1

MEHANIČKA SVOJSTVA MATERIJALA (K3)

Doc.dr.sc. Željko Alar

• Eksploatacijske karakteristike nekog (strojarskog) proizvoda su, pored cijene njegove izrade, te trajnosti, osnovni pokazatelj uspješnosti proizvoda na tržištu.

• Osnovna grupa svojstava koja zajedno s nekim ostalim svojstvima čine eksploatacijska svojstva, su mehanička svojstva proizvoda odnosno mehanička svojstva materijala od kojeg je isti načinjen.

• Mehanička svojstva materijala zauzimaju posebno mjesto između ostalih fizikalnih i kemijskih svojstava, budući da se na osnovi njih dimenzioniraju dijelovi strojeva i uređaja.

• Mehanička svojstva materijala su, kao i sva ostala svojstva, posljedica strukturnogstanja materijala, koje se dobiva obradom materijala određenog sastava određenimtehnološkim postupkom. Tako se izborom nekog materijala i odgovarajućeg tehnološkog postupka postiže ciljano strukturno stanje materijala koje daje željena svojstva.

• Poznavanjem korelacije "strukturno stanje - mehanička svojstva" bilo bi mogućeproračunati mehanička svojstva koristeći strukturne parametre.

• To je nažalost moguće samo za idealne tvari, budući da su u realnima prisutne(mikro)strukturne nepravilnosti koje nije moguće egzaktno uočiti i obuhvatitiproračunom.

2

• Tako na primjer teorijsko smično naprezanje potrebno za posmicanjekristalnih ravnina idealnog kristala -Fe utvrđenog proračunom iznosi

teo 8 400 N/mm2 ,

dok ista vrijednost utvrđena eksperimentalno na realnom materijaluiznosi

stv 10 N/mm2

Razlog toliko sniženoj stvarnoj vrijednosti u odnosu na teorijsku je prisustvo nepravilnosti u kristalnoj strukturi, prvenstveno dislokacija.

Iz toga proizlazi da se mehanička svojstva realnih materijala mogu točno utvrditi samo

eksperimentalnim ispitivanjem.

Za ispitivanja mehaničkih svojstava materijala razvijena je eksperimentalna oprema

pomoću koje je moguće epruvete (ispitne uzorke) opterećivati na način sličan

onome na koji će odgovarajući strojni dijelovi biti opterećeni u radu.

Epruvete su uzorci normiranog oblika i dimenzija za

ispitivanje mehaničkih svojstava materijala.

Način djelovanja opterećenja

Trajanje djelovanja opterećenja

Kratkotrajno Dugotrajno

Statički Vlačno ispitivanjeTlačno ispitivanjeSavojno ispitivanjeUvojno ispitivanjeSmično ispitivanje

Ispitivanje puzanjem

Dinamički Ispitivanje udarnog rada loma

Ispitivanje umaranjem

Ispitivanja mehaničkih svojstava materijala

Vlak Tlak Savijanje Uvijanje Smik

3

Podjela prema brzini djelovanja opterećenja:

Podjela prema prema temperaturi ispitivanja:

- na sobnoj

- na povišenoj

- na sniženoj

STATIČKO VLAČNO ISPITIVANJE

STATIČKO VLAČNO ISPITIVANJE - postupak ispitivanja mehaničkih svojstava, kojim se utvrđuju glavna svojstva koja karakteriziraju mehaničku otpornost materijala ali i njihovu deformabilnost.

Provodi se prema normi HRN EN ISO 6892-1

- određuje postupak vlačnog ispitivanja metalnih materijala

- definira značajke mehaničkih svojstava pri sobnoj temperaturi

• Od materijala koji želimo ispitati izrađuje se uzorak za ispitivanje propisanog oblika i dimenzija – epruveta ili ispitni uzorak.

• Presjek ispitnoga uzorka smije biti kružan, kvadratičan, pravokutan ili prstenast, a u posebnim slučajevima i kojega drugog oblika.

• Najčešće je to (ovisno o obliku poluproizvoda ) epruveta cilindričnog oblika, kod kojega su promjer i mjerna duljina u određenom omjeru.

4

d0 – početni promjer epruvete, mm

L0 – početna mjerna duljina epruvete, mm

S0 – početna ploština presjeka epruvete, mm2

4

πdS

2

00

, mm2L0

h Lc

Lt

h

d0

d1

r4C

L0

h Lc

Lt

h

b BE

g g

d2

r1

L0

h Lc

Lt

h

d0

d1

r4

A

r35

a

L0

d0

r4

D

L0

h Lc

Lt

h

d0

d1

r4B

30o

1:0,866

S0

Početni promjer okrugle epruvete označava sa s d0. Ovisno od

debljini poluproizvoda veličina početnog promjera d0 kreće se od 4

mm na više (6, 8,10, 12, ... itd).

a0 – debljina epruvete, mm

b0 – širina epruvete, mm

L0 – početna mjerna duljina epruvete, mm

S0 – početna ploština presjeka epruvete, mm2

S0= a0 · b0 , mm2

Oko 1500. god.- skica Leonardo da Vinci – ispitivanje

čvrstoće užadi

5

Statičko vlačno ispitivanje se provodi na uređajima - kidalice

- Oko 1750. - Petrus van Musschenbroeks - kidalica

- univerzalna kidalica, Zwick – Njemačka, (10 kN)

Čeljust

kidalice

•Epruveta se učvrsti u čeljusti kidalice i

polagano opterećuje vlačnom silom.

•Prirast sile pri statičkom vlačnom pokusu

u jedinici vremena mora biti takav da

prirast proizvedenog naprezanja u

epruveti mora biti manji od:

Modul elastičnosti

materijala,

N/mm2

Brzina prirasta naprezanja

N/mm2 • s-1

min max

< 150000 2 20

> 150000 6 60

6

Dijagram kidanja (dijagram sila-produljenje)

F, N

ΔL, mm

Dijagram kidanja (dijagram sila-produljenje)

za “meki” čelik (’ + P)

Fe – sila razvlačenja ili tečenja, N

Fm – maksimalna sila, N

Fk – sila u trentku loma, N

∆Lu– produljenje nakon loma, mm

7

Epruvete za standardno statičko vlačno ispitivanje su najčešće

okruglog ili četvrtastog presjeka.

Oblici i dimenzije epruveta

Podjela ispitnih uzoraka

- proporcionalni

- neproporcionalni

Proporcionalni ispitni uzorci:

Duge epruvete: 00 3,11 SL

Kratke epruvete: 00 65,5 SL

Okrugla duga: L0= 10 do, mm

Okrugla kratka: L0= 5 do, mm

8

Lu = Lu – L0, mm, produljenje nakon loma

,4

2

uu

πdS

mm2

Iznosi sila pri statičkom vlačnom pokusu ne daju pravi uvid u mehaničku otpornost materijala ukoliko se ne uzme u obzir ploština poprečnog presjeka epruvete, odnosno ukoliko se umjesto sile F ne uvede naprezanje , koje se određuje izrazom:

F

S0

, N/mm2

Dijagram “naprezanje – istezanje”

F – sila, N

S0 – početna ploština, mm2

1 Pa (Pascal)= 1 N/m2

1 N/mm2 = 1MN/m2 = 1 MPa

mm

mm

L

L,

0

%,100

0

L

L

ili

• Ukoliko se produljenje L podijeli s početnom mjernom

duljinom Lo dobiva se relativno produljenje ili istezanje prema

izrazu:

9

Iz dijagrama F - L dobiva se dijagram naprezanje -istezanje koji j e za isti “meki” čelik (’ + P) izgleda ovako:

2

0

kk

mm

N,)(

S

FR

2

0

mm

mm

N,

S

FR

Gornja granica razvlačenja

Vlačna čvrstoća

Konačno naprezanje

2

0

eLeL

mm

N,

S

FR Donja granica razvlačenja

2

0

eHeH

mm

N,

S

FR

Statičkim vlačnim pokusom utvrđuje se i istezljivost materijala A.

Istezljivost A definirana je sljedećim izrazom :

%,100u A

mm

mm,

0

u

0

0uu

L

L

L

LL

Vrijednost istezanja nakon loma određuje se prema izrazu:

Kontrakcija je smanjenje presjeka nakon loma:

,%1000

0

S

SSZ

u

10

Budući da iznos istezljivosti, A ovisi o tome da li je ta veličina

određena na kratkoj ili dugoj epruveti obvezno se označuje s

indeksom uz slovo A.

za L0=5 d0 →A (A5,65)

za L0=10 d0 → A11,3

A > A11,3

/

E

E

Hooke-ov zakon

Modul elastičnosti ili

Young-ov modul, N/mm2

Vrijednosti E za pojedine materijale

Materijal E, N/mm2

Čelik 210000

Sivi lijev 110 000 - 160000

Cu i Cu legure 105000

Al i Al legure 70000

2

11

Dijagrami naprezanje - istezanje za neke metalne materijale

1 - “meki” čelik (’+P)

2 - “tvrdi” čelik (M, B)

3 - sivi lijev

4 – mjed (legura CuZn)

5 – aluminij (tehnički čisti)

Dijagrami naprezanje - istezanje za polimernematerijale

*Radi usporedbe

Iz kvalitativnih dijagrama - proizlazi da je jedino kod “mekog”

čelika izražena granica razvlačenja.

Granica razvlačenja je s gledišta dimenzioniranja strojarskih

proizvoda najznačajnija veličina, jer se kod elemenata strojeva i

dijelova konstrukcija ne smije pojaviti plastična - trajna

deformacija.

Zbog toga se kod materijala kod kojih nije izražena granica

razvlačenja uvodi konvencionalna (dogovorena) granica

razvlačenja Rp0,2.

Konvencionalna granica razvlačenja Rp 0,2

12

Konvencionalna (dogovorena) granica razvlačenja Rp0,2 je ono naprezanje koje nakon rasterećenja epruvete izaziva trajnu (plastičnu) deformaciju od 0,2%.

Ekstenzimetar

Epruveta

Određivanje konvencionalne granicerazvlačenja

Tvrdoća materijala• Tvrdoća je otpornost materijala prema prodiranju drugog, znatnije

tvrđeg tijela.

• Prvu metodu za mjerenje tvrdoće razvio je još početkom 20- tog stoljeća Mohs. Prema Mohsovoj skali tvrdoće materijali su svrstani u 10 razreda tvrdoće.

• Najtvrđem materijalu – dijamantu pripada tvrdoća 10, a najmekšem puderu (milovki) tvrdoća 1.

• Metoda je zbog slabe selektivnosti neprimjerena u strojarstvu, pa se koristi danas isključivo u mineralogiji.

13

• Ispitivanje tvrdoće tek neznatno oštećuje površinu ispitivanogpredmeta pa se općenito može svrstati u gotovo nerazornaispitivanja.

• Za samo ispitivanje ne treba izraditi posebnu epruvetu nego samoodgovarajuće pripremiti površine uzorka ili strojnog dijela.

• Uređaji za mjerenje tvrdoće - tvrdomjeri u pravilu su jednostavniji ijeftiniji od nekih drugih uređaja za ispitivanje mehaničkih svojstavana primjer kidalica.

• Razvijeno je čitav niz metoda ispitivanja tvrdoće.

• Ispitivanje tvrdoće je vjerojatno najčešće uporabljeno ispitivanje nekog mehaničkog svojstva, unatoč tome što mehanička svojstva utvrđena ispitivanjem tvrdoće ne predstavljaju fizikalno jednoznačno definirane veličine.

• Tvrdoća je u korelaciji s nekim drugim mehaničkim svojstvima. To se prvenstveno odnosi na:

- vlačnu čvrstoću Rm (kod općih konstrukcijskih čelika i sivog lijeva),

- na otpornost na abrazijsko trošenje itd.

• Osnovni princip mjerenja kod većine metoda je mjerenje veličine ili dubine otiska što ga penetrator (indentor ili utiskivač) opterećen nekom silom, načini u ispitivanom materijalu.

• U okviru ovog kolegija pozabaviti ćemo se s tri glavne metode mjerenja tvrdoće koje se danas najviše koriste:

• Metoda po Brinell-u

• Metoda po Vickers-u

• Metoda po Rockwell-u

14

Kod Brinellove metode – indentor (penetrator) je kuglica od tvrdogmetala – “WIDIA”) promjera D koja se utiskuje silom F u površinski slojmaterijala.

Brinellova metoda

• Na taj način nastaje u ispitivanom materijalu otisak u obliku kugline kalote promjera baze "d" i dubine "h".

• Tvrdoća po Brinellu je po definiciji omjer primjenjene sile i ploštine otiska:

,S

FHB

F – sila kojom je opterećena kuglica, N

S – ploština otiska u obliku kugline kalote, mm2

Pomoću mjerne lupe mjeri se promjer kugline kalote “d” i tvrdoća se određuje pomoću izraza*:

2

22 11(

2102,0

D

dD

FHBW

Gdje je:

F – sila, N

D – promjer kuglice, mm

d – promjer baze kugline kalote (otiska), mm

*češće se koriste tablice

15

• Normirani promjeri kuglice D su: 10; 5; 2,5 i 1 mm.

• Mjerenje je valjano ako promjer baze kugline kalote d iznosi:

d=(0,24 - 0,6)D

Ukoliko otisak nije u ovim granicama znači da jeprimjenjena premala odnosno prevelika sila F.

Stoga je uveden stupanj opterećenja X :2

102,0

D

FX

gdje je:

F – sila kojom je opterećena kuglica, N

D – promjer kuglice, mm

Veličina kuglice “D” koju treba primjeniti i iznos sile “F”, ograničeni su debljinom uzorka “h” slijedećim izrazom:

h 0,6 D

Ukoliko bi debljina uzorka bila manja od propisane, bila bi onemogućena potpuna, neometana plastična deformacija u materijalu, a s time i ispravan rezultat mjerenja.

Trajanje utiskivanja kuglice u materijal kreće se od 10 - 15 s za Fe-C legure, a do 180 s za najmekše materijale (npr. bijelu kovinu).

16

• Brinellova tvrdoća je bezdimenzionalna veličina, a uz iznos tvrdoće izmjerene ovom metodom navodi se dimenzija kuglice, primijenjena sila, te trajanje utiskivanja npr.

128 HBW 10/3000/15

gdje je128 iznos tvrdoće 10 promjer kuglice D ,mm 30009,81 sila utiskivanja F ,N15 vrijeme utiskivanja t ,s

• Brinellovom se metodom smiju mjeriti tvrdoće do 650 HBW. Kod viših tvrdoća došlo bi do oštećenja kuglice.

• (Kuglica od kaljenog čelika → HBS ≤ 450)

• Kuglica od tvrdog metala → HBW ≤ 650

Prednosti Brinellove metode:

• Lako mjerenje veličine otiska, dovoljna mjerna lupa

• Metoda je selektivna – mjerno područje od 0-650 za

kuglicu od tvrdog metala

• Jednostavna priprema površine – dovoljno je i grubo

brušenje

17

Nedostaci Brinellove metode:

• Ne mogu se mjeriti materijali visoke tvrdoće.

• Tvrdoća je ovisna o opterećenju, pa prema stupnju opterećenja “X” treba izabrati odgovarajuću silu.

• Otisak je relativno velik, pa funkcionalno ili estetski nagrđuje površinu (ukoliko se tvrdoća mjeri na proizvodu a ne na uzorku).

Vickersova metoda

• Kod Vickersove metode uklonjena su dva osnovna nedostatka Brinellove metode : – ograničenost područja mjerenja do 650 HBW, te – ovisnost iznosa tvrdoće o primijenjenoj sili utiskivanja

kuglice.

• Prvi nedostatak uklonjen je uporabom najtvrđeg materijala za indentor - dijamant.

• A drugi oblikom indentora. To je kod Vickersove metode četverostrana piramida s kutem između nasuprotnihstranica od 136°.

Mjerenje tvrdoće

po Vickersu

18

• Kut od 136° nije odabran slučajno. Taj kut zatvaraju tangencijalne ravnine na Brinellovu kuglicu pri optimalnoj veličini otisnuća d=0,375·D.

• Primjenom ovakve geometrije penetratora dobivaju se vrijednosti tvrdoće neovisne o primjenjenoj sili, pa se tvrdoća mekanih i tvrdih materijala može mjeriti primjenom iste sile, a isto tako se tvrdoća istog materijala može mjeriti s različitim opterećenjima.

• Postiže se geometrijska sličnost otisaka.

• Po definiciji se tvrdoća po Vickersu, izračunava izrazom :

S

FHV

gdje je:

F – primjenjena sila, N

S – ploština šuplje piramide nastale u materijalu, mm2

• Pomoću mjernog mikroskopa mjeri se dijagonala baze otisnuća (kvadrata), ploština otisnuća izražava se pomoću dijagonale "d" te izlazi*:

21891,0

d

FHV

gdje je:

F - sila, N

d - srednja vrijednost od dvije izmjerene dijagonale otiska,mm

* češće se koriste tablice

19

• Uobičajeni iznosi sile kod Vickersove metode iznose od 49 do 980 N.

• Ukoliko primijenjena sila utiskivanja iznosi od 1,96 do 49 N govori se o semimikrotvrdoći ( pri ispitivanju tvrdoće tankih uzoraka te tankih slojeva).

• Za mjerenje tzv. mikrotvrdoće rabe se opterećenja niža od 1,96 N. Na taj način moguće je mjerenje tvrdoća pojedinih faza, npr. kristalnih zrna u mikrostrukturi materijala.

847 HV 0,1

160 HV 0,1

Vickersova tvrdoća je bezdimenzionalna veličina, a uz

iznos tvrdoće navodi se i sila opterećivanja, npr.

430 HV10

što znači da je izmjerena tvrdoća iznosila 430 i

da je dobivena utiskivanjem indentora silom od

10·9,81 N ( 10 kp) u trajanju od 10-15 s.

• Vrijednosti tvrdoća izmjerenih po Vickersovoj metodi odgovaraju približno vrijednostima Brinellove metode (do cca 350 HBW).

• Kod viših vrijednosti tvrdoća razlika je veća.

20

Prednosti Vickersove metode:

• Tvrdoća je neovisna o primjenjenoj sili.

• Moguće je mjerenje tvrdoće i najtvrđih materijala.

• Moguće je mjerenje tvrdoće vrlo tankih uzoraka te

čak tvrdoća pojedinih zrna (kristala) primjenom male

sile.

• Vickersova metoda je primjenjiva u

znanstvenoistraživačkom radu na području materijala

• Otisak je vrlo malen pa ne oštećuje površinu (bitno

ako se mjeri tvrdoća gotovih proizvoda).

Nedostaci Vickersove metode:

• Potrebna je brižljiva priprema površine uzorka (poliranje).

• Za mjerenje veličine otiska potreban je mjerni mikroskop.

Rockwellova metoda• Za razliku od Brinellove i Vickersove metode kod

Rockwellove se metode ne mjeri veličina otisnuća nego dubina prodiranja penetratora.

• Vrijednost tvrdoće kod Rockwellove metode očitava se na skali tvrdomjera, nakon rasterećenja.

• Penetratori su kod Rockwellove metode ili dijamantni stožac (engl. “cone” HRC metoda) ili kuglica od kaljenog čelika (engl. “ball” HRB metoda).

• U okviru ovog kolegija razmotriti ćemo samo HRC metodu, kod koje je penetrator dijamantni stožac s vršnim kutem od 1200.

21

Shematski prikaz

provedbe

ispitivanja tvrdoće

po HRC metodi

59 HRC

59 - iznos tvrdoće izmjeren Rockwell C metodom

Prednosti HRC metode:

• Mjerenje je brzo, tvrdoća se očitava na skali tvrdomjera.

• Nije potrebna brižljiva priprema mjerne površine.

22

Nedostaci HRC metode:

• Slaba selektivnost metode. Čitavo mjerno područje je

od 0 – 100 HRC (teoretski), a praktički od 20 – 70

HRC.

• Nepreciznost 1,5 HRC.

Stoga se ova metoda koristi uglavnom u pogonima za

mjerenje toplinski obrađenih čelika.

UTJECAJ TEMPERATURE NA REZULTATE STATIČKO VLAČNOG ISPITIVANJA (SVI)

• Sniženje ili povišenje temperature od utjecaja je na strukturno stanje materijala (čvrstoću veze između atoma ili difuziju atoma na primjer).

• Zato promjena temperature mora utjecati i na ona mehanička svojstva koja se određuju statičkim vlačnim ispitivanjem.

SVI pri povišenim temperaturama

• S ciljem utvrđivanja ponašanja materijala pri povišenimtemperaturama statički vlačni pokus može se provesti na epruvetikoja je tijekom ispitivanja ugrijana na određenu temperaturu.

• Takovo ispitivanje provodi se na materijalima koji će u eksploatacijibiti pri povišenoj temperaturi (kotlogradnja, energetska postrojenja isl.).

• Utjecaj povišene temperature na rezultate statičkog vlačnogispitivanja općeg konstrukcijskog čelika prikazan je na sljedećemdijagramu.

23

300 K

400 K

500 K

600 K

700 K

N/mm2

mm/mm

200C

1200C

2200C

3200C

4200C

0,2 0,4 0,6

σ, N/mm2

400

200

• Na osnovi prethodnog dijagrama može se zaključiti da s povišenjem temperature:

– Iznos vlačne čvrstoće Rm opada

– Iznos granica razvlačenja ReH i ReL opada, te postaju slabije izražene. Pri višim temperaturama potrebno je odrediti konvencionalnu granicu razvlačenja

– Modul elastičnosti E opada, te se smanjuje nagib Hooke-ovog pravca

– Iznos istezljivosti A (i kontrakcije Z) se povećava.

Općenito, iznosi značajki koje karakteriziraju otpornost materijala (ReH i ReL , Rm i E) se smanjuju, a iznosi značajki koje pokazuju deformabilnost materijala (A, Z) se povećavaju.

24

Komore za statičko vlačno ispitivanje pri povišenim

temperaturama

SVI pri sniženim temperaturama

• Da bi se utvrdio utjecaj snižene temperature na rezultatestatičkog vlačnog ispitivanja epruvetu treba kontinuiranotokom ispitivanja ohlađivati u odgovarajućoj komori.

• Utjecaj snižene temperature na rezultate statičkog vlačnog ispitivanja prikazan je sljedećim dijagramom

25

Iz prethodne slike može se zaključiti:

– Vlačna čvrstoća Rm se povećava– Granice ravlačenja ReH i ReL se povećavaju i postaju

jače izražene– Istezljivost A (i kontrakcija Z) se smanjuju– Modul elastičnosti E ostaje isti.

Dakle, značajke koje karakteriziraju otpornost (osim E) se

povećavaju (ReH i ReL, Rm ), a značajke koje karakteriziraju

deformabilnost A (i Z) se smanjuju.

UDARNI RAD LOMA

Ispitivanjem udarnog rada loma utvrđuje se ponašanjemetalnih i polimernih materijala u uvjetima udarnogopterećenja. Ispitivanje se provodi na epruvetama s utorom ilibez utora ovisno o vrsti materijala.

Vrijednost udarnog rada loma pokazuje hoće li se materijal ponašati žilavo ili krhko u uvjetima udarnog opterećenja.

Ispituje se često pri sniženim temperaturama jer kod nekih materijala temperatura signifikantno utječe na iznos udarnog rada loma.

Kratkotrajna dinamička ispitivanja s udarnim opterećenjem -koriste se za određivanje vrlo važnog mehaničkog svojstvamaterijala – žilavosti.

Žilavost je sposobnost materijala ta izdrži udarna opterećenjabez loma.

Metode ispitivanja udarnog rada loma su:

- Charpy

- Izod (s i bez zareza)

26

Metodu ispitivanja je razvio francuski znanstvenik GeorgesCharpy 1905.

Norma ispitivanja - HRN EN ISO 148-1:2012 Metalni materijali -- Ispitivanje udarnog rada loma Charpyjevim batom -- 1. dio: Metoda ispitivanja (ISO 148-1:2009; EN ISO 148-1:2010)

“V” - zarez

“U” - zarez

Oblik i dimenzije epruveta za ispitivanje URL

Način udarnog djelovanja bata na epruvetu

oslonci

27

Shematski prikaz

ispitivanja

udarng rada loma

na Charpy-evom

batu

JhhGKUKV ,)( 21

Utjecaj temperature na udarni rad loma

12

3

krhko žilavo

Tp T

udarnaradnjalomaKU, J(KV)

1 - legure metala s FCC rešetkom (npr. austenitni čelici , Al-legure)2- legure metala s BCC rešetkom (npr. većina konstrukcijskih čelika),

polimeri, keramika3 - visokočvrsti materijali (npr. ultračvrsti čelici, tvrdi metali )

pr C0,

3

Udarni rad

loma

Uređaj za ispitivanje udarnog rada loma - Charpyev bat

28

PUZANJE

Veličine utvrđene SVI karakteriziraju mehaničku otpornost materijala pri kratkotrajnom djelovanju statičkog vlačnog opterećenja.

No često su različiti elementi strojeva ili konstrukcija podvrgnuti dugotrajnom djelovanju statičkog opterećenja .

Ukoliko takvo dugotrajno opterećenje djeluje u uvjetima povišene temperature (npr. kotao) moguća je pojava puzanja materijala.

DEF.: Puzanje materijala je spora, ireverzibilna deformacija materijala nastala uslijed djelovanja dugotrajnog konstantnog opterećenja pri povišenoj temperaturi.

KTT tališta,3,0

Puzanje materijala je toplinski aktivirani proces koji nastupa u temperaturnom području:

Zbog toga kod polimera nastupa već pri sobnoj temperaturi, a kod čelika pri temperaturama > 400oC.

Dijagrami i “zakrenuti” dijagrami

puzanja za konstrukcijski čelik na

povišenim temperaturama

29

Dijagram puzanjat,h

Statička izdržljivost Rm/t/

To je konstantno naprezanje koje nakon određenog vremena ispitivanja ‘’t’’(10000 ili 100000 sati) na temperaturi ‘’ϑ’’ dovodi do loma epruvete.

Granica puzanja Rpε/t/

To je konstantno naprezanje koje nakon određenog vremena ispitivanja ‘’t’’ (10000 ili 100000 sati) na temperaturi ‘’ϑ’’ izaziva trajnu deformaciju epruvete od ε(%).

Otpornost na puzanje

• Mehanička svojstva o kojima smo do sada govorili karakteriziraju otpornost materijala u uvjetima statičkog opterećenja (npr. Re, Rm, Rp0,2 i Rm/t/ i slično), te udarnog opterećenja (KU(V)).

• Često dijelovi strojeva i konstrukcija nisu napregnuti statičkim naprezanjem već promjenljivim (dinamičkim) naprezanjem. To se npr. odnosi na različite dijelove motora, vozila i slično.

• Zato je dimenzioniranje dinamički opterećenih dijelova strojeva i konstrukcija korištenjem podataka o mehaničkim svojstvima utvrđenim statičkim ispitivanjem nedovoljno točno ili sasvim netočno.

UMOR MATERIJALA

30

Željezničke nesreće u Versaillesu 1842. - pukla osovina na lokomotivi;

poginulo najmanje 55 ljudi

• Posljedica dugotrajnog djelovanja promjenljivog(dinamičkog) naprezanja je pojava umora materijalaodnosno postupnog razaranja materijala koje izaziva prijelom dijela konstrukcije.

područje trenutnog loma

područje trajnog loma

začetak loma

Karakteristična lomna površina kod loma od umora materijala

31

Začetak trajnog loma nalazi se na mjestu gdje je iz nekog razloga došlo do koncentracije naprezanja.

• Koncentratori naprezanja mogu biti:– Konstrukcijskog porijekla (npr. premali radijus zakrivljenosti na

mjestu promjene promjera osovine)

– Tehnološkog porijekla (npr. oštri utori od tokarskog noža)

– Nastali u eksploataciji (kao posljedica udarnog oštećenja, istrošenja i slično)

– Nesavršeno strukturno stanje u materijalu (npr. porozitet, uključine i slično).

• Mehaničko svojstvo koje pokazuje otpornost materijala dinamičkom naprezanju a s time i pojavi umora materijala naziva se dinamička izdržljivost Rd.

• Ispituje se na uređajima koji omogućuju promjenljivo ("titrajno") opterećivanje epruveta ili strojnih dijelova a nazivaju se pulzatori ili umaralice. Umaralice rade hidraulički, servohidraulički ili na principu elektromagnetske rezonancije.

32

Servohidraulički pulzator

Blok program

Slučajna promjena

Oblici promjena opterećenja

naprezanje,

vrijeme, t, saticiklus

g

a

sr

d

sr

a

g

d

- srednje naprezanje

- amplituda naprezanja

- gornje naprezanje

- donje naprezanje

N/mm2

2

dg

sr

2

dg

a

Sinusoidna promjena naprezanja

33

istosmjernopromjenljivonaprezanje

izmjenicnopromjenljivonaprezanje

istosmjernopromjenljivonaprezanje

+

-

t, s

Različiti tipovi sinusoidnog promjenljivog naprezanja

U razdoblju 1850-tih do 1860-tih godina - August Wöhler - prvi uočio slučajeve loma konstrukcije, kod kojih je naprezanje bilo niže od granice razvlačenja.

Entgleisung der Amstetten am 19. Oktober 1875.

Wöhler-ov dijagram

epruveta pukla

epruveta izdrzala Ng

g a ili

Rd

Ng log N

N/mm2

izdržala

N (log)

34

• DEF.: Dinamička izdržljivost – Rd , N/mm2 je najveće dinamičko (promjenljivo) naprezanje koje materijal izdrži bez pojave loma nakon praktički beskonačnog broja ciklusa (Ng).

• Uobičajene vrijednosti graničnog broja ciklusa Ng za metalne materijale su :

– za čelik : Ng=107 ciklusa

– za bakar i bakrene legure : Ng= 5x107 ciklusa

– za lake metale i njihove legure : Ng=108 ciklusa

Rd – Dinamička izdržljivost je mehaničko svojstvo koje karakterizira otpornost materijala u uvjetima dinamičkog naprezanja odnosno otpornost prema umoru materijala.

Wöhlerov dijagram daje podatak o iznosu dinamičke izdržljivosti nekog materijala samo za jedan tip promjenljivog naprezanja.

Za konstruktore je često potreban podatak o iznosu dinamičke izdržljivosti nekog materijala za različite tipove promjenljivog naprezanja – Smith-ov dijagram.

35

Konstrukcija Smith-ovog dijagrama

Smith-ov dijagram (vlak – tlak)

Smith-ov dijagram (vlak – tlak; savijanje i uvijanje)