DAFER KUDUMOVI

M A T E R I J A L I II

SARAJEVO, 2010.

Univerzitet u TuzliMainski fakultet Tuzla

Udbenik ; Materijali I I

Autor ; dr. sc, Dafer Kudumovi

Izdava ; Univerzitet u Tuzli , Mainski fakultet Tuzla , Tuzla

Recezenti ; dr. sc, Paaga Muratovi, Redovni profesor Mainski fakultet Tuzla , u Tuzli dr.sc, Fuad Begovac, Redovni profesor Metalurki fakultet Zenica, u Zenici

Lektor; Adisa Spahi, prof.

Tehniko ureenje, C.P.A. Kalesija

Tisak ; 400 komada

Broj strana 262.

tampa ; C.P.A. Kalesija

CIP- Katalogizacija i publikacijaNacionalna i Univerzitetska bibliopteka Bosne i Hercegovine Sarajevo

ISBN-

Dafer Kudumovi, Materijali II , Mainski fakultet Tuzla , u Tuzli, septembar 2009.Godina izdanja 2010. I izdanjeGodina tampanja 2010.

Predgovor

U konvencionalne sastave struktura materijala, bez kojih je teko i zamisliti bilo kakvu proizvodnju spadaju metali i njihove legure, dok svi drugi se mogu svrstati u drugi plan , te ovdje e biti najvie rasprave o metalima i legurama , odnosno o njihovom utvrivanju sastava , grekama na konstrukcijama , gdje se problemi mogu utvrivati uglavnom na dvije osnovne skupine ispitivanja i to metodama sa razaranjem i metodama bez razaranja materijala odnosno konstrukcija.Ispitivanja materijala ne vre se samo radi utvrivanja osobina prilikom proizvodnje ili prijema ve i u svrhu utvrivanja naina upotrebe i odgovornosti, ali i u cilju poboljanja osobina kako bi se dobili materijali za nove proizvode, odnosno nova podruja primjene. Dostignua na polju gradnje automobila, eljeznica, svemirskih letjelica, brodova, turbina itd. pored raznih faktora razvoja, veliki utjecaj dalo je ispitivanje metalnih materijala i konstrukcija. Veoma podesne mehanike osobine koje se utvruju - ispituju jednim od mehanikih postupaka ispitivanja doprinijele su veoma rasprostranjenoj primjeni metalnih materijala(metala) kao gradivnih materijala . Svakodnevni tehniki razvoj prati izvoenje novih i usavravanje postojeih metoda i postupaka ispitivanja, kao i opta tenja za njihovu meunarodnu primjenu. U ovom udbeniku posebna panja posveena je nazivu i oznaavanju mehanikih osobina i oznaavanju materijala koji su usklaeni sa EN, ISO standardima,a koje je preuzeo i bosanski standard. Tamo gdje standardi jo nisu preuzeti ili ne postoje, navedeni su standardi koji se koriste i danas na podruju Bosne i Hercegovine ili njenom okruenju (dakle u nedostatku odgovarajuih standarda jo je u upotrebi stari JUS-standard).Udbenik je prije svega namijenjen studentima dodiplomskog studija tehnikih fakulteta, a posebno moe koristiti kao i pomagalo svim strunjacima koji se susreu s ispitivanjima, izborom i primjenom materijala (matala i njihovih legura), te proizvodnjom, upotrebom i ispitivanjem metalnih proizvoda, prije svega metalnih konstrukcija. Po zavretku ovog udbenika posebno se zahvaljujem svima koji su mi na bilo koji nain pomogli da ovaj udbenik bude zavren. Naravno posebno sam zahvalan recezentima ovog udbenika.Posebnu zahvalnost dugujem mojoj porodici koja me podravala u pisanju i zavravanju ove knjige, da nae svoje mjesto u namjeni, kako u edukaciji studenata , takoe i primjeni u praksi. Takoe se zahvaljujem svima koji mi budu dali sugestije u dobroj namjeri da ovaj udbenik u narednim izdanjima bude bolji.

U Tuzli, aprila 2009. Autor

Uvod

Savremeno mainsko inenjerstvo za izradu konstrukcija, ureaja i alata za procesnu industriju, raznih maina i alata, artikala iroke potronje i dr., koristi materijale razliitog porijekla, sastava i strukture.

Primjena ovako brojnih raznovrsnih materijala zahtijeva poznavanje njihovih svojstava.

Ako se promatra krai historijski pregled vanih godina i naunika za razvoj preteno mehanikih ispitivanja materijala pripada vremenu od 16. do druge polovine 20. vijeka, dok su metode bez razaranja novijeg vremena

Vremenski period iza II svjetskog rata do kraja 20. vijeka moe se smatrati periodom usavravanja postojeih metoda ispitivanja materijala i razvojem novih metoda ispitivanja i tehnologija sve radi osiguravanja bolje pouzdanosti materijala u upotrebi.

Novija metoda ispitivanja materijala na primjer je elektronska mikroskopija, pomou koje je mogue istraivanje greaka kristalne reetke, a na podruju mehanikih ispitivanja - lomna ilavost.

Svajstva materijala zavise od hemijskog svojstva materijala, naina proizvodnje, njihove dorade i zavrne obrade.

U eksploatacionim uvjetima materijali se pojavljuju u vie agregatnih stanja, kao npr.: gasovitom, tenom, vrstom i plazma stanju.

U kom agregatnom stanju e se nalaziti materijal zavisi od osnovnih termodinamikih veliina (temperature i pritiska) u kojim se koristi materijal.

Iz tog razloga se materijali dijele na: -glavne ili konstrukcione, -pomone i -pogonske materijale.Sve ono od ega su napravljeni predmeti koji nas okruuju nazivamo

materijalima.U prirodi postoji veliki broj materijala koji imaju razliite osobine koje se

mogu dobiti kombinacijama samo 105 elemenata periodnog sistema,od kojih su 76 metali. U irem smislu tehniki materijali mogu biti mainski, graevinski, elektrotehniki, tekstilni itd.

Etape civilizacije vezane su za nazive materijala dotinih doba (kameno, bakarno, bronzano, eljezno itd.).

Osobine materijala su veoma bitne i presudne prilikom izbora materijala jer upravo od tih osobina zavisi i to kako e se materijal ponaati u radnom okruenju u kojem ga koristimo.

Ipak nauka o materijalima ustvari izuava uzronu zavisnost izmeu zakonitosti i procesa proizvodnje materijala i njihovih svojstava.

Predmet ovog udbenika odnosi se na mainske materijale, prije svega na njihova ispitivanja.

1. ZADACI I VRSTE ISPITIVANJA MATERIJALAI KONSTRUKCIJA

Temelje nauno-tehniko razvoja ine materijali, energetika i automatizacija.

Intenzitet razvoja energetike i automatizacije zavisio je znaajno od razvoja materijala. Upravo zato se nauci o materijalima poklanja posebna panja. Nauka o materijalima povezuje fizikalnu hemiju i fiziku vrstog stanja.

Preciznije reeno nauka o materijalima izuava zavisnost izmeu hemijskog sastava, strukturne grae i svojstava materijala, kao i njihovo ponaanje pod djelovanjem mehanikih, hemijskih i elektromagnetnih utjecaja.

Ispitivanje materijala je podruje nauke o materijalima koje je usko povezano s drugim naukama u inenjerstvu kao to su: mehanika vrstog tijela, tehnika konstruisanja, tehnika proizvodnje i prerade i tehnika automatizacije.

Vaniji zadaci ispitivanja materijala su: Kvantitativno izraavanje karakteristike i svojstava materijala kao i odreivanje pogodnih veliina u obliku upotrebljivih vrijednosti; Automatizirana kontrola promjena svojstava materijala, koje nastaju kod proizvodnje, prerade i obrade materijala s otkrivanjem moguih greaka materijala, koja mora biti ireg obsega i kontinuirana; Nakon propisanog odreenog vremena eksploatacije stalno se vri periodina kontrola stanja materijala ili konstrukcija ; Stalno ili u propisanim vremenima istraivanje sluajeva raznih oteenja kao i uzroka lomova mainskih dijelova ili konstrukcija u eksploataciji; Istraivanje i razvoj procesa dobivanja novih materijala itd.

Kod polikristalnih materijala veliina i oblik zrna posebno utiu na mehanike osobine. Materijali metali krupnozrne strukture uglavnom imaju manju zateznu vrstou i tvrdou. Materijalima sitnozrne strukture vea je zatezna vrstoa i tvrdoa.Na osobine materijala utiu i drugi nedostaci kristalne reetke: takaste greke, linijske greke, nehomogenosti hemijskog sastava u materijalu.

Kod viefaznih materijala mehanike osobine zavise od koliine pojedinih faza, njihovog oblika i rasporeda faza.

Veliine koje se primjenjuju pri odreenim ispitivanjima materijala i konstrukcija date su u tabeli 1.1., dok su fizikalna svojstva data data u tabeli 1.2.

Amorfni materijali nemaju pravilan raspored atoma ili molekula u zapremini materijala. Oni su izotropni. Nemaju odreenu temperaturu topljenja, ve temperaturni interval omekavanja. Osobine amorfnih materijala zavise od hemijskog sastava: veliine, oblika, i rasporeda molekula koji grade materijal, naina dobijanja i reima obrade.

Tabela1.1.Veliine i njihove oznake u SI-sistemu u primjeni pri ispitivanju

Veliina SI jedinica Faktor konverzije Taan Priblian

Sila N 9,80665 10Pritisak ( tlak) N/mm2=Mpa

Bar=105PaPaPa

9,806650,9806659,80655133,322

10110133,3

Moment sile Nm 9,80665 10Energija, rad J 9,80655 10Koliina topline J

KJ4,18684,1868

4,194,19

Snaga kW 0,73549875 0,74Toplotna provodljivost

W/(cm*K)W/(cm*K)

4,18681,163

4,191,16

Specifini toplinski kapacitet

J/(kg*K)J/(g*K)

4,1868*1034,1868

4,19*1034,19

Koeficijent toplinske provodnosti

W/(cm2*K)W/(m2*K)

4,18681,163

4,191,16

Dinamiki viskozitet Pa*s=N*s/m2 10-1

Kinematikiviskozitet

Cm2/sM2/s

110-4

Magnetni fluks Wbn Wb

10-810

Gustina magnetnog fluksa

TmT

10-410-1

Jaina magnetnogpolja

A/mA/cm

103/4pi10/4pi

79,60,796

Izbor materijala se vri na osnovu zahtijeva projekta, mogunosto objezbeivanja potrebnih osobina materijala.

Na izbor materijala utie cijena, mogunosti nabavke i to u to prikladnijem obliku i rezervi koje posjeduje zamlja.

Projektant ili konstruktor treba da ima na umu da savremena nauka o materijalima ne bavi se samo klasinim izborom materijala, ve i projektovanjem i dobivanjem novih materijala za odreene potrebe koje uslovljava projektni zadatak, a ije karakteristke treba ispitivati-utvrditi.

Za projekte gdje nije mogue izvriti izbor standardnih materijala, treba zahtijevati projektovanje novih materijala, koji svojim osobinama zadovoljavaju

uvjete projekta, naravno prije upotrebe bilo kojeg od datih, izabranih materijala moraju se ispitivati ili mora se ispitivati izraena konstrukcija , a time se odreuje njena funkcionalnost. Opa podjela vrsta ispitivanja materijala s ciljevima je na :

a.) sa razaranjem i b.) bez razaranja . Tabela 1.2. Fizika svojstva nekih materijala na 20C

Metali/Nemetali Gustina Temperatura Specifina toplinska Toplinskatopljenja kapacitivnost provodljivost

kg/m3 x 103 C J/kg K W/m KMetaliAluminijum 2,70 660 900 222Legure aluminijuma 2,63 - 2,82 476 - 654 880 - 920 121 - 239Bakar 8,97 1082 385 393Legure bakra 7,47 - 8,94 885 - 1260 377-435 29 - 234Livena gvoza 7,86 1537 460 74elici 6,92 - 9,13 1371 - 1532 448 - 502 15- 52Olovo 11,35 327 130 35Legure olova 8,85 - 11,35 182 - 326 126 - 188 24 - 46Magnezijum 1,74 650 1025 154Legure magnezijuma 1,77 - 1,78 610 - 621 1046 75 - 138Nikl 8,91 1453 440 92Legure nikla 7,75 - 8,85 1110 - 1454 381 - 544 12 - 63Titan 4,51 1668 519 17Legure titana 4,43 - 4,70 1549 - 1649 502 - 544 8 - 12Volfram 19,29 3410 138 166NemetaliKeramika 23,0 - 55,0 - 750 - 950 10 - 17Staklo 24,0 - 27,0 580 - 1544 500 - 850 0,6 - 1,7Plastika 9,0 - 20,0 110 - 330 1000 - 2000 0,1 - 0,4

Ispitivanja sa razaranjem mogu se podijeliti na; -mehanika, -tehnoloka, -hemijska, .metalurka -fizika i -eksploataciona.

Ispitivanja bez razaranja mogu se podijeliti na; -radiografska, -ultrazvuna, -magnetska i -ispitivanja penetrantima .

Svojstva materijala su openito posljedica njegovog strukturnog stanja.

Pravilnim izborom odreenog materijala i tehnolokog procesa postie seciljano strukturno stanje, koje daje materijalu potrebna mehanika,odnosno eksploataciona svojstva.

S gledita ininjera (mainaca, metalurga, graevinaca itd.) temeljna svojstva materijala su mehanika: vrstoa, napon teenja, modul elastinosti, izduenje, ilavost, tvrdoa, dinamika izdrljivost.

Svojstvo ili karakteristika materijala predstavlja mjerljivu veliinu materijala, koja se moe brojano odrediti pomou standardizovanih metoda ispitivanja, npr. zatezna vrstoa nekog elika, m=700 MPa.

Opa podjela svojstava materijala koji se primijenjuju u tehnici kod izbora materijala za izradu mainskih dijelova i konstrukcije data je na slici 1.1. Prema vrstama ispitivanja materijala pregled svojstava koja se utvruju mogu se prikazati na slijedei nain; 1. Mehanika:Temeljna svojstva materijala kao:vrstoa,ilavost,tvrdoa itd.2. Metalografska: Mikro i makrostruktura, veliina zrna, troskin broj,stanje termike obrade itd.3. Hemijska: Sadraj elemenata tj. hemijski sastav , zatim otpornost prema koroziji itd.4.Tehnoloka svojstva materijala pokazuju njegovu sposobnost za obradu razliitim postupcima, kao to su: livkost, deformabilnost u vruem ili hladnom stanju, zavarljivost, rezljivost odvajanjem estica, sabijanje, savijanje, duboko izvlaenje lima, spljotavanje cijevi, namotavanje ice oko jezgre i sl. Ocjenjivanje je opisno: zadovoljava ili ne zadovoljava, zavisno od toga da li je ispunjen propisani kriterij ili ne. 5. Fizika svojstva su elektrina,magnetna, toplotna, optika, mehanika itd. 6. Eksploataciona svojstva pokazuju otpornost materijalu u upotrebi. To su npr. otpornost na troenje, mehanika svojstva proizvoda i slino. U ovom udbeniku obradie se samo neke vane metode utvrivanja svojstava i stanja kod navedenih vrsta ispitivanja i materijala.

7. Stanje struktura materijala moe se ispitivati metodama bez razaranja. Kod ovih ispitivanja uzorak se ne razara te se ovi postupci mogu primijeniti na dijelovima koji e se i dalje upotrebljavati, a sam postupak ispitivanja vri se ve predhodno navedenim metodama. Ispituju se svojstva prema pukotinama i ostalim grekama u materijalima kao: poroznost, lunker, dvoplatnost itd. Osnovne osobine (kriterije) koje materijal mora zadovoljiti da bi se koristio za izradu mainskih dijelova i konstrukcija su:- Tehnologinost (mogunost obrade raspoloivim tehnologijama obrade)

- Ekonominost (cijena materijala mora biti prihvatljiva tritu) - Ekologinost (da ne zagauje okolinu i da se moe reciklirati)

Da bi se izvrio pravilan izbor materijala za izradu odreenog mainskog elementa ili konstrukcije neophodno je dakle zadovoljiti niz zahtijeva.

Jedan od naina izbora materijala, primjenjujui zahtijeve za razliitim osobina na tabeli 1.3. je upotrebom tzv. izbornih karata slika 1.1. (danas dostupne putem razliitih komercijalnih software-skih paketa).

IZBOR MATERIJALAOsobine materijala Ekonominost Tehnologinost

vrstoa Tvrdoa ilavost Elastinost Otpornost na

koroziju Otpornost na

zamor Otpornost na

zamor Otpornost na

puzanje Fizike osobine Elektrine

osobine Termike osobine

Dostupnost materijala

Cijena materijala Vrijeme

proizvodnje Trokovi

proizvodnje Trokovi livenja

ili kovanja Trokovi spajanja Trokovi obrade

rezanjem Trokovi

sklapanja Trokovi

modeliranja

Kovljivost Plastinost Livljivost Obradljivost Zavarljivost Termika

obradljivost

Tabela 1.3 Izbor materijala za izradu mainskih dijelova i konstrukcije

Slika 1.1. Primjer izborne karte

2. ISPITIVANJA SA RAZARANJEM

2.1. MEHANIKA SVOJSTVA MATERIJALA I ISPITIVANJA

Opta podjela mehanikih svojstava i uslova ispitivanja je slijedea:

a.) Prema vrsti optereenja na: zatezanje, pritisak,savijanje, uvijanje, smicanje te kombinacije kao zatezanje i pritisak itd;

Svi konstrukcijski materijali imaju zajedniko svojstvo,a to je njihova vrstoa. vrstoa je otpor materijala protiv deformacije i loma ili sposobnost materijala da podnosi naprezanja koja su prouzrokovana vanjskim silama. Konstrukcijski materijali su iz tih razloga uvijek materijali u vrstom stanju; plinovi i tekuine ne mogu permanentno preuzeti naprezanja.

Pored vrstoe vana svojstva za konstrukcijske materijale su savitljivost, tvrdoa i ilavost. Danas se postavljaju strogi zahtjevi prema konstrukcijskim materijala. Oni moraju imati dostatnu vrstou da mogu izdrati velika optereenja, moraju biti otporni prema koroziji i troenju, moraju biti obradivi itd.

Selekcija materijala se vri usporedbom njihovih mehanikih svojstava. Prvi korak u selekciji je analiza namjene dijela iz koje odreujemo potrebne karakteristike materijala. Da li materijal mora biti vrst, krut ili savitljiv? Da li e on biti izloen ponavljajuem ili iznenadnom optereenju? Na visokim ili niskim temperaturama? Cijena materijala i njihova obrada su naravno vrlo vani faktori kod izbora materijala.

Kada smo odredili koja svojstva materijal mora imati moemo pristupiti selekciji. Selekciju materijala vrimo usporeivanjem standardnih podataka iz prirunika. Vano je znati kako se dolo do tih podataka, to oni znae i shvatiti da su tabelarni podaci dobiveni u testovima u odreenim uvjetima, koji ne moraju biti potpuno isti u realnom ivotu dijelova.

Postoji veza izmeu svojstava materijala i kristalne strukture (s odstupanjima izmeu idealnog stanja i zrnate strukture). Iz poznatih podataka strukture materijala nije mogue direktno proraunati svojstva materijala s dovoljnom tanou. Zato se sva svojstva materijala odreuju ispitivanjima koja zovemo eksperimentalna ispitivanja.

Upoznat emo se s nekoliko standardnih metoda ispitivanja materijala, koja se koriste za mjerenje otpornosti materijala prema utjecaju vanjskih sila.

Ove metode ispitivanja primjenjuju se kod metala, ali se mogu takoer primijeniti, s nekim modifikacijama, i za druge materijale. Kao to su plastine mase, drvo, guma, papir i dr. Rezultati ovih testova su mehanika svojstva materijala.

b.) Prema brzini djelovanja optereenja mogu se takoe promatrati kao: statiko i dinamiko.

- Statika optereenja na zatezanje, pritisak, savijanje, uvijanje i smicanje, obino su kratkotrajna (kada traju cca desetak minuta), a neka od njih mogu biti i dugotrajna kod ispitivanja puzanja i relaksacije (kada mogu trajati od 45 do 100 000 sati).Prema nainu djelovanja optereenja na: zatezanje, pritisak,savijanje, uvijanje, smicanje te kombinacije kao zatezanje i pritisak itd. mogu se prikazati prema slici sl.2.1.

Slika 2.1. Vrste optereenja

-Dinamika optereenja mogu biti udarna(brzina udara arpijeva-(Charpyj)klatna obino je 5,5 m/s) ili promjenljiva(s istosmjernim ciklusima na pritisakili zatezanje i naizmjenina s kombinacijama zatezanje i pritisak).

Dinamika promjenljiva optereenja osim na zatezanje i pritisak, mogu biti jo na savijanje i uvijanje; Na osnovu izneenog pored statikih naprezanja dinamika se mogu prikazati na slici 2.2.-Prema temperaturi ispitivanja: na sobnoj, na povienoj i na snienoj temperaturi. Najee se vre ispitivanja na sobnoj temperaturi (izmeu 10 i 35 C ), zatim pod kontrolisanim uvjetima na temperaturi 23 5 C (npr. za puzanje, relaksacija itd.), te na snienoj temperaturi (npr. udarne radnje loma na 20 C) i na povienoj temperaturi (npr. puzanje na temperaturama +400, +500, +600 C itd.);-Prema trajanju djelovanja optereenja na: kratkotrajna i dugotrajna, kako je to ve reeno) (slika 2.3.).

F , M-optereenja(sile ili momenti) , t-vrijemeSlika 2.2.Podjela optereenja na osnovu dejstva sile

Slika 2.3. Uporedni izgled statikih i dinamikih optereenja

2.1.1. Mehanike osobine

Da bi se pravilno izvrilo dimenzionisanje dijelova izraenih od datih materijala, neophodno je poznavanje mehanikih svojstava-osobina, kako pri dejstvu spoljnih sila ne bi dolo do neeljenih deformacija, a u nekim sluajevima i do lomova dijelova. Prema tome, mehanika svojstva-osobine materijala objanjavaju povezanost izmeu spoljnih sila i njima izazvanih deformacija.Faktori koji se moraju uzeti u obzir pri mehanikim ispitivanjima materijala, a koji direktno i odreuju mehanike osobine materijala pri razliitim uslovima eksploatacije su:

- Vrsta naprezanja (zatezanje, pritisak, savijanje, uvijanje, ili kombinacija datih optereenja),- Nain dejstva sile (statiko ili dinamiko),- Temperatura ispitivanja (niske, sobne, poviene, termiki ok).

Sva podjela pregled mehanikih ispitivanja moe se prikazati shemom 2.1. i opi prikaz ispitivanja dat je shemom 2.2.

Shema 2.1. Prikaz mehanikih ispitivanja( sav tekst pregledati)

Shema 2.2. Opa ispitivanja

2.2. Statike metode ispitivanja

Prema nainu djelovanja optereenja, statiko optereenje moe se odnositi na : zatezanje, pritisak,savijanje,uvijanje, smicanje te kombinacije kao zatezanje i pritisak itd shemi 2.1.(mehanika ispitivanja)

2.2.1. Ispitivanje zatezanjem

Ispitivanje zatezanjem ubraja se u najvanija mehanika ispitivanja materijala, jer ono daje najvie vanih upotrebnih svojstava, kao to su:napon teenja, zatezna vrstoa, modul elastinosti, izduenje (istezanje), suenje itd. Leonardo da Vinci je jedan od naunika koji je meu prvima izvodio i opisao prve eksperimente zatezanjem na ici radi odreivanja zatezne vrstoe.

Metoda ispitivanja zatezanjem daje vanost vidljivu iz slijedeeg:- daje najbolji opis ponaanja materijala pod optereenjem,- dobijeni podaci o svojstvima materijala najvie se koriste za

proraun i dimenzionisanje elemenata maina i konstrukcija, - dobijeni podaci omoguavaju jednostavnu kontrolu tehnolokih

procesa raznih proizvoda i svojstava novih materijala,- iz svojstava otpornosti materijala mogu se priblino odrediti i

druga vana svojstva za praksu (kao tvrdoa, dinamika izdrljivost itd.),

- jednostavno se izvodi i lako se izraunavaju temeljna svojstva.Zbog svega navedenog se u mehanikim laboratorijima najee vre

ispitivanja zatezne vrstoe i ilavosti materijala .

2.2.2. Maine za ispitivanja zatezanjem

Ispitno tijelo, tzv. epruveta, se kod statikih kratkotrajnih ispitivanja, se izlae u maini za mehanika ispitivanja materijala postepenom porastu jednoosnog optereenja sve do njezinog loma, odnosno kidanja. Maina, pri tome mora osigurati jednako prenoenje sile na epruvetu u uzdunom pravcu uz istovremenu registraciju optereenja na skali manometra s klatnom, kao i crtanje dijagrama na ploteru. Na slici 2.4 dat je izgled univerzalne maine za statika ispitivanja metala s optereenjem do 200kN, tj.data je jedna savremenija univerzalna kidalica do 200 kN.

Slika 2.4. Univerzalna maina za ispitivanje zatezanjem Ovakve maine se najee sreu u mehanikim laboratorijama irom svijeta, a pored ispitivanja zatezanjem mogu se koristiti i za ostala statika ispitivanja (uglavnom sva izuzev uvijanja). Donja stezna glava je pri ispitivanju nepokretna, a moe se podeavati prije ispitivanja pomou odgovarajue ruice. Gornja stezna glava vezana je pomou stubova za radni cilindar u kojem se kree klip pomou pritiska ulja. Pri ispitivanju zatezanjem pomie se prema gore gornja stezna glava sve do loma epruvete uz istovremeno oitavanje optereenja na skali manometra i crtanje dijagrama u koordinatama F-L ili - (isti je oblik dijagrama), kao slika 2.7. a.) i b.). Jedna od posebnih maina za ispitivanje materijala univerzalnog karaktera je savremena kidalica firme Zwick slika 2.5.

Prostor izmeu radnog cilindra i gornje stezne glave koristi se za statika ispitivanja savijanjem i pritiskom, kao i za tehnoloka ispitivanja sabijanjem.

Za ispitivanje smicanjem koriste se stezne glave kao i kod ispitivanja zatezanjem. U njih se postavlja posebni ureaj za smicanje (princip izvlaenja "noa iz viljuke") s odgovarajuom cilindrinom epruvetom (obino 5x50 mm). ema 2.3. ispitivanja zatezanjem mogu se prikazati na slijedei nain ;

ISPITIVANJE ZATEZANJEM

SVOJS

TVA

OTP

ORN

OST

ISP

OSO

BNOST

DEFO

RMACIJA

ZATEZNA VRSTOA

GRANICA TEENJA

GRANICA PROPORCIJALN -

OSTI

GRANICA ELASTINOSTI

MODUL ELASTINOSTI

IZDUENJE

KONTRAKCIJA

RAVNOMJERNA DEFORMACIJA

Shema 2.3. Ispitivanja zateznjem

Ispitivanje zatezanjem se izvodi na: Normalnim (sobnim) temperaturama Povienim temperaturama Snienim temperaturam Normalnim (sobnim) temperaturama (na 23 5C)

o odreivanje svojstava otpornostio odreivanje sposobnosti deformacije

Povienim temperaturamao sa krakotrajnim zagrijevanjemo sa dugotrajnim zagrijevanjem- ispitivanje na puzanje- ispitivanje na relaksaciju

Snienim temperaturamaKidalice za ispitivanje zatezanjem mogu biti hidrauline kidalice i mehanike univerzalne kidalice, kao na slikama 2.5.a i 2.5.b

Slika 2.5.a Elektromehanika kidalica SCHENCK-TREBEL RM 100

Slika 2.5. b Savremena kidalica firme Zwick

Na slijedeoj slici 2.6. dat je ematski prikaz jedne univerzalne hidrauline kidalice sa naznaenim sastavnim dijelovima. Da bi elastina deformacija bila to manja, konstrukcija stabilnog okvira maine mora biti ovakve izvedbe. Epruveta i maina ine jednu cjelinu, pri ispitivanju zatezanjem, a rezultati ispitivanja zavise kako od materijala epruvete i uslova ispitivanja kao i od karakteristika same maine.

Kod optereenja na zatezanje epruvete prenosi se optereenje i na dijelove maine, koji se smiju samo elastino deformisati, dok se epruveta prvo deformie elastino, a zatim plastino sve do loma. Maine koje imaju veliku konstantu krutosti (obino su na mehaniki pogon),zovu se tvrdim kidalicama npr. za ispitivanje puzanjem, dok maine s malom konstantom krutosti su meke kidalice (maine s hidraulinim pogonom). Maine s hidraulinim ne mogu registrovati brze promjene optereenja, dok sa mehanikim pogonom mogu registrovati promjene optereenja. Za manja optereenja koristi se mehaniki pogon, a hidraulini za vea optereenja i to:

- do 10 kN, iskljuivo mehaniki pogon,- 10 do 100 kN mogua primjena oba optereenja,- vea od 100 kN (obino do 1 000 kN), iskljuivo hidraulini pogon. Maine imaju vie razliitih mjernih podruja koja omoguavaju precizna ispitivanja (u granicama tonosti 1 %) epruveta ili konstrukcionih dijelova raznih oblika i dimenzija (tabela 2.1).

Slika 2.6. Shema univerzalne hidrauline kidalice ( crtee ispisati na raunaru)

Pomjeranje klipa (obino u granicama od O do 50 mm/min) kod hidraulinih maina ostvaruje se pomou otvaranja ventila, a mogue je i automatsko odravanje konstantnog optereenja.

Savremene maine opremljene su automatskim regulatorima pomou kojih se moe unaprijed programirati brzina optereivanja Univerzalne kidalice imaju i dopunsku opremu za odreivanje malih izduenja (npr. elektronski mjera malih izduenja), za ispitivanje pri povienim (obino do 1000C) i snienim (obino do -100 C) temperaturama, za tanku icu, lance i sl.Tabela 2.1 Tipina mjerna podruja kidalica Najvee optereenje, kN Ostala mjerna podruja navedenih kidalica, kN

1000 500 200 100

500 250 50

400 200 80 40

200 100 40 20 10 4

100 50 20 10

Bitna osobina za uporeivanje rezultata ispitivanih materijala jeste da se sva ispitivanja moraju vriti uvijek pod istim vanjskim uslovima. Zbog toga postavljeni su dogovori sa meunarodnim tehnikim komitetima za vanjske uslove ispitivanja, koji su uneeni u norme i standarde kao konvencije. Takve konvencije su napravljene npr. za dimenzije epruveta, za tehniku

granicu elastinosti, za konvencionalni napon teenja itd., a njih se moraju pridravati svi instituti,laboratorije i druge institucije koje imaju tome sline djelatnosti.

2.2.3. Ispitivanje zatezanjem na sobnim (normalnim) temperaturama

Za ispitivanje zatezanjem potrebno je imati: Uzorak epruvetu za ispitivanje; Mainu kidalicu; Pribor za merenje (pomino mjerilo, mikrometar)

i poznavati tehniku ispitivanja.

a.)

b.)

Slika 2.7. Dijagram zatezanja a.) znaenje pojedinih taaka i b.) konkretne vrijednosti

2.2.4. Epruvete za ispitivanje

Pod epruvetom se podrazumijeva odabrani primjerak uzorakmaterijala obradjen na odredjenu mjeru i oblik prema standardu.Epruvete za ispitivanje zatezanjem mogu biti:

Proporcionalne (standardne) odreenog oblika, poprenog preseka (okrugle, kvadratne i pravougaone) i dimenzija.

Neproporcionalne u stanju primjene (npr. lanci, elina uad, cevi profili, gotovi mainski delovi itd.)

Epruveta za ispitivanje zatezanjem ima dvije glave privrivanje u e1justima maina, kao i dio jednakog presjeka, oznaen s Lo+do odnosno Lo+bo, za mjerenje deformacija.

Pri ispitivanju zatezanjem deformacije se ostvaruju u dijelu epruvete s najmanjom povrinom. Glave epruvete se prilagoavaju steznim glavama kidalica s tim da su prijelazi od cilindrinog dijela ka glavama s blagim zaobljenjima (r4 mm). Mjerni dio epruvete mora biti vrlo precizno izraen, tj. poliran zbog sprijeavanja koncentracije naprezanja. Pri izrezivanju uzorka iz materijala moraju se izbjei mogue promjene teksture ili strukture. Zato pri izrezivanju uzorka plamenom rez mora biti udaljen najmanje 20 mm od konanih dimenzija epruvete.Postoji vie tipova epruveta za ispitivanje zatezanjem. Najvie su u upotrebi kratke proporcionalne epruvete promjera 10 mm za okrugle ipke i kratke proporcionalne pljosnate epruvete za limove i trake shodno navedenim standardima. Na slici 2.8. dat je izgled okrugle i pljosnate kratke proporcionalne epruvete prije ispitivanja, a na slici 2.9. izgled okrugle kratke proporcionalne epruvete.Zavretci epruveta dati su na slici 2.10.

Slika 2.8. Oblici epruveta; a-okrugle epruvete, b-pravougaona epruvete od lima

Slika 2.9. Epruveta za ispitivanje zatezanjem

Ao Nazvini presjek epruvete prije ispitivanja, Lt Ukupna duina epruvete, Ls Stvarna duina epruvete, Lo Nazivna duina epruvete

Slika 2.10. Razliiti oblici zavretaka epruveta

Epruvete se izrauju sjeenjem i obradom skidanja strugotine slika 2.11.a (struganje, glodanje, rendisanje, bruenje i sl.) ili prosijecanjem (epruvete od lima).

Slika 2.11. a Mjesta uzimanja epruveta

Tipian izgled pripremljenih epruveta zavarenog spoja novog

materijala za zatezna ispitivanja je dat na slici 2.11.b, za odreenu izabranu tehnologiju.

Slika 2.11. b Epruvete za odreivanje zatezanih osobina kod zavarenog spoja

Izgled pripremljenih epruveta za zatezna ispitivanja osnovnog metala i metala zavara je dat na slici 2.11.c a mikroepruveta za ispitivanje zateznih svojstava ZUT-a na slici 2.11.d

Slika 2.11.c Epruvete za odreivanje zateznih osobina osnovnog metala i metala zavara

Slika 2.11.d Mikroepruvete ze odreivanje zateznih osobina ZUT

2.2.5. Dijagram i svojstva pri ispitivanju zatezanjem

Izabrana epruveta se pri ispitivanju zatezanjem izlae optereenju

zatezanjem sve do njenog sloma, te se potom utvruju svojstva otpornosti kao i svojstva deformacije. Pregledno predstavljanje toka ponaanja materijala pri ispitivanju zatezanjem vri se snimanjem dijagrama s koordinatama:1. F-L, tj. na ordinati sila F u [N], a na apscisi trenutno izduenje L u [mm],2. -, tj. na ordinati naprezanje u Mpa [N/mm2] , a na apscisi jedinino izduenje [%] ;

0

L=L

Maine za ispitivanje zatezanjem obino imaju ureaj za neposredno crtanje dijagrama slike 2.5. i 2.7. sa koordinatama sila, ili naprezanja kao i trenutnog izduenja. Nedostatak takvog dijagrama je zavisnost od dimenzija epruvete i nemogunost preciznog oitavanja sile, a naroito izduenja (jer ono pored izduenja mjerne duine epruvete L0 sadri i izduenje ostalih dijelova epruvete, elastina izduenja steznih glava, klizanje epruvete i sl). Upravo zato je tanije koritenje dijagrama s koordinatama naprezanje jedinino izduenje, koji pokazuje ponaanje materijala nezavisno od dimenzija epruvete, jer je sila svedena na prvobitni presjek:

[ ]

0

F MPaS

=

a trenutno izduenje na mjernu duinu, tj.

0

0 0

tL LLL L

= =

Na slici 2.12. prestavljena je veza izmeu naprezanja i deformacija pri ispitivanju zatezanjem za razliite materijale (krte i duktilne metalne materijale, te za neke organske materijale) , a na slici 2.13. za razliite metalne materijale,dok na slici 2.14. dat je dijagram F-L i - (R- ) za niskougljini elik

Slika 2.12. Dijagram naprezanje-jedinino izduenje za razliite materijaleDijagram ispisati kucanim slovimaSa slike 2.12. vidi se da razliiti materijali imaju etiri osnovna oblika dijagrama i to:

1. s izraenim naponom teenja (gornji i donji), npr. meki elici (do cca 0,3 %C) i nelegirani elici u normaliziranom stanju,

2. s kontinuiranim prijelazom iz elastinog u elastino/plastino podruje deformacija, npr. bakar, aluminij, nehrajui austenitni elici. Duktilni materijali (1 i 2) imaju velike plastine deformacije prije loma,

3. bez podruja elastino/plastinih deformacija. To su krti materijali koji se lome gotovo bez plastine deformacije, kao npr. sivi liv ili zakaljeni elik i

4. s entropijskom elastinom deformacijom, npr. neki organski materijali i polimeri tipa elastomera.

Slika 2.13. Dijagram - za razliite metalne materijale (oblici 1 do 3)(mehki elik)

Ispisati tampanim slovima dijagram Na slici 2.14. dat je detaljan prikaz dijagrama F-L i - (konvencionalni i

stvarni isprekidana linija).Prikazani dijagram pripada osnovnom tipu (1) dijagrama -. Na njemu je naznaeno nekoliko karakteristinih taaka, vanih za definisanje svojstava materijala koja se odreuju pri ispitivanju zatezanjem. Znaenje karakteristinih taaka je slijedee:

a.) P granica proporcionalnosti

Granica proporcionalnosti iz Slika 2.14. Dijagram F-L i - (R- ) , prema taci mogue je odrediti preko relacije;

0

prpr

FR

S=

Pri optereivanju epruvete u granicama od O do P zavisnost izduenja epruvete o sili je linearna, a deformacije su elastine, jer se pri rastereivanjuepruveta potpuno vraa u svoj prvobitni oblik i veliinu, to znai da su naponi proorcionalni naprezanjima (Hookeov zakon). Trenutna izduenja u tom podruju dijagrama vrlo su mala i mogu se mjeriti samo preciznim ekstenzometrima. Granica proporcionalnosti je najvee naprezanje do kojeg je naprezanje proporcionalno izduenju. Pri porastu naprezanja iznad ove granine vrijednosti prestaje proporcionalnost izmeu naprezanja i deformacije i izduenje poinje rasti bre.

E=tg=

razlika duina

Slika 2.14. Dijagram F-L i - (R- ) za niskougljini elik

Ispisati tampanim slovima dijagram

Ukoliko ispitivanje na zatezanje nije standardom propisano kao i tanost mjerenja, precizno odreivanje granice proporcionalnosti nije mogue ili vrlo teko odrediti. Zato se po pravilu granica proporcionalnosti odreuje grafikom interpolacijom iz dijagrama s vrijednostima - dobijenim pri ispitivanju. Za postizanje vee ujednaenosti rezultata ispitivanja za granicu proporcionalnosti definisao je Meunarodni kongres za ispitivanje materijala odran u Bruxellesu 1906.g. naprezanje zatezanjem pri kojem se utvrdi trajna deformacija od 0,001 % mjerne duine. Unutar taaka O do P, tj. samo u podruju elastine deformacije, odreuje se i Youngov modul elastinosti.

b.) Modul elastinosti (E)

Kako su po Hookovom zakonu u lineranom podruju naponi proporcionalni diletacijama (izduenjima) vrijedi da je;

= E E

= ,

E tg=

Ako se umjesto - unesu njihove vrijednosti FS

i 0

LL

, dobije se

0FLES L

=

Za 0L L = , FES

= = to znai da je modul elastinosti naprezanje potrebno

da se dvostruko povea duina epruvete (fiktivno), odnosno on karakterie otpornost materijala prema deformisanju ili drukije reeno njegovu krutost. Materijali s izrazitom linearnom zavisnosti izmeu naprezanja i jedininog izduenja,na sobnim temperaturama modul elastinosti ima konstantnu vrijednost, koju odreuje tangens ugla , a kod materijala bez takve zavisnosti (npr. bakar i njegove legure) modul elastinosti se mijenja u zavisnosti od naprezanja.

c.) Konstante elastinosti

Vana karakteristika pri proraunu otpornosti materijala je prva konstanta ili modul elastinosti, koju mainski strunjaci koriste za proraune i analizu stanja kod tzv. Normalnih naprezanja (djeluju normalno na povrinu presjeka, a uzrokuju ih zatezna, pritisna i savojna optereenja). Slino tome postoji i druga konstanta ili modul smicanja ili klizanja G, kojeg uzrokuju tzv. Tangencijalna naprezanja (djeluju u ravni presjeka, a uzrokuju ih smiua i uvojna optereenja):

G

=

gdje su: [Mpa] tangencijalno naprezanje, a

- kutna deformacija u ravni okomitoj na smijer djelovanja optereenja u podruju elastinih deformacija

Modul smicanja G, se odreuje obino pri statikom ispitivanju uvijanjem. Vezu izmeu ova dva modula daje trea konstanta elastinosti, tzv. Poissonov faktor :

2(1 )EG

=

+ ; odakle 1

2EG

= Pod Poissonovim koeficijentom podrazumijeva se koeficijent poprene deformacije. Naime pri ispitivanju zatezanjem poveanje duine epruvete (izraeno kroz jedinino izduenje, praeno je istovremenim suenjem, odnosno prosjenom poprenom deformacijom:

qd

d

=

Tabela 2.2. Vrijednosti modula elastinosti E, modula klizanja G i Poassonovog koeficijenta

Materijal E G

[Gpa] [Gpa] -

Ugljenini elik 200-210 80-81 0,24-0,28

Legirani elik 210-220 80-81 0,25-0,30

Liveno eljezo 115-160 45 0,25-0,27

Bakar 84-130 40-49 0,31-0,34

Bronza 105-115 40-42 0,32-0,35

Mjed (mesing) 90-120 35-37 0,32-0,42

Aluminij i legure 70-71 26-27 0,32-0,36

a-eliezo 211,4 81,6 0,293

a-titan 115,7 43,8 0,321

Niobil 104,9 37,5 0,397

Tantal 185,7 69,2 0,342

Nikal 200 76 0,312

Volfram 362 135 0,170

Berilii 309 147 0,050

Magnezij 45 17 0,291

Kalaj (kositar) 17 8 0,450

Kadmii 50 19 0,300

Srebro 83 30,3 0,367

Zlato 79 27 0,440

Sivi liv 100 50 0,260

Olovo 17 7 0,42

Stakla 56 22 0,25

Beton 15-40 - 0,08-0,18

Guma 0,01 - 0,47

Vrijednosti za E i G date su u Gpa zbog praktinosti (tako rade obino graevinari manje nula!); lGPa=l 000 Mpa=l 000 N/mm2 Eksperimentalna ispitvanja su dokazala da postoji proporcionalnost izmeu uzdune i poprene deformacije:

E = , q = , 00

/ ,/

= =

d Ld dL L L d

,

Ovi izrazi predstavljaju Hookeov zakon za jednoosno stanje naprezanja. Kako su i q uvijek suprotnog predznaka, za izotropne materijale vrijedi da se Poassonov koeficijent kree u granicama 0 0,5. Za veinu metala i legura u podruju elastinih deformacija priblino je =0,3, a kod metala koji pri plastinoj deformaciji ne mijenjaju volumen =0,5. U tabeli 2.2. date su vrijednosti za (E, G)1 kao () za tehniki vane metalne materijale, kao i za stakla, beton i gumu.

Volumenski modul elastinosti ili modul kompresibilnosti K, je etvrta konstanta elastinosti:

3(1 2 )EK

=

, 3 2

3 26 2 6 2

KK G G

KK GG

= =

+ +

Dokazano je da volumenska deformacija kod linearno elastinih materijala proporcionalna jednakom pritisku u svim pravcima:

( )3; ; ; 1 2v v x y z x y z v pp K p E = = + + = = = = Iz navedenih jednaina slijedi da Poissonov koeficijent odreuje

relativnu sposobnost tijela da mijenja svoj volumen. Za K>>G, 0,5 , a

kada 0KG

onda 1 , to daje granice za : -1 <

postavljaju na mjernu duinu epruvete, imaju poveanje od najmanje 100x i skidaju se poslije odreivanja Rp0,01 i Rp0,2. slike 2.15.. Ppomou elektronskog mjeraa izduenja (npr. pri poveanju 200, 500 ili 1000x) mogu se lahko grafiki iz dijagrama snimljenog odrediti konvencionalni napon teenja Rp0,01 ili konvencionalni napon teenja RpO,2. Radi se tako da se na rastojanju od 0,01 odnosno od 0,2% mjerne duine epruvete povue paralela s poetnim pravolinijskim dijelom dijagrama F-L i u takama presjeka (E ili T) odrede na ordinati odgovarajue sile Fp0,01 ili Fp0,2 za izraunavanje Rp0,01 ili Rp0,2. Ukoliko se koristi Amslerov sat obino se radi s postupkom viestrukog optereivanja i rastereivanja sve dok se ne odredi traeni iznos plastine deformacije nakon rastereivanja (npr. koji odgovara Rp0,2).

Slika 2.15.. Dijagram s elektronskog mjeraa izduenja Ispisati tampanim slovima dijagram

e.) ( T ) napon teenja Konvencionalni napon teenja Rp0,2 (ili tehnika granica razvlaenja)

odreuje se na opisani nain kod dijagrama s kontinuiranim prijelazom iz elastinog u podruje plastine deformacije za konvencionalni napon teenja Rp0,01 (slika 2.15.):

0,20,2

0

pp

FR

S=

Kod dijagrama s izraenim naponom teenja, odreuje se u taki T gornji napon teenja:

0

eHeH

FRS

=

Najvee naprezanje pri kojem dolazi do naglog prijelaza iz elastinog u podruje plastine deformacije prestavlja gornji napon teenja, a zapaa se po znaajnom porastu izduenja uz istu silu (prvi zastoj kazaljke na skali manometra). Iza nje dolazi do prvog opadanja sile uz dalji porast izduenja;

f.) D donji napon teenja

0

eLeL

FRS

=

Gornji napon teenja ReH ili na konvencionalni napon teenja Rp0,2 predstavljaju vrijednosti napona teenja koje su propisane u tehnikim uvjetima isporuke materijala (obino kao minimalne vrijednosti), Donji napon teenja je najmanje naprezanje u podruju teenja, odnosno

to je naprezanje koje se ustali nakon rasta izduenja (ak 1 do 4%) bez porasta sile. Ovi naponi teenja su najvie zavisni od uslova ispitivanja u odnosu na druga svojstva, a naroito od brzine optereivanja. Prema tome standardi, kao npr. ISO 6892: 1998 ili BAS EN 10002-1:2001, propisuju zavisno od vrijednosti modula elastinosti materijala slijedee granice brzine optereivanja:

1. za E < 150 000 Mpa, brzine od 2 do 20 Mpa/s i2. za E 150 000 Mpa, brzine od 6 do 60 Mpa/s.

Ispitivanja zatezanjem, do napona teenja izvode se obino s brzinama optereivanja do 10 Mpa/s. Ispitivanje se moe vriti i iza napona teenja i veim brzinama optereivanja, jer je manji utjecaj na zateznu vrstou. Pri velikim brzinama optereivanja moe napon teenja porasti i do 100%, a zatezna vrstoa do 50% uz odgovarajue umanjivanje vrijednosti za izduenje i suenje. Radi dobijanja tanijih rezultata ispitivanja zatezanjem standard DIN 50146 propisuje da najvea doputena brzina deformisanja iznad napona teenja bude O,4%/s. Konvencionalni napon teenja RpO,2 i gornji napon teenja ReH su vrlo vana svojstva otpornosti materijala, jer se upravo na njima i zateznoj vrstoi Rm temelje prorauni otpornosti i dimenzionisanje konstrukcija u mainstvu.

g.) M zatezna vrstoa

Zatezna vrstoa Rm ( Rm ) ili m se odreuje preko relacije ;

0

mm

FRS

=

Na konvencionalnom dijagramu - prestaljena je povrina od taaka D do M (slika 2.14.)i to je podruje jednolike deformacije (ili ojaavanja) . Naprezanje koje odgovara maksimalnoj sili u taki M uslovno se naziva zateznom vrstoom Rm, koja je fundamentalno svojstvo materijala i koju koriste inenjeri prilikom prorauna mainskih elemenata i konstrukcija. Nakon dostizanja toke M prelazi se u podruje kontrakcije (ili lokalizirane) deformacije epruvete (suenja) i na jednom mjestu nastaje tzv. Vrat s vieosnim stanjem naprezanja, te se epruveta ubrzo kida u taki K;

h.) K konano ili prekidno naprezanje

0

kk

FRS

=

Konano ili prekidno naprezanje nema veliko tehniko znaenje kao prethodna naprezanja ReH, RpO,2, ili Rm, izuzev kod tzv. Stvarnih dijagrama -. Sva naprezanja se kod konvencionalnog dijagrama izraunavaju dogovorno svoenjem postignutih sila pri optereivanju na poetni popreni presjek So. Meutim, u stvarnosti se s porastom optereenja i produenjem epruvete vri i postepeno smanjivanje poprenog presjeka (naroito u podruju iznad napona teenja sve do loma), pa konvencionalni dijagram ne daje toliko tane rezultate, iz tog razloga se pribjegava stvarnom dijagramu naprezanja.

i.) Stvarno naprezanje i stvarna deformacija

Iz dijagrama ,koji je stvarno naprezanje te dato jedinino izduenje isprekidanom linijom na slici 2.14. poevi od take D, a dobije se tako da se svaka ordinata dijagrama kidanja (zatezna sila) dijeli sa stvarnom povrinom poprenog presjeka epruvete (to znai da se moraju u toku ispitivanja mjeriti promjene poetnih dimenzija epruvete do ili ao i bo). Stvarno naprezanje se moe odrediti preko relacije;

stvstv

FRS

=

U intervalu plastine deformacije vrijedi:

Vo = V, te je So Lo = S L, gdje je S stvarni presjek, mm

0

0 0 0 0 0

1stv k k kL LF F L L LR

S S L L L L

+ = = = = = +

te je:

( )1s tv kR = + ; gdje je: k - konvencionalno naprezanje , Iz stvarnog dijagrama je vidljivo da se pri ispitivanju epruveta poveava naprezanje s deformacijom sve do loma. Stalnu promjenu dimenzija epruvete uzima u obzir stvarna deformacija pri

zateznom optereivanju. Zato je stvarna linearna deformacija jednaka:

0 0

ln ln(1 )L

stvL

dL LL L

= = = +

Izmeu stvarnog dijagrama (naprezanje deformacija) i konvencionalnog (tehnikog ili ininjerskog) dijagrama, razlike zavise od svojstava plastinosti materijala.

Materijali koji su ilaviji imaju velike deformabilnosti i znatnu razliku izmeu zatezne vrstoe i stvarnog naprezanja, krti materijali imaju vrlo malu razliku.

j.) Doputeno naprezanje i koeficijent sigurnosti

Prilikom ispitivanja zatezanjem materijala odreuje se niz vanih svojstava otpornosti i deformabilnosti, ije se vrijednosti obino nalaze u tabelama raznih prirunika. Ova svojstva su nuna za proraune pri dimenzionisanju konstrukcija i maina. Svojstava materijala, odnosno njihove stvarne vrijednosti, dobijene ispitivanjima mogu se znatno razlikovati od podataka u prirunicima i zato im treba uvijek davati prioritetnu vanost. Duktilni materijali moraju imati stvarno naprezanje manje od napona teenja, a kod krtih materijala znatno manje od vrstoe. S obzirom da je vrlo teko odrediti optereenje konstrukcije treba smatrati da je proraunsko naprezanje samo procjena stvarnog naprezanja . Da ne bi dolo do loma stvarno naprezanje u konstrukciji mora biti manje od vrstoe materijala . S obzirom da je vrlo teko odrediti optereenje konstrukcije treba smatrati da je proraunsko naprezanje samo procjena stvarnog naprezanja. Konstruktori moraju zato osigurati da najvee proraunsko naprezanje bude manje od doputenog naprezanja:

a) duktilni materijali

( )0,2 ;eH p eudop dopR iliR R = =b) krti materijali

( ); mu momdop dop R iliRR = =

gdje je : - koeficijent sigurnosti, najee je 1,5 2,5, a moe biti i > 10;dop doputeno naprezanje;dop doputeno tangencijalno naprezanje;Reu granica uvijanja;

Rmu uvojna vrstoa;Rmo smina vrstoa. Vrijednosti koeficijenta sigurnosti za elike kod nekih evropskih drava

iznose:- Njemaka i Engleska, duktilni materijali =1,5

- Francuska, krti materijali =3,0

- Engleska, krti materijali =2,35

- vicarska (kuglasti spremnici, Rm) =2,7

esto se za doputena naprezanja koriste i slijedee korelacije:

,

2 33 4dop eH

ili R = 1 12 3dop m

ili R = Vidljivo je da iz ovih, podataka slijedi da doputena naprezanja moraju biti

manja od konvencionalnog napona teenja (Rp 0,01), tj. u podruju elastine deformacije.

k.) Stepen iskoritenja zatezne vrstoe Stepen iskoritenja zatezne vrstoe se odreuje preko konvencionalnog napon teenja RpO,2 ili gornjeg napona teenja i zatezne vrstoe Rm ,a koristi se esto kao dopunska mjera zatite konstrukcionih dijelova od loma.

( )0,2eH pm

m

R iliRR

=

Njegove vrijednosti uglavnom zavise od stanja isporuke materijala. Obino se uzima da su slijedee granice za m :

- liveno stanje 0,4 do 0,5

- vrue valjano 0,5 do 0,6

- termiki obraeno 0,7 do 0,9.

Kod poboljanih elika obini se uzima optimalna kombinacija, tj. ide se na to vii stepen iskoritenja zatezne vrstoe (npr. =0,9) i na garanciju minimalne potrebne ilavosti materijala kroz propisanu vrijednost izduenja (npr. A5 15%);

l . Svojstva deformabilnosti

Veoma znaajne karakteristike deformabilnosti materijala pri ispitivanju zatezanjem epruveta mogu se odreditii slijedea svojstva: ukupno izduenje (A5 ili A10, odnosno A11,3) i ukupno suenje (Z5 ili ZlO.

Podvrgavanjem epruvete mjerne duine Lo dejstvu zatezne sile, epruveta e se izduiti na novu duinu Lt pa e razlika izmeu rastojanja mjernih taaka u bilo kom trenutku ispitivanja i prvobitne mjeme duine L=Lt-Lo predstavljati prirataj duine i trenutno izduenje. Trenutno izduenje svedeno na prvobitnu mjemu duinu, predstavlja jedinino izduenje

0

0 0

tL L LL L

= =

Izduenje pri prekidu je razlika izmeu mjerne duine prekinute epruvete Lu i prvobitne mjeme duine Lo svedeno na prvobitnu mjernu duinu i zove se izduenje, a izraava se u procentima. Vrijednosti izduenja ovise od poloaja prekida epruvete.

0

0

100,%uL LAL

=

Prekid koji je nastao na sredini epruvete daje najpouzdanije vrijednosti. Automatskim mjerenjem izduenja nisu potrebne mjerne take na epruveti i izmjereno izduenje je ukupno izduenje, te se za odreivanje procentualnog izduenja oduzima elastino izduenje, osim ako i to nije odreeno automatski. Razlika izmeu prvobitne povrine poprenog presjeka So i povrine poprenog presjeka u bilo kom trenutku ispitivanja Sk svedena na prvobitnu povrinu poprenog presjeka prestavlja procentualno suenje povrine poprenog presjeka epruvete je. Procentualno suenje povrine presjeka pri prekidu izraunava se prema izrazu:

0

0

100%uS SZS

=

gdje je; So prvobitna veliina poprenog presjeka dok je, Su povrina najmanjeg poprenog presjeka na mjestu prekida. Za epruvete krunog poprenog presjeka mjeri se prenik na najuem dijelu paralelne duine (Lo) u dva, meusobno normalna pravca. Iz aritmetike srednje vrijednosti izmjerenih prenika izraunava se najmanja povrina poprenog presjeka epruvete poslije prekida (Su),

Tani opisi odreivanja izduenja mogu se nai u standardu (ISO 6892, BAS EN 10002-l/01.

Ispitivanja zatezanjem vre se po pravilu na sobnoj temperaturi, pod emu je raspon temperatura izmeu 10 i 35 C. Ukoliko se trae kontrolisani uslovi ispitivanja, npr. za ispitivanja relaksacijom ili udarne radnje loma, onda se prvenstveno misli na temperaturu od 23 5 C. Izgled pokidanih epruveta od duktilnog elika (a) i od krtog elika (b) dat je na slici 2.16.

Slika 2.16. Pokidane epruvete sa glavama, sa navojima izraene od ; a) duktilnog elika , b) - krtog elika

m.) Teoretska i stvarna vrstoa

Pod teoretska vrstoa materijala podrazumijeva se vrstou atomskih veza tj. meumolekularnih veza, odnosno vrstou idealnog materijala bez greaka kristalne reetke, kao to su dislokacije, greke slaganja itd. Otkrivanjem elektronskog mikroskopa dokazano je prisustvo dislokacija u materijalima.Teoretska smicajna vrstoa razdvajanja dvaju susjednih atomskih ravni metala moe se priblino izraziti prema jednaini:

r 2teorG b

dpi

, gdje je:

b Burgersov vector2, d razmak atomskih ravni, G modul smicanja.

2

Usvojanjem da je b = d, tada gornja jednaina dobija oblik:

r 2teorGpi

= , odnosno za eljezo r teor Fe =

81000 129002 3,14

=

[Mpa].

Zatezna vrstoa ug1jinog vrue valjanog elika s 0,2 %C iznosi cca 410 [Mpa], a odgovarajua smicajna cca 310 [Mpa]. Odavde slijedi da je teoretska smicajna vrstoa vea od realne za ovaj elik priblino:

12900 41,6310

puta=

Tanije teoretske procjene uzimaju za metalne monokristale zavisnost naprezanja od rastojanja atoma izraenu preko periodine funkcije, odnosno:

teor.30

=rG

, za kristale eljeza slijedi da je [ ]MParteor 27003081000

== ,

a za kristale aluminija ; [ ]MParteor 9003027000

==

Razliitim nainima ispitivanja se moraju ispitivati realni materijali.Realne materijale je nemogue obuhvatiti proraunom, jer imaju mnogo nepravilnosti, te se zato njihova mehanika svojstva moraju utvrivati pokusima.

n. Odreivanje sposobnosti deformacije

Deformirane epruvete ispitivanjem mogu se prikazati kao na slikama 2.17. i 2.18. Odreivanje izduenja l;Izduenje predstavlja razliku izmeu mjerne duine epruvete poslije loma i njene poetne mjerne duine.I odreuje se prema sledeem obrascu:

Slika 2.17. Deformacije na epruvetama

a) Poetna duina epruvete l0 b) Duina epruvete poslije kidanja lk

Slika 2.18. Mjerenje epruvete

Odreivanje relativnog izduenja A;

Relativno izduenje predstavlja kolinik izmeu izduenja epruvete i njene poetne mjerne duine izraen u procentima ,a vidi se na slici 2.19.

A11,3 za duge epruvete A5,65 za kratke epruvete

Relativno izduenje za duge epruvete rauna se prema sledeem obrascu:

Slika 2.19. Korekcija duine epruveteIspisati tampanim slovima dijagram - kote

Odreivanje suenja (kontrakcije) Z;

Suenje predstavlja procentualno smanjenje povrine preseka epruvete na mestu prekida:

Z11,3 za duge epruvete

Z5,65 za kratke epruvete

Pri emu je ; - poetna povrina poprenog presjeka epruvete,

- povrina poprenog presjeka epruvete na mjestu prekida

- srednji prenik epruvete na mjestu prekida .

Slika 2.20. Prikaz prenika epruvete i njegovo mjerenje

2.2.6. Ispitvanje pritiskom Postupak koji je po nainu izvoenja slian postupku ispitivanja

zatezanjem je ispitivanje pritiskom, jer sila djeluje takoer aksijalno, samo u suprotnom smjeru. Analogne pojave pri zatezanju javljaju se i kod pritiska kao to su deformacije tj : izduenju odgovara skraenje, a suenju proirenje.

Epruvete su oblika valjka s promjerom do=l0 do 30 mm i poetnom visinom ho=l do 3do za metalne materijale ili oblika kocke za graevinske materijale (npr. Za beton).

Tabela 2.3. Vrijednosti napona teenja , zatezne vrstoe i izduenja na temperaturama do 200 C

Metal/Legura Napon teenja

Re[N/mm2]

Zatezna vrstoa,

Rm[N/mm2]

Izduenje,

A5,65 [%]

Alminijum

Leguer aluminijuma

Bakar

Legure bakra

Livena gvoa

elici

Magnezijum

Legure magnezijuma

Nikal

Legure nikla

Titan

Legure titana

35

35-550

70

76-1100

40-200

205-1725

90-105

130-305

58

105-1200

105-1200

344-1380

550-690

90

90-600

220

140-1310

185-285

415-1750

160-195

240-380

320

345-1450

345-1450

415-1450

620-760

45

4-45

45

3-65

3-60

2-65

3-15

5-21

30

5-60

5-60

7-25

0

Nemetali

Keramika

Staklo

Staklena vlakna

Grafitna vlakna

Termoplastika

Termoreaktivi

140-260

140

3500-4500

2100-2500

7-80

35-170

0

0

0

0

5-1000

0

Epruvete su oblika valjka s promjerom do=l0 do 30 mm i poetnom visinom ho=l do 3do za metalne materijale ili oblika kocke za graevinske materijale (npr. Za beton).

Kod alata dodirne (nalijegajue) povrine epruveta moraju biti paralelne i fino obraene. Obino gornja ploa ima loptasti zglob zbog jednakog prenoenja pritiska.Odreivanje svojstava otpornosti pri ispitivanju pritiskom vri se iskljuivo na krtim materijalima, koji se lome ili pucaju ( npr. Sivi liv, legure itd ).

Izgled epruvete od sivog liva za ispitivanje pritiskom nakon eksperimenta i dijagram pritisno naprezanje jedinino skraenje za dva metalna materijala, prikazan je na slici 2.21.,

Slika 2.21. Epruveta od sivog liva a.) za ispitivanje pritiskom nakon eksperimenta i(b) dijagram naprezanje skraenje pri pritisku(b)

Ispisati tampanim slovima dijagram

Ispitivanja pritiskom ima svoje specifinosti, a one su:

Nakon prijelaza iz elastine u plastinu deformaciju, krti materijali pucaju brzo time se odreuje pritisna vrstoa Rmt,

Kod ilavih metalnih materijala koji se ne kidaju pri sabijanju epruveta se sabija na polovinu ili treinu poetne visine, nakon ega se poslije vizuelnog pregleda utvruje da li deformabilnost zadovoljava ili ne zadovoljava.

Kod ilavih metalnih materijala takvo ispitivanjeu stvari je tehnoloko.U sluaju potrebe od svojstava otpornosti mogu se odreivati: granice pritiska Ret, konvencionalna granica pritiska Ret0,2, tehnika granica elastinosti pritiska Rpt0,01 i sl.3

od odnosa poetnih dimenzija epruvete ho/do zavisi mnogo otpornost materijala sabijanju i deformacija u toku ispitivanja i zato se mogu uporeivati samo rezultati ispitivanja dobijeni s istim poetnim dimenzijama epruveta (slika 2.22. a). Razliiti tipovi pucanja epruvete pri pritisku dati su na slici 2.22. b.

Kod ispitivanja pritiskom na rezultate posebno mnogo utjee i trenje koje se javlja na elima epruvete. Ono prouzrokuje ispupenje epruveta na platu. Sile trenja na elima zadravaju slojeve uz ela, te se epruvete najvie proiruju u srednjem visinskom pojasu. Prije ispitivanja epruvete, utjecaj trenja se smanjuje podmazivanjem ela epruvete ili poveanjem poetne visine epruvete ili upotrebom koninih ploha na elima epruvete s nagibom koji odgovara uglu trenja (kod elika oko

3 Prema literaturi Ret se naziva i granica teenja ( rT ) a Ret0,2 granica 0,2%. Prema standardu BAS EN 24506/01 koji se odnosi na ispitivanje pritisne vrstoe za tvrde materijale, oznaka Ret0,2 ima simbol RC0,2 i predstavlja 0,2 napon teenja, pritisna vrstoa Rmt prema istom standardu ima oznaku Rcm i oznaava pritisnu vrstou nakon 1oma.Prema EN 1561/97 koji se odnosi na ispitivanje sivog liva sve oznake za pritisnu i savojnu vrstou u osnovi imaju raniji simbol umjesto R (naprezanje).

Slika 2.22. Dijagram F- L (a) za razliite vrijednosti odnosa ho/do (a) i (b) razliiti tipovi pucanja epruveta pri pritisku

Epruveta 1- je tip pucanja koji se dogaa po smjerovima dvaju suprotnih kupa, odlika je ilavog metala, tip 2-K po dijagonali epruvete, odlika je krtog metala, dok je tip 3-KP u vie lomova po visini epruvete, odlika je podmazanog krtog metala.

Kod ispitivanju pritiskom iz dijagrama slika 2.22. za niskougljenini elik vidi se da krivulja u poetnom dijelu ima pravolinijski tok kao i kod ispitivanja zatezanjem gotovo do granice pritiska (ili granice gnjeenja) Ret ili konvencionalne granice pritiska Ret0,2, koje se izraunavaju po jednainama:

0

etet

FRS

=

0,2

0,20

etet

FR

S=

Otpornost ilavih materijala, se definie na lom s ovim veliinama kod ispitivanja pritiskom, jer se pritisna vrstoa moe odrediti samo kod krtih materijala:

0

mtmt

FRS

=

Precizni ekstenzometri trebaju za odreivanje konvencionalne granice pritiska Ret0,2 ili tehnike granice elastinosti pritiska Rpt0,01 ,kao i kod ispitivanja zatezanjem ili kompjuterizovane maine.Prilikom nastavljanja pritiskivanja, raste naprezanje uz jednovremenu znatnu deformaciju (spljotavanje) epruvete bez pucanja. Pri tome poslije jednog pregiba krivulja se penje strmo sve dok se ne dostigne maksimalno optereenje maina, jer raste i otpornost deformaciji. Epruveta se jako deformie i mogu nastati radijalne pukotine uslijed tangencijalnih naprezanja (tehnoloko ispitivanje). Iz zavrnog toka dijagrama sabijanja niskougljeninog elika vidi se da su stvarna naprezanja manja od konvencionalnih, jer je povrina presjeka epruvete poslije ispitivanja znatno vea od poetne povrine. Svojstvo deformabilnosti pri ispitivanju pritiskom su skraenje t, odnosno konano skraenje i konano proirenje epruvete:

0

0

ut

h hh

=

Pritisna vrstoa za tipini krti materijal sivi liv znatno je vea od njegove zatezne vrstoe zbog koncentracije naprezanja na krajevima grafitnih lamela.

0

0

100%utS SZ

S

=

U tabeli 2.4.a. dati su podaci o vrijednostima osobina za nekoliko vrsta sivog liva.

Tabela 2.4.a Vrijednosti mehanikih svojstava za sivi ljev-liv

Oznaka vrste livova Vrijednosti mehanikih osobina

po

JUS C.J2.020

po

DIN 1691

Rm

min. [Mpa]

Rms

min. [Mpa]

Rmt E 103 HBS

preporuka

SL 10 GG-10 100 250 550 75-100 100-150

SL 20 GG-20 200 360 720 90-115 170-220

SL25 GG-25 250 420 850 105-120 80-240

SL 30 GG-30 300 480 1000 110-140 200-260

SL 40 GG-40 400 600 1300 125-155 230-300

gdje je: Rm zatezna vrstoa,Rms-vrstoa na savijanje, Rmt pritisna vrstoa iE 103 modul elastinosti, sve karakteristike su u [Mpa]; HBS-Brinell-ova tvrdoa (ispitivanje elinom kuglicom).4 (vie o Brinellovoj

metodi ispitivanja u nastavku teksta).Uobiajene korelacijske formule za sivi liv su (BAS ISO 185/00):Rmt = 3 do 6 RmRp0,2 = 0,8 do 0,9 RmHBS = RH (100+0,438 Rm) za Rm 196 MpaHBS = RH (44+0,724 Rm) za Rm < 196 Mpa gdje je: RH relativna tvrdoa (0,8 do 1 ,2}5. Standard za ispitivanje pritiskom ili pritiskivanjem (metode i postupak)

preuzet je u BiH od EN normi samo za sinterovane materijale osim tvrdih metala (BAS EN 24506/01), te je esto u upotrebi DIN 50106/78.

2.2.6.1 Maine za ispitivanje Prese ili univerzalne maine

Postrojenja koja slue za ispitvanje materijala na pritisak odnosno sabijanje isti su kao i oni za ispitivanja na zatezanje. S tom razlikom da se u ovom sluaju izvrni elementi maine kreu jedan prema drugom kako bi se ostvario efekat pritiskivanja,to je kod istezanja obrnuti sluaj kao na slikama 2.23. i 2.24.

4 Zatezna vrstoa M, za pritisnu vrstou pM, te za savojnu vrstou za sivi 1iv SM ovo su ranije oznake prema IUS C.A4.014. Oznake Rms, Rmt uzete su prema literaturi , a preuzeti standardi su BAS ISO 3325/AMD1 za ispitivanje savojne 1omne vrstoe za sinterovane meta1e bez tvrdih metala a pritisne vrstoe samo za tvrde metale BAS EN 24506/01.

5 U standardu BAS ISO 185/00 date su jednaine za izraunavanje RH. ovisno od Rm i RH (od 0,8 do 1,2) u istom standardu date su vrijednosti za Brinellovu tvrdou.

Slika 2.23 Ureaji za ispitivanje pritiskom

Slika 2.24. Princip ispitivanja i pritisne ploe

2.2.6.2. Razliiti oblici loma epruveta

Lom epruveta nastupa uglavnom samo kod krutih materijala, i to pod uslovom da su dovoljno velika smiua naprezanja preko cijelog presjeka epruvete, najee pod uglom od 45. Na slici 2.25. prikazuje se lom i vrste epruveta za razliite namjene kod ispitivanja na pritisak :

Lom kod epruveta izraenih od ;

a) rastezljivog materijala, b) slabo rastezljivog materijala i c) drobljenje, kod krtih materijala

Epruvete za odreivanje pritisne vrstoe

Epruvete za odreivanje tehnike granice velikog skraenja i granice elastinosti

Epruvete za specijalna ispitivanjaSlika 2.25. Razliiti oblici loma epruveta i epruvete za razliite namjene Nacrtati bolje

slike namjene

Pukotine koje nastaju kod rastezljivih materijala nastaju na rubovima i rijetko dolazi do loma. Znaajno je pomenuti da presjek moe rasti skoro neogranieno s odgovarajuim rastom sile. Prekidna vrstoa se moe definirati kao naprezanja kod kojeg je vidljiva prva pukotina u uzorku, iako smanjenje sile nije uoljivo.

2.2.7. Ispitivanje savijanjem

Ovo ispitivanje se upotrebljava za odreivanje vrstoe na savijanje i sposobnosti deformacije materijala niske rastezljivosti. Ovaj postupak ispitivanje materijala na savijanje mogue je izvesti na univerzalnim kidalicama [pri sobnoj temperaturi (20 0C)] i od velike je znaajnosti iz razloga to je veliki dio mainskih elemenata izloen ovim naprezanjima ili sloenim naprezanjima u kojima prevladava savijanje. Epruvete mogu imati pravougli, kvadratni ili kruni popreni presjek, a pored ovih ispituju se i razni profili. Debljina epruvete h nije vea od 30 mm. irina pravokutnih epruveta w iznosi od 25 do 50 mm. Preporuuje se duljina epruvete l = 5a + 150 mm. Promjer valjka se odreuje zavisno od materijala koji se ispituje, a propisan je standardima.

Test na savijanjen najee se provodi optereivanjem u tri take (slika 2.26.), pri emu sila djeluje na polovini raspona izmeu oslonaca epruvete. Krti materijali se lome pri relativno malim uglovima savijanja, a pored sile se mjeri i deformacija preko veliine ugiba.

Slika 2.26. Test savijanja (fali kota- bokocrtna)

elici, koji su ilavi materijali obino se ne lome pri savijanju, kod njih se obino odreuje naprezanje pri kojem nastaju trajne deformacije. Ispitivanje savijanjem ilavih metalnih materijala, provodi se znatno ee kao tehnoloko ispitivanje, radi utvrivanja njegove sposobnosti deformisanja, a ocjenjuje se opisno na temelju propisanog ugla savijanja (obino 180 za obine konstrukcione elike, 140 za zavarene spojeve i sl).

Provjeriti uglove

Na slici 2.27. data je shema ispitivanja savijanjem (a) i izgled dijagrama moment savijanja ugib za ilave materijale (b).

Slika 2.27. Shema ispitivanja savijanjem (a) i dijagram savijanja, Ms-ugib (b)crtee ispisati tampanim slovima

Ranija oznaka za zateznu vrstou prema IUS C.A4.014. M, za pritisnu vrstou pM, te za savojnu vrstou za sivi 1iv SM.Oznake Rms, Rmt preuzete su iz standarda BAS ISO 3325/AMD1 za ispitivanje savojne 1omne vrstoe za sinterovane meta1e bez tvrdih metala a pritisne vrstoe samo za tvrde metale BAS EN 24506/01.

Epruvete za ispitivanje savijanjem iz sivog liva se izrauju s razliitim promjerima (13, 20, 30 ili 45 mm) iz uzoraka izlivenih odvojeno od odlivaka zavisno o mjerodavnoj debljini zida (JUS C.A4.012 i). Raspon izmeu oslonaca iznosi Ls=20 d, tako da duina epruvete iznosi Ls+( 40 do 50) mm. Dimenzije dijelova ureaja za ispitivanje savijanjem zavise od prenika epruvete i propisane su u navedenom standardu. Ispitivane epruvete su u neobraenom stanju, a odreuju se:

- vrstoa na savijanje, Rms- ugib pri prijelomu, fu. Mm- krutost, KE i- faktor savijanja, Ks vrstoa na savijanje (naprezanje na savijanje) izraunava se kao omjer maksimalnog momenta savijanja Ms, utvrenog pri lomu epruvete, i otpornog momenta presjeka W:

Rms , dok je SMS

MW

= =

4ms s

sF LM =

MS Maksimalni moment savijanja [Nm, Nmm]

Napon na savijanje (vrstoa savijanja) [Mpa]W Otporni moment savijanja (zavisi od poprenog presjeka epruvete) [mm3]Ako je epruveta, krunog poprenog presjeka vrijedi da je otporni moment:

[ ]33

32mmdW pi=

pa je vrstoa savijanja:

10008

3msmsms

MSFc

dLF

=

=

pi

; gdje je:

3

8 1000sLcdpi

=

konstanta zavisna od prenika epruvete

Najvei ugib pri ispitivanju izraen u [mm] predstavljen je kao fu. On se mjeri se jednostavnim komparatorskim ili slinim ureajem oslonjenim na epruvetu tokom ispitivanja. Ispitivanje materijala savijanjem,(kod ilavih materijala) koji se ne lome, odreuje se konvencionalna (ili tehnika), granica savijanja Res0,2 na temelju uslovno usvojene trajne deformacije od 0,2%. Dopunski pokazatelj pri savijanju je krutost KE:

[ ]MPad

fK

u

MSE 30

=

Dopunski pokazatelj svojstava materijala pri savijanju je faktor savijanja:

MMS

SK

=

Vrijednost faktora savijanja, za sivi liv (SL) , KS=2 . Kao mjera deformacije pri savijanju moe se izraunati i savitljivost (jedinini ugib) pored ugiba prema slici 2.27.:

[ ]%100S

uS L

fy =

Izgled tri temeljna tipa dijagrama moment savijanja ugib dat je na slici 2.28..

MS

Slika 2.28. Dijagrami momenata savijanja kod pojave ugibaa) ilavi materijali, b) Krti materijali c) Materijali sa mjeovitim prijelomomIspisati tampanim slovima dijagram

Kod ispitivanja materijala savijanjem gornji slojevi epruvete su optereeni na pritisak, a donji na zatezanje. Unutar podruja elastine deformacije, je linearna promjena naprezanja po presjeku, a nije linearna iznad granice elastinosti materijala. Ako materijal nema ista svojstva naprezanje -deformacija za zatezanje i pritisak, onda se neutralna os mora premjestiti ka kruoj strani epruvete da bi se uspostavila ravnotea rezultante sila zatezanja i pritiska. Teoretski gledano pri savijanju mogu nastati nejednolika naprezanja od jednoosnog zatezanja do jednoosnog pritiska, o emu treba voditi rauna jer su mainski dijelovi esto optereeni na savijanje. Savijanje spada u grupu obrade metala plastinom deformacijom pri kojoj se vri lokalna deformacija i putem koje se oblikuju razliiti profili. U ovom procesu deformacija se vri uglavnom u tzv. Zoni savijanja, gdje estice metala mijenjaju meusobna rastojanja, mada ponekad zona savijanja moe obuhvatiti cijeli obradak, kao to je sluaj kod krunog savijanja. Primjena savijanja je veoma iroka, bilo da se putem ove metode obrade dobija definitivni oblik obradka, ili da se savijanje koristi u kombinaciji sa nekim drugim operacijama, to je ei sluaj. Tehnoloka metoda obrade deformisanjem se razlikuje od ostalih i po tome to se moe koristiti u velikoserijskoj i masovnoj proizvodnji dijelova, ali i u maloserijskoj, pa ak i pojedinanoj proizvodnji, zbog relativno jednostavnih alata, a ponekad specijalni alati nisu uopte potrebni (savijanje valjcima), odnosno mogu se koristiti univerzalni alati (profilno savijanje limova) i sl..

Naponsko deformacioni odnosi pri savijanju znaajno se mogu ukratko sagledati objanjavanjem deformacija na mjestu savijanja i promjena poloaja neutralne ose, kao poloaja neutralne linije.

Kod savijanja unutranja povrina metala postaje udubljena, a spoljanja ispupena. Usljed velike deformacije, slojevi metala na ispupenoj strani lima su zategnuti, a na udubljenoj sabijeni. Slojevi metala sa naponima na istezanja i na pritisak razdvojeni su linijom u kojoj su normalni naponi jednaki nuli i koja se naziva neutralnom linijom.

Slika 2.29. Duina neutralne linije Ispisati tampanim slovima dijagram

Duina neutralne linije prema slici 2.29. jednaka je polaznoj duini polufabrikata a njen radijus n nalazi se po formuli:

( ) ststn KKs5,0r +=gdje je:r radijus savijanja,s debljina lima na poetku oblikovanja,

ssK 1st = - bezdimenzioni koeficijent stanjenja.

Slika2. 30. Deformacija na mjestu savijanja i promjena poloaja neutralne ose Ispisati tampanim slovima dijagram

Na spoljnoj strani nastaju izduenja vlakana i smanjenje irine b na b1 dok su sabijanja na unutranjoj strani uslovila poveanje irine b na b2. Neutralna osa je pomjerena iz srednjeg poloaja prema unutranjosti to se vidi iz deformacija na mjestu savijanja i promjena poloaja neutralne ose prema slici slici 2.30.

Poluprenik savijanja ;

rRn =

Gdje je on znatno povean. Meutim, vlakno koje nije pretrpjelo deformaciju ne poklapa se sa neutralnim naponskim vlaknom. Poluprenik krivine neutralnog vlakna deformacije se oznaava sa d . Ova veliina je vana za odreivanje duine elementa.

2.2.8. Ispitivanje uvijanjem

Postupak ispitivanja uvijanjem vri se radi odreivanja vrstoe uvijanja i nema veliku primjenu. Ovo ispitivanje je vano za materijale koji se koriste za izradu mainskih dijelova izloenih uvojnim (ili torzionim) optereenjima, kao to su vratila, cijevi i drugi elementi za prenos krunih sila i slino. Znatno veu primjenu ima kao tehnoloko ispitivanje za icu i sline konstrukcione elemente.

max

Slika 2. 31. Shema ispitivanja uvijanjem

a.)Naprezanje epruvete, b) Deformacije pri uvijanju, c) Dijagrami uvijanja (upisati tampana slova na slici )

Bitna karakteristika za ispitivanje uvijanjem je to to epruveta tokom ispitivanja zadrava poetni popreni presjek, te je olakano praenje promjene deformacije. Usljed dejstva sprega sila, ovdje ne nastaje

lokalizacija deformacije epruvete, a svaki popreni presjek pomjeren je za drugi presjek za kut zakreta slika 2.31.b.

Kod ispitivanja uvijanjem okrugle epruvete jedan kraj je uvren u eljust maina, a na drugi djeluje spreg sila slika 2.31.a., koji stvara moment uvijanja. Naprezanje uvijanja se prenosi jednako po duini epruvete, a nejednoliko po njenom presjeku. Najvee tangencijalno naprezanje je na povrini epruvete, gdje djeluje moment uvijanja, i ono se jednako umanjuje do nule prema sredinjoj osi epruvete (slika2.31.a dijagram).

Tangencijalno naprezanje kod uvijanja jednako je:

u

up

MW

= , gdje je: Mu moment uvijanja, [J] ili [Nmm], a

Wp polarni otporni moment, [mm3]. Za kruini presjek je : 3

16pdW pi=

Odgovarajue naprezanje uvijanja se izraunava po : 316

pi

=u

uMd

Deformacija povrinskog vlakna okrugle epruvete AB (slika 2.31.b.) dobija helikoidalni oblik s malim uglom zakreta izmeu dvije promatrane ravni razmaku L. U oblasti elastinih deformacija se ugao zakreta , izraen u stepenima, izraunava po:

2

/2L L

d d = = ; a tangencijalno naprezanje je

proporcionalno deformaciji preko modula smicanja G:

, =u G 432pi

=uM Lgdje je G

d

Modul smicanja G i modul elastinosti E ne zavise od hemijskog sastava legura i stanja termike obrade, a povezani su poznatom korelacijom preko Poissonova faktora:

( )2 1EG

=

+

Dijagram pri ispitivanju uvijanjem (slika 2.31.c.) pokazuje tri karakteristine take i to:

1. granicu proporcionalnosti Reup = 316 eupM

dpi,

2. konvencionalnu granicu uvijanja Reu0,4= 0,4316 euM

dpi,

3. uvojnu vrstou.6 Rmu = 316 uM

dpi.

Konvencionalna ili tehnika granica uvijanja se odreuje pri trajno deformaciji od 0,4% prema opisanom principu kod ispitivanja zatezanjem, koja je kod uvijanja dva puta vea, jer su deformacije znatno manje.

Maine za ispitivanje uvijanjem jednostavne su izvedbe konstruiu se s vertikalnom ili horizontalnom izvedbom, a to su zapravo maine sa dvije eljusti u koje se postavlja epruveta eljenog materijala koje se okreu u suprotnim smjerovima.

Na (slici 2.32.) dat je izgled okrugle epruvete promjera 10 mm sa duinom (L=10 d) poslije ispitivanja iz jednog niskolegiranog elika za poboljavanje.

Slika 2.32. Epruveta poslije ispitivanja uvijanjem

2.2.9. Ispitivanje smicanjem

Odreivanje smine vrstoe materijala, koji su u upotrebi,a izloeni su smiuim naprezanjima (vijci, matice, prosijecanje limova itd.), vri se metodom(postupkom) sminog ispitivanja . Smino naprezanje se javlja kao rezultat istovremenog djelovanja dvaju suprotnih sila (zatezanja i pritiska) na malom razmaku. Po standardu DIN 50141, vri se ispitivanje na viljukastom ureaju na kojem se u ahuru epruveta postavlja horizontalno, a na koju se djeluje noem. Ureaj se sastoji iz alata za sjeenje (no) po dva presjeka i ahura slika 2.33.c sa to manjim zazorom. Za ispitivanje se koriste univerzalne kidalice, a samo smicanje epruvete (promjera obino 5 mm) vri se pomou zatezanja ili pritiska.Na slici 2.33. data je shema ispitivanja smicanjem (ili odrezom).Smina vrstoa se odreuje po jednadbi za sluajeve sa slike 2.33.:

a) momoo

FRS

= , Mpa ; odreivanje smine vrstoe za jedan presjek

6Rmu - oznaka za uvojnu vrstou

b) 2mo

moo

FRS

= , Mpa ; odreivanje smine vrstoe za dva presjeka

gdje je: Fmo maksimalna smicajna sila, NSo povrina poprenog presjeka, mm2

Izmeu smine, i zatezne vrstoe postoje uzajamne veze, pa moemo napisati da je :

a) za meki elik Rmo=(0,75 do 0,8) . Rm

b) za sivi liv Rmo=(1,O do 1,1) . RmKod standardnog ispitivanja smicanjem (po dva presjeka) vide na

povrinama prijeloma tragovi deformacija od savijanja i smicanja kod ilavih materijala, dok se kod krtih ne vide.

Kod ispitivanja smicanjem ne moe se ostvariti isti smik ili odrez zbog pojave momenta savijanja, koji prouzrokuje naprezanja vea od vrijednosti vrstoe materijala.

Osim toga na rezultate ispitivanja utiu i dimenzije epruveta. Zbog toga smina vrstoa ima znaaj uglavnom, kod komparacije svojstava materijala.

Slika 2.33. Shema ispitivanja smicanjem a) smicanje po jednom presjeku, b) smicanje po dva presjeka,c) ureaj s epruvetom za ispitivanje smicanjem putem zatezanja Ispisati tampanim slovima dijagram

Kod limova se umjesto ispitivanja smicanjem vri ispitivanje probijanjem, a mogu se uporeivati samo rezultati dobijeni na istom ureaju. Probojna vrstoa je jednaka:

momoFRdSpi

= , Mpa

gdje su: d promjer iga za probijanje rupa, mm i S debljina lima, mm.

3. Statika dugotrajna ispitivanja

Vrijeme i temperatura ispitivanja su vrlo vani parametri kod statikih dugotrajnih ispitivanja materijala. Tokom ispitivanja su konstantni naprezanje i temperatura, a vremenske baze iznose obino:

45, 120, 1 000, 10 000, 25 000 30 000 ili 100 000 sati. U ovu grupu ispitivanja spadaju:

- ispitivanje puzanjem i- ispitivanje relaksacijom.

3.1. Ispitivanje puzanjem

Puzanje predstavlja postepenu i sporu deformacija materijala, koja nastaje uslijed dugotrajnog djelovanja konstantnog statikog optereenja pri povienoj temperaturi. Naprezanja koja dovode do ove pojave obino su neto manja od napona teenja materijala, a temperature puzanja su oko 40% temperature topljenja, te ona iznosi; Tp > 0,40 Tt , gdje je: Tt temperatura topljenja u [K].

Temperatura puzanja kod metala praktino je ravna temperaturi rekristalizacije. Iz navedenog slijedi da elici puu na temperaturama viim od +450 C, legure bakra na temperaturama viim od +270 C, a polimerni materijali ve na sobnim temperaturama.

Odluujue za ocjenu ponaanja, proraun dimenzija i za njegov izbor za datu namjenu u uslovima eksploatacije je upravo puzanje materijala. Puzanja s doputenim trajnim deformacijama obino od 0,1; 0,2; 0,5 ili 1 % i relaksacije, odnosno opadanja naprezanja, s vremenom su karakteristine za idealizirano visokoelastino vrsto tijelo. Zato su navedena granina izduenja glavni kriterij u toku trajanja mainskog dijela pri radu na povienim temperaturama. Kada se dostigne doputena granina deformacija, mora se mainski dio zamijeniti novim. Iz nabrojanih svojstava moe se konstatovati da je puzanje vrlo kompleksna pojava koja ukljuuje: vrijeme, temperaturu, naprezanje i deformaciju, te se njenom poznavanju i odreivanju potrebnih parametara mora posvetiti posebna panja.

3.1.1. Karakteristike dijagrama puzanja

Za ispitivanje puzanjem se koriste najee serija dugih proporcionalnih okruglih epruveta s navojnim glavama prenika 10 [mm] i s prstenastim zavrecima mjerne duine radi mjerenja trajne deformacije postignute poslije odreenog vremena pri konstantnim uslovima, slika 3.1.

Slika 3.1. Oblik i dimenzije epruvete za ispitivanje puzanjem na puzalicama firme Amsler Ispisati tampanim slovima dijagram

ematski izgled ureaja za ispitivanje puzanjem dat je na slici 3.2.a.)

b.)

Slika 3.2. a.) Opti izgled ureaja za ispitivanje puzanjem i b.) epruvete za ispitivanje puzanjem Ispisati tampanim slovima slike- dijagram

1. Elektrina mufolna pe (obino do 1000C),

2. Mehanizam za optereenjima utezima,

3. Ureaj za kontrolu temperature na gornjem, srednjem i donjem dijelu epruvete,

4. Ekstenzometri postavljeni na prstenaste zavretke mjerne duine epruvete,

5. Epruveta za ispitivanje puzanjem.

Proces puzanja ogleda se da se epruvete prvo postepeno ugriju

na propisanu temperaturu ispitivanja u mufolnoj pei, koja se odrava konstantnom tokom cijelog ispitivanja pomou posebnog automatskog regulatora, a zatim se optereti na zatezanje s konstantim naprezanjem. Mjerenje trajne deformacije izvodi se povremeno shodno propisima. Za sve standarde propisani su razliiti prenici epruveta.

Za svaku zadanu temperaturu ispitivanja koristi se obino 4 do 5 epruveta s razliitim optereenjima i za svaku od njih crta se kontinuirano dijagram puzanja s koordinatama deformacija-vrijeme. Ispitivanje puzanjem sa naprezanjem na zatezanje (postupak ispitivanja) provodi se po preuzetom standardu oznake BAS ISO 204/00.

Postupak ispitivanja puzanjem su dugotrajna od nekoliko dana (100 sati = 4,2 dana) do desetak godina (100 000 sati = 11,4 godine), o emu se mora voditi rauna pri postavljanju uslova na svojstva materijala.

Na slici 3.3. dat je izgled tipinog dijagrama puzanja. Dijagram ili krivulju puzanja karakteriziraju tri perioda procesa puzanja

Poetno ili primarno puzanje predstavlja prvi period puzanja. Dijagram u ovom periodu ne poinje iz ishodita ve iz take 1, kod koje po. Oznaava spontanu deformaciju koja nastaje u trenutku nanoenja optereenja. Od (take 1-2) znatnije raste puzanje sve dok se ne postigne konstantna brzina (I-stadij puzanja) , ali brzina puzanja opada (take 1'-2'). Deformacija je velika u poetku zbog nesreenosti kristalne reetke, a kasnije se smanjuje zbog ojaavanja materijala uslijed nagomilavanja dislokacija.

Pravac(take 2-3)je drugi period puzanja, je stacionarnog karaktera ili jednakomjerno puzanje prema dijagram ,s priblino konstantnim gradijentom puzanja, tj.:

.pV constt

= =

gdje je: Vp minimalna brzina puzanja (ili ).

.Slika 3. 3. Tipini dijagram puzanja ( t) fale take1,2,3, i ispisati tampanim slovima dijagram

Metal Temperatura ;Legure aluminijumaLegure TitanaNiskougljenini elicielik za rad na povienim temperaturamaSuper legure na bazi nikla i kobaltaTeko topljivi metali (wolfram,molibden

200325375550650

1000-1550

Tabela br. 2.4.b Priblina temperatura na kojoj nastaje puzenje nekih metala

U ovom periodu primjetno je da vlada ravnotea izmeu ojaavanja zbog nagomilavanja dislokacija i omekavanja zbog termikog aktiviranja dislokacija (sniavanje njihove gustoe). II-stadij traje znatno due nego I- i III-stadij. Materijal je otporniji prema puzanju to je manji gradijent puzanja, tj. to je manji nagib pravca (Vp0).

Nakon postizanja odreenog nivoa deformacija zapoinje trei period puzanja. U ovom periodu rastu ubrzano i deformacije (nema vie linearnosti izmeu izduenja i vremena) i brzina puzanja sve do loma (take 3-4, odnosno 3' -4'). U ovom stadiju dolazi do pojave lokalnog suenja poprenog presjeka na buduem mjestu loma uslijed trajnih promjena u materijalu tokom vremena na povienoj temperaturi. On nema znaenja za praksu i treba ga izbjegavati kod realnih konstrukcija.

Pri puzanju dolazi do interakcije procesa deformacionog ojaavanja i oporavljanja strukture, to ini odliku ponaanja materijala pri puzanju, a na viim temperaturama dolazi do procesa rekristalizacije i slabljenja materijala zbog lakeg kretanja dislokacija.

Sam proces puzanja zavisi kako od stanja naprezanja, tako i od temperature tokom ispitivanja ili upotrebe (slika 3.4.). Deformacija raste sa porastom naprezanja ali i temperatura se poveava, a smanjuje se u II-periodu (interval puzanja) u odnosu na prvi tj. Sporije raste i prije poinje III-period. Pri malim naprezanjima ili niskoj temperaturi mala je deformacija i vrlo velika duina II-perioda puzanja, a III-period se ne pojavljuje.

Slika 3. 4. Promjene dijagrama puzanja s variranjem temperature i naprezanjaSlova na dijagramu

3.1.2. Parametri procesa puzanja

Na mainske dijelove, koji si izloeni dugotrajnom statikom optereenju pri povienim temperaturama proces puzanja ima veliko znaenje, kao to su npr. Turbinske lopatice, dijelovi parnih kotlova i nuklearnih reaktora, cijevni elementi parovoda itd. Za odreivanje radnog vijeka parametara procesa poznavanje procesa puzanja izuzetno je znaajno, odnosno trajanja takvih dijelova u sloenim uslovima upotrebe.

Pored navedenog za proces puzanja vrlo su bitni difuzioni procesi u materijalu izazvani kako naprezanjem tako i temperaturom. Puzanje izaziva nastajanje velikog broja praznina u materijalu, koje tokom vremena okrupnjavaju u mikropukotine odnosno pukotine. U III-periodu puzanja znatno je naruena mikrostruktura materijala i deformabilnost, te dolazi do loma. Proces puzanja izazivaju razliiti oblici naprezanja: zatezno, pritisno, savojno ili uvojno, a parametri puzanja odreuju se najee pomou jednoosnog zateznog naprezanja. Strogo se vodi rauna o doputenim promjenama dimenzija, kod dimenzionisanja mainskih dijelova izloenih puzanju.

Minimalna brzina puzanja prestavlja najvaniji parametar procesa puzanja, tj. nagib u II-periodu puzanja (slika 3.3). Ukupna deformacija pri puzanju za jednoosno zatezno ili pritisno naprezanje, data je jednainom:

uk = po + pgdje je : p plastina deformacija uslijed puzanjaDeformacija u poetku djelovanja optereenja jednaka je:

po. = el + vl+ T gdje je:

el - elastina deformacija materijala (/E)vl - trenutna deformacija uslijed zateznog konstantnog optereenjaT - prirast deformacije uslijed temperature (linearni koeficijent

termike dilatacije, Ttemperaturna razlika).Brzina puzanja tokom

vremena odreuje se izrazom: ukp

dVdt

=

odnosno ,

0/pp