15.3.2016.
1
MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA
Prof.dr.sc. Danko Ćorić
• Puzanje materijala - Definicija i utjecajne veličine- Mehanizmi puzanja- Načini povećanja otpornosti puzanju - Ispitivanje otpornosti puzanju
• Vrste lomova- Žilavi, duktilni- Interkristalni, transkristalni, - Smični, ravninski, smično-razdvojni
• Mehanika loma- Koncepti mehanike loma- Modeli pukotine- Faktor intenzivnosti naprezanja- Lomna žilavost
PREGLED
Puzanje materijala
Puzanje
15.3.2016.
2
Puzanje materijala
• Primjeri su rotori turbina u mlaznim motorima i parni kotlovi koji su izloženi centrifugalnim naprezanjima i visokom pritisku pare.
• Mnogi konstrukcijski materijali izloženi su tijekom radnog vijeka visokim temperaturama i konstantnom naprezanju.
Puzanje materijala
• Pri temperaturi ϑ1: σ1 → ε1 konstantna deformacija tijekom vremena
• Pri temperaturi ϑ2: σ2 → ε2 porast deformacija tijekom vremena
Puzanje materijala
• Puzanje se javlja kao rezultat dugotrajne izloženosti konstantnom naprezanju nižem od granice razvlačenja. Karakteristično je za materijale koji su dugotrajno toplinski opterećeni.
15.3.2016.
3
Puzanje materijala
III – završni stadij (tercijarno puzanje): sve veći prirast deformacije u jedinici vremena koji završava lomom
Stadiji puzanja:
I - početni stadij (primarno puzanje): nakon naglog prirasta istezanja na početku brzina puzanja se postepeno smanjuje zbog deformacijskog očvrsnuća;
II - stadij konstantne brzine (gradijenta) puzanja (sekundarno puzanje): konstantni prirast deformacije tijekom vremena (izbalansirani utjecaj deformacijskog očvrsnuća i oporavka);
Puzanje materijala
• Puzanje materijala je toplinski aktiviran, irevezibilniproces spore deformacije koji nastaje u uvjetima dugotrajnog djelovanja konstantnog opterećenja pri povišenoj temperaturi.
• Mehanizmi puzanja kod kristalnih materijala različiti su od onih za amorfne materijale. Amorfni materijali mogu puzati „tečenjem” (viskozno ponašanje).
Puzanje materijala
• Puzanje je funkcija:
- svojstava materijala,
- vremena izlaganja,
- temperature i
- primijenjenog opterećenja
15.3.2016.
4
Puzanje materijala
• Ovisno o veličini i trajanju opterećenja i eksploatacijskoj temperaturi, deformacija kod puzanja može postati toliko velika da komponenta više ne može obavljati svoju funkciju i u konačnici može doći do loma.
Primjer: puzanje lopatica turbine → kontakt lopatica s kućištem → pucanje lopatica
Puzanje materijala
Veća temperatura ili naprezanje:
- ↑ trenutno istezanje,- ↑ brzina puzanja u 2.
stadiju (utjecaj oporavka nadvladava deformacijsko očvrsnuće),
- ↓ vrijeme do loma
Utjecaj temperature i naprezanja
Puzanje materijala
• Parametri ponašanja kod puzanja:
§ II. stadij puzanja vremenski traje najdulje i brzina puzanja u ovom stadiju (dε/dt) je navažniji parametar kod dugotrajnih primjena
§ Drugi parametar, osobito važan u slučajevima kratkotrajnog puzanja je vrijeme do loma (tr).
15.3.2016.
5
Puzanje materijala
• Brzine puzanja različitih materijala:
dε/dtkeramika < dε/dtmetal << dε/dtpolimer
• Brzina puzanja mora biti usklađena sa životnim vijekom konstrukcije s ciljem sprečavanja prijevremenog loma.
Puzanje materijala
Oštećenje i lom uslijed puzanja
Formiranje i povezivanje mikropora
praznina praznina
Difuzija u kristalimaDifuzija po granicama zrna
Puzanje materijala
Oštećenje i lom uslijed puzanja
Nakupljanje oštećenja i pojava loma
Prva oštećenja
Nakupljanje oštećenja
LomPrva oštećenja se javljaju na početku III stadija puzanja kada se počinje smanjivati ploština poprečnog presjeka.
15.3.2016.
6
Puzanje materijala
Oštećenje i lom uslijed puzanja
• Vrijeme do loma, za određeno naprezanje i temperaturu, mora biti dulje od predviđenog životnog vijeka konstrukcije.
Puzanje materijala
• Određivanje vremena do loma:
• Primjer:
C590 čelik, ϑ=800 °C; σ =140 Mpa
tr=?
Puzanje materijala
• Na pojavu puzanja utječu:
- temperatura tališta materijala;
- tip atomske veze i kristalne rešetke materijala;
- mikrostrukturno stanje materijala
15.3.2016.
7
Puzanje materijala
• Kako utječe temperatura?
- Puzanje nastupa u području temperatura: T > 0,3 · Tt, K
- Što je viša temperatura tališta (Tt) materijal je otporniji puzanju.
- Temperature puzanja za neke materijale: § čelik: > 450 °C;§ legure bakra: > 270 °C;§olovo puže već na sobnoj temperaturi
Puzanje materijala
• Određivanje temperature puzanja na temelju homologne temperature (Th)
Homologne temperature kod različitih metala jesu one temperature koje podijeljene s temperaturom tališta tog metala daju istu vrijednost:
Th (Pb) / Tt (Pb) = Th (Al) / Tt (Al) = Th (Cu) / Tt (Cu)= Th (Fe) / Tt (Fe)
• Primjer: Temperatura puzanja aluminija=?
Th (Al) / Tt (Al) = Th (Fe) / Tt (Fe) = 450+273 / 1539 +273
ϑt (Al) = 660 °C → Tt (Al) = 660+273 = 933 K
Th (Al) / 933 = 723 / 1812Rješenje: Th (Al) = 372 K → ϑh (Al) = 100 °C
Puzanje materijala
• Kako utječe tip atomske veze i kristalne rešetke materijala?
• Kod materijala s kovalentnom vezom između atoma (keramike) plastično tečenje nastupa pri visokim naprezanjima i temperaturama neznatno nižim od Tt.
15.3.2016.
8
Puzanje materijala
∆Re1
Legiranje
0-dimen. defekti
∆Re2
Hladna deformacija
1-dimen. defekti
∆Re3
Usitnjenjezrna
2-dimen.defekti
∆Re4
Precipitacija
3-dimenz.defekti
Nisko-temperaturno deformiranje
+ ++ ++ ++
Visoko-temperaturno deformiranje
+ +/- - ++
+ Povećanje Re; ++ Jako povećanje Re; - Smanjenje Re
Utjecaj mehanizama očvrsnućapri niskim i visokim temperaturama
• Kako utječe mikrostrukturno stanje materijala?
Puzanje materijala
• Što je temperatura viša kretanje dislokacija je brže i odvija se na drugačiji način neko pri nižim temperaturama.
• Niska temperatura: Kretanje bridnih dislokacija u kliznim ravninama (konzervativno gibanje)
Puzanje materijala
• Visoka temperatura: Penjanje bridnih dislokacija okomito na kliznu ravninu (nekonzervativno gibanje)
• Bridne dislokacije se kreću po kliznoj ravnini sve dok ne naiđu na strukturnu prepreku gdje se gomilaju. Pri visokim temperaturama bridne dislokacije mogu savladati prepreku na način da se penju u drugu kliznu ravninu i time omogućuju nastavak plastičnog tečenja.
IzvorPrepreka
Penjanje
15.3.2016.
9
Puzanje materijala
• Dislokacija se penje gibanjem praznina ili vakancija (točkaste nepravilnosti).
┴ Dislokacija; Praznina
Puzanje materijala
• Ovisno o stvaranju i kretanju praznina u kristalnoj rešetki dislokacija se može penjati prema gore (pod djelovanjem tlačnog opterećenja) ili prema dolje (pod djelovanjem vlačnog opterećenja).
┴ Dislokacija; □ Praznina
Puzanje materijala
Gibanje dislokacija
• Kod niskih temperatura materijal očvršćava uslijed deformiranja (povećanja gustoće dislokacija), dok se kod viših temperatura dislokacije „liječe” oporavkom (preraspodjela dislokacija) ili rekristalizacijom (poništavanje dislokacija).
15.3.2016.
10
Puzanje materijala
• Brzina puzanja (dε/dt) u 2. stadiju:σ - naprezanjeT - apsolutna temperaturaA – konstanta materijalam - eksponent naprezanja
(parametar materijala)Qp - energija aktivacije puzanjaR - plinska konstanta
• Energija aktiviranja puzanja je približno jednaka energiji aktiviranja difuzijskih procesa.
• Koeficijent difuzije γ-željeza oko 100 x je manji nego kod α-željeza → austenitne legure su otpornije puzanju od feritnih
Puzanje materijala
• Konstante materijala (A, m) i energija aktivacije puzanja (Qp) variraju s temperaturom i naprezanjem
Puzanje materijala
Pukotine inducirane puzanjem
15.3.2016.
11
Puzanje u kristalima
Mehanizmi puzanja
Puzanje u kristalima
TEM snimka dislokacija kristalnog zrna(austenitni nehrđajući čelik)
• Puzanje u kristalima → dislokacijsko puzanje (gibanje dislokacija unutar kristalnog zrna)
Puzanje u kristalima
• Kada dislokacija naiđe na prepreku, potrebno je određeno minimalno naprezanje kako bi prešla preko prepreke pri nižoj temperaturi, u suprotnom će se zaustaviti. Pri povišenim temperaturama, dislokacija može izbjeći prepreku, tako da dodaje ili zrači praznine. Uporabom ovog mehanizma, zvanog penjanje, dislokacije mogu napustiti svoju prvotnu kliznu ravninu.U ovom slučaju, brzina deformacije određena je brzinom emisije i apsorpcije praznina.
• Osnovni pokazatelj brzine puzanja je gustoća dislokacija i brzina kretanja dislokacija.
15.3.2016.
12
Puzanje u kristalima
b- burgersov vektor, cmρ - gustoća dislokacija, cm-2
v - prosječna brzina kretanja dislokacija, cm/s
b - burgersov vektor, mk - plinska konstanta, J/KT - apsolutna temperatura, Kσ - naprezanje, N/m2
Dvd - koeficjent vlastite difuzije, m2/s
• Brzina puzanja, dε/dt:
• Kod visokotemperaturnog puzanja gustoća dislokacija je konstantna pa brzina puzanja ovisi samo o brzini kretanja (klizanja i penjanja) dislokacija:
Puzanje po granicama zrna
Klizanje po granica zrna i deformacija materijala bez promjene mreže granica zrna
• Kod visokih temperatura granice zrna predstavljaju slabija mjesta od samih kristala tako da zrna mogu klizati jedno uz drugo pod djelovanjem smičnih naprezanja.
Puzanje po granicama zrna
• Klizanje zrna sprečava formiranje mikropukotina u materijalu. mikropukotina
a) Polikristalna struktura prije puzanja s označenom referentnom linijom;
b) Utjecaj deformiranja difuzijskim puzanjem bez klizanja po granicama zrna; stvaranje pukotina između zrna;
c) Deformacija uslijed puzanja povezana s klizanjem po granicama zrna; nema pukotina među zrnima
referentna linija
15.3.2016.
13
Puzanje po granicama zrna
Atomi
• Dislokacija granica zrna može svladati zavoj samo ako dijelom pređe u zrno. Za to je potrebno određeno smično naprezanje.
Puzanje po granicama zrna
• Difuzija pri visokim temperaturama omogućuje premještanje atoma iz područja tlačnog u područje vlačnog naprezanja. Na taj način bridne dislokacije lako zaobilaze kutna mjesta i puzanje po granicama zrna se nastavlja. Kako je takva pojava nepovoljna materijali za primjenu na visokim temperaturama trebaju imati što krupnije zrno.
Puzanje po granicama zrna
• Segregacija atoma legirnihelementa i precipitacija čestica po granicama zrna smanjuje klizanje zrna.
15.3.2016.
14
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Brzina puzanja se smanjuje:- Uporabom materijala s kovalentnom vezom i visokom
temperaturom tališta;- Primjenom materijala kristalne strukture s malim koeficjentom
samodifuzije;- Legiranjem materijala onim elementima čiji atomi prvenstveno
segregiraju na mjestima penjenja dislokacija;- Uporabom krupnozrnatog ili još bolje monokristalnog materijala ;- Primjenom materijala koji sadrže čestice jednoliko
raspoređene u kristalima (čestice koje se ne transformiraju i ne rastu na radnoj temperaturi);
- Primjenom materijala koji sadrže čestice precipitirane pogranicama zrna
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
• Legure za visokotemperaturne primjene:
- feritni super 12%Cr čelik;
- austenitni Cr-Ni čelik;
- superlegure (na osnovi Ni, Co ili Fe-Ni očvrnuteprecipitacijom i kristalima mješancima);
- metali i legure visokog tališta (W, Mo, Ta, Nb, Re)
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Toplinski postojani čelici
Čelik otporan puzanju
PrecipitatiM23C6, M7C3, M2X,
M3C, M6C, MX
Intermetalne faze
Legirni elementiSupstitucijski:
Cr, V, Nb, Mo, W, Cu, Mn
Intersticijski: C, N
MikrostruktraPopušteni
martenzit, bainit
15.3.2016.
15
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Mikrostruktura čelika otpornog puzanju
Martenzitneiglice
Precipitati po granicama i unutar zrna
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Superlegure• Superlegure su toplinski postojni višekomponenti sustavi na
osnovi Ni, Co ili Fe-Ni s visokim udjelima Cr, te manjim udjelima Mo i W te Ti i Al.
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Primjena superlegura u mlaznom motoru
15.3.2016.
16
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Superlegure – turbinska lopatica
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
• Zahtjevi na materijal turbinske lopatice:
a) otpornost puzanju;
b) otpornost visokotemperaturnoj oksidaciji;
c) žilavost;
d) otpornost toplinskom umoru;
e) toplinska stabilnost;
f) niska gustoća
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Element Maseni % Element Maseni %Ni 59,0 Mo 0,25Co 10,0 C 0,15W 10,0 Si 0,1Cr 9,0 Mn 0,1Al 5,5 Cu 0,05Ta 2,5 Zr 0,05Ti 1,5 B 0,015Hf 1,5 S <0,008Fe 0,25 Pb <0,0005
Sastav Ni-superlegure za turbinske lopatice
15.3.2016.
17
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Materijali turbinske lopatice
Mikrostruktura Ni-superlegure mora sadžati:
a) što više atoma legirnih elemenata (Co, W, Cr) otopljenih u čvrstoj otopini;
b) stabilne, tvrde precipitiate intermetalnih faza (Ni3Al, Ni3Ti) i karbida (MoC, TaC) koji su prepreka gibanju dislokacija;
c) zaštitni površinski Cr2O3 sloj koji štiti od oksidacije
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Mikrostruktura Ni-superlegure za turbinske lopatice
γ’ precipitati
austenit
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Povećanje otpornosti puzanju
Ekviaksijalnakristalna struktura
Usmjereno kristalizirana struktura
Monokristal
15.3.2016.
18
Mehanizmi povećanja otpornosti puzanju
Dijagrami puzanja za različite smjerove djelovanja naprezanja na monokristalu od Ni-superlegure
Ispitivanje otpornosti puzanju• Ispitivanje otpornosti puzanju
provodi se na jednakim epruvetama kao i kod statičkog vlačnog ispitivanja, a najčešće se koriste epruvete okruglog poprečnog presjeka s navojnim glavama.
• Ispitivanje se provodi na uređajima koji se nazivaju puzalice.
• Epruveta se izravno opterećuje na nekoj temperaturi s utezima ili sustavom poluga te se registrira njeno produljenje.
Ispitivanje otpornosti puzanju
Konstantna primijenjena sila
Konstantna primijenjena sila
Termoelement
Grijači element
Produljenje mjereno na početnoj mjernoj duljini
- temperatura i opterećenje se održavaju konstantnom tijekom ispitivanja
- ispitivanje traje od 45 sati do nekoliko godina (100000 sati)
15.3.2016.
19
Ispitivanje otpornosti puzanju
• Prema vremenu ispitivanja razlikuju se:- kratkotrajna ispitivanja: t < 100 sati;- dugotrajna ispitivanja: t > 100 sati
• Mehanička svojstva koja karakteriziraju otpornost materijala puzanju:
- Granica puzanja Rpε /t/ϑ je vlačno naprezanje koje pri temperaturi ispitivanja ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja „t” ostavlja u epruveti definiranu trajnu deformaciju ε. Na primjer: Rp0,2/1000/500 predstavlja naprezanje koje je nakon 1000 h ispitivanja pri temperaturi 500 °C trajno produljilo epruvetu za 0,2%.
Ispitivanje otpornosti puzanju
- Statička izdržljivost Rm/t/ϑ je vlačno naprezanje koje pri temperaturi ispitivanja ϑ nakon zadanog trajanja ispitivanja „t” dovodi do loma epruvete.
- Granica puzanja Rdvm/ϑ je vlačno naprezanje koje između 25 i 35 sata ispitivanja izaziva brzinu puzanja 10-3 %/h, a nakon 45. sata ispitivanja i rasterećenja trajna deformacija mora biti manja od 0,2%.
Na primjer: Rm/100000/475 je naprezanje koje uzrokuje lom epruvete nakon 1000000 h ispitivanja pri temperaturi 475 °C.
Mehanika loma
• Mehanika loma se bavi proučavanjem nastanka i napredovanja pukotina u čvrstim tijelima.
Mehanika loma razmatra odnos između:§ svojstava materijala, § veličine naprezanja,§ utjecaja pukotina i pogrešaka§ mehanizama širenja pukotine
• Teorijske osnove mehanike loma razvijene su na temelju proučavanja iznenadnih i katastrofalnih lomova i oštećenja konstrukcija (npr. mostova, brodova serije Liberty, pilotskih kabina zrakoplova, velikih spremnika za naftu, posuda pod tlakom, plinovoda itd.)
15.3.2016.
20
Mehanika loma
• Termin MEHANIKA LOMA loma ima dvostruki smisao:
- u užem smislu ona se odnosi na istraživanje uvjeta razvoja pukotine;
- u širem smislu mehanika loma obuhvaća i dio mehaničke otpornosti materijala koji se odnosi na završnu fazu procesa deformiranja materijala pod djelovanjem opterećenja kada dolazi do loma.
Definicija i uzroci loma
• Lom materijala se može odrediti kao makroskopsko razdvajanje materijala koje dovodi do gubitka nosivosti čvrstog tijela.
• Fizikalni uzrok loma → djelovanje naprezanja koje zajedno s utjecajem okolnog medija razara atomsku ili molekularnu vezu te se na taj način formira nova slobodna površina.
Definicija i uzroci loma
E - modul elastičnostiγ - površinska energijad - razmak kristalnih ravnina
• Teoretsko naprezanje za stvaranje nove slobodne površine ukristalnoj strukturi - teoretka “razdvojna” čvrstoća (σteo):
a - parametar rešetkeh, k, l - Millerovi indeksi ravnine
• Za kubični kristalni sustav vrijedi:
15.3.2016.
21
Definicija i uzroci loma
• Teorije nastajanja inicijalne pukotine:- formiranje ekstruzija i intruzija; - teorija dislokacija
Definicija i uzroci loma
• Kod materijala idealno glatke površine klica loma je posljedica lokalne nehomogene deformacije uslijed koje dolazi do formiranja izbočina (ekstruzija) ili udubina (intruzija) na površini materijala.
• Takve neravnine na površini, osobito udubine, su potencijalna mjesta za nastajanje inicijalnih pukotina.
Definicija i uzroci loma
• Prema dislokacijskoj teoriji inicijalne pukotine nastaju uslijed gomilanja dislokacija na strukturnim preprekama koje blokiraju njihovo kretanje.
n – broj dislokacijaσ - naprezanje
Lokalno naprezanje na granici zrna (σlokalno ):
• Kada lokalno naprezanje dosegne kritičnu vrijednost stvara se mikropukotina.
Granice zrna
Dislokacije
Klizna ravnina
15.3.2016.
22
Modeli pukotine
Modeli pukotine:Ø Griffithov model pukotinaØ Irwinov model pukotinaØ Model teorije dislokacija
Griffithov model pukotine
Tijek naprezanja pri vrhu pukotine
• Alan Arnold Griffith (13. lipnja 1893. – 13. listopada 1963.) je postavio kriterij za idealno krhki lom idealno krhkog materijala još 1920. Ova teorija temelji se na energetskoj hipotezi loma. Polazi od pretpostavke da je lomna čvrstoća ograničena postojanjem početne pukotine u materijalu.
Griffithov model sadrži usku pukotinu duljine„2a” u vlačno napregnutoj ploči neograničene istezljiosti.
Griffithov model pukotine
Elastična distorzijska energija (We):
σ - vlačno naprezanjea – polovina duljine pukotineE – Youngov modul
Energija za stvaranje nove površine loma (Wp):
γo – površinska energija
• Kriterij stabilnosti pukotine prema Griffithu definira odnos elastične distorzijske energije oslobođene širenjem pukotine i energije potrebne za stvaranje nove lomne površine.
15.3.2016.
23
Griffithov model pukotine
Kritično naprezanje (σc):
Kritična duljina pukotine (ac):
Eksperimentalna istraživanja su potvrdila mogućnost korištenja navedenih izraza samo za izrazito krhke materijale (staklo, keramika), dok je za žilavije materijale primjena ograničena.
Kriterij širenja pukotine: ≥
Irwinov model pukotine
• George Rankin Irwin (26. veljače 1907. – 9. listopada 1998. ) je učinio poboljšanje Griffithov modela pukotina. Njegova teorija temelji se na pretpostavci postojanja plastične zone pri vrhu pukotine, odnosno zamišljenog produljenja pukotine za polumjer plastične zone. Prema ovom modelu, u korijenu pukotine naprezanje je jednako granici razvlačenja, tako da ono nije neizmjerno veliko, što je bio osnovni nedostatak Griffithov modela.
Irwinov model pukotine
Re
15.3.2016.
24
Model teorije dislokacija
• Model teorije dislokacija je razvijen između 1930. i 1950. Utvrđeno je da krhki lom pomažu:
Ø koncentracija naprezanja oko zareza, pukotina i slično;Ø velike brzine opterećenja;Ø uporaba konstrukcija na temperaturama nižim od
temperature nulte duktilnosti;Ø uvjeti deformacije u konstrukcijskim elementima;Ø grubozrnata i transformirana struktura kod zavarivanja
Stadiji loma
- Nastanak pukotine- Pokretanje pukotine- Proširenje pukotine
- Stabilno širenje (pukotina propagira dulje vrijeme konstantnom malom brzinom) → žilavi lom
- Nestabilno širenje (pukotina propagira velikom brzinom) → krhki lom
- Subkritično širenje – Dugotrajni proces stabilnog širenja pukotine (umor materijala, puzanje, napetosnakorozija) koji završava ubrzanim stabilnim ili nestabilnim širenjem pukotine)
- Kočenje pukotine
Fraktografija
• Fraktografija je istraživačka metoda kod koje se analizom prijelomne površine pokušava utvrditi uzrok loma a time objasniti i uzrok moguće havarije.
• Naziv fraktografija dolazi od latinske imenice fractus (hrv. lom) i grčkog termina grapho (hrv. opis). Stoga fraktografija u užem smislu pretpostavlja opis loma (prijelomne površine).
• Uključuje: - ispitivanje oblika loma,- položaja prijelomne površine,- hrapavosti prijelomne površine
15.3.2016.
25
Fraktografija
• Makrofraktografija obuhvaća promatranje i snimanje prijelomne površine uz malo povećanje ( ≤ 50 x) uz upotrebu povećala odnosno makro fotografskih objektiva.
• Mikrofraktografija koristi svjetlosni ili elektronski mikroskop sa velikim povećanjima.
• Koraci fraktografske analize:- Priprema prijelomne površine; Prijelomna površina je često
korodirana ili mehanički oštećena. Takva oštećenja se mogu javiti tijekom samog prijeloma ili nakon loma (za vrijeme transporta do laboratorija). Oštećenja nastala nakon havarije treba spriječiti pravilnom zaštitom prijelomne površine od mehaničkog oštećenja i djelovanja korozije. Mehanička oštećenja se ne mogu ukloniti, no kemijska oštećenja se ponekad mogu ukloniti pažljivim čišćenjem prijelomne površine.
Fraktografija
- Prvi korak u fraktografskoj analizi je vizualna kontrola prijelomne površine pomoću povećala (poželjno s dodatnim izvorom svjetla), a često se koristi i stereo svjetlosni mikroskop →
- Slijedi fotografiranje prijelomne površine fotografskim aparatom s digitalnom kamerom. Ovdje treba voditi računa o načinu osvjetljavanja uzorka.
Fotografski aparat s prstenastom bljeskalicom
Fraktografija
- Analiza prijelomne površine i ispitivanje mikrostrukture:
Pretražni elektronski mikroskop →
SEM je idealan uređaj za snimanje prijelomnih površina jer omogućuje visoku rezoluciju, a time i veliku dubinsku oštrinu slike tako da ona djeluje trodimenzionalno. Moguć je veliki raspon povećanja od 10 do 30 000 x. SEM je često opremljen mikroanalizatorom kemijskog satava.
Metalografski mikroskop →
15.3.2016.
26
Vrste lomova
Pucanje osovine zbog umora materijala
Nasilini lom
Vrste lomova
Tijek zamornog loma (loma od umora materijala) se može podijeliti u tri koraka:
• inicijacija pukotine• širenje pukotine• nasilni lom
Pukotina nastaje na mjestima najvećih naprezanja tj. na koncentratorima naprezanja (utori, promjene presjeka, zarezi, pukotine). Lokalni koncentratori naprezanja mogu biti:
• dio dizajna konstrukcije (utor za pero);• greška prilikom obrade (zarez nastao prilikom tokarenja);• nepravilnosti u materijalu (pore, supstitucijski i intersticijski
atomi koji povećavaju krhkost poput sumpora i vodika)
Lom od umora materijala
Vrste lomova
Inicijalna pukotina
Područje sporog rasta pukotine
Područje trenutnog loma
15.3.2016.
27
Vrste lomova
• Makroskopski lom može biti žilav ili krhak. Žilavi lom:
- popraćen je značajnom plastičnom deformacijomKrhki lom:
- mala ili nikakva plastična deformacija na mjestu loma- iznenadan (trenutni), katastrofalan
Vrste lomova
Vrste lomova
Izrazito duktilno
Lomno ponašanje:
Umjereno duktilno
UmjerenaVelika
Krhko
MalaIstezljivostili kontrakcija:
Duktilni: Upozorenje prije loma
Krhki: Bez upozorenja
15.3.2016.
28
Vrste lomova
Transkristalni lom
Pukotina napreduje preko zrna
Interkristalni lom
Pukotina napreduje po granicama zrna
• U mikrorazmjerima lom može biti transkristalni i interkristalni.
Vrste lomova
Smični lom
• Prema položaju prijelomne površine razlikuju se:Razdvojni (ravninski)
lom
Mješoviti (smično-razdvojni) lom
Žilavi lom
Žilavi lom je takav lom kod kojeg je prisutna intenzivna plastična deformacija u neposrednoj blizini loma. Nastaje pri malim brzinama opterećivanja i pri naprezanju većem od granice razvlačenja. Kod vlačnog ispitivanja, ispitni uzorak se jako izdužuje (i do 100%), a poprečni presjek se dosta smanjuje prije loma.
15.3.2016.
29
Žilavi lom
Kako dolazi do žilavog loma?
Žilavi lom
Mikropore se formiraju na uključcima, intermetalnimspojevima ili na granicama zrna.
Čestice oko kojih se formiraju mikropore
mikroporaSjedinjavanje
mikropora
Žilavi lom
Žilavi lom okruglog ispitnog uzorka: a) mjed; b) aluminij (b)
a) b) Žilavi lom plosnatog
ispitnog uzorka
• Pukotina raste relativno sporo (stabilno). Ona odolijeva daljnjem širenju, ako naprezanje ne raste.
• Lomna površina je zagasita i hrapava.
15.3.2016.
30
Žilavi lom
Ljevkasti oblik prijelomne površine
Žilavi lom
• Kod žilavog loma tehničkih materijala na prijelomnoj površini su prisutne udubine nastale plastičnom deformacijom metalne matrice oko čestica koje u pravilu imaju veću tvrdoću od same matrice. Stoga se takav lom naziva jamičasti.
• Jamice se mogu javiti i u slučaju kada u makrorazmjerima nije prisutna plastična deformacija (visokočvrsti čelici).
• Žilavi lom je uvijek transkristalan (napreduje kroz kristale)
Žilavi lom
Jamice sa česticama
Kuglaste jamice Stožaste jamice
Plitke jamice
Oblici jamičastog loma
15.3.2016.
31
Krhki lom
Krhki lom je takav lom kod kojeg pod djelovanjem naprezanja ne postoji plastična deformacija u blizini loma. Osim sklonosti samog materijala (sivi lijev), krhki lom se javlja kod sniženih temperatura i velikih brzina prirasta naprezanja.
Krhki lom
• Kod krhkog loma pukotine se šire vrlo brzo (nestabilno) uz nikakvu ili zanemarivu plastičnu deformaciju. Pukotine kontinuirano propagiraju bez prirasta naprezanja.
• Svijetla prijelomna površina
Krhki lom
• Lom od umora materijala uvijek je pretežno krhak, tj. bez plastične deformacije strojnog dijela u okolini prijelomne površine.
Područje trenutnog -krhkog loma
Područje trajnog loma
• Krhki lom može biti transkristalan ili interkristalan.
15.3.2016.
32
Krhki lom
• Transkristalni krhki lom → pukotina se širi pucanjem veza između atoma u određenim ravninama kristalne rešetke. Kod BCC rešetke to je najčešće ravnina {100}, a kod HCP rešetke {0001}.
Transkristalni rascjepni lom
Krhki lom
• Interkristalni krhki lom → javlja se zbog osiromašenja granica zrna nekim od elemenata ili oslabljivanja granica zrna djelovanjem kemijske korozije, oksidacije, visokih temperatura (puzanje).
Interkristalna pukotina
Krhki lom
Krhki lom keramičkih materijala
• Većina keramika (kod sobne temperature) puca bez pojave bilo kakve plastične deformacije.
Tipični oblici pukotina za četiri najčešća načina opterećivanja
15.3.2016.
33
Krhki lom
Prijelomna površina sinterirane SiO2šipke promjera 6 mm
Karakteristike lomnog ponašanja keremika:
- izvorišna točka;- glatko zrcalno područje;- grananje pukotine nakon
dostizanja kritične brzine: - zagasito područje- nazubljeno područje
Temperatura prijelaza žilavosti u krhkost
• Prije 2. svjetskog rata: Titanic • 2. svjetski rat: Liberty brodovi
• Katastrofalne posljedice za zavarene brodske konstrukcije, iznenadna naprslina (cijepanje) duž cijelog opsega broda, oplate su načinjene od čelika s prijelaznom temperaturom oko sobne
Temperatura prijelaza žilavosti u krhkost
• Legure s FCC rešetkom:- visoka žilavost
• Visokočvsti materijali: - niska žilavost
• Legure s BCC rešetkom:- žilavost ovisi o
temperaturi
• Prijelazna temperatura žilavosti: temperatura koja odvaja područje žilavosti od područja krhkosti
• Sklonost žilavom / krhkom lomu ovisi o temperaturi.
Utjecaj temperature ispitivanja na udarni rad loma za različite materijale
Uda
rni r
ad lo
ma
Temperatura
)
15.3.2016.
34
Temperatura prijelaza žilavosti u krhkost
Prijelomne površine nakon ispitivanja udarnog rada loma pokazuju promjene u duktilnosti pri ispitnim temperaturama od -59 °C do 79 °C
Koncepti mehanike loma
1 - linearno-elastičnadeformacija
2 - stvaranje ograničeneplastične zone
3 - elastično-plastičnadeformacija
4 - svekoliko tečenje
• Na osnovi različitog ponašanja materijala Irwin je 1954. godine predložio definicije kriterija loma strojnih dijelova odnosno ispitnih uzoraka koji sadrže pukotine.
Stadiji deformacije čvrstog tijela koje sadrži pukotinu
Koncepti mehanike loma
1. Linearno-elastična mehanika loma (LEML),
2. Linearno-elastična mehanika loma s ograničenim tečenjem,
3. Elastično-plastična mehanika loma (EPML)
15.3.2016.
35
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• LEML - Koncept mehanike loma koji omogućuje kvantitativnu analizu procesa loma u uvjetima linerano-elastične deformacije sve do loma (krhki materijali).
• Vrijednosti lomne čvrstoće za većinu krhkih materijala značajno su niže od teorijskih vrijednosti koje proizlaze iz idealne kristalne strukture.
• Razlog tomu su vrlo male mikrostrukturne pogreške ili pukotine prisutne u materijalu.
• Pogreške ili pukotine djeluju kao lokalni koncentratori naprezanja koji višestruko povećavaju naprezanje na tim izdvojenim lokalitetima.
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Kada naprezanje dosegne kritičnu vrijednost stvara se inicijalna pukotina koja pod određenim uvjetima može dalje propagirati što će u konačnici rezultirati lomom.
• Načini razmatranja procesa loma:
a) analiza raspodjele naprezanja pri vrhu pukotine,
b) sagledavanje energetske bilance kod širenja pukotine
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
αk – faktor oblikaσn - nazivno naprezanje
Koncept intenziteta naprezanja• Pukotina se može smatrati graničnim slučajem zareza s
polumjerom zaobljenosti ρ≈0, te se na taj način analiza raspodjele naprezanja pri vrhu pukotine nastavlja na utjecaj zareza na koncentraciju naprezanja.
15.3.2016.
36
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
Maksimalno naprezanje u korijenu zareza eliptičnog oblika (σmax):
σn - nazivno naprezanjea - velika poluos elipseρ - polumjer zaobljenosti zareza
Za a » ρ
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Za opis polja (rasporeda) naprezanja oko pukotine uvodi se veličina faktora intenzivnosti naprezanja (K):
• Normalna i smična naprezanja (σij) u blizini vrška pukotine :
K - faktor intenzivnosti naprezanjar i θ - polarne koordinatefij – bezdimenzijska funkcija
Faktor intenzivnosti naprezanja fizikalno predstavlja mjerilo intenziteta porasta naprezanja u području oko vrha pukotine.
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Ovisno o vrsti naprezanja razlikuju se tri načina otvaranja pukotine: KI KII KIII
a) Jednostavno otvaranje pukotine je najčešće u praksi. Odvija se na način da se površine loma udaljavaju jedna od druge. Susreće se kod strojnih dijelova s vanjskim i unutrašnjim pukotinama, opterećenih vlačnim ili savojnim naprezanjem, te kod konstrukcija podvrgnutih unutrašnjem pritisku.
a) b) c)
b) Uzdužno smicanje odvija se na način da površine loma klize uzdužno jedna po drugoj.
c) Poprečno smicanje odvija se na način da površine loma klize poprečno jedna po drugoj.
15.3.2016.
37
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
Naprezanje u blizini vrška pukotine za θ =0:
KI - faktor intenzivnosti naprezanja za modus otvaranja I
r - polarna koordinata
a - polovina duljine pukotine
Za a << W
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
Faktor intenzivnosti naprezanja za modus I (KI):
σn – nazivno naprezanjea – polovina duljine pukotinef – korekturna funkcija (ovisi o dimenzijama
strojnog dijela i geometriji pukotine)
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
Utjecaj amplitude faktora intenzivnosti naprezanja na brzinu rasta pukotine u
uvjetima promjenjivog opterećenja
Stadiji širenja pukotine:(I) - iniciranje pukotine, (II) - stabilna propagacija -
podkritično širenje pukotine,(III) - nestabilna propagacija -
nadkritično širenje pukotine
15.3.2016.
38
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Brzinu rasta pukotine (da/dN) u području stabilnog širenjadefinira Paris-Erdoganova jednadžba:
da/dN=C·(∆K)m
∆K – amplituda faktora intenzivnosti naprezanja,C, m - konstante (ovise o vrsti i stanju materijala, srednjem
naprezanju, utjecaju okolnog medija)
• Paris-Erdoganova jednadžba za:
- aluminijeve toplinski očvrstljive legure:
da/dN=3,1·10-7·(∆K)3
- titanove legure:
da/dN=3,55·10-9·(∆K)4
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Kriterij za lom kod LEML-a je početak nestabilnog širenja jedne do tada mirujuće pukotine dostizanjem kritične vrijednosti faktora intenzivnosti naprezanja u uvjetima ravninskog stanja deformacije.
• Uvjet rasta pukotine:
K ≥ Kc
σ·(a·π)1/2·f
• Najveće, najnapregnutije pukotine prve rastu.
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Kritična vrijednost faktora intenzivnosti naprezanja pri kojoj pukotina započinje nestabilno širenje u uvjetima ravninskog stanja deformacije naziva se
LOMNA (PUKOTINSKA) ŽILAVOST i označava s KIc, KIIc, KIIIc ovisno o načinu otvaranja pukotine.
15.3.2016.
39
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Lomna žilavost karakterizira žilavost čvrstih, tvrdih i krhkih materijala poput:
– keramika, – tvrdih metala, – toplinski očvrstljivih aluminijevih legura, – precipitacijski očvrstljivih titanovih legura, – visokočvrstih i ultračvrstih čelika …
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Lomna žilavost omogućuje računanje kritičnog naprezanja pri kojem dolazi do loma, uzimajući u obzir pogreške u materijalu nastale tijekom izrade ili uporabe (provjera pouzdanosti konstrukcije za poznato naprezanje i veličinu pogreške).
• Kritično naprezanje (σc):
Što je pukotina veća tim je manje kritično naprezanje pri kojem dolazi do loma.
• Od svih karakteristika koje određuju žilavost (Charpy, Izod…) jedino se lomna žilavost može koristi kao proračunska veličina.
Ic
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Poznavanjem lomne žilavosti moguće je proračunati i kritičnu veličinu pogreške (ac) koja će dovesti do loma pri zadanom naprezanju:
• Usporedba materijala na osnovi tolerirane veličine pogreške ovisi o omjeru KIc/Rp0,2:
- Što je omjer KIc/Rp0,2 veći to se tolerira veća (duža) pukotina, odnosno pogreška u mikrostrukturi materijala, pri definiranim konstrukcijskim faktorima.
- Materijali s niskim omjerom KIc/Rp0,2 osjetljivi su na postojanje pukotina i pogrešaka (osjetljivi na zareznodjelovanje)
15.3.2016.
40
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Ako postoji pogreška u materijalu uobičajeni pristup proračunu s pomoću faktora sigurnosti i dopuštenih naprezanja nije prihvatljiv, naročito ako se radi o utjecaju:
- zaostalih naprezanja od zavarivanja, toplinske obrade i sl.,
- niske radne temperature, - udarnom ili promjenjivom opterećenju,- agresivnom djelovanju okoline, - velikim dimenzijama dijela
• Kod materijala osjetljivih na zarezno (urezno) djelovanje, dimenzioniranje i proračun konstrukcije mora se temeljiti na vrijednosti lomne žilavosti.
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Osim o naprezanju, geometriji pukotine, veličini dijela lomna žilavost također ovisi o sastavu i mikrostrukturi materijala.
• Vrijednosti lomne žilavosti bitno se razlikuju za pojedine skupine i podskupine materijala i variraju od 0,63 MPa·m1/2 za polimere do 411 MPa·m1/2 za nelegirane čelike.
• Žilavi materijali imaju KIc > 60 MPa·m1/2
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
Utjecaj debljine dijela na lomnu žilavost
15.3.2016.
41
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Odnos debljine stijenke (B) i faktora intenzivnostinaprezanja (KI ):
Re - granica razvlačenjaβ - koeficjent
β < 1....1,3 – onemogućena deformacija (ravan prijelom) tj. nastupa razdvojni (ravninski) lomβ = 4.....6 – prijelaz u mješovito stanje naprezanja ili deformacije, raste udio smičnog loma, mješoviti (smično-razdvojni) lomβ > 10 – lom je potpuno smičan (troosno stanje deformacije, ravninsko stanje naprezanja)
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA S OGRANIČENIM TEČENJEM
Prema Irwinovom modelu pukotine i kod makroskopski krhkog loma dolazi do plastične deformacije odnosno formiranja plastične zone pri vrhu pukotine.
• Ako je plastično deformirana zona zanemarivo mala u odnosu na dimenzije strojnog dijela efektivna duljina pukotine se povećava za radijus plastične zone.
Efektivna veličina pukotine (aef):
aef= a + rpl
a - polovina duljine pukotinerpl - polumjer plastične zone pri vrhu pukotine
Efektivni faktor intenzivnosti naprezanja (Kef):
σ- naprezanjef – korekturna funkcijaW - širina strojnog dijela
2aef= 2a + 2rplili
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA S OGRANIČENIM TEČENJEM
15.3.2016.
42
Veličina plastične zone (rpl):
- ravninsko stanje naprezanja:
- ravninsko stanje deformacije:
KI - faktor intenzivnosti naprezanja za jednostavno otvaranje (modus I)
Re - granica razvlačenjaν - Poissonov koeficjent
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA S OGRANIČENIM TEČENJEM
Ravninsko stanje naprezanja
Ravninsko stanje deformacijePovršina
• Zbog prijelaza iz ravninskog stanja naprezanja u rubnom području u ravninsko stanje deformacije u jezgri plastična zona ima oblik „pasje kosti”.
• Plastična se zona smanjuje s porastom debljine stijenkestrojnog dijela ili epruvete te smanjenjem mogućnosti poprečne deformacije.
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA S OGRANIČENIM TEČENJEM
• Uvođenjem efektivne duljine pukotine odnosno efektivne lomne žilavosti proširuje se područje primjenjivosti LEML-a ukoliko su zadovoljeni uvjeti:
Dimenzije plastično deformirane zone moraju biti znatno manje od duljine pukotine.
Nazivno naprezanje mora biti niže od granice razvlačenja.
LINEARNO ELASTIČNA MEHANIKA LOMA S OGRANIČENIM TEČENJEM
15.3.2016.
43
ELASTIČNO-PLASTIČNA MEHANIKA LOMA
• Koncept linearno-elastične mehanike loma nije primjenjiv ako je područje plastične deformacije pri vrhu pukotine toliko veliko da se ono više ne može zanemariti u odnosu na veličinu pukotine i dimenzije strojnog dijela.
• Primjenjivost LEML-a kod većine konstrukcijskih materijala vrlo je ograničena i to u uvjetima vrlo niskih radnih temperatura ili velike debljine stjenke.
• U slučaju većih plastičnih deformacija prije loma primjenjiv je koncept elastično-plastične mehanike loma (EPML).
ELASTIČNO-PLASTIČNA MEHANIKA LOMA
• EPML dopušta određivanje mehaničkih svojstava na području mehanike loma i izvan područja primjenjivosti LEML-a odnosno za tankostjene strojne dijelove ili ispitne uzorke manjeg poprečnog presjeka.
• EPML omogućava formuliranje kriterija moguće havarije za elastično-plastično ponašanje materijala prije pojave loma. Ti se kriteriji odnose na stabilno širenje pukotine nakon njezinog iniciranja. Nužnost primjene takvih kriterija je i u slučaju kada se pukotina inicirana u području lokalne plastične deformacije (npr. posljedica koncentracije naprezanja) ili u području lokalne krhkosti (npr. zavar ili utjecaj okolišnog medija) počinje širiti stabilno, a potom u elastično deformiranom području nastavlja stabilno ili nestabilno kretanje.
Ispitivanje lomne žilavosti
UVIJETI:1. Dimenzije epruvete moraju biti znatno veće od veličine
plastične zone pri vršku pukotine;
2. U trenutku nestabilnog širenja pukotine mora postojatimogućnost precizne registracije opterećenja;
3. Za odgovarajuću geometriju epruvete mora biti poznatajednadžba, tj. odnos između faktora intenzivnosti naprezanja,nazivnog naprezanja i duljine pukotine
15.3.2016.
44
Ispitivanje lomne žilavosti
Kompaktna vlačna epruveta
a=(0,45 do 0,55)W
Ispitivanje lomne žilavosti
Epruveta za trotočkasto savijanje
a=(0,45 do 0,55)W
Ispitivanje lomne žilavosti
Postupak ispitivanja:
- stvaranje realne pukotine promjenljivimnaprezanjem na umaralici (pulzatoru)
- statičko ispitivanje do loma uz snimanje dijagramasila-proširenje pukotine na univerzalnoj kidalici
15.3.2016.
45
Ispitivanje lomne žilavosti
1 - mjerač proširenja pukotine2 - naprava za savijanje 3 - x-y pisač
Ispitivanje lomne žilavosti
Ispitivanje lomne žilavosti
15.3.2016.
46
Ispitivanje lomne žilavosti
Prijelomna površina ispitnog uzorka
Ispitivanje lomne žilavosti
• Kriteriji LEML-a koji se odnose na ravninsko stanje deformacije:
– širina epruvete:
– duljina pukotine:
Korelacija lomne žilavosti i granice razvlačenja
15.3.2016.
47
Korelacija lomne žilavosti i granice razvlačenja
Materijal Rp0,2,MPa
KIc,MPa·m1/2
MetaliAluminijeva legura - AlZnMgCu(7075-T651) 495 24
Aluminijeva legura - AlCuMg(2024-T3) 345 44
Titanova legura (TiAl6V4) 910 55Niskolegirani Cr-Ni-Mo čelik- Kaljen i popušten na 260 °C- Kaljen i popušten na 425 °C
16401420
50,087,4
KeramikeStaklo - 0,7 - 0,8Aluminijev oksid - 2,7 - 5,0
PolimeriPolistiren (PS) 25,0 - 69,0 0,7 - 1,1Poli(metil-metakrilat) (PMMA) 53,8 - 73,1 0,7 - 1,6Polikarbonat (PC) 62,1 2,2
Vrijednosti granice razvlačenje i lomne žilavosti za neke materijale
Korelacija lomne žilavosti i granice razvlačenja
Korelacija lomne žilavosti i granice razvlačenja
Oznaka čelika Rp0,2,MPa
KIc,MPa·m1/2
Čelici za poboljšavanje
34CrMo4 450 66,442CrMo4 480 60,034CrNiMo6 1300 80,0
Brzorezni čelik26NiCrMoV14-5 670 136,6
Vrijednosti granice razvlačenje i lomne žilavosti za odabrane čelike
15.3.2016.
48
Korelacija lomne žilavosti i granice razvlačenja
Oznaka legure Rp0,2,MPa
KIc,MPa·m1/2
Durali
AlCuMg 440 27,8AlCuMg2 510 25,6
KonstruktaliAlZnMgCu1,5 500 28,8AlZnMgCu2 450 23,8
Vrijednosti granice razvlačenje i lomne žilavosti za odabrane Al-legure
Korelacija lomne žilavosti i granice razvlačenja
Ovisnost lomne žilavosti o temperaturi