KVANTITATIVNA KARAKTERIZACIJA SVOJSTAVA MATERIJALA QUANTITATIVE CHARACTERIZATION OF MATERIALS' PROPERTIES

Transcription

1 KVANTITATIVNA KARAKTERIZACIJA SVOJSTAVA MATERIJALA QUANTITATIVE CHARACTERIZATION OF MATERIALS' PROPERTIES Tomislav Filetin Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu, Zavod za materijale Sažetak: Težnja ka kvantifikaciji svojstava tehničkih materijala posljedica je potrebe za razvojem na znanstvenim osnovama. Ako postoje brojčani pokazatelji, provjeravanje kakvoće će biti objektivnije, odabir optimalnog materijala lakši, te predviđanje ponašanja materijala tijekom preoblikovanja i uporabe pouzdanije. Svaka vrsta materijala može biti opisana sa preko 200 osnovnih svojstava, pa uz oko postojećih tehničkih materijala, i njihovo stalno umnožavanje, raste količina brojčanih pokazatelja. Primjenom računala u obradbi i vrednovanju podataka ispitivanja materijala, pri ekstrapolaciji i interpolaciji vrijednosti, te općenito pri predviđanju i simulacijama svojstava i ponašanja materijala generiraju se nove informacije i znanja u brojčanom obliku. Neprestano se povećava broj faktografskih i numeričko/tekstualnih banaka podataka i informacijskih sustava za materijale koji sadrže sve potpunije fondove podataka a služe kao servis istraživačima i korisnicima materijala. U prikupljanju i prezentaciji ekspertnih znanja o materijalima pojavljuju se i iskustveni iskazi - procjene, tekstualni opisi i logički odnosima između svojstava. Podaci i informacije o svojstvima i ponašanju materijala rezultat su standardiziranih i dogovorenih ispitivanja na epruvetama i ispitnim tijelima, praćenja i mjerenja u izradbi proizvoda, ispitivanja modela i prototipa, kao i praćenja materijala u ekspolataciji i recikliranju proizvoda. U korištenju se, svakom postojećem ili novo dobivenom podatku može pridružiti: a) izvor i relevantnost; b) oblik prikazivanja vrijednosti - pojedinačna brojčana veličina, funkcija, statistička ili empirijska zakonitost (grafički ili numerički), slikovni prikaz (npr. mikrostrukture), procjena i ocjena; c) uporabivost - kao čista informacija o materijalu, za izbor materijala ili za proračune. Tipovi podataka za računalnu obradbu jesu: dopustive/konstrukcijske, prosječne/tipične, izračunate vrijednosti, literaturna kompilacija, podaci proizvođača, iskustva iz primjene, direktni rezultati ispitivanja, podaci iz normi za materijale. Definiraju se "funkcije vrednovanja" (merit parameters) u kojima su logički povezana pojedina svojstva u izraz za kvantitativnu usporedbu materijala, a na temelju unaprijed utvrđenih tehničkih i ekonomskih kriterija iz uporabe. Opisan je "Katalog svojstava materijala" koji pomaže pri traženju relevantnih svojstava za kontrolu kakvoće i za odabir materijala. Abstract: The aspiration for quantitative characterization of technical materials' properties is a consequence of need to base their development upon the scientific principles. If numerical indicators exist, the testing of material's quality is going to be more objective, the selection of the optimal material easier and the prediction of their behavior in the manufacturing and in use more reliable. Each type of material is described through over 200 basic properties, and so along with about existing technical materials and their permanent multiplying, the amount of numerical indicators also rises. Using computers in generation and validation of testing data, in extrapolation and interpolation of values and generally in prediction and simulation of properties and behavior of materials, new information and knowledge are generated in numerical format. Incessantly the number of factual and numeric/textual databases increases, as well as the number of information systems for materials that contain even more complete data collections and that is used as a service by scientists and materials users. In gathering and presentation of expert knowledge about materials we confront, additionally, with experiences such as estimations, textual descriptions and logical relations between properties. Data and information about properties and materials behavior are the result of: standardized and conventional test methods on test specimens, of the observing and measuring in the production stages, model

2 and prototype testing, as well as the observing of materials in service (use) and recycling. In use, to each existing or new-found information the following can be attached: a) source and relevance; b) the form of expressing values - single numerical value, function, statistical or empirical relations (graphical or numerical), photos (e.g., of micro-structure), estimation and review; c) usefulness - just as information about material, for selection of materials or for calculations. The types of data for computerization are: allowable/design values, average/typical, calculated, literature compilation, manufacturer's data, service experience, direct test results, standard's reference data. "Merit parameters" are defined in which single properties are logically linked into an expression for quantitative comparison of materials, and are based on preestablished technical and economical criterion from use. "Catalogue of materials' properties" that is here described helps at finding the relevant ones in quality control and in materials' selection. 1. UVOD Ispitivanja svojstava provode se radi dobivanja podataka, informacija i znanja za: a) razvoj materijala u laboratorijskim uvjetima, b) razvoj materijala u tehnološkim uvjetima, c) obivanje željene kakvoće materijala pri njegovom dobivanju, d) identifikaciju nepoznatog materijala kod korisnika, e) provjere dobivene kakvoće materijala - kod proizvođača i korisnika materijala a u skladu s propisima i normama, f) utvrđivanje optimalnih preradbenih parametara u proizvodnji, g) utvrđivanje uzroka neželjenih pojava u uporabi i tijekom eksploatacije - npr. uzroci lomova, deformacija, istrošenja kao i definiranje preostalog vijeka trajanja materijala. U lancu karakterizacije materijala prisutne su različite metode, postupci, oprema i zahtjevi pri ispitivanju. Sve to je dodatno ovisno i o vrsti materijala koji se ispituje - metalni, polimerni, keramički i kompozitni. Zbog potrebe za što većom usporedivošću metoda i izvornih podataka, nastoji se doći do jedinstvenih normi za ispitivanje materijala, obradbu podataka mjerenja kao i njihovu uporabu - npr. u i pomoću informacijskih sustava [1]. Znanstvenici žele uvesti novu metodu ispitivanja nekog svojstva ili provjeriti postojeću, te pronaći korelacije između svojstava. Krajnji inženjerski cilj je pak što potpunija kvantitativna karakterizacija i sinteza raspoloživih podataka u uporabivo znanje o nekoj vrsti materijala, a da bi se primjenio odabrao optimalni materijal ili riješio konkretni problem. Informacijsku vrijednost raspoloživih podataka određuju, njima pridruženi, sljedeći elementi: a) izvor, valjanost, relevantnost podataka, b) oblik kvantitativnog iskazivanja vrijednosti, c) namjena - primjenljivost. Konačno, podaci i informacije o materijalima imaju veću ili manju normizacijsku vrijednost. Cilj je ovog prikaza ukazati na širinu i složenost cjelovite kvantitativne karakterizacije tehničkih materijala, a na temelju sustavnog pristupa. 2. MJESTA GENERIRANJA PODATAKA O SVOJSTVIMA I KARAKTERISTIKAMA MATERIJALA Mogući fond podataka i znanja o svojstvima rezultat je ispitivanja i praćenja materijala i proizvoda tijekom njegova praoblikovanja i preoblikovanja, odvajanja, povezivanja, prevlačenja, toplinske obradbe ili u uporabi. Tako se razlikuju [2]: - podaci o sastavu (kvalitativnom, kvantitativnom, faznom) materijala; - podaci o strukturi materijala; - podaci dobiveni normiranim - propisanim ispitivanjima epruveta i drugih ispitnih tijela;

3 - podaci dobiveni dogovorenim ispitivanjima epruveta i ispitnih tijela; - podaci i pokazatelji za svojstva dobiveni ispitivanjima modela i prototipa proizvoda; - podaci i pokazatelji dobiveni praćenjem, tijekom pretvorbe, materijala u gotov oblik; - pokazatelji i podaci dobiveni ispitivanjima i praćenjem proizvoda u uporabi (eksploataciji); - pokazatelji dobiveni praćenjem u toku regeneracije ili recikliranja materijala. Najpotpunija i najdostupnija skupina podataka o materijalu dobiva se normiranim i dogovorenim laboratorijskim ispitivanjima uzoraka, epruveta i ostalih ispitnih tijela izvađenim iz poluproizvoda ili gotovih dijelova. To su ujedno usporedivi pokazatelji koji imaju najveću važnost pri proračunu konstrukcija i izboru materijala. Ostali podaci proizašli iz praćenja u izradbi i uporabi u obliku povratnih informacija, upotpunjuju sliku svojstava i posebno mogućeg ponašanja materijala. Proizlazi da je, s obzirom na stupanj oblikovanja materijala, moguće razlikovati: - osnovna svojstva neoblikovanog materijala (tvari), - svojstva praoblikovanog materijala (poluproizvoda), - svojstva izradaka (npr. prije i nakon toplinske obradbe ili površinske zaštite), - svojstva i ponašanje materijala u konačnom obliku proizvoda. 3. UTJECAJI NA SVOJSTVA I PONAŠANJE MATERIJALA Slika 1 prikazuje utjecaj sastava i mikrostrukture materijala, tehnoloških postupaka dobivanja i preoblikovanja na svojstva i ponašanje materijala, kao i njihovo međudjelovanje. OSNOVNA SVOJSTVA NEOBLIKOVANOG MATERIJALA opisuju se nekim osnovnim konstantama koje su pravilu neovisne o obliku, dimenzijama konačnog izratka. U toj skupini nalaze se one veličine koja govore o mehaničkoj otpornosti - modul elastičnosti, modul smičnosti, Poissonov omjer; o fizikalnim svojstvima - gustoća, toplinska, električna, magnetna, akustička, optička svojstva itd. Vrijednosti za spomenuta svojstva dobro su usporedive za različite vrste materijala. Slika 1. Utjecajni faktori na svojstva i ponašanje materijala Vrijednosti za SVOJSTVA dobivene ispitivanjima POLUPROIZVODA čine drugu skupinu najčešće rabljenih podataka. Budući da se pojmom poluproizvoda razumijeva materijal koji poslije nekoliko stupnjeva preradbe i obradbe poprima oblik šipke, lima, profila itd., na njegova svojstva najviše utječu postupci praoblikovanja i preoblikovanja materijala. Vrijednosti SVOJSTAVA MATERIJALA dobivenih ispitivanjima poluproizvoda bitno ovise o: a) mikrostrukturi, makrostrukturi materijala, b) geometriji ispitnog tijela, c) visini ispitne temperature,

4 d) ostalim uvjetima ispitivanja - okolnom mediju, trajanju opterećenja, načinu opterećenja i sl. SVOJSTVA I PONAŠANJE MATERIJALA GOTOVOG PROIZVODA često se ne mogu točno predvidjeti i rastumačiti jer su uvjeti rada, utjecaj proizvodnih postupaka, utjecaj postupaka poboljšanja svojstava, montaže, oblika i dimenzija gotovog proizvoda vrlo kompleksni i teško se kvantificiraju. 4. VRSTE POSTUPAKA ZA UTVRĐIVANJE SVOJSTAVA I PONAŠANJA MATERIJALA Jedna od mogućih klasifikacija ispitivanja relevantnih svojstava i karakteristika navedena je u tablici I. Tablica I: Skupine ispitivanja svojstava i karakteristike materijala 1.UTVRĐIVANJE KEMIJSKOG SASTAVA STRUKTURE -Kemijski sastav -Kemijska struktura -Mikrostrukturne karakteristike - Električna, Magnetna - Toplinska, termodinamička - Optička - Akustička - Radijacijska 2. UTVRĐIVANJE FIZIKALNIH SVOJSTVA 3. UTVRĐIVANJE OTPORNOSTI KEMIJSKIM, FIZIKALNIM I BIOLOŠKIM UTJECAJIMA - Medijima, tvarima u dodiru - Živim organizmima - biološka otpornost - UV svjetlu, zračenju 4. UTVRĐIVANJE MEHANIČKIH SVOJSTVA - Statičko opterećenje - Dinamičko promjenjivo opterećenje - Udarno opterećenje - Puzanje i relaksacija - Opće karakteristike elastičnosti - Složena opterećenja 5. UTVRĐIVANJE OTPORNOSTI TROŠENJU - TRIBOLOŠKIH SVOJSTAVA - Otpornost abraziji - Otpornost adheziji - Otpornost umoru površine - Otpornost tribokemijskom trošenju - Ostalih triboloških svojstava 6. KARAKTERIZACIJA PONAŠANJA U EKSPLOATACIJI - Karakteristike lomova - Karakteristike istrošenja - Karakteristike korozijskog dotrajavanja - Otrovnost, uništivost 7. UTVRĐIVANJE PROIZVODNIH (TEHNOLOŠKIH) SVOJSTVA - Ljivljivost - Kovkost - gnječivost - deformabilnost - Obradljivost - rezljivost - Zavarivost

5 - Ljepljivost - Mogućnost zaštite površine - Toplinska obradivost Metode ispitivanja dijelom su opće primjenjive a dijelom su ovisne o skupini materijala - metalni, polimerni, keramički ili kompozitni. Tako se npr. metode ispitivanja sastava, strukture, nekih fizikalnih i mehaničkih svojstava, kemijske postojanosti i bitno razlikuju za spomenute skupine materijala. Jedan od oglednih sustava je CAMPUS (Computer Aided Materials Preselection by Uniform Standards) za polimerne materijale, koji nastoji definirati i uskladiti metode ispitivanja za određenu skupinu materijala, kao i obradbu dobivenih podataka [8]. 5. KVANTITATIVNO ISKAZIVANJE SVOJSTAVA MATERIJALA Bilo koje svojstvo, karakteristika, njihova kombinacija ili neki kvantitativni pokazatelj za svojstva, pojavljuje se u četiri osnovna oblika prikazivanja. A. OPISNA KARAKTERIZACIJA: Svojstva se izražavaju često riječima ili ocjenama. Za teže mjerljiva svojstva, kao što su tehnološka, otpornost koroziji i otpornost trošenju, to je jedino moguć način kvantifikacije. Ocjene se najčešće iskazuju riječima ili brojevima kao npr.: - izvrstan ili posebno prikladan - ocjena (5), - vrlo dobar ili vrlo prikladan - ocjena (4), - dobar ili prikladan - ocjena (3), - dovoljan ili uvjetno prikladan - ocjena (2), - nedovoljan ili neprikladan - ocjena (1). Pouzdanost takvih ocjena razmjerno je niska i ovisi o tome tko ih je i na temelju kojih spoznaja i podataka ustanovio. Radi se o najnepreciznijem obliku kvantifikacije svojstava. Kvalitativni iskazi nalaze svoje mjesto ponajprije u izgradnji ekspertnih sustava za odabir i primjenu materijala. B. PRIKAZI DIJAGRAMIMA, SLIKAMA I FUNKCIJAMA Najčešće su prisutni, ali i najteži za računalnu obradbu podataka, premda daju najviše informacija o materijalu. Zbog većeg broja podataka i informacija govori se o višeznačnoj karakterizaciji. Tipični slučajevi takva prikazivanja jesu: dijagrami "naprezanje - deformacija", dijagrami puzanja, prikazi trošenja i korozije u vremenu itd. Slike mikrostruktura sadrže također niz vrijednih informacija o svojstvima materijala i mogu se suvremenim metodama prevesti u kvantificirani oblik - npr. analizom slike - Image Analysis (slika 2). Danas je već uobičajeno i tzv. parametarsko kvantificiranje ovisnosti pojedinih svojstava o temperaturi, tlaku, trajanju opterećenja i drugim utjecajima. Takav oblik karakterizacije ponašanja materijala olakšava i pohranu funkcija u baze podataka (slika 3).

6 Slika 2. Primjer prikaza slike mikrostrukture tijekom kvantitativne analize

7 Slika 3. Dijagram naprezanje - istezanje izražen regresijskim polinomom C. JEDNOZNAČNE MJERENE VELIČINE I POKAZATELJI: Riječ je o pojedinačnim vrijednostima za neko svojstvo, u pravilu dobivenim ispitivanjima. To su npr.: veći dio mehaničkih i fizikalnih svojstava - granica tečenja vlačna čvrstoća, istezljivost, dinamička izdržljivost, tvrdoća, toplinska provodnost, toplinska rastezljivost... Budući da se radi o usporedivim podacima, najviše se rabe za odabir materijala i proračune konstrukcija. Često se izvode iz dijagramsko - funkcijskih prikaza za neku kombinaciju uvjeta ispitivanja. Neki primjeri pridruživanja pojedinačnih veličina svojstava nekom ponašanju materijala jesu: R px - granica razvlačenja otpornost plastičnim deformacijama pri statičkom kratkotrajnom opterećenju R m - vlačna čvrstoća otpornost lomu pri statičkom kratkotrajnom opterećenju E - modul elastičnosti krutost A, Z - istezljivost, suženje presjeka deformabilnost, oblikovljivost R d - dinamička izdržljivost otpornost umoru K IC - lomna žilavost otpornost propagaciji pukotine R m/t/t i R p1/t/t - statička izdržljivost i granica puzanja otpornost puzanju λ - toplinska vodljivost sposobnost provođenja topline α - toplinska rastezljivost sposobnost linearnog rastezanja ili stezanja pri promjenama temperature C p - specifični toplinski kapacitet pri stalnom tlaku sposobnost akumulacije topline ρ - gustoća masa HV, HB, HRC - tvrdoća otpornost specifičnim pritiscima, krhkost, obradljivost... D. KOMBINACIJA KARAKTERISTIKA: Logičkom analizom ili razmatranjem izraza za proračunavanje konstrukcijskih dijelova dobivaju se tzv. parametri ili funkcije vrednovanja materijala ("merit parameters"). Tako su, npr. za lake a krute konstrukcije od kompozitnih materijala, bitni kriteriji: "specifična krutost" - omjer modula elastičnosti i gustoće kao i "specifična čvrstoća" - omjer čvrstoće i gustoće 6. PRIMJENLJIVOST PODATAKA O SVOJSTVIMA Smatra se da jednu vrstu materijala, u suvremenim faktografskim bazama podataka, opisuje preko 200 osnovnih svojstava [7], dok je broj kvantitativnih pokazatelja višestruko veći. Ako znamo da danas postoji oko vrsta tehničkih materijala [9], tada je jasno da se korisnik materijala suočava s ogromnom količinom činjenica koje mora oblikovati u uporabivo znanje u

8 rješavanju konkretnog problema. Tipovi podataka za računalnu obradbu - pohranu u baze podataka jesu: - dopustive / konstrukcijske, - prosječne / tipične, - izračunate vrijednosti, - literaturna kompilacija, - podaci proizvođača, - iskustva iz primjene, - direktni rezultati ispitivanja, - podaci iz normi za materijale. Kvantitativne veličine svojstava materijala možemo razmatrati i s gledišta njihove inženjerske primjenljivosti u procesu konstruiranja i pri odabiru materijala. Tako se razlikuju: a) svojstva koja služe ponajprije za simulacije, različite proračune, provjere naprezanja i dimenzioniranje dijelova, b) svojstva koja isključivo služe za usporedbu materijala i optimizaciju, c) svojstva koja u pravilu služe samo kao opće informacije o nekom materijalu. U analizi svojstava i provjeri primjenjivosti nekog materijala polazi se od zahtjeva koji se na njega postavljaju. Zatim se traže relevantni pokazatelji kojima se zahtjevi, po mogućnosti, mogu kvantitativno karakterizirati. Konačni cilj je da se što određenije utvrdi ponašanje materijala u realnim uvjetima uporabe. Do tog cilja se može doći logičnom analizom raspoloživih podataka ili simulacijskim modelima - predviđanje svojstava i ponašanja na temelju dostupnih podataka, znanja i relacija. Velik broj utjecajnih faktora i njihova složenost često rezultira nesigurnošću odluka pa su nužne procjene i korištenje ekspertnog znanja. Neki primjeri za pridruživanja relevantnih karakteristika određenim kriterijima vrednovanja materijala ("merit parameters") jesu [3-6]: R e / R m, R p0,2 / R m - osjetljivost na zarezno djelovanje ili sposobnost podnošenja preopterećenja R p0,2 K IC - otpornost propagaciji pukotine R m A - otpornost krhkom lomu E/ρ - minimalna masa uz maksimalnu krutost (za savojno opterećenu gredu) E /ρ 2 - minimalna masa uz konstantni progib (savojno opterećenje za kružni presjek) E/(ρ c) 2 - minimalna cijena uz konstantan progib R p0,2 (R m )/ρ - otpornost ploče centrifugalnim silama E/ρ - otpornost vibracijama ρ/e + E/ρ - ponašanje u rezonanciji ((1-ν 2 ) 2 /E 2 )R 3 p0,2 - otpornost površinskim pritiscima λ/α ili λ/(ρ α C p) - otpornost toplinskim dilatacijama E α/ρ - minimalna masa uz konstantnu otpornost pri promjenama temperatura ((1+(E/ρ)+(1-ν)(1+λ)/α)/E)) R p0,2 - maksimalna čvrstoća uz sposobnost podnošenja T R m λ/e α - otpornost toplinskom šoku. Kao jedno od pomagala pri definiranju relevantnih svojstava i karakteristika materijala za izbor, kontrolu i primjenu može poslužiti i KATALOG OPISA SVOJSTAVA I KARAKTERISTIKA [2]. U njemu se nalaze sintetski opisi pojedinih svojstava i mjerljivih pokazatelja, načina ispitivanja, oblika njihovog prikazivanja, primjenjivost i referentni literaturni izvori. 7. ZAKLJUČAK Raznovrsnost metoda i načina generiranja podataka o svojstvima materijala, te različita oprema upućuju na potrebu sustavnog vrednovanja podataka ispitivanja, prije njihove prezentacije i

9 uporabe. U vrednovanju i evaluaciji metoda i podataka, dobivenih iz različitih izvora, sve se više rabe statističke metode, a u ekstrapolaciji i predviđanju svojstava i ponašanja materijala simulacijski modeli. Računala su nezaobilazna pri samom mjerenju, vrednovanju, obradbi i korištenju podataka. Sve veći broj novih materijala donosi i nove metode ispitivanja koje se tek trebaju verificirati i zatim normirati. Globalna ekonomska povezanost svijeta prisiljava proizvođače i korisnike materijala da usklade postupke karakterizacije materijala kako bi se prezentirani rezultati ispitivanja mogli lakše provjeravati. Najbolji primjeri za takvo usmjerenje jesu napori oko izradbe međunarodnih normi za ispitivanje materijala, kao i serija normi ISO Stoga se i naša država mora aktivno uključiti u spomenute aktivnosti i što prije donijeti vlastite suvremene norme za materijale. 8. LITERATURA: [1]..."Factual Materials Databanks (The Needs for Standards)", Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS), EZ, July [2] T. Filetin i dr.: "Svojstva i karakteristike materijala - Katalog opisa", Sveučilište u Zagrebu, [3] T. Filetin: "Prilog metodičkom postupku izbora materijala pri konstruiranju", Disertacija, FSB, Zagreb, [4] K. Mohwald, H. Kern, F. Hartung: "WEKEB - Ein Werkstoff - Kerndatenberatersystem zur Werkstoffeinsatzbewertung", VDI Berichte Nr. 936, 1991., s [5] D. C. Miaw, W. R. D. Wilson: "Use of Figures of Merit in Computer - Aided Material and Manufacturing Process Selection", ASME Publication 81 - DET, 103, s. 1-7 [6] D. Cebon, M. F. Ashby: "Computer Aided Materials Selection for Mechanical Design", Metals & Materials, Jan s [7] M. Reiss: "Werkstoffdatenbank WIS, Inhalt and Verwendung", Kunststoffverarbeiter 1/2 (1987), s [8] H. Breuer, G. Dupp, J. Schmitz, R. Tüllmann: "Einheitliche Werkstoffdatenbank - eine Idee setzt sich durch", Kunststoffe 80(1990)11, s [9] C. O. Smith: "Materials Selection in Design", Int. Conference on Engineering Design, Dubrovnik, 1990., s