Anyagi tulajdonságok. Anyagismeret a gyakorlatban. Dr. Orbulov Imre Norbert Anyagtudomány és Technológia Tanszék

Átírás

1 Anyagi tulajdonságok Anyagismeret a gyakorlatban Dr. Orbulov Imre Norbert Anyagtudomány és Technológia Tanszék

2 Az előadás fő pontjai A tulajdonságok csoportosítása Szerkezetérzékeny és érzéketlen tulajdonságok Mechanikai tulajdonságok Anyagvizsgálat Mikroszerkezeti vizsgálatok Szakítóvizsgálat Keménységmérés Ütővizsgálat Technológiai próbák

3 Anyagi tulajdonság csoportok Mechanikai terhelés és alakváltozás hatása, szakítószilárdság Elektromos elektromos tér hatása, vezetőképesség Hőfizikai hőmérsékletmező hatása, fajhő Mágneses mágneses tér hatása, mágneses viselkedés Optikai elektromágneses tér hatása, törésmutató Károsodási kémiai reaktivitás hatása, korrózióállóság

4 Szerkezetérzékenység Szerkezet = mikroszerkezet, szövetelem Szerkezetérzéketlen Fajhő Curie-hőmérséklet Sűrűség stb. Szerkezetérzékeny Mechanikai tulajdonságok Vezetőképesség Koercitív tér stb.

5 Szerkezet tulajdonság Például: lehűtési sebesség ( mikroszerkezet ) keménység összefüggése HB (a) (b) (c) (d) mm 30 mm 30 mm 30 mm Lehűlési sebesség (ºC/s)

6 Rugalmas alakváltozás Kezdeti 1. Initial állapot Terhelve 2. Small load 3. Unload Leterhelve ΔL kötések megnyúlása visszatérés az eredeti állapotba Rugalmas = reverzibilis F F Lineárisan rugalmas Rugalmas alakváltozásnál a térfogat nem állandó. L Nemlineárisan rugalmas

7 Lineáris rugalmas tulajdonságok Rugalmassági modulusz: E (Young-modulusz) Hooke- törvény: E Poisson-tényező, n: r fémek: ν ~ 0,33 kerámiák : ν ~ 0,25 polimerek : ν ~ 0,40 σ ε r 1 E Lineárisan rugalmas -ν 1 ε ε F F Egytengelyű igénybevétel Egységek: E: (GPa) vagy (MPa) r - radiális alakváltozás E kerámia > E fém >> E polimer

8 Csúsztató rugalmassági modulusz, G Hooke- törvény: G Térfogati rugalmassági modulusz, K p = - K ΔV Vo K E 3(1 2 ) G t 1 G E 2(1 ) p -K 1 g ΔV Vo Hidrosztatikus nyomás alkalmazása kezdeti térfogat : V o térfogat változás: dv p M M p p csavaróvizsgálat p

9 Képlékeny alakváltozás Kezdeti állapot Terhelve Leterhelve kötések megnyúlása, síkok elcsúszása a síkok elcsúszva maradnak L rugalmas+képlékeny L képlékeny F F Képlékeny = maradó Képlékeny alakváltozásnál a térfogat állandó. Lineárisan rugalmas L képlékeny ΔL rugalmas ΔL

10 Húzó- és nyomó igénybevétel Alakváltozás l l0 l Feszültség F S S S 0 S 0 Δl/2 Δl/2 l 0 l l 0 l F F S F S 0 Rugalmas állapotban = E F Húzás Δl/2 F Nyomás Δl/2 (Hooke-törvény)

11 Nyíró igénybevétel S 0 F r M F Egyszerű nyírás F S F S 0 Rugalmas állapotban Csavarás M I p G r

12 ANYAGVIZSGÁLATOK

13 Szakítóvizsgálat Leonardo Da Vinci (~1492) Acél huzalok vizsgálata Statisztikus mechanika Szabványosított MSz EN ISO 6892 Próbatest Erő- és nyúlásmérés Erőmérőcella Finomnyúlásmérő

14 Szakítóvizsgálat I. rugalmas alakváltozás Hooke σ = Eε II. egyenletes képlékeny alakváltozás F, N F m Holomon σ = Ke n K anyagjellemző (σ(0,01)) F eh F u n keményedési kitevő (n = ϕ m ) F el III. Kontrakció, befűződés F eh F el Egy pontba koncentrált alakváltozás I. II. III. L, mm

15 Jellegzetes szakítódiagramok

16 Szabványos mérőszámok F eh F el Feszültség Felső folyáshatár (MPa) R eh = F eh S 0 Alsó folyáshatár (MPa) R el = F el S 0 Egyezményes folyáshatár (MPa) R p0,2 = F p0,2 S 0 Szakítószilárdság (MPa) Alakváltozás Szakadási nyúlás (%) A = L L 0 L A 5 L 0 =5d 0 A 11,3 L 0 =10d 0 A 80 L 0 =80 mm Kontrakció (%) Z = S 0 S S R m = F m S 0

17 F Egyezményes folyáshatárok F l 1 l Terhelt állapotban mért (adott nem arányos nyúlásnál) R p0,2 = F p0,2 S 0 Névleges (adott teljes nyúlásnál) F l 2 l R t0,5 = F t0,5 S 0 Terheletlen állapotban mért (adott maradó nyúlásnál) l 3 l R r0,2 = F r0,2 S 0

18 Mechanikai mennyiségek Mérnöki rendszer Kezdeti méretekre vonatkoztat Feszültség (MPa) σ M = F S 0 Alakváltozás (-, vagy %) ε = L L 0 L 0 = S 0 S 1 Valódi rendszer Aktuális méretekre vonatkoztat Feszültség (MPa) σ V = F S Alakváltozás (-, vagy %) φ = ln L L 0 = ln S 0 S

19 Feszültség alakváltozás görbe M M F S S0 1 ln 1 - u - Feszültség e m W m-u - u W e W e-m alakváltozás

20 Fajlagos törési munka W C = φ u σdφ R m + σv u φ 2 u (Jcm 3 ) 0

21 Mérnöki feszültség Képlékeny / rideg viselkedés rideg képlékeny Mérnöki alakváltozás Ha a maradó alakváltozás közel nulla, akkor rideg, Ha a maradó alakváltozás jelentős, akkor képlékeny ÁLLAPOTTÉNYEZŐK

22 Mérnöki feszültség Szívósság Az anyag törésig tartó energiaelnyelő képessége. kerámia: kis szívósság (nagy szilárdság, rideg viselkedés) fém: nagy szívósság (közepes szilárdság, képlékeny viselkedés) polimer: kis szívósság (kis szilárdság, képlékeny viselkedés) Mérnöki alakváltozás

23 Különböző anyagok mechanikai tulajdonságai 20 o C-on Anyag E (Gpa) R p0,2 (Mpa) R m (Mpa) A 5 (%) Acél Alumínium-ötv Réz és ötv Titán és ötv Kerámiák Gyémánt Polimerek 1,4-3, Karbonszál Kevlárszál

24 Charpy-féle ütővizsgálat 1902, Budapest Szabványosított MSz EN ISO 148 ISO-V, ISO-D Ütőmunka, KV (J) TTKV

25

26 Ütőmunka hőmérséklet diagram Jellegzetes töretfelület Görbeillesztés TTKV meghatározási módok KV T = A + Btgh T T 0 C

27 Lineáris expanzió a törött próbatest méretváltozása az átmeneti hőmérséklet kijelölése adott expanziós értékhez, pl. exp = 0,9 mm -hez

28 Erő Nyomóvizsgálat h növekvő súrlódás F e súrlódás nélkül h 0 h elmozdulás d 0 h0 1,5 d 0 2

29 Ideális súrlódási viszonyok Alakváltozások h h0, ln h 0 h h 0 v zöm h nagyviszkozitású kenőanyag Nyomó folyáshatár: Feszültségek F 4F F 4F, S d S d R e F S e 0 M

30 Hordósodás jelensége R g d 0 d min h h 0 zz 1 ln d rr max zz R d g max R g 2 max d 4 r 2 d max d0 dmax z 2ln, r ln, d d max 0 z

31 Csavarónyomaték Csavaró vizsgálat A l d M max M B Z,z t dt 0 t r l d dt dt 1 3 r l R, r z 3 M e Csavaró folyáshatár R e 2 3M r e 3 max Θ e Elcsavarodás szöge

32 Hajlító vizsgálat F L/2 L/2 x 3 x 2 x 2 d max x 1 M x 3 M a b L/2 F L/2 x 1 L 1 M L 1 F M e F 3 pontos hajlítás 4 pontos hajlítás 2 2 FL L M e FL1 3L 4L E E 4 f 12I A Re rmax max I 48Ifmax FL M e FL1 const max Re b 2K 2I K f max 2 1

33 Keménységmérés A statikus keménység fogalma A vizsgált anyag ellenállása az adott geometriájú szúrószerszám behatolásával szemben A keménység kapcsolata más tulajdonságokkal A keménységi adatokból becsülhetők a szilárdsági és technológiai tulajdonságok A keménységmérés kivitelezése Alakváltozás létrehozásával, vagy fizikai hatások alkalmazásával (dinamikus keménységmérés)

34 Brinell-keménységmérés (MSZENISO6506) HBW 0.102F 0.102F 0.204F A D h D D D d 2 2 keményfémgolyó F terhelőerő A 2 lenyomat felület mm D golyóátmérő d lenyomat átmérő h lenyomat mélység N mm mm mm Átlagos keménység értéket ad (inhomogén anyag vizsgálatánál előnyös). Következtetni lehet az anyag szilárdságára. Öntöttvasak, színes- és könnyűfémek, lágyacélok mérésére alkalmazható.

35 Vickers-keménységmérés (MSZENISO6507) gyémántgúla HV 0.102F A F d 2 F terhelőerő A 2 lenyomat felület mm d lenyomat átló N mm Lokális keménység pontos meghatározása. Tetszőleges anyagminőség laboratóriumi vizsgálata. A kis terhelésű és mikro-vickers eljárás vékony lemezek, rétegek és szövetelemek vizsgálatára használható.

36 Knoop-keménységmérés (MSZENISO4545) gyémánt gúla 0,102F 1,14487F HK 2 A l F terhelőerő N A lenyomat felület mm 2 l a lenyomat hosszabbik átlója mm Pontos eljárás. Hasonló a Vickers-eljáráshoz. Fémek és nagyon rideg anyagok (üveg, műszaki kerámiák) vizsgálatára alkalmas.

37 Rockwell-keménységmérés (MSZENISO6508) F 0 F 0 +F 1 F a lenyomat mélysége az F 0 előterhelésnél 2 - a lenyomat mélysége az F 0 + F 1 terhelésnél 3 - a rugalmas visszarugózás az F 1 főterhelés levétele után 4 - a maradó lenyomat h mélysége 5 - a mintadarab felülete 6 - a mérés referenciasíkja

38 Rockwell-eljárások Jel Szúrószerszám Előterhelés Főterhelés Keménység HRA ,07 N 490,3 N 100-h/0,002 HRB 1,5875 mm 98,07 N 882,6 N 130-h/0,002 HRC ,07 N 1373 N 100-h/0,002 HRH 3,175 mm 98,07 N 490,3 N 130-h/0,002 HR15N ,42 N 117,7 N 100-h/0,001 HR45T 1,5875 mm 29,42 N 411,9 N 100-h/0,001 Gyors, egyszerű, de kevésbé pontos, minden anyagminőségre és geometriai formára. - gyémántkúp - acél- vagy keményfém golyó

39 Műszerezett keménységmérési eljárások Erő - benyomódás görbe felvétele Erő mn F=h p E=tan terhelés h 0 tehermentesítés F=a(h-h 0 ) m benyomódási mélység nm Vékony rétegek mérésére

40 Dinamikus keménységmérő eljárások Gyors, lökésszerű erőhatással végzett mérések Kivitelezés szúrószerszámmal lenyomatot mérve Poldi kalapács rugalmas visszapattanást mérve A vizsgált tárgy felületére adott energiával ráejtett kalapács vagy golyó visszapattanásának magassága arányos a tárgy keménységével Szkleroszkóp, duroszkóp

41 Mérés Poldi-kalapáccsal minta etalon HB HB HB HB d d m x m x m x 2 d x dm a minta keménysége az etalon keménysége a próbatest keménysége a lenyomat átmérője a mintán az etalonon a lenyomat átmérője a próbatesten próbatest

42 Szkleroszkóp 1. Ejtősúly (gyémántvéggel) 2. Üvegcső 3. Libella 4. Mérendő tárgy Roncsolásmentes, egyszerű és gyors módszer. A mérendő tárgy tömege befolyásolja a mérési eredményt: kis tömeg rezgések kisebb visszapattanás.

43 Duroszkóp 1. Mérőkalapács 2. Doboz 3. Mérendő tárgy 4. Mutató A tömeg és felület minősége befolyásolja.

44 Keménység konverzió HB 3000 MSz EN ISO HRB, HRC, HB500,HB HB 500 HRB HRC HV 10

45 Kúszás Tartósfolyás vagy kúszás: állandó terhelés hatására növekszik az anyag alakváltozása. Tartósfolyási határ: az a feszültség, amely végtelenül hosszú idő alatt sem okoz az előírtnál nagyobb alakváltozást (σ T0.2 ) Időtartam szilárdság: az a feszültség, amely t idő alatt előírt ε t alakváltozást hoz létre (pl σ 0.2/1000 ) A tartósfolyás tipikusan magas hőmérsékleten lejátszódó jelenség, T>0,4 T olv Mérnöki alkalmazás: Gázturbina üzemi hőmérséklete 1300 C, utasszállító repülőgép leszállás nélkül átrepüli az óceánt. Erőművi gőzvezeték csövek.

46 Alakváltozás Időtől függő (a) és független (b) alakváltozás a ε e σ = állandó b ε e ε p Idő

47 Alakváltozás A kúszás általános görbéje σ, T nő III dε/dt Q 2 A m exp kt c I II I II σ, T nő III Idő A, m - anyagjellemzők, Q c - aktivációs energia, k Boltzmann állandó, σ - terhelő feszültség Idő

48 A kúszási görbe három szakasza I. Elsődleges (primer) kúszás Az alakváltozási sebesség az idővel és az alakváltozással csökken. A diszlokáció sűrűség nő, a diszlokációs cellaméret csökken az idővel és az alakváltozással. II. Másodlagos (szekunder) kúszás (állandósult állapot) A keményedési és a megújulási folyamatok egyensúlyban vannak. III. Harmadlagos (tercier) kúszás Rekrisztallizáció, a második fázisú részecskék durvulása kezdődik a az üregek és repedések kialakulása indul be.

49 Kúszási mechanizmusok A kúszási folyamat megvalósulásában a feszültségtől és a hőmérséklettől függő különböző anyagszerkezeti folyamatok vesznek részt. Diszlokációs csúszás és mászás (megújulás) Keményedést okoz, diszlokációs hálózat jön létre, keményedés és megújulás együtt megy végbe Krisztallithatárok csúszása Ponthibák rendezett diffúziója által okozott alakváltozás Ponthibák krisztallithatáron végbemenő rendezett áramlása a szemcsehatárok mentén fejti ki a hatását. A szemcsén belül alakváltozást, a határokon üregeket eredményez. A szemcse határmenti elcsúszás csökkenti az üregeket

50 Csúszás Mászás Forrás Akadály X X X Y Y Y Y Z Z Z

51 Kúszásnak ellenálló anyagok tervezése A kúszási ellenállás növelhető: Diffúziós tényező csökkentésével nagy olvadáspontú anyagok alkalmazása Csúsztató rugalmassági modulusz növelésével Szemcseméret növelésével egykristály alkalmazása Rekrisztallizációs hőmérséklet növelésével Diszlokációs mozgást gátló második fázisú kiválások alkalmazásával

52 Kúszási vizsgálatok ε σ 3 σ 2 σ 3 i i i Kemence 5 i σ 1 σ 2 σ 1 σ T Próbatest t óra 10 3 % i / h ε % 1 σ 1 σ 2 Több mérés után meghatározható az a feszültség, amely előírt idő alatt (10 5 h) okoz 1%-os alakváltozást (σ 1/10000 ) 4 5 log t

53 Ismétlődő igénybevételek A kifáradás jelenségét August Wöhler ismerte fel az 1800-as évek végén. Biztonságra méretezett vasúti tengelyek hosszabb üzemidő után az ismétlődő igénybevételek hatására eltörtek, annak ellenére hogy a terhelő feszültség jóval a folyáshatár alatt volt. Ez a jelenség hívta fel a figyelmet a kifáradásra. σ t Valós feszültségváltozás Szinuszos feszültségváltozás

54 A ciklikus terhelés jellemzői σ Lüktető (pozitív) t Lengő (nullkezdésű) Lüktető (negatív) max min m a t R max max min max m m m a 2 2 a a min min f t

55 Kis és nagyciklusú fáradás A ciklikus terhelés szintje kisebb mint a folyáshatár : nagyciklusú fáradás (N~ ) A ciklikus terhelés szintje nagyobb mint a folyáshatár : kisciklusú fáradás (N~ )

56 Forgó-hajlító fárasztógép y σ M I M b F 4 d M d y, I, max, max 64 I 2 t sin(2n )

57 Wöhler-görbe a a σ m = állandó σ m = állandó σ 1 σ 2 σ N σ 3 σ k N 1 N 2 N 3 lg N N lg N Kifáradási határ: az a feszültségamplitúdó (adott középfeszültségnél), amely végtelen sok igénybevétel esetén sem okoz törést. Tartamszilárdság: az a feszültségamplitúdó (adott középfeszültségnél), amely megadott igénybevételi számig nem okoz törést.

58 Kifáradási határ és tartamszilárdság 500 különböző anyagoknál a MPa acél alumínium igénybevételek száma

59 A kifáradás mechanizmusa +σ a σ r ε Minden fáradási ciklus egy bizonyos mértékű képlékeny alakváltozási munkát fogyaszt. Minden ciklusban a próbatest keményedése (lágyulása) történik. Δε - σ a 1. Repedések keletkezése; 2. Nem terjedő repedések szakasza; 3. Repedés terjedés szakasza

60 Repedés keletkezés Lassú terjedés (kagylós felület) Ridegtörés

61 A kifáradási határt befolyásoló tényezők A feszültségi állapot jellege, feszültséggyűjtő helyek A feszültség időbeli lefolyása Az igénybevétel frekvenciája A próbatest mérete Az a közeg, amelyben a fáradás lefolyik

62 Bemetszések, feszültséggyűjtő helyek hatása n k F, A k k max k n σ n σ max 7 k 6 5 k k 62

63 Statikus és váltakozó feszültség együttes hatása a a0 Haigh-diagram a a a0 max a m a m 1 m min állandó m 1 Smith-diagram m lg N a0 Biztonsági diagram

64 Egyszerűsített Smith-diagram a a0 R p0,2 m 0 a0 a1 m1 a1 m a a1 m m1 lg N állandó a0 lg N

65 Az igénybevételi frekvencia hatása amplitudó MPa /s 32/s 100/s 300/s 1000/s lg N

66 A fáradás statisztikus jellege amplitudó MPa ln N x f x 1 т n i1 s x i, s n i1 1 exp x i n 1 x x x s Gauss-féle valószínűség sűrűség-függvény 1 2 2

67 TECHNOLÓGIAI PRÓBÁK

68 Alakítási szilárdság A képlékeny alakváltozás megindításához majd fenntartásához szükséges feszültség egytengelyű feszültségi állapotban. Függ az alakítás mértékétől, a hőmérséklettől és az alakváltozás sebességétől (állapottényezők) Folyási feltétel (Mohr) βk f = σ 1 σ 3, β = 1 1,15

69 Alakítási szilárdság mérése v F z k f Acél T=20 ºC Al ötvözet h 0 d 0 k f d h r 4F h, ln 0, d 2 h h Ólom ötvözet v alakváltozás

70 Watts-Ford mérés Geometriai feltételek: b (a) w 6 F w 2 < s < 4 (b) 3 Szerszám méretek: w = 6,62 5,00 3,02 1,81 1,21 mm s o 2 1 b = min. 40 mm F

71 Watts-Ford mérés A Watts-Ford módszer a többi eljáráshoz képest jelentősen nagyobb alakváltozásokig használható, ha azt a geometriai feltételek betartásával (szerszámcserékkel), kis lépésekben, a kenést minden lépésnél felújítva, szakaszosan végzik. Az alakítási szilárdság és az egyenértékű alakváltozás a síkbeli alakváltozás ismert egyenleteivel számítható : F w b k f és Mérendő adatok: F és s, ha b értékét állandónak tekintjük. 2 3 ln s s

72 Alakíthatóság, mint anyagjellemző Törés (képlékeny instabilitás) nélkül elviselt alakváltozás Az alakváltozási azon mértéke, amelynél az anyagban makroszkópikus károsodás (instabilitás) lép fel A rideg-képlékeny állapot állapottényezők hatása (Kármán Tódor, Kolmogorov )

73 Alakíthatóság t aexp bk ϕ t törési alakváltozás T állandó állandó A törési határgörbe B zömítés csavarás szakítás k k f k, feszültségállapot mutató

74 Alakítási határgörbe (FLD vagy Keller-Goodwin) Lemezalakító technológiák esetében az alakíthatóságot az alakíthatósági határgörbe tartalmazza. ε 1 a görbe felett törés várható a görbe alatt biztonságos ε 2

75 Alakítási határgörbe Az alakítási határgörbe felvétele Nakazima próbával 1 Acéllemez alakíthatósági diagramja 2

76 Erichsen-féle húzóvizsgálat Tapasztalati próba Hasonló a csészehúzás is Repedésig alakítják Fülesedés Anizotrópia Ráncosodás

77 Lemezanyag alakíthatóságának ØD vizsgálata s l A hajlítást a lemez repedéséig végezzük, és mérjük a töréshez tartozó hajlítási szöget

78 Nyomáspróba Célja: a gáz, vagy folyadéktömörség biztosítása, szivárgásvizsgálat Ledugózott csövön történik p próba =1,5p üzemi Szivárgás ellenőrzése Nagy nyomás / szerkezet esetén folyadékkal Kis nyomás / szerkezet estén gázzal Kritikus feszültség a tangenciális σ = pd 2s (MPa)

79 Gyűrűszakító vizsgálat (MSZENISO8496) A gyűrű jellemző méretei Külső átmérő, D>150 mm Belső átmérő, d>100 mm Falvastagság, a Szélesség, b=15 mm Ha t>15 mm, akkor b=t Tüskeátmérő, d t >3t Vizsgálati sebesség v<5 mm/s Egyéb követelmények Merőleges vágás Sorjázott élek 10 C<T<30 C T opt =23±5 C Hegesztési varrat? Értékelés előírásoknak megfelelően

80 Gyűrűtágító vizsgálat (MSZENISO8495) A gyűrűk jellemző méretei 18 mm < D < 150 mm 2 mm < a < 16 mm 10 mm < L < 16 mm Kúposság, 1:5 Vizsgálati sebesség v<30 mm/s T = D u D 0 D (%) Egyéb követelmények Merőleges vágás Sorjázott élek 10 C<T<30 C T opt =23±5 C Kenés Hegesztési varrat? Értékelés előírásoknak megfelelően Törés / alakváltozás

81 Tágító vizsgálat (MSZENISO8493) A cső jellemző méretei D < 150 mm a < 10 mm L = L β β < 30 L = 2D β > 30 L = 1,5D Kúpszög, 30, 60, 90 Vizsgálati sebesség v<50 mm/min T = D u D 0 D (%) Egyéb követelmények Merőleges vágás Sorjázott élek 10 C<T<30 C T opt =23±5 C Kenés Hegesztési varrat? Értékelés előírásoknak megfelelően Törés / alakváltozás

82 Peremező vizsgálat (MSZENISO8494) A cső jellemző méretei D < 150 mm a < 10 mm L = 1,5D Kúpszög, 90 C Vizsgálati sebesség v<50 mm/min Hegesztési varrat? Értékelés előírásoknak megfelelően Egyéb követelmények Merőleges vágás Sorjázott élek T opt =23±5 C, kenés

83 Lapítóvizsgálat (MSZENISO8492) A cső jellemző méretei D < 600 mm a < 0,15D 10 mm < L < 100 mm Vizsgálati sebesség v<25 mm/min Hegesztési varrat? Értékelés előírásoknak megfelelően Egyéb követelmények Merőleges vágás Sorjázott élek T opt =23±5 C, kenés

84 Dr. Orbulov Imre Norbert KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!