Dijagram Fe – C (Fe – Fe3C)

1

Strukturni dijagram (udio strukture na sobnoj temperaturi)

koncentracija Fe3C: 1 mol C = 12 g 1 mol Fe3C = (3·56 + 12) g (12 : (3·56 + 12)) · 100 = 6.67 % sadržaj Fe3C(S) (za 2.03 %C): x : (2.03 – 0.8) = 100 : (6.67 – 0.8) x = 20.95

2

Mikrostruktura legura željeza

Perlitni sivi lijev; pov. 500:1

Perlitni nodularni lijev; pov. 500:1

3

Lamelarni perlit (tamno) i ferit (svjetlo); čelik s 0.45 %C; pov. 500:1

Perlit; čelik s 0.75 %C; pov. 500:1

4

Cementit se izlučuje po granicama kristalnih zrna;

nadeutektoidni čelik; pov. 500:1

5

Aluminijske legure

Dijagram stanja Al - Si

Mikrostruktura legura aluminija

Al – Si legura; pov. 200:1

6

Dijagram stanja Al – Cu

Mikrostruktura legura bakra

Aluminijska bronca, kemijski sastav: 83.8 %Cu, 12 %Al, 4.2 %Fe

7

Aluminijska bronca, kemijski sastav: 82.5 %Cu, 9.7 %Al, 2.9 %Fe

Mikrostruktura legura titana

Kemijski sastav: 92.5 %Ti, 5 %Al, 2.5 %Sn

8

Mikroskopija

Aparat Povećanje Moć razlaganja oko, povećalo 10 – 50 x 105 – 104 nm optički mikroskop 50 – 1 000 x 104 – 102 nm elektronski mikroskop 1 000 – 1 000 000 x 103 – 5 nm

Shematski prikaz prolaza zraka kroz mikroskop

moć razlaganja mikroskopa: α

λλsinnA

d ==

λ – valna duljina zraka n – optički indeks prelamanja sredine A – apertura α – polovina kuta prednje leće objektiva

2α ≈ max 144° (najveći mogući 180°)

9

Optička mikroskopija

λ = 0.4⋅10-3 mm – plava svijetlost λ = 0.8⋅10-3 mm – crvena svijetlost

Shematski prikaz refleksije (odbijanja) svjetla s površine izbruska - izbrusak se promatra u odbijenom svjetlu - priprema izbruska za mikroskopiju: - brušenje - poliranje - nagrizanje

Shematski prikaz načina osvjetljavanja prema Köhlerovom principu

a) b)

Shematski prikaz putanje zraka pri: a) kosom osvjetljenju, b) okomitom osvjetljenju

10

Elektronska mikroskopija Valna duljina elektrona:

mvh=λ ; h – Plankova konstanta; m – masa elektrona; v – brzina elektrona

Valna duljina elektrona koju odašilje usijana žica i ubrzava visoki napon:

U150=λ ; U = 100 000 V ⇒ λ = 0.039 Å (0.039 10-7 mm)

- otisak (replika) poliranog i nagrizanog uzorka se promatra u propuštenom svjetlu

a) b) c)

Shematski prikaz putanje zraka u mikroskopu: a) svjetlosnom, b) magnetskom transmisijskom, c) elektrostatičkom transmisijskom

11

Naprezanje

12

Deformacija

Modul elastičnosti

13

τx

τkmaxτ

2b b

h

b

14

τ

21−⋅+= dKRR eeMe - izraz Hall-Petcha

ρ, cm116 1010

σteor

Re

−2

Re

, mm−1/2d

ReM

−1/2

σ

15

Otkaz konstrukcije - Pretjerana deformacija - Prijelom: plastični

krhki Krhki prijelom (lom): σ > σc Plastična deformacija: σ > Re (Rp0,2)

Krhki lom

16

17

Eσε =

Eyyl σε ⋅=⋅=

dxtF ⋅⋅= σ 1=t

dxF ⋅= σ

y

σ

2ax x

πa

lII

I

FΔΕ

Eel = ΔE = E1 - E2

( )xayax

ay

−⋅=

=+⋅

ππ

1

dxax

EalFdEel ⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅

⋅⋅⋅

=⋅

−=⋅ 1224

1 2 πσ

dxax

EaE

a

el ⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅

⋅⋅⋅

−=⋅ ∫0

2

124

1 πσ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅

⋅⋅⋅−=

axx

EaEel 2

222 πσ

1

4

=

⋅⋅⋅=

t

taE puk γ

EaEE el

22 ⋅⋅−==Δ

σπ

γσπ aE

aE

EEE

uk

pukeluk

⋅+⋅⋅

−=

+=

422

0=∂

∂a

Euk 2

2caE ⋅⋅

=⋅σπγ

IcKE =⋅γ ; 2

2 aK c

Ic⋅⋅

=σπ

... lomna žilavost

aYKI ⋅⋅⋅= πσ ... faktor intenziteta naprezanja

0ρ

σc

, mm1/21/2ρ

Osnovna mehanička svojstva materijala - granica razvlačenja - modul elastičnosti - lomna žilavost (udarna radnja loma) - tvrdoća

18

Električna vodljivost Energijske zone elektrona Dozvoljene, dopuštene energijske zone

Zabranjene energijske zone

- valentna zona je zona koja odgovara vanjskoj elektronskoj ljusci (valentnim elektronima)

19

Raspodjela elektrona

Eb - Ea = širina zone

(1 do 10 eV) Ec = energija maksimuma funkcije n(E)

vodiči: ΔE < 1 eV izolatori: ΔE > 3,5 eV poluvodiči: 1 < ΔE < 3,5 eV

izolator poluvodič vodič

20

Magnetska svojstva materijala

mpNM ⋅=

M – magnetski moment jedinice volumena supstance - elektron => elementarna struja => inducira magnetsko polje ( ) orb

eorbm Lmep −=

( ) spine

spinm Lmep −=

L- moment količine gibanja HM ⋅= χ χ - magnetska susceptibilnost; za materijale sa slabim magnetskim uređenjem je konstanta; za materijale s jakim magnetskim uređenjem ovisi o H H - magnetsko polje ( )MHB += 0μ rμχ =+1 μ = μ0 (1+χ)

21

Magnetno meki i magnetno tvrdi materijali

Krivulja histereze feromagnetika i ferimagnetika

Hc - koercitivno polje Br - remanentna indukcija Hs - polje zasićenja Bs - indukcija zasićenja

22

Statički vlačni pokus - elastično i plastično ponašanje materijala u uvjetima jednoosnog statičkog vlačnog naprezanja - standardni pokusni uzorak:

dL

F

00

F

000 5655 dS.L =⋅= 000 10311 dS.L =⋅=

4

20

0π⋅

=dS - pokusni uzorak kružnog poprečnog presjeka

- pokusni uzorak četvrtastog p.p. baS ⋅=0

- kidalica – kontinuirano vlačno opterećenje pokusnog uzorka do loma - mjeri se odnos sila - produljenje ⇒ dijagram ''sila (F) – produljenje (ΔL)''

L, mm

F, N Fe - sila razvlačenja ili tečenja Fm - maksimalna sila FmFk - konačna sila pri kojoj dolazi do loma

Lu

FkFe

L0 - početna mjerna duljina pokusnog uzorka Lu - konačna mjerna duljina ∆Lu - produljenje nakon kidanja

∆Lu = Lu – L0, mm

23

- dijagram ''sila – produljenje'' ⇒ dijagram ''naprezanje – deformacija'' - konvencionalni dijagram σ – e

- konvencionalno naprezanje:

RehRkRm

σkon

v, N

/mm

e

2

2

0mm/N,

SF

konv =σ

Rel - relativno produljenje (inženjerska deformacija):

0LLe Δ

=

Vlačna čvrstoća, Rm - naprezanje kod maksimalne sile

2

0mm/N,

SFR m

m =

Konačno naprezanje, Rk - naprezanje kod kojeg dolazi do loma

2

0mm/N,

SFR k

k =

Istezljivost materijala, A

%L

LLA u 1000

0 ⋅−

=

Kontrakcija, Z

%S

SSZ u 1000

0 ⋅−

=

Su - površina p.p. na mjestu loma

24

Granica razvlačenja, Re

2

0mm/N,

SFR e

e =

- gornja granica razvlačenja ehR - donja granica razvlačenja elR

e

σ Rp - konvencionalna granica razvlačenja

Rp0,2

0.2 %

Rp0,2 = naprezanje koje će nakon rasterećenja u materijalu ostvariti određenu plastičnu deformaciju (0.2 % početne mjerne duljine)

- stvarni dijagram σ – ε - konvencionalni dijagram σ – e ne prikazuje pravu sliku o ponašanju materijala za vrijeme vlačnog opterećenja budući da se temelji na početnim dimenzijama pokusnog uzorka, a one se za vrijeme ispitivanja kontinuirano mijenjaju - vrijednosti stvarnog naprezanja i deformacije temelje se na trenutnim dimenzijama pokusnog uzorka

- stvarno naprezanje:

SF

=σ

- deformacija:

00

LLln

LdLL

L

== ∫ε

- u području elastičnih deformacija vrijedi Hookov zakon: εσ ⋅= E ; E - modul elastičnosti

2mm/N,tgEεσα ==

25

Ispitivanje udarne radnje loma

- ponašanje materijala u uvjetima udarnog opterećenja - Charpyjev bat - standardni pokusni uzorak četvrtastog poprečnog presjeka s utorom => višeosno stanje naprezanja u korijenu utora - vrijednost udarne radnje loma pokazuje da li će se materijal ponašati žilavo ili krhko u uvjetima udarnog opterećenja

rα1 α2

h1 h2- vrijednosti udarne radnje loma utvrđene pokusnim uzorcima različitih utora mogu se samo kvalitativno uspoređivati (ne mogu se izravno koristiti u proračunima sigurnosti konstrukcija) - udarna radnja loma je energija potrebna da se Charpyjevim batom jednim udarcem prelomi pokusni uzorak ili da se kod vrlo žilavih materijala pokusni uzorak pri udaru bata savije, nakon čega prođe kroz otvor između oslonaca ( ) )Nm(J,coscosrgm)hh(gmU 1221 αα −⋅⋅⋅=−⋅⋅=

r - duljina klatna, r = 820 mm m - masa bata, m = 20 kg h1 - početna visina bata, m h2 - visina bata nakon udarca, m

- pokusni uzorci:

8±0,

06

10±0

,1

ISO-V pokusni uzorak

27,5±0,4255±0,6

r=0,25

45°

- udarna radnja loma za ISO-V uzorak izražava se s KV = U

26

θ, °C

KV, J

a

b

c

55±0,6

10±0

,1

27,5±0,422±0,14

r=1±0,07h

DVM pokusni uzorak - udarna radnja loma za DVM uzorak izražava se s KU = U

- ovisnost udarne radnje loma o temperaturi

a – područje krhkog loma b – područje mješovitih lomova c – područje plastičnog loma

27

Ispitivanje tvrdoće materijala - tvrdoća = otpornost materijala prema prodiranju drugog, znatnije tvrđeg tijela - tvrdoća – u korelaciji s drugim mehaničkim svojstvima - tvrdomjer - osnovni princip mjerenja: mjerenje veličine ili dubine otiska 1. BRINELLOVA METODA - utiskivač: kuglica od zakaljenog čelika (rjeđe od tvrdog metala) - mjera tvrdoće: HB

( )22

2

2040

1020

dDDD.FHB

mm,hDSS.FHB

−−⋅⋅

⋅=

⋅⋅=

⋅=

π

π

d

D

F

F - primjenjena sila, N D - promjer kuglice, mm S - površina otiska (kalote), mm2 h - dubina otiska, mm d - promjer otiska, mm

- primjenjuje se za ispitivanje tvrdoće mekših materijala 2. VICKERSOVA METODA - utiskivač: dijamantni šiljak oblika četverostrane piramide (s kutem 136 °) - mjera tvrdoće: HV

218901020

d.F

S.FHV ⋅

=⋅

= F

221 ddd +

=

F - primjenjena sila, N S - površina otiska, mm2 h

d1, d2 - dijagonale otiska, mm - primjenjuje se za ispitivanje tvrdoće mekših i tvrđih materijala (metoda je preciznija od Brinellove metode)

d2

d1

28

3. ROCKWELLOVA METODA Ispitivanje po C metodi:

h

F

- mjera tvrdoće: HRC

h1 (u

z F0

)h3

(uz

F0)

h2 (u

z Fu

)

h

HRC = 100 – 500 ⋅h h - dubina otiska, mm

metoda C B mjera tvrdoće HRC HRB oblik utiskivača stožac s kutem 120° kuglica promjera 1.5875 mmmaterijal utiskivača dijamant kaljeni čelik F0 (početna), N 98 F1(glavna), N 1373 882 Fu(ukupna), N 1471 980 utvrđivanje tvrdoće 100 – 500 ⋅h 130 – 500 ⋅h - područje primjene: HRC = 20…70 - za tvrđe materijale (npr. kaljeni čelik) HRB = 35…100 - za mekše materijale (npr. normalizirani čelici, Cu-

legure)

29

Puzanje materijala - puzanje je ireverzibilni proces deformacije materijala koji nastaje pri konstantnom naprezanju tokom duljeg vremena - puzanje je toplinski aktivirani proces, a značajno puzanje u većini metala nastaje na temperatri: T = 0.5 ⋅ Tt , K; Tt - temperatura taljenja - idealizirana krivulja puzanja

- 1. faza puzanja - primarno puzanje (dominira na niskim temperaturama, malim vrijednostima naprezanja; otpornost puzanju povećava se deformacijom => opadajuća brzina puzanja) - 2. faza puzanja - sekundarno puzanje ( konstantna brzina puzanja) - 3. faza puzanja - tercijarno puzanje ( kada je poprečni presjek značajno smanjen; dolazi do mikrostrukturnih promjena; prijelom)

30

t

σ

σmax

σmin

σsr

σa

σ

t

a b c

Umor materijala - promjenjivo (dinamičko) naprezanje -> umor materijala -> prijelom

a – jednoliko naprezanje b – realno promjenjivo naprezanje c – sinusoidalno promjenjivo naprezanje

- parametri sinusoidalnog naprezanja: σsr – srednje naprezanje σa – amplituda naprezanja σmax – maksimalno naprezanje σmin – minimalno naprezanje

- dinamička izdržljivost – mehaničko svojstvo koje karakterizira otpornost materijala prema pojavi umora

σ

log N

Rd

- utvrđivanje dinamičke izdržljivosti -> Wöhlerov pokus -> Wöhlerov dijagram

Rd , N/mm2 – dinamička izdržljivost -> naprezanje koje pokusni uzorak izdrži bez pojave loma nakon beskonačnog broja ciklusa

31

Metode ispitivanja materijala bez razaranja

Ispitivanje ultrazvukom - metoda prozvučivanja -> odašiljanje zvučnih valova kroz materijal - ultrazvuk su elastomehanički titraji nekog medija; f = 0,5 - 6 MHz

određivanje veličine, položaja i orijentacije vanjske stijenke materijala i pogreške

- ravna ili kosa ultrazvučna glava - nailaženje na vanjsku stijenku ili pronađena pogreška prikazani su u obliku vertikalnog impulsa čija je visina proporcionalna veličini pogreške - akustička impendancija (dinamički otpor medija) - konstanta materijala - odbijanje ultrazvučnog vala od prepreke (vanjska stijenka, pogreška) zbog velike razlike akustičkih impendancija ispitivanog materijala, zraka (vanjska stijenka) ili nekog drugog materijala (pogreška) - brzina širenja zvuka u materijalu udaljenost prepreke od izvora i prijemnika (sonda) položaj pogreške u odnosu na izvor - prednosti metode:

- područje debljina ispitivanog predmeta je neograničeno - dovoljan je pristup predmetu kontrole samo s jedne strane - provođenje kontrole je bezopasno i ne zahtijeva zaštitna sredstva - osjetljivost metode je visoka, a pronalaženje pogrešaka jednostavno - metoda je relativno neosjetljiva na uvjete okoline (temperatura, vlaga)

32

Ispitivanje radiografijom - metoda prozračivanja - ionizirajuća elektromagnetska zračenja: X-zrake (rendgenske) i γ-zrake (radioizotopi), široko područje valnih duljina: λ = 0,001 - 100 nm - izvor X zračenja: rendgenska cijev s vakuumom, priključena na visok napon do 400 kV (za prozračivanje čeličnih predmeta do 70 mm debljine) - izvori γ-zraka: radioizotopi iridija, kobalta i selena - dobivanje slike na filmu (radiogramu) - prolazeći kroz materijal, smjer zračenja ostaje nepromjenjen, ali je zračenje više ili manje prigušeno što ovisi o svojstvima materijala i njegovoj debljini

- niža energija zračenja na izlazu iz materijala zbog apsorpcije dijela energije primarnog zračenja:

deII ⋅−⋅= μ0

I - izlazni intenzitet zračenja I0 - ulazni intenzitet zračenja µ - koeficijent prigušenja d - debljina ispitnog predmeta

- otkrivanje pogrešaka zavarenih spojeva, poroznosti, uključaka troske, neprovarenog korijena; teško otkrivanje plošnih pogrešaka poput pukotina (mogu se otkriti samo pukotine položene u smjeru zračenja) - ionizirajuće zračenje može uzrokovati štetne posljedice kod ljudi i ostalog živog svijeta pa je pri radiografiji obvezatno provođenje mjera zaštite pri radu s izvorima ionizirajućeg zračenja te pri transportu i skladištenju radioaktivnih materijala

33

Ispitivanje magnetskim česticama - ispitivanje onih materijala koji se mogu magnetizirati - ako u predmetu postoji pukotina, zarez ili oštar prijelaz, a kroz predmet prolazi magnetski tok, u zavisnosti o veličini i položaju pogreške u presjeku ispod nje doći će do skretanja i koncentracije magnetskih silnica različita koncentracija magnetskih silnica utjecat će na promjene magnetskog polja na površini predmeta

- magnetiziranje predmeta (tehnika strujnog prolaza ili tehnika posredne magnetizacije) ->nanošenje čestica željeznog oksida Fe3O4 (1 µm) (metoda suhog posipanja ili naštrcavanje suspenzije) - feromagnetske čestice se jače talože na mjestima s izraženom promjenom magnetskog polja, odnosno na mjestima iznad pogreške - otkrivanje pogrešaka tipa pukotina, zarez i veći uključci, naročito onih uz ili u blizini ispitne površine; max. do dubine 6 mm - glavni nedostatak metode: nemogućnost određivanja dimenzija pogrešaka - priprema površine čišćenjem od troske te brušenjem oštrijih neravnina - nakon magnetskog ispitivanja potrebno je provesti demagnetiziranje predmeta

34

Ispitivanje tekućim penetrantima

- tekući penetranti - pretežno bazirani na lakim uljima; kapilarno prodiru i u najmanje šupljine na površini i ispunjavaju ih - otkrivanje površinskih pogrešaka A B C D

A – priprema površine – čišćenje B – nanošenje tankog sloja obojenog penetranta – penetriranje C – odstranjivanje viška penetranta s površine D – nanošenje bijelog ″razvijača″ – razvijanje - nedostaci metode: velika ovisnost kvalitete nalaza pogreške o načinu pripreme i stanju ispitivane površine, upotrebljivost samo u ograničenom temperaturnom opsegu, nepogodnost za primjenu na otvorenom bez zaštite od atmosferilija

35

36

Tribologija, trenje i trošenje Procesi trenja - Trenje sklizanja

Ft = f ⋅ FN – sila trenja

FN – normalno opterećenje f = Ft / FN – faktor trenja

Promjene koeficijenta trenja u skliznom dodiru bakar/bakar

- Trenje kotrljanja

DNkF

tF23

= – sila trenja nakon prvog prolaza

k – konstanta materijala

002.048

1.0 ===NFtFf – nakon 100 000 prolaza

Mehanizmi trošenja - Abrazija

I. Prodiranje abraziva u površinu materijala pod utjecajem normalne komponente opterećenja, FN II. Istiskivanje materijala u obliku čestica trošenja pod utjecajem tangencijalne komponente opterećenja, FT

- Adhezijsko tošenje

I. Nastajanje adhezijskog spoja različitog stupnja jakosti II. Raskidanje adhezijskog spoja. Čestica trošenja ostaje spontano ''naljepljena'' na jednom članku kliznog para. III. Otkidanje čestice (eventualno). Oblik čestice ovisi o uvjetima, a uglavnom je listićast.

37

- Umor površine I. Stvaranje mikropukotine, redovito ispod površine II. Napredovanje mikropukotine III. Ispadanje čestica trošenja, obično oblika pločice ili iverika

- Tribokorozija

I. Stvaranje (ili obnavljanje) sloja produkta korozije II. Mjestimično razaranje sloja produkata korozije.

38

Korozija - korozija = spontano razaranje materijala pod djelovanjem okolnog medija Elektrokemijska korozija - uz postojanje elektrolita

- korozija metala: - korozija u vodenim rastvorima - korozija u oksidirajućim plinovima

Kemijska korozija - nastaje djelovanjem vrućeg i suhog zraka, plinova ili neelektrolita kao npr. benzin ili aceton, čime dolazi do kemijskih reakcija, pretežno oksidacije - značajne brzine kemijske korozije metala dostižu se tek pri visokim temperaturama (kaljenje, visokotemperaturna korozija u ložištima kotlova)

39

- Pojavni oblici korozije

40

Očvršćivanje metala 1. Legiranje: struktura (σp , σst , d) - kristali mješanci (supstiticijski, intersticijski) - intermedijatne faze - tip slitine (eutektičke, eutektoidne) 2. Deformacijsko očvršćivanje - gustoća dislokacija - usmjerena struktura - usitnjavanje uključaka - usitnjavanje strukture 3. Toplinska obrada - gustoća dislokacija - mobilnost dislokacija - veličina kristalnog zrna - struktura

- učvršćivanje visokotemperaturne faze, obrazovanje nove faze, precipitacijsko žarenje)

41

Osnovni mehanizmi očvrsnuća legura promjenom mikrostrukture

42

Prokaljivost i zakaljivost čelika

Orijentacijske vrijednosti tvrdoće čelika u ovisnosti o koncentraciji ugljika

u martenzitu i udjelu martenzita u mikrostrukturi čelika

Primjeri raspodjele tvrdoće nakon gašenja čelika

43

Shema položaja pokusnog uzorka pri Jominyjevom pokusu

Jominyjeve krivulje dvaju čelika različite prokaljivosti

44

Odnos između kritičnih promjera i udaljenosti od gašena čela

Jominyjeva pokusa

45

TTT- dijagrami

- TTT-dijagrami kvantitativno prikazivanje faznih pretvorbi u konkretnom čeliku pri ohlađivanju iz austenitnog područja - ovisno o uvjetima faznih pretvorbi postoje:

- izotermički TTT- dijagrami izotermički uvjeti (T = konst.)

Primjer izotermičkog TTT-dijagrama eutektoidnog čelika

- TTT-dijagrami za kontinuirano ohlađivanje

Primjer TTT-dijagrama podeutektoidnog čelika za kontinuirano ohlađivanje

46

Kaljenje čelika - kaljenjem se nastoji postići tvrda, pretežno martenzitna mikrostruktura - postupak kaljenja: ugrijavanje uzorka do temperature austenitizacije progrijavanje na maksimalnoj temperaturi gašenje niskotemperaturno popuštanje

47

Poboljšavanje čelika

Dijagram postupka (klasičnog) poboljšavanja čelika

Dijagram postupka izotermičkog poboljšavanja čelika

48

Normalizacijsko žarenje - postizanje ujednačene, sitnozrnate perlitno-feritne mikrostrukture (normalizirana mikrostruktura)

49

Površinsko kaljenje - na površini se postiže tvrdi zakaljeni sloj otporan na trošenje, dok svojstva jezgre ostaju nepromjenjena - indukcijsko kaljenje - plameno kaljenje

Raspodjela temperature i tvrdoće po dubini obratka pri površinskom kaljenju

50

51

Cementiranje čelika - toplinsko-kemijski postupak obrade čelika promijena kemijskog sastava u površinskim slojevima čeličnih obradaka - postupak cementiranja: pougljičavanje kaljenje s niskotemperaturnim popuštanjem - nakon cementiranja: tvrd površinski sloj, meka i žilava jezgra

Postupak cementiranja čelika s izravnim kaljenjem

Postupak cementiranja čelika s jednostrukim kaljenjem