Mechanikai tulajdonságok

Átírás

1 5.1. Igénybevételek Igénybevételek fajtái Mechanikai tulajdonságok Kalmár Emília A mőszaki gyakorlatban alkalmazott anyagokra különbözı igénybevételek hatnak. Az igénybevételek elemzésére szükség van. az alkalmazott anyagok tulajdonságainak meghatározásához, az igénybevételek hatására keletkezett károsodási folyamatok megértéséhez, a szerkezet mőködési funkciójához megfelelı anyagok kiválasztásához. Az alkalmazott anyagokra ható igénybevételek lehetnek: teljes térfogatra ható igénybevételek: - mechanikai igénybevételek, - termikus igénybevételek, - sugárfizikai igénybevételek, felületre ható igénybevételek: - sugárfizikai igénybevételek (felületre hatók is), - kémiai igénybevételek, - biológiai igénybevételek, - tribológiai igénybevételek Felületre ható igénybevételek A mőszaki termékek külsı felületére, ha semmiféle igénybevétel nem hat, akkor is érintkezik a környezettel és az éghajlati hatások is igénybevételként kezelhetık. A felületek ezek hatására szennyezıdhetnek, a környezetben lévı gáznemő anyagok adszorpciója zajlik le és jelentkezik az elhasználódás. A hımérsékleti változások, a környezetbıl érkezı különféle sugárzások, a villamos áram hatásai (pl.: szigetelések, villamos érintkezık) további felületi terhelést jelenthetnek. A felületek ennek eredményeként passziválódnak, megindul az oxidálódás, revésedés. A mőszaki termékeink nagy része üzemszerően érintkezik folyadékokkal. Ilyen felületei vannak a tartályoknak, tároló edényeknek kapcsolatba kerülnek olyan folyadékkal, amelyek nyugalomban vannak. Ezek a felületek elektrokémiai igénybevételeknek vannak kitéve. Elektrolízis, korróziós folyamatok indulhatnak meg a felületeken. Gyakoribb eset, amikor a környezet és a mőszaki termékek egymáshoz képest elmozdulnak. Ilyenkor a viszonylagos mozgás, mint folyadékáramlás vehetı számba. Ez az áramlási igénybevétel. A felületek eróziója indul meg, nagy sebességnél kavitációs károsodás tapasztalható. Ilyen jellegő meghibásodást elıször hajólapátok felületein tapasztaltak. Nagy sebességgel áramló folyadékokban, amikor a folyadékokban keletkezett gızbuborékok szétpattannak, hirtelen nyomáshullámot hoznak létre, és ezek megsértik a felületet. A kavitáció kemény kopogó hangot ad. Jelenleg nem ismerünk olyan anyagot, amely a kavitációnak ellenáll. Mozgó ellendarabokkal érintkezı felületek (pl.: csapágyak, fékek, hajtómővek) tribológiai, súrlódási igénybevételnek vannak kitéve. A felületek károsodnak, ez a károsodás lehet az érintkezésbıl eredı kopás, torzulás. 1

2 A mikroorganizmusokkal érintkezı felületeken az élı szervezetek megtelepedhetnek a felületeken, a felületeket vegyi hatások is érhetik ennek eredményeként. Esetleg rágcsálás is károsíthatja a felületeket. Ezeket az igénybevételeket összefoglalóan biológiai igénybevételnek nevezik. A felület károsodását biológiai károsodásnak nevezik Igénybevételek idıbeli lefolyása Az igénybevételek idıbeli lefutásuk ill. hatásuk szerint lehetnek: állandó: - statikus, - kúszási, periódikusan változó (lengı, lüktetı), sztochasztikusan változó. Az igénybevételek szinte mindig egymásra szuperponálódva, komplexen hatnak. a/ statikus, tartós igénybevétel ig.v. 1(t) 5.1. ábra Statikus, tartós igénybevétel valós idıbeli lefutása. t Statikus, tartós igénybevétel akkor hat a berendezésre ill. a berendezés anyagaira, ha egy idıpillanatban az eddig terheletlen anyagra terhelést adunk. Készülékeknél ilyen hatás a be(ki)kapcsolás. Általában az egyéb terhelések erre szuperponálva hatnak a mőszaki termékek anyagára. Az elméleti terhelés a nulla idıpillanatban eléri a maximális értékét, a valós terhelés görbe mint azt az 5.1. ábra is mutatja egy bizonyos idı eltelte után éri el ezt az értéket. b/ rendkívül rövid ideig tartó, nagy terhelés t 5.2. ábra Rendkívül rövid ideig tartó, terhelés elméleti és a valódi igénybevétel idıbeli lefolyása. 2

3 Az 5.2. ábrán látható igénybevétel azt jelenti, hogy az anyaggal, a berendezéssel szinte nulla idı alatt nagy energiát közölnek. Ilyen igénybevétel éri a berendezést ill. a terméket felépítı anyagokat, amikor leejtik, ráesik valami, esetleg belerúg valaki, villamos készülékeknél villámcsapás adhat ilyen jellegő terhelést. c/ periódikusan változó lengı és lüktetı igénybevétel 5.3. ábra Periódikusan változó igénybevételek. Az 5.3. ábra a lehetséges periódikusan változó mechanikai igénybevételek ( mutatja a mechanikai igénybevétel jellegét) közül mutat kettıt. Akkor lehet lengı igénybevételrıl beszélni, ha az igénybevétel iránya elıjelet vált, míg a lüktetı igénybevételnél nem lép fel elıjelváltás. Az ábra a lehetséges lengı igénybevételek közül a szimmetrikus lengı igénybevételt mutatja be, ekkor a tengely feletti és alatti görbe alatti területek egyenlıek. A lüktetı igénybevétel már egy statikus tartós igénybevételre szuperponált lengı igénybevételként is kezelhetı. d/ állandó igénybevételekre szuperponált sztochasztikusan változó igénybevétel ig.v t 5.4. ábra Sztochasztikus igénybevétel idıbeli lefutása. Az 5.4. ábrán egy véletlen lefutású, sztochasztikus igénybevétel idıbeli lefutását lehet látni. Általában a dinamikus igénybevételek ilyen sztochasztikus terhelésként hatnak eszközeinkre és azokat felépítı anyagokra Mechanikai anyagjellemzık Mechanikai igénybevételek, anyagjellemzık A mőszaki gyakorlatban az anyagok jelentıs részét mechanikai igénybevételeknek teszik, ezért ezeket az anyagokat a mechanikai tulajdonságaik minısítik. A mechanikai igénybevételeknek kitett anyagokat szerkezeti anyagoknak nevezik. Általában a mőszaki gyakorlatban mechanikai igénybevételek elviselésére a fémes anyagokat alkalmazzák, bár a polimertechnológia, a kompozit anyagok térhódításával egyre több helyen váltják ki ezek az anyagok a fémeket. A térfogatra ható igénybevételek közül a mechanikai igénybevételek a következık lehetnek: húzás-nyomás, nyírás, eltolás, csúszás, 3

4 hajlítás, csavarás, torzió, hidrosztatikai nyomás. Ha külsı terhelést adunk egy anyagra, jelen esetben egy hengeres próbatestre akkor a próbatest valamilyen alakváltozást szenved. Az alakváltozás és az ıt elıidézı terhelés közötti kapcsolat lesz az anyag mechanikai tulajdonságának jellemzı paramétere. Külsı terhelés az az igénybevétel, amit a darab valamilyen külsı erı hatására felvesz. Az alakváltozások nagysága függ a vizsgált darab geometriai méretétıl. Azért, hogy a késıbbiekben a paraméterek összehasonlíthatók legyenek, független paraméterekre van szükség. a/ húzás, nyomás F l/2 l 0 d ábra Hengeres test alakváltozása húzó igénybevétel hatására. Az 5.5. ábrán látható d 0 átmérıjő és l 0 hosszúságú próbatest F húzóerı hatására méretváltozást szenved és az átmérıje lecsökken, a hossza pedig l-lel megnı. nyúlás: F dl d ε = l 0 l/2 (5.1.) keresztmetszet csökkenés: da d Ψ = (5.2.) A 0 ahol: 2 d 0 π A 0 = (5.3.) 4 Az alakítási mérıszámok között felírhatók a következı összefüggések: Ψ ε = ; 1 Ψ ε Ψ = 1+ ε (5.4.; 5.5.) A mérnöki gyakorlatban kis alakváltozások engedhetık meg. Megkülönböztethetı a névleges feszültség, mely a mindenkori erı és a névleges keresztmetszet hányadosa, valamint a valódi feszültség, mely a pillanatnyi terhelés és a pillanatnyi keresztmetszet hányadosa. A két érték között gyakorlatilag nincs különbség. df húzófeszültség: = (5.6.) da Amikor nyomóerı terheli a munkadarabot a változások ellenkezı elıjelőek. 4

5 b/ nyírás, eltolás F w υ 5.6. ábra Hengeres test alakváltozása nyíró igénybevétel hatására. A hengeres test kiinduló méreteit az elızı ábrán lévı hengerestest méreteivel azonosnak feltételezve a következı anyagjellemzı paramétereket lehet felírni: nyíró feszültség (csúsztató feszültség): df τ = da (5.7.) nyírás: c/ hajlítás F/2 γ w = tgυ l = 0 (5.8.) F F/2 h ábra Hajlító igénybevétel okozta deformáció. A hengeres testre ható maximális hajlító nyomaték értéke: a behajlás: Fl 0 M max = (5.9.) 4 d/ csavarás, torzió dh du = (5.10.) l 0 5

6 F φ F 5.8. ábra Csavarásra igénybevett hengeres test. A csavarásra igénybevett hengeres test φ szöggel csavarodik el. forgató nyomaték, amely a testre hat: d M = F 0 2 (5.11.) a torzió értéke: dυ = dϕ l 0 (5.12.) e/ hidrosztatikai nyomás 5.9. ábra A kocka minden oldalára egyenlı p nyomás hat. A kompresszió értéke: dv dk = (5.13.) V Szerkezeti anyagok alakváltozásai A mechanikai igénybevétel hatására a szerkezeti anyagok különféle alakváltozással válaszolnak. Ez az alakváltozás lehet: reverzibilis: a terhelés megszőnik az alakváltozás is megszőnik idıben: rugalmas azonnali, egyidejő, viszkorugalmas idıben elhúzódó, 6

7 irreverzbilis: a terhelés megszőnik maradó alakváltozás (képlékeny viselkedés) idıben: plasztikusság, viszkoplasztikusság, törés: A szerkezeti anyag szétválása, folytonosságának megszakadása a repedések makroszkópikus tartományban való terjedése következtében. (rideg viselkedés) A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai is, a többi anyagi tulajdonsághoz hasonlóan állapotfüggıek. Az állapotváltozók, melyek meghatározzák a szerkezeti anyagok tulajdonságait ill, azok megváltozását, a következık: hımérséklet, feszültségi állapot, alakváltozás sebessége. a/ lineárisan rugalmas viselkedés Lineárisan rugalmas a szerkezeti anyag, ha az alakváltozásába befektetett energia az igénybevétel megszőntével veszteség nélkül visszanyerhetı és az anyag ezzel egyidıben visszanyeri eredeti alakját. Tehát az egyenesen tér vissza eredeti alakjára a szerkezeti anyag. A befektetett energia a görbe alatti terület ábra Lineárisan rugalmas viselkedés. Ez a viselkedés lehet húzó vagy nyomó igénybevétel esetén érvényes a Hook-törvény: = εe (5.14.) ahol: E= rugalmassági modulus (Young-modulus), anyagjellemzı Nyíró igénybevételre ugyanilyen arányosság érvényes: τ = γg (5.15.) ahol: G= csúsztató modulus, anyagjellemzı Hidrosztatikai nyomás esetén: β = kk (5.16.) h ahol: K= nyomási modulus Kismértékő alakváltozás esetén (ε 0,01 %) minden szilárd test lineárisan rugalmasnak tekinthetı. b/ nem-lineárisan rugalmas viselkedés ε Nem-lineárisan rugalmas viselkedés esetén a terhelés megszőnte után az alakváltozási energia teljes mértékben felszabadul és az anyag is visszanyeri eredeti alakját. Annyiban különbözik az elızı esettıl, amennyiben a nyúlás és a terhelés között nem lineáris az összefüggés. 7

8 5.11. ábra Nem lineáris viselkedés. Kb. 500 % nyúlásig ilyen tulajdonsággal rendelkezik a gumi. c/ rugalmatlan viselkedés ábra Rugalmatlan viselkedés. Az ábrán látható diagram a szerkezeti anyag rugalmatlan viselkedését jellemzi. Ezt a görbét nevezik hiszterézinek. A terheléskori és a terhelés megszőntét jellemzı görbék nem esnek egybe. A felsı görbe jellemzi a terhelést és a terhelés megszőnésekor pedig az alsó görbének megfelelı útvonalon éri el a szerkezeti anyag az eredeti méretét. Leolvasható, hogy az energiaveszteség a két görbe közötti terület. Az ilyen tulajdonságú anyagokat vibrációs csillapításnál alkalmazzák. d/ viszkorugalmasság A viszkorugalmasság két fogalom összevonásával jött létre. Mint azt már az elıbbiekben tisztáztuk, rugalmasan viselkedik a szerkezeti anyag, ha a terhelı feszültség és a nyúlás között lineáris kapcsolat van, reverzibilis az alakváltozás. A viszkózus viselkedés azt jelenti, hogy a nyúlás lineárisan függ az idıtıl, de a folyamat nem megfordítható, tehát irreverzibilis. Tehát a viszkorugalmas viselkedésre jellemzı, hogy az alakváltozás mértéke függ az idıtıl és a folyamat reveribilis, de az eredeti állapot eléréséhez idıre van szükség, nem a terhelés megszőnésével egyidıben történik. Ezt az idıt nevezik relaxációs idınek. Jellemzıi: E r = relaxációs modulus, a viszkorugalmas alakváltozással szembeni ellenállás mértéke, T= relaxációs idı, relaxációs alakváltozás sebességének a mértéke. e/ szilárdság Szilárdság a szerkezeti anyag vagy szerkezeti elem, töréssel szemben támasztott ellenálló képessége. F = (húzószilárdság) (5.17.) A 8

9 A nyomószilárdság ellenkezı irányú terhelésnél mérhetı. De még a törıszilárdság értékét is meg szokták határozni. A gyakorlati meghatározásról az Anyagvizsgálatok c. fejezetben lesz szó. A szerkezeti anyag szilárdságát több tényezı befolyásolja. A szilárdság függ a szerkezeti anyag kémiai jellemzıitıl, szerkezetétıl, kémiai kötéseitıl a mikroszövet-szerkezetétıl. De a szilárdság mértékét befolyásolja a vizsgálandó test geometriai kialakítása is. Pl.: az ún. bemetszések száma, nagysága, a felületi érdesség rontja a szilárdsági mutatószámot. A szilárdság függ még az igénybevétel jellegétıl, az idıbeli lefolyásától és erısen ronthatják az értékét a környezeti feltételek (pl.: korróziós közeg). A szilárdságra jellemzı mérıszámokat ún. mechanikai-technológiai vizsgálómódszerekkel lehet meghatározni (lásd késıbb). Az ún. szakítódiagram felvétele a következıképpen történhet. Az S 0 kiinduló keresztmetszető és l 0 kezdeti hosszúságú próbatestet egytengelyő húzó igénybevétellel adott sebesség mellett addig nyújtják, amíg be nem következik a szakadás. A vizsgálat során mérik a terhelés változását a darab nyúlásának a függvényében. I II III ε ε ábra Acél szakítódiagramja. Az ábra az acél szakítódiagramját mutatja, melyen a különbözı alakváltozási szakaszok jól figyelemmel kísérhetık. I. Rugalmas alakváltozás: a terhelés megszőnése után a darab visszanyeri eredeti alakját. II. Egyenletes alakváltozás: a képlékeny deformáció a mérıhossz minden egyes pontján azonos. A terhelés megszőnése után az egyenletes nyúlás egyenesével párhuzamosan tér vissza a 0 terhelésre, van visszamaradó deformáció ( ε). III. Kontrakció: a képlékeny deformáció egy szők tartományra korlátozódik. A szakító próbatesten egy vékony nyak alakul ki, így a további nyúláshoz már kisebb feszültség elegendı. A diagram jellegzetes pontjaihoz a következı feszültség értékek tartoznak: el =alsó folyáshatár, eh =felsı folyáshatár, m =szakítószilárdság, ez a legnagyobb feszültség érték, a további nyúláshoz már kisebb feszültségre van szükség, u =ennél a feszültség értéknél következik be a valós szakadás. A méretezéseknél a m szakítószilárdság a számítás alapja. 9

10 f/ a szerkezeti anyagok kúszása és terhelés alatti viselkedése Kúszásnak nevezik a szerkezeti anyagnak állandó, tartós terhelés alatt jelentkezı idıtıl és hımérséklettıl függı alakváltozását. ( ; t T ) ε = f ; (5.18.) A kúszási alakváltozásnak a kiváltó oka a szerkezeti anyagban lejátszódó termikusan aktivált folyamatok, mint pl.: a diszlokációs és a kristályhatár mozgások. A folyamatok megindulásához bizonyos hımérsékletre van szükség, mely függ a szerkezeti anyag fajtájától, olvadási hımérsékletétıl (T m ), anyagtól függıen esetleg az üvegesedési hımérsékletétıl (T ü ). Fémek esetében, ha a T>(0,3 0,4)T m, ill. keramikus anyagoknál T>(0,4 0,5) T m, akkor a kúszást figyelhetjük meg az anyagok viselkedésén.,t=const ábra Kúszási görbe. Az ábra az idıtıl függı alakváltozást mutatja tartós terhelés ( = const) és állandó hımérséklet (T = const) esetén. A görbén a következı szakaszok különböztethetık meg: I. Átmeneti v. primer kúszás szakasza jellemzıje a kezdeti képlékeny alakváltozás, II. Állandó v. szekunder kúszás szakasza ezen a szakaszon dinamikus egyensúly áll fenn az alakváltozási keményedés és a szilárdság csökkenése között, III. Gyorsuló v. tercier kúszás szakasza kúszási megnyúlás gyors növekedése következik be, irreverzibilis folyamatok zajlanak le, melynek utolsó eseménye a kúszási törés. Az anyagkiválasztásnál szükség van a kúszáshatár ismeretére. Kúszáshatár az a feszültség, amely adott hımérsékleten (T) végtelenül hosszú idı alatt sem okoz az elıírtnál nagyobb maradó alakváltozást ( T0,2 ). A szerkezeti anyagra jellemzı érték az idıtartam-szilárdság, mely az a feszültség, amely t idı alatt adott ε t maradó alakváltozást hoz létre. A szerkezeti anyagok kúszása feszültség-relaxációval van összefüggésben, azaz valamely konstrukcióba elıfeszítéssel bevitt feszültségek az anyag képlékeny megnyúlása nyomán idıvel csökkennek. A szerkezeti anyagok kúszása az oka, hogy az említett hımérsékleti határ felett dolgozó gépek csavarkötéseit idıszakonként ellenırizni kell és újra meg kell húzni. 10

11 5.15. ábra A kúszás hatása turbinalapáton a lapát tönkremenetele. g/ kifáradás Kifáradásnak nevezik a szerkezeti anyagoknak a változó, lengı igénybevétel melletti tönkremenetelét. A szerkezeti anyag tönkremenetele mikroszkópikusan az ide-oda csúszkáló diszlokációs vonalak csúszási sávokká történı felhalmozódásából tevıdik össze, míg makroszkópikusan keményedés formájában jelentkezik, a próbatest felületén nyíródási jelenségek, repedések kiindulása lehet, végül a kiinduló keresztmetszet lecsökken, és erıszakos szakadás lép fel. A szerkezeti anyag kifáradásának több oka lehet: hirtelen túlterhelés lép fel, a terhelı feszültség hirtelen, nagy mértékben ingadozik, az ismételt igénybevételek túl nagy száma, feszültség koncentrációs helyek jelenléte (pl.: hibás konstrukció bemetszések), hımérsékletingadozás, korrózió, az anyag belsı feszültségeinek nagysága és eloszlása, az anyag szerkezete, többtengelyő feszültségállapot ábra Wöhler-görbe. 11

12 Az ábrán látható ún. Wöhler-görbe a feszültség és a lengı-igénybevételek száma közötti összefüggést mutatja, azaz, hogy adott feszültség mellett hány lengı-igénybevétel után törik el a próbatest. Az ábrán látható görbe acélra vonatkozik, jellegzetessége, hogy van egy olyan feszültség határérték, egy asszimptota, melynél kisebb feszültség mellett a munkadarab gyakorlatilag végtelen lengésszámú terhelést elvisel. ha terhelı w, akkor N, ha a w = kifáradási határ Tehát az acél tartós szilárdsággal rendelkezik. A Cu, Al kifáradási görbéjének az asszimptotája a vízszintes tengely, tehát bármilyen kis lengıfeszültséggel terhelik a munkadarabot, van egy olyan lengésszám, ahol a darab eltörik ( w =0). A szerkezeti anyagok kifáradásának figyelmen kívül hagyása számtalan balesethez vezetett, pl.: csak Németországban a vonatbalesetet, vagy Amerikában a közúti híd leszakadását megemlítve. 12