Bevezetés s az anyagtudományba. nyba. ltozás. VII. előadás március 18. Kétféle viselkedés. atipusos (egyes acélok, nemfémek) fémeknél tipikus

Átírás

1 Bevezetés s az anyagtudományba nyba VII. előadás március 18. Kétféle viselkedés II. KéplK plékeny alakváltoz ltozás fémeknél tipikus atipusos (egyes acélok, nemfémek) VII/2

2 Mikroszkópikus magyarázat Egyszerű nyújtás: feszülség, σ (alacsony hőmérsékleteken, kb. T < T op /3) Nagyobb feszültségen rug. + képlékeny Kezdetben rugalmas maradandó alakváltozás a terhelés megszüntekor ε p alakváltozás, ε képlékeny alakváltozás (plastic deformation) Képlékeny alakváltozás kompresszív és nyírási feszültségek esetén is létrejön. De kompresszív feszültség esetén nincs befűződés, s így szakítószilárdság sem és az anyag törése is másféle. VII/3 Az a feszültség, melynél észrevehető mértékű rugalmas deformáció következik be. nyújtó feszültség,σ Folyáser serősség, σ y megegyezés szerint, ha ε p = σ y P arányossági határ (eddig érvényes a Hooke törvény) a legtöbb fémre ε P σ y = folyáserősség (yield strength) Megjegyzés: egy 50 mm hosszú minta esetén ε p = = z/z z = 0.1 mm ε p = alakváltozás,ε VII/4

3 mega (M) = 10 6 Folyáserősség, σy [MPa] Folyáser serősség: összehasonlítás Fémek Ötvözetek Acél (4140) qt Ti (5Al-2.5Sn) a W (tiszta) Cu (71500) cw Mo (tiszta) Acél (4140) a Acél (1020) cd Al (6061) ag Steel (1020) hr Ti (tiszta)a Ta (tiszta) Cu (71500) hr Al (6061) a Ón (tiszta) Grafit Kerámiák Műanyagok Kompozitok Félvezetők Mérése nehéz, mert nyújtás során előbb törnek, mint megfolynak. dry PC Nylon 6,6 PET humid PVC PP HDPE LDPE A kerámia, illetve epoxi alapú kompozitok esetében mérése nehéz, mert nyújtás során előbb törnek, mint megfolynak. Forrás: Table B4, Callister 7e. a = hőkezelt (annealed) hr = meleghengerelt (hot rolled) ag = (aged) cd = hidegen húzott (cold drawn) cw = hidegen megmunkált (cold worked) qt = (quenched & tempered) szobahőmérsékleten Praktikusan ez a mennyiség jellemzi az anyag erősségét. VII/5 Szakítószil szilárdság, TS A feszültség-alakváltozás görbén megjelenő maximális feszültség. Szakítószilárdság (tensile strength) TS σ y feszültség, σ Typical response of a metal F = törés (törőszilárdság, fracture strength) Befűződés feszültség koncentráló hatású strain alakváltozás, ε Fémeknél egybeesik az észrevehető befűződés kezdetével. Műanyagoknál egybeesik a polimer láncok rendeződésével és szakadásával. VII/6

4 Szakítószilárdság, TS [MPa] Szakítószil szilárdság: összehasonlítás Fémek Ötvözetek Acél (4140) qt W (tiszta) Ti (5Al-2.5Sn) Acél (4140) a a Cu (71500) Cu (71500) hr cw Acél (1020) Al (6061) Ti (tiszta)a ag Ta (tiszta) Al (6061) a Grafit Kerámiák Félvezetők Gyémánt Si-nitrid Al-oxid Si kristály <100> Nátron üveg Beton Grafit Műanyagok Kompozitok Nylon 6,6 PC PET PVC PP LDPE HDPE C fibers Aramid fib E-glass fib AFRE( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) fa ( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) AFRE( fiber) fa ( fiber) Forrás: Callister 7e. Table B4 a = annealed hr = hot rolled ag = aged cd = cold drawn cw = cold worked qt = quenched & tempered AFRE, GFRE, & CFRE = aramid, glass, & carbon fiber-reinforced epoxy composites, with 60 vol% fibers. 1 szobahőmérsékleten VII/7 Alakíthat thatóság, duktilitd tilitás A szakadáskor visszamaradó képlékeny alakváltozás: %EL L o = L f L o L o A o A f x 100 L f Nyújtási feszültség σ kisebb %EL rideg, brittle nagyobb %EL képlékeny, ductile Relatív megnyúlás, ε függ l 0 -tól! A legtöbb fém szobahőmérsékleten képlékeny és csak alacsonyabb hőmérsékleten válik rideggé. Szokásos keresztmetszetre is vonatkoztatni: %RA = nem függ l 0 -tól és A 0 -tól A o - A o A f x 100 VII/8

5 Hőmérséklet függf ggés A hőmérséklet növelésekor a fémek Young modulusa csökken folyáserőssége csökken szalítószilárdsága csökken duktilitása viszont nő VII/9 Rugalmasság g (resilience esilience), U r Az anyag energiatároló képességét jellemzi. Az energia leginkább az alakváltozás rugalmas tartományában tárolható (a terhelés megszünésekor visszanyerhető). ε y U r = σdε 0 Lineáris feszültségdeformáció viselkedést feltételezve: 1 Ur σyε y = 2 fajlagos elasztikus deformációs munka σy 2 2E (rugók!) J [ U r ] = m VII/10 3

6 Rugalmas regeneráci ció VII/11 Szívóss sság g (toughness oughness) Az anyag azon tulajdonságát jellemzi, hogy töréséig mennyi energiát képes elnyelni. Sztatikus esetben a feszültség-deformáció görbe alatti területtel egyezik meg. A szívós anyag erős és alakítható. Húzó feszültség, σ Kevéssé szívós (pl. kerámiák) Szívós (fémek) Alacsony szívósság (nem megerősített műanyag) Relatív megnyúlás,ε Rideg törés: rugalmas energia Képlékeny törés: rugalmas + képlékeny energia VII/12

7 Valós s feszülts ltség és s alakváltoz ltozás Valódi, vagy pillanatnyi feszültség Valós deformáció ε σt =F A i T =ln ( l l ) i o σ ε T T = σ = ln1 ( 1+ ε) ( + ε) Feszültség, σ valós Ha a térfogatváltozás elhanyagolható. mérnöki Alakváltozás, ε VII/ feladat A bronz feszültség-deformáció görbéjének ismeretében határozza meg a) a rugalmassági együtthatóját; b) a (0,2% maradandó relatív alakváltozásra vonatkozó) folyáserősség nagyságát, c) annak a maximális tehernek a súlyát, amelyet egy terheletlenül 12,8mm átmérőjű henger alakú minta elbír; d) hogy 345 MPa húzófeszültség hatására mennyivel változik meg a hosszúsága egy eredetileg 250 mm hosszú mintának? a) E=93. 8GPa b) σy = 250MPa c) TS = 450MPa F = TS A 57900N 0 = d) Az A pont koordinátája alapján ε =0.06 l= 15mm VII/14

8 Keménys nység g (hardness) Az anyag képlékeny (maradandó) alakváltoztatás elleni lokális ellenállóképességét jellemzi. A nagy keménységű (vagy kemény) anyag: - jobban ellenáll a képlékeny alakváltoztatásnak és a kompressziós törésnek - kopásállóbb. Az anyagtechnológiában három féle módon szokás mérni: karcolásos elven ( scratch hardness) benyomódás elven ( indentation hardness) és visszapattanás elvén ( rebound hardness) VII/15 A Mohs-féle keménys nységi skála Mohs-féle keménység 1 Talkum(Mg3Si4O10(OH)2) 2 Gipsz(CaSO4 2H2O) 3 Kalcit(CaCO3) 4 Fluorit(CaF2) 5 Apatit(Ca5(PO4)3(OH -,Cl -,F - ) 6 Földpát(KAlSi3O8) 7 Kvarc(SiO2) 8 Topáz(Al2SiO4(OH -,F - )2) 9 Korund(Al2O3) Friedrich MOHS ( ) 10 Gyémánt(C) 1600 karcoláson alapuló nem arányos skála abszolút keménység VII/16

9 Keménys nység Egy kvantitat itatívabb, standardizálhat lható definíci ció Indenter, pl. 10 mm golyó Ismert erő Mérjük a nyomat jellemző méreteit mélység, szélesség D d Kisebb nyomat nagyobb keménység műanyag bronzok Al ötvözet puhább acélok szerszám acél vágó nitridált szerszám acélok gyémánt Növekvő keménység VII/17 Keménys nység g mérési m módszerekm [P]=kg [D]=[d]=[d i ]=[l]=mm P minor =10kg d minor d major P minor =3kg HR= d=d major -d minor VII/18

10 A keménys nység g mérésem Rockwell (felszíni Rockwell) Nincs jelentősebb roncsolódás Minor terhelés 10 kg (3kg) Major terhelés 60 (A), 100 (B) vagy 150 (C) kg (15, 30, 45kg) A = gyémánt, B = 1/16 golyó, C = gyémánt, stb. A HR skála kb. 130-ig tart, de csak a tartományban megbízható. Ezen kívül skálát kell váltani. HB = Brinell keménység Terhelés kg HB a terheléstől és a nyomat méretétől is függ Figyelem! A minta vastagsága min. 10x a nyomat mélysége legyen, a nyomatok középpontjai pedig min. 3x nyomatátmérő távolságra legyenek! VII/19 Keménys nység g konverzió acélokra Rockwell keménység mérő Instron Co. Wilson Instruments Division A konverzió anyagfüggő! VII/20

11 A szakítószil szilárdság és s a keménys nység kapcsolata Mindkét mennyiség az anyag képlékeny alakváltozás elleni ellenállóképességét jellemzi. Arányosságuk nem meglepő. A legtöbb acélra: TS ( MPa) = 3.45* HB VII/21 Diszlo lokációk és s keményed nyedési folyamatok A képlékeny alakváltozás maradandó alakváltozás. Az anyag ellenállóképességét e téren erőssége, illetve keménysége írja le. Az elméleti számítások a tökéletes kristályok mechanikai erősségét a tapasztaltaknál többször nagyobbnak becsülték. Az 1930-as években merült fel a gondolat, hogy az eltérés magyarázata a diszlokációkban rejlik ig kellett várni, míg EM-val mód nyílt a diszlokációk létezésének kísérleti igazolására. Kristályos anyagokban a képlékeny deformáció legtöbbször a diszlokációk mozgásával valósul meg (de történhet még ikerképződéssel (hexagonális fémeknél jellemző), diffúziós kúszással, szemcsehatár elcsúszással, szemcserotációval stb.). A folyamatok megértése réven képesek leszünk fémek keménységét befolyásolni. VII/22

12 Anyagcsaládok Fémek: A diszlokációk mozgékonyak - nem irányított kötések - tömör atomi síkok és irányok csúszás. elektronfelhő Kovalens kerámiák (pl. Si, gyémánt): Nehéz mozgás. -irányított, erős kötések atomtörcsek Ionos kerámiák (pl. NaCl): Nehéz mozgás. - nem tudják elkerülni a szomszédok taszítását VII/23 A diszlokáci ciók k mozgása 1/31 Diszlokációk és képlékeny deformáció Köbös és hexagonális fémek képlékeny deformáció képlékeny nyírás vagy csúszás ahol egymás melletti atomsíkok csúsznak el diszlokációk mentén. Nyíró feszültség Nyíró feszültség Nyíró feszültség Csúszósík Él diszlokáció A csúszás egysége Ha a diszlokáció nem mozog, akkor deformáció sem történik! VII/24

13 Diszlokáci ciók k mozgása 2/3 Sematikus modellen Ferrites acélokban a hőmérséklet emelésekor. TEM felvétel VII/25 A diszlokáci ciók k mozgása 3/33 A diszlokáció a csúszósík mentén a diszlokációs vonalra merőleges csúszási irányban mozog. A csúszási irány megegyezik a Burgers vektor irányával. Él diszlokáció feszültség diszlokációs vonal Csavar diszlokáció feszültség diszlokációs vonal VII/26

14 Alkotói A csúsz szási si rendszer 1/21 Csúszósík - a csúszást legkönnyebben lehetővé tevő, a legnagyobb síkbeli atomsűrűséget mutató kristálytani síkok Csúszási irány - a mozgás iránya - legnagyobb lineáris atomsűrűségű kristálytani irányok Egy példa (lapcentrált köbös rács, FCC) A csúszás a szoros illeszkedést mutató {111} síkok <110> kristálytani irányai mentén következik be. VII/27 A csúsz szási si rendszer 2/2 A csúszási rendszert a lehetséges csúszási irányok alkotják, melyből N csúszósík x Ncsúszási irány A főbb kristályrendszerek jellemzői db van. Csúszási Fémek Csúszósík Csúszási irány rendszer Lapcentrált köbös (FCC) Tércentrált köbös (BCC) Hexagonális (HCP) VII/28