1

Vežba br. 6 ISPITIVANJE ZAMARANJEM

Zamor materijala

Zamor materijala predstavlja proces postepenog razaranja putem nastanka i razvitka prskotine do loma dela u eksploataciji pod dejstvom promenljivog opterećenja.

Osnovne odlike ovog procesa su:

• Da se odigrava pri promenljivim opterećenjima koja su znatno niža od statičkih opterećenja;

• Da u najvećem broju slučajeva u nastalom lomu nema vidljivih znakova plastične deformacije;

• Oštriji i obično nepredvidljivi uticaj na čvrstoću usled neravnomernosti strukture, zareza, korozionog dejstva, zaostalih napona i dr.

Površina loma usled zamora ima karakterističan izgled, na kojoj se mogu uočiti dve medusobne različite površine, zona zamora i zona nasilnog loma.

Zona zamora ima glatku i tamnu površinu u kojoj se uočavaju linije porasta zamorne prskotine, a nalaze se na mestima povećane koncentracije napona usled:

• konstruktivnih (prelazna zaobljenja, zarezi, rupe i sl.),

• površinskih (zarezi od alata za obradu),

• tehnoloških (razugljeničenja i oksidisana mesta, pore, prsline i gasni mehuri),

• eksploatacinih (korodirana i udarena mesta) i

• drugih defekata. Izgledi zamornih preloma

Površina nastalausled nasilnog loma

Površina nastalausled zamora materijal

Inicijalna prslina

2

Ispitivanje silom promenljive vrednosti - dinamička čvrstoća

U cilju odredivanja osetljivosti metala na zamor izvode se ispitivanja silom promenljive vrednosti, pri čemu se odreduje najmanji promenljivi napon pri kome pojava zamora neće nastati. Sila promenljive vrednosti definiše se prema sinusoidnom zakonu promene.

Prema slici uočavaju se sledeće oznake:

σg - gornji napon, najveći napon u ciklusu,

σd - donji napon, najmanji napon u ciklusu,

σa - amplituda napona, polovina algebarske razlike gornjeg i donjeg napona, σSR - srednji napon, apsolutna vrednost aritmetičke sredine gornjeg i donjeg napona i

R - raspon napona, razlika gornjeg i donjeg napona.

Stohastička promena opterećenja Promena opterećenja po zadatom zakonu Pri ispitivanju silom promenljive vrednosti epruveta ili mašinski delovi se izlažu delovanju sila promenljivih vrednosti koje izazivaju napone prema zakonu:

Funkcija f(t) obično se aproksimira sinusoidnim zakonom, ali f(t) nema uticaja na vrednost dinamičke čvrsoće

τ

−σ

+σ +σ

−σ

τ

3

Vrste promenljivog opterećenja

Na osnovu različitih vrednosti srednjeg i amplitudnog napona praktično se mogu ostvariti određeni naponi.

Pri ispitivanju silom promenljive vrednosti ostvaruju se: • jednosmerni promenljivi napon, na pritisak (2 i 3) i zatezanje (7 i 8); • naizmenično promenljivi napon, simetrični (5) i nesimetrični (4 i 6) U ispitivanjima se najčešće koristi simetrični promenljivi napon (5), medutim radi dobijanja potpunije slike o ponašanju metala pri zamoru koriste se i jed-nosmerno promenljivi napon (2 i 8) kao i početni jednosmerni napon (3-i 7). Za ispitivanje zamaranjem potrebno je imati:

• Uzorak - "epruvetu" za ispitivanje, • Mašinu – pulzator, • Pribor za merenje (pomično merilo, mikrometar)

i poznavati tehniku ispitivanja. Epruvete za ispitivanje

4

Mašine za ispitivanje – PULZATORI

Hidraulični pulzator

Elektromagnetni pulzator Elektromagnetni pulzator sa računarom

Ispitivanje zamaranjem na povišenim temperaturama Ispitivanje zamaranjem složenim opterećenjem

5

Tehnika ispitivanja

b) Određivanje dinamičke čvrstoće

Pri ispitivanju silom promenljive vrednosti koriste se 8-10 epruveta opterećene različitim spoljnim promenljivim opterećenjima i ispituju do loma usled zamora. Rezultati ispitivanja sreduju se u dijagram koji se naziva Velerov dijagram (Wöhler).

Prva epruveta izlaže se promenljivom naponu koji je odreden izabranim srednjim σSR i amplitudnim naponom σa, pri čemu σg ima vrednost ispod vrednosti zatezne čvrstoće Rm. Lom usled zamora pri tom opterećenju nastaje posle N' promena ciklusa.

Velerov dijagram

Druga epruveta izlaže se promenljivom naponu koji je manji od napona kod prve epruvete, a određen je izabranim srednjim naponom (σSR) pri nepromenljivom amplitudnom σa naponu. Lom usled zamora nastaje posle N" promena ciklusa. Na taj način smanjenjem srednjeg napona na većem broju epruveta (postepeno) dobija se celokupan Velerov dijagram. Iz Velerovog dijagrama, uočava se da promenljivi napon pri nekom srednjem naponu σSR i amplitudnom naponu σa postaje asimptota nekom naponu RD, koji se naziva dinamička čvrstoća. Drugim rečima, ako je promenljivi napon niži od dinamičke čvrstoće RD neće nastati lom usled zamora. Dijagram dinamičke izdržljivosti, Velerova kriva, se deli na dva dela: • deo ograničene primene i • deo dinamičke čvrstoće. Pa tako se razlikuje: RD - Trajna dinamička čvrstoća pri kojoj uopšte ne nastaje lom pri delovanju promenljivih opterećenja i RDn – Ograničena dinamička čvrstoća pri kojoj ne nastaje lom pri N ciklusa promene delujućeg opterećenja, što je značajno za ograničeni vek trajanja elemenata kao npr. u vazduhoplovstvu. Između svojstava čvrstoće i sposobnosti deformacije može se uspostaviti empirijska veza, npr. preko izraza: RD = 0,35 Rm + 122

RD = 0,45ReH + 122

RD = 0,35 Rm + (1 + 1,35 A)

6

104 105 106 107 108

Broj ciklusa, N

Dinamičkačvrstoća

Legura aluminijuma(termički obradjena)Legura aluminijuma

(4%Cu, 0.6%Mn, 1.5%Mg)

Čelik (0.4%C, 0.7%Mn, 0.25%Si, 1.85%Ni, 0.3%Cr, 0.25Mo)

Nap

on, MPa

100

200

300

400

500

600

700

a

b

Velerova kriva: a) za čelik i b) za legure aluminijuma (Al-Cu)

Faktori koji utiču na dinamičku čvrstoću

Na vrednost dinamičke čvrstoće utiču mnogi faktori i njihov je uticaj određen brojnim ispitivanjima. Legirajući elementi koji se dodaju čelicima, u cilju poboljšavanja svojstava čvrstoće, načelno poboljšavaju i dinamičku čvrstoću. Prisutne nečistoće i nemetalni uključci negativno utiču na dinamičku čvrstoću i to u znatno većoj meri od hemijskog sastava. Posebno na smanjenje dinamičke čvrstoće utiču nemetalni uključci preko svog oblika i dimenzija, a prema nekim teorijama oni su glavni uzročnici zamora materijala. Treba istaći da njihov uticaj zavisi od prirode samih uključaka, odnosno njihovog ponašanja u toku tople prerade, kao i njihovog položaja i orijentisanosti u odnosu na pravac valjanja. Tako, jako su opasni uključci koji se plastično deformišu i svojim oštrim ivicama izazivaju koncentraciju napona, posebno kod čelika povećane čvrstoće. Termička obrada utiče u znatnoj meri na poboljšanje dinamičke čvrstoće preko strukture. Najpodesnija struktura je ferit, koja ima najveći odnos Rm/RD = 0,5, a veoma povoljno utiču i sitne čestice cementita dobijene pri bejnitnom kaljenju. Zaostali austenit utiče na smanjenje dinamičke čvrstoće, ali tek pri sadržaju preko 10%. Na pojavu zamora znatnog uticaja ima stanje površinskog sloja. Tako npr. uklanjanjem površinskog razugljeničenog sloja u znatnoj meri se povećava dinamička čvrstoća, a takode dinamička čvrstoća raste ako se u toku ispitivanja epruveta polira. Na dinamičku čvrstoću utiče i način prerade čelika, pa tako kovani čelik u odnosu na liveni čelik ima znatno veću osetljivost na zarez. Pored navedenih faktora na vrednost dinamičke čvrstoće utiču i drugi faktori: • koncentratori napona ( radijusi zaobljenja, zarezi itd), • zaostali unutrašnji naponi, • naponsko stanje, • agresivnost sredine (elektrolitička i gasna korozija), • primenjena učestalost promene spoljnjeg opterećenja, • ojačanje površinskog sloja, • površinsko kaljenje i dr. Vrste opterećenja utiču na faktor koncentracije napona, pa tako za isti nominalni napon pri zatezanju, savijanju i uvijanju najveći je maksimalni napon pri zatezanju, zatim pri savijanju, pa tek pri uvijanju