) (K) (K) (K+T) (T) zadnja T Određivanje udjela taline i krutnine za koncentraciju x na temperaturi T 2 : talina T : krutnina K = XY : YZ ; odnosno: količina XY T = *100 [%] i količina XZ YZ K = *100 [%] XZ Određivanje koncentracija taline i krutnine Npr. koncentracija taline i krutnine na temperaturi T 2 očita se pomoću okomica, na apscisi: koncentracija taline T okomica iz Z na apscisi = x 3 koncentracija krutnine K okomica iz X na apscisi = x 2 prosječna koncentracije smjese (T+K) okomica iz Y na apscisi = x Crtanje dijagrama količinskog udjela pojedinih faza za određenu koncentraciju i određenu temperaturu 32
t 1 t 2 t x t 3 x α x x β Na temp. t x (vidi donji dijagram) imamo: - do koncentracije x α homogeni fazni sastav satkan samo od mješanaca α` (svih 100%) - kod koncentracije x e imamo eutektičku smjesu (α e +β e ) (svih 100%) u kojoj je: xβ xe x α količina α e = 100[ %], a količina β = e x e 100 [%] x x x x β α - iznad koncentracije x β homogeni fazni sastav satkan samo od mješanaca β`(svih 100%). Za koncentraciju x (vidi dijagram desno) imamo prigodom hlađenja: - do temp. t 1 homogeni fazni sastav satkan samo od taline T(svih 100%) - od temp. t 1 do t 2 heterogeni fazni sastav satkan od β`+t - od temp. t 2 do t 3 opet homogeni fazni sastav satkan samo od krutnine β` (svih 100%) - od temp. t 3 do sobne heterogeni fazni sastav satkan od β`+(α e +β e ) Npr. na temp t x imamo količinski udio (prema dijagramu desno): 34 x x e količina β = = 100 [%] ; a količina 13 β E = + β = = 100[ %] x β x e a unutar izračunate količine eutektikuma je količinski udio : x x β α x x α e e. x x količina 12 β e α α e = = 100[ %]; a količina β = = 100 [%] x β x α x e x 23 e. x β x α β e 33
34
35
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.7 EUTEKTIČKI DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I POTPUNE NERASTVORIVOSTI U KRUTNINI DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I KRUTNINI Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 36
Zadatak 1: Konstruirati dijagram slijevanja prema priloženim krivuljama hlađenja na strani 2. Dobiveni dijagram imenovati punim nazivom te u karakteristična područja upisati odgovarajuće faze. Za zadane koncentracije i temperature na strani 3 izračunati i nacrtati dijagrame količinskih udjela. Nacrtati metalografske skice za legure prema slici na strani 4. 37
38
39
ZADATAK 2. Konstruirati dijagram slijevanja prema priloženim krivuljama hlađenja na strani 5. Dobiveni dijagram imenovati punim nazivom te u karakteristična područja upisati odgovarajuće faze. Za zadane koncentracije i temperature na strani 6 izračunati i nacrtati dijagrame količinskih udjela te metalografske skice. 40
41
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.8 PERITEKTIČKI DIJAGRAM SLIJEVANJA KOMPONENTI POTPUNE RASTVORIVOSTI U TALINI I DJELOMIČNE RASTVORIVOSTI U KRUTNINI Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 42
Zadatak 1: Imenovati dijagram prikazanog na slici punim nazivom. Upisati odgovarajuće faze u dijagramu slijevanja na strani 2. Nacrtati krivulje hlađenja za koncentracije 5%B, 20%B, xp, 45%B i 60%B. Za zadane koncentracije i temperature na strani 3 nacrtati dijagrame količinskih udjela (količinske udjele faza odrediti računski pomoću polužnog zakona). Nacrtati metalografske skice za koncentracije i temperature prema slici na strani 4. 43
44
45
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.9 STABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe C Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 46
VJEŽBA br.9 - DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe C (stabilni) 910 C 0,023%C Stabilni dijagram slijevanja Fe - C Heksagonska rešetka grafita Oblici kristala grafita 47
Faze koje se pojavljuju pri metastabilnom skrućivanju za različite koncentracije: - γ primarni austenit - skrućivanjem taline koncentracije manje od 4,26% C - g primarni grafit - skrućivanjem taline koncentracije veće od 4,26% C - α primarni ferit alotropskom modifikacijom rešetke γ koncentracije manje od 0,68%C od temperature označene G`S` linijom do eutektoidne temperature (738ºC) e - g sekundarni grafit - izlučuje se kod hlađenja iz γ i γ koncentracije veće od 0,68%C između eutektičke i eutektoidne temperature (1152ºC-738ºC) e e - + g γ eutektikum (ledeburit) eutektičkom pretvorbom (skrućivanjem) taline koncentracije 4,26% C na eutektičkoj temperaturi (1152ºC) id id - α + g eutektoid eutektoidnom pretvorbomγ i eutektoidnoj temperaturi (738ºC) e γ koncentracije 0,68 %C na - g tercijarni grafit - neznatna količina koja nastane padom rastvorivosti u α i sa 0,023%C na eutektoidnoj temperaturi (738ºC) na temperaturi 6 10 11 id α %C na sobnoj 48
U ponuđenom dijagramu imenujte koordinatne osi i upišite odgovarajuće jedinice, upišite karakteristične temperature, koncentracije i faze, te za zadane koncentracije (a-f) nacrtajte pripadajuće krivulje hlađenja b c d e f a 49
50
51
52
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.10 METASTABILNI DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe Fe 3 C Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 53
VJEŽBA br.10 - DIJAGRAM SLIJEVANJA Fe Fe 3 C (metastabilni) 910 C 0,025%C Faze koje se pojavljuju pri metastabilnom skrućivanju za različite koncentracije: - γ primarni austenit - skrućivanjem taline koncentracije manje od 4,3% C - Fe C 3 primarni cementit - skrućivanjem taline koncentracije veće od 4,3% C - α primarni ferit alotropskom modifikacijom rešetke γ koncentracije manje od 0,8%C od temperature označene GS linijom do eutektoidne temperature (723ºC) e - Fe C 3 sekundarni cementit - izlučuje se kod hlađenja iz γ i γ koncentracije veće od 0,8%C između eutektičke i eutektoidne temperature (1145ºC- 723ºC) e e - + Fe 3 C γ eutektikum (ledeburit) eutektičkom pretvorbom (skrućivanjem) taline koncentracije 4,3% C na eutektičkoj temperaturi (1145ºC) 54
id id e - α + Fe 3 C eutektoid eutektoidnom pretvorbomγ i γ koncentracije 0,8 %C na eutektoidnoj temperaturi (723ºC) - Fe C 3 tercijarni cementit - neznatna količina koja nastane padom rastvorivosti id u α i α sa 0,025%C na eutektoidnoj temperaturi (723ºC) na 7 2 10 %C na sobnoj temperaturi lamela cementita Fe 3 C lamela ferita α Nastajanje perlita a) 0,5%C b) 0,8%C c) 1,6%C Mikrostrukture čelika Ovisno o količini ugljika na gornjoj slici vidimo raspored faza i to: a) podeutektoidni čelik b) eutektoidni čelik c) nadeutektoidni čelik d) Zavisnost mehaničkih svojstava o sadržaju ugljika 55
56
57
58
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.11 MEHANIČKO ISPITIVANJE MATERIJALA VLAČNA PROBA Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 59
Vježba br. 9 VLAČNA PROBA Epruveta za ispitivanje A učvrsti se u prihvatne čeljusti kidalice B prema slici. Epruvete mogu biti plosnate i okrugle. Hidraulička pumpa P narine radni tlak u cilindru koji razmiče čeljusti i na taj način razvlače epruvetu. Za vrijeme ispitivanja mjerimo silu (indirektno preko tlaka ulja u cilindru F = p A, gdje je p tlak u cilindru, a A površina klipa) i pomake čeljusti. Djelovanjem sile F dolazi do razvlačenja epruvete za pomak l instrument na kidalici iscrtava dijagram sila produljenje ( F l )na donjoj slici. Ovaj dijagram može se prikazati i u koordinatama naprezanje deformacija ( σ ε ). Naprezanje nastaje djelovanjem sile (F) F l na početni presjek epruvete ( A 0 ) i iznosi: σ =. Deformacija je definirana kao: ε =. A 0 l 0 a) Dijagram sila-produljenje b) Dijagram naprezanje-deformacija Ako se po prestanku djelovanja sile epruveta vraća na početne dimenzije onda govorimo o području elastičnih deformacija. Tu vrijedi Hook-eov zakon koji glasi: σ = E ε...gdje je: E= Young-ov modul elastičnosti. Kada sila prijeđe granicu elastičnosti, nakon rasterećenja ostaje trajno produljenje epruvete l. 60
Upisana slova na slici označavaju kako slijedi: - Pr = granica proporcionalnosti - E = granica elastičnosti - P = granica plastičnosti (popuštanja) - M = maksimalno naprezanje materijala - L = lomno naprezanje Praktično do točke E = granica elastičnosti je područje u prednjim dijagramima, u kojem je produženje linearno ovisno o sili. Ovo područje proteže se zapravo do kraja pravca za koji vrijedi zakon proporcionalnosti, a završetak ovog područja naziva se granica proporcionalnosti. Ova točka u dijagramima nije ucrtana, jer se nalazi neznatno ispod točke E i s njom se praktično poklapa. Na donjoj slici vidimo dijagrame rastezanja za različite materijale: σ[n/mm 2 ] 1 3 4 2 1 tvrdi čelik 2 meki čelik 3 sivi lijev 4 Al legura Izgled Hooke ovog dijagrama za različite materijale Tvrdi i krhki materijali ne pokazuju izraženu granicu plastičnosti, a na mjestu loma ne dolazi do suženja presjeka. Žilavi materijali međutim imaju izraženu granicu plastičnosti i znatno suženje epruvete na mjestu loma (npr. meki čelici). Svojstva i karakteristike pri vlačnoj probi: l A = k 100 - konačno relativno produljenje epruvete nakon loma (elongacija), gdje je: l Z = 0 0 [%] [ mm] l = l l - konačno produljenje epruvete nakon loma k k 0 ε[%] A0 Ak 100[ %] - konačno relativno suženje presjeka nakon loma (kontrakcija) A Fe N Re = 2 A - granica elastičnosti 0 mm Fp N R p = 2 A - granica plastičnosti (popuštanja) 0 mm Fm N Rm = 2 A - vlačna (rastezna) čvrstoća materijala 0 mm 61
Za materijale koji nemaju izraženu granicu plastičnosti, uzima se u svakodnevnoj strojarskoj praksi konvencionalna granica plastičnosti koja predstavlja naprezanje pri trajnoj deformaciji od 0,2% nakon rasterećenja, i iznosi: Fp0,2 N Rp 0,2 = 2 A 0 mm Ako veličine raspoloživih komada nisu dovoljni za izradu standardne epruvete najčešće se koriste «proporcionalne epruvete» (duge ili kratke). Profili, užad, lanci, cijevi, žice ispituju se u obliku u kojem se koriste, a vlačne probe nazivaju se tehnološke. Zadatak: 1. Izvršiti vlačnu probu dvije cilindrične epruvete iz čelika za poboljšavanje HRN 2C45 (stara oznaka Č.1531) s 0,46%C. Na jednoj epruveti je provedena toplinska obrada poboljšavanja (kratkotrajno zagrijavanje na temp. iznad A3 linije i naglo hlađenje u vodi uz naknadno popuštanje na temp. 550 C u trajanju 30 minuta). Druga epruveta je omekšana (žarenjem na temp. iznad A3 linije uz naknadno sporo ohlađivanje u ugašenoj peći). 2. Rezultate ispitivanja prikazati tablično i Hooke-ovim dijagramom! 3. U dijagramu označiti karakteristične veličine (vlačnu čvrstoću materijala, granicu elastičnosti i granicu popuštanja) te odrediti njihove vrijednosti! 4. Izračunati elongaciju i kontrakciju zadanih materijala! 62
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.12 MEHANIČKO ISPITIVANJE MATERIJALA ISPITIVANJE TVRDOĆE METODA PO BRINELL-u, VICKERS-u i POLDY-u Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 63
Vježba br. 12 ISPITIVANJE TVRDOĆE po BRINELL-u i po VICKERS-u Važnu ulogu u praksi i primjeni različitih metala ima svojstvo tvrdoće. Zapravo je tvrdoća «mjera» odraza faznog sastava i strukture u metalu. Dakle: što je tvrdoća veća to je materijal otporniji na trošenje! Na temelju poznate tvrdoće, često se približno može odrediti i vlačna čvrstoća Rm. Najčešće primjenjivani načini mjerenja tvrdoće u strojarskoj praksi su: Stacionarni aparati (laboratorijski ili radionički): - Postupak mjerenja tvrdoće po Rockwell-u (HRC i HRB) - Postupak mjerenja tvrdoće po Brinell-u (HB) - Postupak mjerenja tvrdoće po Vickers-u (HV) Prenosivi (terenski) aparati: - Postupak mjerenja tvrdoće po Poldy-u (HB) - Postupak mjerenja tvrdoće po Shore-u Suvremeni sofisticirani prenosivi aparat je tvrdomjer na principu ultrazvučnog odjeka, s monitorom za očitanje npr. pripadajuće tvrdoće HV, prema donjoj slici: Prednost ovog uređaja je što ne ostavlja ni najmanji otisak (često nepoželjnu «ozljedu»)! Tvrdoće dobivene različitim postupcima mogu se konvertirati pomoću usporednih tablica. 64
a) ISPITIVANJE TVRDOĆE HB po BRINELL-u Tvrdoća po Brinell-u je mjera otpornosti ispitivanog materijala prodiranju kuglice promjera D pritiskane silom F, prema slici. HB je omjer između sile i površine otiska tj. kugline kalote promjer d. Izvod izraza za HB: F HB = ; gdje je F=sila pritiska; A=površina kugline kalote-otiska A Izvod izraza za HB: Općenito je površina kugline kalote: Prema slici je: A = π D h 2 2 D D d h =, tj.dubina otiska: 2 4 4 2 2 2 2 ( D D d ) ( D D d ) odnosno: h =, pa je: A D 2 HB = π D h D 2 1 2 2 2 = D d, = π 2 ; odnosno: 2 F 2 2 ( D D d ) Budući da se sila čita u [N], treba «stari» izraz korigirati, tj. [N]-e «vratiti» u napuštene [kp]-e dijeljenjem s 9,81. Konačno se dobije: 0.204 F HB = [stupnjeva Brinell-ove skale] π 2 2 D D D d ( ) 65
Brinell-ova metoda pogodna je za ispitivanje tvrdoće mekših metala (npr. konstrukcijski čelik, obojeni metali). Prema tablicama u strojarskom priručniku, nakon utiskivanja zakaljene kuglice promjera D u površinu uzorka, za očitani otisak promjera d, nađemo pripadajuću tvrdoću HB. Uobičajeni promjer kuglice D=10mm i sila F=29420[N], a može se upotrijebiti i manji: D=5mm uz F=7355[N] ili D=2,5mm uz F=187,5[N]. Ovo ovisi o debljini uzorka, tj. za manje debljine upotrebljavaju se proporcionalno manje kuglice i sile. Kod standardnih aparata sila pritiska raste do nazivne F kroz 2 8 [s], a njeno djelovanje traje 10 15 [s]. Nakon rasterećenja očita se pripadajući promjer otiska d. Ukoliko je sila premalena otisak je mali pa ga je teško izmjeriti. Prevelika sila opet preduboko utisne kuglicu, i po rubu kalote istisne dosta materijala, pa je teško odrediti točan promjer otiska. Najbolje rezultate dobivamo s onim silama utiskivanja kod kojih je promjer otiska d 0,3 0, 4 D. Promjer otiska se mjeri povećalom s ugraviranom mjernom skalom s točnošću 0,05 mm. Za konstrukcijske čelike na temelju izmjerene Brinell-ove tvrdoće HB možemo približno odrediti vlačnu (rasteznu) čvrstoću Rm: 2 za ugljični čelik: Rm 3,6 HB... [ N / mm ] 2 za čelik legiran s Cr: Rm 3,5 HB... [ N / mm ] 2 i za čelik legiran s Cr Ni: Rm 3,4 HB... [ N / mm ] Radi međusobne usporedbe na vježbi se ispituju tvrdoće različitih metalnih materijala (npr. čelika, čistog Cu i njegovih slitina, čistog Al i njegovih slitina). Budući da je standardna kuglica od zakaljenog čelika, preporuča se mjerenje za HB 400. Napomena: Svi ovi podaci i preporuke s tabelarnim podacima mogu se naći i u: B.Kraut: Strojarski priručnik, u poglavlju ISPITIVANJE TVRDOĆE. 66
b) ISPITIVANJE TVRDOĆE HV po VICKERS-u Tvrdoća po Vickers-u je mjera otpornosti ispitivanog materijala prodiranju četverostrane dijamantne piramide s vršnim kutom 136 pritiskane silom, prema slici. HV je omjer između sile i površine otiska četverostrane piramide: F F HV = ; gdje je F=sila pritiska A A=površina otiska ( 4 A1 ) srednja veličina dijagonale je: Izvod izraza za HV: d d 1 + d = 2 [mm] 2 Promotrimo li izgled otiska nakon rasterećenja dobivamo slijedeću sliku: a a d/2 a/2 a/2 d/2 v 68 68 A1 h d a d Prema gornjoj slici je: a = ; v = = ; odnosno o o 2 2 sin 68 2 2 sin 68 d d o 2 a v 2 2 2 sin 68 d A 1 = = = ; a ukupna površina otiska A je: o 2 2 8 sin 68 2 2 d d A = 4 A1 = 4 = ; odnosno: o o 8 sin 68 2 sin 68 o F F 2 sin 68 F HV = = = 1, 8544 2 2 A d d 67
Budući da se sila čita u [N], treba «stari» izraz korigirati, tj. [N]-e «vratiti» u napuštene [kp]-e dijeljenjem s 9,81. Konačno se dobije: F HV = 0,189 [stupnjeva Vickers-ove skale] 2 d Vickers-ova metoda pogodna je za ispitivanje tvrdoće različitih metalnih materijala od najmanje (npr. olova) do najveće (npr. tvrdih metala). Opterećenje F može biti različito: (30 ili 10) x 9,81..[N], a bira se ovisno o tvrdoći ispitivanog materijala (manje opterećenje za mekše materijale, da otisak ostane unutar mjerne skale, tj. da ne bude prevelik). Ovim postupkom se mogu ispitivati mikrotvrdoće, ali u tom slučaju opterećenje je reda veličine do samo nekoliko [N], a dijagonale se mjere na istom aparatu pomoću povećala s ugraviranom mjernom skalom i točnošću od 0,001 mm. Napomena: Svi ovi podaci i preporuke s tabelarnim podacima mogu se naći i u: B.Kraut: Strojarski priručnik, u poglavlju ISPITIVANJE TVRDOĆE. Do veličine tvrdoće cca 350 HB, Vickers-ove i Brinell-ove tvrdoće se brojčano podudaraju. 68
c) ISPITIVANJE TVRDOĆE po POLDY-u Zakaljena čelična kuglica promjera 10mm utiskuje se istovremeno u površinu uzorka materijala kojem mjerimo tvrdoću s donje strane i u etalon poznate čvrstoće s gornje strane, prema slici. Udarcem čekića zakaljena kuglica ostavlja otisak i na etalonu i na površini metala kojem mjerimo tvrdoću. Ovim postupkom se zapravo mjeri tvrdoća po Brinell-u HB uz poznatu tvrdoću etalona HB et koje stoje u omjeru: 0,204 F HB HB uz et π D 2 2 ( D D d 2 ) π D = 0,204 F 2 2 ( D D d1 ), odakle je 2 2 D D d1 HBuz = HBet 2 2 D D d 2 Iz tablica priloženih uz ovaj uređaj, lako se nađe tvrdoća ispitivanog materijala nakon očitanja promjera otiska d 1 na etalonu i d 2 na površini uzorka. Standardni etalon ima čvrstoću Rm = 70 9,81 = 686. 7 [N/mm 2 ], tj. tvrdoću HB et = 197. Kako svi etaloni (probni štapovi) nemaju istu čvrstoću, uveden je korekcioni faktor f koji je Rmst var nog _ et. omjer stvarne i standardne čvrstoće etalona: f = Rm s tan dardnog _ et. Ako je stvarni etalon od čvršćeg i tvrđeg čelika, npr. Rm = 72 9,81 = 706,32 [N/mm 2 ], onda je korekcioni faktor: Rmst var nog _ et. 72 9,81 706,32 f = = = = 1,02857 1,029 (UTISNUTO NA ETALONU), Rm 70 9,81 686,7 s tan dardnog _ et. kojim množimo vrijednost tvrdoće očitane iz tablica! 69
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.13 MEHANIČKO ISPITIVANJE MATERIJALA ISPITIVANJE TVRDOĆE PO METODI ROCKWELL-B, ROCKWELL-C i SHORE Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 70
Vježba br. 13 ISPITIVANJE TVRDOĆE PO ROCKWELL-u Ispitivanje ovom metodom dijelimo u dvije grupe ovisno o tvrdoći materijala kojeg ispitujemo: A) TVRDOĆA HRC PO ROCKWELL-u Mjera otpornosti nekog materijala spram prodiranju vrha dijamantnog stošca s vršnim kutom 120 koji je opterećen definiranim opterećenjem ukupno F = 1471, 5[ N]. Prodiranje i povrat dijamantnog penetratora prati se preciznim komparatorom (kružnim mjernim satom): - uzdužno kretanje penetratora je posebnim prijenosnim mehanizmom pretvoreno (i to multiplicirano) u kružno kretanje kazaljke. Mjerna skala komparatora je već označena u jedinicama HRC, iako mjeri uzdužni pomak penetratora od maksimalno 0,2 mm. Kako je mjerna skala podijeljena na ukupno 100 dijelova, jedna podjela iznosi 0,002 mm, prema slici. - da bi se izbjegla pogreška zbog nehomogenosti površine uzorka (a), najprije se podizanjem uzork upire u oprugu koja pritišće penetrator do razine (b) pod silom predopterećenja F1 = 98, 1[ N ] što se kontrolira pomakom pomoćne kazaljke za predopterećenje. - na toj poziciji usklađuje se kraj mjerne skale (brojka 100) s radnom kazaljkom. Tada se pridoda još i glavno opterećenje F2 = 1373,4[ N] koje s predopterećenjem daje ukupnu silu F = 1471, 5[ N]. Naravno penetrator prodire koliko mu materijal dopušta do razine (d). - nakon rasterećenja od djelovanja glavnog opterećenja F 2 ostvari se elastični povrat i penetrator se zaustavi na razini (e). Ako je početak (brojka 0) mjerne skale na razini (c) onda nam razmak od razine (c) do pozicije zaustavljenog penetratora (e) (predopterećenje stalno djeluje) predstavlja traženu tvrdoću u stupnjevima hrc, prema slici. Ova metoda primjenjuje se za sve metalne materijale čija je tvrdoća od 20 HRC do 70 HRC. Preciznost mjerenja kod radioničkih aparata iznosi ±1,5 HRC. Radi međusobne usporedbe na vježbi se ispituju tvrdoće poboljšanih čelika i alatnih čelika. Dobiveni rezultati se uspoređuju s rezultatima mjerenja tvrdoće prema VICKERS-u korištenjem usporednih tablica. 71
B) TVRDOĆA HRB PO ROCKWELL-u Na istom aparatu za mjerenje tvrdoće mekših metalnih materijala, dijamantni stožac se zamijeni s penetratorom koji ima na vrhu zakaljenu kuglicu 1 16. Postupak je potpuno analogan prethodnom, ali se na istom aparatu sada podešava: - sila predopterećenja ostaje ista, tj. F1 = 98, 1[ N] ; - glavno opterećenje sada iznosi F2 = 882, 9[ N] ; - ukupna sila je dakle smanjena na F = 981[ N]. Mjerna skala je produžena na 0,26 mm, ali je podijeljena na 130 dijelova po 0,002 mm. Time je omogućeno korištenje istog već ugrađenog na aparatu preciznog komparatora (kružnog mjernog sata). 72
Nakon rasterećenja od djelovanja glavnog opterećenja 2 F ostvari se elastični povrat i penetrator se zaustavi na razini (e). Ako je početak (brojka 0) mjerne skale na razini (c) onda nam razmak od razine (c) do pozicije zaustavljenog penetratora (e) (predopterećenje stalno djeluje) predstavlja traženu tvrdoću u stupnjevima HRB, prema slici. Ova metoda primjenjuje se za sve metalne materijale čija je tvrdoća od 35 HRB do 100 HRB. Preciznost mjerenja kod radioničkih aparata iznosi ±2 HRB. Radi međusobne usporedbe na vježbi se ispituju tvrdoće različitih konstrukcijskih čelika. Dobiveni rezultati se uspoređuju s rezultatima mjerenja tvrdoće prema VICKERS-u korištenjem usporednih tablica. 73
C) TVRDOĆA PO SHORE-u Skleroskopom po SHORE-u puštamo uteg s (uvijek iste) određene visine (h 1 ) da udari u površinu uzorka, prema slici. Zavisno o modulu elastičnosti (E) uzorka dobije se manja ili veća visina odskoka (h 2 ). Rezultat kod ovog dinamičkog postupka ovisi još o masi i obliku uzorka. Ova metoda je pogodna u serijskoj proizvodnji istovrsnih izradaka, pogotovo kaljenih (npr. radilice motora). Odskok očitan u [mm] u priloženoj tablici uz instrument nudi približnu tvrdoću u [HB] i [HRC] itd. Napomena: Ako tvrdoću definiramo kao mjerilo otpornosti prema zadiranju u površinu dotičnog materijala, onda ova metoda nije eksplicitna! Uređaj se sastoji od cijevi u kojoj se nalazi uteg sa kuglastim vrhom. Skleroskop postavljamo okomito na površinu kojoj mjerimo tvrdoću. Uteg se postavlja na visinu h 1, prema slici. Kočnica zadržava uteg na ovoj visini. Nakon otpuštanja kočnice uteg pada kroz cijev i odbija se od površine materijala na visinu odskoka h 2, gdje se zadrži. Tvrdoća je tim veća čim je veća visina odbijanja h 2 za uvijek istu početnu visinu h 1. Za očitanu vrijednost h 2, iz tabele koja se nalazi u priboru uređaja očitava se pripadajuća vrijednost tvrdoće. Da bi mjerenje bilo valjano površina mora biti glatka i okomita na smjer padanja utega. Masa ispitivanog komada mora biti što veća kako bi sva energija udarca ostala u ispitivanom komadu. UTEG odskok 74
Na slijedećim slikama daje se pregled nekoliko primjera pravilnog i nepravilnog korištenja ovog uređaja: 75
SVEUČILIŠTE U SPLITU SVEUČILIŠNI ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE MATERIJALI I VJEŽBA br.14 MEHANIČKO ISPITIVANJE MATERIJALA ISPITIVANJE DINAMIČKE IZDRŽLJIVOSTI ISPITIVANJE UDARNE ŽILAVOSTI PO CHARPY-u Razradio: Igor Gabrić, pred. Split, 2013. 76
Vježba br. 14 ISPITIVANJE DINAMIČKE IZDRŽLJIVOSTI I UDARNE ŽILAVOSTI A) ISPITIVANJE DINAMIČKE IZDRŽLJIVOSTI R d Dinamička izdržljivost se definira kao najveće naprezanje kod kojeg materijal epruvete izdrži beskonačni ili propisani broj ciklusa bez pojave pukotine. a) IZMJENIČNA DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST R diz Epruveta od tretiranog materijala izvrgnuta je čistom izmjeničnom opterećenju (npr. vlaktlak), prema sl. a.1. Pripadajuća Wöhlerova krivulja prikazana je na slici a.2. + σ 0 σ a amplituda _ naprezanja σ srednje _ naprezanje sr σ a σ sr = 0 trajanje σ Rd = ± σ a σ a σ R diz Broj ciklusa N (u log. mjerilu) Slika _ a.1. Slika _ a.2. b) ISTOSMJERNA DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST R dis Epruveta od tretiranog materijala izvrgnuta je početnom istosmjernom opterećenju (npr. na vlak), prema sl. b.1. Pripadajuća Wöhlerova krivulja prikazana je na slici b.2. σ σ g gornje _ naprezanje σ σ sr = σ a σ g σ a Rd = 2 σ a σ a 0 Slika b.1. trajanje R dis Broj ciklusa N (u log. mjerilu) Slika b.2. Osim vrijednosti za dinamičku izdržljivost, treba navesti i podatak o odgovarajućem broju ciklusa te izgledu i dimenziji epruvete. 77
c) MEHANIZAM LOMA Uslijed raznih nepravilnosti u građi materijala i nehomogenosti strukture, te površinskih hrapavosti dolazi do koncentracije naprezanja na tim mjestima što može rezultirati inicjalnim mikropukotinama. Ponavljanjem opterećenja ova pukotina se širi glatko i valovito kroz područje tzv. trajnog loma (I). Time se nosivi presjek smanjuje i kada naprezanje dosegne lomnu čvrstoću materijala, dolazi do pucanja i preostalog presjeka u području trenutnog loma (II), prema sl.c. I Područje trajnog loma (glatko i eventualno valovito) II Područje trenutnog loma (zrnasti prijelom) Prigodom konstruiranja treba voditi računa da je dinamička izdržljivost konstrukcije manja od izdržljivosti dobivene ispitivanjem glatke i polirane epruvete od istog materijala. Ova smanjenja nastaju uslijed raznih koncentratora naprezanja (površinska hrapavost, promjena debljine, oštri rubovi, greške u materijalu) i vanjskih utjecaja (korozija, temperatura). d) UREĐAJ ZA ISPITIVANJE IZMJENIČNE DINAMIČKE IZDRŽLJIVOSTI Realiziran je jednostavnom izvedbom koja se sastoji od elektromotora s adaptiranom stegom za učvršćenje jednog kraja epruvete u produžetku osovine. Na drugom kraju modificirane epruvete za vlačnu probu, preko kotrljajućeg ležaja omogućen je ovjes s utezima. Rotacijom osovine elektromotora, konzolno opterećena epruveta ima izvodnice naizmjenično opterećene na vlak kada je izvodnica u gornjem položaju, odnosno na tlak kada je izvodnica u donjem položaju. OSOVINA ELEKTROMOTORA +σ σ Slika c. Izgled presjeka loma -σ σ 1 σ 2 f σ 3 EPRUVETA R d STEZNA NAPRAVA UTEG Slika d.1. Uređaj za ispitivanje a G N 1 N 2 N 3 pripadajući broj ciklusa Slika d.2. Konstrukcija WÖHLER-ove krivulje Primjenom većeg naprezanja, npr. σ 1 epruveta izdrži manji broj ciklusa N 1. Smanjenjem naprezanja povećava se broj ciklusa koje epruveta izdrži. Kada se naprezanje smanji na 78
razinu dinamičke izdržljivosti R d, epruveta praktično može izdržati beskonačan broj ciklusa. Naprezanje kao funkciju broja ciklusa kojeg materijal izdrži do loma prikazuje Wohler-ova krivulja na slici d.2. Vidimo da se ona kod određenog broja titraja asimptotski približava 7 vrijednosti R d (praktično za čelik broj ciklusa do loma uzima se N =10, za lake metale 8 N =10 ). Dakle, najveće naprezanje R d [N/mm 2 ] kod kojeg ispitivana epruveta izdrži 7 8 N =10 za čelik, odnosno N =10 za lake metale, nazivamo dinamička izdržljivost (ili granica umora) materijala. ZADATAK Pomoću rotacione umaralice izvršiti ispitivanje izdržljivosti na tri epruvete iz čelika EN C45N (stara oznaka HRN Č.1531). Svaku epruvetu opteretiti različitom težinom i odrediti broj promjena ciklusa do loma umnoškom izmjerenog vremena τ i broja okretaja umaralice n. Dobivene rezultate prikazati u Wohler-ovom dijagramu σ - log N! Karakteristične dimenzije ispitivanja: l=105 mm d=6 mm F 1 =77,98 N F 2 =81,9 N F 3 =88,42 N Maksimalno naprezanje izračunati prema izrazu: gdje je: M moment u najmanjem presjeku: M=F l 3 W y moment inercije presjeka koji za kružni presjek iznosi d W = π 32 Pripadajući broj promjena ciklusa do loma izračunati množenjem poznatog broj okretaja rotacione umaralice n=2820 okr/min i izmjerenog vremena do loma epruvete. σ = M W y 79