Kristalna struktura i geometrija elementarnih kristalnih reetki

2

KRISTALOGRAFIJA (potie od grkih rei krstallos = led, naziv upotrebljen za prozirni kvarc, gorski kristal, za koji se smatralo da je zamrznuta voda, i "grphein" = pisati) je nauka o KRISTALNOM STANJU. Prouava spoljanji oblik kristala i njihovu unutranju grau.

KRISTALIZACIJA je prelaz tene ili gasne faze u vrstu, i to pravilnim trodimenzionalnim rasporeivanjem materijalnih estica u kristalnu reetku.

3

Nivoi pakovanja atoma u materijalima: a) Inertni monoatomski gas sa neureenim atomima,b,c) Neki materijali, kao to je vodena para, amorfni silicijum i

silikatna stakla imaju samo delimino ureene atome i d) Metali, legure, mnoge keramike i neki polimeri imaju

ureeneatome po celoj zapremini.

4

VRSTE MATERIJE mogu biti AMORFNE i KRISTALNE.

AMORFNE MATERIJE nemaju pravilnu unutranju grau i ne smatraju se pravim vrstim materijama, ve jako pothlaenim tenostima. One nemaju odreeno topljenje, ve pri zagrevanju postepeno omekavaju dok se ne rastope. Primeri takvih materija su staklo i vosak.

KRISTALI, nasuprot tome, imaju pravilnu unutranju grau svojstvenu za veinu vrstih materija.

Kristalni SiO2(Kvarc)

Amorfni SiO2(Staklo)

Kristalna graa Amorfna graa

5

KRISTALI su pravilna geometrijska tela, omeena povrnama koje se seku uivicama, a ivice u uglovima. Kristali su pravilne unutranje grae. Kristal ima odreen geometrijski oblik. Uglovi izmeu odgovarajuih povrina kristala neke materije konstantni su i karakteristini za tu materiju.Geometrijski oblik kristala u vezi je s njegovom geometrijskom unutranjomstrukturom. Drugim reima, spoljni geometrijski oblik kristala u vezi je s odreenim rasporedom njegovih strukturnih jedinica - iona, atoma ili molekula. Svaki kristal se sastoji, dakle, od trodimenzionalno pravilno rasporeenih strukturnih jedinica, a njihov raspored daje karakteristina svojstva i oblik.Kristalna struktura neke materije predstavlja celokupni poredak strukturnih jedinica u tzv. prostornoj reetki.

6

Jedinina ili elementarna elija je najmanji deo prostorne reetke koji, ponavljan u tri dimenzije, daje celu kristalnu reetku.Parametar reetke je najmanja udaljenost izmeu dva atoma uzdu ivice jedinine elije.Jedinina elija kristalne strukture sadri najmanji mogui broj strukturnih jedinica.

Jedinina elijaTaka

reetke

7

Jedinina elija je osnovna cigla ijim se slaganjem moe izgraditi itav kristal.

z

y

x

Pravljenje kristalne strukture iz jedinine elije uzponavljanje po kristalografskim osima

8

Prema odnosu veliina parametara a, b, c i uglova , i sve kristalne strukture mogu se prikazati u 14 vrsta jedininih elija razvrstanih u 7 osnovnih kristalnih sistema.

Podela kristalnihreetki po kristalnimsistemima(Bravijis-ove reetke)

9

ba

c

Primitivna (prosta, jednostavna) - elementarnoj eliji pripada po jedna estica (atom); u svakom roglju (voru) elementarne elije nalazi se 1 atom koji je zajedniki za svih osam elija ((8 1/8) = 1),

Bazno centrirana - elementarna elija ima po jedan atom na svakom roglju i jo po jedan atom u sredini donje i gornje osnove (sl. 1.10b); to znai da na elementarnu eliju dolazi 2 atoma ((8 1/8 + 2 1/2 ) = 2).

ba

c

10

Prostorno centrirana - ima po jedan atom u rogljevima elementarne elije i jedan atom u njenom sreditu (sl. 1.10c); to znai, da elementarnoj eliji pripadaju 2 atoma (8 1/8 + 1 ) = 2).

Povrinski centrirana - ima u elementarnoj eliji po jedan atom na svakom roglju i po jedan atom u sredini svake strane (sl. 1.10d); elementarnoj reetki tada pripada 4-atoma ((8 1/8 + 6 1/2) = 4).

ba

c

b

c

a

11

Prema usvojenoj simbolici struktura hemijskih elemenata oznaava se slovom A (npr. A1, A2, A3, do A8). Slovo A se dopunjava odredjenim brojem za tip strukture (1 - povrinski centrirana, 2 - prostorno centrirana, 3 - gusto pakovana heksagonalna, 4 - dijamantska kubna, 5 - prostorno-centrirana tetragonalna, 6 -povrinski centrirana tetragonalna, 7 - romboedarska, 8 - trigonalna (trougaona)).

Kod tehnikih metala, uglavnom se sreu tri tipa osnovnih elija:

o povrinski centrirana kubna reetka (A1),o prostorno centrirana kubna reetka (A2) io gusto pakovana heksagonalna reetka (A3).

Po drugim tipovima reetke kristaliu se neki za tehniku manje znaajni metali,keramike i polimeri.

12

Elementarne reetke tehnikih metala

Veina inenjerskih metala kristalie se po kubnoj reetki, a samo nekoliko po heksagonalnoj reetki.

Razlikuju se:

povrinski centrirana kubna reetka (A1),

prostorno centrirana kubna reetka (A2) i

gusto pakovana heksagonalna reetka (A3).

Pored tipa reetke bitno je jo poznavati broj atoma (n) koji pripadaju osnovnoj eliji, radijus atoma R, koordinacioni broj (K) koji predstavlja broj atoma podjednako udaljenih od centralnog atoma u elementarnoj reetki i koeficijent ispunjenosti reetke (KIR) koji se odredjuje iz odnosa zapremine atoma elementarne reetke i zapremine same reetke.

Kad bude rei o obrazovanju legura videe se znaaj atomskog radijusa za legiranje, jer se samo atomi slinih dimenzija mogu zamenjivati. Atomski radijus se moe izraunati iz dimenzija elementarne reetke.

13

Kubna jedinina elija je 3D ponovljiva jedinica Retka (samo Po (polonijum) ima ovu strukturu) Gusto pakovani pravci (directions along which atoms touch each other)

are cube edges. Koordinacioni broj = 6

(broj najbliih suseda)

Prosta kubna reetka

14

Dva naina prikazivanja povrinsko-centrirane kubne reetke

Povrinski centrirana kubna reetka (A1)

Atomi se nalaze na svakom uglu (oku) i centrima svih stranica reetke;Cu, Al, Ag, Au su metali koji imaju ovu kristalnu reetku.

15

Koordinacioni broj = 12

Pravci gustog pakovanja su dijagonale stranica.

Napomena: Svi atomi su identini; povrinski centrirani atomi su oseneni (beli)samo da bi bili istaknuti.

Povrinski centrirana kubna reetka

16

Atomi se nalaze na svakom uglu (oku) i u centru reetke;Cr, -Fe, Mo su metali koji imaju ovu kristalnu reetku.

Zapreminski centrirana kubna reetka (A2)

17

Koordinacioni broj = 8

Pravci gustog pakovanja su dijagonale reetke.

Napomena: Svi atomi su identini; centralni atom je osenen (beo) samo da bi se razlikovao od ostalih atoma.

Zapreminski centrirana kubna reetka

18

Zato?Metali imaju... gusto pakovanje

(metalnu vezu) veliku atomsku masu

Keramike imaju... manju gustinu pakovanja

(kovalentnu vezu) neto laki elementi

Polimeri imaju... loe pakovanje

(esto amorfni) laki elementi (C,H,O)

Kompoziti imaju... srednje vrednosti

Gustina razliitih materijala

metala> keramika> polimera

Hemijske veze u kristalima

Jonske veze u kristalima

elektrina privlaenja oko jona ravnomerna imaju velike module elastinosti i vrstoe deformabilnost im je mala (krhki su) dobru topljivost u vodi NaCl

Kovalentne veze u kristalima

formiraju atomi nemetala C (grafit/dijamant), SiO2 (kvarc). Imaju velike module elastinosti, vrstoe male su elektrine i toplotne provodljivosti ima razliite vrstoe u razliitim pravcima. Pojava razliitih

svojstava u razliitim pravcima naziva se anizotropijom. grafit dijamant

grafit

Metalne veze u kristalima

Metalne kristale formiraju atomi i katjoni metalakoji su otpustili elektrone.

Zbog jakih privlaenja katjona metala iotputenih elektrona metali imaju visoke module elastinosti i vrstoe.

Velika pokretljivost otputenih elektrona irelativno male promene intenziteta privlaenja s promenama razmaka imaju za posledicu dobruelektrinu i toplotnu provodljivost metala kao i njihovu veliku sposobnost na istezanje.

Molekulski kristali

Molekulske kristale formiraju molekule, s kovalentnovezanim atomima (npr. H2O, CO2 , C12H26), uzajamnopovezane van der Waalsovim silama.

mali su moduli elastinosti i vrstoe. velika deformabilnost. Zbog odsutnosti slobodnih elektrona imaju vrlo nisku

elektrinu i toplotnu provodljivost deluju kaoizolatori.

Kristalne agregacije s molekulskim kristalnim reet-kama slabo su topljive u vodi i dobro topljive u organskim rastvorima.

Defekti kristalne reetke

Defekti kristalne reetke Osnovni principi kristalografije, vae samo za kristalografske

strukture, koje su geometrijski potpuno pravilne. Takvu strukturu imaju samo idealni kristali.

U tehnikoj praksi sreemo se sa realnim kristalima, u ijoj kristalnoj gradji se pojavljuju razliita odstupanja - greke reetke. Realni metali i isti metali sadre uvek odredjenu koliinu atoma stranih elemenata .

26

Pored ove nesavrenosti izazvane prisustvom stranih atoma, mogu se kristalne reetke prostorno rasporedjenih osnovnih atoma razlikovati na pojedinim mestima od oekivanih i bez uticaja stranih atoma. Te oblasti u kojima raspored osnovnih atoma ne odgovara idealnom smatraju se strukturnim grekama.

Strukture vrstih materija

27

Monokristali i polikristali Kristalne materije se mogu podeliti na dve grupe, na:

monokristale i polikristale.

Metalni monokristal predstavlja zapreminu metala u kojoj je orijentacija kristala jednoznana. Izradjuju se danas kao tzv. vlaknasti kristali i masivni monokristali.

Vlaknasti kristali imaju prenik nekoliko mikrometara, a duinu do nekoliko centimetara. U dananje vreme to su najsavreniji kristali, koje moemo dobiti. Imaju veoma mali broj defekata, a njihova jaina se pribliava teorijskoj vrednosti jaine metala sa idealnom kristalnom reetkom.

Npr. ve su izradjeni vlaknasti kristali (viskeri) gvodja, ugljenika, srebra, zlata, bakra, nikla, kalaja, cinka itd.

Idealankristal

28

Tena fazaTena faza Granice metalnogzrna

Jezgrakristalizacije

Kristali od kojih seformira metalno zrno

Metalna zrna

Polikristalne materije nastaju iz velikog broja centara kristalizacije. Orijentacija reetki susednih zrna je razliita pa je zato prelazni sloj izmedju susednih zrna oblast sa izrazitim naruavanjem kristalne gradje i naziva se granica zrna. Veliina zrna je vana metalografska karakteristika polikristalnih materijala. Materijali sa sitnijim zrnima imaju obino bolje mehanike osobine (jainu, tvrdou, ilavost) nego krupnozrnasti materijali.

Shema kristalizacije metala Orijentacija zrna u polikristalu

Granicezrna

Strukturne greke

Strukturni defekti predstavljaju odstupanja od pravilnoggeometrijskog rasporeda atoma kristalne reetke.

Ti defekti posebno utiu na mehanike i fizike osobine metalnihmaterijala. Od vrste, koliine i uzajamne interakcije izmedjurazliitih vrsta defekata zavise takodje procesi koji se deavaju u metalnim materijalima pri plastinoj obradi i termikoj obradi. Prema geometrijskom obliku mogu se strukturni defekti podeliti nanekoliko grupa:

30 2

Vakancije Intersticijski atomi Substitucijski atomi otkijev defekt Frenkelov defekt

Dislokacije

Granice subzrna Granice zrna Greke slaganja

Takaste greke

Linijske greke

Povrinske greke

Zapreminske greke

Podela strukturnih greaka

Pore, pukotine, ukljuci

31

Takaste (bezdimenzijske) greke su najjednostavnije greke kristalne reetke.

Nastaju npr. ozraivanjem metala esticama visoke energije (npr. neutronima), kao i zbog zagrevanja metala do visokih temperatura (bliskim temperaturi topljenja), pa brzog hladjenja i prerade metala plastinom deformacijom.

Takaste greke

32

Takasti defekti u strukturi mogu biti oblika:

Vakancija (upranjena mesta u reetki)

Atoma zamene (supstitucija)

Atoma popune (intersticija)

Iskrivljenost kristalne reetkeNa mestima takastih greaka

33

Atom zamene(substitucija)

Atom popune(intersticija)

Primeri:Substitucija i intersticija

Substituciono legiranje(npr. Cu u Ni)

Intersticiono legiranje(npr. C u Fe)

34

Vakancije Vakantan (lat.), upranjen, prazan

Nedostajanje atoma na mestu gde se normalno oekuje da postoji nazivamo vakancijom.

Vakancije mogu nastati dejstvom toplotne energije, zbog poremeaja u rastu kristala i zbog neravnotee u naelektrisanju. Dobiju li estice u povrinskom sloju kristala dovoljnu energiju (npr. toplotnu), oslobadjaju se iz svoje vorne take u reetki i zaposedaju vorne take na slobodnoj povrini kristala. Oslobodjena vorna taka ostaje nepopunjena-stvorena je vakancija.

0 1 2 3 4 5 6 104

700

600

500

400

300

Tem

pera

tura

, C

Koncentracija vakancija

Zavisnost koncentracije vakancija Od temperature

35

Vakancije u kristalnoj reetki nisu vezane za odredjeno mesto, ve se mogu (pri viim temperaturama) kroz kristal pomerati (migracija vakancija). Ta je migracija vezana za prelaenje estica (atoma); npr. vakantno mesto se pomeri iz jednog poloaja u drugi, a njegov prvobitni poloaj zauzme susedni atom. Od ovakvih elementarnih pomeranja vakantnih mesta sastoji se njihova migracija kroz kristal. Vakancije se premetaju na mesta gde mogu biti apsorbovane; takva su mesta npr. slobodne povrine kristalne supstance, granice zrna u polikristalima i sl.. Nasuprot tome, ako se metal lokalno zagreva, deluju i te oblasti kao izvori vakancija iz kojih one migriraju do okolne mase. Koncentracija vakancija utie na mnoge vrste termike obrade (arenje, taloenje-precipitaciju i dr.), jer olakava premetanje estica-difuziju, koja ove naine termike obrade prati.

Migracija vakancija

36

Migracija Vakancija(animacija)

37

Frenkelov i otkijev defekt:

Katjon-vakancija + Katjon-intersticijal = Frenkelov defekt Katjon-vakancija + Anjon-vakancija = otkijev defekt

otkijevdefekt

Frenkelov defekt

otkijev defekt

Ova greka se javlja u uravnoteenoj jonskoj reetki u kojoj istovremeno nedostaju anjon (+) i katjon (-)

Par vakance i intersticijalne estice u susednom poloaju naziva se Frenkelova greka. Obadve komponente Frenkelove greke mogu se samostalno premetati kroz kristal, tako da nastaju dve nezavisne greke (vakancija i intersticijalne estice).

Frenkelov defekt

Takaste greke imaju veliki uticaj na fizike osobine metala (npr. na elektrini otpor) kao i na mehanike osobine metala (npr. na tvrdou).

38

Linijske greke (dislokacije) Jednodimenzijske greke - dislokacije - nastaju nagomilavanjem niza takastih defekata.

Dislokacije se definiu pomou Burgersove putanje (petlje), koja je za perfektan kristal prikazana na. Ako se podje iz poetne take () i predje etiri medjuatomna rastojanja u pozitivnom pravcu ose x, i zatim u pravcu ose y, pa onda nastavi u suprotnom smeru dolazi se u poetnu poziciju. Kae se da je Burgersova putanja zatvorena.

Suprotno tome, Burgersova putanja na delu kristala koji sadri dislokaciju nee biti zatvorena. Vektor potreban da se putanja zatvori, usmeren od zavrne pa do poetne take zove se Burgersov vektor.

Burgersov vektor

Burgersova kontura

39

Prema medjusobnom poloaju Burgersovog vektora i tzv. dislokacione linije, razlikuju se: ivine i zavojne dislokacije

Ivina dislokacija

Ako se na idealnu reetku deluje silom smicanja bie potreban relativno visok napon za pomeranje gornjeg sloja atoma. U sluaju kad u kristalu postoje dislokacije (realni kristali) medjuatomne veze su slabije, te se jedan sloj atoma lake pokree, tj. napon teenja znatno je nii.

klizanje ravanklizanja

silasmicanja

40

Ova greka kristalne reetke nastaje zbog formiranja ekstra ravni smetene izmedju redovnih vertikalnih ravni. Zavrni red atoma umetnute poluravni obrazuje dislokacionu liniju. Burgersov vektor upravan je na dislokacionu liniju, obeleenu sa znakom . Vodoravna crtica oznaava poloaj dislokacione ravni, a vertikalna se odnosi na ekstra poluravan.

Idealankristal

Ekstra ravan

Ivina dislokacija

Dislokaciona linija

Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 41

Ivina dislokacija

Smiui napon

Burgersovvektor = b

Analogija gusenice

Linijaklizanja

42

Ivina dislokacija

Ivina dislokacija praena je promenom naponskog stanja u oblasti oko ekstra ravni. Iznad ravni klizanja pojavljuje se oblast sa pritisnim naponima, dok se ispod ravni klizanja pojavljuju naponi zatezanja

Pritisak

Zatezanje

Naponsko polje kod ivine dislokacije

43

Idealan kristalZavojna dislokacija

Ravan seenja iSmicanja atoma

Zavojna dislokacija

Zavojna dislokacija nastaje kao smicanje u ravni klizanja, tako da je najvee pomeranje, odnosno deformacija na poetku i ta deformacija opada do nule.

44

Trei tip ravanskih defekata nastaje zbog nepravilnog slaganja pojedinih slojeva. Atomi u ravni ili u delu ravni kristala mogu zauzeti poloaje koji ne odgovaraju redosledu datog sloja u reetki. Ako je jedan deo ravni izbaen, ubaen ili pak pomeren javljaju se defekti u slojevima koji su opkoljeni savrenom reetkom i od nje su odvojeni linijskim defektima - dislokacijama.

Greke u slojevima

Zapreminske greke

Zapreminske greke su vrlo sloene i njihovo prouavanje prevazilazi okvire ovog kursa.

U zapreminske greke spadaju:

pore pukotine i ukljuci

Pauza

Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila

47

Ako na metalno telo deluje spoljna sila, telo menja svoj oblik i

pri dovoljnoj veliini spoljne sile dolazi do njegovog razaranja.

Delovanjem sile nastaju istovremeno u telu naponi, jer se ono

unutranjim silama suprostavlja promeni oblika. Promena

oblika izazvana delovanjem spoljnih sila se naziva deformacija

(ponekad takodje preoblikovanje).

Osnovni pojmovi

48

Vrste optereenja

Savijanje

Zatezanje Pritiskivanje Smicanje Uvijanje

Mainski delovi mogu da buduOptereeni nekim od sledeih Optereenja ili njihovom kombinacijom.

49

Zateui napon,R: Smiui napon, :

=FtAo

original area before loading Jedinica za napon:

N/m2 (ili MPa )

Inenjerski napon

Poetna povrinapre optereenja

Povrina,Povrina,

50

Elastina deformacija

F

bonds stretch

return to initial

1. Poetno 2. Malo optereenje 3. Rastereeno

Vraanje napoetak

Po uklanjanju optereenjaElastina deformacija nestaje

Graninoizduenje

Pri niskim vrednostima spoljnih sila (i niskim naponima) deformacija je samo elastina (opruna); po rastereenju ta deformacija nestaje, a telo poprima prvobitni oblik. U kristalnoj reetki se elastina deformacija ispoljava samo malim otklanjanjem atoma iz njihovog ravnotenog poloaja; otklon ne prelazi polovinu parametra reetke.

51

Plastina deformacija metala

Plastina deformacija po uklanjanju optereenja ne nestaje!

1. Poetno 2. Malo optereenje 3. Rastereenje

F

linear elastic

linear elastic

plastic elastic

Prekorai li veliina spoljanje sile odredjenu granicu dolazi do plastine (trajne) deformacije, a po rastereenju telo ostaje deformisano.Pri trajnoj deformaciji menjaju atomi svoj poloaj za udaljenost najmanje jednaku parametru reetke.

52

Elastina i plastina deformacija

Zatezni test:

53

Izduenje: Suenje:

Smiua deformacija:

/2

/2

/2 -

/2

/2

/2L/2L/2

Lowo

= tan

Inenjerska deformaija

54

Modul elastinosti, E:(zove se jo i Jungov modul elastinosti)

Hukov zakon:

Jedinica:E: [GPa]

Linearna elastinost

Jednoosnozatezanje

= E Izmedju elastine deformacije () i napona () postoji linearna zavisnost koja je poznata kao Hukov zakon:

55

0.2

8

0.6

1

Magnesium,Aluminum

Platinum

Silver, Gold

Tantalum

Zinc, Ti

Steel, NiMolybdenum

Graphite

Si crystal

Glass-soda

Concrete

Si nitrideAl oxide

PC

Wood( grain)

AFRE( fibers)*

CFRE*

GFRE*

Glass fibers only

Carbon fibers only

Aramid fibers only

Epoxy only

0.4

0.8

2

46

10

20

406080

100

200

600800

10001200

400

Tin

Cu alloys

Tungsten

Si carbide

Diamond

PTFE

HDPE

LDPE

PP

Polyester

PSPET

CFRE( fibers)*

GFRE( fibers)*

GFRE(|| fibers)*

AFRE(|| fibers)*

CFRE(|| fibers)*

MetaliLegure

GrafitKeramikePoluprovodnici

PolimeriKompoziti

E(GPa)

109 Pa

Modul elastinosti, E

Ekeramike> Emetala>> Epolimera

56

Poasonov koeficijennt

Poasonov koeficijent, :

bez promene zapremine: = 0.5metali: ~ 0.33keramike: ~0.25polimeri: ~0.40

Jedinica:: bezdimenziona

Poprena deformacija, L

Odnosi za izotropne materijale:

G = E

2(1+ ) K = E

3(1 2)

Jednoosnozatezanje Uzduna deformacija,

57

Jednoosno zatezanje: kabal

o =

FA

Smicanje: pogonsko vratilo

o =

FsA

Ski lift

Naponsko stanje

Popreni presek

58

Canyon Bridge, Los Alamos, NM

Pritiskivanje:

Ao

Balanced Rock, Arches National Park

Naponsko stanje

59

Dvo-osno zatezanje: Hidrostatiki pritisak:

Plinski rezervoar

z > 0

> 0

< 0h

Naponsko stanje

Riba pod vodom

60

Odredjivanje precizne granice izmedju elastine i trajne deformacije je teko; kod polikristalnih materija se takva granica praktino i ne pojavljuje (neka su zrna trajno deformisana, druga samo elastino). Zato se oblast elastinih deformacija ograniava naponom pri kome ipak dolazi do merljive trajne deformacije koja se oznaava kao granica elastinosti. Odredjivanje ove ove granice dosta teko i dugotrajno. U tehnikoj praksi se za napon, koji karakterie poetak trajne deformacije uzima napon, koji izaziva trajnu deformaciju 0.2% i oznaava se kao granica R0.2

Kod nekih metala moe se poetak trajne deformacije lako oitati sa dijagrama kidanja. Dostigne li napon vrednost koja odgovara taki H, dolazi do rasta trajne deformacije, koji je praen naglim padom napona. Snienje napona pri kojem se deformacija nastavlja, naziva se teenje materijala; taka H koja prikazuje poetak trajne deformacije oznaava se kao gornja granica teenja ili samo napon teenja. Deformacija H, koja odgovara taki H, moe se smatrati za granicu izmedju elastine i trajne deformacije.

61

Oblast ulevo se koristi za procenu konstrukcionih osobina materijala (gde nije doputena trajna deformacija), oblast udesno sadri informacije potrebne za tehnoloke postupke, zasnovane na trajnim deformacijama (naroito pri kovanju, valjanju).

Gornja granica teenja

Donja granica teenja

ilav lom

Krt lom

Suenje

Deformacija,

Nap

on,

H

H

62

Metodi ispitivanja metala i legura

Delovi maina i ureaja izloeni su u eksploatacionim uslovima razliitim vrstama optereenja, a ponekad i povienim ili snienim temperaturama ili pak korozionom dejstvu. Da bi se ustanovio "odgovor" materijala na razne uslove spoljnjeg optereenja neophodna su laboratorijska ispitivanja, koja kad je re o mehanikim osobinama treba da budu maksimalno prilagoena realnim uslovima u kojima delovi rade. Testiranjem materijala ne dobijaju se samo podaci potrebni za projektovanje i konstrukciju delova maina ve i neke karakteristike koje se odnose na mogunost prerade poluproizvoda u finalne proizvode. Jednom reju mehanike osobine metala obuhvataju svojstva otpornosti i svojstva deformacije.

Mehanike osobine materijala

63

Budui da se ispitivanju mehanikih osobina posveuje veliki

deo vremena na laboratorijskim vebama, ovde e biti iznete

samo opte napomene koje se odnose na:

Ispitivanje zatezanjem,

Merenje tvrdoe,

Odredjivanje udarne ilavosti,

Odreivanje dinamike izdrljivosti,

Ispitivanje na povienim temperaturama

64

Ispitivanje zatezanjem

Zasniva se na sporom zatezanju uzorka standardnog oblika i dimenzija

na uredjaju koji se zove kidalica. Ona je opremljena dinamometrom za

merenje sile i pisaem koji u svakom momentu zapisuje zavisnost

izduenja od sile. Pomou podataka zabeleenih pri ispitivanju i

izmerenih na prekinutom uzorku odreuju se:

Zatezna vrstoa, Rm, MPa (Zatezna vrstoa),

Napon teenja, R0,2, MPa (Gornja granica teenja, ReH),

Izduenje A5,65, A11,3, % (Indeksi se odnose na radnu duinu),

Suenje Z, % (Kontrakcija),

Modul elastinosti E, MPa.

65

Zatezna vrstoa je pokazatelj kvaliteta materijala, koji se ne koristi kao proraunska veliina kod duktilnih materijala.

Napon teenja je najvanija veliina za proraun (dimenzionisanje) mainskih delova. Najvei nivo napona kojim se deo sme opteretiti mora biti nii od napona teenja, to se za odgovorne konstrukcije definie stepenom sigurnosti.

Izduenje moe biti bolji pokazatelj metalurkog kvaliteta elika nego jaina, jer u sluaju poroznosti ili nemetalnih ukljuaka A drastino opada.

Suenje je bitan pokazatelj obradljivosti metala plastinim deformisanjem.

Karakteristike otpornosti materijala

Karakteristike plastinosti materijala

66

Kidalica

Epruveta

Gornja eljust

Donja eljust

67

Ekstenzometar

Ekstenzometar slui za merenje vrlo malih deformacija

Dijagram kidanja

Dijagram kidanja

Karakteristine take:

E granica elastinosti,P granica proporcionalnosti,T granica teenja,M maksimalna sila,K sila kidanja.

Dijagrami kidanja za razliite materijale

71

Suenje

Lokalizovanje plastine deformacije posle dostizanja maksimalne sile

Epruveta od mekog elika

72

Puzanje materijala

73

puz

anja

vremeprimarnopuzanje

tercijalnopuzanje

stacionarnopuzanje

Optereenje

Zagrevanje

Nastaje pri temperaturi, T > 0.4 Ttopljenja Deformacija se menja tokom vremena.

74

Tvrdoa

Tvrdoa se definie kao otpor prodiranju utiskivaa koji je tvrdji od

ispitivanog materijala. Kod metalnih materijala postoji jaka korelacija

izmedju elastinosti i tvrdoe, pa zato i veliina odskoka moe posluiti za

procenu tvrdoa po tzv. skleroskopskoj metodi.

Najee se tvrdoa tehnikih metala odredjuje po:

Brinelu,

Vikersu i

Rokvelu

75

Brinelova tvrdoa (HBS ili HBW)

meri se na ravnom uzorku utiskivanjem eline ili kuglice od tvrdog metala prenika D = 10, 5, 2.5 mm. Na osnovu F, D i prenika otiska d, izmerenog na mikroskopu ugradjenom u Brinelov aparat, rauna se tvrdoa:

( )2 22FHB

D D D d=

Najvea tvrdoa koja se moe meriti sa utiskivaem od kaljene eline kuglice je 450HB, a sa kuglicom od tvrdog metala, ta je granica 750 HB. Izmedju jaine na kidanje konstrukcionih elika u normalizovanom stanju i tvrdoe HB ustanovljena je empirijska veza .

Kuglica

Otisak

76

Vikersova tvrdoa (HV)

meri se pomou dijamantske piramide sa uglom pri vrhu od 136 koja se utiskuje pod optereenjem u materijal. Tvrdoa po Vikersu izraunava se prema izrazu:

Metoda po Vikersu naroito je pogodna za kontrolu tvrdoe veoma tvrdih povrina kao to su kaljene, cementirane, nitrirane ili difuziono metalizirane. Pored toga mogu se meriti tvrdoe tankih predmeta ako se primene mala optereenja kojima se deluje na utiskiva. Tvrdoa HV bliska je tvrdoi HB u granicama 250-600; izvan ovog intervala tvrdoe se znatno razlikuju, te za prevodjenje jedne u drugu slue uporedne tablice.

2

1.854FHVd

=Otisak

Materijal

Utiskiva- piramida

77

Rokvelova tvrdoa (HRC, HRB)

meri se direktnim oitavanjem na skali aparata. Utiskiva kod metode HRC je dijamantska kupa sa uglom od 120.

Druga skala HRB upotrebljava se za merenje tvrdoe relativno mekih materijala (HB < 400). Kao utiskiva koristi se elina kuglica prenika 1/16 ina.

Merenje tvrdoe po Rokvelu je veoma brzo, a otisak je gotovo nevidljiv.

predoptereenje

predoptereenje predoptereenje

predoptereenje

Glavno optereenjeGlavno optereenje

HRB HRC

Utiskiva kuglica Utiskiva kupa

78

Skleroskopska tvrdoa ili tvrdoa po oru (HSh)

odredjuje se prema visini elastinog odskoka malog tega koji slobodno pada sa odredjene visine. Posle merenja ne ostaju nikakvi tragovi, koji bi mogli delovati kao inicijalne prsline kod dinamiki optereenih delova.

Izgled utiskivaa Metoda Utiskiva

Boni pogled Pogled odozgo Optereenje Formula za izraunavanje tvrdoe

Brinel

Kuglica od elika ili volfram karbida prenika 10 mm

D

d

d F 2 22

( )FHB

D D D d=

Vikers Dijamantska piramida

136

d 1 d1

F 2

1.854HVd

=

Knup Dijamantska kupa

t

l / b=7.11b / t=4.00

b

l

F 214.2HK

l=

Rokvel A C D

Dijamantska kupa

120

t

d 60 kg

150 kg 100 kg

HRA = HRC = HRD =

100-500 t

B F G

1/16" prenika eline kuglice

E 1/8" prenika eline kuglice t

d

100 kg 60 kg

150 kg 100 kg

HRB = HRF = HRG = HRE =

130-500 t

79

Metode merenja tvrdoe

Metoda

Utiskiva

Izgled utiskivaa

Optereenje

Formula zaizraunavanje tvrdoe

Boni pogled

Pogled odozgo

Brinel

Kuglica od elika ili volfram karbida prenika 10 mm

D

d

d

F

22

2

()

F

HB

DDDd

p

=

--

Vikers

Dijamantska piramida

136

d

1

d

1

F

2

1.854

HV

d

=

Knup

Dijamantska kupa

t

l

/ b=7.11

b / t=4.00

b

l

F

2

14.2

HK

l

=

Rokvel

A

C

D

Dijamantska kupa

120

t

d

60 kg

150 kg

100 kg

HRA

=

HRC

=

HRD

=

100-500 t

B

F

G

1/16" prenika eline kuglice

t

d

100 kg

60 kg

150 kg

100 kg

HRB

=

HRF

=

HRG

=

HRE

=

130-500 t

E

1/8" prenika eline kuglice

_1106317947.unknown

_1111320194.unknown

_1111320635.unknown

_1222557172.unknown

_1108813086.unknown

_1106317554.unknown

_1106317593.unknown

_1106317757.unknown

_1106317839.unknown

_1106317928.unknown

_1106317607.unknown

_1106317616.unknown

_1106317575.unknown

_1106317584.unknown

_1106317564.unknown

_1106316900.unknown

_1106316978.unknown

_1106316741.unknown

80

Udarna ilavost Energija koja se utroi pri udarnom savijanju je merilo osetljivosti materijala na lokalnu koncentraciju napona. Ispitivanje udarne ilavosti prvi je uveo arpi (Charpy) i definisao je kao rad potreban za prelom probnog uzorka preseka 1 cm2, koji sadri leb propisanih dimenzija. Ovako definisana veliina udarne ilavosti nema fiziki karakter, pa rezultati mogu biti uporedivi samo ako su dobijeni na istim probnim uzorcima i u istim uslovima. Metali skloni krtom lomu razaraju se pri malom utroku energije i gotovo bez vidljive deformacije na mestu preloma. arpijevo klatno za ispitivanje ilavosti

Pauza

Kristalna struktura i geometrija elementarnih kristalnih reetkiSlide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Hemijske veze u kristalimaJonske veze u kristalimaKovalentne veze u kristalimaMetalne veze u kristalimaMolekulski kristaliDefekti kristalne reetkeDefekti kristalne reetkeSlide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Strukturne grekePodela strukturnih greakaSlide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44PauzaPonaanje metala pri delovanju spoljnih silaSlide Number 47Slide Number 48Slide Number 49Elastina deformacijaPlastina deformacija metalaElastina i plastina deformacijaSlide Number 53Slide Number 54Slide Number 55Poasonov koeficijenntSlide Number 57Slide Number 58Slide Number 59Slide Number 60Slide Number 61Slide Number 62Slide Number 63Slide Number 64Slide Number 65Slide Number 66Slide Number 67Dijagram kidanjaDijagram kidanjaDijagrami kidanja za razliite materijaleSlide Number 71Slide Number 72Puzanje materijalaSlide Number 74Slide Number 75Slide Number 76Slide Number 77Slide Number 78Slide Number 79Slide Number 80Pauza