Hőkezelési alapfogalmak

Átírás

1 Hőkezelési alapfogalmak Az anyagok tulajdonságait (mechanikai, fizikai, stb.) azok kémiai összetétele és szerkezete határozza meg. A nem egyensúlyi folyamatok során ismerté vált, hogy azonos kémiai összetétel mellett is változhat a fémek (a továbbiakban a segédlet kizárólag a fémes anyagokkal foglalkozik) szövetszerkezete, ami a mechanikai tulajdonságok megváltozását is magával vonja (lásd pl. az acélok átalakulási diagramjaiban a különböző hűtési sebességekhez tartozó eltérő keménységeket). Ez azt jelenti, hogy a hevítési és hűtési paraméterek (sebesség, hőmérséklet, hőntartási idő) változtatásával jelentős mértékben befolyásolhatók a fémek és ötvözetek tulajdonságai a szövetszerkezet változtatásán keresztül. Az ilyen (hőbevitellel járó) szerkezetváltoztató technológiákat hőkezelésnek nevezzük, amelyek célja megfelelő tulajdonságú termék létrehozása. A hőkezelések jellemzésére ún. T-t diagramok használhatók, ahol a már említett paraméterek a hőmérséklet, a hőntartási idő és a hevítés/hűtés sebessége megjeleníthetők (1. ábra). A hőkezelés teljes idejét hőkezelési ciklusnak nevezzük. 1. ábra Hőkezelési diagram (nemesítés esetében) A hőkezelések csoportosítása többféle szempont szerint történhet. Ha egyensúlyi állapotú vagy ahhoz közeli szövetszerkezet létrehozása a cél, akkor egyensúlyra törekvő, ha attól eltérő, akkor egyensúlyitól eltérő hőkezelésről beszélünk. Amennyiben a szerkezetváltoztatás kizárólag hő segítségével történik termikus, ha a hőközlés közben képlékeny alakváltozást is szenved a darab termomechanikus, ha a kezelés közben a kémiai összetétele is változik termokémikus a hőkezelés. A hőkezelő eljárások többségükben a szerkezetváltoztatást célozzák, de előfordul, hogy a feszültségállapot változtatása a cél (pl. maradó feszültségek megszűntetése). Hőkezeléssel nem csak a késztermék tulajdonságainak (mechanikai, kémiai, mágneses, stb.) beállítása történhet. Féltermékek esetében a hőkezelés célja az, hogy az anyag további technológiákkal feldolgozható legyen. A hőkezelés kiterjedhet az egész darabra vagy a darabnak csak egy részére (ez a rész lehet egy adott térfogat, vagy egy felület). A leggyakrabban alkalmazott hőkezelő eljárások: feszültségmentesítés, lágyítások, normalizálás, 1

2 edzés, megeresztés, nemesítés, termokémiai kezelések, termomechanikai kezelések. Feszültségcsökkentő hőkezelések Különböző technológiák hatására a gyártmányokban káros saját feszültségek keletkezhetnek, ezek hozzáadódnak az üzemi terhelés okozta feszültségekhez (ezzel csökkentik a terhelhetőséget). Továbbá a saját feszültségek relaxálása miatt az alkatrész méretváltozása vagy vetemedése is bekövetkezhet. A belső feszültségek kialakulásához leggyakrabban az vezet, ha egy darab különböző pontjaiban különböző sebességekkel hűlt le. Ez történik az öntvények dermedésekor, hegesztés során, illetve az alkatrész edzésekor. Feszültség kialakulásához vezethet a darab csak egy részére kiterjedő hidegalakítás (pl. durva forgácsleválasztás, egyengetés) is. A feszültségmentesítő hőkezelés célja az, hogy a belső feszültségeket a szövetszerkezet megváltoztatása nélkül szüntessük meg. A megfelelő hőmérséklet megválasztási szempontjait a 2. ábra mutatja. A magasabb hőmérséklet gyorsabb feszültség csökkenéshez vezet, a lehűlés lassú kell, hogy legyen (ne keletkezzenek újbóli feszültségek). Lágyítások 2. ábra Feszültségcsökkentő hőkezelések Ha az acél a megkívántnál nagyobb keménységű, a forgácsolhatóság, hidegalakíthatóság stb. érdekében lágyítani kell. Az acél nagyobb keménységét vagy a hidegalakított termék alakítási keménysége okozza, vagy a melegalakítás illetve hőkezelés lehűtése olyan sebességű volt, hogy az acél részlegesen beedződött. Újrakristályosító lágyítás Alacsony karbontartalmú (C<0,4 %) acélok esetében az alakítási keményedés hatásait (szilárdság növekedése, alakváltozó képesség csökkenése) C tartományba hevítve távolíthatjuk el, új, deformációtól mentes szemcsék létrejötte által. A megfelelő újrakristályosítási hőmérséklet és idő több tényező függvénye (alakítás mértéke, kiinduló szemcseszerkezet, stb.). Általában finomszemcsés állapot létrehozására kell törekedni. Túlságosan magas újrakristályosítási hőmérséklet, illetve hosszú hőntartási idő káros tulajdonságokkal járó szemcsedurvuláshoz vezet (szekunder újrakristályosodás). 2

3 A lágyítás sikerének ellenőrzésére keménységvizsgálat illetve szakító vizsgálat alkalmazható. Egyes esetekben az alakíthatóságot technológiai próbákkal ellenőrzik. Teljes lágyítás Edzett vagy részlegesen beedződött darabok esetén célszerű lehet az egyensúlyi állapot visszaállítása ha, további forgácsolás vagy hőkezelés szükséges. Ezt teljes lágyítással lehet megvalósítani Az acélt gammaállapotnak (ausztenites) megfelelő hőmérsékletre (legtöbb esetben A C) hevítik, majd kemencében lassan lehűtik a gamma-alfa átalakulás befejeződéséig, kb. 600 C fokig. A lágyulás mértéke a hűtési sebességtől függ. Ezt követően a további hűtés levegőn történhet. A kialakult szövet közel egyensúlyi lesz. A lágyítás eredményét Brinell keménységméréssel ellenőrzik. A 1 hőmérséklet alatti lágyítás A készre forgácsolt, de sikertelenül hőkezelt (pl. nemesített) alkatrészeket újabb hőkezelés előtt lágyítani kell. Teljes lágyítás esetén gamma-alfa átalakulás megy végbe, ami méretváltozást illetve vetemedést okozhat. Ezen kívül a nagy hőmérséklet miatt a felületi revésedés illetve dekarbonizálódás is káros lehet. Ezek elkerülésére a lágyítást az ausztenitesedést még nem okozó, nagy hőmérsékleten végzik, hosszabb hőntartással. A lágyulás a hőntartás alatt következik be, az edzett vagy részlegesen beedződött szövet egyensúlyi irányban történő megváltozásával. A hőkezelés hatására szemcsés szerkezet (ferrit mátrixban gömbszerű karbidok) jön létre. A hőkezelés sikerét Brinell keménységméréssel ellenőrzik. Izotermás lágyítás Néhány megmunkálást (képlékenyalakítás, forgácsolás) megelőzően izotermás lágyítást alkalmaznak. A darab teljes térfogatában azonos szövetszerkezet és azonos lemezvastagságú perlit előállítása a cél. Ez folyamatos hűtésű technológiával nem valósítható meg. Ausztenítesítés után só- vagy fémfürdőben nagyon gyorsan hűtik le a darabot A 1 alatti, M s feletti hőmérsékletre. A kialakuló szerkezetről és a szükséges hőntartási időről az izotermás C-görbék tájékoztatnak. A hőkezelés sikerét Brinell keménységméréssel ellenőrzik. 3

4 3. ábra Lágyítások T-t diagramjai 4

5 Normalizáló hőkezelés A normalizáló hőkezelés ausztenitesítésből és azt követően levegőn történő lehűtésből áll. Ez ötvözetlen vagy gyengén ötvözött acélok esetében közel egyensúlyi állapotot hoz létre. A normalizálás célja egyenletes szemcseszerkezet létrehozása. A normalizálás fő alkalmazási területe a melegalakított (kovácsolt) termékek adagon belüli tulajdonságszórásának mérséklése. Az ausztenitesítés hőmérsékletével változtatható a szemcseméret. Normalizálást leggyakrabban az alacsony karbontartalmú acélok esetében végzik. Hegesztett alkatrészeknél a hőhatásövezetben keletkező durva szerkezet is megszüntethető normalizálással, biztosítva ezzel a megfelelő szívósság elérését. A normalizált állapot ferrit-perlites szerkezetet eredményez (az egyensúlyihoz képest valamelyest nagyobb perlit hányaddal). Edzés 4. ábra A normalizálás Az edzés ausztenitesítésből és ezt követő gyors lehűtésből áll, amelynek célja a keménység, kopásállóság szilárdság növelése. Az ausztenitesités hőmérsékletét és idejét valamint a lehűtés sebességét kompromisszumos módon lehet meghatározni, adott acélminőség és gyártmány esetében. Ötvözetlen acélok edzési hőmérséklettartománya A C (hipoeutektoidos acélok), illetve A C (hipereutektoidos acélok). Edzéssel martenzites szerkezetet hozunk létre (martenzit és bizonyos mennyiségű maradék ausztenit). Az adott acélban a gyors hűtés hatására kialakult szerkezetekről a folyamatos hűtésre vonatkozó átalakulási diagramok tájékoztatnak. Az edzés eredményességét Vickers vagy Rockwell C keménységméréssel ellenőrizhetjük. Az edzés hatására kialakuló keménységet az acél karbontartalma határozza meg. Megeresztés Az edzett martenzites szövet rideg. Ezt a ridegséget megeresztéssel mérsékelhetjük. A martenzites szerkezet hevítés során szferoiditté alakul. Az egyfázisú túltelített szilárd oldatból kétfázisú szerkezet (ferritbe ágyazott finom gömbszerű karbidok) lesz. A részfolyamatokról az 5. ábra ad tájékoztatást. 5

6 5. ábra A martenzit megeresztődése A megeresztés hőmérsékletének növelésével az edzett anyag szilárdsága csökken, szívóssága nő. Hasonló hatása van a megeresztés időtartamának is. Kemény, kopásálló alkatrészek esetében a martenzites szerkezet megtartása a cél. Ilyen esetben csak olyan hőmérsékletre hevítjük a darabot, hogy a szerkezetváltozás ne következzen be, csak a saját feszültségek épüljenek le ( C). Ezt az eljárást alacsony hőmérsékletű megeresztésnek nevezzük. A megeresztés hőmérsékletét úgy kell megválasztani, hogy azt az alkatrész működés közbeni hőmérséklete ne haladja meg. A megeresztés hőmérsékletének megválasztásával nagyon pontosan beállíthatók a szilárdsági és szívóssági jellemzők. Megeresztés után szakítóvizsgálattal és ütvehajlító vizsgálattal ellenőrzik a hőkezelés sikerét. 6

7 Nemesítés 6. ábra Edzés és megeresztés A nemesítés martenzites edzésből és magas hőmérsékletű megeresztésből áll. A nemesítést 0,3 %- nál magasabb karbontartalmú hipoeutektoidos acélokon alkalmazzák. Ezzel a hőkezeléssel beállítható a megfelelő szilárdság-szívósság arány. A megeresztési hőmérséklet növelésével csökken a keménység és a szilárdság, ezzel szemben nő az ütőmunka és az alakíthatóság. Dinamikus igénybevételnek kitett alkatrészek esetében (törésveszély) a megeresztési hőmérséklet magasabb ( C). Amennyiben magas folyáshatár elérése a cél a megeresztési hőmérséklet alacsonyabb ( C). A nemesítés technológiai paramétereinek meghatározása egy optimalizálási folyamat (szilárdságszívósság). A megeresztés idejét (1,5-2 óra) és hőmérsékletét az alkatrész igénybevétele és összetétele alapján kell megválasztani. 7

8 7. ábra A megeresztési hőmérséklet hatása a szilárdsági és szívóssági tulajdonságokra Felületkezelő eljárások Egyes alkalmazások megkövetelik az alkatrész felületének kopásállóságát, ugyanakkor, a terhelésből adódóan, egyidejűleg követelmény a darab jó szívóssága. Emellett természetesen a megkövetelt szilárdságot sem szabad figyelmen kívül hagyni. Ilyen alkalmazásra példa a belsőégésű motorok forgattyústengelye, ahol az ismétlődő, fárasztó igénybevétel jó szívóssági tulajdonságokat követel meg, illetve a működésből adódó igénybevételek felvételéhez a tengelynek megfelelő szilárdsággal kell rendelkeznie. Ezen kívül a tengely megfelelő pontjain siklócsapágyak futnak, így ott a kopásállóság elsődleges szempont. A felületi hőkezelések (kérgesítő eljárások) célja kemény, kopásálló felületi kéreg létrehozása a mag szívósságának megtartása mellett. Egyes felületkezelő eljárások a kéreg kémiai összetételét is megváltoztatják (termokémikus hőkezelés). A kívánt tulajdonság-együttes eléréséhez többféle út vezethet. Felületi edzés A hőkezelés során a kémiai összetétel a darabban nem változik, de a hőkezelési állapot, azaz a szerkezet igen. Ilyen esetben a mag szívósságát nemesített állapot, szferoidites szövetszerkezet biztosítja, a kéreg kopásállóságát edzett, martenzites szerkezet biztosítja. Ez az állapot úgy hozható létre, hogy a darabot nemesítik, majd kérgét lokálisan ausztenitesítik és edzik. A hevítésnek igen gyorsnak kell lennie, hogy a már nemesített mag szövetszerkezete ne változzon meg közben. A lokális hevítés több módon végezhető. Az eljárásokat a hevítéshez használt energiaforrás szerint csoportosíthatjuk. Így megkülönböztetünk lángedzést, indukciós edzést, elektronsugaras edzést, valamint lézeredzést. Legelterjedtebb az indukciós edzéssel történő kérgesítés. Felületi edzéssel természetesen a nemesíthető acélokat lehet kezelni. A nemesítés sikerét szakítóvizsgálattal és ütvehajlító vizsgálattal ellenőrzik, az edzés sikerét pedig Rockwell C keménységméréssel. Termokémiai hőkezelések Ez esetben a darab felületét valamilyen elemmel diffúziósan dúsítják, tehát a mag és a kéreg különböző kémiai összetételű lesz. Ezek közül az eljárások közül legelterjedtebbek a karbon dúsítással megvalósított betétedzés, és a nitrogén dúsítással járó nitridálás. 8

9 - A betétedzés A betétedzés lényege, hogy a darab szívósságát kis karbontartalommal biztosítják, a kéreg keménységét pedig edzett, martenzites szövettel. Ehhez azonban a kéreg karbontartalmának növelése szükséges. A megfelelő szívósság elérése érdekében tehát alacsony karbontartalmú, (C<0.25%) nem edzhető acélt használnak, mely lehet ötvözetlen vagy ötvözött. Ötvözéssel a mag szilárdságát javítják. Ezek a betétedzhető acélok. Az ilyen, alacsony karbontartalmú acélok kérgébe karbont diffundáltatva (cementálás) a kéreg karbon tartalma a nemesíthető, sőt a szerszámacélokéra jellemző mértékűre növelhető (0.6%<C<1%). Ha ezt követően az egész darabot ausztenitesítik majd edzik, a mag a kis karbon tartalom miatt nem edződik be, lágy és szívós marad, a kéreg pedig a karbontartalomnak megfelelő kopásállóságú lesz. A betétedzés szokásos rétegvastagsága néhány tized mm-től kb. 3 mm-ig terjed. A kéreg maximális keménysége általában HRC. - A nitridálás A darab magjának szilárdságát és szívósságát nemesített állapot, szferoidites szövetszerkezet biztosítja. A kéreg keménységét nitrid vegyületek (AlN, TiN) adják. Ezért a nitridálható acélok lényegében nitridképző elemekkel (Al, Ti) ötvözött nemesíthető acélok. Az alkatrészt nemesítés után nitridálják. A nitridálás nitrogén leadó közegben (ammónia) történő hevítésből áll. A nitrogén a felületbe diffundálva ötvöző nitrideket alkot. A nitridálás hőmérséklete valamivel kisebb, mint az acél megeresztési (nemesítés) hőmérséklete. A nitridált kéreg keménysége meghaladhatja az l000 l200 HV keménységet, szemben a betétedzett kérgek maximálisan HV keménységével. Nitridálással tized mm nagyságrendbe eső kérgek alakíthatók ki. A kémiai összetétel és az anyagszerkezet vizsgálata Az anyagok tulajdonságait (mechanikai, fizikai, kémiai, elektromos, mágneses) azok kémiai összetétele és szerkezete együttesen határozza meg. Fénymikroszkóp segítségével betekintést nyerhetünk egy testet felépítő anyag mikroszkópikus szerkezetébe. Feltárul a szabad szemmel egyneműnek (homogénnek) látszó test szövetszerkezete. Ezt a szerkezetet a testet felépítő fázisok adják. Előfordul, hogy a teljes térfogatot ugyanaz a fázis építi fel, tehát a test homogén, de gyakoribb a több fázisból felépülő heterogén szövetszerkezet. Az anyag tulajdonságait az azt felépítő fázisok tulajdonságai, azok aránya, egymáshoz képesti elhelyezkedése, illetve alakjuk, egy szóval a szerkezet morfológiája határozza meg. A fázisok olyan homogén egységek, amelyek térfogatán belül a kémiai összetétel, a szerkezet, illetve a mechanikai, fizikai és egyéb tulajdonságok állandóak. A fázist a tér többi részétől (például más fázisoktól) fizikai határok választják el. A fázisok szerkezetét a molekula láncok, kristályrács elemek térkitöltése határozza meg. Amennyiben az ezeket felépítő atomok egymáshoz képesti helyzete nem mutat rendezettséget, amorf szerkezetről beszélünk. A teljes rendezettség, ahol az atomok csak a tér meghatározott pontjait foglalhatják el, a kristályos anyagok jellemzője. Előfordulhat, hogy egy testen belül amorf és kristályos elemek is vannak, ekkor részben kristályos állapotról beszélünk. A fémes anyagokra a kristályos szerkezet, a polimerekre és kerámiákra mindhárom jellemző. A molekula láncok, kristályrácsok szerkezetét az atomok kapcsolódásának módja határozza meg. Látható, hogy az anyagok kémiai összetételének és szerkezetének ismerete nagy fontossággal bír, az anyagtulajdonságok meghatározásának, előrejelzésének, sőt tervezhetőségének területén. Kémiai összetétel vizsgálat Meghatározhatjuk, hogy a vizsgált anyag mely kémiai elemeket (minőségi analízis), illetve hogy ezeket milyen mennyiségben tartalmazza (mennyiségi analízis). A vizsgálatok nyugodhatnak kémiai és fizikai alapelveken. 9

10 Kémiai vizsgálat esetén az előkészített mintával ismert összetételű oldatokat, gázokat, stb. reagáltatnak. A reakció végbemenetelét a szín, a villamos vezetőképesség, a felszabaduló reakcióhő, stb. mérése alapján ellenőrzik. Bizonyos reakciók egy-egy elem jelenlétére engednek következtetni (minőségi analízis). A reakciók végbemeneteléhez elhasznált mérőoldatok mennyiségéből határozható meg az illető elem százalékos jelenléte (mennyiségi analízis). A fizikai vizsgálatok jellemző példája a színképelemzés. A vizsgált mintát villamos ívvel elgőzölögtetik, és az izzó gáz színképét vizsgálják. A minőségi elemzésre azt a jelenséget használják, hogy minden gerjesztett elem a rá jellemző hullámhosszon sugároz. Mennyiségi elemzéshez az elem sugárzásának intenzitását mérik, ami arányos az elem százalékos jelenlétével. Szerkezetvizsgálat Az atomokból felépülő kristályos vagy amorf szerkezet vizsgálatához, azok méretétől függően fénymikroszkóp vagy elektronmikroszkóp szükséges. Az atomos szerkezet vizsgálatához olyan monokromatikus (állandó hullámhosszúságú) sugárzás szükséges, melynek hullámhossza megegyezik, vagy kisebb az atomok távolságánál. Ilyen karakterisztikus röntgensugárzást bocsátva egy kristályos, az atomokat rendezetten tartalmazó anyagra, összefüggés tapasztalható az atomok távolsága (d), a röntgensugár hullámhossza (λ) és a sugárelhajlás szöge (Θ) között (1. ábra). Az összefüggést a Bragg egyenlet írja le: ahol, n egész szám (1, 2, 3 n). n 2d sin, 8. ábra A röntgendiffrakció elve A módszert röntgendiffrakciós vizsgálatnak hívják. A mérés alapján az atomok távolsága számítható. A rendezetlen, amorf anyagok nem adnak diffrakciót. Reológiai vizsgálatok A különböző terhelések hatásainak szilárdsági-, törésmechanikai- és fárasztóvizsgálatai során a feszültség-alakváltozás kapcsolatának időfüggését nem vizsgálják. A reológiai vizsgálatok célja a folyamatok időfüggésének vizsgálata. Az elméleti szakítódiagram kezdeti, rugalmas alakváltozáshoz tartozó szakasza a Hooke-törvénnyel leírható, amivel így az anyag viselkedését is jellemezhetjük. Ez azonban csak egy olyan idealizált állapotban igaz, ahol az alakváltozáshoz szükséges időt, így annak időfüggését elhanyagoljuk. Gyors felterhelés (vagy leterhelés) esetén azt tapasztalhatjuk, hogy az alakváltozás késik a feszültséghez képest (1. ábra). Ez a jelenség a rugalmas utóhatás. 10

11 9. ábra A rugalmas utóhatás Az 1. ábra alapján a σ 1 feszültséget lassú terheléssel elérve a Hooke-törvénynek megfelelő ε 1 alakváltozás tapasztalható. Gyors terhelés esetén azonban csak ε 0 alakváltozás jön létre, ám σ 1 -et állandó értéken tartva ez az idő függvényében ε 1 -re növekszik. Gyors leterheléskor az alakváltozás hasonlóan késik, a feszültséget nullára csökkentve is csak egy bizonyos idő után áll be a nulla alakváltozás. A rugalmas utóhatás következményei az alább ismertetésre kerülő folyamatok, a rugalmas hiszterézis, a csillapítás, a kúszás és a relaxáció. A rugalmas hiszterézis és a csillapítás Amennyiben váltakozó feszültséget alkalmazunk terhelésként, tehát a feszültség egy adott pozitív és negatív érték között változik, a rugalmas utóhatás miatt egy ciklus alatt (a terhelés útja :0-A-B-A) a 2. ábrán látható hiszterézis hurok jön létre. 10. ábra A mechanikai hiszterézis A hurok területe az anyag által elnyelt súrlódási munkával arányos, ami így a terhelésre fordított munkához képest veszteségként jelenik meg, és az anyagot melegíti. Ebből fakadóan azok az anyagok, amelyek esetében a hiszterézishurok területe nagy energiaelnyelő képességűek, így bennük a mechanikai rezgések gyorsan csillapodnak. Rossz csillapítású anyagokból készülhetnek harangok, rezgőelemek. Szerkezeti elemeknél viszont előnyös a jó csillapítás, csökkentve az ismétlődő igénybevételek okozta veszélyeket. Nagy csillapodásúak a polimerek, a lágy fémötvözetek csillapítása közepes, míg a kemény fémötvözetek és a kerámiák kis csillapítással rendelkeznek. A kompozitok csillapítóképessége tervezhető. A kúszás 11

12 Kúszásnak azt a folyamatot nevezzük, amikor a próbatest vagy alkatrész állandó feszültség hatására is folyamatosan növekvő alakváltozást szenved az idő függvényében. A kúszás sebességét és az alakváltozás mértékét jelentősen befolyásolja a hőmérséklet. A megengedhető feszültség megállapításához kúszásvizsgálattal meghatározott jellemzőkre van szükség. Kúszásvizsgálat során adott hőmérsékleten állandó feszültséggel terhelt próbatest alakváltozását regisztrálják az idő függvényében. A 3/a. ábrán a vizsgálati elrendezés, a 3/b. ábrán egy elméleti kúszási diagram (T=áll.) látható. Kezdetben a kúszás gyors, ám egyre lassuló folyamat (I. szakasz), majd sebessége közel állandó értéket vesz fel (II. szakasz), elméletileg ez az alkatrész használhatósági tartománya. A kúszás gyorsuló üteme (III. szakasz) a tönkremenetelt jelenti, végül az alkatrész eltörik. 11. ábra A kúszásvizsgálat kísérleti elrendezése, és az elméleti kúszási diagram A vizsgálatok során több próbatestet eltérő feszültséggel terhelnek különböző hőmérsékleteken. Így adott anyagminőségre sok kúszási diagram vehető fel. A meghatározott jellemzőkre a szabványok órás adatokat írnak elő, így a vizsgálatok akár évekig is tarthatnak. A méretezési alapként felhasználható kúszási jellemzők a következők. Kúszáshatár: Adott idő alatt, adott hőmérsékleten 1% alakváltozást létrehozó feszültség [MPa]. Időszilárdság: Adott idő alatt, adott hőmérsékleten éppen törést okozó feszültség [MPa]. Kúszáshatárra akkor méreteznek, ha az alkatrész megengedhető alakváltozása korlátozott (turbinalapát), időszilárdságra pedig akkor, ha az alakváltozás megengedhető, de a törést ki kell zárni (gőz csővezeték). A relaxáció A relaxáció során állandó alakváltozás mellett a feszültség csökkenését tapasztaljuk. A relaxáció vizsgálatakor a próbatestet állandó értékű, kezdetben rugalmas alakváltozáson tartják, időnként a terhelést megszüntetik és a jeltávolság változását mérik (4/a. ábra). Az alakváltozás a kezdeti rugalmas állapotból maradóvá alakul, ami utal a próbatest feszültségének csökkenésére (4/b. ábra). 12

13 12. ábra A relaxáció jelensége és időfüggése A relaxáció sebessége függ a kezdeti feszültségtől, a hőmérséklettől és az anyagtól. A fémek és főleg a kerámiák esetében a hőmérsékletfüggés kevéssé jelentős, míg a polimerek már szobahőmérsékleten is relaxálnak. Relaxációra igénybevett elemek pl. a hangszerek húrjai, az előfeszített rugók és a feszített betonszerkezetek acél betétjei. Fémek újrakristályosodása Képlékeny alakváltozás során a fémek mechanikai és fizikai tulajdonságai megváltoznak. Például szilárdságuk nagymértékben nő, alakíthatóságuk (alakváltozó képességük) és villamos vezetőképességük (kisebb mértékben) csökken. Természetesen a tulajdonságok megváltozása függ az alakítottság mértékétől. Ennek magyarázata, hogy a deformált szemcsék kristályrácsa torzul, illetve növekszik a diszlokációsűrűség. A deformálódó szemcsék a bennük lévő diszlokációkkal együtt elmozdulnak. Eközben rengeteg új diszlokáció keletkezik, és az üresrácshely-koncentráció (vakanciasűrűség) is megnő. A deformált kristályrácsban az atomok távolsága megváltozik az eredeti, legkisebb energiájú, stabil állapothoz képest. Az elmozdulás mértékétől függően az adott atom többletenergiához jut. A többletenergiát tehát az atomok távolsága szabja meg. Az atomok alakítás utáni távolságát leginkább az alakítás mértéke határozza meg, így kijelenthető, hogy nagyobb alakítás hatására nagyobb tárolt energia jön létre. Az átlagos diszlokációsűrűséget az anyag 1 cm 2 -es felületén áthaladó diszlokációk számával lehet jellemezni. A kilágyított fém átlagos diszlokáció-sűrűsége /cm 2, az erősen hidegalakított fémé pedig /cm 2. A hidegalakítás során tehát megnő a diszlokációk száma. A diszlokációk egy-egy atomsor beékelődésével vagy kiszakadásával jönnek létre, amely szintén az atomok mozgását jelenti, tehát a diszlokációk létrejöttével is többletenergiához jut a rendszer. Ráadásul a nagyszámú diszlokáció egymás mozgását akadályozza, így adott alakváltozás eléréséhez nagyobb feszültség szükséges (keményedés jelensége). Amennyiben a fémnek lehetősége lenne, ezt a bevitt fölös energiát leadná. A fém hőmérsékletének növelésével lehetőséget adunk a diffúziós folyamatok megindulására. A diffúzió tehát olyan termikusan aktivált folyamat, amely az atomok vándorlását jelenti, hajtóereje pedig a kiinduló- és végállapot közötti energia különbség. Ha tehát hőt közlünk az alakított darabbal, szerkezete úgy változik, hogy a legkisebb energiájú, egyensúlyi állapotot vegye fel. A belső feszültség, a keménység és a szilárdság értékei visszatérnek az alakítás előtti állapotba, a diszlokációk száma visszaáll az 13

14 egyensúlyi értékre. Ekkor az alakított szemcsék helyett új, alakítatlan szemcsék jelennek meg. A fémben szilárd állapotú csíraképződés és kristályosodás történik. Ez a folyamat az újrakristályosodás. Ezek szerint a fémek újrakristályosodásához előzetes képlékeny alakítás és megfelelő hőmérsékletű hőkezelés szükséges. a b c d e 13. ábra A szemcseszerkezet és a mechanikai tulajdonságok alakulása az újrakristályosodás előrehaladtával Az átalakult hányad a már újrakristályosodott szemcsék mennyiségét jelöli a) elnyúlt, alakított szemcsék, b) új kristálycsírák megjelenése, c) új szemcsék növekedése, d) a primer újrakristályosodás vége, e) szekunder rekrisztallizáció miatti szemcsedurvulás Az újrakristályosodás folyamata Izzítás hatására a keletkezett üres rácshelyek nagy része megsemmisül, számuk csökken. A diszlokációk mozgásképesek lesznek, az ellentétes előjelűek kioltják egymást, tehát szintén csökken a számuk. Az azonos előjelűek sorokba rendeződnek, és így a szemcsén belül határokat hoznak létre, melyeket szubhatároknak nevezünk. Ezt a folyamatot megújulásnak nevezzük, ennek során a szemcsén belül szubszemcsék keletkeznek (2. ábra). Ezen folyamatok következtében kismértékben csökken a szilárdság és nő az alakváltozóképesség, vezetőképesség, de az alakítás előtti egyensúlyi állapotot még nem éri el az anyag. 14. ábra Szubszemcsék keletkezése Az izzítás hőmérsékletének növelésével a szubszemcsékből új, feszültségmentes szemcsék fejlődnek. A folyamat hasonlatos az olvadékból történő kristályosodáshoz, a megjelenő új csírák addig nőnek, amíg a szomszédos kristályok egymással nem érintkeznek. Ezt nevezzük újrakristályosodásnak, és megállapíthatjuk, hogy a folyamat során teljesen új krisztallitok keletkeznek (1. ábra). Amennyiben az újrakristályosodás befejeztével magasabb hőmérsékletre hevítjük a fémet, vagy hosszabb ideig hőntartjuk, a képződött új szemcsék magukba olvaszthatják szomszédjaikat. Ennek 14

15 eredményeképp megnő az átlagos szemcseméret, tehát durvul a fém szövete. A folyamatot szekunder (másodlagos) újrakristályosodásként ismerjük (1. ábra). Az újrakristályosodást befolyásoló tényezők, és gyakorlati jelentősége Az újrakristályosodás során kialakuló szemcseméret azért fontos majdnem minden technológia szempontjából, mert az megszabja a legfontosabb mechanikai tulajdonságokat. Minél kisebb a szemcsék mérete, annál nagyobb az anyag szakítószilárdsága, és annál nagyobb a szívóssága. Az átlagos szemcseméret kialakulása a megújulás során létrejövő szubszemcséket határoló diszlokációk d távolságával van összefüggésben (3. ábra). Minél kisebb a diszlokációk átlagos távolsága, annál nagyobb a térrész tárolt energiája, így annál több újrakristályosodási csíra jöhet létre. Az átlagos diszlokáció távolság akkor lesz kisebb, ha az alakítás mértéke nagy, hiszen ekkor a diszlokációk száma jelentőse megnő. 15. ábra A megújuláskor keletkező diszlokáció eloszlás Tehát minél nagyobb az alakítás mértéke, annál kisebb újrakristályosodott átlagos szemcseméretre számíthatunk, azaz a mechanikai tulajdonságok (szilárdság, szívósság) annál kedvezőbbek lesznek. Fémek esetében 3-10% közötti alakítás esetén nagy lesz a kialakuló szemcseméret (4. ábra). Ennek oka, hogy a kismértékű alakítás hatására kicsi lesz a tárolt energia, így kevés újrakristályosodási csíra keletkezik. Az olyan technológiánál, ahol a terméket 3-10%-os alakítással lehet létrehozni, általában előzőleg már hidegen alakított anyagot szoktak felhasználni, elkerülve ezzel a nagy szemcseméretet, és a rossz mechanikai tulajdonságokat. Egy bizonyos értéknél kisebb alakítás (3-10%) hatására nem indul meg az újrakristályosodás, ezt kritikus alakítási mértéknek nevezzük. 16. ábra A szemcseméret (mm 2 ) változása az alakítási mérték és a lágyítás hőmérséklete függvényében Az újrakristályosodás az egyensúly felé vezető, hőre aktivált folyamat, vagyis minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabban végbemegy. Amennyiben kevés a közölt (hő)energia, az atomok nem tudnak elmozdulni helyükről, a szerkezet változatlan marad. Tehát az újrakristályosodás csak egy megfelelő hőmérséklet fölött megy végbe. 15

16 Az újrakristályosodási küszöbhőmérséklet, a fém olvadáspontjának Kelvinben kifejezett (természetes) értékének 0,4 része. Ez természetesen csak egy átlagérték, hiszen több tényező van rá hatással. Az alakítás mértékének növelésével több energiát viszünk a fém rácsába, így a lágyulás alacsonyabb hőmérsékleten is elindul. Nagy tisztaságú fémek esetében a küszöbhőmérsékletet 0,2 T olv környékén van, tehát azt az anyag ötvöző- vagy szennyező tartalma nagy mértékben befolyásolja. Minél kisebb az újrakristályosodási (lágyítási) hőmérséklet, annál nagyobb értéket vesz fel a kritikus alakítási mérték (5. ábra). A kritikus alakítási mérték tehát nem egy anyagminőségtől függő állandó, hanem a választott újrakristályosítási hőmérséklet megszabta érték. A diagramból kiolvashatjuk azt is, hogy növekvő újrakristályosítási hőmérséklet esetén mindig nagyobb átlagos szemcseméretre lehet számítani. Ebből azt a következtetést tudjuk levonni, hogy a növekvő hőmérséklet megakadályozza sok újrakristályosodási csíra létrejöttét, ennek eredményeképp durva szemcsék keletkeznek. Alacsony hőmérsékleten nagy alakítási mérték szükséges a rekrisztallizáció elkezdődéséhez, hiszen a hőenergia kevés többletenergiát ad az atomoknak. 17. ábra Az újrakristályosodási hőmérséklet, és a kritikus alakítás mértékének összefüggése A hőmérséklet növelésével a szemcseméret ugrásszerűen megnő (4. ábra). A szemcsék méretének növekedése a szilárdság és szívósság értékek csökkenését eredményezi, ezért a szekunder újrakristályosodás kerülendő. A szemcsék méretének alakulásában fontos szerepet játszik a lágyító hőkezelés ideje. Amennyiben a teljes újrakristályosodás megtörténte után is hőntartjuk a terméket, az a keletkezett szemcsék eldurvulásához vezet. Kihasználva azt, hogy magas hőmérsékleten az anyagok lágyabbak, a képlékenyalakító technológiák egy részét az újrakristályosodási küszöbhőmérséklet felett végzik. Ezeket melegalakító technológiáknak nevezzük. A keményedés azért nem következik be, mert az alakváltozás és az újrakristályosodás egyidejűleg zajlik. A hőmérséklet megválasztásánál ügyelni kell a szekunder újrakristályosodás elkerülésére. Az újrakristályosodási küszöbhőmérséklet alatt végzett hidegalakítás hatására az anyag szilárdsága nő, a fémek keményednek. Bizonyos mértékű alakváltozást túllépve azonban törés következik be. Ez a jelenség nem csak a végtermék tulajdonságait befolyásolja, de a gyártástechnológia során se hagyható figyelmen kívül a tény, hogy a hidegen alakított fémek alakváltozó képessége korlátozott. Ha a végső geometria elérése érdekében nagyobb helyi alakítást szeretnénk alkalmazni, mint amit az anyag hajlandó elviselni, az egyes alakító műveletek közé olyan eljárást kell beiktatni, mely során a fém visszanyeri alakváltozó képességét, vagyis lágyítatni kell. A lágyítás valójában azt jelenti, hogy az alakított szerkezet még szilárd állapotban megváltozik, a torzult, keményedett krisztallitok helyett új, az egyensúlyihoz közelebbi állapotú, kevesebb rácshibát tartalmazó kristályok alakulnak ki. A fémek atomrácsa nem minden irányában egyforma mechanikai tulajdonságú, azaz anizotróp. A lágyított állapotban lévő fémek szemcséinek irányultsága teljesen véletlenszerű, így az anyag kifelé nem mutat irányultságot, azaz izotróp. Ennek a képlékenyalakító technológiák esetében nagy a jelentősége, mivel a termék jellemzői az alakváltozás irányától függetlenül ugyanúgy változnak. 16

17 18. ábra Indukciós edzés, betétedzés és nitridálás 17

18 Felületkezelt alkatrészek mechanikai tulajdonságainak összehasonlítása Mivel az ötvöző nitridek jóval keményebbek a martenzitnél, nitridálással érhető el a kéreg legnagyobb keménysége. Mint már tudott, a martenzit annál keményebb, minél nagyobb az ausztenit karbontartalma amiből keletkezett. Ebből kifolyólag a betétedzett darabok kérge keményebb a felületi edzéssel szemben, hiszen a betétedzett alkatrészek kérgének karbontartalma (0.6%<C<1%) nagyobb, mint a nemesíthető felületi edzett acéloké (0.25%<C<0.6%). A mag szilárdságát és szívósságát a karbontartalom, az ötvözőtartalom és a szövetszerkezet határozza meg. Mivel a betétedzhető acélok karbontartalma a legkisebb, ráadásul szferoidites szövet sem jön létre a hőkezelés során, ezért ezek magja rendelkezik a legkisebb szilárdsággal, viszont a legnagyobb szívóssággal a hőkezelés után. 18

19 Mechanikai alapigénybevételek Az igénybevételek értelmezése és jellemzői a rugalmas alakváltozás tartományán belül Húzás és nyomás Ahol: L 0 a terhelés előtti hossz [mm]; ΔL a terhelés hatására bekövetkező hosszváltozás [mm]; S 0 a terhelés előtti keresztmetszet [mm 2 ]; F a terhelő erő [N]; σ a terhelés hatására ébredő mechanikai feszültség [MPa], [ N 2 ]. mm Jellemzők Jelölés Mértékegység Terhelés - Húzó, ill. nyomó erő (pillanatnyi) F [N] Alakjellemzők - Hossz (pillanatnyi) - Keresztmetszet (pillanatnyi) L S [mm] [mm 2 ] Anyagjellemzők - Rugalmassági modulusz (arányossági tényező a E N feszültség és az alakváltozás között) [MPa], [ 2 mm Hooke törvény: E ] - Poisson tényező (arányossági tényező a kereszt- [erőre merőleges] és hosszirányú [erővel egyirányú] fajlagos alakváltozás között) k h Alakváltozás - Hosszváltozás (növekedés, ill. csökkenés) ΔL [mm] Feszültség - Normál feszültség (egységnyi merőleges σ N keresztmetszetre jutó erő) [MPa], [ 2 mm F ] S Fajlagos alakváltozás - Fajlagos alakváltozás a megváltozott mennyiség [pl. hossz] kiinduló hosszegységre jutó értéke ε [-] Feszültségeloszlás a keresztmetszetben L L 0 - Egyenletes ν [-] Hajlítás 19

20 Ahol: L a terhelés előtti hossz [mm]; x a hajlítás tengelye; M a hajlító nyomaték [Nm]; σ hajl, max a terhelés hatására ébredő legnagyobb mechanikai feszültség a szélső szálban [MPa], [ N 2 ]; mm φ a szögelfordulás [radián]; 1 a görbület. Jellemzők Jelölés Mértékegység Terhelés - Hajlító nyomaték M [Nm] Alakjellemzők - Hossz (pillanatnyi) - Keresztmetszet (pillanatnyi) L S [mm] [mm 2 ] Anyagjellemzők - A keresztmetszet x tengelyre számított másodrendű nyomatéka I x [mm 4 ] Alakváltozás Feszültség Fajlagos alakváltozás Feszültségeloszlás a keresztmetszetben téglalap keresztmetszet esetén: - A keresztmetszet x tengelyre számított keresztmetszeti tényezője téglalap keresztmetszet esetén: - Rugalmassági modulusz I x K x a b 12 3 a b 6 - L távolságú keresztmetszetek szögelfordulása M L I E x - Normál feszültség (legnagyobb értéke a szélső szálban) M halj K - Görbület 1 L x - A semleges szálra szimmetrikus húzó, ill. nyomó feszültség 2 K x E φ σ hajl [mm 3 ] [MPa], [ ] [radián] [MPa], [ ] N 2 mm N 2 mm Csavarás 20

21 Ahol: L a terhelés előtti hossz [mm]; M cs a csavaró nyomaték [Nm]; τ max a terhelés hatására ébredő csúsztató feszültség legnagyobb értéke [MPa], [ φ az elcsavarodási szög [radián]; γ a szögváltozás [radián]. N 2 ]; mm Jellemző Megjegyzés Jelölés Mértékegység Terhelés Csavaró nyomaték M cs [Nm] Alakjellemzők - Hossz - A keresztmetszet poláris másodrendű nyomatéka L [mm] Anyagjellemző Alakváltozás Feszültség Fajlagos alakváltozás Feszültségeloszlás a keresztmetszetben kör keresztmetszet esetén: I p - Poláris keresztmetszeti tényező kör keresztmetszet esetén: K p 4 d 32 3 d 16 - Csúsztató rugalmassági modulusz (arányossági tényező a csúsztató feszültség és a szögtorzulás között) G, E G Elcsavarodási szög M I p cs L G - Csúsztató feszültség M K cs p - Szögtorzulás L - A semleges szálra szimmetrikus, attól távolodva értéke nő I p K p G φ τ [mm 4 ] [mm 3 ] [MPa], [ ] [radián] [MPa], [ ] N 2 mm N 2 mm [radián/mm] 21