Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk

Átírás

1 Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 215/16 Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk Dr. Krállics György

2 Az előadás fő pontjai Bevezetés Rugalmas és képlékeny alakváltozás Egyszerű igénybevételek Szakítóvizsgálat és mérőszámai Zömítő-, hajlító- és csavaróvizsgálat 2

3 Az előadás során megismerjük: az alapvető anyagi tulajdonságok csoportosítását; a rugalmas és a képlékeny alakváltozás jellemzőit; a valódi és a mérnöki rendszer feszültség és alakváltozás fogalmát; a rugalmas test anyagjellemzőit; a szakítóvizsgálattal meghatározható alakváltozási, feszültségi és szívóssági mérőszámokat; 3

4 Szerkezet, folyamat és tulajdonságok Az anyag tulajdonsága függ a szerkezetétől; Pl: az acél keménységének és szerkezetének kapcsolata HB 6 5 (a) (b) (c) (d) 4 4 mm mm 3 mm 3 mm Lehűlési sebesség (ºC/s) olyamat is megváltoztathatja a szerkezetet; Pl.: Szerkezetváltozás a lehűlési sebesség hatására 4

5 Anyagtulajdonság csoportok Mechanikai (terhelés és alakváltozás hatása) Elektromos (elektromos tér hatása) Hő fizikai (hőmérséklet-mező hatása) Mágneses (mágneses tér hatása) Optikai (elektromágneses tér hatása) Károsodási (kémiai reaktivitás hatása) 5

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

7 Képlékeny alakváltozás Kezdeti állapot Terhelve kötések megnyúlása, síkok elcsúszása Tehermentesítve a síkok elcsúszva maradnak L rugalmas+képlékeny L képlékeny Képlékeny = maradó Képlékeny alakváltozásnál a térfogat állandó. Lineárisan rugalmas L képléken y ΔL ΔL rugalmas 7

8 Húzó és nyomó igénybevétel Alakváltozás l l l eszültség A A A A Δl/2 Δl/2 l l l l A A Rugalmas állapotban = E Húzás Δl/2 Nyomás Δl/2 (Hooke-törvény) 8

9 Nyíró igénybevétel A r M A Egyszerű nyírás A Csavarás M I p Rugalmas állapotban 4 D G I p 64 r 9

10 Szakítóvizsgálat Szakítódiagram, N m eh u el I. II. III. L=L-L L, mm I. Rugalmas alakváltozás II. Egyenletes rugalmas-képlékeny alakváltozás III. Kontrakció 1

11 Szabványos mérőszámok eszültségi mérőszámok olyáshatár [MPa] R R R e eh p,2 S e S eh, p,2 S R el S Szakítószilárdság [MPa] R m m S el Alakváltozási mérőszámok Kontrakció Z S S S u 1 % Szakadási nyúlás A L u L L 1 % 11

12 Mechanikai mennyiségek Mérnöki rendszer l l l S S 1 Alakváltozás Valódi rendszer ln ln l l S S m S eszültség S W c u md ajlagos törési munka [J/cm 3 ] W c u d 12

13 13 eszültségi és alakváltozási állapot a kontrakciónál z r z zz rr g zz d d d d R r r r min min min 2 2 min ln 2ln 2 1 ln 1 alakváltozás egyenértékű feszültség, ű egyenérték

14 eszültség eszültség alakváltozás görbék S S 1 m m ln 1 m u e M u Alakváltozás 14

15 Szakítóvizsgálat két nyúlásmérővel 15

16 Mérnöki feszültség MPa Egyezményes folyáshatár meghatározása 4 R p,2 R p,1 R t,2 2 R t,1 E=19 MPa Mérnöki alakváltozás 16

17 Lemezszakítás 17

18 Lineáris rugalmas tulajdonságok Rugalmassági modulusz: E (Young-modulusz) Hooke- törvény: = E Poisson-tényező, n: r n fémek: n ~,33 kerámiák : n ~,25 polimerek : n ~,4 r 1 E Lineárisan rugalmas -n 1 Egytengelyű igénybevétel Egységek: E: [GPa] vagy [MPa] n: dimenzió nélküli r - radiális alakváltozás E kerámia > E fém >> E polimer 18

19 Csúsztató rugalmassági modulusz, G Hooke- törvény: = G Térfogati rugalmassági modulusz, K p = - K V V o K E 3(1 2n ) G E 2(1 n) p 1 -K G 1 V V o csavaróvizsgálat Hidrosztatikus nyomás alkalmazása kezdeti térfogat : V o térfogat változás: dv p M M p p p 19

20 Mérnöki feszültség Képlékeny / rideg viselkedés rideg képlékeny Mérnöki alakváltozás ha a maradó alakváltozás közel nulla, akkor rideg, ha a maradó alakváltozás jelentős, akkor képlékeny 2

21 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 21

22 22

23 Különböző anyagok mechanikai tulajdonságai 2 o C-on Anyag E [GPa] R p.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 orrás: Ashby 24

25 Erő Nyomóvizsgálat h növekvő súrlódás h d e súrlódás nélkül h elmozdulás 25

26 Ideális súrlódási viszonyok Alakváltozások h h, ln h h h v zöm h nagyviszkozitású kenőanyag Nyomó folyáshatár: eszültségek 4 4, S d S d R e S e 2 m 2 26

27 Hordósodás jelensége R g d d min h h zz 1 ln d rr max zz R d g max R g 2 max d 4 r 2 d max d dmax z 2ln, r ln, d d max z 27

28 Csavarónyomaték Csavaró vizsgálat A l d M max M B Z,z t dt 1 r 3 l t 1 3 r l d dt dt R, r z 3 M e Csavaró folyáshatár R e 2 3M r e 3 max e Elcsavarodás szöge 28

29 Hajlító vizsgálat L/2 L/2 x 3 x 2 x 2 d max x 1 M x 3 M a b L/2 L/2 x 1 L 1 M L 1 M e E 3 pontos hajlítás 4 pontos hajlítás M 2 e 2 2 L L Re rmax L1 3L 4L1 I E 4 fmax 12I A M 48Ifmax e Re b 2I f max 29

30 Lemezanyag alakíthatóságának ØD vizsgálata s l A hajlítást a lemez repedéséig végezzük, és mérjük a töréshez tartozó hajlítási szöget. 3

31 Keménységmérés A (statikus) keménység fogalma: A vizsgált anyag ellenállása az adott geometriájú szúrószerszám behatolásával szemben. A keménység kapcsolata más tulajdonságokkal: Keménységi adatokból becsülhetők a szilárdsági és technológiai tulajdonságok. A keménységmérés kivitelezése: Alakváltozás létrehozásával izikai hatások alkalmazásával 31

32 Brinell-keménységmérés HBW A D h D D D d 2 2 keményfémgolyó A terhelőerő 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. 32

33 Vickers-keménységmérés gyémántgúla HV.12 A.189 d 2 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. 33

34 Knoop-keménységmérés gyémánt gúla,12 1,14487 HK 2 A l terhelőerő N A lenyomat felület mm 2 l a lenyomat hosszabbik átlója mm Pontos eljárás. Hasonló a Vickers-eljáráshoz. émek és nagyon rideg anyagok (üveg, műszaki kerámiák) vizsgálatára alkalmas. 34

35 Rockwell-keménységmérés a lenyomat mélysége az előterhelésnél 2 - a lenyomat mélysége az + 1 terhelésnél 3 - a rugalmas visszarugózás az 1 főterhelés levétele után 4 - a maradó lenyomat h mélysége 5 - a mintadarab felülete 6 - a mérés referenciasíkja 35

36 Rockwell-eljárások Jel Szúrószerszám Előterhelés őterhelés Keménység HRA 12 98,7 N 49,3 N 1-h/,2 HRB 1,5875 mm 98,7 N 882,6 N 13-h/,2 HRC 12 98,7 N 1373 N 1-h/,2 HRH 3,175 mm 98,7 N 49,3 N 13-h/,2 HR15N 12 29,42 N 117,7 N 1-h/,1 HR45T 1,5875 mm 29,42 N 411,9 N 1-h/,1 Gyors, egyszerű, de kevésbé pontos, minden anyagminőségre és geometriai formára. - gyémántkúp - acél- vagy keményfém golyó 36

37 Dinamikus keménységmérő eljárások Gyors, lökésszerű erőhatással végzett mérések Kivitelezés szúrószerszámmal lenyomatot mérve rugalmas visszapattanást mérve 37

38 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 38

39 Eljárások a rugalmas visszahatás alapján Mérés elve A vizsgált tárgy felületére adott energiával ráejtett kalapács vagy golyó visszapattanásának magassága arányos a tárgy keménységével. Berendezések Szkleroszkóp Duroszkóp 39

40 Szkeloroszkóp 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. 4

41 Duroszkóp 1. Mérőkalapács 2. Doboz 3. Mérendő tárgy 4. Mutató A tömeg és felület minősége befolyásolja. 41

42 Erő mn Műszerezett keménységmérési eljárások Erő - benyomódás görbe felvétele E=tan =h p terhelés h tehermentesítés =a(h-h ) m benyomódási mélység nm Vékony rétegek mérésére 42

43 HRB, HRC, HB5,HB3 Keménység konverzió 4 35 HB HB HRB HRC HV 1 43

44 ogalmak Rugalmas alakváltozás Képlékeny alakváltozás Mérnöki / valódi feszültség Mérnöki / valódi alakváltozás olyáshatár, egyezményes folyáshatár Szakítószilárdság Kontrakció ajlagos törési munka Szívósság Rugalmassági modulusz Nyíró rugalmassági modulusz Poisson-tényező Térfogati rugalmassági modulusz Nyomó folyáshatár Csavaró folyáshatár Hajlító folyáshatár Statikus keménység Brinell-keménység Vickers-keménység Knopp-keménység Rockwell-keménység Dinamikus keménység Műszerezett keménységmérés 44

45 Angol nyelvű irodalom: William D. Callister, Jr. Materials Science and Engineering An Introduction, 7th edition, 26 Chapter 6 Mechanical Properties of Metals pp. 45