mater i jali

(autorizirana predavanja iz područja materijala)

Zagreb, 2012

Materijali i proizvodni postupci Ak.god. 2012/2013

2

SADRŽAJ 1. UVOD: od tvari do materijala 3 2. KRISTALNI SUSTAVI I DIJAGRAMI STANJA METALA I LEGURA 4 2.1 Razine građe materijala 4 2.2 Kristalni sustav i pojave u kristalnoj strukturi 5 2.3 Kristali metalnih legura i nesavršenosti kristalne građe 8 2.4 Dijagrami stanja metalnih materijala 9 3. SVOJSTVA TEHNIČKIH MATERIJALA 14 3.1 Mehanička svojstva 14

3.1.1 Statički vlačni pokus 15 3.1.2 Ispitivanje puzanja 18 3.1.3 Ispitivanje tvrdoće 19 3.1.4 Udarni rad loma 22 3.1.5 Dinamička izdržljivost 24

3.2 Tribološka svojstva 25 3.3 Korozijska svojstva 27 3.4 Fizikalna svojstva materijala 29

3.4.1 Električna otpornost i vodljivost 29 3.4.2 Magnetska permeabilnost 31 3.4.3 Toplinska svojstsva 33

4. MEHANIZMI OČVRSNUĆA I TOPLINSKA OBRADA METALA 34 4.1 Mehanizmi očvrsnuća metala i legura 34 4.2 Očvrsnuće čelika kaljenjem i popuštanjem 34

4.2.1 Kaljenje 34 4.2.2 Popuštanje 38 4.2.3 Zadavanje zahtijeva za toplinskom obradom na crtežu 40

5. LITERATURA 41


3

1. UVOD: od tvari do materijala Glavna obilježja tvari su da imaju određenu masu i zauzimaju prostor. Uvjet da neka tvar postane materijal je taj da mora imati jedno ili više specifičnih svojstava korisnih za primjenu. Tehnički materijali su oni materijali od kojih se izrađuju tehnički proizvodi, a posjeduju kombinaciju povoljnih fizikalnih svojstava koje nazivamo tehnička svojstva. Tvar koja posjeduje tehnička svojstva mora ispuniti još dva preduvjeta da postane tehnički materijal. Mora se moći prerađivati, odnosno dovesti u željeni oblik (lijevanjem, obradom deformiranjem, obradom odvajanjem čestica, zavarivanjem, sinteziranjem itd.) (slika 1). Konačno mora biti pristupačan cijenom, jer unatoč dobrim tehničkim svojstvima ne dolazi u obzir kao materijal ako je preskupa.

Slika 1. Tijek i redoslijed proizvodnih procesa od sirovina i tvari do gotovog proizvoda Svojstva tvari (i materijala) važna za tehničku primjenu obuhvaćaju opća svojstva (gustoća), fizikalna svojstva (npr. toplinska vodljivost, toplinski kapacitet, električna vodljivost/dielektričnost, magnetičnost, modul elastičnosti, itd.), kemijska i optička itd. Svojstva materijala (i poluproizvoda) obuhvaćaju: mehanička, tribološka, korozijska i tehnološka, ekonomska i ekološka svojstva. Svojstva materijala (slika 2) su ovisna o uvjetima ispitivanja, obliku i dimenzijama ispitne epruvete, mikrostrukturi i stanju materijala, itd. Nakon što se materijali ugrade u određeni proizvod provode se ispitivanja eksploatacijskih svojstva proizvoda i ispitivanja ponašanja materijala u složenim eksploatacijskim uvjetima. Eksploatacijska svojstva ovisna su o svojstvima materijala, konstrukciji proizvoda i uvjetima eksploatacije.

Slika 2. Utjecajni čimbenici na svojstva i ponašanje materijala


4

Prema porijeklu materijali mogu biti prirodni (kamen, drvo, koža) ili umjetni (metali, poluvodiči, keramika, polimeri, itd.). Za tehniku su najvažniji i najbrojniji u primjeni umjetni (tehnički) materijali. Oni se mogu se, prema karakterističnim svojstvima podijeliti na tri osnove skupine: metale i legure, polimere te keramiku i stakla (slika 3). Međusobnim kombiniranjem materijala iz ovih skupina, u cilju dobivanja specifičnih svojstava, dobivaju se suvremeni kompozitni materijali. Osim navedenih skupina razvijeni su i materijali sa svojstvima karakterističnim za dvije različite osnovne skupine, npr. tvrdi metali (s svojstvima metala i keramike) i materijali na osnovi ugljičnih vlakana (s svojstvima polimera i keramike).

Slika 3. Osnovna podjela i svojstva tehničkih materijala 2. KRISTALNI SUSTAVI I DIJAGRAMI STANJA METALA I LEGURA 2.1 Razine građe materijala Proizvodnja i prerada materijala u gotove proizvode čine velik dio inženjerske djelatnosti. Inženjeri kreiraju većinu proizvoda i proizvodnih sustava. Zato trebaju poznavati unutarnju građu i svojstva materijala kako bi bili u stanju izabrati najpogodniji materijal i najprimjereniju tehnologiju izradbe za određeni proizvod. Za razumijevanje svojstava i ponašanja materijala u eksploataciji nužno je poznavanje njegovog kemijskog sastava i mikrostrukture. Mikrostruktura materijala nastaje djelovanjem tehnoloških postupaka praoblikovanja, preoblikovanja i oplemenjivanja na materijal određenog kemijskog sastava. Svojstva materijala određena su njegovom mikrostrukturom i kemijskim sastavom. U znanosti o materijalima proučavanje se zadržava upravo na ispitivanju, razumijevanju i


5

predviđanju navedenih povezanosti kemijskog sastava, mikrostrukture i svojstava materijala (slika 4), dok se ostale temeljne znanosti (npr. fizika i kemija) bave istraživanjem i proučavanjem tvari na razini građe atoma, kemijskih reakcija i povezivanja atoma u određene strukture (čvrstog, tekućeg i plinovitog stanja). U proučavanju mikrostrukture i svojstava metala, legura i keramike polazna razina proučavanja bit će njihova kristalna rešetka, odnosno njoj pripadna jedinična ćelija.

Slika 4. Razine građe materijala i područje istraživanja znanosti o materijalima 2.2 Kristalni sustav i pojave u kristalnoj strukturi Čiste tvari u čvrstom stanju pokazuju karakterističnu građu: od kristalične do amorfne. Kristalična tvar pojavljuje se u obliku monokristala ili polikristala. Svaki kristal ima određen geometrijski oblik koji je posljedica unutrašnje građe tj. rasporeda strukturnih jedinica - atoma, iona i molekula. Prostorni raspored strukturnih jedinica ponavlja se u svim smjerovima u prostoru i naziva se prostorna rešetka. Najmanji dio prostorne rešetke, koji se ponavlja u prostoru, naziva se jedinična ili elementarna ćelija.

Za opis i ispitivanje kristalne građe definira se kristalni sustav (analogno definiranju geometrijskog koordinatnog sustava). Kristalni sustav (slika 5) sastoji se od:

- kristalnih osi simetrije: x, y , z (poklapaju se sa stranicama jedinične ćelije). - kutova između osi: α, β, γ. - parametara po kristalnim osima: a,b,c (najmanja međusobna udaljenost atoma).


6

Osim ovih osnovnih elemenata, za svaki kristalni sustav mogu se izvesti dodatni parametri: - pripadni broj atoma (PBA): je broj atoma koji pripada jednoj jediničnoj ćeliji, - koordinacijski broj (KB): je broj atoma koji ''dodiruju'' pojedini atomi, ili broj

najbližih susjednih atoma, - faktor gustoće slaganja atoma (FGSA): pokazuje kako je iskorišten prostor kojim

atomi raspolažu u promatranom kristalnom sustavu

Slika 5. Osnovni elementi kristalnog sustava

Sve kristalne strukture mogu se prikazati s četrnaest vrsta jediničnih ćelija razvrstanih u sedam kristalnih sustava: kubični, teragonski, rompski ili ortorompski, trigonski ili romboedarski, monoklinski, triklinski i heksagonski. Tako je kristalna struktura određena jediničnom ćelijom koja je određena dimenzijama, tj. razmakom pojedinih strukturnih jedinica, kao i njihovim rasporedom i brojem u jediničnoj ćeliji.

Većina tehničkih metalnih materijala kristalizira u kubičnom kristalnom sustavu, a samo njih nekoliko u heksagonskom sustavu (slika 6). U kubičnom kristalnom sustavu metali kristaliziraju u obliku prostorno centrirane jedinične ćelije (BCC) ili u obliku plošno centrirane jedinične ćelije (FCC). U BCC jediničnoj ćeliji atomi metala se dodiruju duž njene prostorne dijagonale (npr. α-Fe, Cr, Mo). U FCC jediničnoj ćeliji atomi se dodiruju na njenim plošnim dijagonalama (γ-Fe, Cu, Al, Au, Ag). U heksagonskom kristalnom sustavu za tehničke materijale je najvažnija gusto složena heksagonska jedinična ćelija (HCP) u kojoj su atomi različito složeni u dvije naizmjenično ponavljane ravnine (npr. Zn, Co, Cd).

FCCHCPBCC

Slika 6. Najznačajnije jedinične ćelije


7

Unutar svake jedinične ćelije mogu se uočiti ravnine i pravci najgušće zaposjednutosti atomima koji čine klizni sustav metala (ili legure) (slika 7):

klizni sustav = klizne ravnine + klizni pravci

Klizni sustav omogućuje deformaciju metala pojedinačnim pomacima atoma ili linija atoma, (reda veličine parametra rešetke) na kliznoj ravnini ili pravcu. Za ovakav pomak potrebne su značajno manje sile, nego za istovremeno pomicanje svih atoma na nekoj ravnini u cijelom kristalu. Stoga se plastična deformacija na razini prostorne rešetke odvija slično gibanju gusjenice. Ovo je ilustrirano na slici 8 na primjeru rastezanja dugačkog štapa pod djelovanjem sile F. U makroskopskoj pojavi plastična deformacija se sastoji od niza manjih stepenastih pomaka pod određenim kutom na smjer djelovanja sile F, a na razini mikrostrukture se sastoji od niza uzastopnih pomaka atoma u kliznom sustavu prostorne rešetke.

Slika 7. Primjeri kliznih sustava FCC, BCC i HCP jedinične ćelije

Slika 8. Nastanak plastične deformacije metala: a) smjer i oblik plastične deformacije dugačkog štapa pri rastezanju silom F b) napredovanje plastične deformacije u kristalnoj rešetki Neka svojstva kristala određene tvari različita su u različitim smjerovima. Tu pojava se naziva anizotropija, dok se pojavu kada su svojstva ista u svim smjerovima naziva izotropija. Kristalne tvari su uobičajen polikristalne, tj. sastavljene od velikog broja kristalnih zrna. Kristalna zrna mogu biti pojedinačno anizotropnih svojstva, no zbog različite orijentacije pojedinačnih zrna u prostoru, tvar se makroskopski ponaša kvazi izotropno.

Kristali pojedinih tvari (Fe, Ti, Zr, itd. )mogu imati više vrsta jediničnih ćelija, ovisno o temperaturi i tlaku. Promjena kristalnog sustava s ugrijavanje ili hlađenjem naziva se polimorfija ili alotropija. Najpoznatija i tehnički najvažnija pojava polimorfije je ona kod


8

željeza (slika 9). Pri tome se uočava temperaturna histereza, tj. razlika u temperaturi na kojoj nastupa promjena kristalnog sustava pri grijanju, u odnosu na istu promjenu pri hlađenju.

Slika 9. Polimorfne promjene čistog željeza pri hlađenju i grijanju 2.3 Kristali metalnih legura i nesavršenosti kristalne građe Samo nekoliko metala se upotrebljava čistom ili približno čistom stanju (npr. bakar i aluminij). Međutim, većina inžinjerskih metala legira sa drugim metalima ili nemetalima da im se poboljšaju određena tehnička svojstva (npr. čvrstoća, korozijska otpornost itd.). Legura ili slitina je tvar koju čine dva ili više kemijskih elemenata, od kojih je barem jedan kemijski element metal, a drugi mogu biti metali ili nemetali. Strukture legura mogu biti vrlo jednostavne kao npr α- mjed koja je dvokomponentna ili binarna legure od oko 30 % Zn i 70 % Cu. Također, legure mogu biti i vrlo složene kao što su "superlegure" na osnovi nikla, koje služe za djelove mlaznih motora, a u njihovu sastavu je i do 10 elemenata. Namjerno dodane primjese nazivaju se legirajući dodatak, a ostale primjese se nazivaju nečistoćama. Pri legiranju mogu nastati slijedeće vrste legura (slika 10):

I. Kristali mješanci ili tzv. čvrste otopine, kod kojih elementi tvore zajedničku prostornu rešetku (tj. sačuvana je rešetka osnovnog metala ili legirnog elementa).. Ovisno o veličini atoma legirnih elemenata mogu nastati

a) supstitucijski kristali mješanci - primarne čvrste otopine u kojima elementi osnovnog metala i elementi legirnog metala tvore zajedničku kristalnu rešetku ;

b) intersticijski kristali mješanci – čvrste otopine u kojima su atomi legirnih elemenata (nemetala) značajno su manji od atoma osnovnog metala i smještaju se u praznine kristalne rešetke.

II. Kristali u kojima elementi tvore novu zajedničku rešetku:

a) kristali intermetalnog spoja – obje komponente u čvrstoj otopini su metali (npr. β-CuZn, γ-Cu5Zn8, ε-CuZn3)

b) kristali kemijskog spoja - jedna komponenta je nemetal (npr MnS).


9

III. Miješani kristali - čvrste otopine u kojima je jedna komponenta potpuno netopljiva u drugoj (npr. Cu-Pb legure)

FCCBCCCu

Ni

Fe

C

Slika 10 Kristali mješanci: a) supstitucijski, b) intersticijski Kristalna građa čistih tvari i legura je u pravilu neasvršena, tj. unutar kristalnih zrna i na njihovim granicama postoji niz nepravilnosti (nesavršenosti) koje mogu biti:

1. Točkaste (nuldimenzijske) nesavršenosti: praznine (vakancije), intersticijski ili supstitucijski atom

2. Linijske (jednodimenzijske) nesavršenosti: dislokacije 3. Površinske (dvodimenzijske) nesavršenosti: granice zrna, granice faza 4. Volumne (trodimenzijske): uključci, mjehuri plinova, poroznosti.

a) b) c)

Slika 11. Nesavršenosti u kristalonoj građi metala i legura: a) točkaste neasvršenosti, b) dislokacije, c) granice zrna 2.4 Dijagrami stanja metalnih materijala Dijagrami stanja ili fazni dijagrami ili dijagrami slijevanja (engleski “phase diagrams”) grafički su prikazi koji pokazuju koje faze i fazni konstituenti su prisutni u materijalnim sustavima na različitim temperaturama i tlakovima za različite kemijske sastave legure. Faza je fizikalno i kemijski homogeni dio legure koji se po strukturi i/ili po kemijskom sastavu


10

razlikuje od drugih dijelova. Većina dijagrama stanja konstruirana je za ravnotežne ili približno ravnotežne uvjete. Dijagrami stanja služe inženjerima i znanstvenicima za razumijevanje i predviđanje ponašanja materijala u različitim uvjetima.

Najjednostavniji dijagrami stanja jesu oni za binarne legure. Njihovoj konstrukciji prethodi snimanje krivulja ohlađivanja (slika 12). Krivulje ohlađivanja čistog metala uobičajeno pokazuju izotermni zastoj u hlađenju, pri čemu se odvodi latentna toplina i nastaje skrućivanje metala. Krivulje hlađenja legura metala, pokazuju samo promjenu nagiba krivulje hlađenja, unutar intervala temperatura skrućivanja. Ako se snimanje krivulja hlađenja ponovi za više udjela legirnog elementa i rezultati se prikažu u zajedničkom dijagramu s udjelom legirnog elementa na apscisi, a temperaturama početka i završetka skrućivanja na ordinati dobiva se binarni dijagram stanja (slika 13).

Slika 12 Krivulje vrlo sporog hlađenja: a) čistog metala, b) legure metala

Slika 13 Konstrukcija binarnog dijagrama stanja legure A-B (komponenta B potpuno je topiva u osnovnom metalu A): a) krivulje hlađenja legura A-B; b) dijagram stanja


11

Iz binarnog dijagrama stanja moguće je primjenom jednostvnog polužnog pravila i zakona očuvanja mase odrediti udjel taline (T) i krutine (K) za zadanoj temperaturi (slika 14). Proračun masenih udjela faza u binarnom dijagramu za zadanu temperaturu temelj je analize skrućivanja legura i predviđanja njihove mikrostrukture. Na slici 15 prikazan je dijagrama stanja legure Cu-Ni (Ni se potpuno otapa u kristalnoj rešetci Cu) i provedena je analiza skrućivanja legure Cu – 25 %Ni.

Polužno pravilo:

w(T) + w(K) = 100 % (1) w(T) ⋅ a = w(K) ⋅ b (2.a)

a = X1 – XT (2.b) b = XK – X1 (2.c)

Slika 14. Određivanje masenog udjela taline w(T)=? i krutine w(K)=? na temperaturi ϑ1

(3.a)

(3.b)

Slika 15. Analiza skrućivanja legure Cu-25%Ni u dijagramu stanja Cu-Ni Prema topivosti legirnog elementa u osnovnom metalu dijagrami stanja mogu biti:

a) dijagrami potpune topivosti (u tekućem i krutom stanju) (npr. legure Cu-Ni, slika 15) b) eutektički dijagrami, tj. dijagrami stanja legure potpune topivosti u tekućem stanju i

djelomične topivosti u čvrstom stanju (npr. legure Pb-Sn, slika 16)


12

c) eutektoidni dijagrami, tj. dijagrami stanja legura s alotropskom modifikacijom, kod kojih nastupaju dvije kristalizacije: primarna kristalizacija krutine iz taline i sekundarna kristalizacije novih faza pri promjeni tipa kristalne rešetke. Eutektoidni dijagram stanja nastaje kad postoji djelomična topivost legirnih elemenata u osnovnom metalu pri sekundarnoj kristalizaciji u čvrstom stanju (slika 17).

Slika 16. Analiza skrućivanja legura u eutektičkom dijagramu stanja legura Pb-Sn

Slika 17. Opći oblik dijagrama dijagrama stanja s potpunom topivosti komponenata u

primarnoj kristalizaciji i djelomičnom topivosti u sekundarnoj kristalizaciji (eutektoidni dijagram)


13

Jedan od najpoznatijih i najviše korištenih binarnih dijagrama stanja je Fe-C dijagram metastabilne kristalizacije (slika 18). Metastabilna kristalizacija nastaje pri realno sporom hlađenju Fe - C legura, pri kojem će ugljik koji nije otopljen u kristalima mješancima željeza (δ, γ, α) kristalizirati u obliku željeznog karbida Fe3C, cementita. Primarna kristalizacija Fe-C legura iz taline je eutektička, a sekundarna kristalizacija je eutektoidna.

Tijekom primarne kristalizacije iz taline Fe-C s manje od 4,3 %C izlučuju se kristalna zrna austenita s FCC jediničnom ćelijom (kao primarni austenit, γ' i eutektički austenit γe). Ako je u Fe-C leguri od 4,3 do 6,67%C iz taline se izlučuju kristali (primarnog) cementita (Fe3C'). Na eutektičkoj temperaturi od 1147 °C sva preostala talina kristalizira u obliku eutektika ledeburita (L) koji je po strukturi smjesa austenita i cementita (tj. L = γe + Fe3Ce).

Tijekom hlađenja od eutektičke do eutektoidne temperature (723 °C ) kod Fe-C legura s manje od 0,8 %C nastupa sekundarna kristalizacija (FCC jedinične ćelije u BCC ćeliju) pri kojoj se iz austenita izlučuje primarni ferit (F, mikrostrukturna faza željeza s BCC jediničnom ćelijom). Kod Fe-C legura s više od 0,8 %C iz austenita se izlučuje višak ugljika i spaja se s željezom u sekundarni cementit (Fe3C'') koji se izlučuje po granicama austenitnih zrna. Na eutektoidnoj temperaturi A1 = 723 °C sav nerastvoreni austenit pretvara se u eutektoid perlit, koji je po strukturi smjesa eutektoidnog ferita i cementita (P = αid + Fe3Cid).

a)

Mikrostrukturne faze (konstituenti): F ... ferit (α’, αid) A ... austenit (γ’, γe) K ... karbid:(cementit) (Fe3C’, Fe3Ce, Fe3C’’, Fe3Cid) Pseudo faze (konstituenti): L ... ledeburit (eutektik) L = γe + Fe3Ce P ... perlit (eutektoid) P = αid + Fe3Cid

b) c) d) Fe-C legura s 0,45 %C Fe-C legura s 0,8 %C Fe-C legura s 1,2 %C

Slika 18. a) Shematski prikaz faza u dijagramu stanja metastabilno skrućenih legura Fe-C Mikrostruktura Fe - C legura (nagriženo 3%NITAL) s: b) 0,45 %C; c) 0,8 %C; d) 1,2 %C


14

3. SVOJSTVA TEHNIČKIH MATERIJALA 3.1 Mehanička svojstva Mehanička svojstva ističu se između ostalih svojstava materijala, jer se na temelju njih provodi dimenzioniranje konstrukcijskih dijelova i alata, izbor optimalnog materijala, kontrola kvalitete (na ulazu u proizvodnji i po izlasku završenog proizvoda) i određivanje radnih parametara proizvodnih procesa. Mehanička svojstva materijala određena su (kao i ostala svojstva) njegovom mikrostrukturom, a ona je je nastala primjenom određenih proizvodnih procesa na materijal određenog kemijskog sastava. Ispitivanja mehaničkih svojstava detaljno su propisana normama, pri čemu se uobičajeno navode oblik i mjere ispitnog uzorka, uvjeti okoliša te način, brzina i trajanje djelovanja opterećenja. Navedeni uvjeta ispitivanja (tablica 1, slika 19) međusobno se kombiniraju, što daje više od stotinu potencijalno mogućih ispitivanja mehaničkih svojstava, kojim se nastoje oponašati sile i opterećenja na materijal u eksploataciji. Naravno, nisu sve kombinacije uvjeta ispitivanja prisutne u eksploataciji konkretnog proizvoda, pa se niti ne provode sva teorijski moguća ispitivanja, već samo ona koja su mjerodavna i cijenom prihvatljiva za konkretnu seriju proizvoda. Stoga se uobičajeno provode slijedeća mehanička ispitivanja: statički vlačni pokus, ispitivanje tvrdoće i ispitivanje žilavosti. Kod konstrukcijskih dijelova koji su u radu opterećeni dinamičkim opterećenjima dodatno se ispituje se dinamička izdržljivost i pukotinska žilavost. Kod dijelova koji su u radu izloženi povišenim temperaturama uz određeno stalno opterećenje provodi se dodatno ispitivanje otpornosti materijala na puzanje na povišenim temperaturama.

Tablica 1. Sistematizacija uvjeta ispitivanja mehaničkih svojstava

Slika 19. Tipični slučajevi djelovanja opterećenja i nastale deformacije ispitnog uzorka


15

Vanjske sile koje djeluju na tijelo (ispitni uzorak) nastoje razdvojiti ili približiti pojedine dijelove mikrostrukture, čemu se suprotstavljaju unutrašnje sile između atoma i ostalih složenijih dijelova mikrostrukture. Kao rezultat istovremenog djelovanja vanjskih i unutrašnjih sila tijelo se deformira. Vlačna naprezanja izazivaju udaljavanje, a tlačna približavanje dijelova mikrostrukture i čestica tijela, što izaziva deformaciju tijela. U većini slučajeva deformacija obuhvaća promjenu volumena i oblika tijela. Prema postojanosti promjene volumena i oblika tijela deformacija može biti:

- elastična (isčezava po prestanku opterećenja) - plastična (trajna) (trajno mijenja volumen i oblik tijela) - elasto-plastična (sastavljena od elastične i plastične deformacije)

3.1.1 Statički vlačni pokus Statički vlačni pokus služi ispitivanju elastičnog i plastičnog ponašanja materijala u uvjetima jednoosnog statičkog vlačnog naprezanja. Uslijed djelovanja sile F u svim točkama poprečnog presjeka štapa (ploštine S0) nastaju vlačna naprezanja, σ (N/mm2) :

0SF

=σ (4)

Djelovanje normalnih vlačnih naprezanja σ izaziva produljenje štapa ∆L, odnosno relativno produljenje ε,

0LL∆

=ε (5)

Kod elastične deformacije iznos normalnog naprezanja na poprečnom presjeku štapa ovisi o relativnom produljenju ε i fizikalno-mehaničkim svojstvima materijala prema Hooke-ovom zakonu (tablica 2):

εσ ⋅= E (6) E ... Modul elastičnosti (Young-ov modul) (N/mm2, MPa)

Tablica 2. Dijagram naprezanje – deformacija elastičnog materijala i iznosi modula

elastičnosti nekih tehnički značajnih materijala


16

Izgled i mjere ispitne epruvete za statički vlačni pokus prikazani su na slici 20. Uobičajeno se za ovaj pokus izrađuju dugačke epruvete, kod kojih je :

00 30,11 SL ⋅= (7.a)

U slučaju nedovoljne količine materijala izrađuju se kratke epruvete kod kojih je:

00 65,5 SL ⋅= (7.b)

Tijekom statičkog vlačnog pokusa na kidalici se snima dijagram promjene sile i produljenja epruvete (slika 21). Pri tome se epruveta isteže uz prirast naprezanja manji od 10 N/mm2 u sekundi. Iz dijagrama sila-produljenje primjenom jednadžbi (4), (5), (8) i (9) konstruira se dijagram naprezanje-deformacija (slika 22).

L0 ... Početna mjerna duljina (m) d0 ... Početni promjer (m) S0 ... Ploština početnog presjeka (m2)

Slika 20 Osnovni oblik ispitne epruvete za statički vlačni pokus prema normi DIN 50 115

a) b) c) Slika 21 a) Dijagram promjene sile F na kidalici i produljenja epruvete ∆L (meki čelik); b) Način opterećivanja epruvete tijekom ispitivanja; c) Epruveta nakon loma

0LLL −=∆ ... produljenje (8)

0LLL uu −=∆ ... ukupno produljenje (9)

Dijagram naprezanje-deformacija kvalitativno je sličan dijagramu sila-produljenje. Prvi dio dijagrama naprezanje –deformacija pokazuje linearno ponašanje materijala prema Hooke-


17

ovom pravcu. Ako bi se u ovom području naprezanja epruveta rasteretila, vratila bi se na polazne mjere, jer je u materijalu prisutna samo elastična deformacija.. Nakon što naprezanje u materijalu dostigne vrijednost Re - iznos granice razvlačenja, on se počinje plastično deformirati (''teći'') bez dodatnog povećanja naprezanja Granica razvlačenja je jednaka:

0SF

R ee = N/mm2 (10)

Daljnje produljenje epruvete događa se uz nesrazmjerno malo povećanje naprezanja za iznos nastale deformacije, tj. materijal je ušao u područje elasto-plastičnih ili (trajnih) plastičnih deformacija. Naprezanje u materijalu kod najveće sile (Fm) naziva se vlačnom ili rasteznom čvrstoćom Rm i jednako je:

0SF

R mm = N/mm2 (11)

Naprezanje Rm nije i u stvarnosti maksimalno naprezanje u materijalu, jer se pri njegovom određivanju ne uzima u obzir smanjenje površine presjeka epruvete, već se sva naprezanja računaju s početnom ploštinom presjeka S0. Nakon što materijal dostigne vrijednost Rm na određenom mjestu epruvete pojavljuje se suženje, tzv. vrat epruvete. Naprezanje kod kojeg epruveta puca naziva se konačnim naprezanjem Rk i jednako je:

0SF

R kk = N/mm2 (12)

Slika 22. Dijagram promjene naprezanja ispitne epruvete u ovisnosti o produljenju (dijagram naprezanje σ - istezanje ε) konstruiran na temelju dijagrama za konstrukcijski čelik (slika 21)

Nakon kidanja epruvete određuje se njeno ukupno istezanje εu:

00

0

LL

LLL uu

u∆

=−

=ε mm/mm (13)

Ako se vrijednost istezanja nakon kidanja izrazi u postotcima dobiva se istezljivost, A

%100⋅= εA % (14)


18

Kao dodatna veličina nakon kidanja epruvete određuje se suženje poprečnog presjeka (kontrakcija), Z:

%1000

0 ⋅−

=S

SSZ u % (13)

Kod materijala s neizraženim prijelazom iz elastičnog u elasto-plastično područje deformacije određuje se konvencionalna granica razvlačenja kao ono naprezanje koje izaziva trajnu (plastičnu) deformaciju od 0,2 % (slika 23)

Slika 23. Dijagram naprezanje σ - istezanje ε za materijale s neizraženim prijelazom iz elastičnog u plastično područje – određivanje konvencionalne granice razvlačenja Rp0,2

Na izgled i vrijednosti očitane iz dijagrama σ-ε značajno utječe temperatura. S povišenjem temperature krivulje naprezanje-deformacija se potiskuju prema dolje (slika 24.a). Pri sniženju temperature, u odnosu na sobnu temperaturu, materijal pokazuje sve veću granicu razvlačenja, ali puca uz manje iznose ukupnog istezanja (slika 24.b)

a) b)

Slika 24. a) Utjecaj povišenja temperature na σ - ε dijagram (T3>T2>T1>T0) b) Utjecaj sniženja temperature na σ - ε dijagram (T2<T1<T0)


19

3.1.2 Ispitivanje puzanja Puzanje materijala je toplinski aktivirani, nepovratni proces deformacije materiajla koji nastaje u uvjetima konstantnog opterećenje tijekom duljeg vremena na povišenoj temperaturi (slika 25). Na puzanje materijala utječu: temperatura tališta, tip atomske veze, vrsta jedinične ćelije i mikrostrukturno stanje materijala. Otpornost na puzanje opisuju slijedeća mehanička svojstva (slika 26):

- granica puzanja Rpε/t/ϑ: vlačno naprezanje koje pri temperaturi ispitivanja ϑ nakon određenog trajanja ispitivanja t ostavlja u epruveti trajnu deformaciju ε;

- statička izdržljivost Rm/t/ϑ: vlačno naprezanje koje pri temperaturi ϑ nakon zadanog trajanja ispitivanja t dovodi do loma epruvete.

Slika 25. Dijagrami naprezanje-deformacija pri dvjema povišenim temperatuarama ispitivanja

za isti materijal (npr. čelik za kotlovske limove)

Slika 26. Dijagram puzanja


20

3.1.3 Ispitivanje tvrdoće Tvrdoća se opisno definira kao otpornost materijala prema prodiranju ili zarezivanju drugim znatno tvrđim tijelom. Pri tome ovo tvrđe tijelo može biti dijamant (kao najtvrđi prirodni materijal) ili neki drugi tvrdi materijal (kaljeni čelik, tvrdi metal).

Tvrdoća nije fizikalno egzaktno definirano svojstvo, međutim njeno ispitivanje je jednostavno, brzo, bez većeg oštećivanja površine materijala, a dobiveni rezultati su u dobroj korelaciji s nekim drugim mehaničkim svojstvima (npr. Rm). Za ispitivanje tvrdoće nisu potrebni posebno izrađeni uzorci već je ispitivanje moguće, ovisno o metodi, na poluproizvodima ili čak na gotovim proizvodima. Od niza metoda ispitivanja tvrdoće u strojarstvu se ističu slijedeće tri, nazvane prema autorima koji su ih prvi primijenili:

- metoda po Brinellu

- metoda po Vickersu

- metoda po Rockwellu.

Kod Brinell-ove metode je tijelo koje se utiskuje u metal kuglica od zakaljenog čelika. Tijelo koje se utiskuje općenito se naziva penetrator ili indentor. Za ispitivanje tvrđih materijala koristi se kuglica od tvrdog metala. Po ovoj metodi se mjeri isključivo tvrdoća metalnih materijala. Nakon utiskivanja zadanom silom i vremenom nastaje otisak u obliku kalote (slika 26). Između srednjeg promjera otiska, promjera kuglice i sile utiskivanja postoji ovisnost prema jednadžbi:

( )22

. 204,0

dDDD

FSFHB

def

−−⋅⋅

⋅==π

(14)

F - sila, N S - ploština kugline kalote, mm2 D - promjer kuglice, mm d - promjer baze kugline kalote (otiska) ,mm.

Slika 26. Skica kuglice i otiska kod Brinell-ove metode

Kod Brinell-ove metode se tvrdoća određuje na temelju veličine otiska. Promjer čelične kuglice D može biti od 1 do 10 mm (1, 2, 2.5, 5 i 10 mm), a sila kojom se opterećuje kuglica F treba biti takva da je zadovoljena slijedeća jednadžbe:

d = (0,24 - 0,6) ⋅ D (15)

Ako je promjer otiska (d) manji od 0,24D primijenjena sila F je premala, odnosno ukoliko je d>0,6D sila F je bila prevelika. Stoga je vidljivo da je rezultat ispitivanja tvrdoće prema Brinell-ovoj metodi


21

ovisan o primijenjenoj sili i ispitivanom materijalu, tj. izbor sile F i promjera kuglice treba provesti prema tzv. stupnju opterećenja, X:

102,0DXF

2⋅= (16)

Konstanta X je npr. Fe-C legure X = 30, za Cu i Cu-legure X = 10 , za Al i Al-legure X = %, za Sn i Pb X = 1,25 itd. Ovisnost sile utiskivanja kuglice F o promjeru kuglice D i ispitivanom materijalu, uz ograničenje metode na ispitivanje tvrdoće materijala do 450 HB (odnosno najviše 600 HB) i relativno velik otisak, glavni su nedostaci Brinell-ove metode ispitivanja tvrdoće. Primjena metode je uglavnom za ispitivanje tvrdoće mekših materijala (željeznih lijevova, nekaljenih čelika, aluminija i njegovih legura, bakra i njegovih legura itd.) u ljevaonicama i tehnološkoj kontroli kvalitete. Vrijednost izmjerene tvrdoće Brinellovom metodom piše se npr. na slijedeći način:

HB10/29420/15=200

što znači da je kuglica promjera D = 10 mm opterećivana silom F=29420 N (3000 kp) u trajanju od 15 sekundi.

Ispitivanje tvrdoće metodom Vickers otklanja prethodno navedene glavne nedostatke Brinell-ove metode. Po metodi Vickers moguće je ispitivati tvrdoću svih tehničkih i prirodnih materijala, a tvrdoća nije ovisna o primijenjenoj sili. Ovo je ostvareno primjenom dijamantnog indentora posebne geometrije, u obliku istostranea četverostrane piramida s kutom između stranica od 136°. Ovakav indentor omogućuje ispitivanje tvrdoće neovisne o primijenjenoj sili, pa se tvrdoća mekanih materijala i tvrdih materijala može ispitivati primjenom iste sile. Utiskivanjem ovakvog penetratora u materijalu ostaje otisak oblika piramide (slika 27). Tvrdoća se određuje prema jednadžbi (17) pri čemu se mjernim mikroskopom izmjere dijagonale (d1, d2) baze piramide otisnute u materijalu.

2

. 189,0d

FSFHV

def ⋅== (17)

F - primijenjena sila, (F = 49 ... 981 N) S - površina šuplje piramide otisnute u materijalu, mm2 d –srednja vrijednost dijagonala baze piramide u mm, d=(d1+d2)/2, mm

d2 d 1

h

F

136o

Slika 27. Shematski prikaz indentora i otiska kod ispitivanja tvrdoće po metodi Vickers


22

Kod Vickersove metode tvrdoća se određuje na osnovi veličine otiska. Mjerno mjesto prije ispitivanja tvrdoće treba biti odgovarajuće pripremljeno (brušeno i eventualno polirano) da bi se osigurala refleksija svjetlosti za mjerenje dijagonale otiska u mjernom mikroskopu. Upotreba određene sile ovisi od debljine uzorka. Moguće je ispitivati i vrlo tanke uzorke primjenom male sile. Nadalje upotrebom male sile moguće je ispitati tvrdoću pojedinih kristalnih zrna i mikrostrukturnih faza. Vickers-ova metoda općenito je primjenjiva u laboratorijskim ispitivanjima i kontroli kvalitete tehničkih materijala i proizvoda. Vrijednosti Vickers-ove tvrdoće navode se uz simbol HV, iza kojeg slijedi indeks koji se odnosi na iznos primijenjenog opterećenja, npr. (npr. HV5 = 500, znači da je sila utiskivanja iznosila 5 kp odnosno 49 N).

Kod metode ispitivanja tvrdoće prema Rockwell-u C u metal se utiskuje dijamantni stožac (engl. "cone" - HRC metoda) s vršnim kutom od 120°. Kod ove metode se, za razliku od Brinell-ove i Vickers-ove metode, mjeri dubina prodiranja penetratora, a ne veličina otiska. Za ispitivanje metodom Rockwell C dovoljno je mjerno mjesto očistiti i grubo brusiti. Ispitivanje tvrdoća po HRC metodi se provodi u tri koraka (slika 28): prvo se indentor predopterećuje silom F=98 N, da bi se eliminirao utjecaj kvalitete površine na rezultat mjerenja. U drugom koraku indentor se opterećuje glavnim opterećenjem F=1373 N koje se dodaje na predopterećenje i zajedno utiskuju indentor do određene dubine (od 0 do 0,2 mm). Dubina prodiranja od 0,2 mm podijeljena je na 100 jednakih dijelova. U trećem koraku, nakon uklanjanja glavnog oterećenja materijal ''izgura'' indentor za iznos elastične deformacije na dubinu prodiranja koja je nastala kao rezultat plastične deformacije. Na mjernoj uri tvrdomjera može se očitati iznos dubine prodiranja indentora, ali i iznos ispitane tvrdoće u jedinicama HRC. Metoda prema Rockwell-u primjenjiva je za ispitivanje tvrdoće kaljenih čelika (u kontroli kvalitete, kalionicama i laboratorijima), u rasponu tvrdoća od 20 do 65 HRC uz nepreciznost ± 2 HRC.

Slika 28. Shematski prikaz ispitivanja tvrdoće po metodi Rockwell C 3.1.4 Udarni rad loma Ispitivanje udarnog rada loma provodi se s ciljem utvrđivanja ponašanja materijala u uvjetima udarnog opterećenja. (na sobnoj temperaturi i sniženim temperaturama) Iznos udarnog rada loma je pokazatelj "žilavosti" ili "krhkosti" materijala udarno opterećenih epruveta s utorom. Najčešće se ispitivanje udarnog rada loma provodi na Charpy-evom batu (slika 29.a). Bat težine G podiže se na visinu h1 te s obzirom na ravninu u kojoj se nalazi ispitni uzorak, posjeduje potencijalnu energiju G·h1, (N·m = J). Puštanjem bata iz početnog položaja njegova potencijalna energija prelazi u kinetičku. U najnižem položaju sva se potencijalna energija pretvorila u kinetičku energiju. U tom trenutku brzina bata (v) iznosi 6 m/s. Ukoliko na oslonac nije postavljen ispitni uzorak bat se penje na istu visinu s koje je i pušten (ako se zanemari trenje u ležaju i otpor zraka). Udarni rad loma računa se prema jednadžbi:

KU(V)=G·h1-G·h2=G· (h1-h2), J (18)


23

Izgled i dimenzije ispitnih uzorka navedeni su na slici 29.b. Ovisno o obliku utora razlikuje se udarni rad loma ispitan s zaobljenim utorom (oznaka KU) od onog ispitanog s oštrim utorom (oznaka KV). Dubina "U" utora može biti 3 ili 5 mm, a "V" utora je 2 mm. Epruvete s zaobljenim utorom primjenjuju se za krhke materijale, a one s oštrim za duktilne materijale.

Vrijednost udarnog rada loma vrijedi kao takva samo za određeni utor i ne može se kao npr., vrijednost Re koristiti kao računska veličina pri dimenzioniranju dijelova. Što je udarni rad loma veći to je i materijal žilaviji. U pravilu materijali veće istezljivosti A imaju i veću KU(V) i obrnuto. Nasuprot tome materijali visoke čvrstoće najčešće imaju mali udarni rad loma. Kod nekih je materijala udarni rad loma se značajno snižava sa sniženjem temperature ispitivanja, ovisno o vrsti kristalne rešetke, odnosno vrsti materijala (slika 30).

Ispitni uzorak sa zaobljenim utorom

10

10

3

55

Ispitni uzorak s oštrim utorom

10

10

2

55

a) b) Slika 29. a) Ispitivanje udarnog rada loma na Charpy-evom batu; b) ispitni uzorci

Legenda: 1 - metali i legure s FCC jediničnom ćelijom 2 - metali i legure s BCC jediničnom ćelijom, keramički

i polimerni materijali 3 - visoko čvrsti materijali (npr. alatni čelici)

Slika 30. Ovisnost udarnog rada loma o temperaturi za različite tehničke materijale

3.1.5 Dinamička izdržljivost


24

Elementi strojeva i mehatronički dijelovi često puta su u radu izloženi promjenjivom opterećenju koje u materijalu izaziva dinamička naprezanja. Ova naprezanja mogu izazvati lom konstrukcijskog dijela iako su iznosom manja od granice tečenja Re određene u uvjetima statičkog vlačnog pokusa. Ova pojava naziva se lom od umora materijala. Stoga dimenzioniranje dinamički opterećenih dijelova i konstrukcija treba provesti prema vrijednosti dinamičke izdržljivosti materijala. Ispitivanjem umora (dinamičke izdržljivosti) utvrđuje se ponašanje metalnih i polimernih materijala u uvjetima promjenjivog (dinamičkog) naprezanja na umaralicama ili pulzatorima. U ispitivanjima je uobičajena je vremenski ovisna promjena dinamičkog naprezanja prema sinusoidnom zakonu (slika 31).

Slika 31 Sinusoidna promjena dinamičkog naprezanja Da bi se utvrdila "dinamička izdržljivost" materijala ispitne epruvete moraju biti fino brušene i polirane. Ispitivanje dinamičke izdržljivosti provodi se sa zadanim iznosom gornjeg i donjeg naprezanja i određenom vremenski ovisnom promjenom opterećenja. Početno gornje naprezanje jednako je granici tečenja materijala Re, a zatim se snižava na nekoliko nivoa. Za svaki nivo naprezanja treba je u pravilu 6 do 10 epruveta.

Iz rezultata ispitivanja konstruira se Wöhlerov dijagram,na čiju os ordinata se nanosi primjenjeno naprezanje, a na os apscisa broj ciklusa koje je epruveta izdržala do loma (slika 32). Što je dinamičko naprezanje manje to će i ispitne epruvete izdržati veći broj ciklusa do loma, tj. Wöhlerova krivulja se asimptotski približava određenoj vrijednosti naprezanja nazvanoj dinamička izdržljivost materijala.

Dinamička izdržljivost Rd je ono najveće promjenljivo (dinamičko) naprezanje koje materijal izdržava uz praktički beskonačan broj ciklusa bez pojave loma.

Ispitivanje na umaralicama nije moguće provoditi beskonačno dugo. Zbog toga se određuje Ng - granični broj ciklusa, koji se smatra dovoljnim za tvrdnju da ukoliko ga epruvete izdrže bez loma onda su dinamički izdržljive. Vrijednost graničnog broja ciklusa iznosi :

Ng = n·107 ciklusa (19)

gdje n može biti od 1 do 10 (maksimalno 20), ovisno o ispitivanom materijalu i njegovoj primjeni. Za čelik n = 1, za Cu i Cu-legure n = 5, za lake metale (Al, Mg, Ti) i njihove legure n = 10.


25

Slika 32. Konstrukcija Wöhler-ovog dijagrama i određivanje dinamičke izdržljivosti Rd

3.2 Tribološka svojstva Svi elementi strojeva u međusobnom pomičnom kontaktu, cjevovodi, dijelovi (pneumatskih i hidrauličkih) instalacija, dijelovi konstrukcija (kao i zglobovi, zubi itd. živih organizama) podložni su trošenju (i koroziji), a na njihovim se površinama pojavljuje djelovanje sila trenja. Pojave trenja i trošenja proučava interdisciplinarna znanost – tribologija. Istraživanja na području tribologije usmjerena su na smanjivanje negativnih posljedica trenja i trošenja, koja mogu uzrokovati direktne gubitke (energije i materijala), ako i indirektne gubitke (nastale porastom troškova zastoja, održavanja, pouzdanosti, sigurnosti i utjecaja na okoliš).

Trošenje površinskog sloja je postupni gubitak materijal s površine čvrstog tijela uslijed dinamičkog dodira s drugim tijelom, fluidom i/ili česticama. Premda postoji velik broj slučajeva trošenja u njima se uvijek može prepoznati neki od četiri osnovna mehanizma treošenja ili njihovih kombinacija: abrazija, adhezija, umor površine ili tribokorozija. Prepoznavanje trošenja izvodi se na temelju izgleda trošenih površina i oblika čestica trošenja (slika 33). Trošenje navedenim osnovnim mehanizmima nastaje slijedom nekoliko karakterističnih događaja trošenja (tablica 2).

''Čista abrazij Trošenje klipa od Al-Si legure diesel motora

Istrošeni prsten kotrljajućeg ležaja

Trošenje umjetnog kralješka

Slika 33. Izgled površine nakon djelovanja osnovnih mehanizama trošenja :

Tablica 2. Jedinični događaji u osnovnim mehanizmima trošenja


26

ABRAZIJA ADHEZIJA UMOR POVRŠINE TRIBOKOROZIJA

I. Prodiranje abraziva (a) u površinu materijala (1) pod djelovanjem sile FN

II Istiskivanje materijala (čestica trošenje (č)) djelovanjem slije Ft

I. Nastanak adhezijskog spoja

II Raskidanje spoja

III Otkidanje čestice trošenja

I. Stvaranje mikropukotine

II Napredovanje mikropukotine

III Ispadanje čestice trošenja

I. Stvaranje sloja korozijskih produkata

II Razaranje sloja korozijskih produkata

Otpornost na trošenje nije jedinstveno svojstsvo, već se ispituje otpornost na trošenje određenim mehanizmom trošenja: abrazijom, adhezijom, umorom površine, tribokorozijom itd. (tablica 3) Zbog velikog broja utjecajnih čimbenika (elementi tribološkog sustav, tip i brzina relativnog gibanja, vrsta, iznos i raspodjela opterećenja, temperatura, kemijski utjecaji itd.), rezultati ispitivanja otpornosti na trošenje mogu se samo orijentacijski i kvalitativno prenositi na realne tribosustave. Tablica 3. Osnovna laboratorijska ispitivanje otpornosti na trošenje (''1'' - ispitni uzorak)

ABRAZIJA ADHEZIJA UMOR POVRŠINE TRIBOKOROZIJA

Abrazija gumenim kotačem i pijeskom (ASTM G65; ASTM 105)

Adhezijsko trošenje prizmatičnog uzorka rotirajućim prstenom (ASTM G77)

Određivanje otpornosti na umor površine kotrljajućim ispitivanjem metodom četiri kuglice (IP 300)

Ispitivanja otpornosti na neki od ostalih mehanizama trošenja u uvjetima korozijski agresivnog okoliša

Za povećanje otpornosti na abraziju preporučuje se:

- Izbor materijala s tvrdim fazama u mikrostrukturi (npr. karbidima, nitridima itd.) - Zaštita površina tvrdim slojevima i prevlakama (npr. prevlake Cr, TiN, TiAlN, itd.).

Otpornost na adheziju postiže se sastavljanjem tribološki kompaktibilnih parova, tj. parova materijala koji se međusobno ne otapaju (u čvrstom stanju) i imaju različite kristalne rešetke (npr. triboparovi metala ili legura s jediničnim ćelijama tipa: FCC/BCC, FCC/HCP, BCC/FCC ili HCP/HCP)


27

Povećanje dinamičke izdržljivosti površinskog sloja postiže se npr. postupcima pougljičavanja i kaljenja čelika za cementiranje, sačmarenjem, valjanjem površine, itd.

Povećanje otpornosti na tribokoroziju postiže se povišenjem kemijske pasivnosti materijala u radnom mediju ili okolišu slijedećim mjerama:

- izborom materijala, - zaštitom površine prevlakama ili premazima, - smanjivanjem agresivnosti radnog medija.

3.3 Korozijska svojstva Korozija je neizbježan proces oštećivanja materijala izloženog agresivnom djelovanju okoliša. Uobičajeno se u tehnici pod pojmom korozije podrazumijeva nenamjerno razaranje materijala uzrokovano fizikalnim procesima, fizikalno-kemijskim ili biološkim procesima. Prema djelovanju medija i fizikalno-kemijskim pojavama u materijalu korozijski procesi se dijele na kemijsku i elektrokemijsku koroziju.

U procesima kemijske korozije na površini materijala izravno nastaje kemijski spoj produkt korozije. Kemijska korozija se pojavljuje u neelekrolitima, vrućim oksidativnim plinovima i organskim tvarima (nafta, benzin, ulje, fiziološke tekućine...). Na slici 33 navedene su faze nastanka oksida na metalnim materijalima kemijskom korozijom.

Slika 33 Faze nastanka oksidnog filma kemijskom korozijom metalnih materijala

U procesima elektrokemijske korozije nastaju redukcijsko-oksidacijski procesi na površini dvaju metala različitog elektro-kemijskog potencijala koji su električki spojeni u prisustvu elektrolita (voda; otopine kiselina, lužina, soli; vlažno tlo; beton; atmosfera). Veća razlika elektro-kemijskog (EMS) potencijala uzrokuje jaču koroziju u kojoj se oštećuje manje plemenit metal (s negativnijim EMS potencijalom). EMS potencijal se određuje u odnosu na referentnu vodikovu elektrodu (tablica 4). Mehanizmi ove korozije prikazani su na primjeru korozije cinka (Zn) u kiselini (slika 34).

Na anodi (elektro-kemijski pozitivnijem elementu galvanskog članka) nastaju procesi oksidacije ili ionizacije metala (anodni procesi), koje se otapa u elektrolitu uz oslobađanje e-:

−+ +→ eMeMe 22 (20)


28

Tablica 4. Elektrokemijski potencijali metala u odnosu na standardnu H2 elektrodu Element Simbol Vjerojatnost korozije EMS, (V)

Kalij K -2,922 Aluminij Al -1,670 Cink Zn -0,762 Željezo Fe -0,440 Nikal Ni

AKTIVNA

-0,250 Vodik H2 Referentna elektroda 0,000 Bakar Cu +0,345 Srebro Ag +0,800 Platina Pt +1,118 Zlato Au

PASIVNA +1,680

Slika 34 Elektrokemijska korozija cinka u kiselini uz vodikovu depolarizacij Na katodi (elektro-kemijski negativnijem elementu galvanskog članka) nastaju procei redukcije ili depolarizacije u kojima se slobodni elektroni vežu na ione nemetala (vodik ili kisik) Vodikovom depolarizacijom prema jednadžbi (21) nastaje vodik u plinovitim stanju.

↑→→+ −+2222 HHeH (21)

Kisikovom depolarizacijom prema jednadžbi (22) nastaje funkcionalna skupina OH- koja se spaja s metalom i taloži na njegovoj površini porozni kemijski spoj (hrđa).

−− →++ OHeOHO 442 22 (22)

Npr. pri elektrokemijskoj koroziji željeznih materijala uz kisikovu depolarizaciju na površini željeza nastaju kemijski spojevi željeznog hidroksida i oksida:

)(2)(44234 23222 OHOFeOHFeOeOHOFe ⋅→→+++ − (23)

Ispitivanja otpornosti na koroziju provode se gravimetrijskim metodama (metode mjerenja gubitka mase nakon određenog vremena izlaganja krozijskom okolišu) elektrokemijskim metodama. Od gravimetrijskih metoda normom DIN 50 021 je obuhvaćeno ispitivanje otpornosti na koroziju u slanoj komori (tzv. Salt Spray Test), pri kojem se određuje masa ispitnih uzoraka prije i nakon izlaganja koroziji u slanoj magli (s 3-5%NaCl otopljenog u vodi). Iz gubitka mase ispitnih uzoraka (nastalih korozijom i skidanjem korozijskih produkata) u različitim trajanjima korozije određuje se brzina korozije vKOR, (g/m2h).


29

3.4 Fizikalna svojstva materijala 3.4.1 Električna otpornost i vodljivost Prema svojstvu vodljivosti električne struje sve tvari i materijali se dijele na vodiče, poluvodiče i izolatore. Vodljivi materijali dobro vode električnu struju i toplinu. Vodiči su najčešće metali (bakar i aluminij kao i neke njihove legure, željezo, čelici, itd. ) te elektroliti (kiseline, lužine i soli) i zemlja. Poluvodiči imaju visok specifični električni otpor i vode električnu struju samo u određenom smjeru (npr. ugljen, oksidi bakra, silicij i germanij s dodatkom P ili As, itd.). Izolatori ne vode električnu struju, a osnovne gradive jedinice im se polariziraju u prisustvu električnog polja.

U vodljivom materijalu u električnom polju ili u strujnom krugu (slika 35) nastaje usmjereno gibanje elektrona kroz međuatomske prostore kristalne rešetke (u tzv. vodljivoj stazi). Širina vodljive staze određena je parametrima kristalne rešetke i prostorom valentnih ljusaka u kojima su elektroni vezani za jezgru određenog atoma (tzv. valentna staza). Kod metala vodljiva i valentna staza se preklapaju, pa elektroni slobodno prelaze iz jedne u drugu. Stoga se u metalima slobodni elektroni u vanjskom dijelu strujnog kruga gibaju od minus prema plus polu izvora. Pri tome oni nailaze na otpor koji se suprotstavlja njihovom gibanju.

a) b)

Slika 35. a)Vodljiva i valentna staza u metalima b) Shematski prikaz jednostavnog strujnog kruga s istosmjernim električnim

izvorom i metalnim vodičem kao otporom Uzrok električnog otpora je molekularno gibanje, titranje atoma u kristalnoj rešetci oko svojih središnjih položaja kao i postojanje strukturnih nesavršenosti u materijalu. Specifična električna vodljivost γ (S/m) je konstanta proporcionalnosti između gustoće struje J (A/mm2) i jakosti električnog polja E (V/m):

EJdef

⋅= γ.

(24)

U elektrotehnici se koristi i veličina inverzna električnoj vodljivosti, specifični električni otpor ρ (Ω⋅mm2/m, ili Ω⋅m) koji se određuje uz pomoć Ohmovom zakona (25). Vrijednosti oba svojstva za nekoliko tehničkih materijala navedene su u tablici 5.

lAR ⋅

=ρ (25)


30

ργ 1= (26)

R .... otpor vodiča (Ω) ρ... električna otpornost (specifični otpor) (Ω mm2/m) l ... duljina vodiča (m) A ... ploština poprečnog presjeka (m2) γ... specifična (električna) vodljivost (S/m)

Tablica 5. Električna otpornost i vodljivost metalnih vodiča

Poluvodiči su materijali s visokim specifičnim otporom, kod kojih su nosioci električne struje slobodni elektroni u vodljivoj stazi i šupljine u valentnoj stazi, a između navedenih staza nalazi se uska visokoenergetska barijera (tzv. zabranjeni prostor) (slika 36). Umjetni poluvodiči mogu imati samo šupljine u valentnoj stazi (P-tip poluvodiča) ili samo elektrone u vodljivoj stazi (N-tip poluvodiča), a između ove dvije staze je relativno širok zabranjeni prostor. Kod P-poluvodiča šupljine su nositelji električne struje koji se gibaju po valentnoj stazi u smjeru električnog polja, vodljiva staza je prazna i nesposobna za vođenje struje. Kod N-poluvodiča valentna staza je popunjena elektronima i nesposobna za vođenje struje, a pored postojanja relativno širokog zabranjenog pojasa, u vodljivoj stazi ima dovoljno slobodnih elektrona, koji su nositelji električne struje. Za dobivanje P ili N tipa poluvodiča prikladan je niz kemijskih elemenata (slika 37) kojima se dodaju određeni kemijski elementi u vrlo malim iznosima. Dodani elementi su izvori slobodnih elektrona ili šupljina u poluvodiču.

Slika 36. Usporedba vodiča, poluvodiča i izolatora na temelju odnosa njihove vodljive i valentne staze


31

Slika 37 Raspored poluvodičkih elemenata u periodnom sustavu 3.4.2 Magnetska permeabilnost Magnetsko polje je posebno stanje prostora u kojem se opaža djelovanje magnetskih sila. da bi nastalo magnetsko polje nužno je postojanje gibanja električnog naboja u prostoru (slika 38). Prostor također utječe na stvaranje magnetskog polja i koncentriranje magnetskog toka, što se uzima u proračune veličinom µ0 = 4π⋅10-7 Vs/Am koja se naziva magnetska vodljivost ili permeabilnost vakuuma. Tvar ili materijal kojima je ispunjen prostor dodatno pojačava ovu osnovnu sposobnost koncentracije magnetskog toka. Njihov utjecaj izražava se koeficijentom relativne magnetske permeabilnosti µr koji se određuje u usporedbi s vakuumom, pri čemu je µr vakuuma jednaka 1. Permeabilnost materijala određuje se prema jednadžbi (27)

0µµµ ⋅= r (27)

a) b) c)

Slika 38 Magnetsko polje: a) permanentnog magneta; b) vodiča kojim teče električna struja;

c) zavojnice kojom teče električna struja Prema utjecaju na stvaranje magnetskog polja i koncentraciju magnetskog toka tvari i materijali se dijele u tri skupine:

a) dijamagnetike (npr. Cu, Ag, H2, voda) s µr < 1 (neznatno oslabljuju magnetsko polje), b) paramagnetike (npr. Al, Pt, O2, zrak) s µr >1 (neznatno pojačavaju magnetsko polje), c) feromagnetike (npr. Fe, Co, Ni, i njihove legure) s µr >>1 (značajno pojačavaju i

koncentriraju magnetsko polje).

Djelovanje magnetskog polja zorno se prikazuje silnicama, koje se konstruiraju tako da se smjer djelovanja magnetske sile poklapa s tangentom na silnicu u promatranoj točci prostora. Jakost magnetskog polja H (A/m) i magnetska indukcija (gustoća silnica magnetskog polja) B


32

(T) povezane su jednadžbom (28) koja određuje energiju pohranjenu u magnetskom polju materijala i magnetsko ponašanje materijala (slika 39).

HB ⋅= µ (28)

µ ... permeabilnost materijala (Vs/Am) µ0 = 4π10-7... permeabilnost vakuuma (Vs/Am) µr ... relativna permeabilnost (1)

Feromagnetski materijali značajno izobličuju krivulju magnetiziranja (slika 39), bez obzira na smjer magnetskog polja koje je izazvalo magnetiziranje. Nadalje, pri promjeni smjera magnetskog polja u feromagnetskom materijalu zaostaje određena gustoća magnetskog polja (Br, remanencija ili zaostali magnetizam) koju treba poništiti da bi se kroz materijal promijenio i smjer silnica polja. Da bi se poništila remanencija i promijenio smjer djelovanja magnetskih sila materijal treba izložiti određenoj jakosti magnetskog polja (tzv. koercitivnoj sili, Hc) suprotnog smjera od onog pri polaznom magnetiziranju. Ako je jakost izmjeničnog magnetskog polja jednaka u oba smjera magnetizitranja, krivulja magnetiziranja B = f(H) pokazuje oblik petlje histereze (slika 40). Površina koju omeđuje petlja histereze direktno je proporcionalna s gubicima magnetske energije, tj. energijom magnetskog polja koja se pretvara u toplinu.

Slika 39. Pokus magnetiziranja: a) magnetska indukcija B u praznoj zavojnici b) magnetska indukcija B u zavojnici s feromagnetskim materijalom c) krivulja magnetiziranja feromagnetskog materijala

a) b) c)

Slika 40. a) Magnetska histereza; b) petlja histereze magnetski mekog materijala; c) petlja

histereze magnetski tvrdog materijala


33

Magnetski materijali s uskom petljom histereze nazivaju se ''magnetski mekim materijalima'' (slika 40.b) (čisto Fe, legure Fe-Si, feriti), lako se magnetiziraju i razmagnetiziraju, tj. imaju malu koercitivnu silu Hc, pa se primjenjuju za magnetske memorije, jezgre elektromagneta, jezgre rotora i statora asinhronih električnih motora itd. Magnetski materijali sa širokom petljom histereze nazivaju se ''magnetski tvrdim materijalima'' (trajni magneti, legure Fe-(W, Co, Ni, Al, Ti), kaljeni čelici) (slika 40.c), teško se razmagnetiziraju, imaju veliku koercitivnu silu i velike gubitke magnetiziranja. 3.4.3 Toplinska svojstsva Prijenos topline kroz materijal događa se djelovanjem mehanizama provođenja kroz volumen materijala, te konvekcijom i zračenjem s površine tijela. pri tome mogu nastupiti dva slučaja: stacionarni prijenos topline s vremenski nepromjenljivom raspodjelom temperature ili nestacionarno (vremenski promjenljivo) provođenje topline s ugrijavanjem ili hlađenjem tijela. Za proračun i predviđanje raspodjele temperature u tijelu i na njegovoj površini, određivanje izmijenjene topline i sl. zadatke treba poznavati toplinska svojstva materijala: specifični toplinski kapacitet (c, J/kgK), toplinsku vodljivost (λ, W/mK), koeficijent toplinske dilatacije (α, 1/K) itd. Specifični toplinski kapacitet c (J/kgK) je ona količina topline koju treba dovesti jedinici mase tvari (ili materijala) da bi joj temperatura porasla za 1 K.

( )[ ]

[ ] [ ]KkgJQ

mQc

def

1101

.

⋅⇒

−⋅=

ϑϑ (29)

Q ... toplina (J) m ... masa tijela (kg) ϑ1 ... konačna temperatura tijela (0C) ϑ0 ... početna temperatura tijela (0C) c ... specifični toplinski kapacitet (J/kgK)

Specifični toplinski kapacitet većine tehnički važnih materijala ovisan je o temperaturi i agregatnom stanju materijala. Stoga se njegova vrijednost uvijek određuje i promatra u određenom temperaturnom intervalu u kojem nije niti temperatura isparavanja niti talište materijala.

Toplinska vodljivost određuje intenzivnost kojom se toplina provodi kroz materijal u stacionarnom stanju. Toplinska vodljivost λ (W/mK) mjeri se količinom topline koja u jedinici vremena prođe kroz jediničnu kocku promatranog materijala, kad u smjeru provođenja topline postoji razlika temperature od 1 K, između ulazne i izlazne plohe kocke.

Koeficijent toplinskog rastezanja ili toplinska rastezljivost α (1/K) pokazuje za koliko se produlji tijelo (početne duljine L0) od nekog materijala ako se ugrije za 1 K.

dTdL

LT

def⋅=

0

. 1)(α (30)

Koeficijent toplinske rastezljivosti primjenjuje se za sve skupine materijala. Toplinska rastezljivost konstantna je pri nekoj temperaturi. Namjena ovog svojstva je za izbor materijala i proračun naprezanja i deformacija strojnih elemenata , dijelova konstrukcija i alata kod kojih dolazi do promjene duljine ili volumena zbog povišenja temperature.


34

4. MEHANIZMI OČVRSNUĆA I TOPLINSKA OBRADA METALA 4.1 Mehanizmi očvrsnuća metala i legura Čisti metali, osim njih nekoliko (bakra, aluminija i plemenitih metala) nemaju zadovoljavajuća svojstva za tehničku primjenu, a i navedeni metali se dodatno legiraju i očvršćuju. Čisti metali mogu se očvrsnuti jedino deformiranjem u hladnom stanju (npr. vučenjem, valjanjem, prešanjem). Legure metala mogu se, ovisno o vrsti dijagrama stanja i prisutnim mikrostrukturnim fazama, očvrsnuti slijedećim mehanizmima: legiranjem, pojavom dvojnih (tvrdih) faza u mikrostrukturi ili primjenom toplinske obrade. Toplinskom obradom se mogu sve metalne legure očvrsnuti stvaranjem sitnozrnate mikrostrukture (tzv. postupak normalizacijskog žarenja). Legure koje pokazuju svojstvo polimorfije i sposobnost stvaranja intersticijskih kristala mješanaca mogu se očvrsnuti kaljenjem (stvaranjem martenzitne mikrostrukture, npr. kod kaljivih čelika). Legure koje su monofazne na povišenim temperaturama, a dvofazne na sobnoj temperaturi, uz porast topivosti legirnog elementa s porastom temperature, mogu se očvrsnuti izlučivanjem precipitata (npr. legure Al-Cu), tj. precipitacijskim očvrsnućem. 4.2 Očvrsnuće čelika kaljenjem i popuštanjem 4.2.1 Kaljenje Toplinska obrada je postupak u kojem se predmet namjerno podvrgava temperaturno-vremenskim ciklusima kako bi se postigla željena mikrostruktura, a time i željena svojstva (mehanička, fizička, kemijska) (slika 41).

Slika 41 Dijagram postupka toplinske obrade s pripadnim fazama postupka Kaljenje čelika je toplinska obradba koja se sastoji od ugrijavanja na temperaturu austenitizacije i intenzivnog hlađenja (gašenja). Pri gašenju od austenita (mikrostrukturne faze


35

s rešetkom γ-željeza) nastaje martenzit (mikrostrukturna faza s prostorno centriranom tetragonskom rešetkom). Za zakaljivanje čelika trebaju biti ispunjeni slijedeći uvjeti:

1. Postojanje mikrostrukturne pretvorbe ferita (F) u austenit (A) i obrnuto (čelici bez ove pretvorbe ne mogu se zakaliti, npr. visokolegirani feritni ili austenitni čelici).

2. Čelik mora sadržavati (dogovorno) najmanje 0,35 % C da bi dovoljan broj kristalnih rešetki γ-željeza otopio atom ugljika.

3. Čelik treba ugrijati u austenitno područje dijagrama stanja (monofazno ili dvofazno) na optimalnu temperaturu austenitizacije.

4. Austenitizirani čelik treba dovoljno intenzivno hladiti kako bi se spriječila difuzija atoma ugljika u pothlađenom austenitu i ostvarilo njihovo prisilno zadržavanje u novonastaloj kristalnoj rešetci martenzita.

Ugrijavanje do potrebne temperature austenitizacije može se izvesti prijenosom topline na površinu predmeta (npr. u komornim pećima ili solnim kupkama) ili stvaranjem topline u samom predmetu (npr. elektro-otpornim ugrijavanjem. Odvođenje topline iz predmeta pri gašenju može se izvesti na različite načine o kojih je uobičajno uranjanje predmeta u vodu, ulje za kaljenje ili hladniju solnu kupku. Način gašenja ovisi o vrsti i kemijskom sastavu čelika, dimenzijama predmeta i postupku kaljenja (kaljenje cijelog predmeta ili samo kaljenje površinskog sloja).

Austenit je jedina faza iz koje u čeliku može nastati martenzit. Pri tome udio i raspored ugljika, kao i veličina austenitnog zrna uglavnom određuju mehanička svojstva i mikrostrukturu martenzita. Austenitizacija je difuzijski proces koji započinje iznad temperature A1. Za njegovo napredovanje osim topline dovedene ugrijavanjem nužno je i određeno vrijeme za pretvorbu F/A i postizanje ujednačenog sadržaja ugljika u austenitu . Za postizanje mikrostrukture martenzita najviše tvrdoće treba paziti da temperatura austenitizacije ne bude previsoka i da trajanje držanja na njoj nije predugo. Podeutektoidni ugljični čelici

Ugrijavanjem podeutektoidnog čelika na temperaturu ispod A1 ne stvara se austenit, tako da nema pojave martenzita nakon gašenja. Ugrijavanjem na temperaturu između A1 i A3 postiže se mikrostruktura A + F. Gašenjem dolazi do pretvorbe A → M pa se kaljena mikrostruktura sastoji od smjese (tvrdog) martenzita i (mekanog) ferita. Ove dvije, po svojstvima bitno različite faze, imaju nisku dinamičku izdržljivost i duktilnost, pa ih pri kaljenju treba izbjegavati. Tek ugrijavanje ovih čelika iznad A3 temperature daje 100 %-tni austenit koji nakon gašenja može dati 100 %-tni martenzit. Ugrijavanje iznad A3 temperature ne smije biti previsoko jer s povišenjem temperature dolazi do nepoželjnog rasta zrna i opasnosti od deformacija i pukotina, uz povećanu opasnost od razugljičenja i oksidacije površine. Stoga je preporučljiva optimalna temperatura austenitizacije podeutektoidnih čelika (slika 42):

ϑa = A3 + (30 ...70 °C) (31)

Nadeutektoidni ugljični čelici

Za nastanak austenita pri kaljenju nadeutektoidnog čelika isti treba ugrijati na temperaturu iznad temperature A1. U području Fe-C dijagrama između temperatura A1 i Acm mikrostruktura čelika se sastoji od austenita i sekundarnog karbida (K"). Gašenjem do sobne temperature ostvaruje se pretvorba A → M + Az, a postojeći sekundarni karbid (K") ostaje nepromijenjen. Manji udio zaostalog austenita pri tome neće značajno smanjiti prosječnu (visoku) tvrdoću čelika. Prisustvo sekundarnih karbida pri kaljenju čelika povoljno je i zbog njihovog djelovanja na usporavanje rasta austenitnog zrna. Ugrijavanje nadeutektoidnog ugljičnog čelika iznad temperature Acm uzrokovalo bi rast austenitnog zrna i kasniji nastanak grubozrnatog martenzita, uz povećanje udjela zaostalog austenita, te opasnost od oksidacije i


36

razugljičenja površine. Stoga je preporučljiva optimalna temperatura austenitizacije nadeutektoidnih čelika (slika 42):

ϑa = A1 + (50 ...70 °C) (32)

Slika 42. Određivanje optimalne temperature austenitizacije za kaljenje ugljičnih čelika Gašenjem austenitiziranog čelika na temperaturi početka stvaranja martenzita (Ms) počinje pretvorba pothlađenog austenita (s FCC jediničnom čelijom) u martenzit (s BCT jediničnom ćelijom, BCT - prostorno centrirana tetragonska jedinična ćelija). Iznosi temperatura početka (Ms) i završetka martenzitne pretvorbe (Mf) ovisno o sadržaju ugljika prikazani su u Uptono-ovom dijagramu (slika 43) Ako se kaljenje provede uz ispunjenje navedenih uvjeta zakaljivosti uz, postiže se maksimalna tvrdoća čelika prikazana u tzv. Burns-ovom dijagramu (slika 44). Iz njega se uočava smisao dogovorne granice od 0,35 %C kao donjeg graničnog udjela ugljika koji omogućuje zakaljivanje čelika. Nadalje, uočava se najveća tvrdoća kaljenih čelika od oko 65 HRC za čelike s više od 0,6 %C. Kod ovih čelika optimalna temperatura austenitizacije je konstantna (prema jednadžbi (32)) bez obzira na povišenje udjela ugljika. Dodani efekt povećanja > 0,6 %C u kaljenoj mikrostrukturi je povećanje udjela Az (sa značajno nižom tvrdom od tvrdoće martenzita) koji dodatno djeluje na zadržavanje konstantnog iznosa tvrdoće.

Slika 43 Uptonov dijagram


37

Slika 44. Maksimano postiziva tvrdoća kaljenih čelika u ovisnosti o udjelu ugljika u čeliku Mikrostrukturne pojave pri hlađenju austenitiziranog čelika mogu se pratiti u kontinuiranom TTT dijagramu (Time Temperature Transformation = vrijeme, temperatura, pretvorba) (slika 45). Kontinuirani TTT dijagram prikazuje fazne pretvorbe austenita pri ohlađivanju čelika s temperature austenitizacije u uvjetima kad trajanje ohlađivanja više nije beskrajno dugo (kako je pretpostavljeno pri konstrukciji dijagrama stanja). TTT dijagrami se konstruiraju eksperimentalno za određenu vrstu čelika, poznati kemijski sastav, polaznu mikrostrukturu i temperaturu austenitizacije uz ohlađivanje s poznatom krivuljom ohlađivanja. Za istu vrstu čelika nešto različitog kemijskog sastava (iz druge sarže) ili uz izmjenu bilo kojeg od navedenih uvjeta TTT dijagrama vrijedi samo orijentacijski ili ga se niti ne može koristiti. Danas su konstruirani i dostupni TTT dijagrami za gotovo sve uobičajeno korištene i normama opisane čelike. Ovisno o vrsti čelika za koji je eksperimentalno konstruiran kontinuirani TTT dijagram pri ohlađivanju se mogu pojaviti sve ili samo neke od slijedećih pretvorbi (ovisno o polju dijagrama kroz koje promatrana krivulja ohlađivanja prolazi):

a) Pretvorba pothlađenog austenita u ferit (polje “F”), b) Pretvorba pothlađenog austenita u perlit (polje “P”), c) Pretvorba pothlađenog austenita u bainit (polje “B”), d) Pretvorba pothlađenog austenita u martenzit (polje “M”).

Posljednje dvije spomenute faze bainit i martenzit karakteristične su za brže ohlađivanje pothlađenog austenita i pojavljuju se pri nižim temperaturama pothađivanja. Za postupke toplinskih obrada čelika posebno je interesantna i primjenljiva pojava austenitno / martenzitne pretvorbe koja se postiže pri gašenju čelika (u postupku kaljenja)

Nakon ohlađivanja austenitiziranog čelika određenom krivuljom ohlađivanja u njegovoj će se mikrostrukturi pojaviti sve one faze kroz čija je “polja” prošla promatrana krivulja. Od krivulja ohlađivanja, odnosno gašenja ucrtanih u kontinuirani TTT dijagram konkretnog čelika posebno su važne dvije krivulje istaknute na slici 44: gornja kritična krivulja gašenja i donja kritična krivulja gašenja.

Ohlađivanje austenitiziranog čelika po gornjoj kritičnoj krivulji gašenja uzrokuje potpunu austenitno-martenzitnu pretvorbu kojom se upravo postiže 100 % martenzita (kaljenje čelika). Iz ove krivulje računa se približna vrijednost gornje kritične brzine gašenja (vkg, oC/s, K/s) prema jednadžbi (33):


38

min,

.

i

iadef

kg tv

ϑϑ −= (33)

ϑa ,°C .... temperatura austenitizacije ϑi ,°C .... temperatura na kojoj je trajanje inkubacije

pothlađenog austenita minimalno ti,min, s ... minimalno trajanje inkubacije pothlađenog

austenita

Slika 45 Kontinuirani TTT dijagram podeutektoidnog čelika

Ohlađivanje čelika po donjoj kritičnoj krivulji gašenja predstavlja ono najintenzivnije ohlađivanje austenitiziranog čelika kojim se još ne postiže niti najmanji udio martenzita, tj. izbjegava se prisutnost martenzitne faze u mikrostrukturi (npr. kod normalizacijskog žarenja čelika). Približno izračunavanje donje kritične brzine gašenja (vkd, oC/s, K/s) izvodi se jednadžbom analognom jednadžbi (33) uz odgovarajuće vrijednosti temperature (ϑi, oC) i vremena inkubacije (ti, s) očitane s donje kritične krivulje gašenja. Primjena ohlađivanja s brzinama nižim od donje kritične krivulje gašenja ostvaruje se u postupku normalizacijskog žarenje, u kojem se upravo nastoji izbjeći nastanak martenzita, a potiče se stvaranje sitnozrnate mikrostrukture ferita i perlita. 4.2.2 Popuštanje Popuštanje (slika 45) je postupak ugrijavanja kaljenog čelika ispod temperature A1 u svrhu:

- povišenja žilavosti martenzita postignutog kaljenjem, - sniženje vlastitih zaostalih naprezanja martenzita, - postizanja dimenzijske postojanosti (kod visokolegiranih alatnih čelika).

Prema visini temperature popuštanja (ϑp) postupci popuštanja dijele se na :


39

- niskotemperaturno popuštanje (ϑp< 200 ºC)

- srednjetemperaturno popuštanje (220 ºC <ϑp< 400 ºC)

- visokotemperaturno popuštanje (400 ºC < ϑp< A1)

Tem

pera

tura

, o C

Vrijeme, h

A1

ϑp

Slika 45 Dijagram postupka popuštanja čelika Nakon kaljenja u čeliku je postignuta martenzitna mikrostruktura s tetragonalnom kristalnom rešetkom (c/a>1). Zagrijavanjem kaljenog čelika, ovisno o visini temperature popuštanja, odvijaju se procesi difuzije atoma ugljika, željeza, legirajućih elemenata; sniženje stupnja tetragonalnosti (c/a - omjer visine i dužine BCT jedinične ćelije), sniženje zaostalih naprezanja, nastajanje karbida popuštanja i pretvorbe zaostalog austenita. Ovi procesi su difuzijskog karaktera, pa se jednak učinak popuštanja može postići:

- višom temperaturom popuštanja uz kraće vrijeme popuštanja ili - nižom temperaturom popuštanja uz dulje vrijeme popuštanja.

Slijed procesa tijekom popuštanja odvija se kroz tzv. stadije popuštanja. Broj stadija popuštanja i područje temperatura u kojima se javljaju ovisi o vrsti čelika, mikrostrukturnom stanju nakon gašenja i o parametrima popuštanja. Ovisno o izabranoj temperaturi popuštanja mijenjaju se mehanička (i ostala) svojstva čelika. Za kaljive konstrukcijske čelike s 0,35 do 0,6 %C (tzv. čelike za poboljšavanje) uobičajena je toplinska obrada poboljšavanje sastavljena od kaljenja i visokotemperaturnog popuštanja (slika 46), s ciljem dobivanja određene kombinacije mehaničkih svojstava (slika 47)

Slika 46. Dijagram poboljšavanja podeutektoidnog čelika


40

a) b)

Slika 47. a) Promjena dijagrama naprezanje-istezanje nakon kaljenja i poboljšavanja podeutektoidnog čelika.

b) Izbor temperature visokotemperaturnog popuštanja podeutektoidnog čelika prema zahtijevanoj kombinaciji mehaničkih svojstava

4.2.3 Zadavanje zahtijeva za toplinskom obradom na crtežu Navedene toplinske obrade treba na odgovarajući način zadati na crtežima (npr. prema normi DIN 6773:2001-04). Pri tome se zadaju slijedeći podaci i informacije:

• podaci o sirovini (npr. oznaka čelika) • završno stanje nakon toplinske obrade • podaci o tvrdoći (površine, jezgre tolerancije tvrdoće s plus odstupanjima) • mjerna mjesta za ispitivanje tvrdoće (slika 48) • podaci o čvrstoći (ili ostalim mehaničkim svojstvima)

ili

a) b)

Slika 48. a) Oznaka mjernog mjesta za ispitivanje tvrdoće b) Primjer zahtjeva za kaljenjem i popuštanjem (cijelog predmeta) s oznakom

mjernog mjesta za ispitivanje tvrdoće


41

5. LITERATURA 1. V. Ivušić, M. Franz, Đ. Španiček, L. Ćurković: ''Materijali I'', Fakultet strojarstva i brodogradnje,

Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 2012

2. V. Ivušić: ''Dijagrami stanja metala i legura'', Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 2003

3. M. Franz: "Mehanička svojstva materijala", Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 1998

4. T. Filetin, M. Franz, Đ. Španiček, V. Ivušić: "Svojstva i karakteristike materijala - katalog opisa", Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 2012

5. V. Ivušić: ''Tribologija'', Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 2002

6. I.Esih: ''Osnove površinske zaštite'', Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 2003

7. M. Stupnišek, F. Cajner: Osnove toplinske obrade metala, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 1996

8. Filetin T., Kovačiček F. , Indof J.: Svojstva i primjena materijala, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb, 2002

mater i jali

Documents

pretvorba pothlaenog austenita

specifini toplinski kapacitet

fcc jedininom elijom

dijagrami stanja metala

granice zrna

kod fe

vrste otopine

postupku kaljenja