Elementi strojeva I

1. Elementi strojeva I Stručni studij strojarstva

2. Opterećenja promjenjiva s vremenom - dinamička opterećenja Dinamička opterećenja su ona opterećenja koja se tijekom vremena mijenjaju po veličini i/ili posmjeru. Promjene veličine opterećenja općenito mogu biti: a) stohastičke (slučajne) b) periodičkeili c) harmoničke. Postoje također udarna dinamička opterećenja, pri kojima se veličina opterećenjamijenja skokovito u vrlo kratkom vremenskom intervalu, tako da imaju karakter kratkotrajnogimpulsa.

3. S obzirom na smjer djelovanja dinamička se opterećenja dijele na: • istosmjerna • izmjenična Pri proračunu strojnih dijelova opterećenih dinamičkim opterećenjima, najčešće se pretpostavlja da su opterećeni harmonijskim opterećenjima, a dodatni nepoželjni utjecaji zbog udarnih opterećenja obuhvaćena su faktorima radnih uvjeta.

4. Vrste dinamičkih harmonijskih opterećenja -1   0  = -1 Fa Fa Fa Fa Fm Fa Fm Fm Fm 0    1  = 0 • Općenito jednosmjerno dinamičko opterećenje • impulsno dinamičko opterećenje • općenito izmjenično dinamičko opterećenje • čisto izmjenično opterećenje

5. Pri harmonijskom opterećenju, veličina se opterećenja mijenja od minimalne vrijednosti Fmin do maksimalne vrijednosti Fmax. Amplituda dinamičkog opterećenja je Fa, a određuje se prema izrazu: Srednje opterećenje je: Karakter dinamičkog opterećenja definira se koeficijentom asimetrije:

6. U strojarskoj praksi su česta dva slučaja dinamičkog opterećenja: • Pulzirajuće opterećenje (slučaj b) kod kojeg je: •  = 0, • Fmin = 0, • Fa = Fmax/2, • Fm = Fmax/2. • 2. Titrajuće opterećenje (slučaj d) kod kojeg je: • = -1, • Fa = Fmax, • Fm = 0. Opći slučajevi dinamičkog opterećenja za različite koeficijente asimentrije, mogu se prikazati kao kombinacija statičkog opterećenja Fmi titrajućeg opterećenja amplitude Fa (slučajevi a i c). Statičko opterećenje će biti kada je  = 1

7. Svi izrazi i definicije vrijede kako se opterećenje silom tako i za opterećenja momentima (torzije T i savijanja Ms). Isto tako svi se pojmovi primijenjuju i na ogovarajuća naprezanja koje izazivaju ta opterećenja. Primjeri dinamičkog opterećenja - naprezanja Klackalica za otvaranje ventila motora opterećena na pulzirajuće naprezanjena savijanje. max = 2 a m = a  = 0 min = 0

8. Osovina vagona opterećena je na izmjenično naprezanje na savijanje max = a m = 0  = -1 min= - a

9. Zamorni lom Strojni dio koji je dulje vremena podvrgnut naprezanjima promjenjivim u vremenu, lomi se pri naprezanjima koja su znatno manja od statičke čvrstoće Rm i granice tečenja Re, Rp0,02. Ovo je posljedica tzv. zamora materijala. Za razliku od lomova pri statičkom opterećenju, lomovi zbog zamora materijala redovito nastaju bez prethodnog razvlačenja materijala (dakle bez trajne deformacije i kontrakcije presjeka), bez obzira na vrstu i osobine materijala i na vrstu naprezanja.

10. Proces zamaranja uvijek počinje začećem inicijalne (mikro) pukotine duljine reda veličine kristalnog zrna (oko 0,05 mm), a proces začeća pukotine započinje cikličkim gomilanjem plastičnih deformacija na mjestima mikrokoncentracije naprezanja.

11. Proces širenja pukotine traje sve dok se ostatak presjeka ne smanji toliko da naprezanja u njemu dostignu vrijednost statičke čvrstoće materijala, pa se on odjednom nasilno prelomi. • Tako površina loma uslijed zamora materijala ima dvije jasno izražene zone: •  zonu širenja pukotine, koja je glatka (hrapavost na nivou kristalnih zrna), i • zonu statičkog loma vrlo grube i nepravilne površine, karakteristične za statički lom (slika).

12. Izvori mikrokoncentracije naprezanja su najčešće na površini napregnutog elementa, i to pri dnu udubina površinskih neravnina: • u okolini oksida koji djeluju kao strano tijelo (uključina) • na mjestima svih ostalih nehomogenosti izazvanih okolišem i obradom (npr. gubitak ugljika pri kovanju ili uključine pri lijevanju).

13. Dinamička čvrstoća – granica zamora Oprema laboratorija za ispitivanje zamorne čvrstoće i mehanike loma Mjerodavna karakteristika čvrstoće pri promjenjivim naprezanjima strojnih dijelova jest dinamička čvrstoća (ili granica zamora) strojnog dijela, koja se dobije ispitivanjem na zamor samog strojnog dijela, ili češće, na temelju ispitivanja na zamor probne epruvete, izrađene od materijala jednakog materijalu strojnog dijela. Epruvete su definirane odgovarajućim standardom, ali ako su okrugle, promjer im je najčešće 7 mm, a površina polirana. Epruvete su izložene periodično promjenjivim opterećenjima određenog intenziteta, sve do pojave loma.

14. Wőhlerov dijagram Ispitivanje čvrstoće dinamički opterećenih dijelova započeo je August Wőhler 1886.god. August Wöhler (1819-1914) - njemački inženjer Ispitna epruveta podvrgne se vlačnom dinamičkom naprezanjud1koje je manje od vlačne čvrstoće materijala epruvete Rm zbog čega će nakon određenog broja promjena opterećenja (ciklusa ) N1 nastupiti zamorni lom.

15. Pokus se ponavlja s novim epruvetama, ali sa sve manjim naprezanjima i sve većim brojem ciklusa: d2 - N2 ciklusa d3 – N3ciklusa itd. Broj ciklusa kod kojeg će doći do zamornog loma sve je veći dok konačno ne dođe do Ng idovoljno malog naprezanja kada lom neće nastupiti. To se naprezanje naziva trajnom dinamičkom čvrstoćom Rd. Trajna dinamička čvrstoća Rd najveće je dinamičko naprezanje koje materijal može podnijeti pri neograničenom broju ciklusa N, a da ne dođe do loma. • U Wőhlerovom dijagramu dva su područja: • Iznad krivulje – za određenu kombinaciju naprezanja i broja ciklusa nastupa lom • Ispod krivulje nema loma Granični broj ciklusa Ng: • Za čelik 2.106...1.107 • Za lake metale 5.107...1.108

16. Wőhlerov dijagram s brojem ciklusa u logaritamskom mjerilu Jednadžba Wőhlerove krivulje glasi: Rxm – vremenska dinamička čvrstoća za trajnost od Nx ciklusa Rdm – trajna dinamička čvrstoća m – eksponent Wőhlerove krivuljetj. nagib krivulje u logaritamskim koordinatama, m = 4...10 ovisno o materijalu, obliku strojnog dijela ili spoja te vrsti naprezanja

17. Oblici Wőhlerovih krivulja u ovisnosti o faktoru asimetrije  • = -1 trajna izmjenična dinamička čvrstoća je Rd-1, - Ra = Rd-1 • = 0 trajna ishodišna dinamička čvrstoća je Rd0 , Ra = Rd0/2 =m Ra – amplituda dinamičke čvrstoće

18. Oznake za trajnu dinamičku čvrstoću – prema vrsti dinamičkog naprezanja i faktoru asimetrije

19. Smithov dijagram – ovisnost dinamičke čvrstoće o srednjem naprezanju Dijagrami koji sadrže podatke o dinamičkim čvrstoćama za različite m / m, razlite vrste dinamičkih naprezanja unutar jednog dijagrama za određeni materijal ili grupu materijala sličnih svojstava. • Na apscisi je srednje naprezanje m ili m • Na ordinati je vrijednost trajne dinamičke čvrstoće • Za svako srednje naprezanje nanesene su vrijednosti gornje i donje granice trajne dinamičke čvrstoće RdG i RdD Za  = -1 RdG = +Rd-1 i RdD = - Rd-1 Za  = 0 RdG = +Rd0 i RdD = - Rd0

20. Modificirani Smithov dijagram • Odbacuje se dio dijagrama iznad granice tečenja Re (Rp0,2) • Granične se linije aproksimiraju pravcima • Ovakav modificirani dijagram moguće je nacrtati ako su poznati: • Rd-1 • Rd0 • Re (Rp0,2)

21. Određivanje dinamičke čvrstoće Ra za proizvoljni  Ako je poznat faktor asimetrije : Ako je poznato srednje naprezanje m: Amplituda dinamičke čvrstoće bit će: Tablica dinamičkih čvrstoća

22. KONCENTRACIJA NAPREZANJA Koncentracija naprezanja pri statičkom opterećenju U štapu konstantnog poprečnog presjeka opterećenom aksijalnom vlačnom silom s svakom presjeku vlada isto naprezanje, koje nazivamo nazivnim ili nominalnim (a): Zamislimo da se sila prenosi po zamišljenim linijama – silnicama (b).

23. U slučaju da se oblik poprečnog presjeka mijenja, promjena oblika će prisiliti silnice da skrenu, pri čemu će na nekim mjestima doći do njihovog zgušnjavanja (c). Tamo gdje su silnice gušće, naprezanje će biti veće – došlo je do koncentracije naprezanja. Na slici d) vidi se da je na takvom mjestu naprezanje veće od nazivnog. Omjer najvećeg lokalnog naprezanja max i nominalnog naprezanja n, naziva se geometrijskim faktorom koncentracije naprezanja ili jednostavno faktor oblika: k – za vlačno naprezanje ks – za savijanje kt – za torziju Mjesta promjena oblika na konstrukcijskim elementima gdje dolazi do koncentracije naprezanja nazivaju se koncentratori naprezanja.

24. Veličina maksimalnog lokalnog naprezanja u ovisnosti o vrsti opterećenja Vlačno naprezanje: Naprezanje na savijanje (a): Naprezanje na torziju (b): Koncentracija naprezanja kod smičnih naprezanja se ne pojavljuje jer je to naprezanje na rubu jednako 0.

25. Utjecaj oblika zareza na koncentraciju naprezanja Koncentracija naprezanja bit će veća što je promjena presjeka naglija, odnosno što je zarez oštriji.

26. Geometrijski faktor koncentracije naprezanja pri savijanju osovina i vratila Geometrijski faktor koncentracije naprezanja pri torziji vratila

27. Prikaz utjecaja oblika diskontinuiteta na veličinu koncentracije naprezanja – fotoelastična ispitivanja

28. Koncentracija naprezanja pri dinamičkom opterećenju Pri dinamičkim opterećenjima na mjestima najveće koncentracije naprezanja dolazi do zamora materijala, stvaranja mikro pukotina koje same po sebi predstavljaju nove koncentratore. Iz tog je razloga proračun koncentracije naprezanja osobito važan kod dinamički opterećenih konstrukcijskih elemenata. Efektivni faktor koncentracije naprezanja – određuje se eksperimentalno uz pomoć glatke probne epruvete i epruvete s odgovarajućim koncentratorom naprezanja te različitim vrstama opterećenja (vlak/tlak, savijanje i torzija):

29. Veza između k i k a) Prema Thumu Faktor osjetljivosti materijala na koncentraciju naprezanja  - mm – polumjer zakrivljenosti na mjestu koncentratora naprezanja b) Prema Siebelu Relativni gradijent naprezanja ovisi o geometriji zateza n - faktor potpore - očita se iz tablica za određeni  i vrstu materijala

30. DOPUŠTENA NAPREZANJA Dopuštena naprezanja pri statičkom opterećenju a) Žilavi materijali – čelici, legirani čelici, aluminij i njegove legure, mjed, lake kovine itd. Re

31. Dopušteno naprezanje na vlačno opterećenje:  = 1,2...2 – faktor sigurnosti b) Krhki materijali – sivi lijev, neke vrste drveta, staklo itd. Dopušteno naprezanje na vlačno opterećenje:  = 1,5...2,5 (...4) – faktor sigurnosti

32. Dopuštena naprezanja za različite vrste statičkih opterećenja

33. Dopuštena naprezanja pri dinamičkom opterećenju U prethodnom, približnom proračunu dinamički opterećenih dijelova, kada se grubo određuju izmjere na temelju nedovoljno podataka, dopuštena naprezanja se određuju prema izrazu: Rd – iz Smithovog dijagrama ili tablica d = 3...4 Kada je poznat točan izgled elementa, izrađuje se konačan, kontrolni proračun s dopuštenim naprezanjima, koje se može odrediti temeljem izraza: Faktor sigurnosti uzima se manji nego li u približnom proračunu, a određuje iz dijagrama ovisnosti faktora asimetrije  i učestalosti pojave najvećih naprezanja tijekom pogona.

34. a) Utjecaj površinske hrapavosti (b1) Za vlak/tlak i savijanje Rm – N/mm2 – vlačna čvrstoća Rz -m – srednja vrijednost parametra hrapavosti Za torziju b) Utjecaj veličine konstrukcijskog elementa (b2) Elementi manjih izmjera općenito imaju veću dinamičku čvrstoću jer su homogenija i s relativno manje neispravnih mjesta (uključaka, šupljina itd.) Faktor veličine b2 za okrugli poprečni presjek

35. c) Utjecaj režima rada (b3) Ispitnom se epruvetom određuje trajna dinamička ćvrstoća pri stalnom maksimalnom opterećenju. Međutim konstrukcijski elementi mogu biti podvrguti raznim režimima rada. Ako procjena režima rada nije moguća tada se b3 =1.

36. d) Utjecaj visokih i niskih temperatura Utjecaj temperature na čvrstoću čelika ne uzima se u obzir do približno 350oC. Za radne temperature više od 350...400oC koriste se čelici postojani pri višim temperaturama Kod nižih temperatura čvrstoća čelika raste, međutim raste i krhkost i osjetljivost na koncentraciju naprezanja. e) Kemijski utjecaji Kemijski aktivna sredstva u kojima se nalaze konstrukcije, mogu izazvati koroziju. Korozija izaziva nepravilnosti na površini koje su izvor jake koncentracije naprezanja. d) Tarna korozija Pojavljuje se na steznim spojevima uslijed malih pomicanja, kod osovina i glavina. g) Utjecaj pravca vlakana Dijelovi oblikovani kovanjem, valjanjem ili vučenjem imaju vlaknastu, slojevitu strukturu. Ako se napregnu okomito na vlakna, imaju i do 20% manju dinamičku čvrstoću.

37. ELEMENTI ZA SPAJANJE

38. Zavareni spojevi

39. Zavareni spojevi spadaju unerastavljive spojeve i upotrebljavaju se prije svega za spajanjenosećih strojnih dijelova i konstrukcija. Zavarivanje je spajanje metalnih, ili nemetalnih dijelovatoplinskim postupkom taljenja ili omekšavanja na mjestu spoja, sa ili bez dodavanja materijala. Spoj nastaje taljenjem osnovnih i dodatnih materijala, ili pritiskanjem omekšanih osnovnihmaterijala. Područje u kojem nastaje spoj naziva se zavar. Zavari i dijelovi koji se zavarujupredstavljaju zavareni spoj. Dijelovi koji se zavaruju su obično iz istih ili srodnih materijala, kojiimaju približno jednaku temperaturu taljenja, ali mogu biti i iz raznorodnih materijala. Primjena zavarenih spojeva kod izrade strojnih dijelova i metalnih konstrukcija stalno raste, jerpostupci zavarivanja postaju sve bolji i danas je već moguće postići da mehanička svojstvazavarenih spojeva budu jednaka onim osnovnog materijala, a ponekad čak i bolja. Pored čelika,pod posebnim uvjetima mogu se zavarivati bakar i bakrene legure, aluminijeve legure, umjetnemase itd.

40. Prednosti zavarenih spojeva: • Nosivost zavarenog spoja može biti približno jednaka nosivosti osnovnog materijala • Zavarene konstrukcije imaju i do 30% manju masu nego li lijevane, kovane i zakovične konstrukcije • Za manji broj proizvoda zavareni spojevi su najekonomičniji Nedostaci zavarenih spojeva • Mogu se spajati dijelovi koji imaju jednaku ili približnu kvalitetu i koji su dobro zavarljivi • Zbog lokalnog zagrijavanja te neravnomjernog rastezanja i skupljanja prilikom hlađenja, pojavljuju se zaostala naprezanja. To se uvelike može otkloniti pogodnim smjerom i redoslijedom zavarivanja te naknadnim žarenjem (čelik na 500...700oC). • Mjesto zavarivanja potrebno je pripremiti, oblikovati i očistiti • Zavareni spojevi su skloni koroziji • Zbog visoke cijene nisu isplativi za velikoserijsku proizvodnju

41. Nastanak zavarenog spoja Zavareni spojevi općenito se temelje na kohezijskim silama u zavaru, tako da poslije zavarivanjazavareni spoj čini cjelinu koja se može razdvojiti jedino razaranjem materijala. Obzirom na način nastanka kohezijskih sila u zavarenomspoju razlikuje se: • zavarivanje toplinskom energijom (zavarivanje taljenjem) • zavarivanje s mehaničkom energijom, toplo i hladno Žljeb zavara – priprema spojnih dijelova Elementi zavara

42. Zavarivanje toplinskom energijom Spojni dijelovi iz istog ili srodnog materijal + dodatni materijal. Zagrijavaju se na temperaturu višu od tališta materijala dijelova. Stapaju se taline osnovnog i dodatnog materijal.

43. Zavarivanje s mehaničkom energijom Zavarivanje bez dodatnog materijala. U području spoja materijal se izlaže velikim plastičnim deformacijama. Zavar je tada dio materijala koji je omekšao i pri tome rekristalizirao. Kod toplog zavarivanja dodirne površine dijelova se prije zavarivanja na različite načine zagrijavaju do tjestastog stanja tj. lokalno do tališta, čime se pospješuje proces difuzije atoma preko kontaktnih površina i rekristalizacije pod djelovanjem mehaničke sile pritiska. Pri hladnom zavarivanju su za nastanak zavarenog spoja potrebne veće sile pritiska, jer su kontaktne površine na sobnoj temperaturi.

44. Zavarivost materijala • Zavarljivost je svojstvo materijala da se spajanjem zavarivanjem njegovih dijelova dobije upotrebljiv spoj. Materijal je dobro zavarljiv ako je standardnom opremom i procedurom zavarivanja moguće ostvariti upotrebljiv spoj. • Materijal je slabo zavarljiv ako se spoj ostvaruje složenom opremom i procedurom zavarivanja. • Većina metala i umjetnih materijala je dobro zavarljiva, ako se izabere odgovarajući postupak zavarivanja. • Na zavarljivost utječe: • sastav materijala • kemijska i • mehanička svojstva. Za zavarivane strojne dijelove najvažniji materijal je čelik.

45. Čelici Zavarljivost čelika ovisna je o njegovom kemijskom sastavu, tj. o postotku osnovnih elemenata (C, Si, Mn, P, S) i legirnih dodataka (Cr, Ni, Mo, V, W, Ta, Nb, Al, Ti, Cu, Co), te o čistoći (razne primjese i plinovi kisika, dušika, vodika). Pored toga na zavarljivost velik utjecaj ima i debljina dijelova koji se zavaruju, jer o njoj ovisi brzina hlađenja zavara. Konstrukcijski čelici, sa sadržajem do 0,23 % C imaju najbolju zavarljivost.Sadržaj sumpora i fosfora ne smije prelaziti 0,045% (ili 0,07% zajedno). Ostali legirni elementi, prije svega Si i Mn, slabe zavarljivost. Najbolju zavarljivost imaju nelegirani i niskolegirani konstrukcijski čelici, koji se upotrebljavaju za gradnju mostova, rezervoara, vozila, strojeva, itd. Visokolegirani čelici, koji sadrže ukupno više od 10% svih legiranih elemenata, zavaruju se samo uz posebne postupke.

46. Za zavarene konstrukcije uglavnom se upotrebljavaju sljedeći čelici: • • konstrukcijski čelici: dobro zavarljivi čelici su Č0260, Č0360, Č0460 i Č0560, • čelici za poboljšanje: za zavarivanje taljenjem sa najpogodniji čelici Č1330, Č4730, Č3139, te 28Cr4 (prema DIN-u); potrebno predgrijavanje i naknadna obrada. • • čelici za cementacijusu svi dobro zavarljivi, ali u necementiranom stanju. • Čelični lijevima dobru zavarljivost kao srodni čelici, iako je potrebno uzimati u obzir grublju i manje žilavu strukturu, te velike debljine dijelova koji se zavaruju, što utječe na brzinu hlađenja. • Općenito su dobro zavarljivi čelični ljevovi ČL0300 i ČL0400. • Sivi lijevima slabu žilavost i ne prenosi unutrašnja naprezanja. Zbog visokog postotka C u ZUT-u može doći do povećanja tvrdoće. Moguće je hladno zavarivanje. Kod toplog zavarivanja potrebno je dijelove zagrijati na 600...650°C i postupno hladiti nakon zavarivanja. • Nodularni i temper lijevse bolje zavaruju negoli sivi lijev zbog njihove veće rastezljivosti i žilavosti. Zavarivanje se provodi slično kao i kod sivog lijeva.

47. Laki metali Aluminij (Al) i aluminijeve legure Magnezijeve (Mg) legure su teže zavarljive nego čelici, jer se brzo hlade i oksidiraju. Teški metali Bakar (Cu), mjedi (CuZn legure) i bronce (CuSn legure) su dobro zavarljivi. Mjedi imaju bolju zavarljivost pri manjem sadržaju cinka (Zn). Nikal (Ni) i njegove legure (NiFe, NiMn, NiCr, NiCu, NiMoCr) su zavarljivi pod određenim uvjetima. Titanove (Ti) legure dobro su zavarljive, a Ti u dodatnom materijalu poboljšava svojstva zavara. Polimerni materijalisu vrlo različiti s gledišta izvornih sirovina i načina proizvodnje. Duroplasti, koji se nakon proizvodnje ne daju toplinski oblikovati i zato su nezavarljivi. Termoplasti, koji se pri povišenoj temperaturi smekšaju ili tale, te su dobro zavarljivi.

48. Vrste zavarenih spojeva i zavara Zavareni spojevi dijele se obzirom na međusobni položaj dijelova koji se zavaruju. Zavari se općenito dijele na: • sučeone zavare • kutne zavare • posebne zavare

49. Vrste i oblici taljenih zavara (EN 22 553)

50. Vrste i oblici mehanički spojenih zavara (EN 22553)