2 PONAANJE METALA PRI DELOVANJU SPOLJNIH SILA 2.1Elastine deformacije 2.1.1Osnovni pojmovi Akonametalnotelodelujespoljnasila,telomenjasvojoblikipridovoljnoj veliini spoljne sile dolazi do njegovog razaranja. Delovanjem sile nastaju istovre-menoutelunaponi,jerseonounutranjimsilamasuprostavljapromenioblika. Promena oblika izazvana delovanjem spoljnih sila se naziva deformacija (ponekad takodjepreoblikovanje).Priniskimvrednostimaspoljnihsila(iniskimnaponima) deformacijajesamoelastina(opruna);porastereenjutadeformacijanestaje,a telo poprima prvobitni oblik. Prekorai li veliina spoljanje sile odredjenu granicu dolazi do plastine (trajne) deformacije, a po rastereenju telo ostaje deformisano. Ukristalnojreetkiseelastinadeformacijaispoljavasamomalimotklanjanjem atomaiznjihovogravnotenogpoloaja;otklonneprelazipolovinuparametrare-etke. Pri trajnoj deformaciji menjaju atomi svoj poloaj za udaljenost najmanje je-dnaku parametru reetke. Ako spoljna sila F deluje na tap krunog preseka u uslovima jednoosnog zate-ueg optereenja (sl. 2.1), nastaje u ravni S0, upravnoj na pravac dejstva sile, nor-malni napon 0 = F/S0. U proizvoljnoj ravni S1, ija normala zaklapa sa pravcem si-leFugao,normalnakomponenta(Fn1)ismiuakomponenta(Fs1)sileFimaju vrednosti: 1cos ;nF F = 1sinsF F = (2.1) U ravni S1 deluju normalni i smiui naponi: Mainski materijali 44 111SFn= i 111SFs= , respektivno. (2.2) FFFn1Fs1S1S0F 0 30 60 9000.25 00.50 00.75 01.00 0 Slika 2.1 Normalna i smiuaSlika 2.2 Tok normalnog i smiueg komponenta sile Fnapona u zavisnosti od ugla pri jednoosnom zatezanju Tokovinormalnogismiuegnaponauzavisnostioduglaprijednoosnom zatezanju prikazani su na slici 2.2. Kao to se vidi normalni napon () dostie mak-simum za = 0; smiui napon () ima maksimalnu vrednost pri = 45 koja iz-nosi1/20.Akojevrednostsiledovoljnomalarejeoelastinimnormalnimi smiuim naponima, kojima odgovaraju elastine normalne i smiue deformacije. Izmedju elastine deformacije () i napona () postoji linearna zavisnost koja je poznata kao Hukov zakon: = ,(2.3) gde je: - konstanta proporcionalnosti, a 1/ = E - modul elastinosti pri zatezanju, MPa. Odnos izmedju normalnog napona i normalne elastine deformacije je stoga: E = . (2.4) Za smiui napon () i smiuu elastinu deformaciju () vai slino: G = ,(2.5) gde je G - modul elastinosti na smicanje, odnosno modul klizanja u MPa. Relativnedeformacijeisubezdimenzijskibrojevi.Uzdunadeformacija predstavlja odnos ukupne promene duine (l) i poetne duine l0, a odredjuje se po-mou izraza: ,000ll lll == (2.6) Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 45 gde je: l0 - duina uzorka u nezategnutom stanju, l - duina uzorka u stanju zatezanja normalnom silom F.Pojava uzdune deformacije 0ll = pod dejstvom sile F prikazana je na slici 2.3. Slinose(sl.2.4)odredjujesmiuadeformacija(smicanje): lx = kaotangenta ugla smicanja izazvanog smiuom silom F, jer je lxtg= i tg za male uglove. Apsolutne vrednosti konstanti E i G su za razne metale razliite, a u monokristalu zavise takodje od orijentacije kristalne reetke i pravca delovanja sile. Kod monokris-tala bakra dobijene su, za razliite pravce, vrednosti modula elastinosti veoma razli-ite; npr. odnos E[111]/E[100] je kod bakra oko 2.8; za aluminijum oko 1.2. Zato mo-nokristalbakraimavelikistepenanizotropije1elastinihosobina,amonokristalalu-minijuma se ponaa u oblasti elastinih deformacija kao skoro izotropno telo. lFFll0 lFFx Slika 2.3 Ilustracija normalneSlika 2.4 Ilustracija smiue deformacije deformacije Kod veine tehnikih metala i legura, budui da je re o polikristalnim materi-jamakojesesastojeizvelikogbrojakristalarazneorijentacije,veliinamodula elastinostijenezavisnaodpravca.Zaovakvematerijalemodulelastinostijeu makroskopskim razmerama jednak srednjoj vrednosti modula elastinosti monokri-stala.Makroskopskazapreminapolikristalnihmaterijalapostajeondatelosaizot-ropnim elastinim osobinama. 2.2Plastine deformacije Odredjivanje precizne granice izmedju elastine i trajne deformacije je teko; kod polikristalnihmaterija se takvagranica praktino i nepojavljuje (nekasu zrna trajno 1 Anizotropija oznaava zavisnost, a izotropija nezavisnost osobina od pravca. Mainski materijali 46 deformisana, druga samo elastino). Zato se oblast elastinih deformacija ograniava naponomprikomeipakdolazidomerljivetrajnedeformacijekojaseoznaavakao granicaelastinosti.Zareprodukovanjenavedenognapona,kojiizazivaprvetrajne deformacije, koristi se tzv. dogovorna granica elastinosti 0.005. To je napon, koji iza-zivanpr.prizateuemoptereenjutapanjegovotrajnoizduenjeza0.005%l0(sl. 2.3). Ipak je i odredjivanje ove dogovorne vrednosti dosta teko i dugotrajno. U tehni-koj praksi se za napon, koji karakterie poetak trajne deformacije uzima napon, koji izazivatrajnudeformaciju0.2%ioznaavasekaogranicaR0.21.Kodnekihmetala (naroitokodmetalasaprostornocentriranomkubnomreetkom),kojisadremale koliine intersticijskih primesa, moe se poetak trajne deformacije lako oitati sa di-jagrama kidanja. Na sl. 2.5 je takav dijagram prikazan za niskougljenian elik. Dos-tigne 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 ozna-ava se kao gornja granica teenja ili samo napon teenja. Deformacija H, koja odgo-vara taki H, moe se smatrati za granicu izmedju elastine i trajne deformacije. Ob-last ulevo se koristi za procenu konstrukcionih osobina materijala (gde nije doputena trajnadeformacija),oblastudesnosadriinformacijepotrebnezatehnolokepostup-ke, zasnovane na trajnim deformacijama (naroito pri kovanju, valjanju). Gornja granica teenjaDonja granica teenjailav lomKrt lomSuenjeDeformacija,Napon, HH a)b) Slika 2.5 Zavisnost napon-deformacija za niskougljenini elik (a) i izgled krtog i ilavog loma (b) Plastina(duktilna)deformacijakristalnihmaterijalanastalabiloklizanjemili dvojnikovanjemostvarujesekretanjemdislokacija.Shemaobaosnovnamehaniz-maplastinedeformacijejeprikazananaslici2.6.Uobasluajarejeotrajnoj promeni oblika, izazvanoj smiuim naponima () dovoljne veliine. Pri plastinoj deformaciji klizanjem, tim naponom izaziva se pomeranje dva dela kristala du od-redjenih kristalografskihravni, naudaljenostkoja odgovaravektorureetke(med- 1 Rp (R0.2) zove se tehniki napon teenja ili bolje konvencionalni napon teenja. Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 47 juatomskojudaljenosti),odnosnocelomumnokuvektorareetke.Orijentacija kristalografske reetke oba dela kristala ostaje ista, kontinuitet atomnih ravni se za-drava (sl. 2.6a). Pri dvojnikovanju smiui naponi u odredjenom delu kristala do-vode do pomeranja veeg broja susednih atomskih ravni. Za razliku od klizanja, pri plastinoj deformaciji dvojnikovanjem dolazi do pomeranja mnogih atomskih ravni tako da relativno pomeranje atoma susednih ravni ne odgovara celom vektoru ree-tke (sl. 2.6b). Deformisani deo kristala ima drukiju orijentaciju reetke, nego to je imaosnovnareetka.Obemreeizgledajukaoslikailikuogledaluuodnosuna odredjenu ravankojase oznaava kao ravan dvojnikovanja. Potreban napon je vii negosmiuinaponizaizazivanjeklizanja.Zatosesaplastinomdeformacijom dvojnikovanjem sreemo samo u odredjenim uslovima, npr. kod metala sa malim bro-jemravniklizanja,daljeprideformacijinaniimtemperaturamailiprideformaciji veimbrzinamaoptereenja(istovremenoideformacija).Kodmetalasapovrinski centriranom kubnomreetkom injihovih legura (bakar,mesing itd.), dolazi dodvoj-nikovanja kristala takodje usled termikih napona pri zagrevanju; ti tzv. kristalni bli-zanci se razlikuju od dvojnika stvorenih zajednikom deformacijom, time to su iri i vieihjeustrukturi.Kristaliblizancisunanagrienojpovrinipresekauzorkalako uoljivijerorijentisanideokristalaprinagrizanjudobijarazliitubojuuodnosuna okolni nedeformisani deo kristala.FFFFFFFFFFRavniklizanjaRavanklizanjaRavnidvojnikovanjadvojnika)b) Slika 2.6 Deformisanje kristala: a) klizanjem, b) dvojnikovanjem Teenje pri naponu manjem od jaine materijala je karakteristina pojava kod me-talnih materijala. Suprotno tome, kod tvrdih kovalentnih kristala (dijamant, karbid si-Mainski materijali 48 licijuma) i kristala sa delimino metalnom vezom (karbidi metala), potrebni su za kli-zanje naponi koji prevazilaze njihovu jainu. To je zato to jako usmerene veze izme-dju atoma oteavaju kretanje dislokacija. 2.2.1Veza izmedju klizanja i kristalne reetkeNajei mehanizam deformacije oblika kod metala, na koji e u daljem izlaganju biti usredsredjena naa panja, jeste klizanje. Ako se postepeno poveava sila optere-enja koja deluje na kristal, najzad e smiui naponi u pogodnoj kristalografskoj rav-ni (tzv. ravni klizanja) dostii kritinu vrednost tzv. kritian napon klizanja i zapoee deformacijaklizanjem;jedandeokristalasepomeraporavniklizanjauodnosuna drugi deo. Iz proba na monokristalu proizilazi, da se klizanje prvenstveno odvija u od-redjenim kristalografskim ravnima i pravcima. Iz veze izmedju strukture kristala i ge-ometrije deformacije klizanjem mogu se formulisati tri osnovna zakona klizanja: 1)ravan klizanja odgovara ravni kristala najgue posednutoj atomima; 2)pravacklizanjaodgovarapravcimakristalakojisunajgueposednutiatomi-ma; 3)od datog skupa ravni i pravaca moe se izdvojiti takva ravan i pravac, gde smi-ua komponenta napona dostie najveu vrednost (tzv. aktivna ravan i pravac klizanja; aktivacija nastaje po midovom zakonu teenja1). xzy(111)[101][110][011](111)

xzy(110)[111][111]

PravacklizanjaRavanklizanjaPravacklizanjaPravacklizanja Slika 2.7 Pravci i ravni klizanja u povrinskicentriranoj kubnoj reetki (A1)Slika 2.8 Pravci i ravni klizanja u prostornocentriranoj kubnoj reetki (A2) Slika 2.9 Pravci i ravni klizanja u heksagonalnoj gusto pakovanoj reetki (A3) Npr. u povrinski centriranom kubnom sistemu (A1) najgue su posednute ravni tipa{111}ipravcitipa(sl.2.7).Uprostornocentriranomkubnomsistemu (A2) najgue su posednute atomima ravni tipa {110}, {211} i {321}, a najgue po-sednut je pravac tipa (sl. 2.8). U ovim sistemima najpovoljnija ravan zavisna je 1Odmoguihsistemaklizanjaukristalu,klizanjeepoetinaonomzakojegjepotrebnanajmanja komponenta razloenog napona (komponenta nastala razlaganjem optereenja). Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 49 odtemperature.Npr.zatemperaturuispodTt/4(Tt-temperaturatopljenjauKelvini-ma), jesu preferirane ravni {211}, za temperaturu u intervalu Tt/4 - Tt/2 ravni {110}, a priviimtemperaturamaravni{321}.Kodheksagonalnihsistema(A3)najgueje posednutaatomimaosnovnaravanelementarnereetke,anajgueposednutipravci lee u toj ravni (sl. 2.9). Proizvod brojeva ravni klizanja i pravaca odredjuje broj sis-tema klizanja. Metali strukture A1 imaju 4 ravni klizanja i u svakoj ravni po 3 pravca to daje (43) = 12 sistema klizanja, metali strukture A2 imaju (62) = 12 sistema kli-zanja i metali strukture A3 imaju (13) = 3 sistema klizanja. To je u skladu i sa empi-rijskom injenicom da metali Au, Ag, Cu, Al, Pb (reetka A1) imaju znatno veu plas-tinost nego metali Zn, Mg, Cd (reetka A3). 2.2.2Kritian napon klizanja Napon potreban za klizanje u odredjenoj ravni klizanja, naziva se kritian napon klizanja(kr).Uzpretpostavkudaseklizanjeostvarujekaomedjusobnopomeranje dva vrsta tela (to znai ducele klizne ravni istovremeno), moe se veliina kr pro-raunati iz medjuatomnih sila. Najmanje trajno pomeranje jednog sloja atoma u odno-su na susedni sloj jeste takvo pri kojem se atomi premetaju za jedno medjuatomsko rastojanjeupravcudelovanjanapona.Prisvomkretanjuizjednogvorareetkedo susednog vora atom je izloen silama razliitih veliina i smerova. Pri malim otklo-nima od polaznog poloaja preovladjuju si-lekojeteedaatomvrateopetupoetni poloaj; pri velikim otklonima koji prevazi-lazepolovinumedjuatomnograstojanja, preovladjuje sila od susednog atoma, tj. sila obrnutogsmera;usrednjempoloajuiz-medjususednihvorovarezultujuasilaje jednakanuli.Pretpostavimozato,dasila koja deluje na atom koji se kree od jednog vora do drugog ima sinusoidalni oblik (sl. 2.10). Da bisetakvopomeranjeatomaos-tvarilo,morasmiuakomponentaspoljne sile prekoraiti maksimum koji lei na uda-ljenostix=a/4odpolaznogpoloajaO. Potrebna veliina sile na jedininoj povrini kristalografskeravni(tj.kritinognapona klizanja)moeseizvestiizsinusnejedna-ine koja ima oblik: |.|

\| =axA 2 sin .(2.7) Za male otklone (ali konane) od poe-tnog poloaja vai Hukov zakon: +F0-Fa/4a/2Medjuatomska udaljenostFxFaa Slika 2.10 Tok sile potrebne za pomeranje atoma iz ravnotenog poloaja Mainski materijali 50 = G ,(2.8) u kome se smiua deformacija moe prema slici 2.10 izraziti kao: ax= .(2.9) Za x = 0 mora biti tangenta na sinusnu liniju jednaka prvom izvodu Hukovog za-kona: , 2 cos20 0aGaxAa xx x=((

|.|

\| =||.|

\|= = (2.10) ili ,aGAa2= (2.11) pa je 2GA= . (2.12) Posle zamene: |.|

\| =ax G 2 sin2, (2.13) maksimalna vrednost napona dobija se iz uslova:2; 0maxGx= =.(2.14) Vrednost modula elastinosti na smicanje je npr. za gvodje oko 7104 MPa; to znaidabinaponpotrebanzaizazivanjeplastinihdeformacijabiooko10000 MPa.Stvarnikritininaponklizanjaeksperimentalnoodredjenkodmasivnihmo-nokristala istih metala je 100 do 1000 puta manji. Razlog ovom neslaganju izme-djuproraunatih iizmerenihvrednosti kritinognapona klizanja jepogrenapret-postavka iz koje je proraun izveden. Bilo je usvojeno klizanje u savrenom krista-lusaidealnomkristalnomreetkompriemusejedandeopodrugomkretaokao kruta celina. Pri klizanju u realnim uslovima ne dolazi do pomeranja atomnih slo-jevakaoceline,vepostupnimpremetanjemrelativnomalogbojaatoma;topo-meranje moe se uporediti sa talasnim kretanjem ravni klizanja. Omogueno je pri-sustvom i kretanjem dislokacija u kristalu. Zbog veoma velike gustine dislokacija u reetki metala, postoji verovatnoa da se u ravni klizanja pojave ivine dislokacije ijiseBurgersovvektorpoklapasapravcemnaponatoolakavaklizanje.Dislo-kacione linije u kristalu su zone poviene energije, te se delovanje i relativno malih tangencijalnih napona sabira (superponira) sa unutranjim naponima to inicira kre-tanje dislokacije, a time i klizanje (sl. 2.11). Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 51 1 F 2 F 3 F4pravac klizanja Slika 2.11 Shema mehanizma klizanja; 1-4 etape klizanja Premetanje dislokacija bilo ivinih ili zavojnih (sl. 2.12) dovodi do klizanja samo malog broja okolnih atoma, dok je za klizanje u idealnom kristalu potrebno jednovre-meno premetanje svih atoma u tangencijalnoj ravni. Primenjujui analogiju sa zako-nimamehanike,olakanje klizanjadislokacijamamoese uporediti saprelaskom od trenja klizanja na trenje kotrljanja. Kod monokristala kretanje dislokacija se zaustavlja zbog defekata kristalne reetke na granicama subzrna, prisustva stranih atoma ili pre-secanjadislokacionihlinija.Timeseobjanjavaogranienjeveliineklizanjaujed-nom pravcu. Blokiranje kretanja dislokacija na nekim linijama klizanja praeno je po-veanjem otpornosti nasmicanje u ravni klizanja. Uskladusapostupnimplastinim deformisanjemrasteotpormetalaprotivdaljegdeformisanja-kristalpodleeojaa-nju.Veliinai brzinatogojaanjazavisiodkristalnestrukture.MetalistruktureA3 (Zn,Mg,Ti,Zr,Cd,Co)neznatnoojaavajunezavisnoodtemperature,netovie ojaavaju metali strukture A1 (Ag, Al, Cu, - Fe, Ni, Pb), a najvie ojaavaju metali struktureA2(-Fe,Cr,Mo,V,W,Nb,Ta).Posebnaplastinostnekihmetalanpr. Au,Ag,Cu,Ptnemoeseobjasnitisamogustinomdislokacijaunedeformisanom kristalu, ve i razmnoavanjem dislokacija pri plastinom deformisanju. a)b) c) Slika 2.12 Klizanje izazvano kretanjem zavojne dislokacije kroz kristal Mainski materijali 52 2.3Metodi ispitivanja metala i legura2.3.1Mehanike osobine materijala Delovi maina i ureaja izloeni su u eksploatacionim uslovima razliitim vrs-tamaoptereenja, a ponekad i povienimili snienimtemperaturama ili pak koro-zionom dejstvu. Da bi se ustanovio "odgovor" materijala na razne uslove spoljnjeg optereenja neophodna su laboratorijska ispitivanja, koja kad je re o mehanikim osobinamatrebadabudumaksimalnoprilagoenarealnimuslovimaukojimade-lovi rade. Testiranjemmaterijala ne dobijaju se samo podaci potrebni za projekto-vanje i konstrukciju delova maina ve i neke karakteristike koje se odnose na mo-gunostprerade poluproizvodaufinalne proizvode.Jednom rejumehanikeoso-bine metala obuhvataju svojstva otpornosti i svojstva deformacije. 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. 2.3.1.aIspitivanje zatezanjem Zasniva se na sporom zatezanju uzorka standardnog oblika i dimenzija na ured-jaju koji se zove kidalica. Ona je opremljena dinamometrom za merenje sile i pisa-em koji u svakom momentu zapisuje zavisnost izduenja od sile. Pomou podata-ka zabeleenih pri ispitivanju (sl. 2.13) i izmerenih na prekinutom uzorku odreuju se: Jaina na kidanje, Rm, MPa (Zatezna vrstoa), Napon teenja, R0,2, MPa (Gornja granica teenja, ReH), Izduenje A5, A10, % (Indeksi se odnose na radnu duinu), Suenje Z, % (Kontrakcija), Modul elastinosti E, MPa. Jaina je pokazatelj kvaliteta materijala, koji se ne koristi kao proraunska ve-liina kod duktilnih materijala. Ipak se uporednim ispitivanjima vie uzoraka mogu prema jaini ustanoviti eventualne unutranje metalurke greke (poroznost, neme-talni ukljuci). Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 53 Naponteenjajenajvanijaveliinazaproraun(dimenzionisanje)mainskih delova. Najveinivo napona kojim sedeosmeopteretiti mora biti nii od napona teenja, to se za odgovornekonstrukcije definiestepenomsigurnosti. S obzirom na znaaj napona teenja potrebno je objasniti kako se on odreuje. Kod mekih1 e-lika (sl. 2.13a) taj se napon direktno oitava sa dijagrama i odgovara gornjem naponu teenja koji se oznaava sa Re, MPa. Kod drugih vrsta elika ne moe se u tokuispitivanjazatezanjemdirektnouoitinaponteenja.Buduidaiprinajma-njem optereenju nastaju lokalne plastine deformacije, postavlja se pitanje koliko se najvie plastino izduenjemoe tolerisati, a da rad konstrukcije ne bude ugro-en.Usvojenajezaeliktrajnadeformacijaod0.2%,anaponpotrebanzatude-formaciju zove se tehniki (ili konvencionalni) napon teenja, R0.2(sl. 2.13b). Za druge legure (Al, Cu, Mg) grafik - poinje da se krivi ve pri niskom na-ponu te se uzima da naponu teenja odgovara trajna deformacija od 0.5%. Stoga se u ovom sluaju tehniki napon teenja oznaava sa R0.5. Izduenje (A5, A10) moe biti bolji pokazatelj metalurkog kvaliteta elika nego jaina, jer u sluaju poroznosti ili nemetalnih ukljuaka A drastino opada. Pri rela-tivno niskom optereenju proizvod A10Rm je indikator ilavosti elika. Suenje Z je bitan pokazatelj obradljivosti metala plastinim deformisanjem.Procentualno izduenjeNapon Naponformiranjevrataprekidelast. plast.Procentualno izduenjePVPM Mtg=Etg=E ReHRmRp (R0,2)0,2% 0 0CC a) b) Slika 2.13 Dijagram -za: a) mek elik i b) tvrd elik Modulelastinosti. Prizamenijednogmaterijaladrugimuveksemorauzetiu obzirnesamojainaveimodulelastinosti.Tojekarakteristikakojaodreuje ugib odnosno krutost odreenog mainskog dela. Na primer aluminijumska osovi-nicaeseistegnutitriputavienegoelinapriistomoptereenjujerjeEAl = 69000 MPa, a E = 207000 MPa. Modul elastinosti ne menja se sa prome-nomjaineelika(npr.zboglegiranja,hladnogojaanja,termikeobrade),ve uvekostajeE=207000MPaprisobnojtemperaturi.Pritemperaturioko650C, modul elastinosti opada do oko 60000 MPa. Stoga se moe rei da je modul elas- 1 Termin "mek" elik upotrebljava se u smislu niskougljenini elik (C < 0.25%). Mainski materijali 54 tinosti stalna veliina za grupu legura (ima odreenu vrednost za elike, drugu za legure Al, treu za legure Cu, ) ali linearno opada sa porastom temperature. Pored modula elastinosti jo se odreuje modul klizanja G i redje zapreminski modul K: 2(1 )EG=+i 3(1 2 )EK=,gde pKV= pokazujesmanjenjezapremine pri dejstvu svestranog (hidraulinog) pritiska ( je Poasonov koeficijent). OvatrikoeficijentaelastinostiE,G,Kpokazujukakomaterijalreagujena naponskodeformacionopolje,zavisnoodPoasonovogkoeficijenta xy= . (Elastina deformacija xpoklapase sapravcem dejstvasile, a yje upravna na tu silu). Dijagram stvarni napon-stvarna deformacija (st-st) Podatke potrebne za konstruisanje dijagrama st-st, tee je dobiti nego podatke za izradu tehnikog dijagrama -, te se stoga stvarni dijagram redje koristi, uglav-nom za razvojne i istraivake svrhe. Razlikaproistiezbogtogatoseutehnikomdijagramunaponizraunava podpretpostavkomdapoprenipresekA0ostajekonstantanutokuoptereenja. Ako se prenik ispitivanog uzorka meri vie puta pri porastu sile moe se uoiti da se on smanjuje, pa se rauna trenutna povrina (A), odnosno stvarni napon: sila.stvarna povrina u funkciji vremenast =Takodjejepotrebnoizraunavatistvarnujedininudeformaciju,sukcesivnim sabiranjempriratajaldeljenogsatrenutnomduinoml.Takosedobijalogari-tamska deformacija AAllst00ln ln = = . Zadnji odnos proizilazi iz uslova da zap-reminametalautokudeformisanjaostajepriblinokonstantna 0 0. V A l A l const = = = , (A0, l0 poetne vrednosti, A, l trenutne vrednosti). Izmeu stvarnog napona i deformacije u zoni plastinosti ustanovljena je zavi-snost: nk = , gde je k- konstanta zavisna od materijala, a n- koeficijent defor-macionog ojaanja. Za tehniki ist aluminijum u arenom stanju dobijena je rela-cija 0.2180 = , a za meki elik 0.26560 = . Akoseoptiizraz nk = logaritmujedobijesejednaina: ln ln n k = + ,touduplo-logaritamskomkoordinatnomsistemuodgovarajed-nainipravelinije( ) y mx b = + .Uzonielastinosti,normalnosenerazlikuju stvarni i tehniki naponi (sl. 2.14) jer je A0 = A. Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 55 Zanekolikokarakteristinihlimo-va:odleguraaluminijuma,umirenog niskougljeninogelikainerajueg feritnogelikaprikazanesulinijede-formacionog ojaanja na slici 2.15. Sa slikesejasnovididasemekielini limovi(krive1i2)ilimoviAl-legu-ra(krive8i9)moguupotrebitizadu-bokoizvlaenjejersupotrebnerelati-vno malesile za veliko deformisanje. Kad je u pitanju nerdjajui feritni elik (17% Cr, 0.1% C- kriva 7) i niskolegi-rani termopostojani elici(aren-kri-va 5 i toplo valjan i nomalizovan- kri-va6),nastajevelikodeformaciono ojaanje,pajetehno-ekonomskinera-cionalnaizradaotpresakaodtihlimo-va. Izmeustvarnihnaponaidefor-macijasajednestraneitehnikihsa druge strane postoje veze: (1 )st = +iln(1 )st = + . 56783891220.01 0.020.040.060.08 0.10 0.20150100807060504030Stvarna deformacijaStvarni napon, 6.9, MPa Slika 2.15 Dijagramstvarni napon-deformacija u duplo - logaritamskom sistemu2.3.1.bMerenje tvrdoe Tvrdoa se definie kao otpor prodiranju utiskivaa koji je tvrdji od ispitivanog materijala.Kodmetalnihmaterijalapostojijakakorelacijaizmedjuelastinostii Tehnika ili stvarna deformacija, %PrekidKriva tehniki napon-deformacijaKriva stvarni napon-deformacijaTehniki ili stvarni napon 6.9, MPa20 4060 80100020406080100120140Prekid Slika 2.14 Uporedni prikaz grafika - i st-st Mainski materijali 56 tvrdoe, pa zato i veliina odskoka moe posluiti za procenu tvrdoa po tzv. skle-roskopskoj metodi. Najeese tvrdoa tehnikihmetalaodredjuje poBrinelu, Vikersu iRokvelu (sl. 2.16). Brinelovatvrdoa(HB)merisenaravnomuzorkuutiskivanjemelineili volframske kuglice prenika D = 10, 5, 2.5 mm. Na kuglicu se preko sistema polu-ga i tegova deluje optereenjem 2F K D = , daN.Zaelike se uzima K = 30, a za meke materijale (neelezne) usvaja se K = 10, 5, 1.5 ili 1. Pri pravilno odabranoj sili, prenikotiska d treba da budeu granicama:(0.25 0.6) d D = . Na osnovu F, Diprenikaotiskad,izmerenognamikroskopuugradjenomuBrinelovaparat, rauna se tvrdoa: ( )2 22FHBD D D d = . Najvea tvrdoa koja se moe meriti sa utiskivaem od kaljene eline kuglice je450HB,asakuglicomodsinterovanihvolframskihkarbida,tajegranica750 HB.Izmedjujainenakidanjekonstrukcionihelikaunormalizovanomstanjui tvrdoe HB ustanovljena je empirijska veza(3.4 3.6)mR HB = . Izgled utiskivaa MetodaUtiskiva Boni pogledPogled odozgo Optereenje Formula za izraunavanje tvrdoe Brinel Kuglica od eli-ka ili volfram karbida preni-ka 10 mm Dd d F 2 22( )FHBD D D d = Vikers Dijamantskapiramida 136 d1d1 F 21.854HVd=Knup Dijamantska kupa tl / b=7.11b / t=4.00 bl F 214.2HKl=Rokvel A C D Dijamantska kupa 120t 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 Slika 2.16 Metode merenja tvrdoe Vikersovatvrdoa(HV)merisepomoudijamantskepiramidesauglompri vrhu od 136 koja se utiskuje pod optereenjem od 5, 10, 20, 30, 50, 100 daN, od-Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 57 nosno preko poluge na koju deluju tegovi od 5, 10, 20, 30, 50 i 100 kg. Tvrdoa po Vikersu izraunava se prema izrazu: 21.854FHVd= , gde je d, mm- aritmetika sredina dve izmerene dijagonale kvadratnog otiska. Oi-tavanje dimenzija otiska obavlja se na mikroskopu ugradjenom u aparat za merenje tvdroe. MetodapoVikersunaroitojepogodnazakontrolutvrdoeveomatvrdih povrina kao to su kaljene, cementirane, nitrirane ili difuziono metalizirane. Pored toga mogu se meriti tvrdoe tankih predmeta ako se primene mala optereenja ko-jima se deluje na utiskiva.TvrdoaHVbliskajetvrdoiHBugranicama250-600;izvanovogintervala tvrdoe se znatno razlikuju, te za prevodjenje jedne u drugu slue uporedne tablice.Na kraju treba naglasiti da je na metodi Vikers zasnovano merenje mikrotvrdo-e sa veoma malim optereenjem reda veliine od nekoliko stotina grama. Za veo-ma tvrde materijale miktrotvdoa se meri metodom Knupa sa dijamantskim utiski-vaemkoji ostavlja otisak u obliku romba.Rokvelova tvrdoa (HRC, HRB) meri se direktnim oitavanjem na skali apa-rata. Utiskiva kod metode HRC je dijamantska kupa sa uglom od 120. Najpre se runim okretanjem pritiskivaa uvodi predoptereenje od 10 daN, a zatim pomou polugestandardnooptereenjeod140daN.Posleuklanjanjaglavnogoptereenja oitava se HRC, i najzad uzorak potpuno rastereuje. Moe se priblino uzeti da je tvrdoa 110HRC HB . Druga skala HRB upotrebljava se zamerenje tvrdoe rela-tivno mekih materijala (HB < 400). Kao utiskiva koristi se elina kuglica pre-nika1/16inanakojusedelujepomonimiglavnimoptereenjemod(10+90) daN. Merenje tvrdoe po Rokvelu je veoma brzo, a otisak je gotovo nevidljiv. Skleroskopska tvrdoa ilitvrdoa po oru (HSh) odredjuje se prema visini elastinog odskoka malog tega koji slobodno pada sa odredjene visine. Posle mere-njaneostajunikakvitragovi,kojibimoglidelovatikaoinicijalneprslinekoddi-namiki optereenih delova. Kontrola pokazivanja orovog skleroskopa obavlja se pomou etalon-ploica poznate tvrdoe date u jedinicama HSh ili HB.2.3.1.cUdarna ilavost i ilavost loma Energija koja se utroi pri udarnom savijanju je merilo osetljivosti materijala na lokalnukoncentracijunapona.Ispitivanjeudarneilavostiprvijeuveoarpi (Charpy) i definisao je kao rad potreban za prelom probnog uzorka preseka 1 cm2, kojisadrilebpropisanihdimenzija.Ovakodefinisanaveliinaudarneilavosti nema fiziki karakter, pa rezultati mogu biti uporedivi samo ako su dobijeni na is-tim probnim uzorcima i u istim uslovima. Metali skloni krtom lomu razaraju se pri malom utroku energije i gotovo bez vidljive deformacije na mestu preloma. Mainski materijali 58 tosetieprobnoguzorka, najvaniji je leb koji je urezan po-prenonasrediniuzorka.Takose lokalizujemestoprelomai stvaraju uslovi za krti lom ak i kod ilavih materijala.Premaoblikuleba(za-reza),ilavostodredjenanauzor-cima1010mm iklatnu raspoloi-veenergijeod300J(sl.2.17)oz-naava se sa KU i KV, to znai da jeupitanjuU-lebdubine5mm, odnosno V- lebdubine2mm.Po-redtoga,rezultatiispitivanjauve-likojmerizaviseodtemperature probnog uzorka, naroito kod meta-lasakristalnomreetkomtipaA2 iliA3(zaelik,odnosnozaZni njegovelegure).Kodugljeninih elika, sa sniavanjem temperature, ilavostnaglopadauuskomtem-peraturskomintervalutopokazuje slika2.18.Nakrivojseuoava prevojnatakakojaodredjujeprelaznutemperaturu,kaogranicuilavogikrtog loma. Jedna od najboljih ilustracija o uticaju prelazne temperature je havarija brodova Liberti (Liberty) proizvodjenih u toku Drugog svetskog rata. Svi su brodovi bili iz-radjeniodniskougljeninihelikakojisupokazalidobrasvojstvaplastinostipri statikom ispitivanju zatezanjem (pokazatelj A10Rm). I pored toga, kod etvrtine od ukupnog broja ovih brodova pojavile su se prsline,a kod nekih i prelamanje na dva dela jo dok su bili usidreni u luci. Detaljnim ispitivanjima dolo se do zaklju-ka da je havarija nastala zbog kon-centracije napona izazvane otvorima na palubi i bliskosti prelazne tempe-ratureelikaiokolnetemperatureu luci.Pokazalosedarezultatiispiti-vanjapoarpijunisudovoljniza procenu pouzdanog rada konstrukci-jeurealnimuslovima.Zatojeuve-dendinamikitestkidanja(Dyna-micTearTest)kojiseizvodina uzorcimarazliitihpresekaizloe-nih dejstvu energije slobodnog pada tega odredjene mase. Slika 2.17 arpijevo klatno za ispitivanje ilavosti Krt ilavMaterijali velike jainePrelazna temperaturaReetka A1Metali reetke A2,keramika, polimeriTemperaturaEnergija udara Slika 2.18 Zavisnost udarne ilavosti odtemperature za razliite materijale Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 59 istimetaliijednofaznelegureimajuveuilavostnegoleguresaviefaza. Bitan je i oblik u kome se izluuju sekundarne faze, jer jer su se zrnasti oblici po-kazali znatno ilavijim nego lamelarni. ilavost loma KIC Proraunmainskihdelovadugosezasnivaonanaponuteenjaistepenusi-gurnosti. Pored toga to su radni naponi bili niiod dozvoljenih dolazilo je do iz-nenadnih lomova, naroito u uslovima ravanskog stanja deformacija1. Lom nastaje zbog rasta inicijalnih prslina na mestima ukljuaka i drugih diskontinuiteta, na koje suposebnoosetljivimetalivisokognaponateenjaivelikejaine.Zatojezaovu klasu materijala uveden pojam ilavost loma, koji se odnosi na otpor irenju prsli-ne. Savremene metode defektoskopije (ultrazvune, radiografske) omoguuju da se otkrijuprslineveeod0.51mm,toznaidasegrekemanjihdimenzijamoraju prihvatiti i propisati nivoi napona koji nee iriti prsline. Veza izmedju napona koji dovodi do oteenja (f, MPa) i ilavosti loma ( MPa m ) data je izrazom: ICfaY KWa| | |\ .=, gde je: a- duina ivine prsline (1/2 duine za centralnu prslinu); Y (a/W)- faktor oblika zavisan od geometrije konstrukcionog dela. Uticaj ilavosti loma na dozvoljenu duinu prsline moe se objasniti na prime-ru dva elina nosaa od istog niskolegiranog elika, ali drukije termiki obradje-na(sl.2.19).Obanosaakaljenasunamartenzit,azatimjenosaAotputenpri 427C,anosaBpri260C,todajerazliite naponeteenja.Potosedebljinaobanosaa proraunavaizuslovadaradninaponbude 60%ododgovarajuegnaponateenja,toe se oni razlikovati u debljini B i drugim karak-teristikama, prema tablici: 1 Ravansko stanje deformacija izazivaju naponi koji dovode do pojave deformacija u dva medjusobno upravna pravca; trea komponenta deformacije, upravna na ravan je jednaka je nuli. LZatezanjeaBZatezanjeW Slika 2.19 Pravougaoni elini nosaioptereeni na zatezanje Mainski materijali 60 Dimenzije nosaaNosa ANosa B L0.406 m0.406 m W0.102 m0.102 m B0.018 m0.015 m Osobine materijalaTot = 427CTot = 260C Napon teenja R0.2, MPa13181573 Doputeni napon d, MPa794945 ilavost loma KIC,MPa m 10756.1 Pomou izraza za f izraunava se kritina duina prsline koja se moe toleri-sati,adanedovededokatastrofalnogloma.Aproksimativno,zagrubuprocenu, uzimaseY=1,todaje 21ICCdKa | |= |\ .,odnosno0.00585.8 ACa m mm = = i 0.001121.12 BCa m mm = = . Taniji rezultati ( 4.34ACa mm = ,0.89BCa mm = ) dobi-jaju se uzimanjem u obzir i faktora oblika Y, definisanog u Mehanici loma.Na kraju se moe zakljuiti da za procenu radnog veka nekih mainskih delova nije presudan stepen sigurnosti u odnosu na napon teenja ve kritina veliina gre-ke. To pokazuje doputena duina prsline u nosau B, koja je pet puta manja nego u nosau A. 2.3.1.dOdredjivanje dinamike izdrljivostiAnalizom brojnih preloma mainskih delova koji su dugo bili izloeni naizme-ninopromenljivomoptereenju(npr.klipnjaa,osovinaisl.),ustanovljenojeda radninaponinisuprelazilinaponteenja.Potolomovinisunastalizbogunutra-njihgreaka(poroznamesta,nemetalniukljuci)pretpostavilosedajedolodo zamoramaterijalausleddugotrajnograda.Tipianprimerlomausledzamoradat je na sl. 2.20. Budui da su mnogi delovi maina optereeni promenljivim naponima, dinami-ka izdrljivost je od sutinskog znaaja kako pri izboru materijala tako i pri dime-zionisanju delova. Laboratorijskim ispitivanjima uzorka poliranih povrina na ma-inama koje se zovu pulzatori, dobijaju se Velerove krive (sl. 2.21), nazvane prema autoru (Whler) koji je prvi ispitivao zamor vagonskih osovina. Ispitivanje se oba-vlja sa razliitimnivoimapromenljivih napona,kojidovode do lomaposle odred-jenog broja ciklusa ponovljenih optereenja. Na slici 2.21 prikazana je Velerova kriva za elik (sl. 2.21a) i za leguru alumi-nijuma(sl.2.21b).Uoavasedazaelik,prinaponu500MPa,brojciklusa moe biti veoma veliki (N = 106-107), a da se ne pojavi opasnost od loma. Ta gra-nina vrednost napona koju materijal praktino izdrava bez obzira na broj ciklusa Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 61 ponovljenihoptereenjazovesedi-namikajaina(dinamikavrstoa, dinamika izdrljivost). Drukiji je oblik krive -N za le-gure aluminijuma i drugih neeleznih metala (sl. 2.21b). Kod njih dinami-kajainastalnoopadasaporastom N, takoda se onamora vezati zana-pon koji materijal izdrava do odred-jenog broja ciklusa. Poto su ispitivanja na zamor du-gotrajnaiskupapokualosedase poveudinamikaizdrljivostijai-na. U tom smislu odredjuje se stepen zamaranjakaoodnosdinamikeiz-drljivosti i jaine nakidanje (RD/Rm =0.45-0.25zavisnoodvrstemateri-jala). To je samo orijentaciona ocena jer na dinamiku izdrljivost ne utie samo vrsta materijala ve i: koncentratori napona (radijusi zaobljenja, zarezi, nemetalni ukljuci), povrinska hrapavost uslovljena mainskom obradom, zaostali povrinski naponi i agresivnost sredine (elektrolitika i gasna korozija). 104 105106107108Broj ciklusa, NDinamikavrstoaLegura aluminijuma(termiki obradjena)Legura aluminijuma(4%Cu, 0.6%Mn, 1.5%Mg)elik (0.4%C, 0.7%Mn, 0.25%Si, 1.85%Ni, 0.3%Cr, 0.25Mo)Napon, MPa100200300400500600700ab Slika 2.21 Velerova kriva: a) za elik i b) za legure aluminijuma (Al-Cu) Slika 2.20 Zamorni lom zapoet na lebu za klin(donji deo) i zamorni nasilni lom (gornji deo) Mainski materijali 62 Pored dinamikog zamora, kod nekih vrsta keramika i stakla moe nastati i tzv. statiki zamor. Navedeni materijali za neko vreme dobro izdravaju odredjeno sta-tiko(nepromenljivo)optereenje,azatimpostepenopropadaju.Uzroktomesu hemijskereakcijepotenciraneatmosferskomvlagomiaerosolima1kaoivisokim povrinskim pritiscima. 2.3.1.eIspitivanje zatezanjem na povienim temperaturama Ispitivanja metala i njihovih legura na povienim temperaturama mogu se izve-sti sa veim ili manjim brzinama deformisanja. U prvom sluaju dobijaju se podaci za procenu mogunosti prerade metala plastinom deformacijom. Samo ispitivanje obavlja se na maini za ispitivanje zatezanjem, opremljenom pomonim uredjajem za grejanje i merenje temperature. Odredjuju se iste karakteristike kao pri zatezanju na sobnoj temperaturi. Daleko vei znaaj imaju ispitivanja pri malim brzinama deformisanja. Pokaza-lo se da trajna deformacija materijala koji rade na povienim temperaturama nasta-jepriznatnoniemnaponuodgraniceteenja,idajezavisnaodvremena.Ova vrstadeformacijenapovienojkonstantnojtemperaturiprikonstantnomnaponu( R0.2) nastaje klizanje u povoljno orijentisanim ravnima, to dovodi do obrazova-nja dislokacija i njihovog kretanja. Sa porastom klizanja dolazi do interakcije izmedju dislokacija,njihovognagomilavanjaiukrtanja.Ovakvastrukturaoteavaponovno klizanje. Drugim reima, kada je napon porastao do A (sl. 2.23a) iskoriene su sve ravni i dislokacioni poloaji za lako klizanje. To znai da pri naknadno uvedenom op-tereenju klizanje moe da zapone u ravnima koje zahtevaju napon > A. U fizi-kom smislu dolo je do porasta granice elastinosti i jaine zato to je blokirano kreta-nje atoma koje uslovljava klizanje.Ovaj fenomen naziva se radno otvrdnjavanje, deformaciono ojaanje ili prerada na hladno (hladna obrada). Termin "na hladno" je relativan jer se odnosi na tempera-turuobradeprikojojse nedeavaju strukturne promene. Re je ustvario obradina temperaturi nioj od temperature rekristalizacije. To moe biti hladno valjanje, preso-vanje, iskivanje i sl. Temperatura rekristalizacije za elik sa 0.1% C iznosi oko 550C. Pripreradinahladnoodvelikogjeznaajastependeformacije(prerade)kojise odredjuje tako to se promena povrine poprenog preseka podeli sa poetnim prese-kom (A0) i pomnoi sa 100 00100 , %A AA| | |\ ..A B345552IzduenjeNaponteenjaNaponteenjaIsti nagibali viinapon teenjaNapon, MPa a)b) Slika 2.23 Ojaanje elika na hladno Sa porastom stepena deformacije menja se takodje oblik zrna; poetna poliedarska zrna se izduuju u pravcu preovladjujue deformacije, a od njih zatim nastaju veoma Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 65 izduena vlakna sa relativno malim poprenim dimenzijama. U toku plastine defor-macije menja se takodje orijentacija reetke u pojedinim zrnima; kod nedeformisanih zrnajeorijentacijazrnaobinosluajna (sl.2.24a),a tokomdeformacijesemenjau usmerenu(sl.2.24b).Polikristalsetakopribliavamonokristalu,alisaveomaveli-komgustinomgrekireetke.Usmerenaorijentacijamreezrnaponekadsetakodje oznaava kao tekstura. Prema vrsti prerade govorimo o valjanoj teksturi, vuenoj tek-sturiitsl.Pojavatekstureseodraavanaznatnuanizotropijuosobinapolikristalnih materijala; npr. posle valjanja na hladno znatno se razlikuju osobine lima u pravcu va-ljanja i u upravnom pravcu. a)b) Slika 2.24 Orijentacija reetki i oblik zrna: a) nedeformisani sistem, b) deformisani sistem Posebna karakteristika promene submikrostrukture posle plastine deformacije je-ste porast gustine greaka. Sa porastom stepena deformacije poveava se gustina de-fekata, raste otpor protiv dalje deformacije, poveava se napon potreban za dalju de-formaciju,toznaidarastenaponteenja.Slinokaoinaponteenja,rastutakodje jaina na kidanje i tvrdoa; napon teenja raste bre nego jaina pa se ove veliine sa porastomstepenadeformacijemedjusobnopribliavaju(odnosRm/Reteijedinici). Svojstva plastinosti se pogoravaju i takodje ilavost opada. Navedena promena me-hanikihosobina,kao to je pomenutonazivasedeformaciono ojaanje. Poveanje svojstavaotpornosti,kojesemoepostiiplastinomdeformacijomseutehnikoj praksi relativno esto koristi. Pored arenih materijala isporuuju se takodje materijali ojaani preradom na hladno. To su npr. ice, ipke, trake, limovi, cevi ili razni profili, kod kojih se prema stepenu deformisanja razlikuju stanja: polutvrdo, tvrdo, elastino tvrdo itd. Poveanjegustinegreakakristalnereetke,kojesemoepostiinpr.efektima preoblikovanja, drugim reima plastinim deformisanjem, jedan je od naina proizvo-dnjemetalavelikejaine.Plastinadeformacijaukombinacijisapogodnomtermi-kom obradom daje veoma povoljne mehanike osobine, koje u sutini zavise od gus-tine defekata kristalne reetke. Na sl. 2.25 dat je prikaz uticaja gustine greaka na jai-nu kidanja metalnih materijala. Obrada na hladno, slino kao i ostale mere koje dovo-de do porasta gustine greaka, predstavlja jednu od mogunosti za poveanje otporno-sti materijala. Drugi nain, kako se pribliiti ka teorijskoj vrednosti jaine materijala, je tenja da se izradi materijal gotovo savrene kristalne reetke (vlaknasti monokris-tal). Mainski materijali 66 2.4.2Oporavljanje i rekristalizacija Promeneosobinaposleplastinedeformacijenahladnokojesuposledicapo-veane gustine defekata kristalne reetke, u mnogim sluajevima su poeljne i es-to se koriste u tehnikoj praksi (npr. vuenje ica na hladno, cevi i sl.). Medjutim tenove osobine materijala, ponekad mogu biti nepoeljne, pre svega zbog smanjenja ilavostiiplastinosti,tospreavadaljupreraduplastinimdeformisanjem.Mo-gunostipromeneosobinametalaojaanognahladno zasnivajusenainjenici da saporastomstepenadeformisanjarastenjegovaslobodnaenergija.Atomikojisu sastavnideodislokacija,imajuveuenergijunegoatomiuidealnojreetki,paje zato poveanje gustine dislokacija praeno poveanjem energije preradjenog meta-la. Budu li po deformaciji stvoreni pogodni uslovi (zagrevanjem deformisanog me-tala),menjae se rasporedatomaudeformisanommetalu takoda sepri tomenje-gova slobodna energija sniava. Posledice prethodnog deformisanja e se postepe-no odstranjivati, a unutranja kristalna gradja metala pribliavae se poetnom sta-nju pre deformisanja. Ta promena uslovljena je pojavama difuzionog karaktera, ko-je su toplotom aktivirane, te e njihov intenzitet zavisiti od temperature. Obino ra-zlikujemo dva stadijuma obnove deformisane kristalne gradje (sl. 2.26c): a)oporavljanje ib)rekristalizacija. ABCDGustina greakaJaina na kidanje Slika 2.25 Shema uticaja gustine strukturnih greakana graninu jainu; A-teorijska jaina, B- jaina vlaknastih monokristala, C-jaina arenog materijala, C-D-jaina materijala sa poveanom gustinom greaka Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 67 a)b)c)SopstvenizaostalinaponiDuktilnostTvrdoaJainaNova zrnaOporavljanjeRekrista-lizacijaPorastzrnaHladnodeform. zrnaPoveanje temperatureJaina,tvrdoa,duktilnostVeliinazrna Slika 2.26 Rasporedjivanje dislokacija: a) pre oporavljanja, b) posle oporavljanja, c) sumarni efekat arenja, oporavljanja i rekristalizacije a) Oporavljanje deformisane kristalne gradje, odvija se uglavnom ispod tempe-raturerekristalizacije,takodaostajemikrostrukturadeformisanogmetalanepro-menjena (oblik i veliina zrna odgovaraju stanju posle okonanja deformacije) i ta-kodjeorijentacija reetkipojedinanih zrna ostaje uosnovi zadrana. Stoga se tok oporavljanja ne moe pratiti optikim mikroskopom. Ni gustina defekata reetke se izrazito ne menja. Pri oporavljanju najpre dolazi do difuzije takastih defekata (va-kancija i intersticijala) nastalih prilikom deformacije. Pri daljem porastu temperatu-re dolazi do nove raspodele dislokacija prouzrokovanih bilo klizanjem ili difuzijom (penjanjem)dislokacija.Procesikojimasemenjaraspodeladislokacijaosnovasu oporavljanjaiusutinisesvodenapoligonizaciju.Dislokacijesluajnoraspored-jene u deformisanom metalu (sl. 6.26a) dovode do pokretanja atomskih ravni reet-ke.Premestelisedislokacijetakodaseobrazujepravilnamrea(sl.6.26b)sma-njuju se elastine deformacije ravni, a time i slobodna energija metala. Pregrupisa-vanjem dislokacija nastaju u deformisanom zrnu blokovi (subzrna) ije se orijenta-cije reetki neznatno razlikuju: govorimo o substrukturi zrna. Oporavljanje se ispo-ljavasniavanjemunutranjihnaponadeformisanogmetala,promenomfizikih osobina (npr. smanjenjem elektrinog otpora) dok se mehanike osobine bitnije ne menjaju (sl. 2.26c, poetni deo).b) Ako je stepen plastine deformacije dovoljan, nastaje pri dostizanju odredje-ne temperature pojava koja se naziva rekristalizacija. Pri tom procesu nestaju poe-tno deformisana zrna i nastaju nova zrna iji se oblik, veliina i orijentacija reetki razlikuju odpoetnih deformisanih zrna (sl. 2.26c). Gustina greaka reetke sepri tomsmanjujenaveliinukojaodgovaranedeformisanommetalu.Usvojenojeda se struktura smatra rekristalisanom kad ona sadri 95% rekristalisanih zrna. Mainski materijali 68 Do rekristalizacije dolazi na odredjenoj minimalnoj temperaturi. Ta temperatu-ranijezadatimetalkonstantna;zavisnajeuglavnomodenergijemedjuatomskih veza, veliine prethodne deformacije i istoe metala. Delovanje tzv. energije veze seodravasvedotemperaturetopljenja;tosejaedreatomimetalauvornim takamareetke,timejeveatoplotnaenergijaneophodnazatodaatomnapusti svoje mesto u reetki. Zato metali sa viom temperaturom topljenja imaju takodje i viurekristalizacionutemperaturu. Kod istihmetala seobinodaje vezaizmedju temperaturetopljenjaTt,KitemperaturerekristalizacijeTruobliku:Tr=(0.1-0.2)Tt, za tehniki iste metale: Tr = (0.3 - 0.4)Tt i za legure tipa vrstog rastvora: Tr= (0.5 -0.6)Tt. Takoje npr.Tr =15-20C za olovo,20C zacink, 20-25Cza kalaj, 180-230C za bakar i oko 350C za mesing. U nekim sluajevima svojstva plastinosti metala mogu se poveati a da se pri tome neznatno smanji jaina. To se postie arenjem pri temperaturi nioj od tem-perature rekristalizacije. Postupakse zove podrekristalizaciono arenje ikoristi za povratak elastinih osobina bakarnih opruga, membrana, podmetaa i sl. Isto se po-stupa i kod legura Al, Mg. Visinarekristalizacionetemperatureimavelikipraktianznaaj,jerojaanje postignuto plastinom deformacijom ostaje zadrano samo ako je obradjen materi-jal izloen delovanju temperature nie nego to je temperatura rekristalizacije. Ako se plastina obrada odvija na viim temperaturama ojaanje se ne pojavljuje poto serekristalizacijadeavaistovremenosaplastinomdeformacijom;toznaidase ojaanjeizazvanodeformacijomdirektnoodstranjujeistovremenomrekristalizaci-jom. Temperatura rekristalizacije moe tako predstavljati granicu prerade na hlad-no i prerade na toplo. Pri preradi na hladno, temperatura obrade je nia od tempe-rature rekristalizacije i preradjeni metal ostaje ojaan. Pri preradi na toplo, tempe-ratura obrade je via od temperature rekristalizacije i do ojaanja ne dolazi. Navedeniizrazzavezu izmedju temperaturetopljenja i temperature rekristali-zacije,zametaletehnikeistoe,vaisamozavelikuplastinudeformaciju.Na rekristalizacionutemperaturuutietakodjeistepenprethodnedeformacije;toje deformacija bila vea, time je i nia temperatura dovoljna da izazove rekristalizaci-ju.Obrnuto,akostependeformacijenedostigneodredjenuvrednostdorekristali-zacije nee doi. Poto primese oteavaju pomeranje dislokacija u metalu, takodje oteavaju i rekristalizaciju. Npr. metali visoke istoe imaju znatno niu temperatu-ru rekristalizacije nego metali tehnike istoe. Odgovarajui tok rekristalizacije se moe podeliti na tri etape: a)pojava klica novih kristala i njihov rast, b)porast debljine kristala rekristalisanog metala i c)dodatni rast nekih kristala. a)Klicenovihkristalanastajunamestimasanajveomslobodnomenergijom (naroito na granicama deformisanih zrna, na granicama bloka). Energija potrebna za njihov nastanak je na tim mestima najmanja, a uslovi za nukleaciju najpovoljni-ji.Saporastomstepenadeformacijebrojklicasepoveavapajeizlaznastruktura Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 69 rekristalisanogmetalazatositnozrnasta.Nastalikristaliimajuistisastaviistitip kristalne reetke kao i okolna osnovna deformisana masa, iz koje su se pojavili. Za razliku od faznih preobraaja u vrstom stanju (prekristalizacije) pri rekristalizaciji se ne menja tip kristalne reetke. Ako se rekristalie -gvodje, zadrava se njego-vaprostornocentriranakubnareetkaiposlerekristalizazije,kaotojebilaipre nje. Rast zametaka novih kristala nastavlja se na raun deformisanja osnovne mase, sve dok se novi kristali pri svom rastu ne susretnu i nastane nova struktura zrna is-tih dimenzija u svim pravcima. b) Veliina kristala posle rekristalizacije ima poseban znaaj za tehniku prak-su. Rekristalizacijom semoe dobiti veoma fina struktura i suprotno veoma gruba struktura. Najvei uticaj na veliinu zrna rekristalisanog metala ima prethodni ste-pen prerade. Sa porastom stepena prerade raste broj oblasti koje su pogodne za po-javu klica to se ispoljava veim brojem klica i sitnijim kristalima posle rekristali-zacije.Suprotnotome,primalomstepenupreradepojavaklicajeogranienana manji broj oblasti (nastaje mali broj klica), a kristali su posle rekristalizacije grubi. Takodje, veliina kristala polazne strukture pre plastine deformacije utie na veli-inu kristala posle rekristalizacije. Ako je polazna struktura grubozrnasta dobie se igrubljikristaliposlerekristalizacije.Kodsitnokristalnepolaznestrukturedolazi priistomstepenupreradedoveegporastaunutranjeenergijemetala(gomilanje dislokacionihtalasanaveimgraninimpovrinama),toseispoljavaveimbro-jem zametaka kristalizacije, odnosno sitnozrnastom strukturom. 0.250.200.150.100.0505 1015 202530352.52.01.51.00.5VeliinakristalaUdarna ilavostVeliina kristala, mmStepen prerade,%Udarna ilavost, MJ/m2 2000400060006008000 15 304065 8090Srednja povrina zrna, m2Stepen prerade,%Temperaturaarenja, C Slika 2.27 Uticaj grubozrnaste rekristalizacijeSlika 2.28 Rekristalizacioni na zareznu ilavost mekog dijagram mekog elika (niskougljeninog) elikaNajvei porast nekih kristala pri rekristalizaciji nastaju posle male plastine de-formacije, uglavnom ugranicama 5 do20% (sl. 2.27). Ovakva deformacija seoz-naava kao kritina deformacija, jer pri potonjoj rekristalizaciji nastaje struktura sa neobino grubim zrnima. Ta tzv. krupnozrnasta rekristalizacija ima veoma nepovo-ljanuticajnamehanikeosobinematerijala.Jainaitvrdoasebitnonemenjaju, ali udarna ilavost opada gotovo na nultu vrednost; materijal postaje veoma krt (sl. 2.27). Poto veliina zrna posle rekristalizacije znatno utie na osobine metala, ko-Mainski materijali 70 risno je poznavati odnos izmedju stepena deformacije, temperature rekristalizacio-nogarenjaiveliinezrnaposlerekristalizacije.Tajodnosseuspostavljazadati materijal opitno i dobijene vrednosti se unose u tzv.rekristalizacioni dijagram. Sa rekristalizacionog dijagrama, npr. za meki ugljenini elik (sl. 2.28) odredjuje se za koje stepene deformacije i pri kojim temperaturama dolazi do najveeg porasta zr-na. Rekristalizacioni dijagram na taj nain sadri vane informacije za izbor uslova prerade i naknadnog rekristalizacionog arenja. Do grubozrnaste rekristalizacije ne mora doi, ako se materijal rekristalizaciono ari pri dovoljno niskoj temperaturi ili ako se preradjuje intenzivnije nego to odgovara kritinom stepenu deformacije. c) Dok se u legurama obino odvija kontinualni porast kristala, kod istih meta-la,npr.kodaluminijumailicinka,sreemoseprirekristalizacijisanepravilnim-lokalnim,ilitakodjediskontinualnimporastomkristala.Tajdodatniporast,samo nekih kristala u rekristalisanoj strukturi metala, naziva se sekundarna rekristalizaci-ja.Rezultatjepojavaneravnomernestrukture,kojasesastojiizfinozrnemetalne maseinekolikogrubihzrna (sl.2.29).U poet-ku porast zrna je ravnomeran (primarna rekrista-lizacija), a zatim nastaje porast nekih zrna jer ni-je bilo postignuto potpuno ravnoteno stanje.Rekristalizacionoarenjekaooperacijater-mikeobrade,kojaseizvodiposlepreradena hladno, ima veliki praktian znaaj. Posle rekris-talizacijematerijaldobijasvepoetneosobine, koje je imao pre obrade na hladno (manja jaina itvrdoa,veaistegljivostiudarnailavost). Ponekad,kaoposledicaravnomernijestrukture, mogu se neke osobine (npr. udarna ilavost) po-veati i u odnosu na polazne vrednosti. Rekristalizaciono arenje omoguuje dalju preradunahladno.Npr.pridubokomizvlaenju,privaljanjutraka,finihfolijaili pri vuenju ice materijal se izmedju pojedinih redukcija rekristalizaciono ari, i-me se odstranjuje ojaanje i omoguava dalja plastina deformacija. 2.5Uticaj uslova optereenja na osobine metala Sa snienjem temperature, na kojoj je uzorak optereen, a pri nepromenjenim os-talimuslovima,poveavase(kodveinemetalailegura)otporprotivplastinede-formacije. Kod monokristala raste kritian napon klizanja, a kod polikristalnih materi-jala napon teenja. Isto tako, sa padom temperature raste i deformaciono ojaanje, to se manifestuje poveanjem nagiba krive kidanja (sl. 2.30, gornja kriva odgovara nioj temperaturi). Uticaj brzine deformisanja na tok deformacione krive prikazan je na slici 2.31; de-formacione krive za nie brzine deformisanja lee ispod krivih dobijenih pri veim br-zinama deformacije. Slika 2.29 Neravnomerna struktura posle sekundarne rekristalizacije Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 71 T1T2>T1

v3>v2v2>v1v1 Slika 2.30 Uticaj temperature na tok deformacioneSlika 2.31 Uticaj brzine deformacije krive polikristalnog uzorkana tok deformacione krive Modeli plastine deformacije na granici teenja i pojave krtih prslina imaju slinu osnovu. U oba sluaja re je o nagomilavanju dislokacija, to moe dovesti do aktivi-ranjasusednihdislokacionihizvora(razmnoavanjadislokacijauokolnimzrnima). Metal se moe ponaati kao plastian, ili se moe pojaviti mikroprslina koja se dalje iri, pa se metal ponaa kao krt. O tome da li e se dogoditi prva ili druga mogunost, bie presudan uglavnom otpor protiv plastine deformacije (veliina napona teenja). Promenomuslovaoptereenja(padomtemperature,porastombrzinedeformisanja) moe se izazvati prelazak od duktilnog ka krtom stanju. Sniavanjem temperature ili poveanjem brzine deformisanja poveava se otpor protiv plastine deformacije, raste napon teenja, smanjuje se mogunost pada napona plastinim deformisanjem i pove-ava se opasnost od krtog loma. Taj uticaj temperature i brzine deformisanja je naroi-to uoljiv kod metala sa prostorno centriranom kubnom reetkom i kod njih oba ova faktora jako utiu na napon teenja. Posle pada temperature ispod tzv. prelazne tem-perature naglo opada ilavost, to se ispoljava prelaskom od mehanizma plastine de-formacije klizanjem na mehanizam dvojnikovanja (isti efekat ima i velika brzina de-formisanja). Prelazak metala ili legure od duktilnog stanja na krto (od ilavog ka krtom lo-mu) moe biti ustanovljen razliitim probama. U tehnikoj praksi se za sada najvi-ekoristiprobaudarneilavosti,priemusepomoulebauprobnomuzorku stvarajuuodredjenojmerivieosninaponi,apadomklatnapostieseodredjena brzina deformisanja. Ispitivanja se izvode pri razliitim temperaturama i odredjuje setemperaturanaglogpadaudarneilavosti,tzv.prelaznatemperatura.Metodski jeteeizvestiprobesapromenljivombrzinomdeformisanjaiprobesarazliitim stepenimavieosnognapona. Za datu temperaturu i brzinudeformisanjaprelazod ilavog ka krtom lomu zavisi takodje od veliinemetalnog zrna. Taj se prelaz de-ava pri odredjenoj tzv. kritinoj veliini zrna. Ako metal ima zrno vee od kritine veliine razara se krtim lomom, u obrnutom sluaju lom je ilav. S tim u vezi treba napomenutidaizmedjukrtostiitvrdoenemajednostavnezavisnosti.Naprimer, Mainski materijali 72 ojaanje(poveanjetvrdoeijaine)izazvanosmanjenjemzrnaumanjujekrtost, dok je ojaanje izazvano npr. stvaranjem precipitata praeno poveanjem krtosti. DEFINICIJE I DOPUNE Tvrdoa po Brinelu, HB: Vrednost dobijena iz Brinelovog testa tvrdoe utiskiva-njem kuglice (eline ili volframske). Zapreminski modul: Elastina promena zapremine materijala izloenog hidrosta-tikom pritisku. Burgersov vektor: Greka u putanji oko dislokacije (ivine ili zavojne). Prerada na hladno: Obrada materijala na temperaturi, ispod temperature rekrista-lizacije, pri kojoj se dislokacije lake pokreu mehanikom nego toplotnom energi-jom. Kritian komponentni napon smicanja, kr: Komponenta aktivnog napona razlo-ena u pravcu klizanja. Dislokacija: Grupisanje takastih defekata zbog umetnute atomske ravni oko koje se stvara deformaciono polje. Elastina deformacija, el: Privremeno premetanje atoma iz normalnog poloaja izazvano dejstvom zateueg ili pritiskujueg napona. Kad se napon odstrani, ato-mi se vraaju u normalan poloaj. Granica izdrljivosti, RN: Napon koji izdrava ciklino optereen deo bez obzira na broj ciklusa ponovljenih optereenja. Tehnikadeformacija,:Promenaduineusleddejstvasilezatezanjapodeljena sa poetnom mernom duinom, l/l0. Tehniki napon, (R): Sila zatezanja podeljena sa poetnom povrinom, F/A0. Tehnikakrivanapon-deformacija,-:Rezultatiispitivanjazatezanjemprika-zani tako da se na osu y nanosi tehnikinapon , a na osu x relativna deformacija . Zamornajaina,RD:Veliinanaponapotrebnazalomuzorkapodvrgnutogod-redjenom broju ciklusa, obino 106 pri optereenju i rastereenju na zatezanje, pri-tisak ili savijanje. Modul elastinosti, E: Napon podeljen sa deformacijom, , u zoni elastinog za-tezanja. Stepen prerade na hladno: Promena povrine poprenog preseka100Poetna povrina , pri tem-peraturi nioj od temperature rekristalizacije. Prekidno izduenje, A: Tehnika deformacija pomnoena sa 100; 00100l lAl= . Prekidno suenje, Z: 0 10Promena povrine 100 100Poetna povrinaA AZA= = .Ponaanje metala pri delovanju spoljnih sila 73 Plastinadeformacija,P: Nepovratnopomeranje atoma izdatog poetnogpolo-aja, nastalo bilo klizanjem ili dvojnikovanjem.Rokvelovatvrdoa, HRB,HRC: Tvrdoametala odredjena utiskivanjemeline kuglice ili dijamantske kupe u njegovu povrinu. Zavojnadislokacija:Linijskidefektuoblikuspirale ilizavojnice kojastvarade-formaciono polje. Modul klizanja, G: Napon smicanja podeljen sa deformacijomklizanja u elasti-noj zoniG= . Deformacijaklizanja,:Ugaonopomeranjenastalodelovanjemsmiuegna-pona ( = za male deformacije). Napon smicanja, : Spreg sila podeljen sa povrinom u kojoj one deluju, FA = . Sistem klizanja: Kombinacija pravaca klizanja i ravni klizanja u kojoj se ti pravci nalaze. Koeficijentdeformacionogojaanja,n:Koeficijentnujednaini nK = koji povezujestvarninaponsastvarnomdeformacijomuoblastiplastinedeformacije pri ispitivanju zatezanjem. Jaina na kidanje, Rm: Maksimalni tehniki napon dobijen pri ispitivanju zateza-njem (alias, zatezna vrstoa). Stvarna deformacija, st: 0 0ln 2.3logstl ll l = = . Stvarni napon, st: varstF SilaA Povrina koja odgo a trenutnoj sili = = . Dvojnikovanje:Pomeranjeatomauodnosunaravandvojnikovanjazaveliinu srazmernurastojanjuodteravni;dvojnikovanikristaliizgledajukaoslikailik ogledala.Vikersovatvrdoa,HV:Veliinadobijenautiskivanjemdijamantskepiramideu metal. Otvrdnjavanje na hladno: Poveanje tvrdoe i jaine zbog plastine deformacije na hladno.Napon teenja, R0.2 (Rp): Napon pri kome nastaje odredjena plastina deformacija, = 0.2% za elik. Puzanje:Deformacijakojarasteutokuvremenakoddelovaizloenihkonstant-nom optereenju i temperaturi. Brzinapuzanja:Nagibkriveizduenjauodnosunalogaritamvremenaprikon-stantnoj temperaturi i naponu. Ekviaksijalnazrna:Zrnapriblinoistihdimenzijausvimpravcima;suprotanje pojam teksture, koji se odnosi na zrna izduena u pravcu dejstva sile posle prerade na hladno (npr. vuenja ice).Lokalni porast zrna: Pojava krupnih zrna u nekim zonama posle rekristalizacije. Mainski materijali 74 Ispitivanje na povienim temperaturama: Ispitivanje osobina kao to su puzanje irelaksacija.Praktinosvakimaterijalomekavanaodredjenojtemperaturiiubr-zano se deformie u funkciji vremena. Legure Al pri 200C, meki elik pri 375C, elikzapovienetemperaturepri550C,tekotopljivimetali(W,Mo)pri1000-1550C. Prerada na toplo: Plastina deformacija materijala iznad njegove temperature re-kristalizacije. Ispitivanje udarne ilavosti: Ispitivanje olebljenog uzorka pomou klatna sa po-tencijalnomenergijomdovoljnomzaprelomuzorka.Glavnirazlogprelomanije sam udar, ve prisustvo leba, koji stvara krto naponsko stanje, poznato kao troos-no stanje napona. Oporavljanje:Poputanjeelastinihdeformacijanapregnutereetkezbogdejstva toplote u ranoj fazi arenja. Rekristalizacija:Obrazovanjezrna ekviaksijalnih dimenzijaumestoizduenihzr-na zbog prerade (vuenja) na hladno. Jednofazni materijal: Materijal koji se sastoji samo od jedne faze, kao to je npr. -faza,kodeutektoidnogelikanatemperaturiveojod727C.Uaustenitu() mogu biti i legirajui elementi, ali iskljuivo u vrstom rastvoru. Poputanje napona: Nestajanje ili smanjenje elastine deformacije termikom ob-radom zvanom arenje. Prelaznatemperatura:Niskatemperatura,npr.ispod0C,prikojojkodnekih vrsta elika naglo opada otpornost na udar. Na ovoj temperaturi dolazi do promene ilavog loma u krti lom. Pad ilavosti sa sniavanjem temperature ne deava se kod metala sa povrinski centriranom kubnom reetkom (Al, Cu i dr.).ilavost loma: Nivo intenziteta napona potrebnog da izazove katastofalan lom. U tom smislu duktilnost oznaava veliku ilavost loma, a krtost malu ilavost loma. PITANJA: 1.Elastine i plastine deformacije kristalnih materijala.2.Hukov zakon za sluaj normalnih i smiuih napona. 3.Kritian komponentan napon klizanja i napon teenja. 4.Klizanje i struktura kristalne reetke.5.Opisati plastinu deformaciju klizanjem i dvojnikovanjem. 6.Tehniki i stvarni dijagram -. 7.Objasniti deformaciono ojaanje metala. 8.Metodi merenja tvrdoe metala. 9.Udarna ilavost i ilavost loma.10. ta je dinamika izdrljivost i kako se odredjuje? 11. Puzanje i relaksacija. 12. Prelazna temperatura, krt i ilav lom. 13. Prerada na hladno, oporavljanje i rekristalizacija. 14. Uticaj uslova optereenja na osobine metala.