Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta

Mehanske lastnosti kovin - žilavost

Gregor Pungaršek

Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I

Mentor: dr. Janez Jamšek, doc.

Ljubljana, 2009

Povzetek Seminarska naloga je namenjena učitelju, ki se pobližje seznani s konkretnim primerom izvedbe preizkusa mehanske lastnosti kovin - žilavosti ter ga lahko uporabi pri predmetu Tehnika in tehnologija v 8. razredu. Seminarska naloga zajema pojem žilavosti in zakaj je to pomembna mehanska lastnost kovin in zlitin. Predstavljeni so osnovni preizkusi, s katerimi ugotavljamo žilavost. Predstavljena je tudi naprava, s katero se primerja žilavost med kovinami tako, da učenci lahko vidijo, kateri material je bolj žilav oziroma bolj krhek. Učitelju omogoči, da skupaj s preizkusom nazorno lahko razloži žilavost ter primerja žilavost med posameznimi kovinami. Pri tem se lahko pojavijo problemi, kot so pravilna izbira gradiv, da je razvidno, katero je bolj žilavo in katero manj, pravilno vpetje, da se preizkušanec ne vrti, primerna dolžina, da lahko primemo in upogibamo ter seveda predstavitev načina preizkušanja na učencem najbolj razumljiv način. V seminarski nalogi je opisano, kako se izogniti tem problemom, da je preizkus čimbolj nazoren učencem, ki lahko nato lažje povežejo teorijo s prakso.

Kazalo 1 Uvod........................................................................................................................................ 4 2 Navezava na učni načrt......................................................................................................... 4 3 Pregled obstoječega gradiva................................................................................................. 4 4 Lastnosti kovin...................................................................................................................... 4

4. 1 Fizikalne lastnosti............................................................................................................ 4 4. 2 Kemijske lastnosti ........................................................................................................... 5 4. 3 Tehnološke lastnosti ........................................................................................................ 5 4. 4 Mehanske lastnosti .......................................................................................................... 5 4. 5 Mehanska lastnost kovin – žilavost................................................................................. 5

4. 5. 1 Vzroki za različno žilavost kovin............................................................................ 5 4. 5. 2 Preizkusi žilavosti ................................................................................................... 6

4. 5. 2. 1 Mehanski preizkusi ...................................................................................................................... 7 4. 5. 2. 2 Mehanski preizkus udarne žilavosti ............................................................................................. 7

4. 5. 2. 2. 1 Postopek po Charpy-ju ......................................................................................................... 8 4. 5. 2. 2. 2 Postopek po Izodu ................................................................................................................ 9

4. 6 Žilavost pri pouku Tehnike in tehnologije .................................................................... 10 5 Preizkus žilavosti ................................................................................................................. 10

5. 1 Določitev kriterijev preizkusa ....................................................................................... 11 5. 2 Zasnova modela............................................................................................................. 11 5. 3 Preizkusni vzorci ........................................................................................................... 12 5. 4 Meritve .......................................................................................................................... 12

6 Preizkus žilavosti kovin pri pouku .................................................................................... 13 7 Sklep ..................................................................................................................................... 14 8 Literatura............................................................................................................................. 14 9 Priloge................................................................................................................................... 15

9. 1 a) Nerešeni učni list....................................................................................................... 15 9. 1 b) Rešeni učni list .......................................................................................................... 15

1 Uvod Seminarska naloga obravnava mehansko lastnost kovin - žilavost, ki je zajeta tudi v učnem načrtu osnovnih šol pri predmetu Tehnika in tehnologija. Učitelji v splošnem ne izvajajo demonstracij mehanskih lastnosti gradiv, kar pripomore k slabšemu razumevanju učencev teh lastnosti ter posledično privede do nerazumevanja osnov, saj ne znajo povezati podane teorije s prakso. V ta namen je predstavljen model za preizkus žilavosti kovin, ki je preprost za izdelavo in uporabo. Za razumevanje problematike je najprej v uvodnem delu seminarske naloge poglavje 3, kjer so podani viri in literatura, iz katerih lahko učitelj izve še več o žilavosti kovin in s tem poglobi svoje znanje o tem. Sledi predstavitev osnovne razdelitve lastnosti gradiv in opredelitev žilavosti ter postopkov, s katerimi se preizkuša žilavost. V zadnjem delu seminarske naloge sta dve poglavji, kjer je v prvem predstavljen model za preizkus žilavosti pri pouku, njegova zasnova, vzorci za preizkus ter meritve; v drugem pa so napotki za pravilno izvedbo preizkusa.

2 Navezava na učni načrt Seminarska naloga se navezuje na del učnega načrta, ki zajema načrtovanje in izdelavo predmeta iz kovine, s čimer se učenci seznanijo v osmem razredu pri predmetu Tehnika in tehnologija. Od njih se seveda pričakuje, da do sedaj že ločijo kovine od drugih materialov. Pri tem se pove kako deliti kovine, druge lastnosti kovin in se osredotoči na žilavost. Operativni cilj je preizkus lastnosti kovin. Dejavnost pri tem je preprost preizkus žilavosti, ki ga po socialno didaktičnih priporočilih naredijo v dvojicah. Prav tako je učni cilj ugotovitev učencev, da s kovino lahko kombinirajo tudi druga gradiva (npr. les) [1, 2].

3 Pregled obstoječega gradiva Učitelj si lahko pomaga s Učnim načrtom – Tehnika in tehnologija [1], Učnim načrtom za obdelavo gradiv – Les, Umetne snovi, Kovine [2], Praktikumom [3], s Tehnologijo materiala – učbenik [4], s Tehniko - delovni zvezek [5], pomaga si lahko tudi z Metalurškim priročnikom [6], tudi z npr. spletno stranjo podjetja, ki mora za svojo dejavnost izvajati preizkus udarne žilavosti [7]. Pomaga si lahko s Strojnotehnološkim priročnikom [9] ali s kakšno starejšo literaturo, recimo Gradiva 2. del [11], kjer nekateri podatki ne držijo več (npr. za Charpyjev preizkus), a so novejši navedeni v [9]. O žilavosti kot pojmu je nekaj napisanega v skoraj vsej našteti literaturi, največ pa se lahko izve v Gradivih [8] in Enciklopediji tehnike [10].

4 Lastnosti kovin Za kovine vemo, da jih delimo v dve glavni skupini, in sicer železne (lito železo in jeklo) in neželezne ali barvaste; to so težke kovine kot so baker in svinec, lahke kovine (Aluminij), redke kovine (Krom, Volfram) in plemenite kovine (Srebro, Zlato, Platina) [12]. Veliko konstrukcij in ostalih stvari delamo iz kovin, zato je potrebna pravilna izbira materiala in posledično dobro poznavanje njihovih lastnosti. Teh je veliko in so različne; razvrstimo jih lahko v štiri pomembnejše skupine:

- fizikalne lastnosti, - kemijske lastnosti, - tehnološke lastnosti in - mehanske lastnosti [8].

4. 1 Fizikalne lastnosti

5

Fizikalne lastnosti se nanašajo na naravne lastnosti materiala, kakor so gostota, temperatura tališča, toplotna in električna prevodnost, magnetna prevodnost ipd [8].

4. 2 Kemijske lastnosti Kemične lastnosti se nanašajo na kemijsko sestavo, odpornost proti kemijskim vplivom, odpornost proti ognju (oksidaciji ali škajanju), odpornost proti koroziji ipd [8].

4. 3 Tehnološke lastnosti Tehnološke lastnosti povedo, kako se material obnaša pri različnih načinih obdelave glede na:

- primarno oblikovanje; kakor je livnost, gnetljivost ipd., - obdelavo s spajanjem: varivost, sposobnost lotanja, lepljenja, kovičenja ipd. in - učinke pri toplotni obdelavi, kakor so: sposobnost za kaljenje, cementiranje, nitriranje ipd [8].

4. 4 Mehanske lastnosti Mehanske lastnosti se nanašajo na mehansko odpornost materialov pod vplivom zunanjih sil. Na material lahko vplivajo najrazličnejše obremenitve: natezna, tlačna, vzvojna ali torzijska, strižna itd. Najpogosteje pa se pojavljajo kombinirane obremenitve. Te lastnosti so trdota, trdnost, žilavost ipd [8].

4. 5 Mehanska lastnost kovin – žilavost Žilavost materiala je lastnost oziroma sposobnost, da se pod vplivom obremenitve bolj ali manj preoblikuje, dokler se ne poruši, ali drugače; žilave so tiste kovine in zlitine, ki se pred porušitvijo močno plastično deformirajo (spremenijo obliko), nasprotno so krhki materiali porušijo z zelo majhno deformacijo ali celo brez poprejšnje plastične deformacije. Ponavadi merimo udarno žilavost, ki je žilavost proti udarni obremenitvi [19, 10].

4. 5. 1 Vzroki za različno žilavost kovin Vzrokov za različno žilavost kovin je precej. Tako je na primer drobnozrnata kovina ali zlitina praviloma bolj žilava kot grobozrnata. Pri tehničnih kovinah in zlitinah, ki so bile preoblikovane s hladno ali vročo predelavo pretežno v eni smeri, nastopijo znatne razlike v žilavosti med vzdolžno in prečno smerjo predelave; v prečni smeri so vrednosti žilavosti manjše. Že raztezek in skrčenje, ugotovljena pri nateznem preizkusu, sta kazalca žilavosti, vendar je žilavost odvisna še od napetostnega stanja v materialu, od temperature in hitrosti obremenitve, zlasti udarne. Te razmere so upoštevane pri preizkušanju udarne žilavosti ob zarezi [9]. Pri udarni žilavosti je žilavost v veliki meri odvisna od temperature. Pri višjih temperaturah postane žilavost kovinskih materialov znatno višja; pri nižjah temperaturah pa postanejo bolj krhki in se zlomijo brez večjih predhodnih plastičnih deformacij. Zlom, ki nastane brez predhodnih deformacij imenujemo krhki zlom. Pri višjih temperaturah pa žilavost močno naraste in se pred zlomom pojavijo močne plastične deformacije. Tak zlom imenujemo zaradi tega plastični ali žilavi zlom. Slika 5. 1 prikazuje diagram odvisnosti žilavosti od temperature. Iz diagrama lahko razberemo 3 različna področja:

- področje krhkega zloma, - področje žilavega zloma in - področje mešanih oblik zloma.

Pri materialih, ki kažejo odvisno žilavosti od temperature, ločimo take, kjer je prehod v zelo ozkem temperaturnem območju (krivulja je zelo strma) in take, kjer je prehod v večjem temperaturnem območju (krivulja je položnejša). Slika 5. 2 kaže krivulji za dva zelo značilna materiala – perlitno in martenzitno jeklo.

6

Raziskave so pokazale, da sta zgornji in spodnji del krivulje, torej območje krhkega in žilavega zloma zelo enotna in ni trosenja. V območju mešanih zlomov pa nastane veliko trosenje rezultatov. Zaradi tega v tem območju ne dobimo enotne krivulje – temveč določeno območje, kjer nastanejo zlomi z različnimi deli plastičnega – žilavega in krhkega zloma [11].

Slika 5. 1: Odvisnost udarne žilavosti od temperature [16].

Slika 5. 2: Različne odvisnosti udarne žilavosti od temperature (shematično) [11].

Močno odvisnost žilavosti od materiala zasledimo samo pri kovinskih materialih, ki imajo kubično prostorsko centrirano kristalno rešetko (železo) ali heksagonalno kristalno rešetko, kot npr. cink. Ne opazimo pa tako hitrega prehoda pri materialih, ki imajo kubično, ploskovno centrirano kristalno rešetko, kakor je npr. avstenitno jeklo, aluminij, baker, nikelj ipd [11]. Na žilavost materiala ima močan vpliv tudi sestava materiala. Pri jeklu se žilavost močno poslabša s povečanjem količine ogljika, fosforja, žvepla in dušika. Zelo ugodno pa vpliva na žilavost jekla nikelj, molibden, titan in vanadij. Tudi utrjevanje zaradi plastičnega preoblikovanja vpliva na žilavost materiala. To velja še posebej za plastično preoblikovanje v hladnem, ki močno zniža žilavost. Ravno tako ima na žilavost vpliv tudi cementiranje in nitriranje. S povečanjem debeline cementirne oziroma nitrirne plasti se zmanjša žilavost [11].

4. 5. 2 Preizkusi žilavosti Preizkušanje gradiv in še posebej kovin ali njihovih zlitin je pomembno. Pravočasna ugotovitev lastnosti materiala omogoča, da zagotovimo nemoteno delovanje strojnega dela in primerno obratovalno dobo iz tega materiala. S pravočasnim preskušanjem prihranimo material, energijo in čas izdelave. Vse to vpliva na gospodarnost obdelave ali ceno končnega izdelka. Za preizkušanje gradiv uporabljamo standardizirane postopke, da lahko dobljene rezultate primerjamo med seboj.

7

Postopkov preizkušanja je več vrst:

- mikrostrukturni preizkusi, - tehnološki preizkusi, - kemični preizkusi, - fizikalni preizkusi, - preizkusi brez okvare materialov in - mehanski preizkusi.

Slednji preizkusi so pomembni, saj z njimi določamo mehanske lastnosti, kot so natezna trdnost, tlačna trdnost, udarna žilavost, trdota, trajna statična in dinamična trdnost [8].

4. 5. 2. 1 Mehanski preizkusi Mehanski preizkusi so preizkusi kovin in njihovih zlitin, pri katerih izdelek, vzorec ali preizkušanec s stroji ali s posebnimi napravami deformiramo ali porušimo in zasledujemo celoten potek preizkušanja. Iz obnašanja materiala sklepamo o njegovi kakovosti. Mehanske preizkuse delimo na:

- statične mehanske preizkuse: tu deluje mirujoča ali bolj počasi in enakomerno naraščajoča obremenitev, - dinamične mehanske preizkuse: tu deluje sunkovita, udarna, nihajoča ali menjajoča obremenitev [4].

Vzorec je kos kovine, ki smo ga vzeli od kovinskih izdelkov ali polizdelkov, tako da ima enake lastnosti kot izdelek. Tak vzorec, obdelan v obliko, ki jo zahteva preizkus ali stroj, imenujemo preizkušanec. Ker preizkušanec obremenjujemo s silo, se mu spremeni oblika; govorimo o deformaciji. Obremenitev na enoto površine preseka imenujemo napetost, deformacijo na enoto dolžine ali preseka pa specifična deformacija. Deformacije so elastične (prožne) in plastične (trajne). Elastične po razbremenitvi izginejo, plastične pa ostanejo [4]. Izkušnje so pokazale, da se tudi pri zlomu obnašajo materiali zelo različno, in sicer po tem, ali jih obremenjujemo počasno – enakomerno ali pa sunkovito v obliki udarcev. Znano je, da se isti material pri različnih načinih obremenjevanja lomi lahko enkrat žilavo, drugič krhko. Pri statičnem preizkusu, npr. nateznem ali upogibnem, pokaže material dobro plastičnost, isti material, obremenjen udarno, pa se prelomi krhko. Iz tega lahko sklepamo, da je v mnogih primerih zelo koristno, da poznamo tudi lastnosti, ki povedo, kako se obnaša določen material pri sunkovitih – trenutnih obremenitvah. Prav tako je važno, kolikšno sposobnost plastične deformacije kaže material ob zarezi. Vrsta faktorjev, ki vplivajo na krhki lom materiala, daje udarnim preizkusom še prav poseben pomen [6, 11].

4. 5. 2. 2 Mehanski preizkus udarne žilavosti Za preizkušanje žilavosti uporabljamo predvsem dinamične preizkuse. Za določanje udarne žilavosti uporabljamo preizkušance z zarezo in jih obremenimo sunkovito – udarno na upogib [11]. Preizkus udarne žilavosti ob zarezi izvedemo z nihalnim kladivom, ki ga spustimo z določene višine in ki v svoji najnižji legi zadene in prelomi preizkušanec, nato pa zaniha v nasprotno smer [9]. Žilavost preizkušamo vedno vzporedno z več preizkušanci (normalno vzamemo liho število preizkušancev). Kot žilavost navajamo povprečno vrednost meritev, pri čemer je običajno predpisana najmanjša vrednost, nad katero morajo biti vsi rezultati. Razen udarnega upogibnega preizkusa žilavosti ob zarezi poznamo še udarno-torzijski preizkus, ki ga uporabljamo za preizkušanje žilavosti orodnih jekel. Udarni natezni preizkus se v praksi ni uveljavil [9]. Najbolj razširjena postopka za preizkušanje udarne žilavosti sta postopek po Charpy-ju in postopek po Izodu. Prvi način preizkušanja se je razširil predvsem v Evropi, drugi pa v Angliji, medtem ko srečamo v ZDA pogosto oba postopka. Udarno žilavost preizkušamo predvsem na jeklih in lahkih kovinah oz. njihovih zlitinah. Pri obeh vrstah preizkušanja je postopek opisan do potankosti – torej standardiziran. V obeh primerih so predpisane tudi izmere preizkušancev [11].

8

S temi preizkusi preizkušamo predvsem kovine in njihove zlitine. Nekovine ali kovinske materiale posebnih oblik, na primer žico, cevi ali pločevino, preizkušamo na načine, ki ustrezajo vrsti preizkušanca in namenu preizkušanja [10].

4. 5. 2. 2. 1 Postopek po Charpy-ju V Evropi preizkus udarne žilavosti ob zarezi izvajamo po standardu SIST EN 10045-1 po Charpy-jevem postopku, slika 5. 3, zato tudi nihajno kladivo običajno imenujemo Charpyjevo kladivo. Preizkušanec leži med dvema podporama, oddaljenima 40 mm. Udarna kladiva so konstruirana tako, da je glede na težo kladiva in višino pada energija v trenutku udarca na preizkušanec z največ 300 J ali manj, hitrost udarca pa med 5 in 5, 5 m/s [9].

Slika 5. 3: Prikaz udarnega preizkusa po Charpy-ju (SIST EN 10045-1) [3].

Slika 5. 4: Standardna preizkušanca za udarni preizkus pa Charpy-ju z zarezo (a) V in (b) U [3].

Standardni preizkušanci za udarni preizkus po Charpy-ju (SIST EN 10045-1) so dolgi 55 mm in imajo kvadratni prečni prerez z dolžino stranice 10 mm. V sredini dolžine je narejena zareza. Določeni sta dve obliki zareze:

a) zareza V, pri kateri znaša kot zareze 45°, globina zareze 2 mm in polmer zareze 0, 25 mm; označba KV, slika 5. 4 (a). Če ni na razpolago dovolj materiala za izdelavo standardne epruvete, se lahko izdelajo preizkušanci z dolžino stranice 7, 5 mm oziroma 5 mm.

b) zareza U, pri kateri je globina zareze 5 mm, radij zareze pa 1 mm; označba KU, slika 5. 4 (b), [3, 9].

9

Charpy-jev preizkus izvedemo tako, da dvignemo udarno kladivo iz mirovne lege za kot α1 (običajno 160°). Preizkušanec položimo na oporo in ga obrnemo tako, da kladivo udari epruveto z nasprotne strani, kot je zareza, slika 5. 5. Kladivo spustimo. Pri tem se njegova potencialna energija spreminja v kinetično. V mirovni legi udari kladivo v preizkušanec s hitrostjo v :

)cos1(2 1α−= gLv , (5. 1) kjer je g gravitacijski pospešek in L dolžina kladiva, to je razdalja med vrtiščem in težiščem kladiva [3].

Slika 5. 5: Lega preizkušanca med preizkusom po Charpy-ju [11].

Preizkušanec se najprej deformira elastično, nato plastično, pojavijo se razpoke, ki napredujejo, dokler se preizkušanec ne razpolovi. Pri tem kladivo izgubi del energije in se na nasprotni strani dvigne iz mirovne lege za kot α2. Običajno ima vsaka naprava umerjeno skalo, iz katero lahko neposredno odčitamo porabljeno delo v J. Če pa iz skale lahko odčitamo samo kote, moramo udarno delo izračunati sami. Upoštevamo, da je izgubljena energija udarnega kladiva enaka energiji, ki se porabi za prelom preizkušanca. Izračunamo jo z naslednjo enačbo [3]: )cos(cos 12 αα −= mgLK , (5. 2) pri tem je g gravitacijski pospešek, razdaljo L pa lahko eksperimentalno določimo in upoštevamo, da se kladivo obnaša enako kot matematično nihalo. Če ga odmaknemo za majhne kot, manjši od 5° iz mirovne lege, prične nihati s karakterističnim nihajnim časom t0, ki ga izračunamo iz enačbe [3]:

gLt π20 =

. (5. 3) Standard SIST EN 10045-2 predpisuje, da trikrat izmerimo čas, ki je potreben za 100 celotnih nihajev. Potem, ko določimo nihajni čas t0, lahko iz enačbe (5. 3) brez težav določimo dolžino kladiva in iz izmerjenega kota α2 po enačbi (5. 2) izračunamo udarno delo K. Tega postopka običajno ni potrebno izvajati, saj je na udarnem kladivu označeno, kolikšno energijo ima pri prehodu skozi mirovno lego [3]. Standard SIST EN 10045-1 privzema, da je udarni preizkus izveden po standardnimi pogoji, če seveda uporabimo preizkušanec z zarezo V ali U in udarno kladivo z največjo energijo 300 J. Če je tako, potem označimo udarno delo z npr.: KV = 121 J………… udarno delo za prelom standardnega preizkušanca z zarezo V s 300 J kladivom znaša 121 J. Če pa preizkusni pogoji odstopajo od standardnih, pa označimo to posebej: KU 150 = 65 J……… udarno delo za prelom standardnega preizkušanca z zarezo U s 150 J kladivom znaša 65 J. KU 100/ 7,5 = 83 J……… udarno delo za prelom preizkušanca s stranic 7, 5 mm in 100 J kladivom znaša 83 J [3].

4. 5. 2. 2. 2 Postopek po Izodu To je udarni zarezni preizkus žilavosti po E. G. Izodu. Tudi pri preizkusu po Izodu uporabljamo preizkušanec, ki je kvadratnega prereza s stranico 10 mm. Preizkušanec pa ima po dolžini v razdalji po 28 mm 3 zareze. Zareze so koničaste oblike oblike s kotom 45° in globino 2 mm. Vse tri zareze so na različnih straneh preizkušanca, slika 5. 6.

10

Tako imamo možnost spoznati lastnosti materiala v treh različnih smereh na enem preizkušancu. Epruveto vpnemo drugače kakor je bil primer pri določanju udarne žilavosti po Charpy-ju. Iz slike 5. 6 je razvidno, da preizkušanec s točno določenimi izmerami vpnemo med dve čeljusti; ena stran epruvete je vedno vpeta do polovice koničaste zareze. Zareza mora biti vedno na tisti strani, kjer udari kladivo. Kladivo udari v višini 22 mm od zareze [11].

Slika 5. 6: Udarni preizkus po Izodu [11]. Če želimo preizkušanje (po Charpy-ju ali Izodu) pri nizkih temperaturah, moramo ohladiti preizkušance v hladilnem mediju. V tekočih hladilnih medijih mora biti preizkušanec ohlajan najmanj 10 minut, v plinastih medijih pa najmanj 30 minut. Preizkušanec mora biti nato prelomljen v času 5 s, od trenutka, ko je bil vzet iz hladilnega medija. Za hladilne medije so uporabne tekočine z nizkim lediščem. Najbolj običajne so alkoholi, ki jih ohlajamo s hladilnimi sredstvi, kot so trdni CO2 in najpogosteje tekoči dušik. Predpisi za posamezne materiale navajajo, pri kakšnih razmerah (ostrina zareze, temperatura preizkušanca) moramo izvesti preizkuse in minimalne vrednosti, ki jih mora material doseči [9].

4. 6 Žilavost pri pouku Tehnike in tehnologije V delovnem zvezku za 8. razred [5] je podan način preizkušanja z običajnim primežem, kjer se s pomočjo kladiva upogiba preizkušance levo in desno, tako da tvorijo pravi kot, slika 5. 1. Šteje se število upogibov in se jih glede na to razvršča od najbolj žilavega do najmanj žilavega, poleg tega pa morajo učenci napisati še primer uporabe izbranih vrst kovin. Poleg preizkusa žilavosti je predstavljen tudi preizkus trdote istih materialov iz katerih so preizkušanci za žilavost, saj morajo v nadaljevanju učenci pojasniti povezavo med trdoto in žilavostjo [5]. V učbenikih načine preizkušanja žilavosti pri pouku Tehnike in tehnologije v 8. razredu ni moč zaslediti.

5 Preizkus žilavosti Nekovine ali kovinske materiale posebnih oblik, na primer žico, cevi ali pločevino, preizkušamo na načine, ki ustrezajo vrsti preizkušanca in namenu preizkušanja [10]. Merjenje žilavosti kovin je težek postopek. Kovine lahko razvrstimo, če enako debele kose pločevine prepogibamo, dokler se ne prelomijo. Krhke se takoj prelomijo po nekaj zgibih, žilave pa se na mestu prepogibanja raztegujejo in se težje prelomijo [12]. Zato se lahko odločimo, da bomo naredili preizkus žilavosti tako, da bomo izbrali 4 preizkušance iz različnih kovin in jih medsebojno primerjali glede na žilavost ter jih s pomočjo naprave upogibali toliko časa, dokler se ne

11

prelomijo. Podatki se nato vpišejo v tabelo in se hkrati naredi razpored po žilavosti (od najbolj žilavega do najmanj žilavega materiala) [5].

5. 1 Določitev kriterijev preizkusa Kriteriji, katerim mora ustrezati preizkus, so naslednji:

- natančnost in nazornost, s preizkusom je potrebno jasno pokazati razliko žilavosti različnih kovin, - preizkuša se žilavost kovin, ki jih učenci spoznajo pri Tehniki in tehnologiji in so jim znane že

njihovega okolja, - ponovljivost; preizkus mora pod enakimi pogoji tudi kasneje dati enake rezultate, - enostavnost, izvesti ga mora vsak učitelj Tehnike in tehnologije, po možnosti pa tudi povprečen učenec, - dostopnost, saj mora biti potrebno gradivo za izvedbo preizkusa splošno dostopno in čim cenejše, - postopki za pripravo preizkusa morajo biti v mejah možnosti tipične delavnice za Tehniko in

tehnologijo, - razstavljivost modela, s katero se preizkuša žilavost.

5. 2 Zasnova modela Preizkus bi se lahko izvedel s pomočjo običajnega primeža, a da se učenci naučijo delati s kovinami in združiti les s kovino, se v ta namen naredi naprava, s pomočjo katere se nato preizkusi žilavost.

Slika 5. 1: Princip preizkusa žilavosti [5]. Naprava oz. pripomoček za ugotavljanje žilavosti se uporablja tako kot bi to delali z namiznim primežem, slika 5. 1. Ker je zelo preprosta, jo lahko učenci izdelajo sami, če to dopušča čas. Najprej se izdela podlaga iz smrekovine. V to podlago se izžaga luknjo, slika 5. 2 (a) v katero vstavimo kocko iz tršega lesa. Nič se je ne lepi, samo pazi se, da je tesen oprijem. V kocko se izvrta luknja, slika 5. 2 (b), v katero vstavimo valj (zopet tesen oprijem) iz kovine (aluminij), prikazano na sliki 5.3. Skozi ta valj se izvrta luknja premera preizkušanca na eni strani, ter na drugi, spodnji strani nekoliko širša luknja. Prečno na valj se izvrta luknjo, kjer se nato naredi navoj za vijak, s katerim se pritrdi preizkušanec.

12

(a) (b)

Slika 5. 2: (a) Podlaga z izžagano luknjo in (b) luknja v kocki.

Slika 5. 3: Valj vstavljen v kocko; kocka v podlago.

5. 3 Preizkusni vzorci Preizkusni vzorci so žice premera 2 mm in dolžine 150 mm, in sicer Aluminij, Baker, Medenina in Varilna žica1. Aluminij je predstavnik lahkih neželeznih kovin, korozijsko obstojen, z visokim razmerjem med težo in trdnostjo in se uporablja v letalski in avtomobilski industriji, prav tako v stavbnem pohištvu, gospodinjskih strojih… Baker je težka neželezna kovina, odporen proti oksidaciji in se veliko uporablja za zaščitne obloge. Je tudi dobro električno prevoden in se ga uporablja za električne kable in ker je izredno plastičen in se lahko spaja, se ga uporablja tudi kot cevi, palice, pločevine (npr. žlebovi). Medenina je zlitina bakra in cinka in učencem se na ta način prikaže, kaj se zgodi z žilavostjo, če dodamo konkretno primes, cink; torej ali postane kovina bolj žilava ali manj. Medenina je trša kot baker. Uporablja se za razne izdelave okrasnih predmetov, grla žarnic, vodovodne pipe in ventile, celo tulce za naboje. Aluminij, baker in medenina so kovine, ki jih učenci spoznajo pri Tehniki in tehnologiji, prav tako pa so to kovine, ki jih dnevno srečujejo v okolju v katerem živijo. Izbira varilne žice je botrovala temu, da se pokaže še žilavost železne kovine s primesmi ter je hkrati cenovno dostopna; ni tako draga kot baker.

5. 4 Meritve Naprava se pritrdi na mizo s svorami. Preizkušanec se vstavi skozi luknjo, se z vijakom pritrdi in nato se preizkušanec prične upogibati v eno in drugo smer za odmik 45° iz prvotne lege. Vmes se šteje število upogibov do takrat, ko se preizkušanec ne prelomi, preglednica 5. 1. Več upogibov je potrebnih, da se prelomi, bolj je žilav. V preglednici 5. 2. je prikazan razpored od najbolj do najmanj žilavega izbranega preizkušanca. Preglednica 5. 1: Rezultati posameznih meritev žilavosti preskušancev.

Število upogibov Gradivo/meritev 1. 2. 3. 4. 5.

Baker 20 15 17 16 19 Varilna žica 8 9 10 11 9 Medenina 7 8 6 8 8 Aluminij 3 4 4 4 3

Preglednica 5. 2: Povprečni rezultati merjenja žilavosti preskušancev. 1 Pobakrena žica, katere sestava je: Fe, C, Cr, Si, Mo in Ti.

13

Gradivo Povprečno št. upogibov

Razpored po žilavosti(1. najbolj žilav,…)

Baker 17,4 1. Varilna žica 9,4 2. Medenina 7,4 3. Aluminij 3,6 4.

Dobljene rezultate, glede na to, kateri material je bolj žilav, se težko primerja z že znanimi meritvami, ker je žilavost lastnost materiala, ki jo težko enotno merimo in ni za te izbrane materiale v priročnikih zapisanih vrednosti. Lahko pa se pomaga z diagramom žilavosti na sliki 5. 4, s spletne strani University of Cambridge – Department of engineering, kjer je prikazano, kateri material je bolj krhek (brittle) in kateri bolj žilav (tough). Na diagramu se opazi, da je aluminij bolj krhek kot baker in medenina, med bakrom in medenino pa ni tako grobe ločnice, ker je žilavost medenine odvisna od tega kakšno je razmerje med bakrom in cinkom v tej zlitini. Več je cinka, manj je medenina žilava in obratno. Ni pa moč ugotoviti žilavost izbrane varilne žice.

Slika 5. 4: Diagram žilavosti [13].

6 Preizkus žilavosti kovin pri pouku Ker je model za preizkušanje žilavosti razstavljiv, je potrebno paziti, da se kakšen od delov preveč ne zrahlja. Čez določen čas je potrebno zamenjati valj iz aluminija, saj se navoj, s katerim pritrdimo preizkušanec, izrabi. Pri samem upogibanju preizkušanca je priporočljivo, da ima učitelj na roki, s katero upogiba preizkušanec, rokavico. Paziti se mora tudi na to, da se s svorami dovolj čvrsto pritrdi model za preizkušanje na ravno površino. K sodelovanju pri preizkusu lahko povabi tudi učence, ki lahko kar sami (delo v parih) izdelajo model za preizkušanje, če le je dovolj časa na urniku, da se to izvede. Je priporočljivo, saj učenci vidijo kako lahko združijo les s kovinami.

14

Učencem je predhodno potrebno razložiti, katere materiale se bo preizkušalo in z njimi obnoviti znanje o delitvi kovin. Pokaže se jim pravilno vpetje preizkušanca, če bodo to sami hoteli preizkusiti. Za demonstracijo preizkusa, če to dela učitelj, ni potrebno veliko časa. Ko se jim razloži teorija, se jim nato na preprost, hiter način pokaže žilavost kovin ,ki jih učenci dostikrat srečajo v svoji okolici. Za demonstracijo oz. primerjavo žilavosti med 4 izbranimi preizkušanci (upogibanje, štetje upogibov) je zadosti 5 minut.

7 Sklep V seminarski nalogi je bilo napisano nekaj o lastnostih kovin z poudarkom na mehanski lastnosti - žilavosti. Opredelilo se je pojem žilavosti, od česa je žilavost odvisna (zgradbe, temperature,…), katere preizkuse gradiv poznamo, katere postopke se uporablja za ugotavljanje žilavosti in na koncu kateri preizkus je najbolj preprost (kar se tiče izdelave, cene materiala, nazornosti,…) za prikaz žilavosti v 8. razredu osnovne šole. Rezultati preizkusa so pokazali, da je izmed izbranih gradiv najbolj žilav baker, kar ni presenetljivo, saj je baker zelo gnetljiv, zato je pri njem plastična deformacija velika. Varilna žica iz jekla vsebuje takšne primesi, da njena žilavost ni tako velika, zato je v tem konkretnem primeru manj žilav kot baker. Sledi medenina (zlitina bakra in cinka), saj cink zmanjša žilavost in je zato manj žilav kot baker sam. Nekoliko presenetljivo pa je aluminij izmed vseh najbolj krhek. Aluminij spada v skupino kovin, ki so bolj žilavi. Sklepamo lahko, da je zaradi majhnega preseka preizkušanca tako hitro popustil. Pri samem modelu se izbira preizkušancev prilagaja glede na izbiro, ki jo ima posamezen učitelj v delavnici. Pri tem je potrebno paziti, da se izbere materiale, s katerimi se bodo nazorno pokazale razlike v žilavosti. Seveda ni nujno, da se primerja žilavost samo med 4 različnimi preizkušanci; lahko jih je več. Valj iz aluminija bi se lahko nadomestil s kako drugo kovino, seveda spet ni nujno, da je valjaste oblike. Podstavek, ki je iz lesa se lahko nadomesti s takim, ki je narejen iz umetne snovi, saj je bolj obstojen. Predstavljen model za preizkušanje žilavosti učencu prikaže, ne le primerjavo žilavosti, ampak tudi kako lahko združimo les s kovino. Je preprost in ga lahko izdelata po dva učenca skupaj, če se seveda učitelj ne odloči demonstrirati le s svojim modelom, ampak naroči učencem, da sami model izdelajo in preverijo različno žilave kovine. Za izbiro materiala, ki se ga preizkuša, je boljše, da se vzame take, o katerih je zapisanih več referenčnih podatkov o žilavosti v literaturi, da se jih lahko primerja z lastnimi meritvami. Bolje bi bilo tudi, da se namesto varilne žice izbere jeklena žica iz mehkega jekla, ki ga učenci vsakodnevno srečujejo v svojem okolju (žebelj) in je žilav ali pa svinec, mehko neželezno kovino, odporno na kisline in sevanje, torej tudi za avtomobilske akumulatorje, hkrati pa sta omenjeni kovini obravnavani tudi pri predmetu Tehnika in tehnologiji. 8 Literatura [1] A. Praprotnik in ostali, Učni načrt - Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2002). [2] Učni načrt za obdelavo gradiv – Les, Umetne snovi, Kovine [http://tehnika.pef.uni-lj.si/jj/Razno/Obdelava_gradiv_izbirni.pdf]. [3] F. Zupanič, Gradiva- Praktikum (Maribor, FS Maribor, 2004). [4] Bezjak, Tehnologija materiala - učbenik (Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 1997). [5] B. Aberšek in ostali, Tehnika 8 delovni zvezek (Ljubljana, DZS, 2000). [6] J. Bidovec in ostali, Metalurški priročnik (Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 1972). [7] Preskusi udarne žilavosti [http://iskraemeco-lab.si/show/preskusi-udarne-zilavosti-na-preskusancih]. [8] J. Grum, D. Ferlan, Gradiva (Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 1987). [9] M. Jež in ostali, Strojnotehnološki priročnik (Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 1998). [10] S. Rendala (vodstvo redakcije), Enciklopedija tehnike (Ljubljana, Cankarjeva založba, 1983). [11] P. Leskovar, Gradiva 2. del (Ljubljana, 1986). [12] Kovine [www2.arnes.si/~osmblv1s/mesec_e_gradiv/ui_3/i_0.ppt].

15

[13] Introduction to material selection charts [http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/plug/non_IE/page4.html].

9 Priloge

9. 1 a) Nerešeni učni list 1. V kateri dve osnovni skupini delimo kovine? 2. Naštej vsaj 3 lastnosti kovin. 3. Žilavost je __________________ lastnost kovin. 4. Poveži! Krhki materiali pred porušitvijo se močno plastično deformirajo (spremenijo obliko) Žilavi materiali pred porušitvijo je zelo majhna plastična deformacija 5. Žilavost kovin je odvisna od (obkroži pravilne odgovore): a) temperature b) sestave materiala c) napetostnega stanja materiala č) hitrosti obremenitve 6. Kateri mehanski preizkus za ugotavljanje udarne žilavosti z zarezo je najbolj razširjen v Evropi? Na kratko opiši izvedbo postopka. 7. Dopolni! Baker sodi med izredno______________ kovine (žilave, krhke). Torej pred porušitvijo zelo_____________ spremeni obliko (močno, malo). Pri višjih temperaturah postane žilavost kovinskih materialov znatno višja; pri __________ temperaturah pa postanejo _______________ in se zlomijo brez večjih predhodnih plastičnih deformacij.

9. 1 b) Rešeni učni list 1. V kateri dve osnovni skupini delimo kovine? Delimo jih v železne (lito železo in jeklo) in neželezne ali barvaste; to so težke kovine kot so baker in svinec, lahke kovine (Aluminij), redke kovine (Krom, Volfram) in plemenite kovine (Srebro, Zlato, Platina). 2. Naštej vsaj 3 lastnosti kovin. Fizikalne, kemijske, tehnološke, mehanske. 3. Žilavost je ________mehanska__________ lastnost kovin. 4. Poveži! Krhki materiali pred porušitvijo se močno plastično deformirajo (spremenijo obliko) Žilavi materiali pred porušitvijo je zelo majhna plastična deformacija

16

5. Žilavost kovin je odvisna od (obkroži pravilne odgovore): a) temperature b) sestave materiala c) napetostnega stanja materiala č) hitrosti obremenitve 6. Kateri mehanski preizkus za ugotavljanje udarne žilavosti z zarezo je najbolj razširjen v Evropi? Na kratko opiši izvedbo postopka. V Evropi je najbolj razširjen Charpy-jev postopek. Charpy-jev preizkus izvedemo tako, da dvignemo udarno kladivo iz mirovne lege. Preizkušanec položimo na oporo in ga obrnemo tako, da kladivo udari epruveto z nasprotne strani, kot je zareza. Kladivo spustimo. Pri tem se njegova potencialna energija spreminja v kinetično. V mirovni legi udari kladivo v preizkušanec. Pri tem kladivo izgubi del energije in se na nasprotni strani dvigne iz mirovne lege. Nato pa z umerjene skale naprave neposredno odčitamo porabljeno delo v J. 7. Dopolni! Baker sodi med izredno__žilave__ kovine (žilave, krhke). Torej pred porušitvijo zelo___močno__spremeni obliko (močno, malo). Pri višjih temperaturah postane žilavost kovinskih materialov znatno višja; pri __nižjih___ temperaturah pa postanejo ___bolj krhki___ in se zlomijo brez večjih predhodnih plastičnih deformacij.