Materijali I

Pitanja i Odgovori

za priprmu za ispit iz materijala i

Branimir Oremuš

1. Što su to alotropske modifikacije ţeljeza (nacrtajte dijagram)?

Alotropska modifikacija ili alotropija je pojava da se ista tvar javlja u više strukturnih

oblika. Željezo se javlja u 2 alotropske modifikacije:

- BCC rešetka - prostorno centrirana kubiĉna rešetka

- FCC rešetka - plošno centrirana kubiĉna rešetka

Ar4 Ac4

Ar3 ΔT

Ac3

Ar2 Ac2

ΔT - toplinska histereza 13°C

Ar - temperatura stojišta pri hlaĊenju

Ac - temperatura stojišta pri ugrijavanju

2. Elementarna kristalna rešetka; osnovne velićine koje opisuju elementarnu kristalnu

rešetku?

Kristalna struktura neke tvari predstavlja cjelokupni poredak strukturnih jedinica u tzv.

prostornoj rešetki. Jediniĉna ili elementarna rešetka je najmanji dio prostorne rešetke koji

se ponavlja u tri dimenzije i daje cijelu kristalnu rešetku. Sadrži najmanji mogući broj

strukturnih jedinica. Veliĉina i oblik elementarne rešetke odreĊena je parametrima rešetke

(udaljenost izmeĊu jezgri najbližih susjednih atoma uzduž stranice rešetke – ako su atomi

strukturne jedinice) i kutovima koje meĊusobno zatvaraju stranice rešetke. Red veliĉina

parametara jednostavne kristalne rešetke je u nanometrima (1nm = 10-9

m) ili Å(1 angstrom

= 0.1nm = 10–10

m = 10-8

cm).

4. Nacrtajte dijagram Fe-C za metastabilnu kristalizaciju; označite sve faze

i koncentracije, navedite uvjete za metastabilnu kristalizaciju?

Dijagram stanja Fe-C metastabilne kristalizacije

Ako se neka legura Fe-C ohlaĊuje umjereno sporo iz rastaljenog stanja, C će se spojiti sa

Fe u željezni karbid (CEMENTIT).

5. Nacrtajte dijagram Fe-C za stabilnu kristalizaciju; označite sve faze i

koncentracije, navedite uvjete za stabilnu kristalizaciju?

Dijagram stanja Fe-C stabilne kristalizacije

Ako se neka legura Fe-C ohlaĊuje praktiĉno beskrajno sporo iz rastaljenog stanja, C će se

izluĉiti u obliku grafita.

8. Objasnite ispitivanje udarne radnje loma, nacrtajte epruvetu s V-zarezom.

Ispitivanjem udarne radnje loma utvrĊuje se ponašanje materijala (metalnih i polimernih) u

uvjetima udarnog optereĉenja. Vrijednost udarne radnje loma pokazuje hoće li se materijal

ponašati žilavo ili krhko u uvjetima udarnog optereĉenja. Ispitivanje udarne radnje loma

provodi se prema normi EN 10045-1 na ispitnom uzorku ĉetvrtastog popreĉnog presjeka, sa

zarezom u sredini, na Charpyjevu batu. Udarna radnja loma predstavlja energiju potrebnu

da brid Charpyjeva bata prelomi ispitni uzorak ili provuĉe izmeĊu oslonaca. Ispitni uzorak

(epruveta) je oslonjen na dva oslonca, savojno se optereĉuje udarcem brida bata u sredini

raspona, nasuprot zareza. Zbog udarca ispitni uzorak pukne u korijenu zareza ili ga oštrica

bata provuĉe izmeĊu oslonaca. Kod Charpyjeve metode ispitivanja bat (težine G) se spušta

s poĉetne visine h1 (koja odgovara kutu pada α) i udara u ispitni uzorak. Bat se ne

zaustavlja nego nastavlja kretanje, lomi ispitni uzorak i dolazi u konaĉnu visinu h2, koja

odgovara kutu β. Kutovi se odreĊuju pomoću kazaljki na mjernoj skali.

1

2

Udarna radnja loma raĉuna se iz izraza

KV ili KU = G * (h1 - h2) u J odnosno

KV ili KU = G * r * (cosβ - cosα) u J.

položaj ispitnog uzorka epruveta sa V-zarezom

9. Što su to tehnološka ispitivanja materijala, opišite jedan primjer ispitivanja?

Tehnološka ispitivanja izvode se u uvjetima u kojima je dotićni materijal opterećen u toku

obrade. Tehnološkim ispitivanjima ustanovljuju se tehnološka svojstva koja nam daju uvid

u ponašanje metala pri hladnoj i toploj obradi. Zato se najĉešće susrećemo s ispitivanjem

odljevnosti, oblikovljivosti, prokaljivosti, savitljivosti i dr.

Pr. 1 - Ispitivanje čelika savijanjem

Ispitivanje savijanjem na dva oslonca s trnom u sredini provodi se na ĉeliĉnim profilima te

na suoĉenim zavarenim spojevima. Svrha ovog ispitivanja je provjera deformabilnosti

osnovnog materijala, odnosno zavarenog spoja. Ispitivanje se provodi savijanjem ispitnog

uzorka do pojave prve pukotine koja se registrira golim okom.

Pr. 2 - Ispitivanje limova, traka i žica izmjeničnim previjanjem

Ispitivanjem izmjeniĉnim previjanjem utvrĊuje se sposobnost deformabilnosti materijala

previjanjem ispitnog uzorka za 90° u odnosu na poĉetni položaj u jednoj ravnini. Ispitivanje

se proodi na posebnoj napravi naizmjeniĉnim previjanjem ispitnog uzorka uĉvršĉenog u

ĉeljusti preko valjaka. Ovom metodom se ispituju limovi i trake debljine manje od 3 mm, te

žice od 0.3 - 8 mm. Rezultat ispitivanja je broj previjanja ispitnog ozorka do pojave prve

pukotine ili do pojave jedne ili više pukotina preko najmanje polovice širine ispitnog

uzorka.

Pr. 3 - Ispitivanje limova i traka izvlačenjem (prema Erichsenu)

Ispitivanjem izvlaĉenjem ocjenjuje se sposobnost dubokog izvlaĉenja limova i traka

namjenjenih takvoj preradbi. Ispituju se limovi i trake debljine 0.2 - 3 mm, širine ≥ 30 mm.

Ispitivanje se provodi tako da se u uzorak lima ili trake uĉvršćen izmeĊu matrice i

prstenastog pritezaĉa utiskuje kuglasti utiskivaĉ. Dubina prodiranja utiskivaĉa u trenutku

pojave pukotine u limu "IE" iskazana u mm je pokazatelj deformabilnosti materijala pri

ovom ispitivanju.

Pr. 4 - Ispitivanje odljevnosti

Odljevnost se ispituje tako da se ista koliĉina litine razliĉitih metala lijeva u utor koji ima

oblik Arhimedove spirale. Vanjski uvjeti ispitivanja su za sve metale isti. Arhimedova

spirala podijeljena je i oznaĉena brojevima. Metal ĉija litina, uz iste uvjete, dosegne dalje

ima bolja svojstva odljevnosti nego metali ĉija litina prijeĊe kraći put.

10. Što je čvrstoča na vlak; kako se ispituje? UreĎaj, ispitni uzorak, uvjeti ispitivanja;

koje se veličine odreĎuju?

Ĉvrstoĉa je otpornost materijala protiv kidanja. Vlaĉna ĉvrstoĉa (naprezanje na vlak) je

otpornost materijala na izvlaĉenje. Dvije sile djeluju u istoj ravnini, suprotno jedna od

druge i nastoje materijal razvući. Oznaka je σV i izražava se u MPa. Ispitivanje na vlak

se izvodi na ureĊajima (tzv. kidalice) na kojima se ispitni uzorak kontinuirano vlaĉno

opterećuje do loma. Pri ispitivanju se kontinuirano mjere sila i produljenje ispitnog uzorka,

te se pisaĉem grafiĉki registrira dijagram sila - produljenje. Ispitivanje na vlak se provodi

prema ovim standardima HRN C.A4.001, HRN C.A4.002 i HRN EN 10002-1.

Ovim standardima definirani su uvjeti ispitivanja:

- oblik i mjere ispitnog uzorka (okrugli ili ĉetvrtsti)

- brzina optereĉenja (ne smije prijeći vrijednosti 10 N/mm2s)

- temperatura prostora u kojem se izvodi ispitivanje (23±5°C)

- naĉin provoĊenja ispitivanja i izraĉunavanja rezultata

UreĊaji za ispitivanje mogu biti hidrauliĉki ili mehaniĉki. Ispitini uzorak (epruveta) može

biti okruglog ili ĉetvrtastog popreĉnog presjeka.

Naĉin provoĊenja ispitivanja

Ispitni uzorak postavi se u ĉeljusti kidalice i vlaĉno optereti. Za vrijeme ispitivanja bilježi

se sila na kojoj je došlo do teĉenja materijala i maksimalno postignuta sila. Nakon

ispitivanja izmjeri se duljina ispitnog uzorka poslije kidanja i promjer ispitnog uzorka

nakon kidanja. Kod vlaĉnog ispitivanja odreĊuju se ove veliĉine:

- modul elastiĉnosti ili Youngov modul (E=tgα; u MPa)

- granica razvlaĉenja (Re; u MPa)

- vlaĉna ili rastezna ĉvrstoĉa (Rm; u MPa)

- suženje materijala (Z; u %)

11. Što je tvrdoća; koje se metode ispitivanja tvrdoće primjenjuju u strojarstvu?

Tvrdoća je otpornost materijala prema prodiranju stranog tijela u njegovu površinu.

Metode mjerenja (ispitivanja) tvrdoće su:

STATIĈKE (Brinellova, Vickersova i Rockwellova)

- za toĉno odreĊivanje tvrdoće, zahtijevaju bolju pripremu površine, ureĊaji su stabilni

- sila ispitivanja koja djeluje na penetrator postepeno raste do maksimalne vrijednosti

DINAMIĈKE (Poldi i Shore)

- za grubu procjenu tvrdoće, ureĊaji su prijenosni i lako se odreĊuje tvrdoća u svim

uvjetima (npr. velike konstrukcije)

- sila na penetratoru ostvaruje se udarom ili se tvrdoća odreĊuje na osnovi elastiĉnog

odskoka penetratora od površine koja se ispituje.

12. Ţilvost materijala; kakvo je to svojstvo materijala; kako se odreĎuje?

Žilavost je svojstvo otpornosti koje dolazi do izražaja u uvjetima dinamiĉkoga

kratkotrajnog optereĉenja. Ona je i sposobnost za deformaciju u uvjetima udarnog

optereĉenja. Ako u uvjetima udarnog optereĉenja lom nastupa bez prethodne trajne

deformacije, tada se materijalu pripisuje svojstvo lomljivosti, suprotno od žilavosti.

Žilavost se ispituje udarnom radnjom loma na Charpyjevom ureĊaju (vidi odgovor na

pitanje br 8).

13. Koja je razlika izmeĎu granice elastičnosti i granice proporcionalnosti?

Granica elastiĉnosti je najveća sila (nakon prestanka djelovanja) nakon koje se tijelo još

vraća u svoj prvobitni oblik.

Granica proporcionalnosti je najveća sila kod koje su naprezanje i deformacija

proporcionalni.

14. Objasnite Hook-ov zakon?

Hookeov zakon kaže da je deformacija tijela proporcionalna primijenjenoj sili pod uvjetom

da se ne prijeĊe granica elastiĉnosti tijela. Kada se sila ukloni tijelo će se vratiti u svoj

prvobitni oblik. Ako se tijelo na elastiĉnoj opruzi pomakne iz ravnotežnog položaja,

tj. ako se opruga rastegne ili stisne, djelovat će povratna sila (elastiĉna sila opruge), koja će

nastojati tijelo vratiti u ravnotežni položaj. Iznos te sile je proporcionalan pomaku tijela iz

ravnotežnog položaja. Dakle, ako je pomak x, povratna sila je: F = −kx,

a koeficijent proporcionalnosti k je konstanta opruge (ovisi o njenim dimenzijama, obliku i

materijalu od kojega je izraĊena).

15. Napišite jedan ugljični čelik za cementaciju, te jedan legirani čelik za

poboljšavanje.

ugljiĉni ĉellik za

cementaciju Ĉ1121 Ĉ1220 Ĉ1525

legirani ĉelik za

poboljšavanje Ĉ3130 Ĉ4131 Ĉ4732

16. Toplinska obrada legura ţeljeza; cilj obrade; opći dijagram toplinske obrade?

Toplinska obrada je postupak u kojem se predmet namjerno podvrgava temperaturno-

vremenskim ciklusima kako bi se postigla željena mikrostruktura, a time i željena

(mehaniĉka, fiziĉka, kemijska) svojstva.

17. Poboljšavanje čelika; nacrtati dijagram temperatura-vrijeme, te opisati postupak?

Poboljšavanje je, opĉenito, postupak kaljenja i visokotemperaturnog popuštanja ĉelika.

Svrha poboljšavanja je postizanje velike žilavosti i dinamiĉke izdržljivosti kod ĉelika za

poboljšavanje, velike ĉvrstoće i granice razvlaĉenja kod opružnih ĉelika u odnosu prema

normaliziranom stanju i velike istezljivosti u odnosu prema zakaljenom stanju.

TO

tem

per

atu

ra

vrijeme

ukupno vrijeme ugrijavanja

grijanje

ohlađivanje držanje progrijavanje ugrijavanje

površina

jezgra

Poboljšavaju se opĉenito nelegirani i legirani konstrukcijski ĉelici sa sadržajem C od 0.3 -

0.6%, te opružni ĉelici.

18. Koje uvjete čelik mora ispuniti da bi se mogao zakaliti?

Da bi se ĉelik mogao zakaliti mora imati >0.35%C.

19. Izbor temperature austenitizacije?

Temp. austenitizacije (temp. ugrijavanja za kaljenje) ovisi o vrsti ĉelika koji želimo zakaliti

(podeutektoidni s manje od 0.8% C ili nadeutektoidni s više od 0.8% C ).

Za podeutektoidne ĉelike (manje od 0.8% C) Tkalj. = A3 + (30 - 50°C).

Za nadeutektoidne ĉelike (više od 0.8% C) Tkalj. = A1 + (30 - 50°C).

20. Izbor sredstva za hlaĎenje kod kaljenja čelika?

Izbor sredstva za hlaĊenje (gašenje) slijedi iz iznosa gornje kritiĉne brzine gašenja.

U praksi vrijede sljedeća empirijska pravila:

- za vkg > 150°C/s - ĉelik se treba gasiti u vodi

- za 150 > vkg > 5°C - ĉelik se treba gasiti u ulju ili toploj kupki

- za vkg < 5°C - ĉelik se smije hladiti na zraku ili (bolje) internom plinu (N).

22. Objasnite temeljnu svrhu popuštanja čelika, podjelu postupaka, glavni učinak

popuštanja?

Popuštanje je postupak ugrijavanja kaljenog ĉelika na neku temp. ispod temp. A1 u svrhu:

- povišenja žilavosti martenzita postignutog kaljenjem

- sniženja vlastitih zaostalih naprezanja martenzita

- postizanje dimenzijske postojanosti (kod visokolegiranih alatnih ĉelika).

Prema visini temp. popuštanja postupci se dijele na:

- nisko temperaturno popuštanje - 220°C

- srednje temperaturno popuštanje - 220°C - 400°C

- visoko temperaturno popuštanje - 400°C - A1.

Glavni uĉinak popuštanja je smanjene krhkosti i poveĉanje žilavosti zakaljenog ĉelika.

23. Nacrtajte dijagram i objasnite termodifuzijski postupak cementiranja čelika?

Cementiranje je termodifuzijska obrada pougljiĉenja površinskog sloja kojom se

nezakaljiva površina uĉini zakaljivom. Zakaljivanjem pougljiĉene površine predmeta

postiže se:

- tvrda površina otporna na trošenje

- žilava jezgra otporna prema udaru.

Cementiranje je postupak toplinske obrade koji se sastoji od pougljiĉenja, kaljenja i

niskotemperaturnog popuštanja. Pougljiĉenje je difuzija C u površinske slojeve ĉelika. Za

tu svrhu porebno je ĉelik ugrijati u austenitno temperaturno podruĉje jer je austenit

sposoban rastvoriti veće koliĉine C. Pougljiĉenje se može vršiti u: granulatu, solnoj kupci i

plinu. Nakon pougljiĉenja vrši se kaljenje. Kaljenje nakon pougljiĉenja može biti direktno,

jednostruko s meĊužarenjem i dvostruko bez meĊužarenja. Nakon kaljenja izvodi se

postupak popuštanja pri niskim temperaturama.

24. OdreĎivanje efektivne dubine cementiranog sloja?

Efektivna dubina cementiranja je okomita udaljenost od ruba do mjesta gdje je postignuta

graniĉna tvrdoća od 550HV1. mjeri se niz tvrdoća od ruba prema jezgri i to Vickers

metodom i optereĉenjem 9.81N.

DC

udaljenost od ruba

HV1

ulje

AC3 površine

AC3 jezgre

t

°C

175 - 220°C

810 - 840°C

920°C

pougljičenje kaljenje

popuštanje

300

400

500

600

700

800

tvrdoća

0.5 1 1.5 mm

26. Konstrukcijski čelici?

Konstrukcijski ĉelici dijele se na opće konstrukcijske ĉelike negarantiranoga kemijskog

sastava i konstrukcijske ĉelike s garantiranim kemijskim sastavom.

Konstrukcijski ĉelici negarantiranog kemijskog sastava

Ovoj skupini pripadaju svi konstrukcijski ugljiĉni ĉelici negarantiranog kemijskog sastava i

s propisanim mehaniĉkim i tehnološkim svojstvima. Sadržaj C kreće se od 0.15 - 0.5%.

Rastezne ĉvrstoća im je 330 - 850 MPa, a žilavost oko 0.35MJ/m2. Dobro se zavaruju i

imaju dobru sposobnost deformiranja. Primjenjuju se za one konstrukcije kod kojih se ne

postavljaju veliki zahtjevi u smislu opterećenja. Ovoj skupini pripadaju i nelegirani ĉelici

za vijke, matice i zakovice sadržaja C do 0.19%, Mn do 0.55%, rastezne ĉvrstoĉe 380 - 490

MPa, žilavosti 0.35MJ/m2. Uglavnom se toplinski ne obraĊuju.

Konstrukcijski ĉelici s garantiranim kemijskim sastavom

Ovoj skupini pripadaju ugljiĉni i legirani ĉelici koji se dijele na:

- obiĉne ugljiĉne konstrukcijske ĉelike s garantiranim kemijskim sastavom i bez

garantiranih mehaniĉkih svojstava; mehaniĉka svojstva ovih ĉelika nisu propisana.

Preimjenjuju se za izradu svih nosivih konstrukcija u mostogradnji, hidrogradnji,

strojogradnji, brodogradnji, gradnji vozila, spremnika itd;

- plemenite konstrukcijske ugljiĉne i legirane ĉelike s garantiranim kemijskim sastavom i

mehaniĉkim svojstvima. Redovito se toplinski obraĊuju prije upotrebe. Ovoj skupini

pripadaju ĉelici za cementiranje, ĉelici za poboljšavanje, ĉelici za opruge, specijalni

konstrukcijski ĉelici, ĉelici za kotlovske limove, ... .

27. Čelici za cementiranje?

Ĉelici za cementiranje su konstrukcijski ĉelici kojima se nakon obrade odvajanjem ĉestica

pougljiĉava rubni sloj, te se nakon toga kale kako bi se postigla visoka otpornost na trošenje

rubnih slojeva, a isovremeno bi se povisila žilavost nepougljiĉene jezgre. U pravilu sadrže

0.1 - 0.2% C prije pougljiĉenja, a opĉenito mogu biti nelegirani i niskolegirani.

Ĉelici za cementiranje dijele se na:

- kvalitetne ĉelike (C10, C15)

- nelegirane plemenite ĉelike (CK10, CK15)

- legirane plemenite ĉelike (15Cr3, 16MnCr15, 20MnCr5, 20MoCr4, 15Cr,Ni6).

Neki ĉelici za cementiranje: Ĉ1120, Ĉ1220, Ĉ4320, Ĉ4720, Ĉ5420, Ĉ4721.

28. Čelici za poboljšavanje?

Ćelici za poboljšavanje su nelegirani i niskolegirani konstrukcijski ĉelici koji kaljenjem i

visokim popuštanjem, ovisno o kemijskom sastavu, postižu željenu granicu razvlaĉenja i

ĉvrstoću uz dobra svojstva žilavosti. Sadrže 0.25 - 0.6% C. Ĉelici za poboljšavanje

primjenjuju se onda kada vlaĉna ĉvrstoĉa i granica razvlaĉenja opĉih konstrukcijskih ĉelika

više ne zadovoljavaju zahtjevima konstruktora. Primjenjuju se za izradu dijelova vozila,

motora, manjih zupĉanika, ... .

Neki ĉelici za poboljšavanje: Ĉ1330, Ĉ1430, Ĉ3130, Ĉ4131, Ĉ4830, Ĉ4732, Ĉ5432.

29. Opruţni čelici?

Ovo su legirani ĉelici s nešo poveĉanim udjelom Si (0.25 - 1.7%), a sadržaj C je 0.38 -

0.65%. Obavezno se prije upotrebe toplinski obraĊuju. Primjenjuju se za izradu prstenastih

elastiĉnih podloški, tanjurastih opruga, lisnatih opruga, zavojnih opruga i svih ostalih

dijelova od kojih se traži dobra elastiĉnost.

Neki opružni ĉelici. Ĉ2130, Ĉ2131, Ĉ2330, Ĉ4230, Ĉ4831.

30. Korozijski postojani čelici?

Ovi ĉelici kao glavni dodatak imaju 12 - 18% Cr. Sadržaj C je malen. U praksi se ĉesto

susreću CrNi ĉelici. Ĉesto su boljih svojstava od ĉisto Cr ĉelika. Primjenjuju se za

proizvode od kojih se traži otpornost na koroziju i kemijska postojanost.

Podruĉje primjene:

Ĉ4171 (Prokron 2) - za armature, dijelove pumpi, turbine i sl.

Ĉ4570 (Prokron 2 spec.) - u morskoj vodi za osovine i ventile u brodogradnji.

Ĉ4572 (Prokron 11) - ĉelik za široku potrošnju, može se uspješno zavarivati.

Ĉ4573 (Prokron 12) - u kemijskoj i prehrambenoj industriji, industriji celuloze, papira,

tekstila, boja i dr.

31. Brzorezni čelici?

Ovi ĉelici legirani su jakim karbidotvorcima (Cr, W, V, Mo) koji s povišenim udjelom C

(0.7 - 1.3% C) stvaraju slobodne karbide postojane pri višim temperaturama. Zbog takvog

sastava i mikrostrukture odlikuju se izvrsnom otpornošću na trošenje i otpornošću na

popuštanje pri radnim temp. 500 - 600°C, ali radi toga im je niska žilavost. Primjenjuju se

za rezne alate koji rade velikim brzinama rezanja.