SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

MATERIJALI U ZRAKOPLOVSTVU

- Interna skripta -

šk. god. 2010. / 11.

Danko Ćorić Tomislav Filetin

1

SADRŽAJ

1. UVOD 4

2. PREGLED RAZVOJA 5

3. ZAHTJEVI NA MATERIJAL I KRITERIJI IZBORA 14

4. SVOJSTVA MATERIJALA 16

4.1. Gustoća 16

4.2. Čvrstoća 17

4.3. Krutost 19

4.4. Dinamička izdržljivost 21

4.5. Lomna žilavost 23

4.6. Otpornost na koroziju 25

4.7. Mehanička otpornost pri povišenim i visokim temperaturama -

otpornost na puzanje

26

4.8. Specifična čvrstoća i specifična krutost 29

4.9. Sigurnost 30

5. VRSTE ZRAKOLOPLOVNIH MATERIJALA 31

6. MEHANIZMI OČVRSNUĆA 33

7. VISOKOČVRSTI ČELICI 36

7.1. Niskolegirani niskopopušteni čelici 37

7.2. Visokolegirani Cr-Mo-V visokopopušteni čelici 37

7.3. Termomehanički obrađeni čelici 38

7.3.1. Postupak ausforming 39

7.3.2. Postupak TRIP 40

7.3.3. Postupak perliforming 42

7.3.4. Postupak isoforming 42

2

7.3.5. Postupak marforming 43

7.4. Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici 44

7.5. Čelici "maraging" 46

7.6. Hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici 48

8. ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE 49

8.1. Svojstva aluminija i aluminijskih legura 49

8.2. Aluminijske legure 50

8.2.1. Sustav označivanja gnječenih legura 51

8.2.2. Oznake stanja 51

8.2.3. Postupci očvrsnuća aluminijskih legura 53

8.2.3.1. Očvrsnuće hladnom deformacijom 54

8.2.3.2. Precipitacijsko očvrsnuće 54

8.2.4. Vrste gnječenih legura i njihova svojstva 59

8.2.4.1. Durali - serija 2xxx 59

8.2.4.2. Konstruktali - serija 7xxx 66

8.2.4.3. Legure aluminija i litija - serija 8xxx 72

9. TITAN I NJEGOVE LEGURE 74

9.1. Svojstva titana i titanovih legura 75

9.2. Titanove legure 78

9.2.1. α legure 78

9.2.2. α+β legure 80

9.2.3. β legure 82

9.3. Postupci prerade 83

9.3.1. Kovanje 83

9.3.2. Ekstruzija 83

9.3.3. Toplo i hladno oblikovanje 84

9.3.4. Obrada odvajanjem čestica 84

9.3.5. Zavarivanje 84

9.3.6. Metalurgija praha 85

3

9.3.7. Lijevanje 85

10. SUPERLEGURE 87

10.1. Svojstva superlegura 87

10.2. Niklove superlegure 88

10.3. Kobaltove superlegure 93

11. KONSTRUKCIJSKA KERAMIKA 96

11.1. Vrste konstrukcijske keramike 96

11.2. Postupak proizvodnje 97

11.3. Svojstva konstrukcijske keramike 99

11.4. Primjena 105

12. POLIMERNI MATERIJALI 106

12.1. Mehanička svojstva 108

12.2. Toplinsko-mehanička svojstva 111

13. KOMPOZITNI MATERIJALI 112

13.1. Vlaknima ojačani polimerni kompoziti 114

13.1.1. Proizvodnja vlaknima ojačanih kompozita 120

13.2. Kompoziti s česticama 123

13.3. Slojeviti kompozitni materijali 123

13.4. Sendvič konstrukcije 125

13.5. Kompoziti s metalnom matricom 128

13.6. Kompoziti s keramičkom matricom 128

13.7. Ugljik-ugljik kompoziti 129

13.8. Hibridni kompoziti 130

14. INTERMETALNI SPOJEVI 131

15. DRVO 132

15.1. Građa i svojstva drva 132

4

1. UVOD

Znanost o materijalima i inženjerstvo materijala – znanstvena disciplina koja se

intenzivno bavi materijalima i pripadajućim tehnologijama, nastala sintezom temeljnih

grana znanosti: fizike i kemije te inženjerskih struka: metalurgije, kemijskog inženjerstva,

strojarstva, graditeljstva i dr., smatra se uz genetiku, informatiku i telekomunikacije

generičkom vrstom znanosti. Rezultati istraživanja na ovom području prenose se u druge

grane znanosti i tehnike: elektroniku, strojarstvo, zrakoplovstvo, svemirsku tehnologiju,

automobilsku industriju, brodogradnju, medicinu i dr., te dovode do razvoja novih

proizvoda boljih svojstava. Zahvaljujući brojnim inovacijama na području razvoja

postojećih materijala i stvaranjem novih vrsta materijala omogućen je razvoj brojnih

područja pa tako i zrakoplovstva koje je zahvaljujući tomu bitno uznapredovalo od svojih

prvih početaka do danas.

Jedan od primjera razvoja i primjene novih materijala zasnovanih na znanstvenim

istraživanjima jesu i polimerni kompoziti koji se danas masovno koriste za gradnju

zrakoplova, ali i sportske opreme i brojnih drugih proizvoda. Tako je npr. specifična

čvrstoća (omjer čvrstoće i gustoće) današnjih polimernih kompozita ojačanih ugljičnim

vlaknima preko četiri puta viša od aluminijskih i titanovih legura, a specifična krutost

(omjer modula elastičnosti i gustoće) dva puta viša. Upravo ova dva svojstva omogućila

su bolje tehničke karakteristike današnjih zrakoplova.

Slika 1 prikazuje usporedni razvoj zrakoplova koji je doživio bitne promjene oblika

i tehničkih karakteristika zahvaljujući razvoju i primjeni suvremenih materijala (polimera,

kompozita, lakih i čvrstih legura i sl.) te pripadajućih tehnologija.

Slika 1. Zrakoplovi nekad i danas

5

2. PREGLED RAZVOJA

Najstariji spomen o pokušaju letenja nalazi se u grčkoj legendi o Dedalu i Ikaru,

koji su pokušali letjeti krilima sastavljenim od labudovih pera slijepljenih voskom.

U 15. stoljeću pojavljuje se u povijesti zrakoplovstva čuveni talijanski umjetnik

Leonardo da Vinci koji je skicirao više različitih konstrukcija letećih naprava i konstrukciju

prvog padobrana.

U 18. i 19. stoljeću dolazi do razvoja aerostatičkih konstrukcija, odnosno balona,

koji su vladali približno 150 godina sve do početka 20. stoljeća.

Sa napretkom znanosti i razvojem industrije počinju se javljati pokušaji izvedbe

aerodinamičkog zrakoplova i postavljaju osnove aerodinamike. Braću Orvillea i Wilbura

Wrighta povijest pamti kao pionire zrakoplovstva koji su 17. prosinca 1903. godine izveli

prvi upravljani let zrakoplovom na motorni pogon. U letu koji je trajao samo 12 sekundi

preletjeli su tada fantastičnih 37 metara. Zrakoplov Flyer imao je raspon krila od 12 m,

površinu krila od 47 m2 i težio je 283 kg. Bio je načinjen od tradicionalnih materijala,

čvrstih i krutih vrsta drva: jasena i bijele omorike te čeličnih žica i cijevi, lake aluminijske

legure oznake (AlCu9), a za izmjenjivač topline uporabljen je kositar, slika 2.

Slika 2. Zrakoplov Flyer

O izumu braće Wright Bill Gates je rekao sljedeće: “Braća Wright tvorci su najveće

kulturne moći od vremena izuma pisma. Zrakoplov Flyer bio je prvi World Wide Web,

povezao i zbližio ljude, jezike, ideje i vrijednosti.“ Zrakoplov Flyer danas se nalazi

izložen u Nacionalnom zrakoplovnom i svemirskom muzeju zaklade Smithsonian u

Washingtonu.

6

Sljedećih nekoliko godina težište zrakoplovnih aktivnosti prenosi se u Francusku

gdje je Henri Farman načinio ozbiljan iskorak prema daljnjem razvitku zrakoplova

preletjevši unaprijed određenu rutu. Kada je kratko vrijeme iza toga Louis Bleriot 1908.

godine uspio planski preletjeti kanal između Francuske i Engleske razbijene su sve

sumnje u vrijednost zrakoplova kao prometnog sredstva budućnosti.

Općeniti značaj zrakoplova i mogućnost praktične primjene prvo je uočen u vojnoj

industriji. Tijekom Prvog svjetskog rata uloženi su veliki napori u daljnje usavršavanje, te

je u tom razdoblju brzina zrakoplova porasla preko 2 puta, a snaga motora za oko 4

puta.

Između dva rata razvoj se odvijao u više etapa od kojih su najvažnije: prijelaz na

metalnu konstrukciju sa slobodno nosećim krilom, primjena metalnih elisa, uvlačenje

stajnog mehanizma i dr.

U razdoblju Drugog svjetskog rata potvrđena je značajna uloga zrakoplova kao

vojnog oružja i u toku tih pet godina razvoj je bio neusporedivo brži nego u doba mira. U

zrakoplove se ugrađuju različiti materijali, od kojih neke susrećemo i danas, poboljšanih

karakteristika. Tipični predstavnik zrakoplova tog vremena je engleski lovac Hawker

Hurricane (slika 3) s rasponom krila od 11,27 m, duljinom 9,75 m, visinom 2,65 m,

masom od 3495 kg te snagom motora 1650 KS i najvećom brzinom 510 km/h.

Slika 3. Hawker Hurricane Mark I

Trup zrakoplova načinjen je u obliku rešetkaste konstrukcije od okruglih čeličnih cijevi sa

djelomično žičanim zategama, a spojevi su ostvareni zakovicama. Krila su prvotno bila

od čeličnih rebara i duraluminijskih elemenata, prevučena lanenim platnom. Platno se

koristilo i kao obloga trupa zrakoplova te na njegovim repnim površinama. Vanjske

platnene površine premazivale su se posebnim premazom na bazi acetil-celuloze

7

rastvorene u acetonu čime se povećala čvrstoća. Kasnije se prešlo na uobičajenu

koncepciju krila izvedenog u potpunosti od lake aluminijske legure i prekrivenog

metalnim pločama.

Zrakoplov Hornet F.Mk.1 (slika 4) predstavlja primjer uspješne konstrukcijske

izvedbe kombiniranom primjenom drveta i metala u dijelovima poput trupa i krila.

Slika 4. Hornet F.Mk.1

Trup zrakoplova izveden je od potpuno noseće vanjske oplate bez unutarnjeg kostura,

koja se sastojala od dva sloja drvene ljepenke između kojih se nalazilo lako drvo balza

debljine 15 mm. Krila su načinjena od drvenih rebara na koje su nalijepljeni metalni

nosači. Donji pokrov krila bio je metalan, a gornji od drva i to od dva sloja drvene

ljepenke između kojih su posložene drvene letvice slično konstrukciji panel ploča. Sve

veze između drva i metala ostvarene su uporabom sintetičkih ljepila.

Motori zrakoplova tog vremena prvotno su bili od sivog lijeva, a kasnije od

aluminijske legure. Time se uspješno reducirala težina zrakoplova i ostvarilo bolje

odvođenje topline.

Spremnici goriva najčešće su rađeni od aluminijskog lima prevučenog specijalnim

omotačem od gume koji je imao funkciju stezanja rupe nastale prošupljivanjem

spremnika i time onemogućiti jače curenje goriva.

Poslije Drugog svjetskog rata otpočinje razvoj civilnog zrakoplovstva. Neki od

putničkih zrakoplova tog vremena još i danas, nakon dugog niza godina, uspješno lete.

Na slici 5 prikazana je kronologija razvoja zrakoplova Boeing.

8

Slika 5. Kronološki slijed zrakoplova Boeing

Jedan on najpoznatijih putničkih aviona na mlazni pogon Boeing 707, razvijen 50-tih

godina 20. stoljeća, još i danas nalazi se u uporabi zahvaljujući pouzdanosti i trajnosti

ugrađenih materijala. Ovaj zrakoplov, kao i kasnije razvijen Boeing 727 i širokotrupni

Boeing 747, te donedavno najmoderniji Boeing serije 777 bazirani su prvenstveno na

uporabi lakih aluminijskih legura visoke čvrstoće i male gustoće. Kako su aluminijske

legure vremenom bivale sve bolje i kvalitetnije zrakoplovi su postajali veći i lakši i mogli

primati sve više putnika što je pogodovalo troškovnoj isplativosti. Zahvaljujući

kontinuiranom razvoju aluminijskih materijala i primjeni suvremenih materijala poput

kompozita na primjeru zrakoplova Boeing 777 (slika 6) ostvarene su visoke uporabne

karakteristike u pogledu brzine, nosivosti, veličine, težine, sigurnosti i trajnosti.

Slika 6. Boeing 777–300ER

9

Kako je tekao razvoj aluminijskih materijala zorno prikazuje dijagram na slici 7.

Mehanička otpornost kontinuirano je rasla tako da je granica razvlačenja od prvotnih 276

N/mm2 porasla na današnjih 600 N/mm2.

Slika 7. Porast mehaničke otpornosti aluminijskih legura

U početku su to bile toplinski obrađene legure aluminija s bakrom i magnezijem iz grupe

durala (legure serije 2xxx) koje međutim nisu mogle zadovoljiti sve složenije

eksploatacijske zahtjeve te je 50-tih godina prošlog stoljeća u uporabu ušla nova skupina

aluminijskih legura s cinkom, magnezijem i bakrom poznatih kao konstruktali (legure

serije 7xxx). Jedna od prvih primjena konstruktala, mehanički otpornijih i korozijski

postojanijih od legura serije 2xxx, zabilježena je kod zrakoplova Boeinga 707 gdje je

uporabljen konstruktal u toplinski očvrsnutom stanju, granice razvlačenja 552 N/mm2.

Modificiranjem svojstava različitim postupcima termomehaničke obrade konstruktali su s

vremenom postajali sve čvršći što je omogućilo razvoj zrakoplova poput Boeinga 757 i

767. Kod Boeinga 777 ostvaren je maksimum čvrstoće i granice razvlačenja (600

N/mm2) i dalje se ne ide jer bi svakim daljnjim povećanjem porasla opasnost od

napetosne korozije i dodatno se otežala deformabilnost materijala.

Danas zrakoplovna industrija teži ne samo poboljšavanju postojećih materijala

već i razvoju novih s optimalnim svojstvima za određenu primjenu. Jedan od takvih

suvremenih materijala svakako su i kompoziti. Zahvaljujući ciljanom projektiranju

kompozita koji svojim svojstvima uspješno udovoljavaju složenim eksploatacijskim

Godina 1920 1940 1980 2000

Godina prve uporabe 1960

100

200

300

400

500

600G

rani

ca ra

zvlače

nja,

N/m

m2

10

zahtijevima primjena ovih materijala u stalnom je uzletu. Prvi predstavnici kompozitnih

materijala bili su polimeri ojačani staklenim vlaknima koji su se prvotno koristili za manje

opterećene elemente zrakoplova, ali zahvaljujući kontinuiranom napretku počinju se

rabiti i za složenije konstrukcijske elemente poput oplate krila i trupa zrakoplova. Jedna

od prvih primjena zabilježena je prije 40 godina kod borbenih zrakoplova F14 (slika 8) i

F15. Vlaknima ojačana polimerna smola koristila se za izradu oplate repnog kormila.

Početno je maseni udjel kompozita bio vrlo mali tako da je kod zrakoplova F14 iz 1970.

godine on iznosio samo oko 1 %. Osam godina kasnije uporaba kompozita toliko je

porasla da je njihov udjel narastao na skoro 19 % kod zrakoplova F18 (slika 9). Trup,

krila i repna struktura ovog zrakoplova najvećim dijelom su izvedeni od kompozita

epoksidne matrice i ugljičnog ojačanja.

Slika 8. F-14 Tomcat Slika 9. F/A-18 Hornet Osim kompozitnih materijala uporabljene su i očvrsnute aluminijske legure, čelični

materijali te legure na bazi titana, slika 10.

Slika 10. Konstrukcijski materijali zrakoplova F/A-18

Maseni udjel, % F/A-18C/D F/A-18E/F

Aluminij....................49...................31

Čelik.........................15...................14

Titan.........................13....................21

Ugljično epoksidni

kompozit.................10....................19

Ostalo.......................13...................15

100 100

F/A-18

11

Udjeli pojedinih skupina materijala s vremenom su se mijenjali na račun povećane

potrošnje kompozita i titanovih materijala te istovremenog smanjenja potreba za

aluminijskim legurama.

Kod zrakoplova F-22 (slika 11) iz 1990. godine kompozitni materijali masovno su

korišteni u izradi oplate krila i oplate trupa tako da čine 24 % ukupne težine konstrukcije

zrakoplova. Visoko opterećeni elementi trupa i okvira izvedeni su od titanovih legura,

stajni trap građen je od visokočvrstog čelika, a repne površine od kompozitnih panela

aluminijske jezgre.

Slika 11. F-22 Raptor

Na primjeru "nevidljivog" bombardera B2 (slika 12) laki kompozitni materijali su

uspješno primijenjeni u proizvodnji primarnih konstrukcijskih elemenata i na taj je način

anulirana nešto veća masa letjelice nastala prevlačenjem oplate specijalnim materijalom

koji apsorbira radarsko zračenje.

Slika 12. B-2 Spirit

Kompoziti polimerne matrice dodatno ojačane vlaknima podesni su konstrukcijski

materijal i u izgradnji transportnih zrakoplova, slika 13. Svojim povoljnim svojstvima, u

prvom redu malom masom, doprinose povećanju korisne nosivosti i time boljoj

troškovnoj isplativosti.

12

Slika 13. C-17

Zahvaljujući svojim prednostima kompoziti su našli svoje mjesto i u civilnom

zrakoplovstvu. Prva značajnija uporaba zabilježena je 1983. godine i to Airbusovih

putničkih zrakoplova A300 i A310 gdje se polimerni kompozit prvotno koristio u izradi

kormila, a dvije godine kasnije i za repni vertikalni stabilizator, slika 14.

Slika 14. Airbus A300 Slika 15. Airbus A320

Kod Airbusa A320 (slika 15) od kompozita je građena cijela repna struktura te

brojni drugi konstrukcijski elementi uključivo i podnu oblogu (staklenim vlaknima ojačan

polimer). Laki kompozitni materijali ukupno čine 28 % mase zrakoplova što je osim

značajne uštede na težini omogućilo i kraće vrijeme proizvodnje te manju osjetljivost na

različite oblike oštećenja.

Danas su kompoziti široko zastupljeni u proizvodnji novog Airbusa A380 (slika 16)

gdje se rabe za gornje i donje panele oplate zrakoplova, za potpornje krila, nosače poda

gornjeg kata (palube) te čitav niz drugih konstrukcijskih elemenata. Osim polimernih

13

kompozita primijenjeni su i tzv. “glare“ laminati koji se sastoje od aluminijskih limova

dodatno ojačanih staklenim vlaknima.

Slika 16. Airbus A380 Slika 17. Boeing 787 Dreamliner

Kao najbolji primjer opsežnog korištenja novih materijala razvijenih upravo za

potrebe zrakoplovstva svakako treba istaknuti i novi Boeing 787 Dreamliner (slika 17).

Njegova prednost nije u veličini nego u tehnologiji. Airbus A380 i dalje je najveći

zrakoplov na svijetu, a Dreamliner se ističe svojim tehnološkim inovacijama. To je prvi

zrakoplov koji se koristi u komercijalne svrhe, a da mu je 50 % dijelova od kompozitnih

materijala. Oko 80 % trupa izrađeno je iz jednog komada od grafitnim vlaknima ojačane

epoksidne smole. Prema tehničkim podacima za njegovu proizvodnju utroši se 35 tona

grafitnih vlakana. Osim kompozitnih materijala u izgradnji ovog zrakoplova korištene su i

aluminijske legure zastupljene s 20 %, legure titana s udjelom od 15 %, čelik koji čini 10

%, te ostali materijali u ukupnom iznosu od 5 %. Odabirom novih suvremenih materijala

znatno je smanjena buka u zrakoplovu unatoč činjenici što ga pokreću dva snažna Rolls-

Royceova motora Trent 1000 koji stvaraju veliku buku. Osnovna je prednost Dreamlinera

što je vrlo lagan i fleksibilan te troši oko 20 % manje goriva od zrakoplova slične

kategorije npr. Boeinga 767. Masa zrakoplova kreće se od 101 do 115 tona ovisno o

tipu, a zahvaljujući manjoj potrošnji goriva dolet mu je do 15750 km što znači da može

bez prekida letjeti od New Yorka do Manile ili od Moskve do Sao Paula.

Neka predviđanja govore da će u skoroj budućnosti kompozitni materijali imati

dominirajuću ulogu u zrakoplovnoj industriji te će zahvaljujući svojim brojnim

prednostima zamijeniti "konvencionalne" metalne materijale koji još uvijek imaju velik broj

različitih primjena.

14

3. ZAHTJEVI NA MATERIJAL I KRITERIJI IZBORA

Kako je istaknuto u prethodnom poglavlju zrakoplov je primjer proizvoda gdje se

danas više nego ikada masovno koriste novi materijali. Razlozi za to su sljedeći:

1. poboljšanje uporabnih karakteristika zrakoplova u pogledu veličine, težine,

brzine, nosivosti, sigurnosti i trajnosti;

2. promjena uvjeta rada i zahtjeva koji se postavljaju na strojni dio ili element

konstrukcije;

3. kvarovi tijekom uporabe uzrokovani materijalom – deformacije, lomovi,

prekomjerno trošenje ili korozija;

4. primjena novih zakona, propisa i normi;

5. smanjenje troškova i postizanje bolje konkurentnosti.

Neke procjene govore da udjel materijala u cijeni zrakoplova iznosi otprilike 60 %.

Iz tog razloga javlja se potreba i opravdanost za razmatranjem poboljšanja performansi

zrakoplova, uz istovremeno što manju cijenu, na način da se smanjuju ukupni troškovi

materijala. Sve strože zahtjeve koji se postavljaju na zrakoplovne dijelove klasični

materijali ne ispunjavaju u potpunosti. Stoga se javlja potreba za novim i poboljšanim

materijalima (ciljano razvijene legure aluminija, magnezija ili titana, čelici povišene i

visoke čvrstoće, kompoziti i dr.) koji uspješno udovoljavaju kompleksnim

eksploatacijskim zahtjevima. Svaka od skupina pruža dovoljno prednosti u primjeni kao

što su npr. mala masa, dobra otpornost pri niskim i visokim temperaturama, postojanost

prema koroziji, visoka čvrstoća, dinamička otpornost i slično.

Problem izbora materijala je općenito problem optimiranja kroz primjenu metoda

optimizacije korištenjem klasičnih podloga i pomagala (katalozi proizvođača, priručnici,

norme, interni propisi i preporuke) odnosno računalnih informacijskih sustava.

S gledišta funkcionalnih i eksploatacijskih zahtjeva od zrakoplovnih materijala

traži se sljedeće:

1. mala masa;

2. visoka mehanička otpornost u uvjetima statičkog opterećenja;

3. zadovoljavajuća krutost; 4. otpornost umoru;

5. otpornost na naglo širenje pukotina;

6. korozijska postojanost;

15

7. mehanička otpornost pri visokim temperaturama (otpornost na puzanje); 8. otpornost na gorenje;

9. apsorpcija buke i vibracija.

Osim ovih osnovnih zahtjeva definiranih određenim svojstvom materijala u obzir

se moraju uzeti i izvedeni kriteriji koji uključuju više svojstava:

1. specifična čvrstoća - omjer vlačne čvrstoće (granice razvlačenja) i gustoće

materijala;

2. specifična krutost - omjer modula elastičnosti i gustoće;

3. sigurnost - umnožak granice razvlačenja i lomne žilavosti.

Pored funkcionalnih i eksploatacijskih svojstava za optimalni izbor materijala

važna su i njegova tehnološka svojstva koja opisuju sposobnost materijala za obradu ili

oblikovanje nekim tehnološkim postupkom (livljivost, rezljivost, oblikovljivost

deformiranjem, zavarljivost, toplinska obradljivost i sl.). Na izbor materijala također utječe

raspoloživost i nabavljivost te danas sve važnija recikličnost materijala. Na temelju

navedenih zahtjeva definiraju se tražena svojstva koja materijal mora posjedovati i

pristupa se njegovu izboru. Kod toga se traži gotovo uvijek kompromisno ispunjenje više

različitih zahtjeva pa izbor materijala predstavlja složeni problem traženja optimuma

poželjnih svojstava - najpovoljnijeg rješenja u postojećim uvjetima. Tako npr. materijali

visoke čvrstoće imaju lošija neka druga svojstva pa se pri izboru materijala traži

zadovoljavajuće rješenje između više, često i oprečnih zahtjeva.

16

4. SVOJSTVA MATERIJALA 4.1. Gustoća

Jedan od najvažnijih zahtjeva koji se postavljaju na zrakoplovni materijal jest što

manja masa te se preferiraju materijali niske gustoće kao što su npr. polimeri,

kompozitni materijali, aluminijske ili magnezijske legure. Primjenom lakih vlaknima

ojačanih kompozita može se ostvariti značajna ušteda na težini zrakoplovne

konstrukcije, a kako to izgleda kada se težina smanji za 10 % najbolje ilustrira primjer na

slici 18.

Slika 18. Utjecaj težine zrakoplovne konstrukcije na troškovnu isplativost

Ako se pretpostavi da je konstrukcija 50 % ukupne težine zrakoplova, preostalih 50 % u

jednakim dijelovima čine korisna nosivost te gorivo i maziva. Smanjenjem težine

konstrukcije za 10 %, nosivost je veća za 20 % što bitno utječe na ekonomsku

isplativost. S druge strane manja težine konstrukcije za istu nosivost omogućuje velike

uštede goriva i time opet niže operativne troškove. Laki kompozitni materijali visoke

čvrstoće i krutosti danas se uspješno primjenjuju kao alternativa klasičnim metalnim

materijalima više gustoće i veće mase. Tablica 1 sadrži vrijednosti gustoće osnovnih

skupina tehničkih legura.

50 % Konstrukcija 25 % Teret 25 % Gorivo

Konstrukcija od vlaknima ojačanog kompozita

45 % Konstrukcija -10 % 30 % Teret +20 % 25 % Gorivo

17

Tablica 1. Gustoće konstrukcijskih legura

Materijal Gustoća kg/m3

Aluminijske legure 2700 Titanove legure 4500 Sivi lijev 7250 Čelik 7850 Niklove legure 8900 Bakarne legure 8930

Čelik, niklove legure i legure bakra jesu materijali visoke gustoće, za razliku od legura

titana i osobito aluminija, što ovim potonjim daje veliku prednost u najvećem dijelu

zrakoplovnih primjena. Ostale skupine tehničkih materijala poput keramike, kompozita,

polimera i drva u pravilu su niže gustoće i to slijedom kako su navedeni.

4.2. Čvrstoća

Materijal od kojeg se izrađuju dijelovi zrakoplova mora biti odgovarajuće

mehaničke otpornosti da bi mogao izdržati svekolika opterećenja koja se javljaju tijekom

eksploatacije. Mehaničku otpornost u uvjetima djelovanja konstantnog opterećenja

određuje granica razvlačenja (konvencionalna granica razvlačenja pri povišenim

temperaturama) i čvrstoća materijala. Granica razvlačenja jest ono naprezanje prema

kojem se uz odabrani stupanj sigurnosti utvrđuje dopušteno naprezanje pri radu strojnih

dijelova i elemenata konstrukcije. Djelujuće naprezanje ni u kom slučaju ne smije prijeći

vrijednost (konvencionalne) granice razvlačenja zbog pojave plastične (trajne)

deformacije s konačnim ishodom loma materijala.

Na slici 19 predočena je ovisnost mehaničke otpornosti i gustoće različitih

skupina konstrukcijskih materijala. Otpornost duktilnih (žilavih) materijala iskazana je

granicom razvlačenja, a krhkih materijala vlačnom čvrstoćom. Konstrukcijske legure

poput čelika i niklovih legura visoke su čvrstoće, ali i visoke gustoće. Titanove legure su

značajno lakše i podjednako čvrste te su u prednosti pred mnogim drugim inženjerskim

materijalima. Aluminij i njegove legure s gustoćom od samo 2700 kg/m3, danas sve boljih

mehaničkih i proizvodnih svojstava predstavljaju gotovo idealan materijal za mnoge

18

zrakoplovne primjene. Moguće je proizvesti toplinski očvrsnute aluminijske legure

čvrstoće podjednake čeliku.

Slika 19. Ovisnost čvrstoće/granice razvlačenja o gustoći materijala

U poredbi s metalima konstrukcijska keramika (keramički materijali koji se koriste

u inženjerske svrhe) posjeduje višu čvrstoću pri nižoj gustoći. Konstrukcijsku keramiku

općenito karakterizira visoka tlačna i savojna čvrstoća, osobito pri povišenim

temperaturama te niska vlačna čvrstoća. Za keramiku je karakteristično veliko rasipanje

vrijednosti čvrstoće kao rezultat još uvijek neujednačene kvalitete proizvoda zbog

nedovoljno usavršenih proizvodnih procesa.

Konstrukcijski polimeri (polimerni materijali namijenjeni konstrukcijskoj primjeni),

poput plastomera: poliamid (PA), poli(metil-metakrilat) (PMMA), polistiren (PS),

poli(vinilklorid) (PVC), poli(tetrafluoretilen) (PTFE) u pravilu su materijali niske mehaničke

otpornosti. Svojstva polimera pa tako i čvrstoća ovisna su o nizu utjecajnih veličina i

variraju u širokom području. Općenito su određene skupine polimera kao što su duromeri

i plastomeri veće čvrstoće od elastomera.

Kompoziti su, kako je već istaknuto, jedan od sve prisutnijih materijala u

zrakoplovstvu zahvaljujući povoljnim svojstvima poput visoke čvrstoće i male mase što

Gra

nica

razv

lače

nja

/ vlačn

a čv

rstoća

, N/m

m2

Gustoća, ⋅103 kg/m3

19

im daje izrazito povoljnu specifičnu čvrstoću. Čvrstoću i krutost moguće je postići

ojačalima u obliku staklenih (GFRP) i ugljičnih vlakana (CFRP).

Drvo, tradicionalni i obnovljivi konstrukcijski materijal niske gustoće posjeduje

osrednju čvrstoću. Vlačna čvrstoća drva proporcionalna je gustoći tako su drva veće

gustoće poput jasena i hrasta čvršća za razliku od bora i jele drvnih vrsta niže gustoće i

manje čvrstoće. Kako drvo po svojoj građi nije homogeno čvrstoća varira s obzirom na

položaj vlakana prema smjeru opterećenja. Paralelno s vlaknima čvrstoća je najveća,

dok je okomito na vlakna minimalna.

4.3. Krutost

Da bi se spriječilo izvijanje dijelova zrakoplovnih konstrukcija materijal mora biti

ne samo čvrst već i krut. Različite skupine konstrukcijskih materijala posjeduju veću ili

manju krutost o čemu je potrebno voditi računa prilikom dimenzioniranja. Krutost

materijala određuje modul elastičnosti (Youngov modul). Veličina ove elastične

konstante izravno ovisi o čvrstoći veze između strukturnih jedinica u kristalnoj ili amorfnoj

strukturi. Ako je veza vrlo čvrsta onda je i visoka vrijednost modula elastičnosti. Što je

čvrstoća veze slabija niže su i vrijednosti ove elastične konstante te materijal pokazuje

manju krutost.

Slika 20 predočava krutost osnovnih skupina konstrukcijskih materijala s obzirom

na gustoću. Dijagram kvalitativno nalikuje prikazu na slici 19, te je očito da su čvršći

materijali ujedno i krući. Metali poput čelika i niklovih legura vrlo su visoke krutosti

određene vrijednošću modula elastičnosti od 210000 N/mm2. Krutost legura na bazi

bakra odnosno titana znatno je niža. Youngov modul za bakarne legure iznosi 105000

N/mm2 , a za titanove legure 110000 N/mm2. Lake aluminijske legure karakterizira još

niža krutost i modul elastičnosti od “samo“ 70000 N/mm2. Stoga su aluminijski dijelovi

znatno gipkiji (elastičniji) u poredbi s istovrsnim konstrukcijama izrađenim od čelika o

čemu je potrebno voditi računa.

Keramički materijali s niskom žilavosti i duktilnosti izrazito su kruti, što je nažalost

vrlo često njihov nedostatak. Od svih tehničkih materijala najveću krutost pokazuje

umjetni dijamant s modulom elastičnosti od približno 1000000 N/mm2.

20

Slika 20. Ovisnost modula elastičnosti o gustoći materijala

U poredbi s ovim materijalima konstrukcijski su polimeri znatno niže krutosti.

Njihova krutost, jednako kao i čvrstoća, varira u širokom području s obzirom na velik broj

različitih skupina polimernih materijala. Najveću krutost među polimerima pokazuju

duromeri, zatim slijede plastomeri dok su elastomeri s izraženim svojstvima elastičnosti

vrlo niske krutosti.

Kompozitne materijale općenito karakterizira visok modul elastičnosti, posebice

ako se radi o visokočvrstim i visokokrutim ugljičnim vlaknima kao ojačalima. Nešto manje

kruti kompoziti staklenog ojačanja još uvijek su dovoljno kruti za većinu konstrukcijskih

primjena. Za razliku od vlaknastih kompozita čija su svojstva anizotropna te je krutost

najveća u smjeru vlakana, laminirane kompozitne konstrukcije su ujednačenijih svojstava

zbog višeslojnog polaganja ojačanja i orijentacije vlakana u pojedinim slojevima.

Krutost drva, analogno čvrstoći, određena je gustoćom pojedinih vrsta te

smjerom opterećenja s obzirom na položaj vlakana. Vrlo guste, čvrste i krute vrste drva

su primjerice jasen i hrast, dok su bor i jela drva niske gustoće, a time i krutosti. Krutost

Gustoća, ⋅103 kg/m3

Mod

ul e

last

ično

sti,

kN/m

m2

21

pojedinih vrsta drva može se poboljšati opterećivanjem usporedo s vlaknima. Okomito

na vlakna krutost je slaba.

4.4. Dinamička izdržljivost

Često dijelovi zrakoplova nisu napregnuti statičkim naprezanjem već

promjenjivim (dinamičkim) naprezanjem koje se mijenja tijekom vremena. Unatoč tome

što je iznos takvog dinamičkog naprezanja niži od granice razvlačenja, nakon nekog

vremena može doći do loma. Zato dimenzioniranje dinamički opterećenih dijelova i

konstrukcija korištenjem podataka o mehaničkim svojstvima određenih statičkim

ispitivanjem nije valjano. Posljedica dinamičkog opterećenja je pojava umora materijala,

odnosno postupnog razaranja materijala uslijed dugotrajnog djelovanja promjenjivog

naprezanja što rezultira prijelomom dijela. Tablica 2 prikazuje učestalosti različitih oblika

oštećenja u zrakoplovstvu te je vidljivo da je daleko najveći boj oštećenja uzrokovan

upravo pojavom lomova nastalih umorom materijala.

Tablica 2. Učestalost oštećenja zrakoplovnih dijelova u eksploataciji

Vrsta oštećenja Zastupljenost, % Opća korozija 3 Lom od umora 61 Preopterećenje 18 Visokotemperaturna korozija 2 Napetosna korozija 9 Trošenje abrazijom i erozijom 7

Zbog toga se dinamički opterećene konstrukcije moraju dimenzionirati na vrijednost

dinamičke izdržljivosti. Dinamička izdržljivost je ono najveće dinamičko naprezanje

koje materijal izdrži bez pojave loma nakon teoretski beskonačnog broja promjena

opterećenja (ciklusa), a realno uz neki granični broj ciklusa. Slika 21 prikazuje Wöhlerove

krivulje različitih metalnih materijala na temelju kojih se određuje vrijednost dinamičke

izdržljivosti. U poredbi s lakim i obojenim metalima čelični su materijali općenito otporniji

na djelovanje dinamičkih naprezanja (otporniji na umor). Dinamička izdržljivost čelika

može se dodatno poboljšati toplinskom obradom kaljenja i visokotemperaturnog

popuštanja (poboljšavanje). Zbog toga se dijelovi koji nisu izvrgnuti jačem trošenju, a

22

dinamički su visoko opterećeni redovito prethodno poboljšavaju. Svojstva poboljšanog

materijala bit će tim bolja što je veći sadržaj ugljika u čeliku i viši stupanj legiranosti. Vrlo

niska dinamička izdržljivost sivog lijeva rezultat je mikrostrukturnog stanja tj. listića

(lamela) grafita koji djeluju kao koncentratori naprezanja.

Slika 21. Dinamička izdržljivost metalnih materijala

Za metalne materijale, a posebice konstrukcijske čelike, karakteristično je da se

Wöhlerova krivulja asimptotski približava vrijednosti dinamičke izdržljivosti dok kod nekih

polimera i polimernih kompozita to nije slučaj pa se ne može pouzdano utvrdit iznos

dinamičke izdržljivosti, slika 22.

Slika 22. Ponašanje materijala pri dinamičkom opterećenju

Nap

reza

nje,

N/m

m2

Broj promjena opterećenja (log)

Nap

reza

nje,

N/m

m2

Broj promjena opterećenja (log)

Cr-Ni-poboljšan čelik

1,2 %C-poboljšan čelik

opći konstrukcijski čelik-valjan

Al-Cu-legura Cu-vučen, žaren

Sivi lijev

0,53 %C-poboljšan čelik

23

4.5. Lomna žilavost

Jedan od bitnih zahtijeva koji se postavljaju na zrakoplovni materijal jest

otpornost prema pojavi i širenju pukotina. Materijal zrakoplovnih konstrukcija mora biti

otporan na naglo širenje pukotina da bi se izbjegli različiti lomovi i havarije koji u

konačnici mogu uzrokovati neželjeno rušenje zrakoplova. Različite pukotine, ali isto tako

i pogreške u mikrostrukturi materijala predstavljaju mjesta koncentracije naprezanja kada

se uslijed višestrukog porasta naprezanja na tim izdvojenim lokalitetima javlja inicijalna

pukotina koja se vremenom širi (propagira). Osobito je opasno naglo širenje pri kojem

pukotina napreduje velikom brzinom (nestabilno širenje) jer se lom teško može

predvidjeti. Iz tog razloga važno je poznavati veličinu naprezanja oko vrha pukotine ili

nekog mikrostrukturnog koncentratora naprezanja. Polje (raspored) naprezanja oko

pukotine opisuje veličina koja se naziva faktor intenziteta naprezanja i označava sa K.

Faktor intenziteta naprezanja fizikalno predstavlja mjerilo intenziteta porasta naprezanja

u blizini vrha pukotine. Slika 23 prikazuje utjecaj faktora intenziteta naprezanja na brzinu

rasta pukotine. U području I gdje su mala naprezanja oko pukotine vrijednosti faktora

intenziteta naprezanja su niske i pukotina sporo napreduje malom brzinom, ali ona

postepeno raste s prijelazom u II stadij. Pri višim vrijednostima faktora intenziteta

naprezanja u području II započinje stabilno širenje pukotine većom i konstantnom

brzinom. Nestabilno propagiranje u području III označava širenje pukotine velikom

brzinom. Brzina rasta eksponencijalno raste približavanjem točki loma.

Slika 23. Utjecaj faktora intenziteta naprezanja na brzinu širenja pukotine

Faktor intenziteta naprezanja, N/mm3/2

Brz

ina

šire

nja

puko

tine,

mm

/cik

lusu

I II III

24

Prema mogućem načinu otvaranja pukotine, slika 24, razlikuju se faktori

intenziteta naprezanja KI, KII i KIII.

Slika 24. Načini otvaranja pukotine

Modus I ima najveće značenje u praksi posebice kod dijelova s vanjskim i unutarnjim

pukotinama, opterećenih vlačnim ili savojnim opterećenjem, te kod konstrukcija

podvrgnutih unutarnjem pritisku. U slučaju modusa II pukotina se javlja uzdužnim

smicanjem, a kod modusa III poprečnim smicanjem.

Kritična veličina faktora intenziteta naprezanja pri kojem pukotina nastala

jednostavnim otvaranjem (modus I) započinje nestabilno širenje u uvjetima ravninskog

stanja deformacije naziva se lomna ili pukotinska žilavost i označava sa KIC. Pojava

ravninskog stanja deformacije karakteristična je za debelostjene dijelove.

Nestabilno širenje pukotine u uvjetima napetosne korozije nastupa pri kritičnoj

vrijednosti faktora intenziteta naprezanja KISCC (SCC Stress-Corrosion Cracking).

Na temelju vrijednosti lomne žilavosti može se odrediti kritično naprezanje pri

kojem dolazi do loma statički opterećenih dijelova konstrukcija, uzimajući u obzir

pogreške u materijalu nastale tijekom izrade ili eksploatacije. Na taj se način može

provjeriti pouzdanost konstrukcije za poznato naprezanje i veličinu pogreške.

Poznavanjem lomne žilavosti moguće je proračunati i kritičnu veličinu pukotine

(pogreške u materijalu) koja će dovesti do loma pri zadanom naprezanju. Posebnu

primjenu u tom smislu nalazi ova vrijednost kod proračuna elemenata zrakoplovnih

konstrukcija.

Veličina tolerirane pukotine ili pogreške ovisi o omjeru lomne žilavosti i granice

razvlačenja. Što je taj omjer viši, to se dozvoljava veća pukotina bez opasnosti od loma.

Materijali poput legura aluminija odnosno titana i posebno visokočvrstih čelika smiju

sadržati vrlo malu dozvoljenu veličinu pogreške. Visokočvrsti čelici kao što su TRIP i

“maraging“ čelici te niskolegirani poboljšani odnosno precipitacijski očvrsnuti korozijski

postojani čelici (PH-čelici) od kojih se izrađuju visokoopterećene tankostjene konstrukcije

osjetljivi su na propagaciju pukotina, naročito u uvjetima vlačnog opterećenja jer

Modus I Modus II Modus III

25

djelujuća naprezanja lako dosežu kritičan iznos pri kojem se pukotina nestabilno širi.

Stoga se kod materijala osjetljivih na zarezno djelovanje dimenzioniranje i proračun

konstrukcije temelji na lomnoj žilavosti, dok uobičajeni pristup proračunu nosivosti s

pomoću faktora sigurnosti i dopuštenih naprezanja nije prihvatljiv posebice u slučajevima

velikih dimenzija dijela, niske radne temperature, promjenjivog ili udarnog opterećenja te

agresivne okoline. Lomnu žilavost navedenih skupina materijala prikazuje slika 25.

Porastom granice razvlačenja vrijednosti lomne žilavosti se smanjuju, što je istovjetno

odnosu čvrstoće i “klasične“ žilavosti određene po Charpyju (udarni rad loma).

Slika 25: Ovisnost lomne žilavosti i konvencionalne granice razvlačenja

4.6. Otpornost na koroziju

Korozija predstavlja spontano razaranje materijala pod djelovanjem okolnog

medija čime se narušava integritet konstrukcije, tj. njezina mehanička i fizikalna svojstva.

Stoga materijali zrakoplovnih konstrukcija moraju biti postojani na koroziju. Između

više različitih pojavnih oblika korozije posebno su opasne u zrakoplovstvu napetosna

korozija i korozija ljuštenjem.

Napetosna korozija je oblik selektivne korozije koja ne nastupa jednolično po

cijeloj površini već samo lokalno na izdvojenim mjestima. Napetosna korozija javlja se u

uvjetima istovremenog djelovanja agresivnog medija i vlačnog naprezanja. Pod pojmom

Konvencionalna granica razvlačenja, N/mm2

Lom

na ž

ilavo

st K

IC, N

/mm

3/2

TRIP čelici

Čelici maraging

Niskolegiranipoboljšani

čeliciTitanove legure

PH-čelici

Titanove legure

Aluminijskelegure

26

naprezanje podrazumijeva se ono nastalo djelovanjem vanjskih sila, ali i zaostala

naprezanja kao rezultat hladnog oblikovanja deformiranjem, naglog gašenja, zavarivanja

i slično. Stoga ovaj tip korozije najčešće nastupa na hladno deformiranim lokalitetima jer

tamo zaostaju napetosti (zaostala naprezanja) te u okolini zavarenih mjesta gdje su

zaostala naprezanja uvedena grijanjem i hlađenjem. Naprezanja zajedno s djelovanjem

agresivnog medija izazivaju pukotine transkristalnog karaktera, strogo okomite na smjer

naprezanja. Pojavi ove vrst korozije podložniji su materijali veće mehaničke otpornosti.

Za razliku od austenitnih i martenzitnih čelika koji su općenito osjetljivi na napetosnu

koroziju, feritni čelici nisu. Da bi se smanjile predispozicije za pojavu ovog tipa korozije

potrebno je provesti žarenje za redukciju zaostalih naprezanja.

Drugi oblik korozije je ljuštenje materijala kada se na površini stvaraju različiti

produkti kemijskih reakcija u interakciji s okolišem (najčešće oksidi). Ako produkti nisu

dovoljno kompaktni da bi spriječili daljnju difuziju i porast debljine sloja s vremenom

dolazi do ljuštenja uslijed tlačnih naprezanja. Na sloju ispod ponovo se formiraju kemijski

produkti i nakon nekog vremena i taj sloj otpada. Višestruko raslojavanje materijala

prema vani se očituje kao ljuštenje.

4.7. Mehanička otpornost pri povišenim i visokim temperaturama - otpornost na puzanje

Dijelovi zrakoplova kao što su oplata, motor i turbina izloženi su tijekom uporabe

visokim radnim temperaturama. Temperatura može biti i viša od 1000 ºC pa

konstrukcijski materijali moraju zadržati mehaničku otpornost pri tako visokim

temperaturama.

S porastom temperature smanjuje se granica razvlačenja i vlačna čvrstoća, a

istezljivost materijala raste. Snižava se također modul elastičnosti pa je potrebno voditi

računa o krutosti konstrukcije. Osim toga niže su i vrijednosti dinamičke izdržljivosti na

što je također potrebno obratiti pažnju.

Pri visokim temperaturama u uvjetima konstantnog naprezanja može doći do

pojave puzanja materijala. Puzanje je toplinski aktiviran, ireverzibilan proces deformacije

materijala koji nastaje u uvjetima dugotrajnog djelovanja konstantnog opterećenja pri

nekoj povišenoj temperaturi. Otpornost prema puzanju definira granica puzanja i

statička izdržljivost. Granica puzanja Rpε/t/ϑ je ono vlačno naprezanje koje pri

27

temperaturi ispitivanja ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja (t) ostavlja u epruveti

određenu trajnu deformaciju ε. Statička izdržljivost Rm/t/ϑ je vlačno naprezanje koje pri

temperaturi ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja (t) uzrokuje lom epruvete.

Slika 26 prikazuje statičku izdržljivost različitih skupina materijala nakon 10000

sati ispitivanja. Porastom temperature statička se izdržljivost smanjuje i lom nastupa pri

sve nižim naprezanjima. Najmanje otporni puzanju su polimeri koji mogu puzati već na

okolišnoj temperaturi. Otpornost puzanju općenito određuje temperatura tališta i

mikrostrukturno stanje materijala. Tako su primjerice aluminijski materijali koji se tale na

relativno niskoj temperaturi (Tt=660 °C) ograničeno primjenjivi pri povišenim

temperaturama. Otpornost se može dodatno poboljšati legiranjem materijala. Kada je

riječ o čelicima oni se legiraju elementima koji se otapaju u kristalu mješancu i time

smanjuju pokretljivost atoma ili onim legirnim elementima koji tvore teško topive spojeve

(karbide, nitride, intemetalne faze) precipitirane u obliku sitnih čestica koje otežavaju

gibanje dislokacija.

Slika 26. Statička izdržljivost materijala

Legure na osnovi nikla odnosno kobalta poznate kao superlegure, te osobito metali i

legure visokog tališta (W, Ta, Nb, Mo, Cr) odnosno metalni kompoziti predstavljaju

materijale izrazito otporne na puzanje.

Za visokotemperaturne primjene podesna je i konstrukcijska keramika zahvaljujući

visokoj temperaturi tališta i kovalentnim vezama između atoma. Značajnu primjenu u tom

smislu nalazi neoksidna keramika visoke čvrstoće, tvrdoće i krutosti, slika 27. Neoksidna

keramika poput vruće prešanog silicijeva nitrida (HPSN), silicij-aluminij-oksinitrida

Stat

ička

izdr

žljiv

ost (

Rm

/100

00),

N/m

m2

Temperatura, °C

28

(SIALON), vruće prešanog silicijeva karbida (HPSiC) te reakcijski povezanog silicijeva

karbida (RBSiC) izdržava temperature do 1200 °C i više. Karbidnu keramiku u pravilu

obilježava izvanredna mehanička otpornost pri visokim temperaturama. U tom pogledu

keramički materijali su u znatnoj prednosti pred metalima pa čak i superlegurama, no

kod keramike se javlja problem velike krhkosti pri nižim temperaturama.

Slika 27. Ovisnost savojne čvrstoće neoksidne keramike o temperaturi

Temperaturna područja primjene metalnih i nemetalnih materijala različitog

omjera čvrstoće i gustoće ilustrira slika 28.

Slika 28. Područja radnih temperatura nekih metalnih i nemetalnih materijala

Aluminijske legure relativno niske specifične čvrstoće mogu se koristiti do najviše

150...200 °C. Za primjene u području viših temperatura prednost se daje titanovim

materijalima koji su postojani do temperature 500 °C ako se radi o α legurama. Zbog

Om

jer č

vrst

oća/

gust

oća

Temperatura, °C

Sav

ojna

čvr

stoć

a, N

/mm

2

Temperatura, °C

α-SiC - α-silicijev karbid HPSiC - vruće prešan silicijev karbid HPSN - vruće prešan silicijev nitrid RBSiC - reakcijski povezan silicijev karbidRBSN - reakcijski povezan silicijev nitrid SIALON - silicij-aluminij-oksinitrid

SIALON

Ni-Cr superlegure

HPSN

α-SiC

HPSiC

RBSiC

RBSN

SIALON

29

slabe toplinske postojanosti polimerne matrice polimerni su kompoziti (PMC), inače

povoljnog omjera čvrstoće i gustoće, u pravilu primjenjivi do temperature 250 °C. Stoga

su kompoziti metalne matrice (MMC) u znatnoj prednosti, posebice ukoliko je riječ o

visokotemperaturnim metalnim kompozitima. Ugljik-ugljik kompoziti, relativno nova

skupina kompozitnih materijala, primjenjivi su u području najviših temperatura.

4.8. Specifična čvrstoća i specifična krutost Specifična čvrstoća i specifična krutost (specifični modul elastičnosti) predstavljaju

izvedena svojstva materijala definirana s obzirom na gustoću. Specifična čvrstoća krhkih

materijala prikazuje se omjerom čvrstoće i gustoće, a duktilnih materijala omjerom

granice razvlačenja i gustoće. Za zrakoplovne materijale koji općenito moraju biti što

čvršći i što krući te ujedno i što manje mase zahtjeva se visoka specifična čvrstoća i

visoka specifična krutost. Specifična krutost iskazana je omjerom modula elastičnosti

(E) i gustoće (ρ), a ovisno o načinu opterećenja i obliku dijela može se definirati i kao

E1/3/ρ. Na slici 29 uspoređena je specifična krutost i specifična čvrstoća nekih metala i

kompozita.

Slika 29. Usporedba specifičnog modula elastičnosti i

specifične čvrstoće metala i kompozita

Metali su općenito niže specifične krutosti i specifične čvrstoće naspram kompozita. Dok

je specifična krutost aluminija, čelika i titana gotovo podjednaka specifična čvrstoća je

najveća kod titanovih materijala, a najmanja za aluminij. Čvrstoća i krutost kompozita

kada se razmatraju u odnosu na gustoću, iako variraju u širokom području kao rezultat

Spe

cifič

na č

vrst

oća,

⋅106

m2 s-1

Specifična krutost, ⋅108 m2s-1

30

različitih vrsta materijala matrice i ojačala u principu su povoljniji nego za metale,

posebno kod kompozita metalne matrice.

4.9. Sigurnost

Kako je već istaknuto materijali zrakoplovnih konstrukcija moraju biti čvrsti i

otporni na pojavu plastične (trajne) deformacije (visoka konvencionalna granica

razvlačenja, Rp0,2) kao i na širenje pukotina (visoka lomna žilavost, KIC). Budući da se

radi o oprečnim svojstvima koja su u obrnuto proporcionalnom odnosu (visoka granica

razvlačenja - niska lomna žilavost i obrnuto), sigurnost ili pouzdanost konstrukcijskog

dijela iskazuje se kroz umnožak vrijednosti ova dva svojstva (Rp0,2 ⋅KIC).

31

5. VRSTE ZRAKOLOPLOVNIH MATERIJALA

Današnji zrakoplov se sastoji od velikog broja dijelova načinjenih od različitih

materijala – metala, polimera, kompozita, keramike i dr., slika 30.

Od metalnih materijala prevladavaju aluminijske legure iz grupe durala i konstruktala

koje se koriste za izradu najvećeg dijela oplate trupa i krila zrakoplova, dok se određeni

dijelovi motora mehanički i toplinski visokoopterećeni rade od titanovih legura visoke

specifične čvrstoće. Primjena čeličnih materijala u zrakoplovstvu uvjetovana je nizom

prednosti od kojih su najvažnije: raspoloživost sirovina, povoljna cijena, mogućnost

modificiranja svojstava i veliko iskustvo u radu s ovim materijalom. Pretežno su

upotrebljavaju specijalne vrste kao što su visokočvrsti odnosno nehrđajući čelici.

Primjena visokočvrstih čelika ograničena je za visokoopterećene dijelove pouzdanih

konstrukcija (zupčanici, nosivi sklop kotača, osovina helikoptera i sl.) koji svojim

dimenzijama moraju biti što manje mase. Legure bakra, osobito bronce, namijenjene su

za prijenosnike (zupčanike), dok je olovna i olovnokositrena bronca, izvanredne

otpornosti na trošenje i velike otpornosti na zaribavanje specijalno namijenjena za klizne

ležajeve. Niklove i kobaltove superlegure zahvaljujući dobroj toplinskoj postojanosti pri

visokim temperaturama primjenjive su za dijelove poput zrakoplovne plinske turbine. Za

specifične visokotemperaturne primjene rabe se i intermetalni spojevi, visoke čvrstoće i

krutosti te visoke otpornosti oksidaciji pri temperaturama preko 1100 ºC. Magnezijske

legure općenito male mase i velike sposobnosti prigušenja vibracija koriste se npr. za

TiV10Fe2Al3 Al 2xxx-T3, -T42, -T36Al 7055-T77 Al 7150-T77 TiAl6V4 ELI TiV15Cr3Al3Sn3 TiMo15Nb3Al3Si TiAl6Sn2Zr4Mo2

Legure:

Kompoziti: Ugljičnim vlaknima ojačani polimeri

Slika 30. Konstrukcijski materijali zrakoplova Boeing 777

32

izradu pilotskog sjedala (slika 31) dok su određene legure vrlo dobre livljivosti posebno

namijenjene za tlačni lijev (slika 32).

Slika 31. Pilotsko sjedalo Slika 32. Tlačni odljevak za borbeni zrakoplov

Premda su metalni materijali koji su razvijani i poboljšavani dugi niz godina s ciljem

kontinuiranog unapređenja karakteristika zrakoplova još uvijek nezamjenjivi u

zrakoplovnim konstrukcijama s brojnim primjerima primjene značajne prednosti koje

pružaju nemetalni materijali poput keramike, polimera i kompozita, koje danas nisu još u

potpunosti iskorištene, daljnjim će produbljivanjem spoznaja i njihovim razumijevanjem

doprinijeti će sve većoj ulozi ovih materijala. Područje uporabe konstrukcijske keramike

određeno je dominantnim uvjetima u eksploataciji kao i osobitim svojstvima ove skupine

materijala. Danas se nastoje poboljšati nepovoljna svojstva keramike (visoka krhkost,

niska vlačna čvrstoća, slaba reproducibilnost kvalitete i dr.) i proširiti područje primjene

od uvjeta rada gdje se tehnička keramika ponajprije koristi, određenih djelovanjem

agresivnog medija i visokih temperatura, do mehanički i posebice tribološki opterećenih

dijelova. Polimerni materijali su zahvaljujući maloj gustoći, korozijskoj postojanosti i

velikoj trajnosti primjenjivi za unutrašnje uređenje zrakoplova, ali i kao pjenasti (porozni)

materijal za zvučnu i toplinsku izolaciju te u izradi suvremenih polimernih kompozita.

Među polimernim kompozitima prevladavaju oni epoksidne matrice ojačane staklenim ili

ugljičnim vlaknima. Radi se o laminiranim (slojevitim) strukturama namijenjenim izradi

oplate zrakoplova. Za specifične radne uvjete razvijene su i druge vrste kompozitnih

materijala kao što su "glare" laminati te kompozitni sendviči s jezgrom u obliku pčelinjeg

saća odnosno specijalne vrste metalnih ili keramičkih kompozita čija su svojstva

posebno prilagođena određenoj namjeni. Danas se kompoziti koriste u izradi sve

složenijih konstrukcijskih elemenata, te njihov značaj raste ne samo kao rezultat

poboljšanja svojstava, već i ljudske domišljatosti i iznalaženja brojnih novih područja

primjene gdje kompoziti predstavljaju uspješnu alternativu klasičnim materijalima.

33

6. MEHANIZMI OČVRSNUĆA Poznato je nekoliko mehanizama ili načina na koje je moguće očvrsnuti metalne

materijale. Svi mehanizmi očvrsnuća temelje se na stvaranju prepreka u mikrostrukturi

materijala koje otežavaju gibanje dislokacija. Time se otežava plastično tečenje

materijala što se prema vani očituje povišenjem granice razvlačenja dok vlačna čvrstoća

ne mora nužno rasti. Kod očvrsnuća je potrebno postići optimalni kompromis između

granice razvlačenja (čvrstoće) i duktilnosti materijala te je zato dislokacije potrebno

učiniti teško pokretnim, ali ne i posve nepokretnim.

Osnovni mehanizmi očvrsnuća (povišenja granice razvlačenja) jesu sljedeći:

1. Očvrsnuće kristalima mješancima (očvrsnuće legiranjem) Ovaj mehanizam otežavanja kretanja dislokacija temelji se na postojanju

točkastih zapreka - atoma legirnih elemenata otopljenih u rešetci osnovnog metala,

čime nastaju intersticijski ili supstitucijski kristali mješanci.

U slučaju legiranja čistog željeza značajna je razlika u djelovanju intersticijskih

elemenata (npr. ugljik, fosfor, dušik) u odnosu na supstitucijske (npr. molidben i krom).

Intersticijski elementi uzrokuju jako očvrsnuće, ali i veliku krhkost. Zato su nužni i

supstitucijski dodaci među kojima dovoljnu žilavost pružaju mangan i nikal. Stoga na

porast čvrstoće čelika najjače djeluje povišenje masenog udjela ugljika, a povoljno je i

djelovanje dušika, no time opadaju svojstva duktilnosti.

Od svih načina očvrsnuća ovaj daje najmanje efekte.

2. Očvrsnuće martenzitnom tranasformacijom Martenzitnu transformaciju kod čelika i željeznih ljevova obilježava preklopna

pretvorba austenita u martenzit koja uzrokuje očvrsnuće uslijed:

- stvaranja kristala mješanaca - prisilno otapanje ugljika u α-željezu (točkaste

zapreke). Prisilna otopina ugljika u α-željezu (martenzit) postiže se brzim

ohlađivanjem - gašenjem (u vodi, ulju itd.) kojim se sprečava difuzija ugljika

prethodno otopljenog u γ-željezu (austenit). Martenzit ima visoku čvrstoću

zahvaljujući tetragonalnoj distorziji rešetke α-željeza (transformacija BCC u

BCT rešetku) uslijed intersticijskog ulaza atoma ugljika, ali i zbog

- povećanja gustoće dislokacija izvitoperenjem kristalne rešetke (očvrsnuće

umnažanjem dislokacija, linijskih zapreka).

34

Martenzitnom transformacijom povisuje se tvrdoća i čvrstoća, ali pada istezljivost i

žilavost pa je nužno dodatno provesti popuštanje.

3. Očvrsnuće hladnom deformacijom

Hladnim plastičnim oblikovanjem u materijal se unose nove dislokacije te se ovaj

mehanizam također temelji na povišenju gustoće dislokacija (linijskih zapreka) koje

u interakciji s već postojećim dislokacijama otežavaju gibanje. Što je viši stupanj

deformacije veća je gustoća dislokacija i više su vrijednosti granice razvlačenja, ali se

time znatno smanjuje žilavost materijala. Stoga je ovaj mehanizam vrlo učinkovit s

obzirom na iznos očvrsnuća, ali ako se pri unošenju novih dislokacija njihova gustoća

približi graničnoj nastupa koncentracija naprezanja koja vodi pojavi pukotina i loma. Na

ovaj način posebno su očvrstljivi metali i legure s kubičnom plošno centriranom

strukturom (npr. austenitni čelici, α-aluminijske i bakrene legure).

4. Očvrsnuće granicama zrna (usitnjenjem zrna)

Mehanizam kočenja gibanja dislokacija pomoću granica zrna (površinskih zapreka) nije najefikasniji s obzirom na stupanj očvrsnuća, ali je najprikladniji jer uz

umjereno očvrsnuće izaziva sniženje prelazne temperature i povisuje žilavost. Djelovanje granica zrna je povoljnije u odnosu na ostale vrste zapreka zbog toga

što je broj dislokacija koje se gomilaju na velikokutnim granicama zrna ograničen i prije

nego što se dostigne kritična gustoća koja bi mogla uzrokovati nastanak inicijalne

mikropukotine dolazi do procesa sklizanja dislokacija preko granice u drugo zrno ako je

ono povoljno orijentirano. Stoga su učinkovitija sitnija zrna jer je time veća vjerojatnost

povoljne orijentacije susjednih zrna.

Usitnjenje zrna se obično kombinira s ostalim načinima očvrsnuća.

5. Očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom) i disperzijom faza Radi se izlučivanju prostornih zapreka gibanju dislokacija kao što su precipitati

intermetalnih spojeva (npr. Ni3Al, Ni3Ti), dispergirane čestice u obliku karbida i

nitrida (npr. VC, Mo2C, W6C, VN) te prijelazne faze iz homogene mikrostrukture (kod

Fe-materijala iz ferita, austenita ili martenzita). Ove faze nastaju kada se prekorači

granica topljivosti atoma legirnih elemenata u rešetci osnovnog metala. Njihovo

djelovanje ogleda se kroz raspodjelu i vrstu (koherentne ili nekoherentne čestice), srednji

35

promjer i međusobnu udaljenost. Nailaskom na ove faze dislokacije ih mogu odrezati ili

zaobići (slika 33) na što se troši određena energija pri djelovanju vanjskog opterećenja,

energija koja bi se inače utrošila na deformaciju.

a) b)

Slika 33. Shematski prikaz mehanizma precipitacijskog očvrsnuća

a) tvrdi precipitati – dislokacija zaobilazi čestice (jako očvrsnuće);

b) meki precipitati – odrez čestica (slabije očvrsnuće)

Za precipitacijsko očvrsnuće povoljnije je prisustvo što većeg broja sitnih tvrdih čestica

koje dislokacije ne mogu odrezati već ih zaobilaze tako da se pod djelovanjem smičnog

naprezanja τ dislokacija najprije progiba između dvije čestice i potom formira

dislokacijske prstene oko precipitata i time nastavlja svoje gibanje.

Očvrsnuće materijala u principu rijetko uzrokuje samo jedan mehanizam, nego

dva ili više njih. Međutim njihov ukupni efekt na očvrsnuće nije uvijek jednak zbirnom

učinku pojedinih mehanizama.

Sm

jer g

iban

ja

disl

okac

ije τ τ

36

7. VISOKOČVRSTI ČELICI

Visokočvrsti (ultračvrsti) čelici jesu čelici visoke mehaničke otpornosti s granicom

razvlačenja preko 1000 N/mm2. Očvrsnuti su kombinacijom različitih mehanizama:

usitnjenjem zrna, martenzitnom transformacijom, precipitacijom, deformacijom.

Jedno od glavnih područja primjene ultračvrstih čelika je gradnja zrakoplova te

raketna i svemirska tehnika i to zbog boljeg iskorištenja materijala i mogućnosti izvedbe

lakih konstrukcija. Tako npr. nosači uređaja za slijetanje zrakoplova, poprečne spojnice

nosača kotača zrakoplova, tlačni spremnici goriva itd. trebaju imati vlačnu čvrstoću od

1400 do 2400 N/mm2 uz što manje dimenzije, a time i masu.

Razvoj ultračvrstih čelika obuhvaća i istovremeno postignuće drugih važnih

svojstava kao što su:

- dovoljna duktilnost i otpornost na krhki lom;

- niska prijelazna temperatura;

- dobra lomna žilavost;

- dovoljna otpornost na umor i niska zarezna osjetljivost;

- zadovoljavajuća korozijska postojanost;

- čvrstoća pri povišenim i visokim radnim temperaturama;

- laka rezljivost (obradljivost odvajanjem čestica);

- zadovoljavajuća zavarljivost.

Proizvodnja ovih čelika je skuplja u odnosu na druge vrste jer se primjenjuju

posebne metode pretaljivanja i pročišćavanja, te toplinske i termomehaničke obrade

kako bi se postigla visoka čistoća čelika, s malim udjelima neželjenih primjesa i

uključaka, te homogena sitnozrnata mikrostruktura. Stoga je njihova primjena opravdana

samo za dijelove visokoopterećenih, pouzdanih konstrukcija.

Ultračvrsti čelici mogu se svrstati u sljedeće skupine:

1. niskolegirani niskopopušteni čelici; 2. visokolegirani Cr-Mo-V visokopopušteni čelici; 3. termomehanički obrađeni čelici; 4. korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici; 5. čelici "maraging";

6. hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici.

37

7.1. Niskolegirani niskopopušteni čelici

Čelici iz ove skupine legirani su silicijem ili niklom te kombinacijama krom-

molibden-vanadij. Značajka je toplinske obrade ovih čelika srednjetemperaturno

popuštanje koje se inače ne preporuča zbog pojave niskotemperaturne krhkosti. Silicij

pomiče područje niskotemperaturne krhkosti k višim temperaturama (>400 °C) i time

omogućuje popuštanje pri temperaturi oko 300 °C bez opasnosti od krhkosti. Osim toga

silicij djeluje i neposredno na povišenje granice razvlačenja. U čelicima bez silicija

dovoljnu žilavost, unatoč srednjetemperaturnom popuštanju, osigurava sadržaj nikla

odnosno istovremena kombinacija udjela kroma, molibdena i vanadija.

Radi se o čelicima koji imaju nisko- ili srednjepopušteni martenzit, no dobra se

mehanička svojstva postižu i izotermičkim poboljšavanjem na bainitnu mikrostrukturu pri

temperaturi 250 do 350 °C.

Zbog postizanja dovoljne lomne žilavosti i dinamičke izdržljivosti čelici moraju biti

visoke čistoće. Vrijednosti granice razvlačenja sežu do 2000 N/mm2.

Tipični primjeri primjene ove skupine čelika ograničeni su na one slučajeve kada

se traži mala masa, tj. za lake konstrukcije kao što su:

- visokotlačni spremnici u transportnim zrakoplovima;

- visokonapregnute konstrukcije trupa zrakoplova;

- dijelovi tijela svemirskih raketa;

- dijelovi rampi za lansiranje.

7.2. Visokolegirani Cr-Mo-V visokopopušteni čelici

Radi se o čelicima sastava: ≈0,4 % ugljika, ≈1 % silicija, ≈5 % kroma, 1,3 do 2 %

molibdena i 0,4 do 1,0 % vanadija. Toplinski se obrađuju kaljenjem i

visokotemperaturnim popuštanjem. Prema sastavu i načinu toplinske obrade poznati su i

kao alatni čelici za topli rad. Najpoznatija vrsta je čelik oznake X37CrMoV5-1.

Nakon kaljenja ovi čelici sadrže visok udjel zaostalog austenita koji se

popuštanjem pri temperaturi 500 do 550 °C raspada i izlučuju se karbidi popuštanja tipa

Cr7C3, Mo2C, VC, V4C3. Time se snižava sadržaj ugljika i legirnih elemenata u austenitu

čime se podižu temperature martenzitne pretvorbe i hlađenjem s temperature

popuštanja zaostali se austenit transformira u sekundarni martenzit. Tako iz jedne

38

relativno mekane faze kao što je austenit nastaju bitno tvrđe faze (karbidi popuštanja,

sekundarni martenzit) koje uzrokuju povišenje tvrdoće u odnosu na tvrdoću nakon

kaljenja. Ovaj porast tvrdoće poznat je kao "sekundarno otvrdnuće".

Na efekt otvrdnuća učinkovito djeluju legirni elementi molibden, vanadij i volfram,

dok krom, iako izaziva određeno otvrdnuće, njegovi karbidi popuštanja brzo koaguliraju i

time mu utjecaj slabi. Udjel kroma ponajprije osigurava prokaljivost pa se kod ovih čelika

postiže dobra prokaljenost i u slučaju dijelova velikih dimenzija (promjera i do 300 mm).

Čelici ove skupine primjenjivi su za dugotrajni rad na povišenim temperaturama

koje moraju biti niže od temperature popuštanja.

Maksimalne vrijednosti vlačne čvrstoće ovih čelika su oko 2000 N/mm2. Do tih

vrijednosti dinamička izdržljivost iznosi ≈50 % vlačne čvrstoće, dok se iznad 2000 N/mm2

omjer Rd/Rm naglo smanjuje.

Negativna strana ovih, ali gotovo i svih drugih visokočvrstih čelika je njihova

zarezna osjetljivost pa treba voditi računa o čistoći materijala i neoštećenosti površine.

7.3. Termomehanički obrađeni čelici

Termomehanički obrađeni čelici jesu čelici već postojećih sastava obrađeni

kombinacijom postupaka mehaničke (oblikovanje deformiranjem) i toplinske obrade

(kaljenje, izotermičko poboljšavanje) u svrhu istovremenog postizanja visoke granice

razvlačenja i vlačne čvrstoće uz relativno dobru plastičnost (duktilnost) odnosno visoku

sigurnost od krhkog loma.

Deformiranje se može odvijati prije ili za vrijeme transformacije mikrostrukture

(termomehanička obrada) odnosno nakon faznih pretvorbi (mehanotermička obrada).

Termomehaničkom obradom kaljivih čelika do očvrsnuća dolazi zbog:

- povećavanja gustoće dislokacija pri oblikovanju austenita i pri njegovoj

pretvorbi u martenzit;

- promjene sastava i morfologije martenzita;

- stvaranja razgranate mreže granica podzrna u toplo deformiranom austenitu i

njihovog prijelaza u martenzit pri kaljenju;

- izlučivanja sitnih jednolično raspoređenih karbida tijekom popuštanja.

39

Očvrsnuće precipitacijski očvrstljivih čelika ostvaruje se kroz slične

mehanizme, uz dodatan efekt uzrokovan izlučivanjem intermetalnih faza tijekom

dozrijevanja (starenja). Stoga se ovi čelici obrađuju jednim od sljedećih postupaka:

- rastvornim žarenjem + oblikovanjem + gašenjem + dozrijevanjem;

- potpunom toplinskom obradom (rastvornim žarenjem, gašenjem i

dozrijevanjem) + oblikovanjem;

- rastvornim žarenjem + gašenjem + oblikovanjem + dozrijevanjem.

Danas se primjenjuju sljedeće termomehaničke ili mehanotermičke obrade:

1. ausforming postupak;

2. postupak TRIP (engl. Transformation Induced Plasticity);

3. perliforming postupak;

4. isoforming postupak;

5. marforming postupak.

7.3.1. Postupak ausforming

Za ovu obradu prikladni su čelici sa što duljim vremenom inkubacije pothlađenog

austenita tj. sa što većim područjem tromosti metastabilnog austenita na pretvorbu, slika

34.

Slika 34. Ausforming postupak u TTT dijagramu

Tem

pera

tura

Vrijeme

gašenje

ε=40-80 %

Ms≈200 °C

Ac3 A+K

A

M

40

Austenitizirani čelik hladi se do temperature gdje je vrijeme inkubacije najduže (obično

između 350 i 600 °C), plastično deformira pri toj temperaturi (tzv. regulirano valjanje) i

nakon toga gasi da bi se inducirala pretvorba u martenzit. Očvrsnuće nastupa zbog

velike gustoće dislokacija unesenih deformacijom koje ostaju prisutne i nakon pretvorbe

u martenzit. Stupanj oblikovanja optimalno iznosi ≈70 %.

Ovaj je postupak primjenjiv na mnogobrojne vrste čelika, od onih za poboljšavanje

do visokolegiranih (brzoreznih) čelika.

Nakon ausforming obrade granica razvlačenja raste za otprilike 30 % i seže do

2600 N/mm2 uz vlačnu čvrstoću do 3000 N/mm2, a da se pri tome se ne pogoršava

istezljivost koja iznosi do 20 %. Ovom obradom također se povisuje i dinamička

izdržljivost koja se kreće u rasponu 35 do 40 % vlačne čvrstoće uz istovremeno visoku

lomnu žilavost.

Slika 35 prikazuje efikasnost ausforminga na primjeru ležaja mlaznog zrakoplova

čija se trajnost može znatno povećati, posebno kod viših stupnjeva deformacije.

Slika 35. Utjecaj ausforming obrade na trajnost ležaja mlaznog motora

7.3.2. Postupak TRIP

Postupak TRIP sličan je ausforming obradi samo što se očvrsnuti austenit ne

transformira u martenzit gašenjem već djelovanjem plastične deformacije. Primjenjuje

za austenitne čelike precizno reguliranog sastava (tzv. TRIP čelici) kod kojih je moguća

pretvorba prethodno precipitacijski očvrsnutog austenita u deformacijski martenzit valjanjem pri okolišnoj temperaturi, slika 36.

Broj okretaja, ⋅106

100

50

30

20

10

5

3

2

1

Udj

el n

eisp

ravn

ih le

žaja

, %

klasična toplinska obrada

ausforming obrada, ε=40 % ausforming obrada, ε=70 % ausforming obrada, ε=80 %

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

41

Slika 36. Postupak TRIP

Precizno reguliran kemijski sastav ovih čelika osigurava da je Md temperatura (najviša

temperatura pri kojoj može nastupiti deformacijom inducirana martenzitna

transformacija) niža od temperature plastičnog oblikovanja čime se omogućuje

deformiranje pri temperaturi ≈500 °C bez opasnosti od stvaranja deformacijskog

martenzita. Uz to temperatura Ms mora biti niža od okolišne da pri gašenju ne bi nastao

toplinski induciran martenzit. Ugrijavanjem austenita nakon rastvornog žarenja na

temperaturu višu od Md i njegovim oblikovanjem on očvršćuje uslijed precipitacije i

umnažanja dislokacija. Time se povisuje Md temperatura i snižava Ms temperatura. Dalje

očvrsnuće ostvaruje se kroz postupak hladnog oblikovanja na temperaturi između Md i

Ms (tzv. "zerolling" valjanje) kada se dislokacijski i precipitacijski otvrdnuti austenit

transformira u martenzit.

Deformacijski martenzit može se javiti i tijekom eksploatacije, ako je radna

temperatura veća od Ms i manja od Md, te ako je naprezanje veće od granice razvlačenja

austenita, dakle tek ako je strojni dio plastično deformiran što je naravno rijedak slučaj u

praksi.

Optimalni je sastav ovih čelika: >0,2 % ugljika, 16 do 20 % kroma, 8 do 12 % nikla

i eventualno do 4 % molibdena.

T

empe

ratu

ra

Vrijeme

Deformacijski martenzit

Područje radnih temperatura

Precipitacijski očvrsnuti austenit “Zerolling“

valjanje

Precipitacijski očvrsnuti austenit

Austenit

Gašenje

Rastvorno žarenje

Md

Ms

Md'

Ms'

42

7.3.3. Postupak perliforming

Perliforming je postupak mehanotermičke obrade, deformiranja u

temperaturnom području perlita nakon njegove kontinuirane ili izotermičke pretvorbe iz

austenita, slika 37. Očvrsnuće perlita ostvaruje se toplim deformiranjem pri temperaturi

500 do 700 °C.

Slika 37. Perliforming postupak u TTT dijagramu

a) nakon kontinuiranog gašenja

b) nakon izotermičke pretvorbe

Ovaj se postupak primjenjuje za konstrukcijske nelegirane ili legirane čelike

podeutektiodnog ili eutektoidnog sastava.

Očvrsnuće je u odnosu na “klasične” feritno perlitne strukture tim jače, što je niža

temperatura oblikovanja i viši stupanj deformacije. Deformiranu strukturu perlita

karakterizira nestanak lamela cementita koje prelaze u globule, te nastanak sitne

poligonalne podstrukture ferita čija zrna poprimaju dimenzije reda veličine 1 μm.

7.3.4. Postupak isoforming

Isoforming postupak sadrži deformiranje pri konstantnoj temperaturi (500 do 700

°C), i to prije, za vrijeme i nakon fazne pretvorbe austenita u perlit, slika 38.

a) b)

Ms

A1

A3

Tem

pera

tura

Vrijeme

A

Oblikovanje 500 do 700 °C

A1

A3

Tem

pera

tura

Oblikovanje 500 do 700 °C

A

Vrijeme

43

Slika 38. Isoforming postupak u TTT dijagramu

Oblikovanje prije početka austenitno perlitne transformacije je najefikasnije s obzirom na

očvrsnuće, a najmanje je učinkovito ono tijekom same pretvorbe. Ukupni stupanj

deformacije kreće se oko 70 %, s time da u zadnjem stadiju oblikovanja iznosi 40 do 50

%. Optimalna temperatura isoforminga je oko 600 °C.

Struktura isoforming obrađenog čelika slična je onoj kod perliforminga. Lamele

cementita djelomično prelaze u globule očvršćujući poligonalnu podstrukturu ferita. Što je

struktura sitnija tim su svojstva čvrstoće i duktilnosti bolja.

7.3.5. Postupak marforming

Kod marforming obrade deformira se martenzitna mikrostruktura između dva

popuštanja zakaljenog čelika (deformacijsko popuštanje), slika 39, ili tijekom popuštanja

(dozrijevanja) zakaljenog čelika (dinamičko deformacijsko starenje), slika 40.

Slika 39. Postupak marforming – Slika 40. Postupak marforming–

deformacijsko popuštanje dinamičko deformacijsko starenje

A1

A3 A

Tem

pera

tura

Vrijeme

Vrijeme Vrijeme

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

kaljenje kaljenje

popuštanje popuštanje popuštanje

150 do 300 °C 150 do 300 °C

150 do 300 °Cε=0,5 do 5 %

ε=0,5 do 5%

44

Razlika između ovih varijanti je u tome što se pri deformacijskom popuštanju oblikovanje

provodi na okolišnoj temperaturi između dva popuštanja, a kod dinamičkog

deformacijskog starenja istovremeno s popuštanjem. Oba postupka uzrokuju znatno

povišenje granice razvlačenja uz neznatno sniženje istezljivosti.

7.4. Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici

Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici (PH – čelici, engl. Precipitation

Hardenable ili Precipitation Hardened) jesu čelici visoke granice razvlačenja uz

istovremeno visoku korozijsku postojanost.

Njihovim razvojem došla je do izražaja spoznaja o štetnom djelovanju ugljika pa

su to čelici sa vrlo niskim sadržajem ugljika i visokim stupanjem legiranosti. Dodatno

očvrsnuće, osim kristalima mješancima i dislokacijama, ostvaruje se precipitacijom

intermetalnih spojeva.

S obzirom na mikrostrukturu prije precipitacije razlikuju se sljedeće skupine čelika:

- martenzitni PH-čelici;

- poluaustenitni PH-čelici;

- austenitni PH-čelici.

Martenzitni PH-čelici pored niskog masenog udjela ugljika (≈0,05 %) sadrže

visoke udjele kroma (14 do 17 %) i nikla (4 do 6 %) uz dodatak bakra (≈3 %), molibdena

i eventualno niobija (<0,4 %) i aluminija.

Da bi se postigla visoka granica razvlačenja i vlačna čvrstoća ove čelike treba

rastvorno žariti pri temperaturi ≈1050 °C gasiti u ulju ili na zraku, te umjetno dozrijevati

pri 400 do 600 °C. Gašenjem na okolišnu temperaturu transformira se 90 do 95 %

austenita u martenzit, a zaostali austenit pretvorit će se u martenzit tijekom hlađenja s

temperature dozrijevanja. Unutar martenzitne matrice dozrijevanjem se izlučuju sitni

precipitati bakra koji dodatno očvršćujuću osnovnu strukturu martenzita.

Postizive vrijednosti granice razvlačenja sežu do 1350 N/mm2.

Poluaustenitni PH-čelici imaju sličan osnovni sastav kao martenzitni PH-čelici.

Sadrže 0,05 do 0,1 % ugljika, 13 do 17 % kroma, 7 do 9 % nikla te neke od dodataka:

molibden, titan, aluminij, vanadij i dušik.

45

U gašenom stanju ovi čelici imaju austenitno-feritnu mikrostrukturu koja je dobro

obradljiva odvajanjem čestica. Austenit kojeg u strukturi ima 60 do 90 % pretvara se u

martenzit na jedan od sljedećih načina:

a) ohlađivanjem s temperature žarenja pri čemu nastaje sekundarni martenzit;

b) hladnim oblikovanjem kada se formira deformacijski martenzit;

c) dubokim hlađenjem (ispod temperature Mf).

Destabilizacija austenita obično se provodi žarenjem (pri 920 do 960 °C ili 720 do

760 °C) koje omogućuje izlučivanje Cr23C6 karbida iz austenita. Time austenit

osiromašuje kromom i ugljikom uslijed čega dolazi do porasta Ms temperature te se

hlađenjem s temperature žarenja austenit transformira u sekundarni martenzit slično kao

u završnom stadiju popuštanja. Postupak nastanka martenzita destabilizacijskim

žarenjem učinkovitiji je nego niskotemperaturno gašenje jer se transformira gotovo sav

austenit, dok kod dubokog hlađenja to nije slučaj. Destabilizacija austenita hladnim

deformiranjem rezultira formiranjem deformacijskog martenzita, ako je oblikovanje

provedeno ispod Md temperature, što je za ove visoko legirane čelike gotovo uvijek

slučaj. Naravno, nakon destabilizacije austenita i njegove pretvorbe u martenzit potrebno

provesti dozrijevanje. Tijekom dozrijevanja najprije u feritu, a zatim u martenzitu izlučuju

se precipitati: Ni3Al, Ni3Ti, Fe2Mo, VN, ovisno o sastavu čelika.

Vrijednosti granice razvlačenja ovih čelika iznose do 1800 N/mm2, ovisno o

temperaturi dozrijevanja.

Austenitni PH-čelici su niskougljični (≤0,10 % ugljika) visokolegirani s kromom

(14 do 18 %) i niklom (≥25 %), uz dodatak jednog ili više elemenata: molibdena (1 do 2,5

%), titana (<2 %), bakra (<3 %), aluminija (<0,35 %), niobija (<0,45 %), fosfora (<0,25

%), vanadija, mangana, silicija i dušika.

Toplinski se obrađuju rastvornim žarenjem pri temperaturi 950 do 1200 °C i

dozrijevanjem pri 700 do 800 °C u trajanju od 15 do 20 sati.

Kako kod ovih čelika nema pretvorbe austenita u martenzit zbog vrlo niske Ms

temperature, dozrijevanjem se postiže relativno skromno očvrsnuće (Rp0,2 do 900

N/mm2) i to pretežno precipitacijom koherentne faze Ni3Al koja se vrlo brzo izlučuje te

nekoherentne faze Ni3Ti koja se izlučuje sporije, dijelom i po granicama zrna, a djeluje

jako očvršćujuće, ali povećava krhkost pa se sadržaj titana zato ograničava na

46

maksimalno 2 %. U manjoj mjeri izlučuju se i sljedeće faze: FeCr, FeMo, Fe2Mo,

Fe36Cr12Mo10, Cr2N, VC i VN, ovisno o kemijskom sastavu čelika.

Unatoč postojanju precipitata, austenitni čelici su visoko otporni na opću koroziju

nakon dozrijevanja, ali nisu postojani na napetosnu koroziju.

Ovi čelici su prikladni za primjenu pri niskim temperaturama jer zbog austenitne

mikrostrukture nisu osjetljivi na gubitak žilavosti sniženjem temperature.

Najpoznatiji austenitni PH-čelik X5NiCrTi26-15 primjenjiv je i za rad pri visokim

temperaturama (do 700 °C) u uvjetima dugotrajnog vlačnog opterećenja.

7.5. Čelici "maraging"

Čelici "maraging" čiji naziv dolazi iz engleskog "martensit aging" (dozrijevanje

martenzita) zadovoljili su već 60-tih godina XX stoljeća zahtjeve za:

- visokim vrijednostima vlačne čvrstoće i granice razvlačenja;

- dobrim plastičnim svojstvima;

- osrednjom postojanošću pri niskim (ispod 0 °C) i povišenim temperaturama

(najmanje do 300 °C);

- dobrom otpornosti na krhki lom;

- stabilnosti pri toplinskoj obradi (male deformacije);

- zavarljivosti.

te su našli široku primjenu i doživjeli vrlo intenzivan razvoj.

Radi se o niskougljičnim čelicima (<0,03 % ugljika) posebno visokolegiranim u

ternarnim sustavima Fe-Ni-Co ili Fe-Ni-Cr i Fe-Co-Cr s dodacima molibdena, titana,

aluminija i kobalta te eventualno bora i cirkonija. Uobičajeno sadrže: ≈18 % nikla, 7 do

14 % kobalta, 3 do 6 % molibdena, 0,15 do 2 % titana, 0,05 do 0,2 % aluminija.

Toplinski se obrađuju rastvornim žarenjem pri temperaturi oko 820 °C i

dozrijevanjem pri oko 480 °C, slika 41. Nakon rastvornog žarenja čelik se gasi u vodi,

ulju ili na zraku čime nastaje masivni (ne igličasti) nikal-martenzit takvog stupnja

prezasićenja da se naknadnom toplinskom obradom lako postiže raspad prezasićene

otopine te sa takvom dispergiranošću legirnih elemenata koja omogućava da čestice

intermetalnih spojeva koje se izlučuju tijekom dozrijevanja budu vrlo brojne i sitne, a time

i učinkovitije s obzirom na očvrsnuće. Prezasićeni nikal-martenzit počinje se formirati pri

≈250 °C (Ms), a završava pri ≈200 °C (Mf) tako da je udjel zaostalog austenita mali.

47

Slika 41. Postupak toplinske obrade čelika “maraging”

Ovakav martenzit sadrži brojne defekte u kristalnoj rešetci te je vrlo dobro obradljiv

hladnim deformiranjem ili odvajanjem čestica, a također je i dobro zavarljiv.

Zagrijavanjem prezasićenog nikal-martenzita na povišenu temperaturu (između Ms i As)

u njemu precipitira niz fino dispergiranih intermetalnih spojeva čiji sastav ovisi o sastavu

čelika. To mogu biti primjerice spojevi: Ni3Al, Ni3Ti, Ni3(Ti,Al), Ni3Mo, Fe2Mo, (Fe,Co)2Mo,

FeCr, Fe7Mo6 i dr.

Ove faze visoke tvrdoće učinkovito koče gibanje dislokacija. Te su čestice

pretežno koherentne s martenzitnom matricom i uzrokom su visoke granice razvlačenja

(Rp0,2>2200 N/mm2) i vlačne čvrstoće (Rm=1900 do 2900 N/mm2). Pri tako visokim

vrijednostima granice razvlačenja još su uvijek vrlo povoljne vrijednosti lomne žilavosti

(KIC=2850 do 5700 N/mm3/2) zahvaljujući djelovanju nikla koji omogućava visoku

pokretljivost dislokacija. Osim visoke granice razvlačenja, čvrstoće i lomne žilavosti,

“maraging“ čelici imaju bolja tehnološka svojstva u odnosu na ostale ultračvrste čelike.

Pri toplinskoj obradi pokazuju male deformacije i nema opasnosti od razugljičenja i

oksidacije, lako su obradljivi odvajanjem čestica i hladno deformabilni nakon rastvornog

žarenja, te su dobro zavarljivi zahvaljujući niskim udjelima ugljika, fosfora i sumpora.

Čelici “maraging“ primjenjivi su za mehanički visokoopterećene dijelove

zrakoplova i helikoptera kao što su pogonsko vratilo, okvir pilotskog sjedala, hidraulični

odbojnici, opruge, oklopi, spremnici za tekuće gorivo i dr.

Gašenje (zrak,ulje, voda)

T

empe

ratu

ra

≈820 °C

ε≈30 % ε≈30 %

ili obrada odvajanjem čestica

Vrijeme

≈480 °C

48

7.6. Hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici

Očvrsnuće hladnom deformacijom je dobro poznata metoda za postizanje visoke

čvrstoće, iznad 1600 N/mm2. Uzrok povišenja granice razvlačenja i vlačne čvrstoće je

umnažanje dislokacija u strukturi materijala. Pri hladnom oblikovanju gustoća dislokacija

dostiže vrijednosti do 1010 mm-2. U praksi se tako očvršćuju tanke žice za užad, žice za

opruge, tanki limovi i trake i sl. Međutim, ovaj mehanizam očvrsnuća snizuje duktilnost i

povisuje prijelaznu temperaturu, pa je zato njegova primjena djelomično ograničena.

Ultravisoka čvrstoća (1600 N/mm2 do 3000 N/mm2) postiže se postupkom

patentiranja čelične žice. Patentiranjem tj. izotermičkom obradom pri temperaturi 460 do

520 °C nakon austenitizacijskog žarenja pri oko 950 do 980 °C formira se

tankolamelarna feritno-karbidna mikrostruktura (sorbit) koja je vrlo prikladna za daljnje

oblikovanje s ciljem postizanja visokih vrijednosti mehaničkih svojstava i traženih

dimenzija žice. Čvrstoća hladnovučene patentirane žice može se izračunati pomoću

empirijske formule po Pickeringu:

Rm=315+720⋅(% C)+17,68⋅103⋅(% N)+176⋅lnε, N/mm2.

Za visoku čvrstoću potrebno je oblikovati sa što višim stupnjevima deformacije (ε=98 do

99 %) koji su ostvarivi samo na tankim žicama promjera manjeg od 0,1 mm. Sadržaj

ugljika u čelicima za hladnovučene patentirane žice mora biti oko eutektoidnog udjela

tako da ne dolazi do izlučivanja sekundarnog cementita. Ovi čelici moraju biti visoke

čistoće, bez nemetalnih uključaka i plinova, pa se koriste kvalitetni ili plemeniti čelici koji

se obično pretaljuju u vakuumu. Kvalitetni čelici sadrže ≤0,035 % fosfora i ≤0,035 %

sumpora ili je njihov zbirni udjel ≤0,60 %, dok se za plemenite čelike sadržaj fosfora

odnosno sumpora ograničava na maksimalno 0,030 % ili ukupan sadržaj mora biti manji

od 0,40 %.

49

8. ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE

8.1. Svojstva aluminija i aluminijskih legura

Neka od važnijih svojstva aluminija i njegovih legura su: mala masa, veliki raspon

fizikalnih i mehaničkih svojstava, dobra obradivost, korozijska postojanost, recikličnost.

Gustoća aluminija iznosi 2700 kg/m3, tri puta manje od čelika (7850 kg/m3) što

osigurava vrlo dobar omjer čvrstoće i gustoće (specifična čvrstoća) posebno kada se

koristi u obliku neke od svojih legura.

Svojstva aluminijskih materijala mogu varirati u širokom području kao rezultat

kemijskog sastava i mikrostrukturnog stanja na koje se može utjecati toplinskom

obradom. Postupkom toplinskog očvrsnuća moguće je proizvesti aluminijske legure

čvrstoće kao i mnogi čelici.

Aluminij i njegove legure s kubičnom plošno centriranom strukturom (FCC) dobro

su oblikovljive deformiranjem u toplom i hladnom stanju te se lako obrađuju kovanjem,

valjanjem i prešanjem, ali je potrebno voditi računa da hladnim oblikovanjem očvršćuju.

Dobra otpornost na atmosfersku koroziju temelji se na postojanju gustog

nepropusnog oksidnog sloja na površini metala. Tanki film Al2O3 oksida debljine oko

0,01 μm koji nastaje na zraku i vodenim otopinama učinkovito štiti od korozije. Ukoliko se

oksidni sloj ošteti odmah se oksidacijom nadomješta novim. Aluminij je neotporan na

tvari koje razaraju zaštitni oksidni film, kao npr. lužine koje ga otapaju.

Uz dobru korozijsku postojanost aluminij ima i visoku električnu i toplinsku

vodljivost.

Zbog sklonosti stvaranju oksida aluminijske legure su relativno loše zavarljive te ih

je potrebno zavarivati u inertnoj atmosferi.

Niski modul elastičnosti koji iznosi 70000 N/mm2, što je tri puta manje nego kod

čelika, čini aluminijske konstrukcije znatno gipkijima i elastičnijima.

Materijali na bazi aluminija ograničeno su primjenjivi pri povišenim

temperaturama. Zbog niske temperature tališta 660 °C dozvoljava se njihova uporaba na

temperaturama do 150 °C, najviše 200 °C.

Na kraju treba istaknuti, ne manje važno, da se radi o metalu koji je moguće

reciklirati. Za recikliranje je potreban znatno manji utrošak energije nego za samu

primarnu proizvodnju. Pretaljivanjem aluminija i aluminijskih legura koje su već bile u

uporabi dobiva se tzv. sekundarni aluminij koji se pretežno koristi u izradi odljevaka.

50

Kako je aluminij relativno mekan s niskom vlačnom čvrstoćom, za inženjersku

primjenu upotrebljava se u pravilu u legiranom stanju.

8.2. Aluminijske legure

Legiranjem aluminija ponajprije se poboljšavaju mehanička svojstva (granica

razvlačenja, vlačna čvrstoća, tvrdoća), ali je moguće unaprijediti i svojstva poput krutosti,

rezljivosti, ponekad žilavosti ili livljivosti. Međutim, legiranjem se snižava toplinska i

električna vodljivost.

Legure aluminija se mogu klasificirati kako slijedi:

- prema tehnološkoj preradi:

- gnječene legure;

- lijevane legure;

- prema kemijskom sastavu: Najvažniji legirni elementi su bakar (Cu), magnezij (Mg), silicij (Si), cink (Zn) i

mangan (Mn) koji tvore sljedeće skupine dvokomponentnih legura: Al-Si, Al-

Mn, Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn. Kompleksnije legure nastaju njihovom međusobnom

kombinacijom i uz dodatak drugih legirnih elemenata koji poboljšavaju svojstva

osnovne legure. Svi legirni elementi su pri dovoljno visokim temperaturama

potpuno topljivi u rastaljenom aluminiju. Međutim, njihova topljivost ograničena

je u kristalima mješancima aluminija. Neotopljeni elementi stvaraju vlastite

faze ili intermetalne spojeve. Topljivost legirnih elemenata u aluminiju, kao i

udio, veličina, oblik i raspodjela intermetalnih spojeva određuju svojstva

aluminijskih materijala.

- prema mogućnosti toplinske obrade:

- toplinski neočvrstljive legure;

- toplinski očvrstljive legure.

U zrakoplovstvu se pretežno koriste gnječene legure koje su općenito boljih

mehaničkih svojstava od lijevanih legura. Radi se o legurama razvijenim iz

51

dvokomponentnih skupina Al-Cu i Al-Zn koje su dodatno toplinski očvrsnute postupkom

rastvornog žarenja i dozrijevanja.

8.2.1. Sustav označivanja gnječenih legura

Prema američkom načinu označivanja gnječene aluminijske legure označuju se s

četiri znamenke kako je prikazano tablicom 3.

Tablica 3. Označivanje gnječenih aluminijskih legura

Najzastupljeniji legirni element

Oznaka serije

Bakar (Cu) 2xxx Mangan (Mn) 3xxx Silicij (Si) 4xxx Magnezij (Mg) 5xxx Magnezij (Mg) i silicij (Si) 6xxx Cink (Zn) 7xxx Drugi elementi 8xxx

Seriju tj. grupu aluminijskih legura određuje legirni element s najvećim masenim udjelom.

Iznimka je serija 6xxx gdje dominiraju dva legirna elementa magnezij i silicij. Ukoliko

više legirnih elementa ima jednake udjele, grupu određuje legirni element koji je prvi u

nizu slijedom kako je navedeno: bakar, mangan, silicij, magnezij, cink. Druga znamenka

u oznaci odnosi se na modifikaciju legure. Ako je znamenka 0 radi se o originalnoj leguri,

u protivnom je njena modifikacija. Na temelju zadnje dvije znamenke oznake

identifikaciju se različite legure iste serije.

8.2.2. Oznake stanja

Oznake stanja primjenjuju se na sve aluminijske legure (lijevane i gnječene) osim

ingota. Sustav oznaka temelji se na mehaničkih i/ili toplinskih obradama kojima se

postižu različita metalurška stanja.

Oznaka stanja slijedi iza oznake legure odvojena crticom (npr. 2014-T6). Osnovna

stanja označuju se velikim slovom, a podskupine s jednim ili dva broja koji se navode

52

odmah iza oznake osnovnog stanja. Oznake podskupine označuju specifični redoslijed

postupaka kojima s postižu određene kombinacije svojstava.

Oznake stanja jesu sljedeće:

F – Primarno stanje: hladno ili toplo oblikovano ili lijevano pri čemu nije primijenjena

posebna kontrola toplinskog procesa ili procesa deformiranja. O – Oporavljeno (potpuno žareno): Primjenjuje se za gnječene poluproizvode koji se

žare radi smanjenja čvrstoće ili za odljevke koji se žare da bi se povećala duktilnost i

dimenzijska stabilnost. H - Hladno deformirano: Odnosi se na toplinski neočvrstljive gnječene legure koje su

očvrsnute postupkom hladnog deformiranja sa ili bez dodatne toplinske obrade kojom se

naknadno može smanjiti čvrstoća. W – Rastvorno žareno: Označava nestabilno stanje koje se koristi za rastvorno žarene

legure koje spontano očvršćuju pri sobnoj temperaturi tijekom perioda od više mjeseci ili

čak godina. T – Toplinski obrađeno: Koristi se za legure čija čvrstoća se stabilizira unutar nekoliko

tjedana nakon rastvornog žarenja sa ili bez precipitacijskog očvrsnuća. Primjenjuje se za

legure tipa 2xxx, 6xxx i 7xxx. Iza slova T slijedi jedan ili više brojeva koji označuju

redoslijed provedenih postupaka:

T1 - Hlađeno s povišene temperature preoblikovanja i prirodno dozrijevano;

T2 - Hlađeno s povišene temperature preoblikovanja, hladno oblikovano

(deformirano) i prirodno dozrijevano;

T3 - Rastvorno žareno (homogenizirano), hladno oblikovano i prirodno

dozrijevano;

T4 - Rastvorno žareno i prirodno dozrijevano;

T5 - Hlađeno s povišene temperature preoblikovanja i umjetno dozrijevano;

T6 - Rastvorno žareno i umjetno dozrijevano;

T651 - Rastvorno žareno, oslobođeno zaostalih naprezanja istegnućem

za kontroliranu veličinu deformacije i umjetno dozrijevano;

T7 - Rastvorno žareno i stabilizirano;

T73 - Rastvorno žareno, umjetno predozrijevano da se postigne najbolja

53

otpornost na napetosnu koroziju;

T76 - Rastvorno žareno, umjetno predozrijevano da se postigne dobra

otpornost na koroziju ljuštenjem;

T7651 - Rastvorno žareno, oslobođeno zaostalih naprezanja istegnućem

za kontroliranu veličinu deformacije i umjetno predozrijevano da

se postigne dobra otpornost na koroziju ljuštenjem;

T8 - Rastvorno žareno, hladno oblikovano i umjetno dozrijevano;

T9 - Rastvorno žareno, umjetno dozrijevano i hladno oblikovano.

8.2.3. Postupci očvrsnuća aluminijskih legura

S obzirom na način očvrsnuća, gnječene aluminijske legure dijele se na one koje

očvršćuju hladnom deformacijom te one toplinski obradive očvrstljive precipitacijskim

mehanizmom, tablica 4.

Tablica 4. Podjela gnječenih aluminijskih legura prema načinu očvrsnuća

Vrsta legure Oznaka serije

Način očvrsnuća

Al-Mn 3xxx

Deformiranjem u hladnom stanju

Al-Si 4xxx Al-Mg 5xxx Al-Fe 8xxx Al-Fe-Ni 8xxx Al-Cu 2xxx

Precipitacijom

Al-Cu-Mg 2xxx Al-Cu-Li 2xxx Al-Mg-Si 6xxx Al-Zn 7xxx Al-Zn-Mg 7xxx Al-Zn-Mg-Cu 7xxx Al-Li-Cu-Mg 8xxx

54

8.2.3.1. Očvrsnuće hladnom deformacijom

Aluminijske legure s kubičnom plošno centriranom strukturom (FCC) osobito su

sklone očvrsnuću koje nastaje deformiranjem materijala u hladnom stanju. Ono se

temelji na umnažanju dislokacija u mikrostrukturi materijala čime se koči gibanje

pokretnih dislokacija i otežava plastično tečenje materijala. Deformiranje u hladnom

stanju može se provesti na više načina obradama kao što su hladno valjanje, vučenje,

prešanje i sl. postupci. Svima njima je zajedničko da uzrokuju porast granice razvlačenja,

čvrstoće i tvrdoće. Većina aluminijskih legura očvrstljivih ovim mehanizmom ima

mikrostrukturu koja se sastoji od čvrste otopine bez intermetalnih faza. To je dodatan

čimbenik koji ide u prilog njihovoj visokoj duktilnosti. Željena mehanička svojstva postižu

se u zadnjoj fazi oblikovanja reguliranjem stupnja ugnječenja. Glavni nedostatak hladno

očvrsnutih aluminijskih legura proizvedenih na konačne dimenzije je u tome da se

njihova mehanička svojstva ne mogu više mijenjati osim postupkom žarenja kada

materijal mekša.

8.2.3.2. Precipitacijsko očvrsnuće

Precipitacijsko očvrsnuće zajednička je pojava mnogim legurama u kojima dolazi

do promjene topljivosti legirnih elemenata u osnovnom metalu promjenom temperature,

ali se najviše koristi kod toplinski očvrstljivih aluminijskih legura. Pojavu je prvi uočio

njemački istraživač A. Wilm, koji je 1906. godine primijetio da aluminijska legura s 4,5

%Cu i 0,5 %Mg, gašena u vodi s temperature 450 °C, očvršćava dužim stajanjem na

okolišnoj temperaturi. Ta prva legura patentirana je pod nazivom dural ili duraluminij. Prva značajna uporaba durala bila je tijekom Prvog svjetskog rata i to za nosivu

konstrukciju zračnog broda "Zeppelin". U Drugom svjetskom ratu duraluminij se masovno

koristio u izradi konstrukcijskih elemenata borbenih zrakoplova.

Očvrsnuće precipitacijskim mehanizmom ostvaruje se kroz postupak rastvornog žarenja i dozrijevanja. Karakteristika je ovog mehanizma da nema alotropskih

modifikacija kristalne rešetke kao kod kaljenja čelika već je porast čvrstoće i tvrdoće

direktno povezan sa stvaranjem koherentnih precipitata unutar kristalne rešetke α kristala mješanca aluminija. Do izlučivanja precipitata dolazi zbog promjene topljivosti

atoma legirnih elemenata u α mješancu.

Za precipitacijsko očvrsnuće potrebni su određeni polazni uvjeti koji moraju biti

55

ispunjeni da bi materijal mogao očvrsnuti. Ovi uvjeti slijede iz dijagrama stanja neke

aluminijske legure (slika 42):

1. legura mora biti takvog kemijskog sastava da sadrži heterogenu strukturu

sačinjenu od α kristala mješanaca aluminija i kristala druge faze;

2. maseni udio legirnih elemenata mora biti što viši, ali ne smije prekoračiti

granicu maksimalne topljivosti u α mješancu (rmax) kako bi se mogla postići

potpuna apsorpcija stranih atoma rastvornim žarenjem;

3. druga faza mora u polaznom stanju biti neki intermetalni spoj (CuAl2, Mg2Si,

Al2CuMg, Al3Mg2, MgZn2) kako bi tijekom promjena koje se zbivaju, došlo do

ponovnog postupnog izlučivanja intermetalnog spoja, ali u koherentnom obliku.

U svrhu precipitacijskog očvršćivanja leguru je potrebno zagrijati do temperature

prijelaza u homogeno stanje, zadržati pri toj temperaturi do potpune homogenizacije i

naglo hladiti (gasiti) na okolišnu temperaturu, slika 42.

Slika 42. Prikaz općeg dijagrama stanja i postupka precipitacijskog očvršćivanja

Ako se legura koja sadrži X % legirnog elementa B, polazne strukture sačinjene od

čestica intermetalnog spoja β (AxBy) i α kristala mješanaca u kojima je otopljeno rs %

elementa B zagrije na dovoljno visoku temperaturu čestice intermetalnog spoja postupno

će se apsorbirati u kristalu mješancu aluminija. Na temperaturi prijelaza u homogeno

stanje nastaje čvrsta otopina koja sadrži samo α kristale mješance u kojima je sada

T

empe

ratu

ra, °

C

y

Udjel elementa B, % mase

Tem

pera

tura

, °C

Vrijeme

56

rastvoreno X % elementa B. Zasićenje rešetke α mješanaca atomima legirnog elementa

B i prazninama posljedica je velike difuzijske pokretljivosti atoma zbog blizine solidus

linije. Kada bi se ova legura sporo hladila do okolišne temperature ravnoteža bi se

postigla pri svakoj temperaturi i čestice intermetalnog spoja izlučivale bi se kao

nekoherentni precipitati. Time bi se ponovo dobila dvofazna α+β mikrostruktura koja bi

uzrokovala slaba mehanička svojstva legure te bi ona bila prilično krhka zbog postojanja

velikih čestica intermetalne faze. Zato je potrebno leguru gasiti s temperature rastvornog

žarenja kako bi se legirni element B zadržao otopljen u α kristalu mješancu tvoreći

prezasićenu čvrstu otopinu. Legura nakon gašenja zadržava monofaznu α strukturu, ali u

neravnotežnom stanju zbog pojave prezasićenja. Prezasićenje je uzrokovano znatno

većim udjelom elementa B otopljenog u α čvrstoj otopini nego što je to ravnotežna

koncentracija. U α kristalima mješancima otopljeno je X % elementa B dok maksimalna

rastvorljivost atoma ovog elementa za ravnotežno stanje i okolišnu temperaturu iznosi rs.

Stoga se prezasićenje metastabilne legure može iskazati razlikom neravnotežnog i

ravnotežnog masenog udjela elementa B (X-rs). Osim prezasićenja atomima legirnog

elementa α mješanci su prezasićeni i prazninama. U ovom stadiju legura je lako hladno

oblikovljiva te se zakovice koje se koriste za spajanje zrakoplovnih elemenata zakivaju

odmah nakon gašenja s temperature rastvornog žarenja. Zakovice se moraju oblikovati

prije dozrijevanja, jer kada očvrsnuće jednom započne, svaki pokušaj zakivanja

rezultirati će raspucavanjem zakovice.

Zbog prezasićenja α mješanaca javlja težnja izlasku atoma legirnog elementa B iz

čvrste otopine. Tijekom prvog stadija dozrijevanja oni zaposjedaju položaje unutar

kristalne rešetke aluminija tako da tvore klice (nukleuse) budućih čestica. Atomi

elementa B sele iz područja veće napetosti rešetke u područja prezasićenosti

prazninama i stvaraju se nakupine rastvorenih atoma legirnog elementa unutar rešetke α

mješanca. Te klice su prisutne kao koherentni precipitati (slika 43a) kontinuirano

povezani s rešetkom α mješanca. Oko njih dolazi, uslijed izvitoperenosti kristalne

rešetke, do pojave unutarnjih naprezanja. To koči gibanje dislokacija radi čega raste

čvrstoća i tvrdoća legure. Osim toga bitno se povećava istezljivost jer više nema krhke β

faze.

57

Slika 43. Tipovi precipitata

Postupak povišenja čvrstoće i tvrdoće držanjem legure na temperaturi okoline poznat je

kao prirodno dozrijevanje. Ono traje od nekoliko dana pa sve do nekoliko mjeseci.

Budući da je osnova dozrijevanja difuzija koja se ubrzava povišenjem temperature to se

umjetnim dozrijevanjem može ostvariti veći porast čvrstoće i tvrdoće. S druge strane

hlađenjem legure na nisku temperaturu difuzijski se procesi usporavaju i na taj način

sprječava dozrijevanje. Tako se već spomenute zakovice odmah nakon rastvornog

žarenja i gašenja prenose u hladnjak na temperaturu –15 °C kako ne bi očvrsnule te

tako uskladištene drže se sve do trenutka ugradnje. Zakovice se izrađuju od legure koja

dozrijeva na sobnoj temperaturi (prirodno dozrijevanje) budući da je nemoguće

precipitacijski očvrsnuti cijelu zakovanu konstrukciju toplinskom obradom u peći. Kod

umjetnog dozrijevanja legura se zagrijava na povišenu temperaturu 100 do 200 °C kroz

kraći vremenski period u trajanju od pola sata do nekoliko dana. Tijekom umjetnog

dozrijevanja povećava se količina koherentnog precipitata porastom temperature i brzine

difuzijskih procesa. Zbog visokog stupnja izvitoperenosti kristalne rešetke dolazi do

mjestimičnog prekida veze između matrice i precipitata te nastaje polukoherentni

precipitat s matricom povezan samo na nekim čvorovima rešetke (slika 43b). Time rastu

unutarnja naprezanja što vodi do još jačeg kočenja dislokacija čime se postiže

maksimalna granica razvlačenja, čvrstoća i tvrdoća, a snižava istezljivost i

antikorozivnost. Izlučivanje polukoherentnih precipitata je moguće samo pri povišenoj

temperaturi te kod prirodnog dozrijevanja ovog stadija nema. Ako se legura zagrije na

još višu temperaturu zbog ubrzanja difuzije mikrostruktura se brzo vraća u ravnotežno

stanje i koherentne i polukoherentne čestice prelaze u nekoherentni precipitat, fazu

a) koherentni b) polukoherentni c) nekoherentni

58

potpuno izdvojenu od matrice (slika 43c). Time nestaje izvitoperenja kristalne rešetke

matrice i precipitata, oni rastu i smanjuje se njihov broj što za posljedicu ima pad

čvrstoće i tvrdoće uz zadržavanje niske istezljivosti.

Na slici 44 prikazan je utjecaj temperature i vremena dozrijevanja na vlačnu

čvrstoću prethodno rastvorno žarene i gašene aluminijske legure.

Slika 44. Ovisnost čvrstoće o temperaturi i vremenu dozrijevanja

Tijekom prirodnog dozrijevanja pri temperaturi 20 °C vlačna čvrstoća sporo raste i

dostiže svoj maksimum od oko 380 N/mm2 nakon približno 100 sati (krivulja A).

Umjetnim dozrijevanjem iznad 100 °C postižu se više vrijednosti čvrstoće u kraćem

vremenskom periodu (krivulja B). Optimalno je leguru obrađivati pri temperaturi 165 °C u

vremenu od oko 10 sati jer se time ostvaruje najveće očvrsnuće. Međutim, ako se

vrijeme produži dolazi do pada čvrstoće zbog precipitacije nekoherentnih čestica (krivulja

C). Daljnji porast temperature (200 °C) vodi vrlo brzom stvaranju nekoherentnih

precipitata i njihovom rastu što rezultira ubrzanim smanjenjem čvrstoće već nakon

kratkog izlaganja ovoj temperaturi (krivulja D).

Mehanizam precipitacijskog očvršćivanja najviše se koristi kod aluminijskih legura

s bakrom (do očvrsnuća dolazi zbog precipitacije intermetalnog spoja Al2Cu), te onih s

magnezijem i silicijem (Mg2Si), odnosno cinkom, magnezijem i bakrom (MgZn2 i

Al2CuMg).

Vlačn

a čv

rstoća

, N/m

m2

Vrijeme, h

59

8.2.4. Vrste gnječenih legura i njihova svojstva

U zrakoplovstvu se uglavnom koriste aluminijske legure serije 2xxx i 7xxx. Radi

se o precipitacijski očvrstljivim legurama iz skupine durala (serija 2xxx) odnosno

konstruktala (serija 7xxx). Tablica 5 sadrži najvažnija mehanička svojstva odabranih

durala i konstruktala.

Tablica 5. Mehanička svojstva durala i konstruktala

Vrsta legure Kemijski sastav Granica

razvlačenja N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

% 2014-T4 (AlCu4SiMg)

4,4 %Cu; 0,4 %Mg; 0,8 %Si; 0,8 %Mn 290 427 20

2014-T6 414 483 13 2014-T3 platirano Al 276 434 20 2017-T4 (AlCu4MgSi)

4,0 %Cu; 0,6 %Mg; 0,5 %Si; 0,7 %Mn 276 427 22

2024-T4 (AlCu4Mg1)

4,4 %Cu; 1,5 %Mg; 0,6 %Mn 324 469 20

2024-T3 345 483 18 2024-T6 395 475 10

7001-T6 (AlZn7Mg3Cu2)

7,4 %Zn; 3,0 %Mg; 2,4 %Cu 627 676 9

7010-T76 (AlZn6MgCu)

6,2 %Zn; 2,5 %Mg; 1,7 %Cu; 0,14 %Zr 484 544 12

7050-T76 6,2 %Zn; 2,25 %Mg; 2,3 %Cu; 0,1 %Zr 476 545 12 7075-T6 (AlZn5,5MgCu)

5,6 %Zn; 2,5 %Mg; 1,6 %Cu 503 572 11

7079-T6 4,8 %Zn; 3,3 %Mg; 0,6 %Cu; 0,2 %Mn 469 538 14 7150-T651 6,4 %Zn; 2,35 %Mg; 2,2 %Cu; 0,11%Zr 572 607 12 7178-T6 6,8 %Zn; 2,7 %Mg; 2,0 %Cu; 0,3 %Cr 538 607 11

8.2.4.1. Durali - serija 2xxx

Glavni legirni element u duralima je bakar, dok je najčešći prateći magnezij pa su

to općenito legure oblika Al-Cu-Mg.

Svojstva durala, pa tako i mehanička svojstva, ovise o vrsti i udjelu legirnih

elemenata kao i tehnološkoj obradi u vidu mehaničkih i/ili toplinskih postupaka kojima se

60

postiže određeno mikrostrukturno stanje. Za optimalnu mehaničku otpornost durale je

potrebno toplinski obraditi rastvornim žarenjem i dozrijevanjem. Očvrsnuće postignuto

precipitacijom veće je od onoga uvedenog hladnim deformiranjem pa je precipitacijski

mehanizam osnovni postupak za povećanje čvrstoće i tvrdoće ovih legura. Moguće je

kombinirati obadva mehanizma očvrsnuća ukoliko se legura još i hladno oblikuje prije ili

nakon dozrijevanja. Time se dodatno poboljšava granica razvlačenja i vlačna čvrstoća

što je vidljivo na primjeru legure 2024 iz prethodne tablice (stanje T3 i T4). Durali se

mogu očvrsnuti držanjem na okolišnoj temperaturi (prirodno dozrijevanje) odnosno nekoj

povišenoj temperaturi (umjetno dozrijevanje). Ovisno o načinu dozrijevanja nakon

gašenja s temperature rastvornog žarenja postižu se bolja ili lošija mehanička svojstva.

Maksimalno očvrsnuće ostvaruje se dozrijevanjem pri povišenoj temperaturi kada

vrijednosti čvrstoće dosežu 480 N/mm2. Očvrsnuće se može povećati dodatkom

magnezija koji ubrzava proces očvrsnuća stvaranjem intermetalnih spojeva i time

pojačava njegov efekt.

Zbog povećanog udjela bakra ova serija aluminijskih legura nije otporna na

koroziju kao drugi aluminijski materijali. S ciljem poboljšanja korozijske postojanosti

često se na površinu materijala nanosi tanki sloj aluminija visoke čistoće ili sloj neke

druge legure otporne na koroziju. Taj se postupak naziva platiranje, a izvodi se tijekom

proizvodnje limova i profila.

Aluminijske legure serije 2xxx vrlo su prikladne za dijelove i elemente konstrukcije

zrakoplova koji zahtijevaju dobru specifičnu čvrstoću, kao npr. strukturne dijelove poput

trupa i oplate krila.

U nastavku su dana detaljna mehanička i fizikalna svojstva te primjeri primjene

nekih aluminijskih legura iz grupe durala.

2014 (Al-Cu-Si-Mn-Mg)

Kemijski sastav

3,9 do 5,0 %Cu; 0,5 do 2 %Si; 0,4 do 2 %Mn; 0,2 do 0,8 %Mg; maks. 0,7 %Fe; maks.

0,25 %Zn; maks. 0,15 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 %

drugi elementi (ukupno); ostatak Al

61

Tablica 6. Mehanička svojstva aluminijske legure 2014

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Tvrdoća

HB

Smična čvrstoća N/mm2

Dinamička izdržljivost

N/mm2 O 97 186 18 45 125 90 T4 290 427 20 105 260 140 T6 414 483 13 135 240 125

Tablica 7. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2014

Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost % IACS

Temperatura žarenja

°C

Temperatura dozrijevanja

°C O 192 50 413 - T4 134 34 413 - T6 155 40 413 160 (18 h)

Poissonov koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 - 0,33 72400 28000 2800

Primjena

Upotrebljava se za proizvodnju kotača, strukturnih elemenata i drugih visokoopterećenih

dijelova zrakoplova, za konstrukciju booster raketa space shuttle-a i dr.

2024 (Al-Cu-Mg-Mn)

Kemijski sastav

3,8 do 4,9 %Cu; 1,2 do 1,8 %Mg; 0,3 do 0,9 %Mn; maks. 0,5 %Si; maks. 0,5 %Fe;

maks. 0,25 %Zn; maks. 0,15 %Ti; maks. 0,1 %Cr; maks. 0,05 % drugi elementi

(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 8. Mehanička svojstva aluminijske legure 2024

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Tvrdoća

HB

Smična čvrstoća N/mm2

Dinamička izdržljivost

N/mm2 T3 345 483 18 120 285 140 T4 324 469 20 120 285 140

T361 395 495 13 130 290 125

62

Tablica 9. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2024

Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost % IACS

Temperatura žarenja

°C

Temperatura dozrijevanja

°C T3, T361 120 30 413 -

T6 151 38 413 191 (8 do 16 h) Poissonov

koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 - 0,33 72400 28000 2770

Primjena

Primjenjuje se za strukturne elemente trupa zrakoplova, visokoopterećene elemente

krila, rebra i dijelove koji zahtijevaju dobru čvrstoću i dinamičku izdržljivost.

2048 (Al-Cu-Mg-Mn)

Kemijski sastav

2,8 do 3,8 %Cu; 1,2 do 1,8 %Mg; 0,2 do 0,6 %Mn; maks. 0,15 %Si; maks. 0,2 %Fe;

maks. 0,25 %Zn; maks. 0,1 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks.

0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 10. Mehanička svojstva aluminijske legure 2048

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Smična čvrstoća N/mm2

T851 416 457 8 271

Tablica 11. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2048

Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost

% IACS

Poissonov koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 T851 159 42 0,33 70000 2750

Primjena

Visokoopterećeni strukturni elementi zrakoplova i svemirskih letjelica.

63

2049 (Al-Cu-Li-Ag-Mg-Zr) Kemijski sastav

4,5 %Cu; 1,3 %Li; 0,4 %Ag; 0,4 %Mg; 0,14 %Zr; ostatak Al

Tablica 12. Mehanička svojstva aluminijske legure 2049

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

% T3 407 529 16,6 T4 438 591 15,7 T6 680 720 3,7 T8 692 713 5,3

Tablica 13. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2049

Modul elastičnosti N/mm2

Gustoća pri 20 °C kg/m3

76000 2700

Primjena

Legura pripada skupini aluminijskih legura s litijem. Razvijena je s ciljem da zamjeni

leguru 2024 zbog svojih superiornih svojstava: manje gustoće i veće čvrstoće. Zbog

vrhunskih mehaničkih svojstava pri niskim temperaturama primjenjuje se za zavarivanje

spremnika tekućeg goriva i kisika kod space shuttle-a.

2090 (Al-Cu-Li-Zr)

Kemijski sastav

2,4 do 3,0 %Cu; 1,9 do 2,6 %Li; 0,08 do 0,15 %Zr; maks. 0,25 %Mg; maks. 0,15 %Ti;

maks. 0,12 %Fe; maks. 0,1 %Si; maks. 0,1 %Zn; maks. 0,05 %Mn; maks. 0,05 %Cr;

maks. 0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno);

ostatak Al

64

Tablica 14. Mehanička svojstva aluminijske legure 2090

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

% T81 517 550 8 T83 517 550 6 T84 470 525 5

Tablica 15. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2090

Koeficijent toplinske vodljivosti pri 25 °C

W/mK

Električna vodljivost % IACS

Poissonov koeficijent

Modul elastičnosti

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 84 do 92,3 17 do 19 0,34 76000 2590

Primjena

Legura pripada skupini aluminijskih legura s litijem. Upotrebljava se tamo gdje je

presudna visoka čvrstoća. Zbog 8 do 10 % manje gustoće i do 10 % većeg modula

elastičnosti od sličnih aluminijskih legura, koristi se za ukrutu podnih pregrada

zrakoplova kako bi se ostvarila ušteda na masi. Legura se primjenjuje i za pregrade

trupa i okvira zrakoplova te za zahtjevnije konstrukcijske elemente poput oplate i

potpornja krila.

2091 (Al-Cu-Mg-Li-Zr)

Kemijski sastav

1,8 do 2,5 %Cu; 1,7 do 2,3 %Li; 1,1 do 1,9 %Mg; 0,04 do 0,16 %Zr; maks. 0,3 %Fe;

maks. 0,25 %Zn; maks. 0,2 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,1 %Cr; maks. 0,1 %Ti; maks.

0,05 % drugi elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 16. Mehanička svojstva aluminijske legure 2091

Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

% 420 470 8

65

Tablica 17. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2091

Koeficijent toplinske vodljivosti pri 25 °C

W/mK

Modul elastičnosti

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 84 77900 2580

Primjena

Legura pripada skupini aluminijskih legura s litijem. Razvijena je s ciljem supstituiranja

legure 2024. Otporna je na oštećenja uz 8 % manju gustoću i 7 % veći modul elastičnosti

u odnosu na spomenutu leguru. Njena primarna namjena je za zrakoplovne konstrukcije

koje moraju biti male mase i visoke otpornosti na pojavu oštećenja.

2124 (Al-Cu-Mg-Mn)

Kemijski sastav

3,8 do 4,9 %Cu; 0,3 do 0,9 %Mg; 1,2 do 1,6 %Mn; maks. 0,2 %Si; maks. 0,3 %Fe;

maks. 0,25 %Zn; maks. 0,1 %Ti; maks. 0,1 %Cr; maks. 0,05 % drugi elementi

(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 18. Mehanička svojstva aluminijske legure 2124

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

% T851 450 485 8

Tablica 19. Fizikalna svojstva aluminijske legure 2124

Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost

% IACS

Poissonov koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 152 39 0,33 72000 2770

Primjena

Legura se upotrebljava za proizvodnju ploča debljine 40 do 150 mm te je primarno

namijenjena za pregrade trupa i oplatu krila vojnih zrakoplova visokih performansi.

66

8.2.4.2. Konstruktali - serija 7xxx

Glavni legirni element je cink s masenim udjelom do 8%, uz dodatak male

količine magnezija koji doprinosi porastu čvrstoće. Od drugih legirnih elementa obično je

prisutan bakar pa su to najčešće legure oblika Al-Zn-Mg-Cu. Dodatak kroma ovim

legurama pospješuje precipitacijsko očvrsnuće.

U pravilu su konstruktali mehanički otporniji materijali od legura iz skupine durala.

To su materijali s najvišim vrijednostima čvrstoće među svim aluminijskim legurama.

Radi se o precipitacijski očvrstljivim legurama čiji legirni elementi stvaraju intermetalne

spojeve s aluminijem (Al2CuMg) ili međusobno (MgZn2). Visoka granica razvlačenja,

čvrstoća i tvrdoća postižu se umjetnim dozrijevanjem nakon rastvornog žarenja. U

precipitacijski očvrsnutom stanju srednja vrijednost čvrstoće iznosi oko 550 N/mm2, a

ovisno o kemijskom sastavu i metalurškom stanju čvrstoća može dostići i 676 N/mm2 kao

npr. kod toplinski očvrsnute legure oznake 7001-T6 (vidi tablicu 5).

Budući da su to legure visoke čvrstoće one imaju smanjenu otpornost na pucanje

uslijed napetosne korozije, pa je zbog toga razvijen niz termomehaničkih postupaka kako

bi se uklonile predispozicije za pojavu selektivnih oblika korozije. S ciljem pouzdane

primjene u zrakoplovstvu ova skupina legura se nakon rastvornog žarenja može umjetno

predozrijevati (stanje T73) kako bi se postigla bolja kombinacija čvrstoće, korozijske

otpornosti i lomne žilavosti. Umjetnim predozrijevanjem prethodno rastvorno žarene

legure može se poboljšati ne samo otpornost napetosnoj već i koroziji ljuštenjem.

Smanjenje predispozicija za pojavu napetosne korozije provodi se i istezanjem materijala

za kontroliranu veličinu deformacije čime se reduciraju zaostala naprezanja.

Ove legure visoke mehaničke otpornosti osjetljive su na pojavu i širenje pukotina.

Na slici 45 prikazana je brzina rasta pukotine za dvije tipične aluminijske legure:

konstruktalu oznake 7075-T6 te duralu 2024-T3. Pri istim vrijednostima faktora

intenziteta naprezanja pukotina brže napreduje u konstruktalu te je očito da su oni

manje otporni na inicijaciju i propagiranje pukotina.

67

Slika 45. Brzina širenja pukotine kod durala i konstruktala

Legure serije 7xxx prvenstveno se koriste za konstrukcijske dijelove zrakoplova

kod kojih se traži visoka specifična čvrstoća kao što su okvir i dijelovi oplate trupa te

oplata krila zrakoplova.

U daljnjem tekstu prikazana su mehanička i fizikalna svojstva nekih odabranih

konstruktala te istaknuti najvažniji primjeri primjene.

7050 (Al-Zn-Mg-Cu-Zr)

Kemijski sastav

5,7 do 6,7 %Zn; 1,9 do 2,6 %Mg; 2,0 do 2,6 %Cu; 0,08 do 0,15 %Zr; maks. 0,15 %Fe;

maks. 0,12 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,06 %Ti; maks. 0,04 %Cr; maks. 0,05 % drugi

elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 20. Mehanička svojstva aluminijske legure 7050

Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Tvrdoća

HB

Smična čvrstoća N/mm2

Dinamička izdržljivost

N/mm2 489 552 11 150 324 180

Brz

ina

šire

nja

puko

tine,

mm

/cik

lusu

Faktor intenziteta naprezanja, MPa⋅m1/2

7075-T6

2024-T3

68

Tablica 21. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7050

Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost

% IACS

Poissonov koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 154 39,5 0,33 70300 26900 2830

Primjena

Ova se legura upotrebljava za konstrukciju okvira i pregrada trupa zrakoplova. Također

se koristi za oplatu krila i ploče deblje od 50 mm.

7075 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)

Kemijski sastav

5,1 do 6,1 %Zn; 2,1 do 2,9 %Mg; 1,2 do 2,0 %Cu; 0,18 do 0,28 %Cr; maks. 0,5 %Fe;

maks. 0,4 %Si; maks. 0,3 %Mn; maks. 0,2 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi

(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 22. Mehanička svojstva aluminijske legure 7075

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Tvrdoća

HB

Smična čvrstoća N/mm2

Dinamička izdržljivost

N/mm2 O 103 228 17 60 152 -

T73 434 503 - - - 159 T651 462 524 11 150 331 159

Tablica 23. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7075

Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost % IACS

Temperatura žarenja

°C

Temperatura dozrijevanja

°C T73 155 38,5 415 106 do 177

T651 130 33 415 120 Poissonov

koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C kg/m3

- 0,33 71000 26900 2800

69

Primjena

Primjenjuje se za strukturne elemente zrakoplova gdje se traži kombinacija visoke

čvrstoće i korozijske postojanosti, najčešće oplata krila i ploče debljine do 100 mm.

7150 (Al-Zn-Mg-Cu-Zr)

Kemijski sastav

5,9 do 6,9 %Zn; 2,0 do 2,7 %Mg; 1,9 do 2,5 %Cu; 0,08 do 0,15 %Zr; maks. 0,15 %Fe;

maks. 0,12 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,06 %Ti; maks. 0,04 %Cr; maks. 0,05 % drugi

elementi (pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 24. Mehanička svojstva aluminijske legure 7150

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Smična čvrstoća N/mm2

T6151 552 593 9 317 T7751 524 565 8 324

Tablica 25. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7150

Poissonov koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 0,33 71000 26900 2820

Primjena

Koristi se za ukrućene gornje panele krila i donje panele horizontalnog stabilizatora kod

civilnih i vojnih zrakoplova. Također služi za gornju oplatu krila kod velikih putničkih

zrakoplova i ukrepe trupa.

7175 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)

Kemijski sastav

5,1 do 6,1 %Zn; 2,1 do 2,9 %Mg; 1,2 do 2,0 %Cu; 0,18 do 0,28 %Cr; maks. 0,2 %Fe;

maks. 0,15 %Si; maks. 0,1 %Mn; maks. 0,1 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi

(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

70

Tablica 26. Mehanička svojstva aluminijske legure 7175

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Tvrdoća

HB

Smična čvrstoća N/mm2

Dinamička izdržljivost

N/mm2 T66 524 593 11 150 324 159 T736 455 524 11 145 290 159

Tablica 27. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7175

Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost % IACS

Temperatura žarenja

°C

Temperatura dozrijevanja

°C T66 142 36 415 120 do 175

T736 155 40 415 120 do 175 Poissonov

koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 - 0,33 72000 - 2800

Primjena

Ova se legura upotrebljava za strukturne elemente zrakoplova koji moraju biti visoke

čvrstoće, lomne žilavosti i dinamičke izdržljivosti te postojani prema napetosnoj koroziji.

7178 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)

Kemijski sastav

6,3 do 7,3 %Zn; 2,4 do 3,1 %Mg; 1,6 do 2,4 %Cu; 0,18 do 0,35 %Cr; maks. 0,5 %Fe;

maks. 0,4 %Si; maks. 0,3 %Mn; maks. 0,2 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi

(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 28. Mehanička svojstva aluminijske legure 7178

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Smična čvrstoća N/mm2

Tlačna čvrstoća N/mm2

T651 538 607 11 305 530 T7651 505 570 11 295 460

71

Tablica 29. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7178

Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost

% IACS

Temperatura žarenja

°C

Temperatura dozrijevanja

°C T6, T651 127 32 415 121 (24 h)

T76, T7651 152 39 415 121 (24 h) Poissonov

koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 - 0,33 71700 27500 2830

Primjena

Legura je namijenjena za izradu zrakoplovnih dijelova visoke mehaničke otpornosti u

uvjetima tlačnog opterećenja.

7475 (Al-Zn-Mg-Cu-Cr)

Kemijski sastav

5,2 do 6,2 %Zn; 1,9 do 2,6 %Mg; 1,2 do 1,9 %Cu; 0,18 do 0,25 %Cr; maks. 0,12 %Fe;

maks. 0,1 %Si; maks. 0,06 %Mn; maks. 0,06 %Ti; maks. 0,05 % drugi elementi

(pojedinačno) ili maks. 0,15 % drugi elementi (ukupno); ostatak Al

Tablica 30. Mehanička svojstva aluminijske legure 7475

Stanje Granica razvlačenja

N/mm2

Vlačna čvrstoća N/mm2

Istezljivost

%

Smična čvrstoća N/mm2

Tlačna čvrstoća N/mm2

T61 496 552 12 296 476 T761 462 524 12 269 414

Tablica 31. Fizikalna svojstva aluminijske legure 7475

Stanje Koeficijent toplinske vodljivosti pri 20 °C

W/mK

Električna vodljivost

% IACS

Temperatura žarenja

°C

Temperatura dozrijevanja

°C T61 142 36 415 120 do 175

T761 155 40 415 120 do 175 Poissonov

koeficijent pri 20 °C

Modul elastičnosti

N/mm2

Modul smicanja

N/mm2

Gustoća pri 20 °C

kg/m3 - 0,33 70000 27000 2800

72

Primjena

Legura se upotrebljava za kritične komponente zrakoplova visokih performansi. To su

dijelovi koji zahtijevaju visoku lomnu žilavost kao npr. oplata trupa i krila, ramenjače i

pregrade trupa zrakoplova.

8.2.4.3. Legure aluminija i litija - serija 8xxx

Tijekom 80-tih godina dvadesetog stoljeća intenzivno se razvijaju aluminijske

legure s litijem. Litij kao prateći legini element može biti prisutan u duralima, kao

primjerice u legurama 2049 (Al-Cu-Li-Ag-Mg-Zr), 2090 (Al-Cu-Li-Zr) i 2091 (Al-Cu-Mg-Li-

Zr), ili to mogu biti posve nove aluminijske legure oblika Al-Li-Cu-Mg (serija 8xxx) u

kojima je litij glavni legirni element. U tablici 32 naveden je kemijski sastav jedne legure

serije 8xxx oznake 8090.

Tablica 32. Kemijski sastav aluminijske legure 8090

Vrsta legure

Kemijski sastav, % mase Li Cu Mg Zr Si Fe Mn Cr Zn Ti

8090 2,2 do 2,7 1,0 do 1,6 0,6 do 1,3 0,04 do 0,16 ≤0,2 ≤0,3 ≤0,1 ≤0,1 ≤0,25 ≤0,1

Litij je općenito poznat kao najlakši metal, s gustoćom od 534 kg/m3, pa se

dodatkom svega 2 do 3 % litija smanjuje gustoća za 8 do 10 % u odnosu na

konvencionalne aluminijske materijale korištene u zrakoplovstvu. Uporabom legura

aluminija i litija učinkovito se smanjuje težina zrakoplovne konstrukcije čime se ostvaruje

ušteda goriva ili je moguće povećati korisnu nosivost za istu težinu letjelice što opet

znatno smanjuje operativne troškove. Uz to ove legure imaju i do 10 % veći modul elastičnosti koji osigurava poboljšanu krutost zrakoplovnih dijelova. Ostala svojstva

slična su legurama iz grupe durala i konstruktala.

Legure aluminija s litijem pripadaju skupini toplinski očvrstljivih legura.

Maksimalna rastvorljivost litija u kristalima mješancima aluminija iznosi oko 6 % pri

temperaturi 600 °C. U tehničkoj primjeni nalaze se legure sa sadržajem litija do 4 % koje

precipitacijski očvršćuju izlučivanjem čestica intermetalne faze Al3Li u postupku

dozrijavanja. Precipitati Al3Li faze učinkovito koče gibanje dislokacija i time povećavaju

granicu razvlačenja do vrijednosti 630 N/mm2.

73

Nedostatak legura serije 8xxx u odnosu na ostale aluminijske materijale jest

smanjena žilavost i neotpornost napetosnoj koroziji. Dodatno se žilavost ovih legura

smanjuje dugotrajnom eksploatacijom na okolišnoj temperaturi ili kratkotrajnom

uporabom na povišenim temperaturama. Na okolišnoj temperaturi izvjestan gubitak

žilavosti javlja se tek nakon više godina eksploatacije, dok se na temperaturi 120 do 150

°C taj isti gubitak može očekivati već nakon samo dva dana izlaganja. Zato je malo

vjerojatna primjena ovih legura u izradi nadzvučnih zrakoplova gdje dolazi do jačeg

zagrijavanja konstrukcije. Porast krhkosti materijala, prema najširem tumačenju,

posljedica je gomilanja dislokacija na Al3Li česticama čime se stvaraju inicijalne pukotine.

Kao mogući razlog navodi se i prisustvo tekuće faze na bazi alkalijskih elemenata (Na,

K, Cs, Rb) koji se unose pretežno putem litija i difundiraju na granice zrna gdje tvore

ternarni eutektikum Na-K-Cs koji ostaje djelomično tekuć sve do temperature –78 °C.

Budući da je ta faza tekuća i mala količina može pokriti veliku površinu po granici zrna i

time doprinosi krhkosti. Nadalje, prisustvo vodika je također nepoželjno jer on difundira

na granice zrna i ulazi u tekući eutektikum te povisuje krhkost. Stoga su razvijene

metode rafinacije taljevine u vakuumu kako bi se smanjio sadržaj alkalijskih nečistoća i

ujedno reducirao sadržaj vodika čime se djelomično poboljšava žilavost ovih legura.

Legure serije 8xxx prvenstveno su namijenjene zrakoplovnoj industriji. Koriste se

za izradu ploča debljine do 150 mm i u ekstrudiranom obliku za dijelove promjera do 100

mm. Tako se npr. legura 8090 upotrebljava se za limove oplate i otkivke konstrukcije

helikoptera Westland-Agusta tip EH-101.

74

9. TITAN I NJEGOVE LEGURE

Titan i njegove legure svoju komercijalnu primjenu mogu zahvaliti nizu odličnih

svojstava: visokoj čvrstoći, dobroj žilavosti, niskoj gustoći (maloj masi) te odličnoj

korozijskoj postojanosti pri niskim i povišenim temperaturama. Zahvaljujući ovim

svojstvima titanovi se materijali uglavnom koriste u zrakoplovnoj industriji i proizvodnji

različitih projektila gdje predstavljaju tehnički superiorniji i isplativiji konstrukcijski

materijal od čelika i niklovih legura. Visoka čvrstoća pri niskoj gustoći omogućila je

uporabu titanovih materijala u izradi mehanički i toplinski opterećenih zrakoplovnih

dijelova koji istovremeno moraju biti i što manje mase. Jedna od prvih primjena

zabilježena je u svemirskim brodovima Apollo i Mercury nakon čega se nastavlja za

potrebe vojnog zrakoplovstva i u programima američke svemirske agencije NASA.

Danas se ove legure uspješno koriste i u civilnom zrakoplovstvu gdje zahvaljujući svojim

povoljnim svojstvima uspješno doprinose reduciranju mase zrakoplovne konstrukcije i

time omogućuju poboljšanje letnih performansi.

Titanovi materijali susreću se u većini suvremenih letjelica gdje čine 20 do 30 %

mase mlaznog motora (slika 46a), osobito kada je riječ o kompresoru.

a) b)

Slika 46. Primjeri primjene titanovih legura

a) dijelovi mlaznog motora

b) dio helikoptera

Od ovih se legura izrađuju lopatice kompresora, mlaznice, glavine, kućišta motora i dr.,

ali i visokoopterećeni dijelovi drugih letjelica kao npr. helikoptera (slika 46b).

Upotrebljavaju za dijelove motora i elemente konstrukcija izložene povišenim

eksploatacijskim temperaturama do maksimalno 550 °C. Materijali na bazi titana s

čvrstoćom do 1200 N/mm2 podesni su za izradu velikog broja raznih dijelova od malih

zatezača koji teže svega nekoliko grama pa sve do nosača krila koji teže do tonu.

Zahvaljujući osnovnim prednostima maloj masi u kombinaciji s izuzetnom pouzdanošću i

75

korozijskom postojanošću ovi se materijali danas rabe u izradi primarnih konstrukcijskih

elemenata kao što je trup vojnih i putničkih zrakoplova. Uporaba titanovih legura u

zrakoplovnoj industriji svakim danom je sve veća. Primjerice kod Boeinga 777 ovi su

materijali zastupljeni s oko 10 % mase zrakoplovne konstrukcije. Na slici 47 prikazan je

zrakoplov Blackbird koji je bio prvi avion u cijelosti načinjen od titana. Krila i trup ovog

zrakoplova prekriveni su oplatom u potpunosti izvedenom od lakih i čvrstih titanovih

legura.

Slika 47. Blackbird SR-71

9.1. Svojstva titana i titanovih legura

Titan je polimorfan metal koji se podvrgava alotropskoj transformaciji na

temperaturi 885 °C mijenjajući kristalnu strukturu iz heksagonske gusto slagane (HCP)

koja se naziva α faza u kubičnu prostorno centriranu (BCC) poznatiju kao β faza koja

ostaje nepromijenjena sve do tališta 1670 °C.

To je relativno lagan metal s gustoćom od 4500 kg/m3. U usporedbi s drugim

konstrukcijskim legurama njegova gustoća približno iznosi 60 % gustoće čelika, dok je s

obzirom na aluminij titan i veće gustoće.

Modul elastičnosti titanovih materijala iznosi 110000 N/mm2 što u većini slučajeva

osigurava dovoljnu krutost zrakoplovnih dijelova. Elementi načinjeni od titana krući su od

istovrsnih aluminijskih elemenata, ali su manje kruti u usporedbi s čelikom.

Titanove legure posjeduju vrlo dobru mehaničku otpornost određenu visokim

vrijednostima granice razvlačenja i vlačne čvrstoće, slika 48. Čvrstoća pada na

temperaturama iznad 450 °C pa titan nije toplinski čvrst metal.

76

Slika 48. Vrijednosti vlačne čvrstoće titanovih legura

Titan i njegove legure odlikuje vrlo povoljna specifična čvrstoća i to u širokom

rasponu temperatura od -200 do 550 °C što im daje značajnu prednost pred mnogim

drugim konstrukcijskim materijalima.

Zahvaljujući visokoj temperaturi tališta ove su legure značajno otporne na pojavu

puzanja. Slika 49 predočava statičku izdržljivost nekih titanovih legura nakon 150 sati

ispitivanja u području povišenih temperatura.

Slika 49. Vrijednosti statičke izdržljivosti titanovih legura

Temperatura, °C

Temperatura, °F

Stat

ička

izdr

žljiv

ost,

N/m

m2

552

414

276

138

TiAl6Sn2Zr4Mo6

TiAl6V6Sn2

TiAl6V4

TiAl8Mo1V1

TiAl5Sn2,5

TiAl6Sn2Zr4Mo2

500 600 700 800 900 1000 1100

315 321 426 482 537

Temperatura, °C

Vlačn

a čv

rstoća

, N/m

m2

1172

1034

896

758

620

482

TiAl6Sn2Zr4Mo6

TiAl6V6Sn2

TiAl6Sn2Zr4Mo2

TiAl6V4

TiAl8Mo1V1TiAl5Sn2,5

93 204 315 426 537

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperatura, °F

77

Osim mehaničke otpornosti u uvjetima statičkog opterećenja ovi materijali

izdržavaju i dugotrajna dinamička opterećenja bez opasnosti od pojave umora. S

povišenjem temperature dinamička izdržljivost ne opada značajno sve dok se ne

dostignu temperature veće od 315 ºC.

α legure titana s heksagonskom kristalnom strukturom zadržavaju žilavost i pri

sniženim temperaturama.

Titan i njegove legure su nemagnetične i vrlo dobro provode toplinu.

Niski koeficijent toplinske rastezljivosti, niži nego kod čelika i dvostruko manji u

poredbi s aluminijem, jamči visoku dimenzionalnu stabilnost.

Titanovi su materijali ujedno i odlične korozijske otpornosti. Visoko su postojani u

različitim agresivnim medijima kao što su kloridne otopine, morska voda i kiseline

zahvaljujući vrlo stabilnoj i postojanoj, čvrsto prionjenoj oksidnoj prevlaci koja se formira

na površini metala u oksidirajućoj okolini. Ovaj oksidni sloj nositelj je otpornosti na

koroziju. Ukoliko dođe do oštećenja zaštitnog sloja on se iznova obnavlja. Otpornost

titanovih materijala na kloridne soli, pogotovo natrijev klorid, postepeno opada s

porastom temperature pa iznad 260 ºC može doći do pojave rupičaste korozije (pitting)

ili čak do pucanja pod djelovanjem visokih tlačnih naprezanja. Podložnost napetosnoj

koroziji određena je kemijskim sastavom materijala i postupkom naknadne toplinske

obrade. Dodatak aluminija općenito smanjuje otpornost prema ovom obliku korozije i

legure koje sadrže više od 6 % aluminija osjetljive su na napetosnu koroziju. Dodaci

kositra, magnezija i kobalta su također štetni dok molibden, vanadij i niobij poboljšavaju

postojanost prema ovom obliku selektivne korozije. Kod kontaktne (galvanske) korozije

koja nastupa u spoju titana s drugim metalima titan obično ubrzano ne korodira osim u

reducirajućoj okolini. U reducirajućim uvjetima titan ima elektropotencijal sličan

aluminijevom te ubrzano korodira u spoju s više plemenitim metalima. U većini drugih

otopina titan je katodni član galvanskog para koji usporeno korodira. Titan i njegove

legure izvanredno su otporne na koroziju erozijskog tipa. Osim toga postojane su i na

kavitacijsku koroziju pri čemu pokazuju visoku otpornost na pojavu kavitacijskih

oštećenja.

Titanovi materijali ne smiju se izlagati temperaturama višim od 950 ºC radi velikog

afiniteta titana prema kisiku, vodiku, dušiku i ugljiku. Pri toplinskoj obradi ili obradi

deformiranjem na zraku površina metala prekriva se oksidnom prevlakom koju je

potrebno mehanički ukloniti obradom odvajanjem čestica. Stoga se sitni dijelovi toplinski

obrađuju u vakuumu ili zaštitnoj atmosferi inertnog plina.

78

Materijali na bazi titana teško su obradljivi odvajanjem čestica jer su vrlo žilavi, a

javlja se i opasnost od zapaljenja strugotine.

Zbog kristalne građe ograničeno su hladno oblikovljivi i bolje toplo oblikovljivi.

Sve vrste legura su dobro zavarljive u zaštitnoj atmosferi ili u vakuumu.

Naposljetku riječ je o relativno skupom metalu čija je cijena 10 do 20 puta viša u

poredbi s aluminijskim legurama. Proizvodni troškovi i naročito troškovi prerade danas

još uvijek vrlo visoki, što u velikoj mjeri diktira primjenu.

9.2. Titanove legure Titanove legure dijele se prema mikrostrukturi koja je stabilna na sobnoj

temperaturi na α, β i (α+β) legure. Glavni stabilizatori α faze su ugljik, kisik, dušik,

aluminij i kositar, elementi koji pomiču α/β prekristalizaciju u područje viših temperatura.

β stabilizatori kao krom, nikal, mangan, molibden, željezo, tantal i vanadij snizuju

temperaturu α/β transformacije i time stabiliziraju β fazu pri nižim temperaturama. Većina

α legura sadrži i minimalni udjel β faze kao rezultat prisutnosti željeza a ponekad i β

stabilizatora koji se dodaju zbog povećanja obradivosti (npr. molibden i vanadij u leguri

TiAl8Mo1V1). α+β legure koje sadrže α fazu te sačuvanu ili transformiranu β fazu

predstavljaju kompromis između monofaznih α i β legura. Toplinski su očvrstljive i

oblikovljive deformiranjem, a mogu se i zavarivati iako se pri tomu mogu javiti određene

poteškoće.

9.2.1. α legure

α legure koje sadrže aluminij, kositar i cirkonij preferiraju se za uporabu pri

povišenim temperaturama 370 do 550 °C. Ove su legure otpornije puzanju pri višim

temperaturama nego α+β i β legure jer su manje osjetljivije na djelovanje kisika, dušika i

ugljika, elemenata koji uzrokuju krhkost. Brzina difuzije ovih elemenata znatno je manja

u odnosu na legure s kubično prostorno centriranom (BCC) strukturom što daje prednost

α legurama kod eksploatacije pri višim temperaturama.

Za razliku od α+β i β legura ove se legure ne mogu očvrsnuti postupkom toplinske obrade unatoč postojanju α/β prekristalizacije koja se odvija smicanjem, nalik

79

formiranju martenzita kod čelika. α legure su općenito dobro zavarljive. Heksagonska

gusto slagana struktura jamči dobru žilavost i čvrstoću i pri sniženim temperaturama, ali

su to ujedno relativno slabo hladno oblikovljive legure. Otpornost na oksidaciju i

koroziju jednaka je kao kod β i α+β legura.

Ovu grupu titanovih materijala čine legure s aluminijem kao glavnim legirnim

elementom, te kositrom. Najčešća je legura TiAl5Sn2,5 koja se već dugi niz godina

uspješno koristi u zrakoplovnoj industriji. Glavna su joj obilježja: oksidacijska i korozijska

postojanost i odlična svojstva pri niskim temperaturama. Koristi se u kovanom i lijevanom

stanju za dijelove zrakoplova i svemirskih letjelica.

α legure koje sadrže mali dodatak β stabilizatora (npr. TiAl8Mo1V1,

TiAl6Nb2Ta1Mo0,8) ponekad se klasificiraju kao približno α legure. Iako sadrže

zaostalu β fazu većinom su α fazne strukture i više se ponašaju kao α nego α+β legure.

Ostale α i približno α legure, razvijene za dijelove motora, imaju dobru

kombinaciju vlačne čvrstoće i granice puzanja na temperaturama 370 °C do 550 °C, kao

i zadovoljavajuću žilavost i dinamičku izdržljivost. To su npr. legure TiAl7Zr12,

TiAl5Sn5Zr5 i TiAl7Nb2Ta1.

Tablica 33 sadrži svojstva i kemijski sastav nekih α i približno α legura.

Tablica 33. Sastav i svojstva α i približno α legura titana

Vrsta legure Granica

razvl. N/mm2

Vlačna čvrstoćaN/mm2

Maks. sadržaj nečistoća %

Sadržaj legirnih elemenata

%

N C H Fe O Al Sn Zr Mo Ostali

TiMo0,3Ni0,8 380 480 0,03 0,10 0,015 0,30 0,25 - - - 0,3 0,8 Ni

TiAl5Sn2,5 760 790 0,05 0,08 0,020 0,50 0,20 5 2,5 - - -

TiAl8Mo1V1 830 900 0,05 0,08 0,015 0,30 0,12 8 - - 1 1 V

TiAl6Sn2Zr4Mo2 830 900 0,05 0,05 0,013 0,25 0,15 6 2 4 2 0,08 Si

TiAl6Nb2Ta1Mo0,8 690 790 0,02 0,03 0,013 0,12 0,10 6 - - 1 2 Nb, 1 Ta

TiAl2,25Sn11Zr5Mo1 900 1000 0,04 0,04 0,008 0,12 0,17 2,25 11 5 1 0,2 Si

80

9.2.2. α+β legure α+β legure sadrže jedan ili više α stabilizirajući legirni element plus jedan ili više β

stabilizator. U rastvorno žarenom stanju ove legure sadrže veći udjel β faze nego

približno α legure. Udjel β faze ovisi o količini β stabilizirajućih legirnih elemenata i

toplinskoj obradi.

α+β legure se mogu očvrsnuti postupkom homogenizacijskog žarenja i dozrijevanja. Rastvorno žarenje se provodi pri visokoj temperaturi u dvofaznom α+β

području u blizini temperature α/β prekristalizacije pri čemu je udjel β faze velik, a α faze

malen. Homogenizacijsko žarenje popraćeno je gašenjem u vodi, ulju ili nekom drugom

prikladnom sredstvu za gašenje. β faza koja je prisutna na temperaturi rastvornog

žarenja gašenjem se može očuvati sve do okolišne temperature ili može nastupiti

djelomična ili potpuna transformacija u martenzitnu (igličastu) α' fazu, slika 50.

Martenzitna pretvorba javlja se kod legura s masenim udjelom legirnog elementa B ispod

kritičnog(Ck).

Slika 50. Toplinsko očvrsnuće α+β legura titana: 1. rastvorno žarenje,

2. gašenje, 3. dozrijevanje, 4. hlađenje (zrak ili voda)

Ukoliko je temperatura Mf koja označava završetak β/α' prekristalizacije niža od okolišne,

a Ms temperatura (početak prekristalizacije) viša od okolišne, tada se sva β faza neće

transformirati u α' fazu te se gašenjem javlja i određena količina metastabilne β faze. Pri

gašenju legura s masenim udjelom legirnog elementa B većim od kritičnog (Ck) ne

dostiže se Ms temperatura i mikrostruktura sadrži netransformiranu β fazu. Međutim u

k

ω

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

Vrijeme

metastabilni β

% B stabilni β

81

tom području koncentracija odvija se brza promjena stanja koja može dovesti do

stvaranja metastabilne prijelazne ω faze. ω faza koja može nastati gašenjem ili pri

naknadnom dozrijevanju nepoželjna je zbog velike krhkosti. Nakon rastvornog žarenja i

gašenja leguru je potrebno dozrijevati na temperaturi 480 do 650 °C pri čemu dolazi do

precipitacije α faze i nastajanja mješavine α i α' faze uz eventualnu prisutnost

netransformirane β faze.

Rastvornim žarenjem i dozrijevanjem čvrstoća α+β legura može se povisiti za 30

do 50 % pa čak i više. Legure s niskim udjelom β stabilizatora (npr. TiAl6V4), slabije

prokaljivosti, moraju se brzo gasiti da bi efekt očvrsnuća bio veći. Kod legure TiAl6V4

gašenje u vodi nije dovoljno intenzivno da bi došlo do značajnijeg očvrsnuća dijelova

debljih od 25 mm. S povećanjem udjela β stabilizatora prokaljivost se povećava, a time

rastu i vrijednosti čvrstoće i tvrdoće. Čvrstoća koja se postiže toplinskom obradom

također je funkcija udjela β faze na temperaturi rastvornog žarenja. Stoga se sastav

legure, temperatura rastvornog žarenja i uvjeti dozrijevanja moraju pažljivo odabrati da bi

se ostvarila tražena mehanička svojstva gotovog proizvoda.

α+β legure predstavljaju glavni dio proizvodnje titanovih legura. Najvažnija α+β

legura je TiAl6V4 koja čini 45 % ukupne proizvodnje titana i njegovih legura. Na ostale

legure otpada 25 % dok nelegirani (tehnički) titan čini 30 % od ukupne proizvodnje.

U tablici 34 navedene su najvažnije α+β legure s pripadajućim sastavom i

svojstvima.

Tablica 34. Sastav i svojstva α+β legura titana

Vrsta legure Granica

razvl. N/mm2

Vlačna čvrstoćaN/mm2

Maks. sadržaj nečistoća %

Sadržaj legirnih elemenata

%

N C H Fe O Al Sn Zr Mo Ostali

TiAl6V4 830 900 0,05 0,10 0,013 0,30 0,20 6 - - - 4 V

TiAl6V6Sn2 970 1030 0,04 0,05 0,015 1,0 0,20 6 2 - - 0,75 Cu,

6 V

TiAl6Sn2Zr4Mo6 1100 1170 0,04 0,04 0,013 0,25 0,15 6 2 4 6 -

TiAl5Sn2Zr2Mo4Cr4 1055 1125 0,04 0,05 0,013 0,3 0,13 5 2 2 4 4 Cr

TiAl6Sn2Zr2Mo2Cr2 970 1030 0,03 0,05 0,013 0,25 0,14 5,7 2 2 2 2 Cr,

0,25 SiTiAl3V2,5 520 620 0,015 0,05 0,015 0,30 0,12 3 - - - 2,5 V

82

9.2.3. β legure β legure su bogatije β stabilizirajućim legirnim elementima i oskudnije α

stabilizatorima u poredbi s α+β legurama. To su visoko prokaljive legure s potpuno β faznom mikrostrukturom nakon rastvornog žarenja i gašenja. Unatoč svome nazivu β

legure su metastabilne iz razloga što pri okolišnoj ili malo povišenoj temperaturi može

doći do djelomične transformacije β faze u α fazu.

β legure mogu postići visoku čvrstoću toplinskom obradom, osobito u hladno

očvrsnutom stanju. U svrhu toplinskog očvrsnuća ove se legure rastvorno žare i

dozrijevaju na temperaturama 450 do 650° C pri čemu čestice α faze precipitiraju u β

matrici. Time se postižu iznosi čvrstoće usporedivi ili bolji od α+β legura što osigurava

vrlo povoljnu specifičnu čvrstoću unatoč nešto višoj gustoći ove skupine titanovih legura.

Glavni nedostatak β legura u odnosu na α+β legure je spomenuta gustoća koja je

povišena zbog dodatka kroma i vanadija, teških metala više gustoće, koji se dodaju radi

stabilizacije β faze pri okolišnoj temperaturi te općenito slabija otpornost puzanju i niža

žilavost zbog kubično prostorno centrirane (BCC) strukture. Iako je žilavost niža, lomna

žilavost precipitacijski očvrsnutih β legura u pravilu je viša od precipitacijski očvrsnutih

α+β legura usporedive vlačne čvrstoće.

U rastvorno žarenom stanju (100 % β) β legure imaju dobru duktilnost i žilavost,

relativno nisku čvrstoću i izvrsnu sposobnost hladnog oblikovanja. Budući da rastvorno

žarene legure započinju precipitirati α fazu pri malo povišenim temperaturama ove su

legure neprikladne za primjene pri povišenim temperaturama bez prethodne

stabilizacije. Do temperature 300 °C β legure zadržavaju još uvijek znatan dio čvrstoće

koju su imale na sobnoj temperaturi, ali duljim izlaganjem iznad 320 °C one postupno

gube stabilnost.

Osnovne prednosti β legura su: visoka prokaljivost, izvrsna kovljivost i

sposobnost hladnog valjanja u rastvorno žarenom stanju te zavarljivost.

Najčešća β legura je TiV13Cr11Al3 s visokom čvrstoćom u toplinski očvrsnutom

stanju. Razvijen je i niz drugih β legura s povećanom postojanošću pri višim

temperaturama (TiV8Fe5Al1) i povećanom otpornošću na napetosnu koroziju

(TiMo12Sn6). U posljednje vrijeme razvijene su i nove legure za posebne namjene u

zrakoplovnoj industriji i svemirskoj tehnici kao npr. TiV10Fe2Al3, TiAl3V8Cr6Zr4Mo4,

TiMo15Nb3Al3Si.

Tablica 35 sadrži neke β legure, njihov sastav i svojstva.

83

Tablica 35. Sastav i svojstva β legura titana

Vrsta legure Granica

razvl. N/mm2

Vlačna čvrstoćaN/mm2

Maks. sadržaj nečistoća %

Sadržaj legirnih elemenata

%

N C H Fe O Al Sn Zr Mo Ostali

TiV10Fe2Al3 1100 1170 0,05 0,05 0,015 2,5 0,16 3 - - - 10 V

TiAl3V8Cr6 Zr4Mo4 830 900 0,03 0,05 0,020 0,25 0,12 3 - 4 4 6 Cr, 8 V

TiV15Cr3Al3Sn3 965 1000 0,05 0,05 0,015 0,25 0,13 3 3 - - 15 V, 3 Cr

TiMo15Nb3Al3Si 793 862 0,05 0,05 0,015 0,25 0,13 3 - - 15 2,7 Nb,0,2 Si

9.3. Postupci prerade

Postupcima prerade kao što su kovanje, ekstruzija, hladno i toplo oblikovanje,

obrada odvajanjem čestica, valjanje i zavarivanje poluproizvodi od titana oblika žice,

cijevi i ploče oblikuju se u gotove proizvode. Navedeni postupci mogu znatno utjecati na

svojstva materijala bilo samostalno ili u kombinaciji s drugim tehnološkim obradama.

9.3.1. Kovanje

Kovanje je najčešći tehnološki postupak prerade titanovih legura. Njime se postiže

kombinacija mehaničkih svojstava koju nije moguće postići primarnom preradom,

oblikovanjem ingota u poluproizvod. Kovanjem se povisuje vlačna čvrstoća, otpornost na

puzanje, dinamička izdržljivost i žilavost. U kombinaciji s toplinskom obradom može se

regulirati mikrostruktura i mehanička svojstva gotovog proizvoda.

9.3.2. Ekstruzija

Tehnološki postupak ekstruzije koristi se pri proizvodnji dugačkih dijelova

konstantnog presjeka. Sam proces ekstruzije odvija se na temperaturama višim od

temperature β/α transformacije pa se ovime postiže potpuno transformirana β faza čime

84

se svojstva gotovih ekstrudiranih proizvoda razlikuju se od drugih preradbenih

postupaka. 9.3.3. Toplo i hladno oblikovanje

Sposobnost hladnog oblikovanja titanovih materijala ograničena je radi

heksagonske strukture kristalne rešetke i ako su potrebni veći stupnjevi deformacija

nužna su i česta međužarenja. Hladnim se deformiranjem u pravilu povisuje čvrstoća i

granica razvlačenja, a neznatno snižava žilavost.

Pri povišenim temperaturama ovi se materijali dobro oblikuju zahvaljujući kubičnoj

prostorno centriranoj strukturi. Oblikovanjem u području temperatura 595 do 815 °C

olakšava se deformacija materijala uz istovremeno eliminiranje naprezanja zaostalih u

materijalu. Radi velikog afiniteta titana prema kisiku, vodiku, dušiku i ugljiku temperatura

oblikovanja ne smije se prijeći 950 °C. U odnosu na deformiranje u hladnom stanju toplo

oblikovanje ima značajno manji utjecaj na svojstva gotovog proizvoda.

9.3.4. Obrada odvajanjem čestica

Žilavi titanovi materijali teško su obradljivi odvajanjem čestica i zahtijevaju veće

sile rezanja nego čelik. Posebno su teško obradljive β legure titana. Kod velikih brzina

rezanja javlja se opasnost od zapaljenja strugotine.

9.3.5. Zavarivanje

Kvaliteta zavarenog spoja ovisi o sastavu materijala, postupku zavarivanja i

toplinskoj obradi. Zavarivanjem se općenito povisuje tvrdoća i čvrstoća, a smanjuje

žilavost. Žilavost zavarenog spoja naknadno se može poboljšati toplinskom obradom,

žarenjem pri visokoj temperaturi i sporim ohlađivanjem.

Titan i njegove legure mogu se zavarivati TIG postupkom koji se koristi za tanje

stjenke te MIG postupkom za deblje stjenke. Osim toga zavarljive su elektronskim

snopom i laserom.

85

Zavarivanje mora biti strogo kontrolirano da bi se izbjegle uključine kisika, vodika i

dušika koje mogu dovesti do stvaranja krhkih faza. Stoga se zaštita provodi inertnim

plinovima argonom ili helijem odnosno u vakuumu kod zavarivanja elektronskim snopom.

Zavar mora ostati pod zaštitom sve do potpunog hlađenja. Kvaliteta zavara jednostavno

se kontrolira mjerenjem tvrdoće jer svako povećanje udjela kisika ili dušika uzrokuje

porast tvrdoće.

9.3.6. Metalurgija praha

Metalurgija praha (PM) omogućuje proizvodnju titanovih legura u obliku praha te

oblikovanje dijelova iz takvih prahova postupkom sinteriranja (srašćivanja). Sve je veći

značaj titanovih legura proizvedenih PM tehnologijom, uz primjenu hladnog ili toplog

izostatičkog prešanja. Često je njihova prednost pred otkivcima u točnosti dimenzija i

manjim proizvodnim troškovima. Dijelovi oblikovani metalurgijom praha imaju jednaka ili

bolja svojstva od klasičnih preradbenih postupaka. Prahovi, pogotovo fini, zahtijevaju

vrlo brižljivo rukovanje zbog velike sklonosti prema kisiku koji nepovoljno utječe na

svojstva proizvoda.

TiAl6V4 legura proizvedena miješanjem elementarnih prahova rabi se u

zrakoplovnoj industriji za dijelove letjelica kao što su aksijalni rotor i lopatice kompresora.

Slika 51. Dio od titana oblikovan metalurgijom praha

9.3.7. Lijevanje

Glavni razlog lijevanja titanovih legura naspram kovanja je veća isplativost bilo

kroz povećanu konstrukcijsku fleksibilnost, bolju iskoristivost materijala ili manje troškove

obrade.

86

Lijevane titanove legure imaju sličan kemijski sastav kao i kovane jer ne postoje

komercijalno razvijene legure posebno namijenjene lijevanju. Dominantna lijevana legura

je TiAl6V4. Mogu se lijevati i druge α+β legure poput TiAl6V6Sn2 i TiAl6Sn2Zr4Mo6.

Odljevci se također izrađuju od α legura: TiAl5Sn2,5, TiAl6Sn2Zr4Mo2, te β legura:

TiAl3V8Cr6Zr4Mo4, TiV15Cr3Al3Sn3.

Odljevci od titana imaju jednaku ili gotovo jednaku čvrstoću kao i kovani dijelovi

istog kemijskog sastava, dok im je žilavost niža.

Lijevane titanove legure uglavnom se primjenjuju za dijelove složenog oblika

(slika 52). Međutim, proizvodnja odljevaka još je uvijek mala te oni čine svega 1 do 2 %

ukupne količine gotovih proizvoda.

Slika 52. Precizni odljevak od titana

87

10. SUPERLEGURE

Superlegure jesu materijali na bazi nikla odnosno kobalta koji se primjenjuju pri

visokim radnim temperaturama. U usporedbi s ostalim metalnim materijalima ove se

legure koriste za najviše radne temperature, do ≈1100 °C.

10.1. Svojstva superlegura

Glavno obilježje superlegura na bazi nikla i kobalta je kubična plošno centrirana

(FCC) kristalna struktura u području povišenih i visokih temperatura.

Ove legure imaju visoku gustoću, oko 8900 kg/m3, što je značajno više u poredbi

s aluminijskim i titanovim legurama, pa i čelikom.

Tale se pri relativno visokim temperaturama. Talište čistog nikla iznosi 1453 °C, a

kobalta 1495 °C.

To su materijali visoke krutosti određene vrijednošću modula elastičnosti koji za

niklove legure iznosi 210000 N/mm2, dok je kod kobaltovih legura Youngov modul samo

neznatno niži, 209000 N/mm2.

Većina superlegura, osim nekih na bazi kobalta, toplinski je očvrstljiva postupkom

homogenizacijskog žarenja, gašenja i naknadnog dozrijevanja. Mehanizmom

precipitacijskog očvrsnuća znatno se može povisiti čvrstoća.

Visoku mehaničku otpornost ove legure zadržavaju i u području povišenih i

visokih temperatura te pokazuju vrlo veliku otpornost puzanju.

I nikal i kobalt su metali s feromagnetičnim svojstvima. S time je povezana

magnetostrikcija koja označava malu promjenu volumena koja se javlja uslijed magnetne

uzbude.

Legure na bazi nikla izvanredno su postojane na koroziju. Otporne su na

atmosferske utjecaje, postojane u morskoj vodi, neoksidirajućim hladnim kiselinama,

lužnatim otopinama i rastaljenim jakim lužinama. Zbog kristale građe zadržavaju žilavost

pri niskim temperaturama, hladno su oblikovljive, ali se zbog velike brzine hladnog

očvrsnuća moraju odžarivati tijekom prerade.

Kobaltove superlegure su dobro toplo oblikovljive i ograničeno hladno oblikovljive.

Otežana deformacija u hladnom stanju posljedica je klizanja samo po baznim ravninama

heksagonske jedinične ćelije.

88

Ovi se materijali najviše prerađuju lijevanjem, kovanjem i valjanjem, a moguća je i

proizvodnja metalurgijom praha.

Visoka cijena superlegura posljedica je visoke cijene legirnih elemenata i

složenog procesa proizvodnje da bi se dobio materijal visoke čvrstoće u području

povišenih i visokih temperatura.

10.2. Niklove superlegure

Niklove legure su ponajprije razvijene radi njihove otpornosti na koroziju i

mehaničke otpornosti pri visokim temperaturama. Kako se vremenom povećavala

potražnja za materijalima koji izdržavaju sve više radne temperature, došlo je do razvoja

grupe materijala pod imenom superlegure.

Korozijski postojane i toplinski otporne legure nikla, koje se nalaze u tehničkoj

primjeni, općenito se mogu podijeliti prema legirnim elementima u skupine s

odgovarajućim trgovačkim nazivima, tablica 36.

Tablica 36. Podjela niklovih legura

Skupina Trgovačko ime 1. Nikal-bakar Monel (Nicorros) Nikal-krom Nimonic (Nicrofer)

2. Nikal-molibden-krom Hastelloy (Nimofer) 3. Nikal-krom-željezo Inconel (Nicrofer) Nikal-željezo-krom Incoloy (Nicrofer)

4. Nikal-krom-aluminij-titan-kobalt-volfram-molibden-ugljik Različite vrste superlegura

Višekomponentne superlegure sadrže pored nikla i kobalta visoke udjele kroma i manje

udjele visokotaljivih elemenata molibdena i volframa, te titana i aluminija. Njihovo je

glavno obilježje visoka čvrstoća pri povišenim i visokim temperaturama te

otpornost puzanju sve do temperatura 0,7⋅Tt (Tt – talište u K). Otpornost puzanju

temelji se na visokoj temperaturi tališta, FCC kristalnoj građi i precipitacijski očvrsnutoj

mikrostrukturi. Kako je puzanje toplinski aktiviran proces koji u ovim legurama značajnije

nastupa u području temperatura viših od 0,7⋅Tt to će ovi materijali s visokom

temperaturom taljenja biti u prednosti pred drugim konstrukcijskim legurama kod kojih

89

puzanje nastupa već pri temperaturama iznad 0,3⋅Tt (Tt – talište u K). Osim temperature

tališta temperaturno područje primjene superlegura ograničava i temperatura koagulacije

precipitata. S obzirom na kristalnu građu ove legure zadržavaju kubičnu plošno

centriranu rešetku koju općenito karakterizira 100 puta manji koeficijent difuzije u odnosu

na kubičnu prostorno centriranu strukturu. Time je pokretljivost atoma u FCC

strukturama manja i otežano je gibanje dislokacija što uzrokuje manju sklonost

plastičnom tečenju pri visokim temperaturama. Treći čimbenik presudan za pojavu

puzanja je mikrostruktura koja mora biti dodatno očvrsnuta da bi materijal mogao izdržati

visoke radne temperature. Kako je osnovni princip dobivanja visokočvrstih materijala

stvaranje zapreka gibanju dislokacija, dva mehanizma očvrsnuća osobito su djelotvorna

u području visokih temperatura:

- očvrsnuće kristalima mješancima (očvrsnuće legiranjem) i

- očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom).

Mehanička otpornost superlegura ostvaruje se otapanjem legirnih elemenata u kristalima mješancima matrice i precipitacijom intermetalnih spojeva i/ili karbida u

austenitnoj matrici koja se najčešće označava s γ. Na slici 53 prikazan je doprinos

visokotemperaturnih mehanizama očvrsnuća na statičku izdržljivost niklovih odnosno

kobaltovih superlegura nakon 100 sati ispitivanja.

Slika 53. Utjecaj mehanizma očvrsnuća na statičku izdržljivost superlegura

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

649 760 871 982 1093 1204

Stat

ička

izdr

žljiv

ost,

N/m

m2

Temperatura, °C

Temperatura, °F

828

690

552

414

276

138

0

Precipitacijom (γ' ili γ'') očvrsnute niklove superlegure

Karbidima očvrsnute kobaltove superlegure

Kristalima mješancima očvrsnute niklove i kobaltove superlegure

90

Na očvrsnuće kristalima mješancima najjače djeluje kobalt, ali tek iznad 16 %. Na

očvrsnuće precipitacijskim mehanizmom djeluju:

- krom (uz otapanje u austenitnoj matrici) stvaranjem karbida Cr23C6;

- aluminij i titan stvaranjem koherentne γ' intermetalne faze (Ni3Al) kubično

plošno centrirane strukture i nekoherentne η intermetalne faze (Ni3Ti)

heksagonske rešetke;

- niobij stvaranjem γ'' intermetalne faze (Ni3Nb) tetragonalne prostorno

centrirane (BCT) rešetke i δ intermetalne faze (Ni3Nb) ortorompske rešetke;

- molibden, tantal i vanadij stvaranjem karbida.

Osim navedenih legirnih elemenata superlegure mogu sadržavati još i lantanide i

magnezij, kao i manji udjele bora i cirkonija koji otežavaju klizanje po granicama zrna,

što povećava otpornost puzanju. Tablica 37 sadrži najčešće legirne elemente niklovih

superlegura s pripadajućim udjelima.

Tablica 37. Legirni elementi niklovih superlegura

Krom Molibden Volfram Aluminij Titan Kobalt Niobij Tantal Renij maseni %

5 do 25 maks. 12 maks. 12 maks. 6 maks. 6 maks. 20 maks. 5 maks. 12 maks. 6

U tablici 38 prikazane su dvije tipične niklove superlegure, njihov kemijski sastav,

parametri toplinske obrade i mehanička svojstva.

Tablica 38. Sastav, parametri toplinske obrade i svojstva

niklovih superlegura NiCr20TiAl i NiCr20Co18Ti

Oznaka legure

Sastav ostalo

%

Toplinska obrada Vlačna čvrstoća

min. N/mm2

Istezljivost min.

%

Žilavost KU

min. J

Tempera-tura

primjene°C

Rastvorno žarenje

°C

Dozrije-vanje

°C

NiCr20TiAl Nimonic 80A

2,5 Ti 1,5 Al ≤3 Fe

1080/zrak 710/16 h 1130 20 55 do 800

NiCr20Co18Ti Nimonic 90

2,5 Ti 1,5 Al ≤5 Fe

1080/zrak 710/16 h 1250 25 55 do 900

91

Toplinski se obrađuju homogenizacijskim (rastvornim) žarenjem, gašenjem i

naknadnim dozrijevanjem u svrhu precipitacijskog očvrsnuća (slika 54). Legure žarene

pri 1080 °C hlade se na zraku do okolišne temperature i potom dozrijevaju pri 710 °C

kada započinje precipitacija intermetalnih faza Ni3Al i Ni3Ti koje uspješno otežavaju

gibanje dislokacija i time povisuju granicu razvlačenja na 750 N/mm2.

Slika 54. Postupak precipitacijskog očvrsnuća niklovih

superlegura NiCr20TiAl i NiCr20Co18Ti

Austenitna matrica očvrsnuta precipitatima zadržava čvrstoću i u području visokih

temperatura. Tablica 39 sadrži mehanička svojstva NiCr19NbMo legure koja je

zahvaljujući precipitatima toplinski postojana do temperature 700 °C.

Tablica 39. Sastav i mehanička svojstva niklove superlegure NiCr19NbMo

Oznaka legure Sastav ostalo

%

Mehanička svojstva Rm

N/mm2Rp0,2 (N/mm2) pri temp. (°C) A5

%20 500 600 700 800 NiCr19NbMo Inconel 718

Nicrofer 5219 Nb

17 do 20 Fe; 4,8 do 5,5 Nb2,5 do 3,5 Mo; 0,4 do 0,7 Al

0,7 do 1,2 Ti 1240 1035 950 900 810 630 12

Niklove superlegure smiju se trajno opteretiti do temperature najviše 1100 °C. Međutim,

sposobne su kratkotrajno izdržati i više temperature čak do 1400 °C pa služe za izradu

toplinski i mehanički visokoopterećenih dijelova kao što je primjerice zrakoplovna plinska

turbina, slika 55.

Vrijeme

Tem

pera

tura

rastvorno žarenje dozrijevanje

zrak

zrak

710 °C/16 h

1080 °C/8 h

92

Slika 55. Zrakoplovna plinska turbina

Lopatica turbine predstavlja tipičan primjer uspješnosti primjene niklove superlegure jer

treba podnijeti velika naprezanja pri visokim temperaturama koja uzrokuju puzanje, a

mora biti otporna i na pojavu mehaničkog i toplinskog umora uslijed čestih oscilacija

naprezanja pri radnoj temperaturi i čestih temperaturnih promjena. Kako kod puzanja

granice zrna predstavljaju slabija mjesta u odnosu na unutrašnjost kristala, krupnozrnata

mikrostruktura je bolja u odnosu na sitnozrnatu. Još je povoljnija u tom pogledu

monokristalna struktura. Tako je od niklove superlegure izrađena monokristalna

turbinska lopatica sačinjena samo od jednog kristala. Dodatno se otpornost puzanju

može poboljšati usmjeravanjem kristalne rešetke tako da najveća vlačna naprezanja

djeluju u smjeru najveće otpornosti rešetke. Kako orijentacija kristala niklove superlegure

(9 %Cr, 10 %Co, 2 %Ti, 5 %Al, 12,5 %W, 0,05 %Zr, 0,015 %B, 0,15 %C, ostalo Ni)

utječe na otpornost puzanju pokazuje dijagram na slici 56.

Slika 56. Dijagrami puzanja za različite smjerove naprezanja monokristalne lopatice

770 °C / 700 N/mm2

Vrijeme, h 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

21

18

15

12

9

6

3

Def

orm

acija

, %

93

Najbolja otpornost puzanju postiže se u smjeru kristalne ravnine (001), a najslabija u

smjeru (011). Korištenjem takve anizotropije može se znatno povisiti trajnost turbinskih

lopatica.

10.3. Kobaltove superlegure

Kobalt se javlja u dvije alotropske modifikacije. Skrućuje pri temperaturi 1495 °C

kao β modifikacija s kubičnom plošno centriranom (FCC) strukturom koja pri

temperaturi 417 °C prelazi u stabilnu heksagonsku α modifikaciju. Ova prekristalizacija

odvija se preklopnim mehanizmom pa se može opisati kao martenzitna pretvorba.

Toplinski otporne lijevane, kovane i sinterirane kobaltove superlegure postojane pri temperaturama do 1000 °C upotrebljavaju se za slične namjene kao i toplinski

postojane legure nikla, jer kod jednih i drugih kubični plošno centrirani (FCC) kristali

mješanci posjeduju bolju čvrstoću na visokim temperaturama od struktura s kubičnim

prostorno centriranim (BCC) kristalima mješancima. Razlog tome su više temperature

opravka i rekristalizacije i manja difuzijska pokretljivost atoma u FCC rešetci.

Za razliku od niklovih superlegura kod kojih se čvrstoća pri visokim

temperaturama prvenstveno postiže precipitacijom intermetalnih spojeva, kod legura na

bazi kobalta izlučuju se većinom karbidi. Sastav kobaltovih superlegura kreće se u

granicama: 30 do 65 % kobalta, 15 do 30 % kroma, 0 do 20 % željeza, 0 do 32 % nikla i

do 1,1 % ugljika. Ostali legirni elementi: volfram, molibden, vanadij, titan, niobij, tantal,

cirkonij i bor dodaju se s isključivom svrhom stvaranja karbida i karbonitrida (TiC, NbC,

TaC, BC, ZrC, Cr7C3, Cr23C6, Mo6C i W6C). Visok sadržaj kroma u ovim legurama

osigurava antikorozivnost i pospješuje očvrsnuće otapanjem u kristalima mješancima

matrice i stvaranjem kromovih karbida (Cr7C3, Cr23C6). Udjel kroma može se smanjiti ako

se ne zahtijeva znatnija otpornost na koroziju pri visokim temperaturama. Nikal u ovim

legurama ima dvostruko djelovanje: očvršćuje kristale mješance i stabilizira kubičnu

plošno centriranu mikrostrukturu.

Primjeri dvije kobaltove superlegure dani su tablici 40.

94

Tablica 40. Sastav, parametri toplinske obrade i svojstva

kobaltovih superlegura CoCr20W15Ni i CoCr20Ni20W

Oznaka legure

Sastav ostalo

%

Toplinska obrada Vlačna čvrstoća

min. N/mm2

Istezljivost min.

%

Žilavost KU

min. J

Tempera-tura

primjene°C

Rastvorno žarenje

°C

Dozrije-vanje

°C

CoCr20W15Ni Haynes 25

10 Ni 0,1 C ≤3 Fe 1,5 Mn

1230/voda - 850 50 35 do 950

CoCr20Ni20W

4 Mo 4 W 4 Nb

0,38 C ≤4 Fe

1175/voda 760/16 h 1000 25 20 do 900

Mehanička svojstva većine kobaltovih superlegura postižu se rastvornim žarenjem,

gašenjem i dozrijevanjem kao primjerice legure CoCr20Ni20W koja je žarena pri

temperaturi 1175 °C kada se otapaju intermetalni spojevi i karbidi i prelaze u čvrstu

otopinu, a nakon gašenja u vodi dodatno zagrijana na 760 °C čime se omogućuje

izlučivanje sitnih karbida koji usporavaju gibanje dislokacija i otežavaju klizanje po

granicama zrna, slika 57.

Slika 57. Postupak precipitacijskog očvrsnuća

kobaltove superlegure CoCr20Ni20W

Vrijeme

Tem

pera

tura

rastvorno žarenje dozrijevanje

zrak

voda

760 °C/16 h

1175 °C/1 h

95

Kod nekih kobaltovih legura nije uvijek potrebno provoditi dozrijevanje jer je dostatan

mehanizam očvrsnuća legiranje kao primjerice kod legure CoCr20W15Ni koja u

rastvorno žarenom i gašenom stanju već posjeduje zadovoljavajuću čvrstoću.

Toplinski otporne kobaltove legure primjenjuju se za nerotirajuće dijelove plinskih

turbina i mlaznih motora jer im je čvrstoća pri visokim temperaturama nešto niža nego za

legure na bazi nikla. Ove se legure upotrebljavaju za radne temperature do 1000 °C.

Superlegure na bazi kobalta kao i one na bazi nikla ne preporučuje se upotrebljavati

iznad 1000 °C (1100 °C) jer dolazi do ponovnog otapanja precipitata i karbida u čvrstoj

otopini ili koagulacije čime padaju vrijednosti čvrstoće.

Legure na bazi kobalta općenito su otporne na koroziju i pojavu umora. Pretežno

se lijevaju zbog otežane oblikovljivosti i obradljivosti odvajanjem čestica. To su ujedno i

dobro zavarljive legure. Legura poznata kao Stellite 6B (61,5 %Co, 30 %Cr, 4,5 %W, 1

%Ni, 1 %Fe, 1 %C) koristi za navarivanje dijelova otpornih na abrazijsko trošenje.

96

11. KONSTRUKCIJSKA KERAMIKA

Keramički anorganski materijali sastavljeni su od metalnih i nemetalnih elemenata

povezanih ionskim i/ili kovalentnim vezama. To su tvrdi i krhki materijali s niskom

žilavošću i duktilnošću. Obično su dobri električni i toplinski izolatori zbog odsutnosti

vodljivih elektrona. Keramika posjeduje visoku kemijsku postojanost u odnosu na mnoge

agresivne sredine. Zbog ovih svojstava keramički su materijali prijeko potrebni za mnoge

inženjerske primjene. Vrste keramike namijenjene konstrukcijskoj primjeni poznate su

kao tehnička keramika, inženjerska keramika ili konstrukcijska keramika.

Nažalost, sadašnja razina znanja o konstrukcijskoj keramici još ne dopušta

njezinu masovnu primjenu. Unatoč značajnim ulaganjima u istraživanje i razvoj, ostaje

još niz ozbiljnih problema. Principi konstruiranja s keramikom bitno su različiti od onih za

metalne materijale, a još nije u potpunosti objašnjeno ponašanje pod djelovanjem

udarnog i promjenjivog mehaničkog opterećenja, kao npr. kako utrošiti višak unesene

energije a da ne dođe do loma. Nadalje, radi izrazitog utjecaja kvalitete polazne sirovine i

parametara tehnološkog procesa na konačna svojstva keramičkih izradaka, javlja se

veliko rasipanje vrijednosti svojstava i općenito nije moguće dobivanje više serija

istovjetne kvalitete. Proučavanjem sastava, mikrostrukture i procesa oblikovanja danas

se nastoje unaprijediti nepovoljna svojstva poput krhkosti, nepredvidivosti ponašanja u

uvjetima složenog opterećenja i osjetljivosti na pukotine. Širenje pukotina velikom

brzinom posljedica je nepostojanja procesa razgradnje većih naprezanja, takvih koji

djeluju kod duktilnih metala tijekom plastične deformacije.

11.1. Vrste konstrukcijske keramike

Na osnovi kemijskog sastava razlikuju se tri osnovne skupine konstrukcijske

keramike:

- silikatna;

- oksidna;

- neoksidna. Silikatna keramika je najstarija vrsta keramike. Glavne sirovine ovih višefaznih

materijala su glina i kaolin, glinenci i talk kao nosioci silicija. Sinterirani izradak sadrži

97

osim kristalnih faza i velik udio staklene faze (>20 %) čiji je glavni sastojak silicijev oksid

(SiO2). Silikatna keramika je bitno jeftinija i pristupačnija od oksidne i neoksidne

keramike zbog relativno niskih temperatura sinteriranja, dobre kontrole procesa i velike

dostupnosti prirodne sirovine.

Oksidna keramika podrazumijeva materijale koji se uglavnom sastoje od

jednokomponentnih i jednofaznih metalnih oksida (>90 %). Ovi materijali imaju izuzetno

nizak ili nikakav udio staklene faze. Sirovine se proizvode sintetičkim putem i visokog su

stupnja čistoće. Sinteriranjem pri visokim temperaturama nastaje vrlo ujednačena

mikrostruktura koja je odgovorna za poboljšana svojstva.

Primjeri jednokomponentnih vrsta oksidne keramike su: aluminijev oksid (Al2O3),

magnezijev oksid (MgO), cirkonijev oksid (ZrO2), titanov oksid (TiO2). U

višekomponentnu oksidnu keramiku ubraja se npr. aluminijev titanat i olovni cirkonij-

titanat.

Najznačajnija tipična svojstva oksidne keramike su lomna žilavost, otpornost na

trošenje i na visoke temperature kao i korozijska postojanost.

U neoksidnu keramiku pripadaju materijali na temelju spojeva bora, ugljika,

dušika i silicija. Neoksidna keramika u pravilu ima velik udio kovalentnih veza što

omogućuje primjenu pri visokim temperaturama, osigurava velik modul elastičnosti,

veliku čvrstoću i tvrdoću te dobru otpornost na trošenje i koroziju.

Proces dobivanja neoksidne keramike od sirovine do gotovog proizvoda je puno

skuplji nego kod oksidnih vrsta jer se sirovina mora vrlo fino usitniti a sam proces

sinteriranja provodi se u atmosferi bez prisutnosti kisika (vakuum ili inertni plin) pri

temperaturama do 2000 °C.

Najvažniji predstavnici neoksidne keramike jesu: silicijev karbid (SiC), silicijev

nitrid (Si3N4), aluminijev nitrid (AlN), bor-karbid (B4C) i kubični bor-nitrid (BN).

11.2. Postupak proizvodnje Keramički materijali se u pravilu oblikuju pri sobnoj temperaturi iz sirove mase te

postižu svoja tipična svojstva nakon postupka pečenja, odnosno sinteriranja, pri visokim

temperaturama i tlakovima. Odabirom sirovine i postupka proizvodnje može se bitno

98

utjecati na svojstva keramičkih materijala. Osnovna sirovina je prah, koji mora biti visoke

čistoće, i koji se dalje prerađuje u gotovi keramički izradak kroz nekoliko faza kako je to

prikazano slikom 58.

Slika 58. Postupak proizvodnje keramike

Sinteriranje je najvažnija faza u proizvodnji keramičkih dijelova jer se keramička

veza između čestica praha, a time i veća čvrstoća, postiže tek pečenjem pri visokim

temperaturama pri kojima nastupa spajanje čestica praha reakcijama u čvrstom stanju.

Na mjestu dodira čestica praha dolazi do njihovog povezivanja formiranjem vrata (slika

59) što vodi očvrsnuću i postizanju maksimalno moguće gustoće smanjenjem poroznosti.

Slika 59. Sinteriranje praha

Polazno stanje Rast kontakta Zatvaranje pora

granica zrna

zrno

poroznost

99

Konačan rezultat sinteriranja je čvrsta keramička tvorevina koja posjeduje uporabna

mehanička svojstva i koja je sposobna podnijeti mehanička opterećenja u primjenama

kojima je namijenjena.

11.3. Svojstva konstrukcijske keramike

Mnogostruke mogućnosti primjene keramičkih proizvoda temelje se na

specifičnim svojstvima keramičkih materijala koja često nisu dostižna ostalim skupinama

konstrukcijskih materijala.

U dobra svojstva konstrukcijske keramike ubraja se:

- visoka tvrdoća,

- visoka čvrstoća,

- visoke dopuštene radne temperature,

- visoka krutost (velik modul elastičnosti),

- korozijska postojanost,

- otpornost na atmosferilije,

- otpornost na trošenje,

- vrlo dobra električna izolacijska svojstva,

- mala gustoća,

- mala ili velika toplinska vodljivost.

Osnovni nedostaci tehničke keramike jesu sljedeći:

- mala žilavost, visoka krhkost,

- niska otpornost toplinskom umoru,

- niska vlačna čvrstoća,

- veliko rasipanje vrijednosti mehaničkih svojstava,

- visoki troškovi sirovina i postupaka oblikovanja.

Ocjena konstrukcijske keramike u odnosu na metale i polimere predočena je

usporedbom najvažnijih svojstava na slici 60.

100

Slika 60. Usporedba svojstava keramike, metala i polimera

Gustoća

Gustoća keramike iznosi 20 do 70 % gustoće čelika. Time postoje velike

mogućnosti za smanjenje mase, što je osobito značajno kod izrade zrakoplovnih

dijelova. Ovisno o gustoći pojedinih vrsta keramike variraju mehanička svojstva. Veća

gustoća omogućuje postizanje dobrih mehaničkih svojstava kako je ilustrirano

dijagramom na slici 61 koji predočava ovisnost između savojne čvrstoće i gustoće

keramičkih materijala.

Slika 61. Orijentacijska područja savojne čvrstoće i gustoće keramike i metala

Sav

ojna

čvr

stoć

a, N

/mm

2

Gustoća, g/cm3

Tendencija nižim vrijednostima Tendencija višim vrijednostima

101

Čvrstoća

Čvrstoća keramičkih materijala određena je nizom faktora od kojih su

najznačajniji:

- kemijski sastav,

- mikrostruktura (poroznost, uključci, veličina zrna),

- stanje površine (površinske pukotine nastale završnom obradom).

Nadalje, utjecajni faktori su i temperatura te vrsta i način djelovanja naprezanja. Za

keramičke materijale je karakteristično da se vrijednosti čvrstoće statistički vrlo jako

rasipaju ovisno o navedenim čimbenicima.

Tehnička keramika posjeduje vrlo visoku savojnu i tlačnu čvrstoću koja pri visokim

temperaturama nadmašuje čvrstoću metalnih superlegura, te su to materijali

predodređeni za visokotemperaturne primjene. Tlačna čvrstoća keramike je 5 do 10 puta

veća od savojne dok je vlačna čvrstoća vrlo niska, često i do 20 % manja od savojne.

Modul elastičnosti

Modul elastičnosti je kod gotovo svih materijala iz skupine oksidne i neoksidne

keramike veći nego kod čelika, slika 62.

Slika 62. Orijentacijska područja tvrdoće i modula elastičnosti keramike i metala

Pri istom opterećenju kruti i tvrdi keramički dijelovi pokazuju 30 do 50 % manje

deformacije nego istovjetni dijelovi načinjeni od čelika.

Tvrd

oća,

HV

10

Modul elastičnosti, GPa

102

Tvrdoća

Tvrdoća ukazuje na otpornost prema deformiranju, i tim je veća što je veći modul

elastičnosti. Dijelovi od konstrukcijske keramike velike krutosti i stabilnosti oblika zato

pokazuju visoku tvrdoću, i do nekoliko puta veću u odnosu na metale (slika 63).

Slika 63. Orijentacijska područja savojne čvrstoće i tvrdoće keramike i metala

Visoka tvrdoća tehničke keramike jamac je znatne otpornosti na trošenje. Cijena

povećane tvrdoće keramičkih materijala je slaba mogućnost plastične deformacije i

razgradnje koncentracije naprezanja. Tvrdi i krhki keramički materijali s niskom lomnom

žilavošću osjetljivi su na zarezno djelovanje i često pucaju bez prethodne najave (tablica

41).

Tablica 41. Usporedba tvrdoće, lomne žilavosti i gustoće pojedinih vrsta keramike

Vrsta keramike Tvrdoća, HK Lomna žilavost MPa m

Gustoća g/cm3

Aluminijev oksid 1551 3 do 4 3,96 Silicijev karbid 2800 4 3,10 Silicijev nitrid 1500 6 3,31 Bor-karbid 3000 3 do 4 2,50 Cirkonijev oksid 1200 11 5,75

Sav

ojna

čvr

stoć

a, N

/mm

2

Tvrdoća, HV 10

103

Puzanje

Konstrukcijska keramika je izrazito otporna na puzanje, pojavu plastične

deformacije u uvjetima dugotrajnog statičkog opterećivanja pri visokim temperaturama. U

tom pogledu keramika je u znatnoj prednosti pred metalima jer puzanje nastupa pri

temperaturama iznad 1000°C. Na proces puzanja keramike utječu, osim opterećenja i

kemijskih veza, strukturne karakteristike materijala (veličina i oblik zrna, poroznost,

granice zrna).

Toplinska vodljivost

Toplinska vodljivost keramičkih materijala je uglavnom manja nego kod čelika i

bakra. Takvi keramički materijali, niske toplinske vodljivosti, primjenjuju se kao izolatori

topline. Međutim, određene vrste keramike, kao silicijev karbid ili aluminijev nitrid ipak

posjeduju relativno veliku toplinsku vodljivost što utječe na njihovu primjenu.

Slika 64. Orijentacijska područja toplinske rastezljivosti

i toplinske vodljivosti keramike i metala

Toplinska rastezljivost

Toplinska rastezljivost konstrukcijske keramike je, osim kod cirkonijeva oksida,

manja nago kod čelika i bakra (vidi sliku 64) što treba uzeti u obzir kod konstrukcija

načinjenih od keramike i drugih različitih materijala.

Topl

insk

a ra

stez

ljivos

t, ⋅1

0-6 K

Toplinska vodljivost, W/mK

104

Korozija

Za razliku od metala, keramički materijali su korozijski postojani. Brzina njihove

korozije značajno je manja u usporedbi s metalima. Međutim i tu postoje određene

razlike između pojedinih skupina keramičkih materijala (silikatna, oksidna, neoksidna

keramika) kao i različitih materijala unutar određene skupine kada se razmatra njihova

kemijska inertnost.

Trošenje

Zbog vrlo dobre otpornosti na trošenje keramički su materijali primjenjivi za

visokoopterećene dijelove tribosustava. U usporedbi s metalnim materijalima keramika

posjeduje značajno bolju otpornost na različite mehanizme trošenja, posebno kada je

riječ o abraziji, slika 65.

Slika 65. Utjecaj tvrdoće na otpornost trošenju keramike i metala

Adhezijski mehanizam trošenja kod keramike se može zanemariti jednako kao i

tribokorozija zbog nepostojanja kemijskih reakcija u interakciji s okolišem. Preduvjeti

visoke otpornosti na spomenute mehanizme trošenja su prije svega velika tvrdoća, ali i

velika krutost (modul elastičnosti), visoka tlačna čvrstoća i lomna žilavost. Daljnja

povoljna svojstva u tom pogledu su mala gustoća, mala toplinska rastezljivost, otpornost

na visoke temperature i koroziju. Nasuprot dobroj otpornosti abraziji, adheziji i

tribokoroziji keramički materijali, osobito oni niske lomne žilavosti, podložni su trošenju

uslijed umora površine.

R

elat

ivna

otp

orno

st n

a tro

šenj

e

Relativna tvrdoća, HV

105

11.4. Primjena

Konstrukcijska keramika se primjenjuje zbog svojih posebnih svojstava i njihovih

kombinacija koje nisu ostvarive kod ostalih skupina tehničkih materijala. Područja

primjene tehničke keramike kao inženjerskog materijala vrlo su različita: dijelovi izloženi

abrazijskom trošenju, koroziji i eroziji: kuglični i klizni ležaji, mlaznice, brtveni prstenovi

(slika 66), vodilice itd. te dijelovi suvremenih zrakoplovnih motora (slika 67) izloženi

visokim radnim temperaturama čime se ostvaruju jednostavnije konstrukcije zbog

mogućnosti uporabe nehlađenih komponenti uz istovremeno smanjenje potrošnje goriva

i smanjenje težine.

Slika 66. Klizni i brtveni prsteni Slika 67. Rotor turbopunjača od sinteriranog

od silicijeva karbida silicijeva karbida

106

12. POLIMERNI MATERIJALI

Čisti polimeri rijetko se primjenjuju u tehničke svrhe posebice kada se radi o

konstrukcijskoj primjeni s izraženim mehaničkim opterećenjem. Dodavanjem različitih

dodataka čistom polimeru kao npr. punila, omekšavala, ojačala, stabilizatora, bojila,

pigmenata i sl. dobiva se polimerni materijal koji je upotrebljiv u tehničke svrhe.

Danas je poznat velik broj različitih vrsta polimernih materijala koji posjeduju širok

raspon svojstava što omogućuje njihovu primjenu na najrazličitijim područjima. Uporaba

polimernih materijala znatno je raširenija nego što se to čini. Od polimera se izrađuju

razni konstrukcijski dijelovi za unutrašnje uređenje zrakoplova, a često se koriste kao

pjenasti materijali za zvučnu i toplinsku izolaciju te za lijepljenje drugih materijala,

odnosno u proizvodnji suvremenih kompozita čiju osnovu predstavljaju polimerne smole.

Osim toga polimeri se rabe i u izradi strukturnih kompozita kao što su laminati te sendvič

konstrukcije s polimernom jezgrom.

Jedna od značajki bitnih za primjenu polimernih materijala jest njihovo ponašanje

pri zagrijavanju. S tim u vezi polimeri se općenito mogu svrstati u tri skupine:

- plastomeri (zagrijavanjem mekšaju i tale se, ponovnim hlađenjem očvršćuju);

- elastomeri (zagrijavanjem mekšaju, ali se ne tale);

- duromeri (zagrijavanjem ne mogu omekšati).

Uz navedene tri skupine u posljednje vrijeme se spominju i tzv. elastoplastomeri koji se

mekšaju i tale kao plastomeri (prerađuju kao plastomeri), ali imaju izraženo svojstvo

elastičnosti poput elastomera. Karakteristično ponašanje polimernih materijala pri

zagrijavanju rezultat je njihove strukture, tablica 42.

Tablica 42. Obilježja osnovnih skupina polimernih materijala

Naziv Makromolekulna struktura

Vrste makromolekulnih veza

Ponašanje pri zagrijavanju

Plastomeri Linearne makromolekule Slabe sekundarne veze Mekšanje i taljenje

Elastomeri Rahlo umrežene makromolekule

Slabe sekundarne i jake primarne veze

Mekšanje

Duromeri Potpuno (gusto) umrežene makromolekule Jake primarne veze Mekšanje nije

moguće

Slika 68 prikazuje osnovne oblike makromolekulnih struktura plastomera, elastomera i

duromera.

107

Slika 68. Prikaz makromolekulne strukture osnovnih skupina polimernih materijala

Kod plastomera koji su vrlo osjetljivi na porast temperature treba voditi računa da

se pri višim temperaturama povećava deformabilnost i smanjuje mehanička nosivost.

Najpoznatiji plastomeri su: polietilen (PE), polipropilen (PP), polistiren (PS),

poli(vinilklorid) (PVC), poli(tetrafluoretilen)-teflon (PTFE), poli(oskimetilen) (POM),

poli(metil-metakrilat) (PMMA), poliuretan (PUR), polikabronat (PC), poliamid (PA),

poli(etilen-tereftalat) (PET).

Najznačajnije svojstvo elastomernih materijala je sposobnost velikog reverzibilnog

istezanja (do više stotina % prije vulkanizacije i ugradnje primarnih veza). Nakon

dovršenog umrežavanja i formiranja rahlo umrežene strukture istezljivost se smanjuje na

oko 100 %, ali se poboljšavaju neka svojstava značajna za primjenu.

Duromerima, koji posjeduju svojstvo mekšanja i taljenja samo u fazi prerade kada

ih se oblikuje, pripadaju različite vrste smola od kojih su najpoznatije: fenol-

formaldehidna smola (PF), melamin-formaldehidna smola (MF), urea-formaldehidna

smola (UF), nezasićena poliesterska smola (UP), epoksidna smola (EP).

Fizikalna svojstva polimernih materijala općenito su određena nizom faktora.

Utjecanjem u prvom redu na granatost makromolekula i molekulnu masu kao i na

uređenost strukture (stupanj kristalnosti) može se varirati niz svojstava značajnih za

tehničku primjenu. S gledišta primjene ovih materijala u zrakoplovnoj industriji svakako

treba istaknuti njihove prednosti kao što su mala gustoća, otpornost na koroziju, dobra

izolacijska svojstva te ekonomski isplativa proizvodnja velikog broja dijelova složenog

oblika, dok je osnovni nedostatak niska čvrstoća i krutost koji se mogu poboljšati

ojačalima. Tablica 43 sadrži prednosti i nedostatke polimernih materijala u odnosu na

druge konstrukcijske materijale.

Linearne makromolekule

Rahlo umrežene makromolekule Potpuno umrežene makromolekule

108

Tablica 43. Prednosti i nedostaci polimernih materijala

Prednost Nedostatak Mala gustoća Ovisnost svojstava o raznim faktorima Dobra kemijska postojanost Veća toplinska rastezljivost Dobra otpornost na trošenje Nizak modul elastičnosti Mali faktor trenja Mala površinska tvrdoća Dobra sposobnost prigušenja vibracija Podložnost starenju Dobra toplinska i elektroizolacijska svojstva Mala toplinska vodljivost Preradljivost deformiranjem pri relativno malo povišenim temperaturama Utjecaj prerade na svojstva

Ekonomična serijska proizvodnja Neekonomična maloserijska proizvodnja

12.1. Mehanička svojstva

Sa stajališta konstruiranja s polimernim materijalima, odnosno s gledišta njihove

konstrukcijske primjene, osobito su značajna mehanička svojstva koja proizlaze iz građe

polimernih materijala i pojava viskoelastičnog ponašanja.

Viskoelastični efekt predstavlja kombinaciju elastičnog i viskoznog ponašanja

materijala. Kako je struktura polimera uvijek sačinjena od kombinacije kristalnih i amorfnih područja kristalni će dio strukture pod djelovanjem opterećenja reagirati

uglavnom elastično, dok je viskozna komponenta puno značajnija kod amorfnog dijela

strukture. Viskoelastičnost, osim što utječe na mehanička svojstva koja su izrazito ovisna

o temperaturi i vremenu, važna je i zbog ponašanja polimernih taljevina pri preradi.

Na slici 69 predočeni su karakteristični dijagrami naprezanje-istezanje osnovnih

skupina polimernih materijala.

Slika 69. Dijagrami naprezanje–istezanje osnovnih skupina polimernih materijala

Duromeri

Plastomeri (kristalni)

Elastomeri

N

apre

zanj

e, σ

Istezanje, ε

109

Iz dijagrama je vidljivo da polimeri nemaju tako jasno izraženo linearno područje

elastičnosti predočeno Hookeovim pravcem kao što je to kod metala. Nagib Hookeova

pravca, koji je određen vrijednošću modula elastičnosti, pokazuje da su duromeri vrlo

kruti polimerni materijali, kristalni plastomeri nešto manje kruti, dok su elastomeri izrazito

niske krutosti – visoke elastičnosti. Orijentacijske vrijednosti vlačnog modula elastičnosti

dane su u tablici 44.

Tablica 44. Orijentacijske vrijednosti modula elastičnosti polimernih materijala

Supina polimernih materijala

Modul elastičnosti, N/mm2

Plastomeri Amorfni 2100 do 3500 Kristalni 150 do 3200

Elastomeri 50 do 150 Duromeri 5000 do 12000

Svojstva polimera pa tako i vrijednosti modula elastičnosti nisu konstante vrijednosti već za isti kemijski sastav svojstva mogu varirati ovisno o čimbenicima kao što su:

- stupanj polimerizacije;

- stupanj kristalnosti (uređenosti strukture).

Kao primjer navodi se polietilen koji može biti niske gustoće (PELD) i niskog modula

elastičnosti (200 N/mm2 do 500 N/mm2) odnosno visoke gustoće (PEHD) i time većeg

modula elastičnosti (700 N/mm2 do 1400 N/mm2).

Za primjenu polimera, osim poznavanja ponašanja materijala u uvjetima

kratkotrajnog opterećenja, značajno je i njihovo ponašanje pri dugotrajnom

opterećivanju. U uvjetima dugotrajnog djelovanja konstantnog opterećenja javlja se

puzanje materijala, a pri dugotrajnom dinamičkom opterećenju umor materijala. Prikaz

na slici 70 opisuje ponašanje nekog polimernog materijala u uvjetima dugotrajnog

konstantnog opterećenja. Na dijagramu se jasno mogu uočiti 4 stadija puzanja:

1. stadij (OP): početno elastično istezanje koje se javlja u trenutku opterećivanja;

2. stadij (primarno puzanje, PQ): brzi prirast istezanja koji se usporava prelaskom

u 3. stadij;

3. stadij (hladno tečenje, QR): konstantna brzina puzanja;

4. stadij (RS): brzi prirast istezanja sve do loma.

110

Slika 70. Dijagram puzanja polimernog materijala

Puzanje može nastupiti već na sobnoj temperaturi zbog izrazito niske temperature tališta

materijala. Na osnovi krivulja puzanja za različite iznose statičkog opterećenja definira se

značajka koja se naziva statička izdržljivost i koja opisuje otpornost polimera prema

puzanju.

U vezi s dugotrajnim statičkim opterećivanjem pri sobnoj, te osobito pri povišenim

temperaturama, kod ovih se materijala definira i tzv. kritično istezanje, kao vrijednost

istezanja pri kojem niti nakon vrlo dugog trajanja opterećenja ne dolazi do pojave

mikroskopskih oštećenja. Tablica 45 sadrži orijentacijske vrijednosti kritičnog istezanja

nekih polimernih materijala. Stoga je kod konstrukcijske primjene potrebno voditi računa

o dozvoljenom kritičnom istezanju kako bi se izbjeglo oštećivanje materijala i s tim u vezi

pojava lomova i havarija.

Tablica 45. Kritična istezanja nekih polimernih materijala

Polimerni materijal Kritično istezanje, % Stanje

Poli(vinilklorid) 0,8 do 1,0

Amorfno Poli(metil-metakrilat) 0,8 do 1,0 Polikarbonat 0,8 do 1,0 Polistiren 0,2 do 0,3 Poli(oskimetilen) 2,0

Kristalno Polipropilen 2,0 Polietilen niske gustoće 4,0 Polietilen visoke gustoće 2,0 do 3,0

Iste

zanj

e, ε

Vrijeme, t

1. stadij

2. stadij

3. stadij

4. stadij

lom

111

Ponašanje polimernih materijala pri dinamičkom opterećivanju dugotrajnog

karaktera u suštini je vrlo složena pojava jer dolazi do preklapanja mehaničkog

djelovanja i drugih utjecaja kao što je npr. toplinsko djelovanje. Naime, djelovanjem

promjenljivog opterećenja inducira se znatnije generiranje topline zbog slabe toplinske

vodljivosti polimernih materijala što onda utječe na sveukupno ponašanje. Stoga se

Wöhlerova krivulja za polimerne materijale značajno razlikuje od krivulja za čelike i

obojene metale, slika 71.

Slika 71. Prikaz ponašanja polimernih materijala pri dinamičkom opterećenju

Dok se kod čelika, pa čak i obojenih metala dinamička izdržljivost (Rd) može relativno

lako utvrditi kod nekih polimera kod kojih je izraženo asimptotsko približavanje

Wöhlerove krivulje apscisi ne može se sa sigurnošću odredit vrijednost dinamičke

izdržljivosti. Ovakvo ponašanje pri dugotrajnom dinamičkom opterećenju rezultat je

djelovanja vremenskog i temperaturnog faktora.

12.2. Toplinsko-mehanička svojstva

Ponašanje polimernih materijala pri istovremenom djelovanju topline i mehaničkog

opterećenja definirano je toplinsko-mehaničkim svojstvima. Kod plastomera, koji

zagrijavanjem mekšaju, primjenu pri povišenim temperaturama određuje značajka

poznata kao temperatura omekšavanja. Ponašanje duromera u uvjetima istovremenog

djelovanja topline i mehaničkog opterećenja ocjenjuje na osnovi postojanosti oblika pri

povišenim temperaturama.

Nap

reza

nje,

σ

Broj promjena opterećenja, log N

čelici

obojeni metali

polimeri

112

13. KOMPOZITNI MATERIJALI

Kompoziti su tvorevine dobivene umjetnim spajanjem dvaju ili više različitih

materijala s ciljem postizanja specifičnih karakteristika i svojstava, kakva ne posjeduje

niti jedan materijal (komponenta) sam za sebe. U odnosu na “tradicionalne” materijale

kompoziti posjeduju brojne prednosti:

- otpornost na koroziju;

- mala gustoća i mala masa;

- povoljan odnos čvrstoće i gustoće (specifična čvrstoća);

- povoljan odnos modula elastičnosti i gustoće (specifična krutost);

- mogućnost proizvodnje dijelova složenog oblika;

- jednostavno i jeftino održavanje;

- dulji vijek trajanja;

- mogućnost “dizajniranja” svojstava.

Njihova primjena u zrakoplovstvu prvenstveno je uvjetovana niskom gustoćom, visokom

čvrstoćom i krutošću s obzirom na gustoću kao i odličnim fizikalnim svojstvima.

Uporabom kompozitnih materijala u izradi zrakoplovnih konstrukcija značajno se može

smanjiti težina zrakoplova i time ostvariti manja potrošnja goriva ili je moguće povećati

korisnu nosivost na račun manje težine što opet povoljno utječe na troškovnu isplativost.

Sljedeća je prednost kompozita mogućnost njihova oblikovanja u izratke složenog oblika

čime se smanjuje ne samo broj pozicija nekog sklopa, već i potreba za pričvršćivanjem i

spajanjem. Prednosti su dvostruke: uz manji broj pozicija skraćuje se vrijeme potrebno

za montažu, ali se smanjuje i broj potencijalno opasnih mjesta iniciranja pukotine budući

da elementi kao što su vijci i različiti provrti djeluju kao koncentratori naprezanja. U

odnosu na konvencionalne konstrukcijske materijale kompoziti su manje osjetljivi na

pojavu različitih oblika oštećenja što doprinosi njihovoj trajnosti. I napokon treba istaknuti

da su to materijali koji se mogu dizajnirati (projektirati) u cilju postizanja upravo onakvih

svojstava kakva se traže kod određene primjene, a koja nisu ostvariva kod materijala

komponenata. Zbog svega toga kompoziti predstavljaju uspješnu alternativu

konvencionalnim metalnim materijalima u izradi konstrukcijskih elemenata kao što su

oplata krila i trupa te brojni drugi elementi zrakoplova. Razvoj modernih zrakoplova

velikim djelom uvjetovan je primjenom upravo kompozitnih materijala čiji udjel

113

neprekidno raste kako je to prikazano tablicom 46 na primjeru tri serije Boeingovih

zrakoplova.

Tablica 46. Primjena polimernih kompozita kod Boeinga

Tip zrakoplova Ukupna masa polimernih kompozita, kg Ušteda mase, kg

Boeing 737 681 272 Boeing 757 1516 676 Boeing 767 1535 636

Kompozitni dijelovi u pravilu su 20 % do 30 % lakši u odnosu na istovrsne metalne

dijelove. Na slici 72 dan je pregled različitih pozicija zrakoplova Boeing 777-200

izrađenih od kompozita.

Slika 72. Dijelovi zrakoplova Boeing 777-200 izrađeni od polimernih kompozita

Ukupna masa kompozitnih materijala ugrađenih u ovaj zrakoplov iznosi 7540 kg od čega

71% čine polimerni kompoziti ugljičnog ojačanja, a preostali dio kompoziti staklenog

ojačanja.

Svaki kompozitni materijal u osnovi sadrži ojačalo i matricu. Stoga je ukupno

ponašanje kompozita određeno sljedećim:

- svojstvima materijala matrice i ojačala;

- veličinom i rasporedom (raspodjelom) konstituenata;

Vrata Oplata motora

Glavna vrata Stražnja

oplata

Zakrilca

Zakrilca

Rub krila

Horizontalni stabilizator

Kljun

Krilo Kormilo

Oplata krila Oplate

Spojleri

Oplata trupa

TCVertikalni

stabilizator

114

- volumnim udjelom konstituenata;

- oblikom konstituenata;

- prirodom i jakošću veza među konstituentima.

Osnovna zadaća matrice je povezivanje ojačala, prijenos opterećenja na ojačala i

njihova zaštita od površinskog oštećenja. Prema vrsti materijala matrica može biti

polimerna (polimerni kompozit-PMC), metalna (metalni kompozit-MMC) i keramička (keramički kompozit-CMC). Općenito, metali i polimeri rabe se kao materijali matrice da

bi se ostvarila tražena duktilnost, dok se keramičke matrice dodatno ojačavaju radi

poboljšanja lomne žilavosti. Danas se javlja i nova skupina kompozitnih materijala, a riječ

je o ugljik/ugljik kompozitima načinjenim ulaganjem ugljičnih vlakana u piroliziranu

ugljičnu matricu. Nadalje, značajni su i hibridni kompoziti koji sadrže ojačanje od barem

dvije vrste različitih vlakana. Prema obliku ojačala razlikuju se kompoziti s česticama,

vlaknima ojačani kompoziti, slojeviti kompoziti (laminati) i sendvič konstrukcije

(kompozitni sendviči), slika 73. Slojeviti kompoziti i sendvič konstrukcije pripadaju skupini

tzv. strukturnih kompozita.

a) b) c)

Slika 73. Osnovni tipovi kompozita prema obliku ojačala

a) kompozit s česticama, b) kompozit s vlaknima, c) slojeviti kompozit

Kompoziti s vlaknima sadrže vlaknasta ojačala koja mogu biti u obliku viskera (vrlo

tanke niti keramičkih monokristala visoke čistoće s velikom omjerom duljina/promjer),

vlakana i žica (tipični materijali: čelik, molibden, volfram).

13.1. Vlaknima ojačani polimerni kompoziti

Polimerni kompoziti sačinjeni su od polimerne smole kao matrice i ojačala

uglavnom u obliku vlakana. Tipično sadrže relativno čvrsta, kruta vlakna u duktilnoj i

žilavoj polimernoj smoli. Vrlo česti kompoziti staklenog i ugljičnog ojačanja sadrže kruta i

115

čvrsta, ali krhka vlakna ugrađena u polimernu matricu, koja nije osobito ni kruta niti

čvrsta.

Uobičajeno je da su materijali matrice žilavi i duktilni kako bi prenosili opterećenje

na vlakna, a s druge strane spriječili da pukotine između prekinutih vlakana napreduju

kroz cijeli kompozit. No naravno, matrica mora biti i dovoljno čvrsta kako bi pridonijela

ukupnoj čvrstoći kompozita. S obzirom na ponašanje pri povišenim temperaturama

polimerne se matrice mogu podijeliti na plastomerne kod kojih dolazi do promjena pod

utjecajem topline i duromerne koje se ne mijenjaju povišenjem temperature. Duromerne

matrice koriste se za zahtjevnije strukturne primjene, a najčešće se rabe epoksidne

smole koje su otpornije prema vlazi i imaju bolja mehanička svojstva u odnosu na

plastomere, slika 74.

83

55

112

53

0

20

40

60

80

100

120

Poliester Poliamide Epoksi Poliimide

Matrica

Vlač

na č

vrst

oća,

N/m

m2

4100

3200

900

2000

0

500

1000

1500

20002500

3000

3500

4000

4500

Poliester Poliamide Epoksi Poliimide

Matrica

E,N

/mm

2

Slika 74. Prikaz vlačne čvrstoće i modula elastičnosti različitih vrsta matrica

U novije vrijeme razvijaju se i plastomerne matrice postojane pri visokim temperaturama

kao što su npr. poliimidi čija temperaturna granica dugotrajne primjene iznosi 250 do 300

°C. Tu su i drugi visokotemperaturni plastomeri koji imaju potencijal za buduće primjene

u zrakoplovstvu i koji mogu uspješno zamijeniti epoksidne smole koje su još uvijek

najčešće matrice polimerno kompozitnih elemenata zrakoplova.

Vlakna kao sastavna komponenta polimernih kompozita imaju funkciju povećati

čvrstoću i krutost materijala matrice u svrhu zadovoljenja određenih konstrukcijskih

zahtjeva. U principu, vlakna kao nositelj opterećenja trebaju biti što čvršća i kruća te

poliester poliamid epoksid poliimid poliester poliamid epoksid poliimid

Mod

ul e

last

ično

sti,

N/m

m2

116

istovremeno i male mase. Stoga se za vlakna preferiraju materijali visoke specifične

čvrstoće i visoke specifične krutosti (specifični modul elastičnosti).

Vlakna se mogu rasporediti na različite načine kako je prikazano slikom 75.

a) b) c) d)

Slika 75. Različiti načini rasporeda vlaknastih ojačala

a) kontinuirana jednosmjerna vlakna b) slučajno usmjerena diskontinuirana vlakna

c) ortogonalno raspoređena vlakna d) višesmjerno usmjerena vlakna

Ovisno o njihovom rasporedu variraju svojstva kompozita. U slučaju kontinuiranih

usmjerenih vlakna svojstva kompozita mogu biti vrlo anizotropna tako da je u smjeru

vlakna čvrstoća visoka, a okomito na njih značajno niža. Izotropnija svojstva susreću se

kod kompozita ojačanih slučajno usmjerenim kratkim vlaknima.

Danas su u uporabi vrlo raznoliki materijali za izradu vlakana. Kada je riječ o

polimernim kompozitima oni se najčešće ojačavaju staklenim, ugljičnim ili aramidnim

vlaknima. Staklo je vrlo popularan materijal za ojačavanje iz nekoliko razloga:

1. lako se izvlači iz rastaljenog stanja u obliku visokočvrstih vlakana;

2. ekonomična je proizvodnja kompozita ojačanog staklom;

3. ugrađivanjem čvrstih staklenih vlakana u polimernu matricu dobiva se

kompozit vrlo visoke specifične čvrstoće;

4. mogućnost kombiniranja staklenih vlakana s različitim polimernim matricama

čime se postiže kemijska inertnost i omogućuje primjena u korozivnoj okolini.

Staklena vlakna su bijele ili prozirne boje, visoke su čvrstoće, ali nisu osobito

kruta što djelomično ograničava njihovu primjenu. Nadalje, područje uporabe staklom

ojačanih polimernih kompozita ograničeno je temperaturom od najviše 200 °C. Pri višim

temperaturama većina polimera počinje teći ili dolazi do znatne degradacije svojstava.

Za zrakoplovne primjene rabe se visokočista staklena vlakna koja u kombinaciji s

visokotemperaturnom polimernom matricom, kao što su poliimidne smole, mogu

podnijeti temperature do 300 °C.

117

Osim staklenih vlakana kao ojačala se mogu koristiti i aramidna vlakna koja su

visokočvrsta i visokokruta, vrlo dobrog omjera čvrstoće i gustoće. Prva aramidna vlakana

proizvedena su 1965. godine u laboratorijima kompanije Du Pont pod komercijalnim

nazivom Kevlar. Vlakna su poznata su i pod trgovačkim nazivom Nomex. Postoji više

raznih tipova aramidnih vlakana (Kevlar 29, 49, 149) koja se razlikuju po mehaničkim

svojstvima.

Aramidna vlakna čije ime dolazi od aromatični poliamidi pripadaju skupini

plastomera, ali za razliku od plastomera koji se mekšaju i tale pri povišenim

temperaturama ova su vlakna stabilna u području povišenih temperatura. Aramidna

vlakna zadržavaju mehaničku otpornost pri temperaturama od -200 do 200 °C. Vlakna

su karakteristične žute boje, higroskopna, relativno slabe adhezijske veze s matricom,

skuplja od staklenih vlakana, nemagnetična, osjetljiva na ultraljubičasto zračenje te na

djelovanje kiselina i lužina, ali su relativno inertna prema drugim otapalima i

kemikalijama. Osim toga poznata su po svojoj krutosti i žilavosti, otpornosti na udar,

otpornosti na puzanje kao i na pojavu umora.

Aramidna vlakna koriste se za ojačavanje fenolne matrice u izradi strukturnih

elemenata zrakoplova bombardera kao što su primjerice vrata otvora za bombe koja

moraju biti čvrsta, otporna na udar i ne manje važno otporna zapaljenju.

Treću skupinu vlaknastih ojačala čine ugljična vlakna koja se najčešće rabe za

ojačanje suvremenih polimernih kompozita. Razlozi za to su sljedeći:

1. ugljična vlakna imaju najveću specifičnu krutost i najveću specifičnu čvrstoću

od svih vlaknastih ojačala;

2. visoki vlačni modul elastičnosti i visoku čvrstoću zadržavaju i pri povišenim

temperaturama;

3. vlakna su otporna na vlagu i niz otapala, kiselina i lužina;

4. razvijeni su relativno jeftini postupci proizvodnje vlakana i kompozita.

Ugljična vlakna po svojoj strukturi nisu u cijelosti kristalna, već se sastoje od

grafitnih i nekristalnih područja koja ne sadrže trodimenzionalni raspored atoma ugljika u

obliku heksagonske kristalne rešetke karakteristične za grafit.

Prema krutosti ova se vlakna mogu podijeliti u četiri skupine:

- standardnog modula elastičnosti (220 GPa);

- srednjeg ili prijelaznog modula elastičnosti (240 GPa);

118

- visokog modula elastičnosti (300 GPa);

- ultravisokog modula elastičnosti (450 GPa).

Ugljična vlakana ultravisokog modula elastičnosti posjeduju najvišu krutost od svih

vlaknastih ojačala, a ona srednjeg modula elastičnosti najviše su čvrstoće među svim

poznatim vlaknima, tablica 47.

Za ojačavanje se koriste ugljična vlakna promjera između 4 i 10 μm koja mogu biti

kontinuirana ili rezana. Vlakna se uobičajeno prevlače zaštitnim epoksidnim slojem koji

poboljšava adheziju s polimernom matricom.

Kompoziti ugljičnog ojačanja koriste se primjerice za izradu namotavanih Kučiša

raketnih motora kao i brojnih drugih konstrukcijskih elemenata vojnih i komercijalnih

letjelica (npr. dijelovi krila, trupa, stabilizatora i komponenti za upravljanje).

Tablica 47. Karakteristična svojstva vlakana

Vlakno Gustoća, g/cm3

Modul elastičnosti,N/mm2

Vlačna čvrstoća, N/mm2

Staklena vlakna E-vlakno 2,54 76 000 – 79 000 3100 - 3800 S-vlakno 2,48 88 000 – 91 000 4400 Kvarc 2,15 69 000 3400 Aramidna vlakna LM* 1,39 70 000 3000 IM** 1,45 121 000 3100 HM*** 1,47 179 000 3500 Ugljična vlakna SM¹ 1,74 228 000 3600 HT² 1,82 294 000 7100 UHM³ 2,18 966 000 3100

* niski modul elastičnosti, ** srednji modul elastičnosti, *** visoki modul elastičnosti,

¹ standardni modul elastičnosti, ² srednji modul elastičnosti, ³ ultravisoki modul elastičnosti

Na slici 76 dana je usporedba mehaničkih svojstava raznih vrsta vlakana.

119

85000123000

231000

344000

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

Staklena Aramidna Ugljična Grafitna

Vlakna

E,N

/mm

2

Slika 76. Prikaz vlačne čvrstoće i modula elastičnosti raznih vlakana

Osim staklenih, ugljičnih i aramidnih vlakana, koja su najčešća ojačala polimernih

kompozita, mogu se koristiti i druge vrste kao što su vlakna bora, vlakna na osnovi

silicijeva karbida (SiC) ili ona na bazi aluminijeva oksida (Al2O3). Kompozit s vlaknima

bora koristi se npr. u izradi specifičnih komponenata vojnih zrakoplova, ali i za izradu

elisa helikoptera, dok se SiC i Al2O3 vlakna primjenjuju u izradi kućišta raketa.

Osim pojedinačnim vlaknima ojačanje se može ostvariti i različitim tkaninama

odnosno trakama napravljenim od vlakana. Slojevi traka različito se usmjeravaju pa

ovisno o načinu polaganja i vrsti tkanja mijenjaju se svojstva kompozita. Tkanje općenito

predstavlja način prepletanja niti (vlakana) pod određenim kutom. Najčešće vrste tkanja

prikazane su slikom 77. Slika 77a predočava ravno tkanje (engl. plain) gdje jedno vlakno

naizmjence prolazi ispod i iznad vlakna osnove čime se postiže maksimalna mehanička

otpornost. Jednolično tkanje na slici 77b (engl. leno) koristi se pri izradi laganih

membrana, a za zakrivljene dijelove zrakoplova i projektila primjenjuje se savitljivo tkanje

(engl. eight-harness satin weave), slika 77c, u kojem vlakno nakon podvlačenja ispod

jedne niti osnove prelazi preko sedam osnovnih niti. Za manje zakrivljene površine

podesno je i tkanje prikazano na slici 77d (engl. four harness satin - crowfoot) koje je još

uvijek dovoljno oblikovljivo budući da vlakno prije podvlačenja prelazi iznad tri niti

osnove.

4585

3520 3655

2205

0

5001000

15002000

2500

30003500

40004500

5000

Staklena Aramidna Ugljična Grafitna

Vlakna

Vlać

na č

vrst

oća,

N/m

m2

Mod

ul e

last

ično

sti,

N/m

m2

120

Slika 77. Vrste tkanja

13.1.1. Proizvodnja vlaknima ojačanih kompozita

Vlaknima ojačani kompoziti polimerne matrice mogu se proizvesti različitim

postupcima, od kojih su najčešći: namotavanje, lijevanje i pultrudiranje.

Namotavanje

Namotavanje (engl. filament winding) je postupak pri kojem se kontinuirana

vlakna koja služe kao ojačalo namotavaju na model (obično cilindrični) tako da oblikuju

šuplji dio. Vlakna se najprije vode kroz kupku koja sadrži smolu, a zatim se kontinuirano

namotavaju na cilindrični model, često primjenom automatizirane opreme za

namotavanje. Postoji više tipova namotavanja: vijčano, prstenasto (obodno) i polarno o

čemu ovise i mehanička svojstva, slika 78. Nakon nanošenja niza slojeva slijedi

otvrdnjavanje u peći ili pri sobnoj temperaturi, nakon čega se model odstranjuje. Kao

alternativa mogu se namotavati tanki preprezi. Namotavanjem se postiže vrlo visoki

omjer čvrstoće i gustoće te visoki stupanj orijentiranosti vlakna. Uobičajene namotavane

konstrukcije su oplate (kućišta) raketnih motora, spremnici i dr.

121

Slika 78. Prikaz vijčanog, prstenastog (obodnog) i polarnog namotavanja

Prednosti ove tehnike su brzina i ekonomičnost postupka te kontrola brzine

namotavanja, dok se nedostaci očituju kroz nemogućnost uzdužnog polaganja vlakna te

u prilično nedorađenoj vanjskoj površini dijelova isključivo konveksnog oblika.

Lijevanje

Polimerni kompoziti mogu se proizvesti različitim postupcima lijevanja. Ovisno o

načinu kako se kapljevina polimerne smole unosi među vlakna razlikuje se kapilarno

djelovanje, tlačno lijevanje, vakuumsko infiltriranje ili kontinuirano lijevanje, slika 79.

a) b) c) d)

Slika 79. Proizvodnja kompozita lijevanjem

a) kapilarno djelovanje, b) tlačno lijevanje,

c) vakuumsko infiltriranje, d) kontinuirano lijevanje

122

Na slici 80 prikazan je način tlačnog lijevanja poznat kao RTM postupak (engl. resin

transfer moulding). Polimerna smola ulijeva se pod tlakom u kalupnu šupljinu i

raspoređuje oko ojačala, a nakon polimerizacije potaknute zagrijavanjem kalup se

uklanja i dobiva izradak gotovog oblika.

Slika 80. RTM postupak

Na ovaj način mogu se lijevati epoksidne, poliesterske, vinilesterske i fenolne

smole, a kao ojačala koriste se razna vlakana.

Prednosti su RTM tehnike: veliki volumni udjel ojačala, niski sadržaj uključaka

zraka, dobri radni uvjeti te mogućnost automatizacije procesa, dok su nedostaci: visoka

cijena alata i ograničenje na izratke malih dimenzija.

Pultrudiranje

Pultrudiranje se primjenjuje za proizvodnju kompozitnih proizvoda konstantnog

poprečnog presjeka (npr. štapovi, cijevi, grede itd.). Ovim postupkom, shematski

prikazanim na slici 81, snop kontinuiranih vlakna prethodno impregniran (natopljen)

duromernom smolom provlači se kroz alat odgovarajućeg oblika i nakon toga slijedi

otvrdnjavanje čime se dobiva konačan oblik. Uređaj za izvlačenje vuče izradak kroz alate

te time određuje brzinu procesa.

Slika 81. Prikaz postupka pultrudiranja

123

Primjenom odgovarajućih alata mogu se proizvesti cijevi, šuplji elementi ili različiti drugi

proizvodi konstantnog oblika. Glavna ojačala su staklena, ugljična te aramidna vlakna

uobičajenih udjela od 40 do 70 vol. %. Najčešće se kao matrice rabe poliesterske,

vinilesterske te epoksidne smole.

13.2. Kompoziti s česticama

Za ojačanje kompozitnog materijala mogu se koristiti ne samo vlakna već i čestice

od tvrdog i krhkog materijala koje su jednolično raspoređene u mekanijoj i duktilnijoj

matrici. S obzirom na veličinu čestica i način na koji utječu na ukupna svojstva

razlikujemo kompozite s disperzijom (čestice <0,1 μm) i kompozite s velikim

česticama (čestice >1 μm). Kod kompozita s disperzijom volumni se udjel čestica kreće

do 0,15, a za kompozite s velikim česticama taj je udjel veći od 0,2.

Jedna od najvažnijih razlika između kompozita s česticama i onih s vlaknima

direktno proizlazi iz njihove građe. Kompoziti s česticama općenito su izotropni, tj.

njihova svojstva (čvrstoća, krutost itd.) identična su u svim smjerovima, za razliku od

kompozita s vlaknima koji su često anizotropni te svojstva variraju s obzirom na položaj

vlakna. Anizotropnost se može djelomično prevladati slaganjem više slojeva ojačanja

različite orijentacije pri čemu se dobiva slojeviti kompozit.

13.3. Slojeviti kompozitni materijali

Slojeviti kompoziti ili laminati sadrže više slojeva ojačanja položenih u matricu.

Laminati su, osim u vrlo specifičnim slučajevima, još uvijek anizotropni, ali razlika između

svojstava za različite smjerove nije toliko značajna kao kod kompozita s jednosmjernim

vlaknima. Na temelju ovog pristupa razvijaju se laminati s tako orijentiranim slojevima

koji osiguravaju najbolja svojstva u smjeru djelovanja opterećenja. Time se ostvaruje

ušteda na materijalu i prema tome na težini što je čimbenik od primarne važnosti u

zrakoplovnoj industriji.

U zrakoplovstvu se često rabe slojeviti kompoziti poznati kao "glare" laminati, slika

82. "Glare" laminati sadrže aluminijske limove dodatno ojačane staklenim vlaknima.

Polaganjem preprega (staklene tkanine natopljene polimernom smolom) između

aluminijskih limova dobiva se višeslojna struktura koja sadrži nekoliko redova ojačanja.

124

Nakon polaganja vlakana limovi se međusobno spajaju i nakon oblikovanja u kalupu

materijal se izlaže povišenoj temperaturi i tlaku kako bi polimerna smola omekšala i

polimerizirala čvrsto vezujući aluminijske slojeve. Mehanička svojstva ovakvog

kompozita određena su smjerom orijentacije vlakana u pojedinim slojevima. Zato se kod

ugradnje "glare" laminati moraju tako orijentirati da imaju najveću mehaničku otpornost

upravo u smjeru djelovanja najvećih vanjskih opterećenja. Višeslojno ojačane "glare"

laminate u principu odlikuje značajno viša čvrstoća u odnosu na klasične aluminijske

legure uz zadržavanje male mase.

Osim veće mehaničke otpornosti "glare" laminati pokazuju i poboljšanu otpornost

na pukotine. Ako se u aluminijskim limovima javi pukotina snop staklenih vlakana

uspješno premošćuje pukotinu i na taj način usporava ili sprječava njeno širenje, slika

83.

Slika 83. "Glare" laminat - premošćivanje pukotine slojem staklenih vlakana

Delaminirana površina Aluminijski

slojevi

Slojevi vlakana

Premošćivanje opterećenja preko pukotine

Otvaranje pukotine

Aluminijski limovi

Stakleni prepreg

Nastavci/spojevi

Kalup Autoklav

Konačni oblik

Slika 82. Postupak proizvodnje "glare" laminata

125

"Glare" laminati masovno su zastupljeni u izradi Airbusova zrakoplova A380 gdje

se rabe za dijelove oplate trupa zrakoplova, za bočne panele (ploče), gornje dijelove

krila, te krmene dijelove trupa, slika 84.

Slika 84. Airbus A380

Ugrađeni laminati sadrže četiri ili više aluminijska lima debljine 0,38 mm između kojih se

nalazi vezni sloj smolom natopljenih staklenih vlakana. Uporabom ovakvih laminata

ostvarena je značajna ušteda na težini zrakoplova, čak do 30% u odnosu na klasične

aluminijske legure.

13.4. Sendvič konstrukcije

Sendvič konstrukcije sastoje se od dva čvrsta i kruta tanka vanjska sloja između

kojih se nalazi laki materijal koji čini jezgru. Zahvaljujući maloj masi odlikuje ih visoka

specifična čvrstoća i visoka specifična krutost.

Kao materijali jezgre rabe se:

1. polimerne pjene od polivinil-klorida (PVC), polistirena (PS), poliuretana (PUR),

polieterimida (PEI), akrilne pjene; primjenjuju se pjene gustoće od 40 do 200

kg/m3 i debljine 5 do 50 mm;

2. aluminij ili polimerni kompoziti (aramidna vlakna u kombinaciji s

akrilnitril/butadien/stirenskom (ABS), polikarbonatnom (PC), polipropilenskom

(PP) ili polietilenskom (PE) matricom) u izradi saća;

3. drvo (balza, cedar).

126

Površinski slojevi mogu biti, a često i jesu, načinjeni od materijala veće čvrstoće i

krutosti. Za vanjske slojeve preferiraju se legure aluminija, polimerni kompoziti ojačani

vlaknima, titanove legure i čelik.

U zrakoplovstvu je osobito značajna struktura sendvič konstrukcije u obliku

pčelinjeg saća koja sadrži aluminijsku jezgru oblika saća položenu između tankih

vanjskih slojeva, najčešće aluminijske folije (limova) ili laminata, slika 85. Time se

dobiva vrlo postojan, krut, čvrst i izuzetno lagan sendvič koji je zahvaljujući svojim

prednostima široko primjenjiv u izradi zrakoplovnih konstrukcija.

Slika 85. Kompozitni sendvič s jezgrom u obliku pčelinjeg saća

Slika 86 prikazuje način proizvodnje saćastih aluminijskih jezgri postupkom

profiliranja.

Slika 86. Proizvodnja saćastih aluminijskih jezgri profiliranjem

valjak profilirajući valjci

profilirana traka

profilirana jezgra

127

Valjane aluminijske folije ili limovi oblikuju se provlačenjem kroz profilirajuće valjke i tako

profilirani međusobno spajaju tvoreći strukturu sa šesterokutno oblikovanim ćelijama.

Osim heksagonskog oblika ćelija mogući su i drugi oblici ovisno već o načinu profiliranja,

slika 87.

Slika 87. Oblici jezgre aluminijskog kompozitnog sendviča

Jezgra mora biti položena tako da je os ćelija okomita na ravninu površinskih slojeva da

bi se postigla krutost u ravnini okomitoj na vanjski sloj.

Saćasta jezgra se može izraditi i lijepljenjem tankih aluminijskih traka na izoliranim

(pojedinačnim) mjestima. Tako povezani slojevi zatim se razvlače u određenom smjeru

čime nastaje ćelijasta struktura, slika 88.

Slika 88. Proizvodnja saćastih aluminijskih jezgri razvlačenjem

Kompozitni sendviči saćaste aluminijske jezgre široko su primjenjivi kod oplate

krila, trupa i repa zrakoplova odnosno u izradi svih onih konstrukcijskih elemenata koji

moraju biti visoke čvrstoće i visoke krutosti te istovremeno male mase. Oko 100 takvih

aluminijskih sendvič panela korišteno je kod Airbusova zrakoplova A380 u izradi

izbočenih dijelova oplate koji spajaju trup i krilo.

traka

valjak

razvučena jezgra

128

13.5. Kompoziti s metalnom matricom

Radi se o kompozitima kod kojih je matrica metalna (u pravilu duktilna). Kao

materijali matrice mogu se koristit razni metali poput superlegura na bazi nikla i kobalta,

titanovih legura, te lakih magnezijskih i aluminijskih legura posebno prikladnih u

zrakoplovstvu. Ojačavanjem metalne matrice ojačalima u obliku čestica, kontinuiranih i

diskontinuiranih vlakana modificiraju se svojstva matrice i ono što je osobito značajno

povećava specifična čvrstoća i specifična krutost te poboljšava otpornost puzanju.

Materijali kontinuiranih vlaknastih ojačala mogu biti ugljik, silicijev karbid, bor, aluminij i

tvrdi metali, dok se kao materijali diskontinuiranih vlakana koriste ugljik i aluminij.

Značajna prednost metalnih kompozita u odnosu na polimerne je mogućnost njihove

primjene pri znatno višim radnim temperaturama. Međutim, ovi su kompoziti znatno

skuplji od polimernih pa je njihova uporaba prilično ograničena.

Prerada kompozita s metalnom matricom u načelu se sastoji od najmanje dva

koraka. Prvi korak predstavlja sjedinjenje (npr. ulaganje ojačala u matricu), a drugi je

oblikovanje. U tu svrhu razvijene su mnoge metode od kojih su neke prilično

sofisticirane, dok se npr. metalni kompoziti s diskontinuiranim vlaknima oblikuju

uobičajenim postupcima kao što su kovanje, valjanje i ekstrudiranje.

Za specifične zrakoplovne primjene posebno su razvijeni metalni kompoziti s

aluminijskom matricom dodatno ojačanom česticama pretežno nemetalnih materijala.

Tako se primjerice aluminijska legura oznake 6061 ojačava česticama silicijeva karbida

čime se postiže znatno veća krutost (E=230000 N/mm2) i vlačna čvrstoća (Rm=1480

N/mm2) uz samo neznatno višu gustoću (ρ=2930 kg/m3) u odnosu na klasičnu neojačanu

leguru. Za potrebe zrakoplovstva ova se legura može ojačati i vlaknima bora (letjelica

”Space Shuttle Orbiter”) čime se također postiže velika krutost i čvrstoća (E=207000

N/mm2, Rm=1515 N/mm2).

13.6. Kompoziti s keramičkom matricom

Ovi kompoziti sadrže keramičku matricu dodatno ojačanu česticama ili viskerima.

Za ojačanje se koriste čestice cirkonijeva oksida (ZrO2) ili aluminijeva oksida (Al2O3)

odnosno silicijev karbid (SiC) i silicijev nitrid (Si3N4) ako se radi o viskerima.

129

Keramika je općenito poznata kao materijal otporan puzanju koji zadržava dobru

mehaničku otpornost pri visokim temperaturama, dok je njen osnovni nedostatak

sklonost krhkom lomu zbog izrazito niske lomne žilavosti u odnosu na metale što se

nastoji prevladati razvojem suvremenih keramičkih kompozita. Ugradnjom čestica ili

viskera jednog keramičkog materijala u matricu od druge vrste keramike lomna žilavost

se može povećati i do 10 puta. To se postiže međudjelovanjem propagirajuće pukotine i

ojačala pri čemu čestice ili viskeri sprečavaju napredovanje pukotine. Općenito je

poznato nekoliko tehnika za zaustavljanje ili usporavanje propagiranja pukotine. U

slučaju keramičkih kompozita ojačanih česticama cirkonijeva oksida usporavanje je

posljedica naprezanjem inducirane fazne transformacije čestica ZrO2 u neposrednoj

blizini pukotine što rezultira pojavom tlačnih naprezanja pri čemu se pukotina zatvara.

Kod kompozita ojačanih keramičkim viskerima usporavanje se temelji na zaobljavanju

vrha pukotine, premošćivanju pukotine, apsorbiranju energije tijekom razvlačenja pri

čemu se viskeri odvajaju od matrice ili dolazi do preraspodjele naprezanja u rubnim

područjima pukotine. Prednost viskerima ojačanih keramika u odnosu na neojačane

keramičke materijale je i znatno manje rasipanje čvrstoće materijala. Osim toga, tako

ojačani keramički kompoziti izuzetno su otporni na pojavu puzanja i toplinske šokove

uzrokovane naglim promjenama temperature.

Kompoziti keramičke matrice proizvode se postupcima vrućeg prešanja (HP),

vrućeg izostatičkog prešanja (HIP) i sinteriranja.

Keramički kompoziti se primjenjuju za mehanički i tribološki opterećene dijelove

izložene visokim radnim temperaturama (>1600 ºC) kao što su primjerice pojedini dijelovi

motora.

13.7. Ugljik-ugljik kompoziti

Ugljik-ugljik kompoziti su, kako i samo ime govori, kompozitni materijali u kojima

su matrica i ojačalo od ugljika. Radi se o relativno novim i vrlo skupim materijalima.

Razlog visoke cijene je u vrlo složenom postupku proizvodnje kojim se čista ugljična

vlakna ugrađuju u piroliziranu ugljičnu matricu. Izrazita svojstva ove skupine kompozita

su prije svega visok vlačni modul elastičnosti i visoka vlačna čvrstoća (čak i na

temperaturama iznad 2000 °C), otpornost puzanju te relativno visoka lomna žilavost.

Osim toga oni pokazuju malu toplinsku rastezljivost i visoku toplinsku vodljivost. Njihov

130

osnovni nedostatak je sklonost oksidaciji pri visokim temperaturama. Primjenjuju se u

raketnim motorima i konstrukcijama suvremenih vojnih zrakoplova.

13.8. Hibridni kompoziti

Hibridni kompoziti se dobivaju uporabom više vrsta vlakana, kao ojačala u

jedinstvenoj matrici. Velika prednost ovakvih kompozita je znatno bolja kombinacija

svojstava, nego što je to kod kompozita ojačanih samo jednom vrstom vlakana. Postoje

razne kombinacije vlakana i matrica, ali ipak najčešće se koriste ugljična i staklena

vlakna u polimernoj matrici. Ugljična vlakna imaju relativno visoku čvrstoću i krutost te

nisku gustoću, ali i visoku cijenu koja često ograničava njihovu primjenu. Nasuprot njima

staklena vlakna imaju lošija mehanička svojstva, ali im je cijena znatno povoljnija.

Kombiniranjem spomenutih vlakana dobiva se kompozit veće čvrstoće i žilavosti, te

relativno povoljne cijene.

Zbog vrlo velikog broja načina slaganja vlakana u matrici svojstva ovih kompozita

mogu biti vrlo različita. Tako, na primjer, vlakna mogu biti usmjerena u jednom smjeru ili

orijentirana u različitim smjerovima, laminati se mogu slagati iz različitih slojeva pri čemu

je svaki sloj sastavljen od drugog tipa ojačala.

Značajna primjena hibridnih kompozita susreće se kod zrakoplova Boeing gdje se

koriste za izradu konstrukcijskih elemenata oplate. U tablici 48 navedeni su neki primjeri

hibridnih kompozita i njihova svojstva.

Tablica 48. Svojstva hibridnih kompozita

Kompozit s ugljičnim i aramidnim vlaknima

- dobra žilavost i vlačna čvrstoća od aramida; - dobra tlačna i vlačna čvrstoća od ugljičnih vlakana; - niska gustoća ali relativno visoka cijena

Kompozit s aramidnim i staklenim vlaknima

- mala gustoća, dobra žilavost i vlačna čvrstoća od aramida; - tlačna i vlačna čvrstoća od stakla; - niska cijena

Kompozit s ugljičnim i staklenim vlaknima

- dobra tlačna i vlačna čvrstoća, krutost i niska gustoća od ugljičnih vlakana; - niska cijena

131

14. INTERMETALNI SPOJEVI

Intermetalni spojevi predstavljaju metalne, višekomponentne sustave koji se u

osnovi razlikuju od klasičnih legura. Radi se o spoju dva elementa u pet mogućih

stehiometrijskih kombinacija. Neki od čestih spojeva jesu: Ni3Al, Ti3Al, TiAl, NiAl, FeAl,

Nb3Al, MoSi2, Cr2Nb, Mg2Si i dr.

Intermetalni spojevi posjeduju izvanrednu kombinaciju mehaničke otpornosti pri

visokim temperaturama (visoka temperatura tališta), relativno niske gustoće, visokog

modula elastičnosti, visoke otpornosti oksidaciji pri temperaturama preko 1100 ºC, a

osnovni im je nedostatak niska žilavost. Dobra svojstva ovih materijala posljedica su

kovalentno vezanih atoma.

Danas se u primjeni uglavnom nalaze dva spoja: nikal-aluminid i titan-aluminid.

Na slici 89 prikazani su dijelovi proizvedeni od nikal-aluminida i obloga svemirske

letjelice X-33 načinjena od titan-aluminida.

a) b)

Slika 89. Primjeri primjene intermetalnih spojeva

a) dijelovi od nikal-aluminida

b) obloga svemirske letjelice

Intermetalni spojevi proizvode se proizvodnim tehnologijama: metalurgijom praha,

lijevanjem i toplim oblikovanjem. U razvoju novih spojeva koriste se nove tehnike taljenja

i lijevanja u vakuumu pri čemu se pažljivo proučava učinak legiranja na pojavu

metastabilnih faza. Primjenom praškaste metalurgije u proizvodnji kompozita omogućuje

se postizanje boljih mehaničkih svojstava.

132

15. DRVO

Zbog svoje niske gustoće pri relativno visokoj čvrstoći i krutosti te lake obradivosti

drvo kao tradicionalni tehnički materijal nekada se u velikoj mjeri koristilo u izradi

elemenata zrakoplovnih konstrukcija no danas se ono nastoji zamijeniti materijalima

boljih karakteristika kao što su primjerice laki metali, polimerni materijali, kompoziti i sl.

Drvo je obnovljivi prirodan materijal koji se u zrakoplovstvu isključivo primjenjuje u

mehanički obrađenom stanju (piljenjem, blanjanjem, tokarenjem, mljevenjem, spajanjem,

tlačenjem itd.). Razlikuju se tri osnovne vrste drva:

- lišćari (drvo bjelogorice);

- četinari (drvo crnogorice);

- strana (egzotična) finija drva.

Lišćari mogu biti tvrdi (hrast, bukva, cer, brijest, grab, jasen, javor, orah, bagrem, trešnja,

kruška, dud, lijeska itd.) i meki (breza, lipa, topola, joha, divlji kesten, vrba itd.). Četinari

su ariš, bor, jela, smreka, tisa, čempres i dr., a egzotična drva mahagonij, cedar,

ebanovina, palisander itd.

15.1. Građa i svojstva drva

Po svojoj građi drvo nije homogeno. Ono se pretežno sastoji od celuloze, lignina i

smola. Zbog svoje vlaknaste strukture sačinjene od usmjerenih celuloznih vlakana

međusobno povezanih ligninom, tvari koja sliči duromernim smolama, drvo se ubraja u

prirodan kompozitni materijal.

Jedno od temeljnih svojstava drva je gustoća. Gustoća pojedinih drvnih vrsta

ponajprije ovisi o debljini stjenke celulozne cijevi u odnosu prema šupljini. Osim gustoće

za konstrukcijsku primjenu važna je čvrstoća. Tablica 49 sadrži podatke o osnovnim

svojstvima nekih vrsta drva.

Tablica 49. Čvrstoća i gustoća nekih vrsta drva

Vrsta drva Gustoća kg/m3

Čvrstoća, N/mm2 Tlak Vlak

Lipa, jela, omorika, bor 450 do 550 40 do 50 70 do 110 Orah, jabuka, kruška, bukva, hrast, javor 700 do 850 55 do 63 115 do 135

Ebanovina 1230 105 -

133

Mehanička svojstva drva u principu su vrlo anizotropna. Čvrstoća uvelike ovisi o smjeru

djelovanja opterećenja s obzirom na položaj vlakana. Opterećivanjem u smjeru vlakana

postižu se najveće vrijednosti vlačne čvrstoće, a okomito na vlakna čvrstoća je značajno

niža. Kako je vlačna čvrstoća drva razmjerna gustoći, drvne vrste veće gustoće ujedno

su i čvršće. Zbog izvijanja vlakana pod djelovanjem tlačnog opterećenja vrijednosti

tlačne čvrstoće pojedinih drvnih vrsta niže su od vlačne čvrstoće. Pod tlačnim

opterećenjem vlakna lako pucaju te tlačna čvrstoća u smjeru vlakana iznosi oko 1/3

vlačne čvrstoće. Tlačna čvrstoća okomito na vlakna iznosi približno samo 1/10 vlačne i

1/5 tlačne čvrstoće u smjeru osi vlakna. Pri smičnom opterećenju veće se čvrstoće

postižu opterećivanjem okomito na vlakna. Zbog navedenih neujednačenosti svojstava

drva kao tehničkog materijala dopuštena naprezanja se određuju uz primjenu relativno

visokih faktora sigurnosti. Tablica 50 sadrži detaljnije podatke o gustoći i čvrstoći važnijih

vrsta drva.

Tablica 50. Čvrstoća važnijih vrsta drva

Vrsta drva

Gustoća kg/m3

Smjer s obzirom na vlakna

Čvrstoća, N/mm2 Vlak Tlak Savijanje Odrez

Brijest 500 do 850 = 60 do 120 30 do 60 50 do 160 7 ⊥ 4 10 - 25

Bukva 500 do 900 = 60 do 180 40 do 80 60 do 180 5 do 20 ⊥ 7 10 - 35

Grab 500 do 850 = 50 do 200 40 do 80 50 do 140 10 ⊥ 6 10 - 30

Jasen 500 do 900 = 30 do 220 30 do 60 50 do 180 7 ⊥ 7 10 - -

Hrast 400 do 950 = 50 do 180 40 do 60 70 do 100 5 do 15 ⊥ 5 10 - 30

Orah 600 do 750 = 100 40 do 70 80 do 140 - ⊥ 4 10 - -

Bor 300 do 900 = 40 do 190 30 do 80 40 do 200 5 do 15 ⊥ 3 10 90 20

Jela 300 do 700 = 50 do 120 30 do 50 40 do 100 5 ⊥ 2 4 - 25

Smreka 300 do 700 = 40 do 240 30 do 70 40 do 120 5 do 10 ⊥ 3 5 do 10 - 25

134

Krutost drva, vrlo bitna za njegovu konstrukcijsku primjenu, poput čvrstoće

određena je gustoćom pojedinih drvnih vrsta te položajem vlakana s obzirom na smjer

opterećenja. Najveću krutost pokazuju guste vrste drva kao npr. jasen, hrast i bukva, a

najmanje su kruta laka drva poput jele i smreke. Krutost se poboljšava opterećivanjem u

smjeru vlakana dok je okomito na njih ona značajno niža.

Mehanička svojstva drva determinirana su i stupnjem vlažnosti. Na zraku sušeno

drvo sadrži oko 10 do 15 % vlage. Povišenjem sadržaja vlage čvrstoća se osjetno

smanjuje. Nepoželjno svojstvo drva je da ono mijenja svoju vlažnost u odnosu na

okolišne uvjete. Drvo se širi u vlažnoj okolini, a skuplja u suhoj. Drugim riječima ono

bubri ili se skuplja ovisno o tome prima li ili otpušta vlagu. Promjena čvrstoće u smjeru

paralelnom s vlaknima za svaki postotak promjene sadržaja vlage približno iznosi:

- 0,3 do 2 % za vlačnu čvrstoću;

- 4 do 6 % za tlačnu čvrstoću.

Drvo s 40 % vlage ima oko 2/3 vlačne čvrstoće i oko polovicu tlačne čvrstoće sušenog

drva s oko 10 % vlage.

Ako je drvo stalno suho ili stalno ispod vode, ono može trajati vrlo dugo. Vlažan

zrak i izmjenjivanje suhoće i vlažnosti dovode do truljenja drva. Stoga je propadanje u

vlažnoj okolini značajan nedostatak drva kao konstrukcijskog materijala.

Velika mana drvnog materijala je i njegova laka zapaljivost pa se izbjegava

primjena drva za unutarnje uređenje interijera zrakoplova. U cilju smanjenja gorivosti

upotrebljavaju se razni premazi i impregnacije.

Svojstva drva mogu se poboljšati rezanjem na tanke ploče (furnire) te njihovim

sljepljivanjem. Na taj se način proizvodi tzv. ukočeno drvo, te stolarske ploče (panel

ploče). Piljenjem, rezanjem ili ljuštenjem drvo se razdvaja na tanke furnire koji se nakon

toga međusobno lijepe, a svojstva ovako dobivenog materijala ovise o načinu slaganja

slojeva. Pri slaganju istosmjernih traka dobiva se slojevito drvo s dobrim svojstvima u

smjeru vlakana. Ako se trake polažu pod kutom od 90° (ukočeno drvo) ili pod kutom od

45° (zvjezdasto drvo) postižu se jednolična svojstva čvrstoće neovisno o smjeru.

Stolarske ploče (panel ploče) u nutrini se sastoje od slijepljenih drvenih letvica (većinom

drvo četinara), a obostrano su furnirane. Ovako dobivene drvene ploče čvršće su od

masivnog drveta i manje se savijaju. Osim toga danas se sve češće susreću i ploče

iverice.