Anyagvizsgálat I. 1. oldal

Átírás

1 1. oldal 1. Szakítóvizsgálat F + diagramíró 3 E erımérı próbatest (S 0, L 0 =>S u, L u ) 4 1 szakító diagramm tengelyirányú terhelı erı (húzó igénybevétel) L Erı (F) - Megnyúlás ( L) diagramm Nominális fesz (R) - nominális nyúlás (ε n ) diagramm F L [ N / mm ] ε n = S0 L0, ill. ε n Jellemzı szakaszai: L L R = [ ] = 100 [%] 1. Rugalmas szakasz R=E ε n. Folyás szakasz (Lüders nyúlás) 3. Egyenletes maradó nyúlás 4. Kontrakciós szakasz 1.1. Szakító próbatestek Hengeres és hasáb alakú szakító próbatest: a S 0 0 L 0 L c L t d a S 0 b S u L u

2 . oldal L 0 eredeti jeltáv = 5 d = 5,65 S 0 nem hengeresnél: = 10d = 11,3 S 0 L c vizsgálati hossz = L 0 + d/ + L 0 d = L 0 + 1,5 S 0 + L 0 +,5 S 0 L t teljes hossz L n szakadás utáni hossz S 0 eredeti keresztmetszet Szakítópróbatest vékony lemezbıl a b L 0, L c, L t megegyezik az elızı fogalmakkal 0, mm a < 3 mm b = 0 mm L 0 = 80 mm L c = L 0 + b/ L 0 + b 1.. Lágyacél szakítódiagram F pl.: L r L L m L r pl.: rugalmas nyúlás maradó nyúlás öntöttvas nemesített acél F m F u C m u (szakadás) F eh F el p 1 3 L lágyacél szakítódiagramja

3 3. oldal Folyási nyúlás (maradó) (Ac) ( ) levı új szabvány szerint Rugalmas nyúlás (C pontnál) Maradó nyúlás (C pontnál) max egyenletes nyúlás (m-ig egyenletes) (Ag, (Ac)) max kontrakciós nyúlás (m-nél kezdıdik) Összes maradó nyúlás (A) Összes (rugalmas + maradó) nyúlás szakadáskor (At) Alapvetı számítások: Fm max erı Szakítószilárdság: R = [ N / mm ] m = S 0 eredet i keresztmetszet FeH Felsı folyáshatár: R [ N / mm ] eh = FeL Alsó folyáshatár: R [ N / mm ] el = u 0 Szakadási nyúlás: A = 100 [%] A (A5) A 11,3 (A10) L S S 0 0 L L rövid arányos próba hosszú arányos próba S0 S Z S 0 szakadás utáni hossz ere eredet i jeltáv det i jeltáv [ mm] [ ] mm u eredet i szakítás utáni keresztm Szakadási kontrakció: [ ] [ mm ] [ ] = 100 % 0 eredet i keresztmetszet mm F F p0, L 0 = 50 mm 0, % = 0,1 mm terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár 0,1 mm L Fp0, R p0, => az a fesz amely 0, %-s maradó alakváltozást hoz létre R [ N ] 1.3. Alakváltozások értelmezése Rugalmas p 0, = / mm S0 R [N/mm ] terhelés elıtt terhelve terhelés vége ε n A rugalmas alakváltozás reverzibilis (visszanyeri eredeti alakját a terhelés megszüntetésekor)

4 4. oldal Rugalmas és maradó csúszási síkok 1.4. Szilárdsági jellemzık: nagyobb mértékben terhelés vége maradó alakváltozás terhelve rugalmassági modulus E [N/mm ] folyáshatár R p0,, R eh, R el [N/mm ] szakítószilárdság R m [N/mm ] keménység Brinnel HB [-] Vickers HV [-] Rockwell HRA, HRB, HRC [-] Rugalmassági: E az a fesz amely 100 % rugalmas megnyúlást eredményez E => tgα Hooke törvény: R = E ε n => E = R / ε n => ha ε n = L/L 0 = 1 => R = E Rugalmas anizotrópia szám: E max /E min ha kicsi => izotróp ha nagy => anizotróp polikristályos fémes anyagok izotrópok (sok kristály statisztikailag rendezetlen) mivel a krisztallitok orientációja rendezetlen nem szerkezet érzékeny tulajdonság (nem növelhetı R eh és R m növelı mechanizmusával) ÁLLANDÓ!!!!!!!!!!!!!! Csavaró (csúsztató): G Mely 1 cm sugarú hengeres rúd palástjának 1 cm hosszú részén 1 radián nagyságú rugalmas elcsavarodást okoz Poisson féle szám: µ (~0,3) egyszerő húzó vagy nyomó fesz hatására bekövetkezı a fesz irányára merıleges és irányával párhuzamos rugalmas alakváltozás hányadosa E = G (1 + µ) => µ = E - G/ G pl: Al µ = /5000 = 0,33 Minél nagyobb a polikristályos fémek olvadáspontja, annál nagyobb E és G értéke A fémes anyagok E és G modulusa anizotróp (vektormennyiség), a kristálytani iránytól is függ FKK: felület középpontú TKK: térközéppontú FKK és TKK rácsú kristályoknál: < 111 > irányokban E max G min < 100 > irányokban E min G max

5 5. oldal Rugalmassági határ (fontos szilárdsági jellemzı) Az a fesz ameddig az alakváltozás rugalmas és felette már maradandó alakváltozás lesz. Az elméleti rugalmassági határ pótolható: Fp0,00 "kétezredes " határral: R p 0,00 = [ N / mm ] S0 az a fesz mely kétezred % maradó alakváltozást okoz (szerkesztése hasonló az R p0, -vel) Fp0,0 "kétszázados" határral: R p 0,0 = [ N / mm ] S0 az a fesz mely kétszázad % maradó alakváltozást okoz (szerkesztése hasonló az R p0, -vel) Rugalmas alakváltozási munka Az az energia melyet az anyag elnyel rugalmas alakváltozáskor és a terhelés megszüntetésekor, felszabadul. Egységnyi térfogatra vonatkoztatott alakváltozási energia mely ahhoz szükséges, hogy a szakító próbatestet leterhelt állapotból a kétezredes értékig terheljük Hooke: R = E ε n vagyis R = E ε ny => ε ny = R y /E Helyettesítve: U r 1 = Ryε ny = 1 R y R y E = R y E nagy R p0,00, kis E => nagy U r R [N/mm ] R y jele: U r [J/cm 3 = N/mm ] U r = Rdε n 1 ~ R ε y ny 0,00 % ε ny ε n Folyáshatár: (fontos szilárdsági jellemzı) Folyás szakasza megjelenik a szakítódiagramban FeH Felsı folyáshatár: ReH = [ N / mm ] (a fesz érték amikor a terhelıerı csökkenni kezd) S FeL Alsó folyáshatár: R [ N / mm ] 0 0 el = (képlékeny folyás során mért legkisebb fesz) S Szakítószilárdság: (fontos szilárdsági jellemzı) R 0 [ N / mm ] Fm max erı = (F m max erı) S eredet i keresztmetszet m = Metszı és érintı modulus Nem lineárisan rugalmas anyagokban nem található meg a kezdeti egyenes szakasz, ezért nem lehetséges a Young modulus meghatározása (pl: polimerek)

6 6. oldal Metszı modulus F [N] R ε n = F S 0 0,00 [ N / mm ] 0, % megnyúlás L [mm] Érintı modulus [N/mm ] R [N/mm] érintımeredekség szorozva L 0 /S 0 [N/mm ] R 1 R/ ε n = érintı modulus (R -nél) R/ ε n = metszı modulus (0 és R 1 közt) 0 ε n 1.5. Szívóssági jellemzık szakadási nyúlás A [%] kontrakció Z [%] ütımunka KV, KU [J] fajlagos ütımunka KCV, KCU [J/cm ] Szakadási nyúlás: Lu L0 szakadás utáni hossz ere A = 100 [%] L0 eredet i jeltáv A (A5) rövid arányos próba (=5d=5,65 S 0 ) A 11,3 (A10) hosszú arányos próba (=10d=11,3 S 0 ) ha nem hengeres hanem hasáb alakú a próbatest: Szakadási kontrakció: S0 Su eredet i szakítás utáni keresztm Z 100 % S0 eredet i keresztmetszet mm det i jeltáv [ mm] [ ] mm d π = a b d = 4 [ ] [ mm ] [ ] = a b π

7 7. oldal 1.6. A szakító diagram alakját befolyásoló tényezık: a vizsgált anyag típusa (fém, kerámia, fa.) egy adott anyagnál a kémiai összetétel és szerkezet fesz állapot vizsgálat közben (bemetszések) vizsgálati hımérséklet alakváltozási sebesség Karbon tartalom: növekedésével a szilárdsági tulajdonságok a szívósságiak Bemetszések: élességének növekedésével a szilárdsági tulajdonságok a szívósságiak rugalmassági modulus folyáshatár szakítószilárdság keménység szakadási nyúlás szakadási kontrakció ütımunka

8 8. oldal Neutron besugárzás: a szilárdsági tulajdonságok a szívósságiak R [N/mm ] Hımérséklet: növelésével a nem kifejezett folyáshatárral rendelkezı fémek ötvözetek képlékenysége (szívósság) sziárdsága R [N/mm ] után kis hımérséklet elıtt nagy hımérséklet alakváltozás [%] hımérséklet hatása (köv. old. ábra) C a szilárdság (R m ) a nyúlás alsó és felsı folyáshatár közti különbség egyre kisebb 300 C felett a folyáshatár eltőnik a szakítószilárdság egyre alacsonyabb a nyúlás pedig egyre nagyobb lesz

9 9. oldal Alakváltozási sebesség: növelésével a szilárdság a szívóság [N/mm ] R m R m R m R eh 1.7. Rideg anyagok vizsgálata L λ = [ s L t λ [ s Hibák: az anyagok felületén levı repedések => elısegítik a törés bekövetkeztét a befogás során keletkezı hibák érvénytelenné teszik a vizsgálatot Problémák mérséklése: Probléma mérséklés: szakítás helyett hajlítás 1 0 ] 1 ] F = repedéshez tartozó erı; L = alátámasztó hengerek közötti távolság; W = próbatest szélessége h = próbatest vastagsága

10 10. oldal A húzófesz az anyagban a nyomótüskével szemben levı oldalon ébred és itt jön létre a repedés R [N/mm ] Al O 3 az Al-oxid és üveg tipikus szakítódiagramja üveg ε n Hajlítószilárdság vagy repedés modulus 3FL hajlítószi lárdság = [N/mm ] Wh FL nem hasáb hanem hengeres esetben: = [N/mm ] (R a test sugara) 3 R π A rideg anyagokból készítendı szerkezeti elemeket, alkatrészeket úgy tervezik, hogy az ébredı fesz döntıen nyomófesz legyen, mivel a repedések és más hibák a nyomás hatására összezáródnak. A rideg anyagok sokkal nagyobb nyomó, mint húzó feszt viselnek el. Képlékenyen alakítható anyagoknál nincs lényeges különbség a húzó és nyomó szilárdság közt Feladat: Üvegszálakkal erısített kompozit anyag szakítószilárdsága 310 [N/mm ] a próbatest szélessége (W): 1,5 mm, vastagsága (h): 9,5 mm, hossza: 00 mm, alátámasztás távolsága (L): 15 mm. Mekkora F kell a megrepesztéshez? 3FL Wh 310 hajlítószi lárdság = 310 = => F = = 1865 N Wh 3L 1.8. Méretezés alapegyenlete, biztonsági tényezı minden mérnöki anyag mechanikai tulajdonsága változik bizonyos határok közt az alkatrész használata közben alkalmazott terhelés változik bizonyos határok közt A biztonság megteremtése érdekében: biztonságos vagy dolgozó fesz R W redukált fesz R red (összetett igénybevétel) BIZONYTALAN- SÁG Méretezés alapegyenlete: K rugalmassági modulus, folyá sh atár, kifáradásihatár R red = N biztonsági tényezı R p0, Alakítható anyagoknál és statikus igénybevételnél: Rred = N Rideg anyagoknál (pl.: kerámia) a szilárdsági értékek szórása nagy, ezért a biztonságos méretezés miatt gondos statikai elemzés kell. 1, < N < 4,0 => jó átlag N= ha N túl nagy => többlet anyagfelhasználás => többlet költség ha N túl kicsi => veszélyeztetett biztonság

11 11. oldal N megvalósítása: gazdaságossági megfontolások korábbi tapasztalati tények mechanikai tulajdonságok meghatározásának megbízhatósága az igénybevétellel és a környezeti hatásokkal kapcsolatos infók megbízhatósága az esetleges károsodás következményei. Ütı vizsgálatok

12 1. oldal Egy anyag ütéssel szembeni ellenállásának mértékét az anyag szívósságának mértéke. Mechanikai tulajdonságok vizsgálati módszereinek csoportosítása az alakváltozási sebesség alapján: vizsgálati módszer jellemzı folyamat alakváltozási sebesség 1 % maradó L / L0 1 alakvátozáshoz szükséges idı ε n = [ s ] t tartósság kúszás statikus (szakítás) csúszás dinamikus (ütı) törés robbantásos lökéshullám Charpy féle hajlító ütıvizsgálat: A felhasznált energia az ütımunka, a lengı inga ütés elıtti és utáni energiájának különbsége. KV=80 J mm mély V bemetszés 300 J ütımunka KU=80 J 5 mm mély U bemetszés KU= 100 / 3 =40 J Ütıenergia bemetszés mélysége [mm] pl.: KV 1 =14 J KV = 10 J S 01 =10,15 8,35 cm S 0 = 10,5 8 cm Fajlagos ütımunka: KCV = KV / S 0 [J/cm ] az ütımunka és a próbatest keresztmetszetének hányadosa KCV 1 = KV 1 / S 0 = 14 / 0,85 = 167 J/cm KCV = KV / S 0 = 10 / 0,8 = 14 J/cm

13 13. oldal.. Hımérséklet hatása az ütımunkára, átmeneti hımérséklet A hımérséklet csökkenésével az anyag szívós állapotból ridegbe megy át. TKK rácsú fémes anyag ütımunka-hımérséklet: ütımunka [J] szívós KV [J] 7,5 I P átmeneti hımérséklet az inflexiós pontnál vagy az a hımérséklet, ahol az anyag állapota ridegbıl 39, szívósba - vagy fordítva - megy át rideg T [ C] T T 1 KV T : ütımunka szükségesnek ítélt legkisebb mértéke, folyáshatártól függ ha a vizsgált anyag folyáshatára: (KV: a V bemetszésre vonatkozik) < 300 [N/mm ] => KV T = 7,5 J ha, > 300 [N/mm ] => KV T = 39, J

14 14. oldal különbözı fémes anyag egyesítésével növelhetı az ütımunka és csökkenthetı az átmeneti hımérséklet => Rézréteges acélkompozit.3. Néhány tényezı hatása az átmeneti hımérsékletre (TT), az acélok törékenységére az átmeneti hımérséklet és az acélok törékenysége függ: kémiai összetételtıl képlékeny alakítástól hıkezeléstıl besugárzástól (nagy energiájú n) egy adott anyagnál az átmeneti hımérséklet függ: próbatest alakjától, méretétıl próbatest orientációjától ütés végsebességétıl

15 15. oldal.3.1. Kémiai összetétel hatása Karbon tartalom hatása a C tartalom jelentısen növeli az átmeneti hımérsékletet (C 0,1 %-kal => TTKV 0-30 C-l nı) C tartalom csökkenésével az ütımunka max értéke nı Hegesztett szerkezetekhez használt lágyacélok: C < 0,5 % => nagyon érzékenyek az üzemeltetési hımérséklet változásra A Mn (0,1 % növelésre 8-10 C csökken) és a Ni (kb %-ig kedvezıen hat a szívósságra) jelentısen csökkenti az átmeneti hımérséklet értékét.3.. Képlékeny alakváltozás hatása az átmeneti hımérsékletre Az acélszerkezetek szerelésekor kismértékő hideg alakítás lép fel, melyek hatására az anyagban levı diszlokációk száma megnı (az anyag ridegedik) emiatt az átmeneti hımérséklet megnı. Az alkalmazandó anyagmennyiséget úgy kell megválasztani, hogy az átmeneti hımérséklet pontosan annyival legyen nagyobb mint amennyivel csökken a hideg alakítás hatására Hıkezelés hatása az átmeneti hımérsékletre Ferrit szemcsenagyságának megváltozása (szemcse méret az átmeneti hımérséklet ) => finomszemcséjő acélok kedvezıek a felhasználás szempontjából Alakítási öregedés (a hideg alakítás önmagában növeli az átmeneti hımérsékletet) A nitrogén leblokkolja a diszlokáció hatását ennek hatására az anyag ridegedik és az átmeneti hımérséklet csökken Kéktörékenység (ha az ütımunka, akkor az átmeneti hımérséklet) próbatest: egyiket felhevítjük a kék futtatási szín hımérsékletére (00-50 C), majd elütjük, ha ez az érték kisebb mint szobahımérsékleten a próbatest ütımunkája, akkor az acél hajlamos a kéktörékenységre Megeresztési ridegség (nagy Cr és Ni tartalmú acéloknál, akkor mikor megeresztés után a hőtés lassú szobahımérsékletre) kiküszöbölhetı a gyors hőtéssel Az ütımunka értéke rideg acélnál, az átmeneti hımérséklet

16 16. oldal.3.4. Neutron besugárzás hatása az átmeneti hımérsékletre Besugárzás hatására az ütımunka értéke, az átmeneti hımérséklet.3.5. A próbatest alakjának és méreteinek befolyása az átmeneti hımérsékletre Bemetszés: A próbatest bemetszésének alakja nagymértékben hat az ütımunkára és az átmeneti hımérsékletre ( a V bemetszéső próbatest ütımunkája < mint az U bemetszésőé, de átmeneti hımérséklete nı, a V bemetszés fesz győjtı hely) Bemetszés-érzékenység: Lemez és gömbgrafitos anyagot vizsgálunk, mindkettıbıl 1-1 bemetszett illetve anélküli próbatestet. Ütıvizsgálat után azt tapasztaljuk, hogy a lemezgrafitos öntöttvas ütımunkája közel azonos mindkét esetben, míg a gömbgrafitos öntöttvasnál a bemetszett próbatest ütımunkája jelentısen lecsökkent. Magyarázat: a lemezgrafitos öntöttvasban számtalan grafitlemez található, ami 1-1 belsı bemetszésnek tekinthetı, míg a külsı bemetszésnek nincs jelentıs hatása, gömbgrafitos ütımunkánál nincs belsı bemetszés, így a külsı bemetszés hatása jelentıs A próbatest valamint a bemetszés iránya és az átmeneti hımérséklet közti összefüggés A hosszirányban hengerelt próbatestekkel meghatározott ütımunka értékek nagyobbak, mint a keresztirányúaknál. A próbatest iránya jelentısen hat az ütımunka-hımérséklet görbére. Különbözı anyagok ütımunkájának összehasonlításakor a próbatestek irányának és a bemetszések irányának azonosnak kell lenni!!.3.7. Az ütési végsebesség befolyása az átmeneti hımérsékletre Az ütési végsebesség az átmeneti hımérséklet (az anyag ridegedik) 3. Keménységvizsgálat Keménység: a szilárd anyagoknak az alakváltozással szemben tanúsított ellenállása (vagyis keményebb idegen test benyomódásával szemben tanúsított ellenállás) Statikus Dinamikus Egyéb Szúrókeménység -Brinnel (1900) HB -Viskers HV -Rockwell HR -Poldi kalapács -Durométer -Shoork féle keménység Roncsolás mentes módszerek -Mágneses -UH -Karc -Penetrációs -Akusztikus A keménységi mérıszám felvilágosítást ad a szilárdságról, de nem tisztán fesz jellegő mérıszám Származtatás: H = hard (kemény) H = F / A [kp/mm =>nincs mértékegység] Az alkalmazható terhelı erı szerint csoportosítva: Makró kp Mikró pond keménységvizsgálatok

17 17. oldal 3.1. Brinnel Szúrószerszám edzett acélgolyó, melyet az átmérıtıl függıen, ismert erıvel, a minta felületére a felületbe nyomunk. A számolási képletet ritkán használják, táblázatból határozzák meg a d, D, és F alapján, de a modern gépek már kiírják az eredményt. Szabvány határozza meg az anyaghoz tartozó terhelı erıt. Egy mérés nem mérés legalább 3 db kell!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Szabványos golyóátmérık: D = 10; 5;,5; ; 1 mm lehet Vizsgálat paramétereinek megadása: 185 HB 5 / 750/ 0 keménységi keménységi golyó terhelı terhelés mérıszám vizsgálat átmérı erı [kp] ideje [s] A vizsgálat idıtartama: Acél: 15 s AlCu: 30 s Pb: 180 s Minél puhább az anyag annál tovább vizsgáljuk.

18 18. oldal 3.. Vickers Szúrószerszám négyzetalapú gyémántgúla melyet, ismert erıvel, a minta felületére a felületbe nyomunk. Kemény anyagok vizsgálatához, mivel a gyémánt nagyon kemény. Körültekintı elıkészítést igényel. Vizsgálat paramétereinek megadása: 640 HV 30 / 0 keménységi keménységi terhelı terhelés mérıszám vizsgálat erı [kp] ideje [s] A vizsgálat idıtartama: Acél, ötvözet, színesfém: s könnyő fém: 300 s Igen könnyő fém: 1800 s 3.3. Terhelı erı hatása a keménységre Mikró keménység méréssel mért adaton mindig nagyobb értékőek mint a makróval mértek. Keménység eredmények összehasonlításához szükséges, hogy a terhelıerık azonosak legyenek.

19 19. oldal 3.4. Rockwell Szúrószerszám 10 csúcsszögő gyémántkúp (HRA, HRC: kemény vizsg.) vagy edzett acélgolyó (HRB: lágy vizsgálatokhoz), Itt a benyomódás mélységét mérik 10 Vizsgálat paramétereinek megadása: Keménység HRC HRA HRB Szúrószerszám 10 gyémántkúp Edzett acélgolyó d=0,065 =1,59 mm 850 HV 10 Elıterhelés (F 0 kp(n)) 10(98) 10(98) 10(98) Fıterhelés (F 1 kp(n)) 140(1373) 50(490) 90(883) Teljes (F 0 +F 1 kp(n)) 150(1471) 60(588) 100(981) HR keménység 100-(e/0,00) 130-(e/0,00)

20 0. oldal 3.5. Equotip Dinamikus, rugalmas visszapattanás elvén mőködı keménységmérés. Sorozatgyártás megbízható, gyors, dokumentálható mérése. Mérés elve: A mérıfejet ráállítani a mérendı tárgy felületére, megnyomva az indítógombot, az ütıtest becsapódik a felületre, majd visszapattan. Méri a tárgy felülete felett 1 mm-re a becsapódási (A) és B visszapattanási (B) sebességet. HL = 1000 A A készülék megjeleníti a HL mért egyedi értékeit, illetve az alkatrészen mért értékekbıl számított átlagot és szórást. A HL értékeket az elıválasztás szerint átszámítja a készülék a statikus keménységi értékekre: HB, HV, HRC, HRB